硅-鈣土壤調(diào)理劑阻控復(fù)合污染稻米鎘砷積累的研究?

引用格式：葉長(zhǎng)城，李園星露，李洪斌，等. 硅–鈣土壤調(diào)理劑阻控復(fù)合污染稻米鎘砷積累的研究[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024（6）：48-51.

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.010

收稿日期：2024-02-27

基金項(xiàng)目：湖南省農(nóng)業(yè)創(chuàng)新資金項(xiàng)目（2023CX73）

作者簡(jiǎn)介：葉長(zhǎng)城（1989—），男，湖南瀏陽市人，工程師，主要研究方向?yàn)橥寥拉h(huán)境污染監(jiān)測(cè)與治理修復(fù)。

通信作者：孫梅

摘要：為探究硅-鈣土壤調(diào)理劑（Ca-Si）對(duì)鎘砷復(fù)合污染水稻積累鎘砷（Cd、As）的影響研究，以“泰優(yōu)390”為試驗(yàn)品種，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取3處（瀏陽LY、臨武LW和慈利CL）鎘砷復(fù)合污染耕地開展田間試驗(yàn)。結(jié)果表明：硅-鈣土壤調(diào)理劑施用下的水稻產(chǎn)量略有增幅（4.18%～11.26%）；能有效阻控水稻對(duì)Cd、As積累，顯著降低稻米中Cd、As的含量，通過鎘砷同步鈍化綜合效果評(píng)價(jià)，LY、LW和CL的Cd、As降幅分別為40.63%、21.62%和41.67%，及29.51%、25.20%和15.38%；通過鎘砷同步鈍化綜合效果評(píng)價(jià)，LY、LW和CL的Cd-As同步降低效果分別為33.40%、23.95%和24.58%，效果顯著。因此，硅-鈣土壤調(diào)理劑在鎘砷復(fù)合污染耕地上能同步降低稻米的鎘砷含量。

關(guān)鍵詞：土壤調(diào)理劑；鎘；砷；同步鈍化

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2024）06-0048-04

Silicon-Calcium Soil Conditioner Reduces the Accumulation of Cadmium and Arsenic in Rice Exposed to Compound Contamination

YE Chang-cheng1，2，3，LI Yuan-xing-lu3，4，LI Hong-bin1，2，ZHENG Sheng1，2，SUN Mei5

（1. GRG Metrology amp; Test （Hunan） Co.， Ltd.， Changsha 410013， PRC; 2. Enterprise Key Laboratory of Farmland Pollution Prevention and Control in Southern China， Guangzhou 511499， PRC; 3. Hunan Engineering Technology Research Center for Irrigation

Water Pollution Purification， Changsha 410128， PRC; 4. Environmental Protection Bridge （Hunan） Ecological Environment

Engineering Co.， Ltd.， Changsha 410205， PRC; 5. Hunan Soil and Fertilizer Institute， Changsha 410125， PRC）

Abstract： With \"Taiyou 390\" as the test variety， the effects of silicon-calcium （Ca-Si） soil conditioner on the accumulation of cadmium

（Cd） and arsenic （As） in rice were studied. A randomized block design was adopted for field experiments， which were conducted in the farmlands contaminated by both Cd and As in Liuyang （LY）， Linwu （LW）， and Cili （CL）. The results showed that the application of Ca-Si soil conditioner increased the rice yield by 4.18%-11.26%. Compared with the conventional treatment， the soil conditioner reduced the content of Cd in rice by 40.63%， 21.62%， and 41.67% and the content of As by 29.51%， 25.20%， and 15.38% in LY， LW， and CL， respectively. According to the comprehensive evaluation of Cd-As synchronous passivation effect， the Cd-As synchr-onous reduction effect in LY， LW and CL was 33.40%， 23.95% and 24.58%. Therefore， the Ca-Si soil conditioner can synchronously reduce the Cd and As content in rice in the farmland exposed to compound contamination， thus controlling the accumulation of Cd and As in rice.

