土壤調(diào)理劑對(duì)重度鎘污染土壤改良及農(nóng)作物吸收累積鎘的影響

汪丹 周偉 張陽陽 王夢(mèng)園

摘要 [目的]研究土壤調(diào)理劑對(duì)重度鎘污染土壤改良及農(nóng)作物吸收累積鎘的影響。[方法]利用恩施富硒高鎘地區(qū)表層土壤作為盆栽供試土壤，以辣椒為供試作物，通過開展盆栽試驗(yàn)，研究9種土壤調(diào)理劑對(duì)辣椒生長(zhǎng)、吸收積累鎘以及土壤中鎘形態(tài)變化的影響。[結(jié)果]土壤調(diào)理劑的施用能明顯降低辣椒果實(shí)中鎘含量，降幅76.35%～90.27%，總體以T土壤調(diào)理劑（12.99%小麥秸稈生物炭+6.49%過磷酸鈣+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%貝殼粉）效果最佳。添加生物炭比菜籽粕試驗(yàn)組提升土壤pH效果更好；土壤調(diào)理劑的施用能顯著降低可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量，且可以促使鎘向農(nóng)作物不可利用的鐵錳結(jié)合態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)變，同時(shí)提高了植物葉片的光合速率，促進(jìn)了植株的生長(zhǎng)。辣椒果實(shí)鎘含量與土壤中鎘相關(guān)關(guān)系表明，辣椒在吸收土壤中水溶態(tài)鎘的同時(shí)，也會(huì)對(duì)碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘進(jìn)行吸收。[結(jié)論]在恩施富硒高鎘地區(qū)施用“12.99%小麥秸稈生物炭+6.49%過磷酸鈣+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%貝殼粉”組合的調(diào)理劑可有效降低農(nóng)作物對(duì)鎘的吸收。高鎘地區(qū)進(jìn)行農(nóng)作物安全種植不僅要降低能被植物直接利用的水溶態(tài)和離子交換態(tài)鎘活性，還需降低具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量。

關(guān)鍵詞 鎘；土壤調(diào)理劑；土壤改良；辣椒；吸收累積

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2024）02-0073-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.015

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effects of Soil Conditioners on the Improvement of Heavily Cadmium Polluted Soil and the Absorption and Accumulation of Cadmium by Crops

WANG Dan，ZHOU Wei，ZHANG Yang-yang et al

（1.Hubei Institute of Geosciences （Hubei Selenium Industrial Research Institute），Wuhan，Hubei 430034; 2.Hubei Test Center of Selenium Ecological Environment Effects，Wuhan，Hubei 430034）

Abstract [Objective]To study the effects of soil conditioners on the improvement of heavily cadmium contaminated soil and the absorption and accumulation of cadmium by crops.[Method]The surface soil of Enshi area rich in selenium and high cadmium was used as the pot experiment soil，and pepper was used as the test crop.Through pot experiment，the effects of nine soil conditioners on the growth，absorption and accumulation of cadmium in pepper，as well as the change of cadmium morphology in soil were studied.[Result]The application of soil conditioners could significantly reduce the content of cadmium in pepper fruits by 76.35%-90.27%，and T4 soil conditioner （12.99% wheat straw biochar +6.49% superphosphate +64.94% attapulgite +2.60% silicon fertilizer +12.99% shell powder） had the best effect overall.Compared with rapeseed dregs，biochar in experimental group had a significant effect on soil pH.The application of soil conditioner could significantly reduce the content of exchangeable and carbonate-bound cadmium，and promote the conversion of cadmium to the unusable iron-manganese binding state and residue state，and increase the photosynthetic rate of plant leaves and promote plant growth.The correlation between the content of cadmium in pepper fruit and cadmium in soil indicated that pepper could absorb both water-soluble cadmium and carbonate-bound cadmium in soil.[Conclusion]The combination of "12.99% wheat straw biochar +6.49% superphosphate +64.94% attapulgite +2.60% silicon fertilizer +12.99% shell powder" can effectively reduce the uptake of cadmium by crops in selenium-rich and cadmium-high areas of Enshi.The safe planting of crops in high cadmium area should not only reduce the activities of water-soluble and ion-exchange cadmium，which can be directly used by plants，but also reduce the content of carbonate-bound cadmium，which has potential risks.

