不同治理措施在紹興受鎘污染水稻田的應(yīng)用效果

徐嘉禮， 羅春暉， 吳海波， 姜坤*， 鄭彬

(1.浙江益壤環(huán)?？萍加邢薰荆憬?紹興 312000； 2.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000)

土壤重金屬污染嚴(yán)重威脅土壤質(zhì)量安全，是世界各國(guó)面臨的重要挑戰(zhàn)[1]。伴隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，我國(guó)土壤重金屬污染問(wèn)題較為突出，特別是農(nóng)田土壤污染[2]。原環(huán)境保護(hù)部于2005—2013年開(kāi)展了全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查，并在2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中公布結(jié)果，全國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為 16.1%，環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，污染物主要以Cd、Ni、Cu、As等無(wú)機(jī)污染物為主，其中Cd超標(biāo)率高達(dá)7%[3]。Cd是一種毒性較高的金屬，在土壤中有較強(qiáng)的遷移性，容易被動(dòng)物、植物和微生物吸收與累積，并可通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)，長(zhǎng)期攝取會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生致命危害[4]。在日本等國(guó)家，曾經(jīng)因?yàn)槿藗冮L(zhǎng)期食用“鎘米”和飲用含Cd的水而患“痛痛病”[5]。土壤中Cd的有效性會(huì)隨著土壤酸化程度的加深而增強(qiáng)，加劇Cd在水稻中的遷移與累積，造成稻米Cd含量超標(biāo)[6-7]。因此，南方酸性土水稻種植區(qū)土壤Cd污染問(wèn)題更為突出。浙江省酸性土壤約占全省土壤總面積的50%以上[8]，局部地區(qū)土壤存在Cd污染，各地土壤中Cd含量相差大，來(lái)源復(fù)雜[9]。朱有為等[10]調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，浙江省40個(gè)縣 (市、區(qū)) 主要優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)土壤和農(nóng)作物的Cd含量存在一定程度超標(biāo)，土壤超標(biāo)率為10.69%，農(nóng)作物超標(biāo)率為4.57%，地區(qū)超標(biāo)率從大到小依次是浙中、浙北、浙南，但整體無(wú)嚴(yán)重污染區(qū)域。浙江省人口眾多，城鎮(zhèn)化水平高，中小企業(yè)數(shù)量多，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份，土壤安全和治理是不可忽視的問(wèn)題。

針對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題，國(guó)家在2016年印發(fā)的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中提出要求，到2020年，輕中度污染耕地實(shí)現(xiàn)安全利用的面積達(dá)到266.667萬(wàn)hm2，受污染耕地安全利用率達(dá)到90%左右，到2030年，受污染耕地安全利用率達(dá)到95%以上[11]。為此，浙江省印發(fā)《浙江省土壤污染防治工作方案》，要求到2020年，受污染耕地安全利用率達(dá)到91%左右，到2030年，受污染耕地安全利用率達(dá)到95%左右，土壤環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)中向好[12]。為科學(xué)規(guī)范推進(jìn)輕中度污染耕地安全利用與治理修復(fù)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部推出了《輕中度污染耕地安全利用與治理修復(fù)推薦技術(shù)名錄(2019年版)》，總結(jié)推薦了農(nóng)藝調(diào)控類(lèi)、土壤改良類(lèi)、生物類(lèi)、綜合類(lèi)等技術(shù)措施。本文將選用優(yōu)化施肥、品種調(diào)整、葉面調(diào)控3種農(nóng)藝調(diào)控類(lèi)及土壤改良類(lèi)中的原位鈍化修復(fù)措施，通過(guò)開(kāi)展大田試驗(yàn)，驗(yàn)證此類(lèi)措施對(duì)Cd污染農(nóng)田土壤的修復(fù)效果及對(duì)水稻籽粒Gd吸收的影響，以期為紹興市受污染耕地安全利用與治理工作提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2020年5—11月在紹興市越城區(qū)某Cd輕度污染農(nóng)田進(jìn)行，根據(jù)耕地質(zhì)量劃分，本區(qū)域?qū)侔踩妙?lèi)耕地。試驗(yàn)區(qū)灌溉水無(wú)重金屬污染，土壤類(lèi)型為水稻土，pH 5.13，有機(jī)質(zhì)59.64 g·kg-1，有效鈣157.6 mg·kg-1，有效鎂56.94 mg·kg-1，有效硅88.9 mg·kg-1，有效鎘0.494 mg·kg-1，As 8.09 mg·kg-1，Hg 0.321 mg·kg-1，Pb 60.8 mg·kg-1，Cd 0.694 mg·kg-1，Se 0.762 mg·kg-1。

結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣，選擇水稻品種春優(yōu)927、甬優(yōu)538、甬優(yōu)1540、中浙優(yōu)8號(hào)、秀水14進(jìn)行試驗(yàn)。供試土壤調(diào)理劑為浙江益壤環(huán)保科技有限公司提供的ER系列土壤調(diào)理劑，葉面阻控劑由佛山市鐵人環(huán)?？萍加邢薰咎峁?，鈣鎂磷肥由金華萬(wàn)里神農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司提供。

