金城江區(qū)Cd污染水稻田修復(fù)技術(shù)模式研究

覃 帥，韓 磊，潘麗香，韋華艷，韋夢(mèng)萍，韓冬梅，韋建赳，蘭加永，黃紹應(yīng)

(1.河池市金城江區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，廣西河池 547000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191)

2014年，環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)耕地土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中，Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7.0%[1]，為重金屬之首。作為我國(guó)的主要糧食作物，水稻對(duì)土壤Cd有較強(qiáng)的富集能力[2]，隨著工業(yè)化的發(fā)展，水稻土污染問題日趨嚴(yán)重，有研究表明，稻米是人體Cd攝入的主要來源[3]，曾發(fā)生在日本富山縣駭人聽聞的痛痛病，就是因?yàn)楫?dāng)?shù)厝藬z入了Cd超標(biāo)的稻米。不同水稻品種對(duì)重金屬的吸收富集能力存在差異，有研究表明，高積累水稻品種籽粒中Cd含量是低積累水稻品種的250倍[4]；陳德等[5]研究表明，常規(guī)稻品種籽粒中Cd含量相對(duì)較低,而雜交稻籽粒中Cd含量較高。因此，在重金屬Cd污染土壤上，合理選擇低積累水稻品種進(jìn)行種植，是實(shí)現(xiàn)水稻安全生產(chǎn)的良好思路。

除了選用低積累水稻品種，還可以通過施用葉面阻隔劑、鈣鎂磷肥和合理灌排等農(nóng)藝措施保證水稻的安全生產(chǎn)。研究表明，施用葉面阻隔劑既可以降低糙米中的Cd含量[6]，又可以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)增產(chǎn)[7-8]。葉面阻隔劑采用葉面噴施的方式，方法較為簡(jiǎn)單，但是需要注意噴施時(shí)間、技術(shù)、用量等。酸性條件下，土壤Cd的有效性較強(qiáng)，從而導(dǎo)致作物對(duì)Cd的吸收富集增加，通過施加鈣鎂磷肥的方式可以有效增加土壤pH，降低土壤重金屬有效性，從而實(shí)現(xiàn)水稻安全生產(chǎn)。田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用鈣鎂磷肥后，土壤pH增幅為10.5%～16.1%，并顯著降低了土壤有效鎘含量[9]。合理灌排是影響水稻品質(zhì)的重要因素，土壤的氧化還原電位(Eh)與有效鎘含量呈極顯著正相關(guān),淹水后土壤還原性增強(qiáng)，氧化還原電位顯著降低,土壤Cd的有效性也顯著降低[10]。陳江民等[11]研究表明，持續(xù)淹水顯著降低了2個(gè)水稻品種的土壤有效性Cd含量，但也有研究表明，全生育期淹水可以減少稻米Cd含量，但會(huì)降低水稻產(chǎn)量[12]。

為探究生產(chǎn)實(shí)踐中不同農(nóng)藝措施對(duì)Cd污染水稻田的治理效果，該試驗(yàn)選擇位于廣西河池市金城江區(qū)的Cd污染水稻田，采用種植低積累品種、施用葉面阻隔劑、優(yōu)化施肥和水分調(diào)控4種處理，研究其修復(fù)效果和生產(chǎn)效益，以期為當(dāng)?shù)谻d污染土壤水稻的安全生產(chǎn)提供經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤廣西河池市金城江區(qū)有安全利用類耕地8 328.933 hm2(其中3.708 hm2屬于南丹縣)，面積占轄區(qū)內(nèi)總耕地面積的36.00%；嚴(yán)格管控類耕地有3 960.071 hm2(其中3.374 hm2屬于南丹縣，19.037 hm2屬于宜州區(qū))，占總耕地面積的17.12%，大部分地區(qū)土壤呈酸性。安全利用類耕地主要為Cd污染，部分為汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)單項(xiàng)污染及Cd-Hg、Cd-As、Cd-Pb、Cd-Cr、Hg-As復(fù)合污染，主要種植水稻和其他作物；嚴(yán)格管控類耕地也主要為Cd污染，部分為Hg、Pb、As單項(xiàng)污染及Cd-As、Cd-Pb復(fù)合污染，主要種植水稻和其他作物。項(xiàng)目區(qū)位于金城江區(qū)側(cè)嶺鄉(xiāng)拉合村，為安全利用類耕地，土壤pH在5.5～6.5，全鎘含量為0.8 mg/kg。