Key words： soil conditioner; cadmium; arsenic; synchronous passivation

土壤中的重金屬累積往往是伴生性或綜合性的，雖然單一重金屬污染發(fā)生的概率較高，但有些情況下也表現(xiàn)為2種及以上元素同時(shí)作用形成的復(fù)合污染[1]。大量學(xué)者調(diào)查結(jié)果均顯示，多種重金屬并存的復(fù)合污染是現(xiàn)今土壤污染的主要形式之一，在土壤–作物系統(tǒng)中，各種重金屬元素之間生物毒性的交叉影響是修復(fù)復(fù)合污染的難題[2-4]，據(jù)2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，耕地環(huán)境污染現(xiàn)狀不容小視。調(diào)查還顯示，重金屬鎘砷的點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%和2.7%[5]。在筆者所調(diào)查區(qū)域范圍內(nèi)，鎘（Cd）、砷（As）元素為調(diào)查區(qū)土壤中2種主要重金屬污染物。

鎘砷復(fù)合污染是我國(guó)南方稻田重金屬污染的主要形式[6]，有色金屬之鄉(xiāng)湖南，土壤復(fù)合重金屬污染更是不容樂觀，治理刻不容緩。據(jù)曾清如等[7]報(bào)道，特大山洪將湖南郴州地區(qū)礦壩沖垮，含多種礦物的尾沙被沖積至周邊農(nóng)田，使該區(qū)域土壤轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N重金屬共存的復(fù)合污染土壤。劉春早等[8]對(duì)湘江流域土壤6種重金屬土壤總量調(diào)查，結(jié)果表明，As、Cd總含量分別在 4.25～549.67、0.13～76.84 mg/kg范圍之間。針對(duì)采礦與冶煉區(qū)附近水稻土展開抽樣調(diào)查，發(fā)現(xiàn)Cd嚴(yán)重污染區(qū)域占到2/3，1/3的耕地受到Cd、As等重金屬的共同作用[9]。周俊馳等[10]對(duì)湖南株洲某縣耕地的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯示，高風(fēng)險(xiǎn)復(fù)合污染區(qū)域面積達(dá)到23.23 km2。土壤重金屬復(fù)合污染嚴(yán)重影響湖南區(qū)域農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)布局及糧食安全。

鎘砷復(fù)合由于鎘砷在土壤中存在的形態(tài)不一，鎘以陽離子形式存在，砷以陰離子形式存在[11]，在土壤中的吸附性、溶解性以及被水稻富集等方面具有相反的性質(zhì)。有研究表明As在土壤–植物系統(tǒng)中的變化與土壤酸堿度密切相關(guān)，在酸性土壤中，活性比較小，隨著土壤pH值升高，土壤中As的吸附減少、溶解度增大，As活性增大，稻米對(duì)As的積累量增加，As對(duì)植物的毒性增強(qiáng)；傳統(tǒng)的農(nóng)藝措施淹水或施用石灰等農(nóng)田降鎘技術(shù)在降低Cd的同時(shí)，往往會(huì)引起水稻對(duì)As的積累，從而出現(xiàn)顧此失彼的現(xiàn)象[11-15]。筆者以Cd、As復(fù)合污染農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，探索鈣基土壤鈍化劑結(jié)合水溶性硅的硅–鈣復(fù)合土壤調(diào)理劑對(duì)鎘砷復(fù)合污染同步鈍化效果和控制稻米Cd、As積累效應(yīng)，為南方典型礦區(qū)Cd、As復(fù)合污染農(nóng)田安全生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試水稻 水稻品種泰優(yōu)390（湘審稻2013027），為湖南省廣泛種植的水稻品種。

1.1.2 供試土壤 試驗(yàn)于2021年分別在瀏陽市、臨武縣、慈利縣3地鄉(xiāng)鎮(zhèn)同步開展，于試驗(yàn)前，按梅花采樣法取試驗(yàn)田土壤樣品，自然風(fēng)干后，用水土比為2.5∶1的比例[16]采用電位法測(cè)定土壤pH值，采用王水–高氯酸濕法[17]和ICP–OES（美國(guó)PE8300）測(cè)定Cd全量和濃度，采用水浴消解–氫化物發(fā)生–原子熒光法和AFS–920雙道原子熒光光度計(jì)測(cè)定As總量和濃度。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，3處土壤均屬于典型的鎘砷復(fù)合污染類型，基本情況如表1。

