連續(xù)施用鎘砷同步鈍化劑的稻米鎘砷含量降低效果分析?

摘 要：選擇湖南典型鎘砷復(fù)合污染稻田，通過2018—2020年連續(xù)3 a的大田定位試驗對10個鎘砷同步鈍化產(chǎn)品進(jìn)行效果驗證，為鎘砷同步鈍化產(chǎn)品連續(xù)施用的持續(xù)效果及鎘砷復(fù)合污染稻田產(chǎn)品的選擇提供參考。結(jié)果表明：10個鈍化劑產(chǎn)品均具有同步降低稻米鎘砷含量的效果，但不同鈍化劑的稻米降鎘、降砷效果不同，稻米降鎘效果最好的是T9處理，3 a平均稻米降鎘率為52.42%；其次是T4和T3，3 a平均稻米降鎘率分別為42.62%和40.96%；稻米降砷效果較好的為T7和T4處理，3 a平均稻米降砷率分別為34.15%和33.32%；整體上，鈍化劑降低稻米鎘含量的效果高于降砷的效果，且鈍化劑的連續(xù)施用對稻米降鎘和降砷皆具有一定的累加效應(yīng)；另外，連續(xù)施用3 a鈍化劑在一定程度上提升了土壤的pH值，且2018—2020年稻米鎘含量皆與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，表明施用鈍化劑提升了土壤pH值，并抑制了水稻對鎘的吸收積累。綜合考慮認(rèn)為，T4、T8、T7和T10處理的鈍化劑產(chǎn)品適用于鎘砷復(fù)合污染土壤的修復(fù)治理，T9等其他處理的鈍化劑產(chǎn)品適用于單鎘污染耕地的修復(fù)治理。

關(guān)鍵詞：鎘；砷；鎘砷同步鈍化劑；水稻；重金屬污染耕地修復(fù)

中圖分類號：S511；X829 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2023）06-0043-06

Abstract：Typical Cd-As co-contaminated paddy soil in Hunan Province， in this study， was chosen to verify the continued application efficacy of 10 kinds of Cd-As synchronous passivation products through a three-consecutive-year field experiment from 2018 to 2020， thus providing reference for selecting optimum products to remediate Cd-As co-contaminated paddy soil. The results illustrated that the 10 kinds of Cd-As synchronous passivation products all could decrease Cd and As concentration in rice grain， however， the reduction efficacy of different Cd-As synchronous passivation products was dissimilar; compared to CK， T9 displayed the most remarkable Cd reductive efficacy in rice grain during the three years （52.42% on average）， followed by T4 （42.62%） and T3 （40.96%）. T7 and T4 led to the largest diminution of As in rice grain， averagely reaching 34.15% and 33.32%， respectively. On the whole， the achievement of Cd-As synchronous passivation products on reducing rice grain Cd concentration was better than on As， moreover， with three years of continuous application of Cd-As synchronous passivation products， a certain cumulative effect on decreasing Cd and As in rice grain emerged. Furthermore， the three years of continuous application increased the soil pH to a certain extent， and the Cd content in rice grain presented a significantly negative correlation with the soil pH from 2018 to 2020， indicating that the application of passivators increased the soil pH and inhibited the absorption and accumulation of Cd by rice grain. All the results suggested T4， T8， T7 and T10 were suitable for remediating Cd-As co-contaminated paddy soil， while T9 and other passivation products were appropriate for the treatment of Cd alone contaminated paddy soil.

Key words：cadmium; arsenic; Cd-As synchronous passivator; rice; remediation of heavy mental contaminated farmland