1.2 供試植物水稻具有較強(qiáng)的區(qū)域性特點(diǎn)，每個(gè)水稻品種都有其特定的適宜種植區(qū)，只能在其適宜種植區(qū)推廣，因此應(yīng)當(dāng)選擇適宜于特定目標(biāo)種植區(qū)域的品種或材料作為篩選庫(kù)。通過對(duì)目標(biāo)種植區(qū)域的品種進(jìn)行篩選，篩選出來的水稻品種可以直接用于當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)應(yīng)用。

推薦的水稻品種應(yīng)同時(shí)滿足以下3方面條件：①已通過廣西水稻新品種審定，至今仍未退出市場(chǎng)；②適合在河池市稻作生態(tài)區(qū)種植推廣，綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良；③已在Cd超標(biāo)稻田環(huán)境條件下進(jìn)行種植篩選，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該品種具有Cd低富集表現(xiàn)。根據(jù)實(shí)施方案要求以及金城江區(qū)側(cè)嶺鄉(xiāng)拉合村的種植特點(diǎn)，選取野香優(yōu)9號(hào)、野香優(yōu)絲苗、泰優(yōu)553低積累雜交水稻品種進(jìn)行種植。

1.3 葉面阻隔劑對(duì)于土壤目標(biāo)污染物為Cd的區(qū)域考慮使用含硅、硒及鋅等元素的葉面阻隔劑，并在水稻孕穗期至灌漿期進(jìn)行水分調(diào)控。硅元素促進(jìn)Cd元素在水稻根系中沉淀，硒可以減少Cd在水稻不同組織和部位之間的分配。不僅如此，硅和硒都有基因水平上的降鎘機(jī)制，即上位調(diào)節(jié)鎘毒相關(guān)基因的表達(dá)。因此，葉面阻隔劑的關(guān)鍵組分可以阻控稻谷Cd的積累與轉(zhuǎn)換。同時(shí)葉面阻隔劑中富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀、鋅等營(yíng)養(yǎng)元素，為農(nóng)作物提供養(yǎng)分，促進(jìn)生長(zhǎng)、提高品質(zhì)、增加產(chǎn)量。既可以單獨(dú)葉面噴施，也可以與大多數(shù)農(nóng)藥混合使用，還可以借助無人機(jī)或其他機(jī)械進(jìn)行機(jī)噴。經(jīng)多年實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，水稻米平均降鎘超過30%。具體施用的葉面阻隔劑如表1。

表1 葉面阻隔劑施用明細(xì)

1.4 鈣鎂磷肥對(duì)于土壤目標(biāo)污染物Cd平均值在大于0.4 mg/kg 的區(qū)域，可以考慮使用硅鈣鎂類土壤調(diào)理劑，施到土壤里不僅可以中和土壤酸性，降低土壤Cd的活性，還能增加土壤的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，再配施鈣鎂磷肥也可以進(jìn)一步降低土壤中Cd的活性。

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)側(cè)嶺鄉(xiāng)拉合村內(nèi)設(shè)立4個(gè)田間試驗(yàn)示范小區(qū)，示范面積33.333 hm2，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)水稻為一季中稻，4—5月育種插秧，8月中旬收割。4個(gè)處理(表2)分別為水稻低積累品種常規(guī)種植(T0)、低積累品種+葉面阻隔劑(T1)、低積累品種+優(yōu)化施肥(T2)、低積累品種+水分調(diào)控(T3)，4個(gè)處理的具體實(shí)施方法如下：

表2 技術(shù)模式示范

1.5.1低積累品種常規(guī)種植(T0)。

(1)田間設(shè)計(jì)。共選擇13.333 hm2田塊，分別種植3種水稻，每種水稻進(jìn)行4個(gè)重復(fù)，共設(shè)置12個(gè)分區(qū)。

