?石灰質(zhì)復(fù)合調(diào)理劑對(duì)中堿性鎘污染稻田的修復(fù)效果

引用格式：何運(yùn)祥. 石灰質(zhì)復(fù)合調(diào)理劑對(duì)中堿性鎘污染稻田的修復(fù)效果[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024（6）：52-56.

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.011

收稿日期：2024-02-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2023YFD1700102）；國(guó)家自然科學(xué)基金（42077374）

作者簡(jiǎn)介：何運(yùn)祥（1965—），男，湖南澧縣人，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事土壤肥料等農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣、農(nóng)業(yè)項(xiàng)目管理等工作。

摘要：為探究石灰質(zhì)材料（生石灰和石灰石粉）與枯餅肥、海泡石復(fù)配對(duì)中堿性鎘污染稻田的修復(fù)效果，通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了石灰質(zhì)復(fù)合材料與枯餅肥、海泡石的不同組配方式對(duì)土壤pH值、有效態(tài)鎘含量及糙米鎘含量的影響，并進(jìn)行效益分析。結(jié)果表明：石灰質(zhì)復(fù)合調(diào)理劑主要是通過(guò)提升土壤酸堿度，降低土壤有效態(tài)鎘含量，從而降低水稻對(duì)鎘的吸收積累。石灰質(zhì)復(fù)合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）3 600 kg/hm2合理搭配枯餅肥、海泡石的復(fù)合調(diào)理劑，可顯著提高土壤pH值0.47～0.67個(gè)單位，顯著降低土壤有效態(tài)鎘含量34.71%～44.94%，顯著降低糙米鎘含量39.60%～53.47%，且其作用效果隨調(diào)理劑用量的增加而提高。復(fù)合調(diào)理劑還具有顯著的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)幅度達(dá)1.75%～10.59%，其增產(chǎn)效果主要受枯餅肥用量的影響。成本效益分析結(jié)果表明，降鎘1%新增成本隨糙米降鎘率呈先下降后上升的趨勢(shì)，但糙米降鎘率與修復(fù)成本呈報(bào)酬遞減規(guī)律。綜合考慮糙米降鎘效果和成本，生石灰（1 200 kg/hm2）+石灰石粉（2 400 kg/hm2）+海泡石（1 500 kg/hm2）可推薦為最佳復(fù)合調(diào)理劑。

關(guān)鍵詞： 石灰質(zhì)材料；枯餅肥；海泡石；復(fù)合調(diào)理劑；鎘；重金屬

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2024）06-0052-05

Composite Calcareous Conditioners Remediate the Alkaline Paddy Soil Contaminated by Cadmium

HE Yun-xiang

（Lixian County Bureau of Agriculture and Rural Affairs， Lixian 415500， PRC）

Abstract：Calcareous materials （quicklime and limestone powder） were mixed with seed meal and sepiolite at different ratios to prepare composite calcareous conditioners， which were then used to remediate the alkaline paddy soil contaminated by cadmium. Field plot experiments were conducted to study the effects of the composite calcareous conditioners on soil pH， available cadmium content in soil， and cadmium content in brown rice. Furthermore， the cost and benefit of cadmium reduction were analyzed. The results showed that composite calcareous conditioners reduced the content of available cadmium in soil by increasing soil pH， thus reducing the absorption and accumulation of cadmium in rice. The calcareous materials （quicklime ： limestone powder=1∶2） applied at 3 600 kg/hm2 with seed meal and sepiolite increased the soil pH by 0.47-0.67， reduced the soil available cadmium by 34.71%-44.94%， and decreased the cadmium content in brown rice by 39.60%-53.47%. Moreover， the effects enhanced with the increase in the application rate. Furthermore， the composite calcareous conditioners increased the rice yield by 1.75%-10.59%， and the yield-increasing effect was affected by the amount of seed meal. The results of cost-benefit analysis showed that the cost for 1% reduction of cadmium in brown rice first decreased and then increased with the increase of the cadmium reduction rate in brown rice. The benefit decreased as the cadmium reduction rate in brown rice and the remediation cost increased. Considering the effect and cost of cadmium reduction in brown rice， the optimal formula of the composite calcareous conditioner was recommended as quicklime （1 200 kg/hm2） + limestone powder （2 400 kg/hm2） + sepiolite （1 500 kg/hm2）.