1.2 處理設(shè)計(jì)

根據(jù)修復(fù)技術(shù)設(shè)4個(gè)主區(qū)：T為對(duì)照區(qū)；A為品種調(diào)整區(qū)；B為優(yōu)化施肥+葉面調(diào)控綜合調(diào)控區(qū)；C為原位鈍化區(qū)。T主區(qū)只設(shè)T0處理，種植水稻品種為春優(yōu)927；A主區(qū)設(shè)A1(甬優(yōu)538)、A2(甬優(yōu)1540)、A3(中浙優(yōu)8號(hào))、A4(秀水14)4個(gè)處理；B主區(qū)設(shè)B1(鈣鎂磷肥600 kg·hm-2)、B2(鈣鎂磷肥600 kg·hm-2+葉面阻控劑1 L·hm-2)、B3(鈣鎂磷肥600 kg·hm-2+葉面阻控劑2 L·hm-2)、B4(鈣鎂磷肥1 200 kg·hm-2+葉面阻控劑1 L·hm-2)4個(gè)處理；C主區(qū)設(shè)C1(土壤調(diào)理劑2 250 kg·hm-2)、C2(土壤調(diào)理劑4 500 kg·hm-2)、C3(土壤調(diào)理劑6 750 kg·hm-2)3個(gè)處理。小區(qū)面積0.1 hm2，其中B、C主區(qū)均種植春優(yōu)927，并以T0作對(duì)照(CK)。土壤調(diào)理劑在水稻種植前撒施，翻耕均勻并保水養(yǎng)護(hù)7 d后播種。鈣鎂磷肥與葉面阻控劑在水稻分蘗期撒施，灌漿期再?lài)姙?次葉面阻控劑。水稻于2020年6月進(jìn)行選種并采用直播方式播種，11月收割。按照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣進(jìn)行正常水肥管理。

1.3 樣品采集與檢測(cè)

水稻成熟后，在各處理區(qū)采用梅花點(diǎn)法采集農(nóng)田耕作層(0～20 cm)混合土壤樣品約1 kg，采集對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的混合水稻樣品約500 g，分析對(duì)照區(qū)T0土壤基本理化性質(zhì)及對(duì)應(yīng)水稻籽粒Cd含量，分析A、B、C區(qū)土壤有效態(tài)Cd及對(duì)應(yīng)水稻籽粒Cd含量。土壤基本理化性質(zhì)分析參照《土壤農(nóng)化分析》第3版要求，土壤有效態(tài)Cd的測(cè)定采用電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜 (ICP-AES) 法測(cè)定，水稻籽粒Cd含量采用石墨爐原子吸收光譜(GF-AAS)法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)水稻籽粒中Cd的影響

圖1所示，常規(guī)稻秀水14籽粒中的Cd含量最低，其次為甬優(yōu)538，甬優(yōu)1540居第三位，三者籽粒中Cd含量均<0.1 mg·kg-1，春優(yōu)927與中浙優(yōu)8號(hào)籽粒中的Cd含量相對(duì)較高，分別為0.22和0.31 mg·kg-1，均超過(guò)GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(0.2 mg·kg-1)。由此可見(jiàn)，常規(guī)稻籽粒Cd含量比雜交稻低，而雜交稻品種中籽粒Cd含量相差較大，這與陳德等[13]的研究結(jié)果相似。

圖1 不同治理措施作用下的水稻籽粒Cd含量

采取優(yōu)化施肥與葉面調(diào)控的單一或組合措施對(duì)水稻籽粒Cd的降低均有明顯的效果，Cd含量均低于GB 2762—2017限量。組合措施比單一措施效果好，其中鈣鎂磷肥1 200 kg·hm-2+葉面阻控劑1 L·hm-2效果最好，Cd含量最低為0.081 mg·kg-1，降幅大于鈣鎂磷肥600 kg·hm-2處理，說(shuō)明鈣鎂磷肥的用量對(duì)籽粒Cd含量有較大影響。鈣鎂磷肥600 kg·hm-2+葉面阻控劑1 L·hm-2的治理效果略?xún)?yōu)于鈣鎂磷肥600 kg·hm-2，說(shuō)明葉面阻控劑對(duì)抑制水稻籽粒中Cd的累積有一定效果。此外，隨著葉面阻控劑濃度的提高，籽粒中Cd含量并未降低，均為0.14 mg·kg-1，說(shuō)明葉面阻控劑對(duì)Cd的用量有一定適用范圍，并不是濃度越高越好。

原位鈍化對(duì)水稻籽粒中Cd均有降低效果，Cd含量均低于GB 2762—2017限量，其中土壤調(diào)理劑6 750 kg·hm-2效果最為明顯，籽粒中Cd含量為0.14 mg·kg-1，降幅約為36%，說(shuō)明土壤調(diào)理劑的用量對(duì)水稻籽粒中Cd含量有一定影響。

