一種新型降鎘增硒修復(fù)技術(shù)在鎘輕度污染區(qū)的應(yīng)用效果研究

摘 要：洞庭湖區(qū)土壤為鎘輕度污染，同時存在硒富集，為富硒土壤。為降低洞庭湖區(qū)水稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高水稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，生產(chǎn)富硒稻米，對“礦物改性復(fù)合鈍化—雙重阻隔—增值修復(fù)”技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。該技術(shù)利用礦物改性復(fù)合鈍化劑2作為第一道防線，牢牢吸附土壤中的鎘；以水溶性硅肥作為第二道防線，阻止土壤中的鎘通過水稻根系進(jìn)入稻谷中；利用生石灰調(diào)節(jié)土壤酸堿性，使土壤中的鎘活性降低，同時允許部分硒進(jìn)入水稻根系被稻谷吸收，達(dá)到降鎘增硒目的。經(jīng)過小區(qū)試驗(yàn)及大田示范，發(fā)現(xiàn)將改性復(fù)合鈍化劑2、水溶性硅肥、石灰配合施用，對水稻降鎘增硒效果明顯，可作為一種新型降鎘增硒修復(fù)技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：修復(fù)技術(shù)；降鎘增硒；應(yīng)用效果；鎘輕度污染區(qū)

中圖分類號：S663.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1674-7909（2023）19-148-4

0 引言

洞庭湖區(qū)位于湖南省北部，地勢平坦開闊，氣候溫暖濕潤，土地肥沃，是湖南省重要的糧食產(chǎn)區(qū)，以種植水稻為主。2000年之前，因用受污染的湘江水灌溉，導(dǎo)致洞庭湖區(qū)農(nóng)田大面積污染，特別是鎘污染較嚴(yán)重［1-2］。為了修復(fù)受污染的土壤，人們采用多種方法，常見的有機(jī)械修復(fù)（移除）、物理修復(fù)（電動修復(fù)）、化學(xué)修復(fù)（淋濾、沉淀、吸附、鈍化）、生物修復(fù)（植物、微生物作用）、綜合修復(fù)（低鎘農(nóng)作物+化學(xué)+農(nóng)藝）等方法［3-6］。這些方法在一定條件下能夠取得一定效果，但也存在一些問題，如有些方法成本高、效率低，或者固化時間短，在一定條件下重金屬會重新釋放出來，又或者操作復(fù)雜、環(huán)節(jié)多，難以大范圍推廣應(yīng)用［7-8］。因此，探索一種成本低、效果好、操作簡便的鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。黏土礦物是一種成本低、吸附性能好的土壤鈍化劑［9］，但單一的黏土礦物在吸附重金屬元素方面會受到一定限制，特別是對于復(fù)合污染土壤中重金屬元素的吸附作用較弱，而且如果不對黏土礦物進(jìn)行改性，其吸附性能也會有一定程度的減弱。目前，對黏土礦物改性通常采取高溫加熱法、酸化法、有機(jī)處理等方法［10］。這些方法雖然增強(qiáng)了黏土礦物的吸附性能，但成本也隨之增加，不利于推廣應(yīng)用。