Key words： calcareous material; seed meal; sepiolite; composite conditioner; cadmium; heavy metal

隨著我國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，土壤重金屬污染進(jìn)一步加劇。據(jù)報(bào)道，全國(guó)土壤污染點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，其中鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7.0%，且主要分布在我國(guó)南方稻區(qū)[1]。水稻作為全國(guó)60%人口的主要糧食作物，具有高鎘累積的特征[2]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)稻米鎘含量是小麥和其他谷物的3～8倍[3]，部分地區(qū)稻米鎘超標(biāo)率高達(dá)10.0%[4]，嚴(yán)重威脅我國(guó)稻米糧食質(zhì)量安全。因此，采取安全有效的稻田降鎘措施對(duì)稻米安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

原位鈍化被認(rèn)為是最簡(jiǎn)捷高效的土壤修復(fù)手段，其主要機(jī)理是通過(guò)降低重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化，從而降低重金屬的生物有效性[5]。石灰、海泡石、有機(jī)肥等均是土壤鎘污染治理的常用物料[6-7]，石灰可通過(guò)提高土壤pH值，降低土壤有效態(tài)鎘含量，減少水稻對(duì)鎘的吸收，但長(zhǎng)期施用會(huì)破壞土體團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，造成土壤板結(jié)[8]；施用有機(jī)肥則可提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤庫(kù)容，改變土壤鎘的賦存形態(tài)，減少水稻對(duì)鎘的積累[9]；增施海泡石等硅基調(diào)理劑則可促進(jìn)硅鎘沉淀，顯著降低土壤鎘的生物有效性[10]。

近年來(lái)，將多種修復(fù)物料按一定比例進(jìn)行互配，尤其是有機(jī)、無(wú)機(jī)材料的組合互配可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，顯著提升修復(fù)效率[11-13]，但應(yīng)用于中堿性土壤的鎘污染稻田修復(fù)治理報(bào)道較少[14-15]。為此，筆者針對(duì)澧縣典型的中堿性鎘污染稻田，在優(yōu)選出石灰質(zhì)復(fù)合材料配方的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)石灰質(zhì)復(fù)合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）與海泡石、枯餅肥進(jìn)行組配，研究其對(duì)土壤pH值、有效態(tài)鎘含量、糙米鎘含量和水稻產(chǎn)量的影響，并分析其經(jīng)濟(jì)效益，以期為同類(lèi)型鎘污染稻田的安全利用提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

田間試驗(yàn)位于湖南省澧縣安全利用區(qū)的某中性鎘污染稻田，其土壤類(lèi)型為河流沖積母質(zhì)發(fā)育的河潮泥，基本理化性質(zhì)為pH值6.76、有機(jī)質(zhì)22.8 g/kg、

全氮1.64 g/kg、堿解氮121.3 mg/kg、速效磷32.4 mg/kg和速效鉀102.6 mg/kg，土壤總鎘含量0.79 mg/kg，有效態(tài)鎘0.25 mg/kg。供試水稻品種為天優(yōu)華占，試驗(yàn)用生石灰（CaO≥80%）、石灰石粉（CaCO3≥90%）、枯餅肥（有機(jī)質(zhì)≥50%）、海泡石（SiO2≥30%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以常規(guī)施肥為對(duì)照，設(shè)石灰質(zhì)復(fù)合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）與枯餅肥和海泡石的8個(gè)配方，共9個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列小區(qū)面積30 m2，具體配方及用量見(jiàn)表1。

水稻移栽前1周按照配方設(shè)置分別施入生石灰、石灰石粉、枯餅肥和海泡石，并旋耕均勻。水稻移栽前1 d按750.0 kg/hm2施入15–15–15史丹利牌復(fù)合肥作基肥，移栽后14 d追施洞庭牌尿素112.5 kg/hm2。

其他耕作管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植方式保持一致。

2023年6月12日移栽水稻秧苗；2023年9月23日收獲水稻，并實(shí)地測(cè)產(chǎn)。

供試材料成本為生石灰450元/t，石灰石粉200元/t，枯餅肥2 000元/t，海泡石600元/t；撒施成本按0.02元/kg計(jì)算。

1.3 樣品采集與處理

水稻成熟期各小區(qū)采集長(zhǎng)勢(shì)均勻的水稻6株，脫粒后的稻谷于105℃下殺青30 min，70℃烘干至恒重。稻谷樣品使用小型礱谷機(jī)脫殼制成糙米，用不銹鋼粉碎機(jī)（FW–80，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）粉碎后裝袋備用。

水稻成熟期采集各小區(qū)耕層（0～20 cm）土壤樣品，剔除雜物后混合均勻，樣品室內(nèi)自然風(fēng)干后過(guò)20目尼龍篩，保存至封口袋中備用。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤pH值采用pH計(jì)（pHs–3C，上海雷茲）測(cè)定，土水比為1∶2.5（m∶V）；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量–外加熱法測(cè)定；堿解氮采用擴(kuò)散法測(cè)定；全氮采用凱氏定氮儀測(cè)定；速效磷采用NaHCO3浸提–鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用火焰光度法測(cè)定[16]。土壤有效態(tài)鎘采用DTPA法提取，土水比1∶2.5（m∶V），180 r/min條件下振蕩2 h后過(guò)濾；土壤全鎘采用王水–高氯酸消解法消解后定容過(guò)濾，用電感耦合等離子光譜儀（ICP–OES–5110，美國(guó)安捷倫）測(cè)定濾液中鎘含量。