鎘砷復(fù)合污染是我國南方稻田重金屬污染的主要形式[1]，由于鎘砷相反的化學(xué)行為特征以及水稻對鎘砷吸收積累的差異[2]，淹水或施用石灰等農(nóng)田降鎘技術(shù)往往引起水稻對砷的積累[3]，從而在鎘砷復(fù)合污染稻田的修復(fù)治理過程中顧此失彼[4-5]。施用鎘砷同步鈍化劑是當(dāng)前鎘砷復(fù)合污染稻田修復(fù)治理最有效的方法。當(dāng)前的鎘砷同步鈍化劑一般是通過將硅鈣肥和鉀硅肥等礦物基材料粉碎[6-8]，或者對生物炭進(jìn)行鐵改性[9-12]，或者用磷酸鹽與鐵肥混配等途徑研制而成[13-16]。由于不同鈍化劑對鎘砷復(fù)合污染土壤修復(fù)治理的效果和穩(wěn)定性差異較大[2-3]，筆者對前期篩選的10個鎘砷同步鈍化產(chǎn)品進(jìn)行了多年連續(xù)定位田間試驗，分析各產(chǎn)品對稻米鎘、砷含量以及鎘、砷鈍化持續(xù)效果的影響，以期為鎘砷復(fù)合污染稻田的安全利用和鎘砷同步鈍化產(chǎn)品的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在瀏陽市永和鎮(zhèn)石佳村（地理坐標(biāo)：東經(jīng)113.881 252°，北緯28.288 480°）進(jìn)行，土壤類型為第四紀(jì)紅壤發(fā)育的水稻土，土壤pH值5.41，土壤全鎘含量1.92 mg/kg，土壤總砷含量47.6 mg/kg。供試作物為水稻，品種為深兩優(yōu)5814。供試鎘砷復(fù)合污染土壤修復(fù)產(chǎn)品為10個鎘砷同步鈍化劑，分別由湖南隆科肥業(yè)有限公司、湖南隆洲馳宇科技有限公司、湖南省和清環(huán)境科技有限公司、湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所、湖南省微生物研究院、湖南泰谷生態(tài)工程有限公司、中南林業(yè)科技大學(xué)、中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、南京寧糧生物工程有限公司、湖南晨露環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司提供。

1.2 試驗方法

2018—2020年，采用田間小區(qū)試驗，以常規(guī)施肥為對照（CK），每種鈍化劑產(chǎn)品即1個處理，共11個處理，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列；小區(qū)面積20 m2，水稻移栽株行距為20 cm×30 cm，外設(shè)保護(hù)區(qū)，小區(qū)間田埂采用塑料包膜，各小區(qū)單排單灌。各處理的鎘砷同步鈍化劑均于插秧前1周均勻撒入土壤并人工耙勻，施用量皆為4 500 kg/hm2；除鎘砷同步鈍化劑產(chǎn)品不同外，其余水肥管理皆按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培方法進(jìn)行，基施復(fù)合肥（15–15–15）450 kg/hm2，水稻移栽后第10天追施尿素75 kg/hm2；水稻分蘗盛期至分蘗末期曬田10 d左右，稻田土壤開裂現(xiàn)白后覆水。

1.3 取樣及樣品分析

試驗前采集基礎(chǔ)土樣，用于土壤基本理化性質(zhì)分析。水稻成熟后測定各小區(qū)實際產(chǎn)量，并采集稻谷樣，稻谷曬干后去糙粉碎。

土壤樣品先采用HNO3-HClO4-HF（5∶1∶2，V/V）進(jìn)行消煮，樣品消煮完全后趕酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后轉(zhuǎn)移定容待測。水稻樣品（糙米和植株）采用HNO3-H2O2（5∶2，V/V）微波消煮，樣品消煮完全后趕酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后轉(zhuǎn)移定容待測。土壤有效態(tài)鎘含量采用0.1 mol/L CaCl2提取方法，土壤有效態(tài)砷含量采用0.5 mol/L KH2PO4提取方法，皆稱10 g過20目篩土樣，加入50 mL提取液震蕩2 h后過濾，稀釋20倍定容待測。以上所有待測溶液皆用ICP-MS（ICAP Q，thermo fisher scientific）測定溶液鎘、砷含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值，運(yùn)用Microsoft excel 2003和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計和方差分析，采用Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈍化劑連續(xù)施用對水稻產(chǎn)量的影響

由圖1可知，不同鈍化劑連續(xù)施用3 a對水稻產(chǎn)量無明顯影響，3 a平均產(chǎn)量分別為7 987.82、7 937.39、8 184.69 kg/hm2，總平均產(chǎn)量為8 036.63 kg/hm2。與CK相比，第1年施用鈍化劑的水稻增產(chǎn)幅度為－2.87%～9.28%，平均為3.93%；第2年施用鈍化劑的水稻增產(chǎn)幅度為－1.82%～6.12%，平均為2.39%；第3年施用鈍化劑的水稻增產(chǎn)幅度為－2.31% ～ 9.91%，平均為3.48%。按3 a平均產(chǎn)量看，與CK相比，T1和T7處理分別減產(chǎn)0.92%和0.85%，其余處理皆有小幅度增產(chǎn)，增產(chǎn)幅度0.53%～7.42%。