Key words Cadmium;Soil conditioner;Soil improvement;Peppers;Absorption accumulation

基金項(xiàng)目 湖北省地質(zhì)局科技項(xiàng)目（KJ2019-11，KJ2021-21，MSDZ202215）。

作者簡(jiǎn)介 汪丹（1990—），女，湖北黃岡人，工程師，碩士，從事農(nóng)業(yè)地質(zhì)、富硒產(chǎn)業(yè)研究。*通信作者，工程師，碩士，從事農(nóng)業(yè)地質(zhì)、富硒產(chǎn)業(yè)研究。

收稿日期 2023-02-27

鎘是一種毒性較強(qiáng)的重金屬元素，易被動(dòng)植物吸收富集而產(chǎn)生危害。重金屬高背景地區(qū)的污染相比于人為污染，往往污染面積更大，由于巖層重金屬含量高，污染頑固且難以治理，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳眢w健康。湖北省恩施土家族苗族自治州被譽(yù)為“世界硒都”，硒資源優(yōu)勢(shì)顯著，開發(fā)利用前景廣闊。有研究發(fā)現(xiàn)恩施地區(qū)表層土壤中硒、鎘呈伴生關(guān)系，高硒高鎘土壤區(qū)占恩施州土地面積的45.14%，面積約10 878.74 km。此現(xiàn)象嚴(yán)重制約了恩施州富硒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如何合理利用富硒區(qū)域土地資源發(fā)展綠色富硒產(chǎn)業(yè)，對(duì)提高恩施州農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和附加值、促進(jìn)農(nóng)民增收具有十分重大的意義。

目前土壤中鎘的鈍化通常采用原位化學(xué)固定技術(shù)，它具有高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可在不影響正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的情況下抑制鎘生物毒性，具有較好的應(yīng)用前景。目前，石灰、黏土礦物、生物炭等鈍化材料均已被證明能有效降低土壤中鎘的有效性，抑制植物對(duì)鎘的吸收。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)采用石灰修復(fù)鎘污染土壤，能有效降低稻谷中的鎘濃度。Liu等研究發(fā)現(xiàn)施用納米羥基磷灰石及其組合材料，能有效降低土壤中鎘的有效性，進(jìn)而降低馬鈴薯塊莖對(duì)鎘的富集。Sun等研究發(fā)現(xiàn)向土壤中添加海泡石、膨潤(rùn)土和磷酸鹽的單一或復(fù)合材料能有效降低土壤中鎘的有效性，進(jìn)而降低水稻根、莖、葉、糙米及稻殼中的鎘濃度。Lu等研究發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)碳材料能改變土壤中重金屬的形態(tài)，降低在重金屬污染土壤中的遷移率和生物利用度。針對(duì)恩施州富硒土壤鎘背景值高的特點(diǎn)，降低土壤中鎘的有效性，從而生產(chǎn)出安全的農(nóng)產(chǎn)品，是目前恩施州富硒地區(qū)急需解決的問題。我國(guó)辣椒種植面積居蔬菜作物第2位，辣椒作為人們喜食的蔬菜之一，具有較強(qiáng)的吸收和富集鎘的能力。該研究以生物炭、黏土礦物、磷肥、硅鈣材料等為原料制備土壤調(diào)理劑，通過開展辣椒盆栽試驗(yàn)，分析9種土壤調(diào)理劑對(duì)恩施富硒高鎘土壤pH、鎘的有效態(tài)，以及辣椒果實(shí)和植株中鎘含量的影響，為解決我國(guó)鎘污染土壤可持續(xù)利用、農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)和保障人體健康提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