糙米鎘含量采用混合酸溶液（HNO3–H2O2，體積比8∶1）微波消解法消解，消解液定容過(guò)濾后用ICP–OES–5110（美國(guó)安捷倫）測(cè)定濾液中鎘含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

每公頃新增成本（元/hm2）＝材料成本+撒施成本；每降鎘1%新增成本（元）＝每公頃新增成本/糙米鎘降低率。

用Excel 2016軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和作圖；數(shù)據(jù)分析基于SPSS 26.0方差分析法（ANOVA）和LSD法（P＜0.05）進(jìn)行顯著性差異分析，線(xiàn)性回歸法進(jìn)行指標(biāo)相關(guān)性分析，每個(gè)圖形值代表平均值±

標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值變化

由圖1可知，水稻成熟期對(duì)照處理（T1）的土壤pH值為6.73。與T1相比，其余8個(gè)配方處理的土壤pH值提高了0.47～0.67個(gè)單位，皆達(dá)到顯著差異水平；而石灰質(zhì)復(fù)合材料與海泡石（T2）、枯餅肥（T5）及其組合處理間的pH值皆無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，石灰質(zhì)復(fù)合材料與海泡石、枯餅的復(fù)合調(diào)理劑皆可顯著提升土壤酸堿度，但增施海泡石、枯餅肥對(duì)土壤pH值無(wú)顯著影響。

2.2 土壤有效態(tài)鎘含量變化

由圖2可知，水稻成熟期對(duì)照處理（T1）的土壤有效態(tài)鎘含量為0.25 mg/kg。與T1相比，其余8個(gè)配方處理的土壤有效態(tài)鎘含量降低了34.71%～44.94%，皆達(dá)到顯著差異水平；而石灰質(zhì)復(fù)合材料與海泡石（T2）、枯餅肥（T5）及其組合處理間的土壤有效態(tài)鎘含量皆無(wú)明顯差異?？梢?jiàn)，石灰質(zhì)復(fù)合材料與海泡石、枯餅的復(fù)合調(diào)理劑皆可顯著降低土壤有效態(tài)鎘含量，但增施海泡石、枯餅肥皆對(duì)土壤有效態(tài)鎘含量無(wú)顯著影響。

2.3 稻谷產(chǎn)量與糙米鎘含量變化

由圖3可知，水稻成熟期對(duì)照處理（T1）的稻谷產(chǎn)量8.55 t/hm2。與T1相比，所有處理皆有增產(chǎn)效果，增產(chǎn)幅度在1.75%～10.59%之間。其中，除施用枯餅肥量較低的處理（T2、T3、T4）外，其余處理皆增產(chǎn)顯著，表明在試驗(yàn)條件下增施枯餅肥750 kg/hm2及以上可顯著增加稻谷產(chǎn)量，而增施海泡石對(duì)水稻產(chǎn)量的影響不明顯。

由圖4可知，糙米鎘含量的變化，與土壤有效態(tài)鎘含量的變化基本一致，除T1及T3處理外，其余處理的糙米鎘含量均低于國(guó)家食品安全限值（0.2 mg/kg）。與T1相比，其余8個(gè)處理的糙米鎘含量降低了39.60%～53.47%，皆達(dá)到顯著差異水平；由圖5可知，且隨復(fù)合材料施用量的增加，糙米降鎘效果有增加趨勢(shì)（y = 4.58 x + 22.98，R2 = 0.59）；糙米降鎘率與枯餅肥施用量也呈顯著的正相關(guān)（y = 9.83 x -

41.83，R2 = 0.55），但糙米降鎘率與海泡石用量相關(guān)性不明顯?？梢?jiàn)，在施用石灰質(zhì)復(fù)合材料條件下，增加枯餅肥、或者枯餅肥與海泡石的總用量，可進(jìn)一步提升糙米降鎘效果，并實(shí)現(xiàn)糙米鎘含量降低至0.2 mg/kg以下。

2.4 糙米鎘含量與土壤有效態(tài)鎘含量及土壤pH值間的關(guān)系

分析糙米鎘含量與土壤有效態(tài)鎘含量及土壤pH值之間的關(guān)系（圖6）表明，糙米鎘含量與成熟期土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤有效態(tài)鎘含量呈顯著正相關(guān)，表明施用石灰質(zhì)復(fù)合材料與枯餅肥、海泡石復(fù)配主要是通過(guò)提升土壤酸堿度，降低土壤有效態(tài)鎘含量，從而提升糙米降鎘效果。