2.2 鈍化劑連續(xù)施用對稻米鎘砷含量的影響

由圖2可知，鈍化劑連續(xù)施用3 a對稻米鎘含量影響顯著，連續(xù)施用鎘砷同步鈍化劑的稻米降鎘效果呈逐年加強(qiáng)趨勢。與CK相比，第1年施用鈍化劑的處理稻米鎘含量降低了12.95%～43.99%，平均降幅為26.01%，除T7與CK差異不顯著外，其他鈍化劑處理的稻米鎘含量均顯著低于CK（P＜0.05）；第2年施用鈍化劑的處理稻米鎘含量比CK降低了23.95%～50.31%，平均降幅為36.06%，差異均達(dá)顯著水平；第3年施用鈍化劑的處理稻米鎘含量比CK降低了34.46%～62.96%，平均降幅為48.11%，差異均達(dá)顯著水平。第1年各鈍化劑處理按稻米降鎘效果排序依次為T9＞T4＞T8＞T3＞T1＞T5＞T6＞T2＞T10＞T7，第2年排序為T9＞T2＞T5＞T1＞T4＞T10＞T8＞T3＞T6＞T7，第3年排序為T9＞T3＞T4＞T2＞T6＞T1＞T5＞T8＞T10＞T7。由此可見，連續(xù)施用鎘砷同步鈍化劑的稻米降鎘效果比較穩(wěn)定，且稻米降鎘效果隨施用次數(shù)的增加具有一定的累加作用，其累加效果（第3年的稻米降鎘率減去第1年的稻米降鎘率）表現(xiàn)為T2＞T6＞T3＞T5＞T7＞T4＞T1＞T9＞T10＞T8。計算3 a稻米降鎘效果均值可知，稻米降鎘效果表現(xiàn)為T9＞T4＞T3＞T2＞T1＞T8＞T5＞T6＞T10＞T7，表現(xiàn)最好的是T9處理， 3 a平均稻米降鎘率為52.42%；其次是T4和T3處理，3 a平均稻米降鎘率分別為42.62%和40.96%。

由圖3可知，鈍化劑連續(xù)施用3 a對稻米砷含量的影響顯著，連續(xù)施用鎘砷同步鈍化劑的稻米降砷效果也呈逐年增加趨勢。與CK相比，第1年施用鈍化劑的處理稻米砷含量降低了4.17%～25.31%，平均降幅為12.03%；第2年施用鈍化劑的處理稻米砷含量比CK降低了11.89%～36.21%，平均降幅為22.14%；第3年施用鈍化劑的處理稻米砷含量比CK降低了11.17%～47.10%，平均降幅為29.65%。第1年施用鈍化劑的各處理按稻米降砷效果排序依次為T7＞T10＞T4＞T5＞T2＞T9＞T8＞T3＞T6＞T1，其中T7和T10處理的稻米砷含量顯著低于CK；第2年排序為T4＞T7＞T6＞T10＞T8＞T1＞T5＞T2＞T3＞T9，其中前6個處理的稻米砷含量顯著低于CK；第3年排序為T4＞T7＞T8＞T6＞T10＞T3＞T1＞T5＞T2＞T9，其中前5個處理的稻米砷含量顯著低于CK。整體上，鎘砷同步鈍化劑的稻米降砷效果也較為穩(wěn)定，且稻米降砷效果隨施用次數(shù)的增加也有一定的累加作用，其累加效果（第3年的稻米降砷率減去第1年的稻米降砷率）表現(xiàn)為T8＞T4＞T6＞T7＞T3＞T1＞T10＞T2＞T5＞T9。計算3 a稻米降砷效果均值，各處理稻米降砷效果表現(xiàn)為T7＞T4＞T10＞T8＞T6＞T5＞T1＞T3＞T2＞T9，稻米降砷效果較好的為T7和T4處理，3 a平均稻米降鎘率分別為34.15%和33.32%。

