混合改良劑對土壤和水稻糙米鎘積累的影響

王京文， 袁杭杰， 李丹， 楊文葉， 張奇春

(1.杭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 310020； 2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 污染環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點實驗室，浙江 杭州 310058)

杭州市地處我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，近30 a來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含鎘肥料和農(nóng)藥的大量使用以及工業(yè)“三廢”的排放，使得鎘元素成為杭州市耕地土壤重金屬污染的最大威脅，嚴重影響了生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品安全。鎘是植物非必需元素，但可以被植物吸收和富集，并對其生長發(fā)育產(chǎn)生影響，降低農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。通過食物鏈的作用，植物中的鎘在人和動物體內(nèi)富集，并引發(fā)各種疾病[1]。

目前，針對大面積的土壤污染治理，施用土壤改良劑被認為是一種較為經(jīng)濟、方便的土壤修復(fù)方法，能有效地改善土壤性質(zhì)，降低重金屬污染物的生物可利用性[2-4]。土壤改良劑一般以天然改良劑比如石灰、沸石、鈣鎂磷肥較為常見，不同原料的改良劑改良土壤的原理和功效各不相同[2-3]。向土壤添加1種或2種混合改良劑的試驗研究比較常見[5-7]，而添加3種或3種以上混合土壤改良劑的研究鮮見報道。前期的研究表明，采用石灰、沸石、過磷酸鹽和生物質(zhì)炭4種土壤改良劑按一定比例混合比單一添加效果更好，且有利于土壤生態(tài)的保持。為了進一步驗證此混合改良劑的大田施用效果，按4個添加量水平在杭州市富陽區(qū)和桐廬縣鎘污染稻田分別進行了田間試驗，主要通過增加土壤pH值來降低土壤中交換態(tài)鎘的含量，同時使各種改良劑共同發(fā)揮作用，達到受污染耕地安全利用的最佳效果，探尋出行之有效的治理方法，為污染土壤安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究設(shè)2個田間試驗，分別在杭州市富陽區(qū)和桐廬縣進行。試驗點所屬區(qū)域均屬亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，雨水較多，光照充足。富陽和桐廬試驗點年平均氣溫分別為16.6和16.5 ℃，年降水量分別為1 458和1 552 mm。土壤類型分別為水稻土土類、滲育型水稻土亞類、培泥砂田土屬、培泥砂田土種和水稻土土類、潴育型水稻土亞類、黃泥砂田土屬、黃泥砂田土種。供試水稻品種分別為甬優(yōu)5550和秀水11。2個試驗點內(nèi)灌溉、排水設(shè)施完善，道路通達良好。試驗點的土壤理化性質(zhì)詳見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

試驗點所用改良劑(簡稱RM，下同)由石灰、沸石、過磷酸鈣和生物質(zhì)炭按71∶23∶5∶1質(zhì)量比例混合組成。所用石灰(農(nóng)用石灰)主要成分為CaO，鎘含量為0.36 mg·kg-1；沸石主要成分為斜發(fā)沸石，占70%～75%；過磷酸鈣為農(nóng)用肥料，P2O5≥12%；生物質(zhì)炭由農(nóng)作物秸稈制成。

1.2 處理設(shè)計

試驗采取完全隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積為20 m2(2 m×10 m)。設(shè)4個處理：即添加混合改良劑0(對照，CK)、0.1%、0.2%和0.5% 4個水平，依次記為CK、RM1、RM2和RM3。根據(jù)耕作層20 cm和土壤容重進行換算，混合改良劑小區(qū)施用量分別為0、4.4、8.8和22.0 kg。小區(qū)間筑埂并覆蓋塑料薄膜防滲，并設(shè)有獨立的灌排溝渠。在水稻移栽前將混合改良劑均勻撒施于土壤表面，通過耕作技術(shù)使其與耕作層充分混合均勻。所有小區(qū)的種植和田間管理與當?shù)卮筇锷a(chǎn)保持一致。

富陽試驗點水稻于2019年5月23日播種，6月15日移栽，10月30日成熟收獲。6月1日施好樂耕肥料(N 15%，P2O54%，K2O 6%)600 kg·hm-2作基肥，6月5日撒施改良劑，6月28日施用尿素225 kg·hm-2，7月15日追施水稻專用肥(N 20%，P2O58%，K2O 12%)450 kg·hm-2，8月14日噴施氨基酸葉面肥1.5 mL·hm-2，水稻生長期間因病蟲害噴施農(nóng)藥2次。

桐廬試驗點水稻于2019年5月25日播種，6月18日移栽，10月31日成熟收獲。6月1日施用商品有機肥3 000 kg·hm-2、綠聚能復(fù)合肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)300 kg·hm-2作基肥，6月4日撒施改良劑，6月28日施尿素150 kg·hm-2，7月8日追施綠聚能復(fù)合肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)300 kg·hm-2，8月10日追施尿素90 kg·hm-2，水稻生長期間因病蟲害噴施農(nóng)藥2次。

1.3 樣品采集

所采集的新鮮土樣經(jīng)自然風干、碾壓均勻后裝袋待測。水稻收獲前1 d 取稻谷樣，稻谷經(jīng)曬干后去糙粉碎、待用。

1.4 檢測方法

土壤基本理化性質(zhì)按文獻[8]測定，土壤pH值采用去離子水提取(水土比為2.5∶1)、pH酸度計測定，土壤全鎘用王水-硝酸-高氯酸消解，土壤有效態(tài)鎘用DTPA法提取[9]，水稻糙米全鎘用硝酸-高氯酸濕法硝解。消解液及浸提液稀釋定容過濾后用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定鎘含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH

由表2可以看出，土壤中施入混合改良劑后會對土壤pH值產(chǎn)生影響。與CK相比，施入混合改良劑一段時間內(nèi)可增加土壤pH值，且隨混合改良劑添加量增加而增加。隨著混合改良劑施入土壤時間的延長，混合改良劑對土壤pH值的影響逐漸減少。富陽和桐廬試驗點各處理在水稻孕穗期土壤pH值分別增加了1.00～2.40和0.56～2.82單位，在成熟期土壤pH值分別增加了0.88～1.50和0.24～2.12單位，施用改良劑一年后土壤pH值分別增加了0.33～1.00和0.11～0.62單位。施入改良劑后的一年內(nèi)，各處理的土壤pH值變化趨勢為先升高到一定程度后再下降，其中RM3處理后的土壤pH值升幅最高，但降幅也最大，RM1處理后的土壤pH值與CK相近。造成上述情況的原因主要為混合改良劑中的石灰和沸石屬于堿性物質(zhì)，堿性物質(zhì)可提高土壤pH值，對改良土壤pH值有一定的實效性。

2.2 土壤有效態(tài)鎘

由表2可以看出，土壤中施入混合改良劑后會對土壤重金屬有效態(tài)鎘含量產(chǎn)生影響。土壤重金屬有效態(tài)鎘含量的變化趨勢與土壤pH相反。與CK相比，富陽和桐廬試驗點各處理在水稻孕穗期土壤有效態(tài)鎘含量分別降低了19.2%～31.3%和10.7%～35.8%，在成熟期分別降低了9.0%～30.3%和7.1%～29.4%，施用改良劑一年后分別降低了2.5%～12.5%和4.2%～13.7%。施用改良劑一年內(nèi)，均為RM3處理土壤有效鎘含量降幅最大，但隨著混合改良劑施入時間的延長對土壤有效態(tài)鎘含量的影響逐漸減小。造成上述情況的原因主要為土壤pH是影響土壤重金屬鎘形態(tài)的關(guān)鍵因素[10]，土壤pH值增加，有利于土壤中水溶態(tài)和交換態(tài)鎘向碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)和有機結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化。施用改良劑一年內(nèi)，混合改良劑通過增加土壤pH值，促進了交換態(tài)鎘向難溶態(tài)轉(zhuǎn)化，但轉(zhuǎn)化效果慢慢減弱。

表2 施入改良劑后土壤pH和有效態(tài)鎘含量情況

2.3 水稻產(chǎn)量

表3看出，添加混合改良劑有助于提高水稻的產(chǎn)量。與CK相比，施入改良劑后各處理的水稻產(chǎn)量均有所增加，富陽和桐廬試驗點產(chǎn)量分別提高3.0%～16.3%和2.3%～10.6%，產(chǎn)量增加幅度依次為RM2>RM1>RM3。RM3處理產(chǎn)量增加幅度最小，表明在改良劑施入一定量時產(chǎn)量增加幅度會呈下降趨勢，施入過多會造成作物減產(chǎn)。

表3 施入改良劑后水稻產(chǎn)量和糙米鎘含量情況

2.4 水稻全鎘

表3看出，與CK相比，添加混合改良劑處理能明顯降低水稻糙米中的鎘含量，且混合改良劑添加量越大，糙米鎘含量越低。富陽和桐廬試驗點各處理糙米鎘含量分別降低13.0%～51.9%和降低7.4%～61.8%。根據(jù)GB 2762—2017《食品中污染物限量》規(guī)定糙米中鎘的限量為0.2 mg·kg-1，兩個試驗點施入改良劑后各處理水稻糙米中鎘含量均低于限量值。值得一提的是，桐廬試驗點的土壤全鎘和有效鎘含量均高于富陽試驗點，但兩地相對應(yīng)的糙米中鎘含量基本都呈相反的規(guī)律，由此可判斷，桐廬試驗點水稻品種秀水11富集鎘元素能力差于富陽試驗點水稻品種甬優(yōu)5550，其可作為低積累水稻品種進行推廣，這與施燕[11]研究的結(jié)果相一致。

3 小結(jié)

混合改良劑主要通過增加土壤pH值來降低土壤有效態(tài)鎘和農(nóng)作物對有效性鎘的吸收，且有助于增加水稻的產(chǎn)量。與對照相比，2個試驗點提高土壤pH值和降低有效態(tài)鎘含量的效果均是隨著混合改良劑施入土壤中時間的延長而減弱，施入一年后RM1處理土壤pH值和土壤有效態(tài)鎘含量接近對照。各處理的水稻產(chǎn)量均有增加，但RM3處理增加幅度已不明顯。

添加混合改良劑有助于降低水稻糙米鎘含量，施用改良劑后各處理水稻糙米中鎘含量可達安全食用標準，且水稻品種秀水11低吸收鎘特征優(yōu)于甬優(yōu)5550?？傮w來看，混合改良劑施用一年后對稻田鎘污染的修復(fù)效果已逐漸減弱，基于改善土壤理化性狀、提升作物產(chǎn)量和降低糙米中鎘含量目的，建議水稻品種選擇秀水11、應(yīng)用改良劑RM2(0.2%)處理進行示范推廣。