恩施市新塘鄉(xiāng)麻柳洞村富硒高鎘地區(qū)表層耕作土壤（0～20 cm），去除雜物后風(fēng)干，過2 mm尼龍篩。該地區(qū)二疊系地層出露廣泛，土壤類型為黃棕壤。土壤pH呈弱堿性，為7.81，鎘含量達(dá)到23.30 mg/kg，有效鎘含量達(dá)到12.50 mg/kg，遠(yuǎn)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018），供試土壤有機(jī)質(zhì)含量為27.10 g/kg，堿解氮含量為247.00 mg/kg，有效磷含量為23.40 mg/kg，速效鉀含量為136.00 mg/kg，陽離子交換量為18.4 cmol/kg。供試?yán)苯菲贩N為香辣天下尖椒F1。

9種土壤調(diào)理劑由有機(jī)質(zhì)（菜籽粕）、生物炭（小麥秸稈生物炭、稻谷生物炭）、含磷材料（鈣鎂磷肥、過磷酸鈣、硅鈣鉀鎂肥）、硅鈣類材料（硅肥、貝殼粉）、黏土礦物（海泡石、凹凸棒石、蛭石）按照不同的組合和比例混合而成，具體如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式灌溉，全程在大棚中進(jìn)行。盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)10個(gè)處理（表1），其中CK為空白對(duì)照組，T～T為施用不同土壤調(diào)理劑的試驗(yàn)組，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，每盆用土10 kg，隨機(jī)擺放，統(tǒng)一管理。辣椒盆栽于2022年4月25日開始育苗，5月13日進(jìn)行移栽，8月17日收獲。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定

辣椒成熟期采集辣椒果實(shí)、植株以及根系土進(jìn)行測(cè)定。利用原子熒光光譜法（AFS）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)定辣椒和土壤中鎘含量；利用七步提取法提取土壤中鎘形態(tài)；利用氧化還原法（VOL）測(cè)定土壤pH。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)前利用拉伊達(dá)準(zhǔn)則（3σ準(zhǔn)則）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值篩除，采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用IBM SPSS Statistics 20和Origin Pro 9.1軟件進(jìn)行圖件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤調(diào)理劑對(duì)土壤pH和鎘形態(tài)的影響

2.1.1 土壤pH。

土壤pH是影響土壤中鎘的吸附與解吸，控制其有效性與移動(dòng)性的關(guān)鍵因素。研究表明，土壤pH越低，土壤吸附鎘的能力越低，使得鎘在土壤中遷移性增強(qiáng)，隨著pH的升高，鎘在土壤固相上的吸附量和吸收能力增強(qiáng)，從而降低鎘的活性。辣椒生長(zhǎng)期和成熟期不同調(diào)理劑對(duì)土壤pH的影響見圖1。與空白對(duì)照組相比，除生長(zhǎng)期T和T處理組外，其余處理均不同程度地提高了土壤pH，生長(zhǎng)期提升了0.04～0.46，成熟期提升了0.01～0.28。從土壤調(diào)理劑施配效果來看，添加生物炭（T～T）處理組比菜籽粕（T～T）處理組效果更好，推測(cè)生物炭表面含有一定數(shù)量的堿性基團(tuán)而呈堿性，因此可以提高土壤pH。

2.1.2 土壤鎘形態(tài)。

植物吸收和累積鎘的含量不僅取決于土壤中總鎘含量，更與鎘的賦存價(jià)態(tài)和形態(tài)有關(guān)。一般認(rèn)為水溶態(tài)和離子交換態(tài)是土壤活性較高的部分，兩者總量為可交換態(tài)，可以供生物直接吸收利用，對(duì)作物的危害最大；碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)和鐵錳結(jié)合態(tài)被認(rèn)為對(duì)作物存在潛在危害，由于環(huán)境的變化可能被釋放造成二次污染，故旱地土作物存在較大的鎘污染風(fēng)險(xiǎn)。