2.3 鈍化劑連續(xù)施用對土壤有效態(tài)鎘砷含量的影響

由圖4和圖5可知，施用鈍化劑顯著降低了土壤有效態(tài)鎘含量，但對土壤有效態(tài)砷含量的影響相對較小。與CK相比，第1年施用鈍化劑的處理土壤有效態(tài)鎘含量降低了18.94%～32.86%，平均降幅為25.08%，各鈍化劑處理與CK的差異均達(dá)顯著水平；第2年施用鈍化劑的處理土壤有效態(tài)鎘含量降低了21.24%～36.12%，平均降幅為31.44%；第3年施用鈍化劑的處理土壤有效態(tài)鎘含量降低了24.20%～40.57%，平均降幅為34.16%；各鈍化劑處理與CK的差異均達(dá)顯著水平。與CK相比，第1年施用鈍化劑的處理土壤有效態(tài)砷含量降低了3.50%～18.67%，平均降幅為9.56%；第2年施用鈍化劑的處理土壤有效態(tài)砷含量降低了1.33%～ 22.11%，平均降幅為8.90%；第3年施用鈍化劑的處理土壤有效態(tài)砷含量降低了6.20%～30.55%，平均降幅為16.34%；施用第1年和第2年各鈍化劑處理與CK的土壤有效態(tài)砷含量差異均不顯著，施用第3年，T2、T6、T8、T9和T10處理的土壤有效態(tài)砷含量顯著低于CK。由此可見，連續(xù)施用鎘砷同步鈍化劑顯著降低了土壤有效態(tài)鎘含量，對土壤有效態(tài)砷的鈍化也有顯著的累加效應(yīng)。

2.4 鈍化劑連續(xù)施用對土壤pH值的影響

由圖6可知，連續(xù)施用3 a鈍化劑在一定程度上提升了土壤的pH值。與CK相比，第1年施用鈍化劑的處理土壤pH增加了0.12～0.75個單位，平均增加0.48個單位，其中T3、T4、T5、T9和T10處理與CK 的差異顯著；第2年施用鈍化劑的處理土壤pH值比CK增加了0.39～0.57個單位，平均增加0.49個單位，差異均達(dá)顯著水平；第3年施用鈍化劑的處理土壤pH值比CK增加了0.37～0.93個單位，平均增加0.72個單位，除T8處理外，其他鈍化劑處理與CK的差異均達(dá)顯著水平。由此可見，土壤pH值也隨鎘砷同步鈍化劑施用次數(shù)增加具有累加效果。

2.5 稻米鎘砷含量與土壤有效態(tài)鎘砷含量及土壤pH值的相關(guān)分析

分析稻米鎘、砷含量與土壤有效態(tài)鎘、砷含量及土壤pH值間的相關(guān)性，結(jié)果（表1）表明，2018—2020年的稻米鎘含量皆與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，表明施用鈍化劑提升了土壤pH值，并抑制了水稻對鎘的吸收積累；2018年稻米鎘含量與土壤有效態(tài)鎘含量相關(guān)性不明顯，2019和2020年稻米鎘含量與土壤有效態(tài)鎘含量呈顯著正相關(guān)，表明鈍化劑的連續(xù)施用，逐步降低了土壤鎘活性，并抑制了水稻對鎘的吸收積累。稻米砷含量與土壤有效態(tài)砷含量無顯著相關(guān)性，表明施用鈍化劑對土壤砷活性無顯著影響，但可能通過離子拮抗等其他作用抑制水稻對砷的吸收積累。

3 小結(jié)與討論

通過鎘砷復(fù)合污染大田的小區(qū)定位施用試驗，對10個鎘砷同步鈍化產(chǎn)品在湖南瀏陽的鎘砷復(fù)合污染稻田進(jìn)行效果驗證，結(jié)果表明，所有鈍化劑皆可顯著降低稻米鎘、砷含量，但不同鈍化劑的稻米降鎘、降砷效果不同，整體上鈍化劑對稻米的降鎘效果優(yōu)于降砷效果，連續(xù)施用具有一定的累加效應(yīng)。稻米降鎘效果最好的是T9處理，3 a平均稻米降鎘率為52.42%；其次是T4和T3處理，3 a平均稻米降鎘率分別為42.62%和40.96%。稻米降砷效果較好的是T7和T4處理，3 a平均稻米降鎘率分別為34.15%和33.32%。綜合來看，T4、T8、T7和T10處理的鈍化劑產(chǎn)品適合用于鎘砷復(fù)合污染土壤的修復(fù)治理，T9等其他鈍化劑產(chǎn)品適合用于鎘污染耕地的修復(fù)治理。