根據(jù)相關(guān)研究，一些高鎘區(qū)域往往伴有硒的富集。洞庭湖區(qū)土壤除了鎘污染外，也存在硒富集，是富硒土壤。硒是一種對人體有益的元素，具有增強(qiáng)免疫力和防治糖尿病、白內(nèi)障、心腦血管疾病等功效。洞庭湖區(qū)主要種植的農(nóng)作物為水稻，鎘污染土壤會導(dǎo)致稻米中鎘超標(biāo)，顯然不利于洞庭湖區(qū)稻米產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如果探索出一種新型降鎘增硒土壤修復(fù)技術(shù)，在降低稻米中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時，可增加稻米中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將對洞庭湖區(qū)稻米產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義，鎘污染土壤修復(fù)水平也將提高到更高的層次?；诖?，筆者以2022年承擔(dān)的湖南省生態(tài)環(huán)境廳“岳陽市湘陰縣重金屬污染耕地風(fēng)險管控試點(diǎn)服務(wù)項(xiàng)目”為契機(jī)，針對洞庭湖區(qū)鎘污染土壤特點(diǎn)，汲取前期土壤修復(fù)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，開發(fā)出一種以黏土礦物為主的改性復(fù)合鈍化劑2（GXFH-2），提出“礦物改性復(fù)合鈍化—二次阻隔—增值修復(fù)”技術(shù)，并對該套技術(shù)進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)及大田示范，驗(yàn)證該修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果，為修復(fù)鎘污染土壤，實(shí)現(xiàn)稻米降鎘增硒目標(biāo)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選擇在湖南省岳陽市湘陰縣愛民村，為洞庭湖濱湖平原區(qū)，土壤類型為河（湖）沖積型土壤，亞類屬潴育型水稻土。試驗(yàn)前，筆者對試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析：土壤pH值為5.0～7.5，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.19～3.71 g/kg，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50～0.90 g/kg，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.70～22.40 g/kg，土壤肥力中等偏上；土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40～0.71 mg/kg，總體為富硒土壤；土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50～1.50 mg/kg，有效鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23～0.70 mg/kg，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）判斷，試驗(yàn)區(qū)土壤鎘污染為輕度污染。

1.2 “礦物改性復(fù)合鈍化—二次阻隔—增值修復(fù)”技術(shù)

1.2.1 礦物改性復(fù)合鈍化劑配制

1.2.1.1 黏土礦物選擇

根據(jù)以往對黏土礦物試驗(yàn)效果及試驗(yàn)區(qū)鎘污染狀況，主要選擇具2∶1型結(jié)構(gòu)的黏土礦物，主要有蒙脫石、伊利石、沸石、硅藻土等。

1.2.1.2 礦物改性

采取細(xì)磨的方法，將單一黏土礦物細(xì)磨至-38～23 μm。研磨過細(xì)則可能會出現(xiàn)團(tuán)聚體浮在水面，反而不利于土壤吸收。

1.2.1.3 礦物改性復(fù)合鈍化劑配制

將改性后的蒙脫石、伊利石、沸石、硅藻土按一定比例配制成礦物改性復(fù)合鈍化劑2（GXFH-2）。

1.2.2 二次阻隔技術(shù)

礦物改性復(fù)合鈍化劑是第一道防線。土壤中的鎘經(jīng)過礦物改性復(fù)合鈍化劑吸附后，大部分被固定在土壤中，但仍會有少量通過水稻根系進(jìn)入稻米中。為了阻止鎘進(jìn)入稻米，需構(gòu)筑第二道防線。構(gòu)筑第二道防線采用的技術(shù)是在水稻抽穗前噴施水溶性硅肥（用SI表示）。水溶性硅肥中的二氧化硅會與鎘結(jié)合，生成無毒或低毒絡(luò)合物，阻止鎘通過稻稈進(jìn)入稻米中［11］。

1.2.3 土壤酸堿性調(diào)節(jié)及降鎘增硒措施

土壤酸堿性是影響土壤中重金屬離子活性的重要因素。在堿性條件下，土壤中重金屬離子活性減弱，有效態(tài)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，有利于減少水稻對鎘的吸收。要使土壤呈堿性，最常用、最經(jīng)濟(jì)的方法就是施用生石灰（用SH 表示）。施用適量的生石灰，可在保證土壤中鎘元素沉淀鈍化的同時，允許部分硒釋放出來被水稻吸收，從而達(dá)到稻米降鎘增硒的目的［12-15］。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了便于比較，試驗(yàn)設(shè)4個處理，分別記為CK、T₁、T₂、T₃，具體設(shè)計(jì)如表1所示。

GXFH-2施用具體操作：在水稻插秧前7～10 d施加，每667 m²施用量為150 kg，采用人工施撒方式，施后翻耕耙勻。

SH施用具體操作：在水稻插秧前7～10 d施加，每667 m²施用量為100 kg，可與GXFH-2同步施用。

SI施用具體操作：在水稻抽穗前噴施，每667 m²施用量為100 g，選擇在09：00前或16：00后噴施，雨天或大風(fēng)情況下不宜噴施。

此次試驗(yàn)中，小區(qū)試驗(yàn)與大田示范同步進(jìn)行，對同一地塊的早稻和晚稻均進(jìn)行試驗(yàn)，晚稻在早稻各處理基礎(chǔ)上采取與早稻相同的處理。

