農(nóng)田鎘污染與安全利用修復(fù)治理試驗研究
——以江西某項目為例

王鐵劉云黃純輪文陽平張楠楠

(1.江西普瑞豐生態(tài)科技有限公司，江西 南昌 330001；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045)

引言

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是人類賴以生存的主要自然資源之一，所有作物的種植都離不開土壤，土壤健康對于作物的安全及糧食安全都起到至關(guān)重要的作用[1]。然而，由于長期不規(guī)范的種植及人類生產(chǎn)活動的影響，土壤健康已經(jīng)受到了嚴重的破壞[2]，2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，通過2005年4月—2013年12月為期8a的普查得出，全國土壤總的點位超標率為16.1%，輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，其中鎘污染的超標極為嚴重，污染物點位超標率為7.0%[3]。農(nóng)田鎘金屬的污染對我國的糧食安全生產(chǎn)造成了極大的影響[4]，2013年在湖南長沙株洲發(fā)生了震驚全國的“鎘大米”事件[5]，近百噸受污染鎘大米被銷毀；湖北、江西、廣西、貴州等地也是農(nóng)田重金屬污染的重災(zāi)區(qū)，每年都有大米因重金屬超標而被銷毀，使農(nóng)民的財產(chǎn)受到嚴重影響，百姓的健康也受到極大威脅。項目所在的江西省每年因土壤重金屬污染而減產(chǎn)糧食80萬以上，直接被重金屬污染的糧食多達10萬t，已形成“毒大米”的“鎘米”區(qū)[6]。江西省農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站對全省優(yōu)勢水稻區(qū)域土壤環(huán)境監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，全省Cd污染最嚴重，樣本超標率4.7%，最大超標64倍；全省Cu污染超標率4.2%，最大超標10倍；全省As污染超標率2.3%，最大超標4倍[7]?！度珖寥拉h(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》和《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》已把江西省納入全國受重金屬污染最嚴重的防護試點區(qū)和重點區(qū)域[8，9]，大量學(xué)者已經(jīng)進行了相關(guān)的理論及實驗研究[10-14]，但在廣泛的應(yīng)用上仍缺少相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此通過在項目中開展農(nóng)田鎘金屬污染修復(fù)研究對開展大范圍的推廣修復(fù)具有極為重要的意義。

1 項目農(nóng)田鎘污染與安全利用修復(fù)治理試驗方案

1.1 項目概況

研究區(qū)域位于江西省南昌市某區(qū)，介于E115°50′39″～115°58′50″，N28°40′15″～28°47′50″，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，其特點是四季分明，年平均氣溫17.5℃，1月平均氣溫5.0℃，極端最低氣溫-9.3℃；7月平均氣溫29.6℃，極端最高氣溫40.6℃，平均氣溫年較差24.6℃。該地有耕地總面積1002.2hm2，其中優(yōu)先保護類面積258.8hm2；安全利用類面積733.9hm2，嚴格管控類面積9.5hm2，受污染耕地重金屬污染元素為鎘(Cd)，點位超標率為69.68%，土壤pH平均值為5.4，呈弱酸性。

2021年對研究區(qū)域受污染耕地安全利用地塊168.6hm2水稻種植區(qū)，采用噴施葉面阻控劑、撒施土壤調(diào)理劑和水分管理措施對受污染耕地進行修復(fù)，治理措施詳見表2。

表1 研究區(qū)域不同村組安全利用水田質(zhì)量分類面積統(tǒng)計

表2 研究區(qū)域受污染耕地信息及治理措施

圖1 研究區(qū)域耕地環(huán)境質(zhì)量類別分布圖

1.2 耕地安全利用試驗方案

在安全利用耕地主體采用成熟技術(shù)方案進行治理的同時，劃出1.8hm2稻田地進行探索性耕地安全利用修復(fù)，對比研究不同調(diào)理劑，不同田間管理方式或不同施肥方式對耕地安全利用治理修復(fù)效果的差異。分為不同調(diào)理劑、不同葉面阻控劑、不同中微量元素肥料、固定調(diào)理劑加不同葉面阻控劑、不同土壤調(diào)理劑撒施方式5個大組，共18個小區(qū)，詳細情況見表3。