(2)水稻品種。野香優(yōu)9號(hào)、野香優(yōu)絲苗、泰優(yōu)553。

(3)田間管理。采用常規(guī)田間管理，但水、肥、藥等要統(tǒng)一。

1.5.2低積累品種+葉面阻隔劑(T1)。

(1)田間設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)選取4 塊地勢(shì)平坦、總面積0.667 hm2左右的田塊用于葉面阻控劑驗(yàn)證試驗(yàn)，每塊地分2組，分別噴施2個(gè)種類葉面阻隔劑。每個(gè)小區(qū)之間留出 30 cm 寬的間隔即可，不用田埂隔開。

(2)水稻品種。泰優(yōu)553。

(3)葉面阻隔劑。選擇鎘無憂和降鎘靈2種葉面阻隔劑，在拔節(jié)孕穗期和乳熟灌漿期用人工噴施2次。

(4)田間管理。田間水分管理和施肥情況與當(dāng)?shù)毓芾淼那闆r保持一致。

1.5.3低積累品種+優(yōu)化施肥(T2)。

(1)田間設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)選取地勢(shì)平坦、每塊面積約為0.667 hm2的田塊用于低積累品種+鈣鎂磷肥示范區(qū)，進(jìn)行4次重復(fù)試驗(yàn)。每個(gè)小區(qū)之間要用田埂隔開。

(2)水稻品種。泰優(yōu)553。

(3)田間管理。田間水分管理情況與當(dāng)?shù)毓芾淼那闆r保持一致。

1.5.4低積累品種+水分調(diào)控(T3)。

(1)田間設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)選取4塊地勢(shì)平坦、每塊面積約為1.667 hm2的田塊用于低積累品種+淹水處理，進(jìn)行4次重復(fù)試驗(yàn)。每個(gè)小區(qū)之間要用田埂隔開。

(2)水稻品種。泰優(yōu)553。

(3)田間管理。施肥情況與當(dāng)?shù)毓芾淼那闆r保持一致。

1.6 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定水稻樣品檢測(cè)指標(biāo)為Cd、Hg、As、Pb、Cr 5種重金屬，依據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)限量值進(jìn)行重金屬評(píng)價(jià)。

定量(0.250 0 g)稱取水稻樣品于玻璃消解管中，加入10 mL 硝酸，放入電熱消解儀上消解，80 ℃消解1.5 h，120 ℃消解1.5 h，150 ℃消解2 h后，升溫至170 ℃趕酸至樣品剩余約1 mL，用1%硝酸分多次沖洗消解管至樣品完全移入25 mL 容量瓶，待冷卻至室溫后定容。樣品于4 ℃保存待測(cè)。用ICP-MS測(cè)定待測(cè)液中各元素含量。

取過100目篩的土壤0.250 0 g，加入10 mL硝酸、4 mL氫氟酸，靜置過夜，放入電熱消解儀消解，經(jīng)過120 ℃消解3 h，150 ℃消解2 h后，升溫至170 ℃趕酸至樣品剩余1 mL，用1%硝酸分多次沖洗消解管至樣品完全移入25 mL容量瓶，待冷卻至室溫后定容。樣品于4 ℃保存待測(cè)。用ICP-MS測(cè)定待測(cè)液中各元素含量。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬Cd修復(fù)效果分析

2.1.1低積累品種常規(guī)種植。從圖1可以看出，野香優(yōu)9號(hào)、野香優(yōu)絲苗、泰優(yōu)553這3種水稻稻谷中Cd含量分別為0.111、0.090、0.135 mg/kg，3種水稻稻谷中重金屬Cd含量均低于國(guó)家限量值標(biāo)準(zhǔn)，且根據(jù)后續(xù)走訪調(diào)查，3種水稻的產(chǎn)量均是正常水平，沒有明顯的增高或者降低。

圖1 低積累品種常規(guī)種植示范區(qū)稻米Cd含量Fig.1 Cd content of rice in conventional planting demonstration area of low accumulation varieties