2.5 糙米降鎘成本分析

由圖7可知，糙米降鎘率與修復(fù)產(chǎn)品施用成本呈正相關(guān)（y = 0.013 9x + 20.744，R2 = 0.949 8），表明增加修復(fù)產(chǎn)品施用量，糙米降鎘效果增強(qiáng)，但修復(fù)成本也會(huì)顯著增加。T2～T9處理糙米降鎘率與降鎘1%新增成本之間呈二次曲線(xiàn)關(guān)系（R2 =0.98），降鎘1%新增成本與糙米降鎘率呈先下降后上升趨勢(shì)，降鎘1%新增成本在46.37～80.32元/hm2；其中，T2降鎘1%新增成本最低，僅46.37元/hm2，為最經(jīng)濟(jì)的處理。整體上，糙米降鎘率與降鎘1%新增成本呈顯著正相關(guān)，表明增加修復(fù)產(chǎn)品施用量，糙米降鎘效果也隨之增強(qiáng)，但修復(fù)效果呈報(bào)酬遞減

規(guī)律。

3 討論與結(jié)論

土壤有效態(tài)鎘受多種因素共同制約，其中土壤酸堿度是最重要的控制因子，調(diào)控著重金屬離子在土壤–溶液界面的動(dòng)態(tài)平衡[17]。隨著pH值升高，土壤膠體表面負(fù)電荷點(diǎn)位逐漸增多，土壤對(duì)重金屬的專(zhuān)性吸附能力增強(qiáng)；此外土壤酸堿度提升有利于鐵、錳羥基化合物形成，為重金屬提供更多羥基吸附點(diǎn)位[18-19]。提升土壤酸堿度降低土壤鎘的生物有效性是修復(fù)酸性鎘污染稻田最常用的方法，但在中堿性鎘污染土壤中，大部分集中在鈣鎂磷肥、椰殼生物炭、油菜秸稈生物炭、腐殖酸等形成的有機(jī)–無(wú)機(jī)復(fù)合調(diào)理劑對(duì)鎘的鈍化效果研究，基于石灰質(zhì)材料的研究相對(duì)較少[15]。因此，筆者在前期研究探明生石灰∶石灰石粉=1∶2時(shí)修復(fù)效果較好的基礎(chǔ)上，通過(guò)該石灰質(zhì)復(fù)合材料與枯餅肥、海泡石進(jìn)行復(fù)配，以期探明石灰質(zhì)材料及其與枯餅肥、海泡石復(fù)配在中堿性鎘污染稻田的修復(fù)效果。研究結(jié)果表明，復(fù)合調(diào)理劑處理的土壤pH值提高了0.47～0.67個(gè)單位，土壤有效態(tài)鎘含量降低了34.71%～44.94%，稻米鎘含量也降低了39.60%～53.47%，皆達(dá)顯著差異水平；而復(fù)配枯餅肥、海泡石對(duì)土壤pH值、土壤有效態(tài)鎘含量的影響不明顯，但隨枯餅肥、海泡石施用比例及施用量的增加，降低稻米鎘含量的效果增加，但隨復(fù)合調(diào)理劑施用量的增加，其修復(fù)效果呈報(bào)酬遞減規(guī)律。

石灰類(lèi)物質(zhì)、有機(jī)肥和海泡石中分別含有水稻生長(zhǎng)所需的鈣、鎂、鋅、硅等礦質(zhì)元素，能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，增強(qiáng)水稻抗逆能力[20]。適量施用石灰類(lèi)物質(zhì)、有機(jī)肥和海泡石能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)、提高微生物活性和生物酶活性等，加速土壤養(yǎng)分在土壤中的遷移，增加水稻對(duì)養(yǎng)分元素的吸收等[21-22]。研究結(jié)果也表明，隨復(fù)合調(diào)理劑的施用，稻谷產(chǎn)量也增加了1.75%～10.59%，尤其是增施枯餅肥750 kg/hm2及

以上時(shí)，水稻增產(chǎn)效果明顯。可見(jiàn)，根據(jù)項(xiàng)目降鎘效果及成本效應(yīng)，T2處理為最優(yōu)處理，低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加枯餅肥用量，還可進(jìn)一步降低糙米鎘含量的同時(shí)增加稻谷產(chǎn)量。

通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，探究了石灰質(zhì)復(fù)合材料與枯餅肥、海泡石復(fù)配在中堿性鎘污染稻田中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明復(fù)合調(diào)理劑可顯著提升土壤酸堿度，降低土壤有效態(tài)鎘含量，并顯著降低糙米鎘含量，還具有一定的增產(chǎn)效果。綜合糙米降鎘效果和成本效應(yīng)，優(yōu)選出了適合中堿性鎘污染稻田的最佳配方，即：

生石灰（1 200 kg/hm2）+石灰石粉（2 400 kg/hm2）+

海泡石（1 500 kg/hm2）組配施用的效果最佳。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）