表3 耕地安全利用試驗方案

1.3 取樣、檢測方法及評價方法

在收獲季節(jié)對水稻進行取樣，項目實施地塊按照2hm2/個布設(shè)采樣點，共計布設(shè)86個水稻監(jiān)測點位，探索性耕地安全利用修復(fù)實驗地塊對每塊地區(qū)3個樣品，樣品檢測方法為《食品安全國家標準食品中鎘的測定》(GB 5009.15-2014)。整個過程設(shè)置平行和質(zhì)控盲樣，確保檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

農(nóng)產(chǎn)品中目標污染物單因子污染指數(shù)算術(shù)平均值計算公式：

式中，E為所采集的農(nóng)產(chǎn)品中目標污染物單因子污染指數(shù)算術(shù)平均值；n為治理效果評價點位數(shù)量，個；A為農(nóng)產(chǎn)品中目標污染物的實測值，mg·kg-1；S為農(nóng)產(chǎn)品中目標污染物的限量標準值，mg·kg-1。

農(nóng)產(chǎn)品樣本超標率計算公式：

式中，R為農(nóng)產(chǎn)品樣本超標率，%；N為農(nóng)產(chǎn)品超標樣本總數(shù)，個；M為監(jiān)測樣本總數(shù)，個。

表4 治理效果等級(NY/T 3343-2018)

2 結(jié)果與討論

2.1 水稻種植區(qū)污染物鎘治理效果評價

研究區(qū)域耕地土壤環(huán)境質(zhì)量報告顯示，其土壤主要重金屬超標元素為鎘，其他4種汞、砷、鉛、鉻未超標，因此受污染耕地安全利用區(qū)水稻樣本檢測指標僅為鎘。根據(jù)水稻檢測報告結(jié)果顯示，鎘含量范圍為0.036～0.46mg·kg-1，平均值為0.112mg·kg-1，基于農(nóng)產(chǎn)品中重金屬限量標準值計算結(jié)果，見表5，可以發(fā)現(xiàn)，某區(qū)受污染耕地安全利用區(qū)水稻樣本中Cd單因子污染指數(shù)均值(E平均)為0.558，小于1，且其評價點t檢驗結(jié)果均小于1，達到顯著性水平(α=0.05)；經(jīng)安全利用治理后，86個水稻監(jiān)測樣本中有4個樣本Cd超標，超標點位主要分布在上房村1個、滕州村1個、漁業(yè)村1個和熊萬村1個。水稻樣本達標率為95.3%，滿足評價目標水稻重金屬檢測達標率90%以上的要求。

表5 研究區(qū)域鎘污染區(qū)水稻采樣地點信息及Cd含量

表6 研究區(qū)域水稻中鎘元素含量參數(shù)統(tǒng)計表

2.2 耕地安全利用試驗效果評價

通過研究區(qū)域水稻檢測報告結(jié)果顯示，18個水稻樣本鎘含量均低于《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762-2017))限值0.2mg·kg-1標準。因此通過比較不同實驗方式水稻鎘降低率進行效果評價，具體將檢測結(jié)果與空白對照(2個空白樣本的平均值為0.15mg·kg-1)進行比較。不同的降鎘效果試驗方式效果比較如下。

2.2.1 施用不同土壤調(diào)理劑

從表7計算結(jié)果可以看出，水稻鎘的降低率排序為土壤調(diào)理劑1>土壤調(diào)理劑3>土壤調(diào)理劑2，最大降鎘率72.67%。說明土壤調(diào)理劑1對水稻的降鎘效果比較明顯。

表7 不同土壤調(diào)理劑降鎘效果統(tǒng)計表

2.2.2 施用不同葉面阻控劑

從表8計算結(jié)果可以看出，水稻鎘的降低率排序為葉面阻控劑1>葉面阻控劑2，最大降鎘率52%。說明葉面阻控劑1對水稻降鎘效果比較明顯。

表8 不同葉面阻控劑降鎘效果統(tǒng)計表

2.2.3 施用固定土壤調(diào)理劑與不同葉面阻控劑組合

從表9計算結(jié)果可以看出，水稻鎘的降低率排序為土壤調(diào)理劑1加葉面阻控劑1>土壤調(diào)理劑1加葉面阻控劑2；2種使用方式對水稻鎘的降低率均大于50%。說明施用土壤調(diào)理劑1加葉面阻控劑1為最優(yōu)組合，對水稻的降鎘效果比較明顯。