1.1.3 供試土壤調(diào)理劑 土壤調(diào)理劑為鈣基鈍化劑及水溶性硅粉劑按10∶1的比例混合組成的硅–鈣土壤調(diào)理劑。鈣基土壤鈍化劑以白云石為主原料，方解石或菱鎂礦作為調(diào)節(jié)產(chǎn)品鈣鎂比例的輔料，通過煅燒制得以鈣鎂的氧化物和氫氧化物為主，并包含部分碳酸鈣鎂和二氧化碳?xì)怏w的多孔疏松狀復(fù)合堿性物料，后混合水溶性硅粉劑，使土壤調(diào)理劑CaO≥32.0%，MgO≥16.0%，Si≥15%，并含有部分Mn、Fe氧化物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用田間小區(qū)對(duì)照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（表2），3地同步設(shè)置，共設(shè)2個(gè)處理，分別為空白對(duì)照處理（CK）和硅–鈣土壤調(diào)理劑處理（Ca–Si），每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積30 m2（5 m×6 m），各處理設(shè)獨(dú)立灌溉溝渠，移栽前施磷肥和氮鉀復(fù)合肥做基肥，幼苗期追施尿素和鉀肥，肥水用量、田間管理按大田常規(guī)操作進(jìn)行。

1.3 分析測(cè)定

1.3.1 樣品的采集與制備 在水稻蠟熟期，各小區(qū)按“S”取樣法采集5 m2水稻植株，并進(jìn)行小區(qū)測(cè)產(chǎn)；水稻樣品采集后用自來水洗凈，再用超純水沖洗，將谷粒樣品分別按照編號(hào)置于室外陽光下曬干，并將曬干的谷粒用礱谷機(jī)制出糙米，用植物粉碎機(jī)小心將糙米粉碎后備用。

1.3.2 稻米樣品Cd、As含量測(cè)定 稱取0.5 g糙米樣品，采用HNO3–HClO4體系[18]消化，消解后用ICP–OES（美國(guó)PE8300）測(cè)定鎘濃度，AFS–920 雙道原子熒光光度計(jì)測(cè)定其總砷濃度。

參考專家經(jīng)驗(yàn)與意見，按比例計(jì)算土壤調(diào)理劑的鎘砷同步鈍化綜合治理效果按公式（1）計(jì)算。

Cd–As鈍化效果=Cd鈍化效果×35%+As鈍化效果×65%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

2 結(jié)果與分析

2.1 施用硅-鈣土壤調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由圖1顯示，在3地試驗(yàn)中，與對(duì)照相比，硅–鈣土壤調(diào)理劑處理的水稻產(chǎn)量均有所增長(zhǎng)，LY（26.55 kg）、LW（23.78 kg）和CL（28.01 kg）的Ca–Si產(chǎn)量增幅分別為11.11%、11.26%和4.18%。綜合來看，水稻生產(chǎn)過程中合理的施用硅–鈣土壤調(diào)理劑不會(huì)造成減產(chǎn)，和常規(guī)管理比較，還能有一定的產(chǎn)量增加幅。

2.2 施用硅-鈣土壤調(diào)理劑對(duì)稻米積累Cd的影響

3地土壤中Cd含量排序?yàn)長(zhǎng)Y＜LW＜CL，由圖2可知，3地CK處理中，稻米中Cd的含量與土壤Cd含量升降規(guī)律不一致，考慮是因?yàn)橥寥乐兄亟饘儆行Щ钚缘挠绊?；與對(duì)照相比，施用硅–鈣土壤調(diào)理劑后稻米中Cd含量均有所降低，其中Ca–Si（LY）降低40.63%，Ca–Si（LW）降低21.62%，Ca–Si（CL）降低41.67%。綜合來看，說明水稻生產(chǎn)過程中合理的施用硅–鈣土壤調(diào)理劑能有效降低稻米中Cd積累量。

2.3 施用硅-鈣土壤調(diào)理劑對(duì)稻米積累As的影響

3地土壤中As含量排序?yàn)镃L＜LY＜LW，由

圖3可知，3地CK處理中，稻米中As的含量與土壤As含量升降規(guī)律一致；與對(duì)照相比，在施用硅–鈣土壤調(diào)理劑后，稻米中As含量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中Ca–Si（LY）降低29.51%，Ca–Si（LW）降低25.20%，Ca–Si（CL）降低15.38%。綜合來看，水稻生產(chǎn)過程中合理的施用硅–鈣土壤調(diào)理劑能有效降低稻米中As積累量。