辣椒根系土中鎘的有效態(tài)含量變化結(jié)果顯示（圖2），添加土壤調(diào)理劑之后，土壤中殘?jiān)鼞B(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘依舊占據(jù)較大比例，其次為離子交換態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、水溶態(tài)。相對(duì)于空白對(duì)照組（CK），添加土壤調(diào)理劑的試驗(yàn)組可交換態(tài)鎘含量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降幅度13.84%～20.91%，以T、T、T、T試驗(yàn)組效果較為明顯。由于碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘在土壤中的結(jié)合較弱，在酸性條件下，容易被釋放出來，施用土壤調(diào)理劑之后，碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量也有所下降，降幅12.75%～24.85%。另一方面，T、T、T、T、T試驗(yàn)組調(diào)理劑還可以促使鎘向農(nóng)作物不可利用的鐵錳結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)變，致使可供農(nóng)作物直接利用的鎘含量減少，進(jìn)一步降低了農(nóng)作物對(duì)土壤中鎘的吸收。綜合對(duì)比T～T不同調(diào)理劑對(duì)土壤中鎘的有效態(tài)影響程度，T調(diào)理劑降鎘效果佳。

2.2 不同土壤調(diào)理劑對(duì)辣椒生長(zhǎng)及鎘含量的影響

2.2.1 辣椒生長(zhǎng)。

葉綠素作為植物光合作用的反應(yīng)場(chǎng)所，為電子傳遞與光合磷酸化提供了環(huán)境。辣椒生長(zhǎng)期和成熟期葉片的葉綠素含量結(jié)果表明（圖3），添加土壤調(diào)理劑的試驗(yàn)組在生長(zhǎng)期的葉綠素含量均高于對(duì)照組，最高可達(dá)41.39。成熟期由于辣椒生長(zhǎng)速度減慢，葉綠素含量有所降低，但試驗(yàn)組葉綠素含量仍高于對(duì)照組。T～T試驗(yàn)組生長(zhǎng)期葉綠素漲幅為2.79%～11.74%，成熟期漲幅2.19%～11.05%。土壤調(diào)理劑的添加，減輕了辣椒在高鎘脅迫條件下發(fā)生的光合色素降解反應(yīng)，降低了鎘對(duì)光系統(tǒng) Ⅰ 和 Ⅱ 的破壞程度。

研究表明，隨著鎘脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)和鎘離子濃度的增加，農(nóng)作物株高變矮。辣椒植株株高統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（圖4），添加土壤調(diào)理劑的試驗(yàn)組植株株高均高于空白對(duì)照組，增長(zhǎng)幅度為2.55%～19.03%，其中T、T、T增長(zhǎng)較為明顯?？梢娡寥勒{(diào)理劑的施用促進(jìn)了辣椒植株生長(zhǎng)，對(duì)鎘脅迫下農(nóng)作物的生長(zhǎng)起到了緩解作用。

2.2.2 辣椒果實(shí)及植株鎘含量。

依據(jù)中華人民共和國(guó)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2017），辣椒鎘超標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限制為0.1 mg/kg。成熟期辣椒果實(shí)和地上部植株中鎘含量分析結(jié)果表明（圖5），辣椒植株中鎘含量除T相對(duì)于空白對(duì)照組有升高趨勢(shì)，其余處理均呈不同程度的下降，下降幅度在24.00%～64.25%，下降程度最低為T處理，下降程度最高為T處理?？傮w而言，T調(diào)理劑施用對(duì)辣椒果實(shí)和植株中鎘含量降低效果最優(yōu)。

從圖5可以看出，除對(duì)照組鎘含量超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，添加土壤調(diào)理劑的試驗(yàn)組辣椒果實(shí)鎘含量均在食品安全范圍以內(nèi)，且遠(yuǎn)低于超標(biāo)限值，鎘含量下降幅度為76.35%～90.27%。其中T試驗(yàn)組鎘降幅最大，達(dá)到90.27%，其次為T和T試驗(yàn)組，分別達(dá)到86.06%和85.50%，可見土壤調(diào)理劑的添加能有效降低辣椒果實(shí)中鎘的吸收積累。