小區(qū)試驗(yàn)：采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理為一個小區(qū)，每處理4次重復(fù)，共16個試驗(yàn)小區(qū)，每小區(qū)面積為20.3 m²。小區(qū)間用田埂分隔，小區(qū)外設(shè)保護(hù)行。為保證各小區(qū)試驗(yàn)效果，水稻先異地育秧再人工移栽至田中，并且統(tǒng)一移栽密度。早稻移栽時間為2022年4月下旬，移栽規(guī)格為16.7 cm×20.0 cm，早稻栽培品種為湘早秈24號（常規(guī)稻）；晚稻移栽時間為2022年7月中旬，移栽規(guī)格為20.0 cm×20.0 cm，晚稻栽培品種為耘兩優(yōu)玖48雜交稻。

大田示范：每處理為一個試驗(yàn)田塊，田塊間以田埂或溝渠自然分隔，每試驗(yàn)田塊面積在0.1 hm²以上。早稻、晚稻播種方式均為撒播，早稻播種時間為2022年4月下旬，晚稻播種時間為2022年7月中旬，早稻、晚稻栽培品種均為湘早秈24號（常規(guī)稻）。

1.4 樣品采集與測定

待水稻成熟后，采集籽粒樣品。為保證樣品代表性，根據(jù)田塊形狀，采用五點(diǎn)梅花形或菱形多點(diǎn)取樣。將籽粒樣品曬干后進(jìn)行脫粒、脫殼，然后用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎，再取100 g樣品送化驗(yàn)室分析。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定樣品中鎘、硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測定質(zhì)量符合《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》（GB 5009.268—2016）要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2可知，在小區(qū)試驗(yàn)中，T₁、T₂、T₃處理早稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于CK，T3處理早稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。這說明單獨(dú)施用GXFH-2有一定的降鎘效果，但降鎘效果較差；GXFH-2、SH配合施用降鎘效果略有提升；GXFH-2、SH、SI配合施用降鎘效果最好。

由表3可知，在小區(qū)試驗(yàn)中，T₁、T₂、T₃處理晚稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于CK，說明在早稻處理的基礎(chǔ)上，單獨(dú)施用GXFH-2或GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SH、SI配合施用均能降低晚稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但單獨(dú)施用GXFH-2降鎘效果較差，GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SH、SI配合施用降鎘效果較好。

由表4可知，在小區(qū)試驗(yàn)中，各處理早稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.038～0.045 mg/kg，T₂、T₃處理早稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于CK，說明GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高早稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由表4可知，在小區(qū)試驗(yàn)中，T₁、T₂、T₃處理晚稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于CK，其中T₃處理晚稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大（0.093 mg/kg）。這說明在早稻處理的基礎(chǔ)上，GXFH-2、SH、SI配合施用可提高晚稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 大田示范結(jié)果與分析

由表5可知，在大田示范中，T₁、T₂、T₃處理早稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于CK。其中，T2、T3處理早稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于稻米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)安全限定值（0.2 mg/kg）。這說明GXFH-2、SH、SI配合施用可降低早稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且使早稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)，降鎘效果較好。

由表6可知，在大田示范中，T₁、T₂、T₃處理晚稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于CK。其中，T₁、T₂處理晚稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍大于稻米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)安全限定值（0.2 mg/kg），T3處理晚稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于稻米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)安全限定值。這說明GXFH-2、SH、SI配合施用可降低晚稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且使晚稻鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)，降鎘效果較好。

由表7可知，在大田示范中，T₂、T₃處理早稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于CK，說明GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高早稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；T₂、T₃處理晚稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于CK，說明在早稻處理的基礎(chǔ)上，GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高晚稻硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)論與討論

通過小區(qū)試驗(yàn)和大田示范，發(fā)現(xiàn)在鎘輕度污染地區(qū)配合施用GXFH-2、SH、SI，可降低稻米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時提高稻米硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使其成為富硒稻米。因此，建議廣泛推廣應(yīng)用該土壤修復(fù)技術(shù)。

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