2.2 對(duì)土壤中有效態(tài)Cd的影響

圖2所示，優(yōu)化施肥與葉面調(diào)控及組合調(diào)控措施對(duì)土壤中有效態(tài)Cd的降低效果不顯著，只有在鈣鎂磷肥施用量1 200 kg·hm-2的處理下，效果較為明顯，Cd含量為0.281 mg·kg-1，降幅為43%，而鈣鎂磷肥施用量600 kg·hm-2與葉面阻控劑對(duì)土壤中有效態(tài)Cd無(wú)顯著影響。原位鈍化對(duì)水田土壤中有效態(tài)Cd的作用效果明顯，施用土壤調(diào)理劑2 250、4 500、6 750 kg·hm-2處理的有效態(tài)Cd含量分別為0.251、0.244和0.224 mg·kg-1，降幅分別為49%、51%和55%。

圖2 不同治理措施作用下的土壤有效態(tài)Cd含量

3 小結(jié)與討論

本研究是在輕度Cd污染水稻田中采用品種調(diào)整、優(yōu)化施肥與葉面調(diào)控及原位鈍化4項(xiàng)措施，通過(guò)大田試驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)稻米中Cd含量的降低效果，結(jié)果表明，采用以上措施均可使稻米中Cd含量低于GB 2762—2017限量，耕地安全利用率均可達(dá)到100%。

有研究發(fā)現(xiàn)，水稻的品種與基因型對(duì)稻米中Cd含量的積累有顯著影響[14]。某些特定水稻品種在不同器官間對(duì)Cd的運(yùn)轉(zhuǎn)能力也影響Cd在水稻籽粒中的累積[15]。本研究中，5個(gè)水稻品種籽粒Cd含量相差較大，整體上雜交稻Cd的積累能力要高于常規(guī)稻，這也印證了以往的研究結(jié)果[16]。因此，選擇種植Cd積累能力較低的水稻品種可以滿(mǎn)足受污染耕地的安全利用要求。

鈣鎂磷肥作為一種土壤改良劑，其中的鈣、鎂、磷不僅是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，而且可以通過(guò)元素間相互競(jìng)爭(zhēng)、拮抗作用，影響作物的生理代謝等過(guò)程，降低污染土壤中Cd等重金屬的生物有效性[17]。張麗君等[18]研究中，通過(guò)施用鈣鎂磷肥可改善土壤pH值，降低土壤有效鎘含量，對(duì)土壤肥力具有一定改善作用，因此，較適用于微酸性的Cd污染農(nóng)田。王小蒙等[19]對(duì)根施鈣鎂磷肥與葉噴硅/硒聯(lián)合調(diào)控水稻中Cd的吸收作用進(jìn)行研究，結(jié)果表明，聯(lián)合調(diào)控對(duì)降低稻米Cd含量表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)，通過(guò)聯(lián)合處理可使稻米中Cd含量不超標(biāo)。本次研究中所采用鈣鎂磷肥與葉面阻控劑聯(lián)合處理的方法，對(duì)降低稻米Cd含量均有良好效果，可保障稻米的質(zhì)量安全。

原位鈍化是實(shí)現(xiàn)受污染耕地安全利用的重要手段之一，其原理是通過(guò)改變土壤重金屬的形態(tài)和降低重金屬的活性減少水稻對(duì)重金屬的吸收，以達(dá)到污染農(nóng)田安全利用的目的[20]。目前,研究較多的土壤調(diào)理劑主要包括黏土礦物、含碳物質(zhì)、含磷物質(zhì)、硅鈣物質(zhì)、金屬氧化物、有機(jī)物料和工業(yè)廢棄物等。李祥等[21]通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，探究了石灰、硅肥、赤泥等 9 種不同土壤改良劑對(duì)稻米中Cd含量的影響，結(jié)果表明，9 種土壤改良劑均能降低水稻各器官Cd含量，但對(duì)土壤 pH 的影響存在差異。本次試驗(yàn)中使用的土壤調(diào)理劑是一種具有一定吸附作用的堿性物質(zhì)，對(duì)土壤pH有明顯改善，同時(shí)可有效降低土壤中有效態(tài)Cd含量及稻米中Cd含量，可適用于酸性Cd污染土壤的安全利用治理。

綜合以上研究結(jié)果，品種調(diào)整、優(yōu)化施肥、葉面調(diào)控、原位鈍化4類(lèi)措施對(duì)抑制土壤有效態(tài)Cd含量及稻米中Cd的累積均有較好效果，可適用于酸性Cd污染耕地的安全利用和治理。各地可結(jié)合自身實(shí)際情況選取相應(yīng)的治理措施，可優(yōu)先選取成本較低的農(nóng)藝調(diào)控類(lèi)措施，以保證受污染耕地的安全利用率達(dá)標(biāo)，保障稻米的安全生產(chǎn)。