為衡量農(nóng)作物從土壤中吸收鎘元素的能力，定義鎘的生物富集系數(shù)（BCF）=辣椒中鎘含量/土壤中鎘含量×100%，BCF越大，農(nóng)作物對(duì)重金屬富集能力越強(qiáng)。辣椒鎘生物富集系數(shù)分析結(jié)果表明，空白對(duì)照組BCF為31.99%，T～T處理組BCF為4.97%～16.09%，T處理組辣椒鎘的生物富集系數(shù)最低。可見土壤調(diào)理劑的施用明顯降低了辣椒對(duì)土壤中鎘的吸收，尤其是T處理，降低了鎘元素從土壤到果實(shí)中的遷移。

2.3 辣椒鎘含量與土壤總鎘、有效鎘及不同形態(tài)鎘相關(guān)性分析

辣椒鎘含量與土壤總鎘、有效鎘以及不同形態(tài)鎘之間相關(guān)關(guān)系表明，辣椒果實(shí)中鎘含量與土壤總鎘呈極顯著正相關(guān)（r=0.81，P＜0.01），與土壤有效鎘含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.82，P＜0.01）；另一方面，恩施地區(qū)土壤中總鎘與有效鎘之間呈極顯著正相關(guān)（r=0.84，P＜0.01），可見高鎘土壤中重金屬的含量能直接影響農(nóng)作物中重金屬的含量，土壤中重金屬含量高的地方，有效鎘含量也高，從而種植出來的農(nóng)作物重金屬含量也隨之升高。

辣椒鎘含量與水溶態(tài)鎘呈顯著正相關(guān)（r=0.68，P＜0.05），與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘呈顯著正相關(guān)（r=0.75，P＜0.05），說明辣椒在吸收土壤中水溶態(tài)鎘的同時(shí)，也會(huì)對(duì)碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘進(jìn)行吸收。主要是由于水溶態(tài)鎘可以直接被吸收利用，而碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘對(duì)pH較為敏感，容易重新釋放而重新被植物吸收利用所導(dǎo)致。可見恩施高鎘地區(qū)進(jìn)行農(nóng)作物安全種植不僅要降低能被植物直接利用的水溶態(tài)和離子交換態(tài)鎘活性，還可以通過提高土壤pH等手段降低對(duì)具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量。

3 結(jié)論

（1）土壤調(diào)理劑的施用能明顯降低辣椒果實(shí)中鎘含量，低于《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）標(biāo)準(zhǔn)，總體以T（12.99%小麥秸稈生物炭+6.49%過磷酸鈣+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%貝殼粉）土壤調(diào)理劑效果最佳。

（2）除生長(zhǎng)期T和T處理組外，其余處理均不同程度地提高了土壤pH，添加生物炭（T～T）比菜籽粕（T～T）試驗(yàn)組提升土壤pH效果更好。

（3）土壤調(diào)理劑的施用能明顯降低可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量，并且促使鎘向農(nóng)作物不可利用的鐵錳結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)變，致使可供農(nóng)作物直接利用的鎘含量減少，降低了農(nóng)作物對(duì)土壤中鎘的吸收，對(duì)比T～T不同調(diào)理劑對(duì)土壤中鎘的鈍化效果，T為對(duì)辣椒降鎘效果最好的調(diào)理劑。

（4）施用土壤調(diào)理劑后無論是植株葉片葉綠素含量還是植株株高，所有試驗(yàn)組（T～T）均呈現(xiàn)不同程度的升高?？梢娡寥勒{(diào)理劑的添加，增加了植物葉片的光合速率，促進(jìn)了植株的生長(zhǎng)。

（5）辣椒在吸收土壤中水溶態(tài)鎘的同時(shí)，也會(huì)對(duì)碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘進(jìn)行吸收。恩施高鎘地區(qū)進(jìn)行農(nóng)作物安全種植不僅要降低能被植物直接利用的水溶態(tài)和離子交換態(tài)鎘活性，還需降低對(duì)具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量。

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