表9 固定土壤調(diào)理劑與不同葉面阻控劑組合降鎘效果統(tǒng)計表

2.2.4 施用不同中微量元素肥料

從表10計算結(jié)果可以看出，當施用不同中微量元素肥料時，水稻鎘的降低率排序為鋅硼肥>鋅肥>硅肥；鋅硼肥對水稻鎘的降低率達到89.33%。說明施用鋅硼肥對水稻的降鎘效果比較明顯。

表10 不同中微量元素肥料降鎘效果統(tǒng)計表

2.2.5 土壤調(diào)理劑施撒用量及方式不同

從表11計算結(jié)果可以看出，當用不同質(zhì)量土壤調(diào)理劑化水撒施時，水稻鎘的降低率排序為土壤調(diào)理劑200kg化水>100kg化水>50kg化水；當用不同質(zhì)量土壤調(diào)理劑直接撒施，水稻鎘的降低率排序為土壤調(diào)理劑200kg正常>100kg正常；比較土壤調(diào)理劑不同撒施方式，土壤調(diào)理劑200kg化水>土壤調(diào)理劑200kg正常，降鎘率均大于50%。說明土壤調(diào)理劑用量達到200kg且化水撒施對水稻的降鎘效果比較明顯。

表11 土壤調(diào)理劑施撒方式不同降鎘效果統(tǒng)計表

通過比較小面積稻田示范區(qū)不同安全利用方式，各措施對水稻降鎘效果：對比撒施土壤調(diào)理劑用量和方式不同的措施中，土壤調(diào)理劑(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)用量200kg且化水撒施效果更佳；對比撒施不同中微量元素肥料中，微量元素鋅硼肥(Zn+B≥10%顆粒)效果更佳；對比使用不同葉面阻控劑的措施中，葉面阻控劑3(SiO2≥10%，粉劑，pH8～10)效果更佳；使用組合措施中，土壤調(diào)理劑1(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)加葉面阻控劑1(Si≥150g·L-1，水劑，pH10～12)效果更佳；對比使用不同土壤調(diào)理劑的措施中，土壤調(diào)理劑1(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)效果更佳。

3 結(jié)語

依據(jù)耕地土壤5項重金屬污染風(fēng)險篩選值(GB 15618-2018)及《耕地污染治理效果評價準則(NY/T 3343-2018)》進行計算，研究區(qū)域重金屬點位超標率為69.68%，其主要污染元素為Cd元素。

根據(jù)研究區(qū)域的污染情況，針對中度污染與輕度污染采用了不同的修復(fù)措施，對修復(fù)后種植水稻的田塊共取樣品86個，經(jīng)檢測僅4個樣品超標，水稻樣品達標率為95.3%，遠高于當?shù)厮蟮陌踩寐蔬_到90%，證明通過治理修復(fù)使當?shù)氐腃d污染有了明顯的改善。

項目團隊同時進行了不同產(chǎn)品及不同使用方式的探索實驗，實驗結(jié)果表明，土壤調(diào)理劑1、鋅硼肥和葉面阻控劑1對水稻降鎘具有最好的效果，在單獨使用下對Cd的降低率分別達到了69.33%、72.67%和52.00%；其中土壤調(diào)理劑1如果采用化水的方式進行使用的話對Cd的降低率能夠達到80%，通過土壤調(diào)理劑1和葉面阻控劑1進行聯(lián)合使用，能使水稻中Cd的降低率達到91.33%，實現(xiàn)了對農(nóng)田重金屬Cd污染較好的修復(fù)。

本項目在進行大面積修復(fù)的同時進行了探索實驗，對不同產(chǎn)品及用法進行了研究，為未來在相關(guān)農(nóng)田污染修復(fù)的實踐打下較好的理論及實踐基礎(chǔ)，也為我國其它類似農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)提供一定參考。