2.4 施用硅-鈣土壤調(diào)理劑對(duì)水稻吸收積累Cd-As影響的綜合效果

參照Cd和As含量降低百分比，可算得Cd–As鈍化效果。由圖4可知，LY、LW和CL的Ca–Si處理Cd–As同步鈍化效果分別為33.40%、23.95%和24.58%，能達(dá)到24%左右。由此可以看出，復(fù)合污染耕地施用硅–鈣土壤調(diào)理劑，鎘砷同步鈍化效果較好。

3 討論與結(jié)論

硅–鈣土壤調(diào)理劑是以鈣鎂的氧化物和氫氧化物為主，并包含部分碳酸鈣鎂和二

氧化碳?xì)怏w的多孔疏松狀復(fù)合堿性物料，從其產(chǎn)品成分和對(duì)Cd–As復(fù)合污染土壤作用機(jī)理上分析鈍化原因。

鈣基鈍化劑可有效提高土壤pH值，對(duì)Cd污染土壤具有顯著修復(fù)效果[19]。有研究表明，提高土壤的pH值，能促進(jìn)重金屬離子形成氧化物沉淀[20-23]；Ca2+與Cd2+具有相似的化學(xué)性質(zhì)，在植物根系上競(jìng)爭(zhēng)吸收點(diǎn)位[24-25]，在土壤發(fā)生水解共沉淀反應(yīng)時(shí)，OH–、CO32–與Cd2+形成溶解度較低的化合物，從而降低水稻中Cd積累。

硅（Si）能抑制水稻中Cd、As等有毒元素的吸收、運(yùn)輸與積累，從而降低水稻中Cd、As含量[26]，水溶性Si進(jìn)入水稻植株體內(nèi)，可增加離子交換能力，形成膠體吸附Cd、As；在減弱水稻對(duì)As的累積方面，由于As和Si的共用吸收通道，二者形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，抑制水稻對(duì)As的吸收與累積[27]。且水稻是典型的喜硅作物，吸硅后表現(xiàn)為根系發(fā)達(dá)，可使植株表皮細(xì)胞硅質(zhì)化、莖稈粗壯、葉片挺舉，減少遮光，光合作用增強(qiáng)15%～20%，抗倒伏能力提高85%左右，抗旱、抗病抗蟲能力大大增強(qiáng)。

由于白云石、方解石及菱鎂礦的純度原因，使得土壤調(diào)理劑中含有部分Mn、Fe氧化物；鐵氧化物，其羥基和鐵陽離子所組成的表面官能團(tuán)（Fe–OH）通過質(zhì)子的離解和締合作用而帶電，從而使帶負(fù)電荷的砷酸根離子接近鐵氧化物膠體表面，產(chǎn)生吸附，使砷活性下降[28]。錳氧化物對(duì)三價(jià)砷有很強(qiáng)的吸附能力，土壤調(diào)理劑含有部分的錳氧化物，對(duì)砷有一定的氧化和吸附能力，氧化錳表面吸附著As3+，表面的As3+被氧化為As5+，而As5+在錳氧化物表面能發(fā)生配位反應(yīng)形成As5+–MnO2雙齒雙核橋接復(fù)合物，從而阻控As在土壤—水稻中的遷移[29]。

雖然有研究表明在實(shí)際應(yīng)用中，且堿性條件不利于As、鉬（Mo）等陰離子的固定[30]，但試驗(yàn)中因?yàn)樗苄許i的同步加入，使As的鈍化加強(qiáng)，從而起到同步鈍化，減少稻米中As的含量。

結(jié)合產(chǎn)品情況與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在鎘砷復(fù)合污染耕地上施用硅–鈣土壤調(diào)理劑不會(huì)對(duì)水稻造成減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，且產(chǎn)量略有增幅；對(duì)稻米Cd–As的含量的起到阻控效果，顯著降低了稻米中Cd及As的含量；對(duì)Cd–As同步降低效果能達(dá)到24%左右。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）