2.1.2低積累品種+葉面阻隔劑。從實(shí)施不同葉面阻隔劑后Cd含量(圖2)可以看出，噴施鎘無憂葉面阻隔劑和降鎘靈葉面阻隔劑均可阻擋稻谷對(duì)土壤中Cd的吸收，從而降低稻谷中Cd含量，但是噴施過鎘無憂葉面阻隔劑驗(yàn)證區(qū)的稻谷還是有Cd超標(biāo)的情況出現(xiàn)，而噴施降鎘靈葉面阻隔劑的稻谷中Cd含量均在0.2 mg/kg以下。噴施鎘無憂葉面阻隔劑的稻谷Cd的降低率為39.71%，噴施降鎘靈葉面阻隔劑的稻谷Cd的降低率為46.49%，說明在側(cè)嶺鄉(xiāng)拉合村的生態(tài)條件下，降鎘靈的降鎘率高于鎘無憂的降鎘率，因此，相比較而言，推薦施用降鎘靈葉面阻隔劑。

圖2 低積累品種+葉面阻隔劑驗(yàn)證區(qū)稻米Cd含量Fig.2 Cd content of rice in the validation area of low-accumulation varieties+foliar resistance control agents

2.1.3低積累品種+優(yōu)化施肥。試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)種植低積累水稻泰優(yōu)553和種泰優(yōu)553并且施用鈣鎂磷肥后稻米中的Cd含量均降低至0.150 mg/kg，但是低積累品種+優(yōu)化施肥組合措施可使稻米中Cd含量降低至0.099 mg/kg。與未施用鈣鎂磷肥相比，施用鈣鎂磷肥后稻谷中Cd含量降低34.00%，降鎘效果更加明顯，但是由于施用鈣鎂磷肥(750 kg/hm2)成本較高(1 200元/hm2)，農(nóng)戶不容易接受這種組合的技術(shù)措施，所以篩選出效果好但成本低的土壤調(diào)理劑任務(wù)比較艱巨。因此不推薦使用低積累品種+優(yōu)化施肥組合措施。

2.1.4低積累品種+水分調(diào)控。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用種植泰優(yōu)553并全生育期進(jìn)行淹水處理措施后稻米中的Cd含量為0.143 mg/kg，低于國(guó)家限量值標(biāo)準(zhǔn)，并且低于單獨(dú)種植泰優(yōu)553的Cd含量(0.335 mg/kg)，采取這種組合措施的稻谷中Cd的降低率為57.31%。由于側(cè)嶺鄉(xiāng)拉合村水源充足，灌溉方便，所以低積累品種+水分調(diào)控組合措施的降鎘效果很好，由于水分調(diào)控措施受到自然因素影響較大，因此在水源充足地區(qū)推薦采用低積累品種+水分調(diào)控組合措施進(jìn)行耕地障礙的修復(fù)。

對(duì)比不同處理相對(duì)于泰優(yōu)553低積累品種常規(guī)種植的降鎘率(圖3)發(fā)現(xiàn)，降鎘率排序?yàn)門3>T1>T2,即水分調(diào)控>葉面阻隔劑>優(yōu)化施肥，生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)合理進(jìn)行水分管理，適當(dāng)淹水，以保證水稻的安全生產(chǎn)。

圖3 不同處理的降鎘率Fig.3 Cadmium reduction rate of different treatments

2.2 成本分析該項(xiàng)目主要涉及的示范技術(shù)包括低積累品種、葉面阻隔劑、鈣鎂磷肥和水分管理，其中，種植低積累水稻品種(T0)的成本為2 250元/hm2，低積累品種+葉面阻隔劑(T1)成本為1 500元/hm2，低積累品種+優(yōu)化施肥(T2)成本為3 750元/hm2，低積累品種+水分調(diào)控(T3)成本為3 000元/hm2；T1處理成本最低，而T2處理成本最高。

2.3 產(chǎn)量分析從圖4可以看出，T0處理中3種低積累水稻品種的產(chǎn)量均是正常水平，沒有顯著變化。T1處理中稻谷噴施葉面阻隔劑后，產(chǎn)量沒有明顯變化，與低積累品種相比還略有上升。施用鈣鎂磷肥后的泰優(yōu)553比單獨(dú)種植低積累水稻泰優(yōu)553的產(chǎn)量高123.75 kg/hm2，可見施用鈣鎂磷肥促進(jìn)了稻谷的結(jié)實(shí)。采用種植泰優(yōu)553并全生育期進(jìn)行淹水處理措施后稻谷產(chǎn)量有所下降，降低112.50 kg/hm2?？赡苁且?yàn)殚L(zhǎng)期淹水處理后水稻更易感病，導(dǎo)致稻谷中結(jié)實(shí)率降低，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