土壤鈍化是通過鈍化材料吸附固定土壤中的有效態(tài)重金屬，或通過釋放拮抗離子來與鎘、砷的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)競爭，或通過調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)降低土壤鎘、砷活性，從而降低稻米對土壤中鎘、砷的累積。施用土壤鈍化劑是原位修復(fù)鎘砷復(fù)合污染土壤的最直接方法，但由于稻田鎘砷相反的化學(xué)行為特征，鎘砷同步鈍化劑一般要依靠多種作用機(jī)制來協(xié)調(diào)[17-18]。該研究基于前期篩選出的10個效果較好的鎘砷同步鈍化產(chǎn)品開展連續(xù)定位施用試驗，結(jié)果表明，10個鈍化劑皆可顯著提升土壤pH值，降低土壤有效態(tài)鎘含量，并顯著降低稻米鎘含量；且隨著鈍化劑的連續(xù)施用，10個鈍化劑的平均稻米降鎘率由第1年的26.01%增加至第2年的36.06%，再增加至第3年的48.11%，呈逐年增加趨勢。這表明連續(xù)施用鈍化劑對稻米降鎘效果有一定的累加作用，但不同鈍化劑的累加效果不同，如T9處理產(chǎn)品的降鎘效果相對穩(wěn)定，第1年至第3年的稻米降鎘率分別為43.99%、50.31%、62.96%，累加效果僅18.97個百分點；而T2處理產(chǎn)品的稻米降鎘效果累加效應(yīng)最高，第1年至第3年的稻米降鎘率分別為19.54%、40.20%、54.95%，累加效果達(dá)35.41個百分點。

鎘砷同步鈍化劑也具有一定的稻米降砷效果，10個鈍化劑的平均稻米降砷效果第1年為12.03%，第2年為22.14%，第3年為29.65%?？梢姡久捉瞪樾Ч傮w上差于降鎘效果，施用鈍化劑對稻米砷也有類似的累加效應(yīng)，且不同鈍化劑的累加效應(yīng)也不同。T7和T4處理的稻米降砷效果較好，2018—2020年各年份的稻米降砷效果T7處理分別為25.31%、32.72%、44.41%，累加效果為19.10個百分點； T4處理分別為16.64%、36.21%、47.10%，累加效果為30.46個百分點，T4處理產(chǎn)品的后發(fā)優(yōu)勢更明顯。而10個產(chǎn)品中，T8處理的稻米降砷效果的累加效應(yīng)最高，第1年至第3年的稻米降砷率分別為8.06%、21.75%、39.60%，累加效果達(dá)31.54個百分點?？梢姡g化劑原材料和加工工藝的不同，其鈍化機(jī)理和阻控機(jī)制也不盡一致，鈍化劑既可通過同晶替代或點位競爭，也可通過離子拮抗或共沉淀等起到稻米降鎘和降砷作用[9-16]，但不同機(jī)制對稻米的降鎘、降砷效果不同，其降鎘、降砷的累加效應(yīng)也不一致。

從3 a定位試驗各產(chǎn)品對稻米降鎘和稻米降砷的總效果來看，T4產(chǎn)品的稻米降鎘率和降砷率分別為42.62%和33.32%，效果較理想，是較好的鎘砷同步鈍化產(chǎn)品；其次是T9，其稻米降鎘率和降砷率分別為52.42%和10.58%，稻米降鎘效果較好，可用于鎘污染稻田的修復(fù)治理；然后是T8、T7和T10，其稻米降鎘率分別為35.28%、23.79%和30.18%，稻米降砷率分別為23.14%、34.15%和26.36%，稻米降鎘和降砷的效果相當(dāng)，可用于鎘砷復(fù)合污染稻田的修復(fù)治理；其余產(chǎn)品的稻米降鎘效果皆高于稻米降砷效果，因此這類產(chǎn)品主要可用于鎘污染稻田的修復(fù)治理。

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（責(zé)任編輯：張煥裕）