圖4 不同處理稻谷產(chǎn)量Fig.4 Rice yield of different treatments

3 討論

農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)應(yīng)遵循綠色可持續(xù)的理念，以消除土壤污染、恢復(fù)土壤基本功能、保障農(nóng)作物正常生長(zhǎng)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全為主要目標(biāo)。根據(jù)農(nóng)田土壤加密調(diào)查數(shù)據(jù)，項(xiàng)目區(qū)域?qū)儆贑d單一污染。以成本低、綠色友好、操作簡(jiǎn)單為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)對(duì)不同修復(fù)技術(shù)的比較分析，從經(jīng)濟(jì)、可行、安全、高效的角度出發(fā)，認(rèn)為安全利用區(qū)可采用作物替代種植、農(nóng)藝調(diào)控等技術(shù)進(jìn)行整合，建立適用于安全利用區(qū)的生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)；該項(xiàng)目主要采取原位鈍化修復(fù)技術(shù)、葉面阻控、優(yōu)化施肥、水分調(diào)控等單一技術(shù)或者聯(lián)合技術(shù)措施。

從水稻籽粒的結(jié)果分析可以看出，通過對(duì)水稻超標(biāo)區(qū)實(shí)施低積累品種+葉面阻隔劑、低積累品種+優(yōu)化施肥和低積累品種+水分調(diào)控等聯(lián)合技術(shù)措施，可以有效地降低水稻籽粒中的重金屬Cd含量。

當(dāng)采用單一的低積累品種或者葉面阻隔劑來進(jìn)行安全利用技術(shù)措施時(shí)，在不同的區(qū)域甚至田塊會(huì)出現(xiàn)不同的表現(xiàn)。通過低積累品種+優(yōu)化施肥或低積累品種+水分調(diào)控集成技術(shù)可以進(jìn)一步降低稻米中Cd含量。在集成技術(shù)措施實(shí)施時(shí)，無論是哪種技術(shù)，想要鎘降低率最大時(shí)還得考慮品種的影響以及不同技術(shù)措施對(duì)產(chǎn)量的影響。建議在技術(shù)措施實(shí)施前，要進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)背景值的調(diào)查和農(nóng)產(chǎn)品的調(diào)查分析，以便確定最適合當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)。

從各個(gè)技術(shù)的應(yīng)用效果分析，噴施葉面阻隔劑和優(yōu)化施肥技術(shù)對(duì)于農(nóng)田修復(fù)來說，見效快、易實(shí)施，但難以徹底去除重金屬，且存在一定的時(shí)效性。淹水可以有效減少水稻對(duì)鎘的富集，但是也會(huì)降低產(chǎn)量，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)綜合水肥管理，充分考慮各種因素的影響。

4 結(jié)論

該研究表明，在Cd污染輕中度區(qū)可采用低積累品種、葉面阻隔劑等單一修復(fù)技術(shù)，在水分條件充足的地方可采用低積累品種+水分調(diào)控的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)降低作物中Cd含量。水分要求灌漿期必須淹水，葉面阻隔劑選用降鎘靈，種植過程中施用鈣鎂磷肥總體上來減少土壤中Cd向水稻籽粒的轉(zhuǎn)移。

對(duì)于Cd污染中重度區(qū)，可采用低積累品種+優(yōu)化施肥的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，降低土壤Cd有效性，減少Cd向作物的轉(zhuǎn)移。低積累品種初步建議選取泰優(yōu)553，土壤調(diào)理劑選擇含硅的中性調(diào)理劑，例如鈣鎂磷肥750 kg/hm2，選用土壤調(diào)理劑來降低土壤中Cd的活性。土壤調(diào)理劑具有改良土壤、增加土壤硅含量、抑制水稻吸收Cd的作用，此外還可實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)。但由于鈣鎂磷肥成本太高，除非Cd污染嚴(yán)重超標(biāo)，否則不建議撒施鈣鎂磷肥。