汞污染稻田土壤調(diào)理劑效果研究

摘要 通過選用市面上常見的品牌商品化土壤調(diào)理劑產(chǎn)品和高校、科研院所復(fù)配土壤調(diào)理劑產(chǎn)品共10種，在南京江寧區(qū)汞污染稻田開展田間試驗(yàn)，探討這10種土壤調(diào)理劑對土壤pH、土壤汞、土壤養(yǎng)分和水稻籽粒中汞含量的影響。結(jié)果表明，與對照相比，使用土壤調(diào)理劑一定程度上可提高土壤pH，降低土壤汞含量和水稻籽粒汞含量。同時(shí)，施用土壤調(diào)理劑還能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量，降低堿解氮含量。不同土壤調(diào)理劑處理均可降低水稻汞富集系數(shù)，降幅為19.0%～62.6%。其中，對水稻籽粒汞富集系數(shù)的降幅較高的為有機(jī)硫改良劑，其次為黏土礦物基土壤調(diào)理劑和硅鈣鎂土壤調(diào)理劑。

關(guān)鍵詞 土壤調(diào)理劑；汞；污染；水稻

中圖分類號 S156.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）17-0051-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.17.011

Study on the Effect of Soil Conditioners in Mercury-contaminated Rice Fields

GU Jia1，2， ZHAO Pei-song1，2， JIANG Ci-dong1，2 et al

（1.Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey， ECE， Nanjing， Jiangsu 210007;2.Coastal Saline-alkali Land Ecological Rehabilitation and Sustainable Utilizationment Technology Innovation Center， MNR， Nanjing，Jiangsu 210007）

Abstract A total of 10 kinds of commercialized soil conditioner products of common brands on the market and soil conditioner products compounded by universities and scientific research institutes were selected to carry out field tests in mercury-polluted paddy fields in Jiangning District of Nanjing， to explore the effects of these 10 soil conditioners on soil pH， soil mercury， soil nutrients and Hg content in rice grains. The results showed that compared with the control， the use of soil conditioner could improve soil pH， reduce soil mercury content and rice grain Hg content to some extent. At the same time， the application of soil conditioner could also effectively improve the content of soil organic matter， available phosphorus and available potassium， and reduce the content of alkali-hydrolyzable nitrogen.The mercury enrichment coefficient of rice could be reduced by different soil conditioners， with a decrease of 19.0%-62.6%. Among them， organic sulfur improver had a higher reduction in grain BCF， followed by clay mineral-based soil conditioner and calcium silicate soil conditioner.

Key words Soil conditioner;Mercury;Contaminate;Rice

基金項(xiàng)目 江蘇省2016年度省級耕地污染防治專項(xiàng)（蘇財(cái)建〔2017〕123號）。

作者簡介 顧佳（1984—），女，江蘇淮安人，高級工程師，碩士，從事土壤污染評估與修復(fù)治理研究。

收稿日期 2023-10-30

汞污染是農(nóng)田土壤中最常見的重金屬污染之一。農(nóng)田土壤中汞含量超標(biāo)，農(nóng)作物的生長將受到抑制，影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，污染物也會隨之遷移，一旦進(jìn)入人體，將對人體健康造成嚴(yán)重危害。農(nóng)田土壤中汞的來源十分廣泛，包括成土母巖母質(zhì)、大氣汞的干濕沉降、含汞廢水排放、含汞固體廢棄物堆積、含汞農(nóng)藥化肥施用等［1-2］。農(nóng)田重金屬汞污染土壤治理的技術(shù)主要有工程措施、農(nóng)藝調(diào)控措施、化學(xué)鈍化技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)等［3-4］。其中，化學(xué)鈍化技術(shù)是往重金屬污染土壤中投入土壤調(diào)理劑以改變汞在土壤中的化學(xué)形態(tài)，從而降低其在土壤環(huán)境中的遷移、植物有效性和生物毒性［5］。常見的土壤調(diào)理劑有堿性材料、黏土礦物、磷酸鹽類材料、硫化物等［6］。堿性物質(zhì)可以提高土壤pH，促使土壤中重金屬陽離子發(fā)生共沉淀作用，降低土壤中重金屬陽離子的活性［7］。黏土礦物比表面積較大，結(jié)構(gòu)層帶電荷，可以通過發(fā)生吸附、共沉淀反應(yīng)等減少土壤中重金屬離子的濃度和活性，從而實(shí)現(xiàn)鈍化效果［8］。磷酸根和重金屬離子反應(yīng)可以形成穩(wěn)定的磷酸鹽沉淀［9］。硫化物作穩(wěn)定劑修復(fù)汞污染土壤，通常會與土壤中的汞結(jié)合成一種極難溶、低毒性、非常穩(wěn)定的化合物，從而緩解土壤汞污染［10］。

筆者通過研究水稻季施用不同土壤調(diào)理劑對汞污染稻田土壤汞含量及水稻籽粒中汞積累的影響，篩選出適合該地區(qū)的汞污染農(nóng)田土壤修復(fù)材料，為汞污染水稻田安全利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇南京市江寧區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫15.5 ℃，年降水量1 062 mm。此次在江寧某地區(qū)選取輕-中度汞污染水稻田進(jìn)行土壤調(diào)理劑效果試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)面積0.93 hm2。試驗(yàn)地塊地勢平坦，形狀整齊，排灌方便，地力水平相對均勻，作物輪作方式為水稻-小麥。試驗(yàn)地塊遠(yuǎn)離主干道、堆肥廠、居民區(qū)等受人為活動(dòng)干擾較大的場所。

試驗(yàn)水稻品種鎮(zhèn)稻18，為當(dāng)?shù)刂髟运酒贩N。試驗(yàn)田土壤為潛育型水稻土，土壤pH 6.78，有機(jī)質(zhì)23.19 g/kg，堿解氮188.73 mg/kg，有效磷10.23 mg/kg，速效鉀110.00 mg/kg，總鎘0.26 mg/kg，總砷13.00 mg/kg，總鉛63.20 mg/kg，總鉻80.52 mg/kg，總汞1.03 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)研究時(shí)間為2021年6—11月，共設(shè)置11種處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù)，隨機(jī)排列。每個(gè)小區(qū)規(guī)格為18 m×12 m，小區(qū)之間開溝起壟，溝寬50 cm，壟上覆蓋地膜以防止竄水和調(diào)理劑淋失，周圍留足保護(hù)行。

試驗(yàn)調(diào)理劑一共10種，包括市面上常見的品牌商品化產(chǎn)品和高校、科研院所復(fù)配產(chǎn)品，試驗(yàn)材料和主要成分見表1。各種土壤調(diào)理劑的施用量和使用方法按照各產(chǎn)品的說明或推薦用量均勻撒施于土壤表層后，翻耕至20 cm深的土層，穩(wěn)定3 d灌水后進(jìn)行水稻移栽。水稻施肥、灌溉、除草、打藥等田間管理都按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)操作，各小區(qū)保持一致。

1.3 樣品采集和檢測

在小區(qū)建成時(shí)和上一季農(nóng)產(chǎn)品采收后、土壤調(diào)理劑施入前以及此次試驗(yàn)農(nóng)產(chǎn)品采收時(shí)進(jìn)行取樣。采用對角線取樣法，每個(gè)小區(qū)采集土壤表層0～20 cm的土壤混合樣品1 kg。檢測指標(biāo)包括pH、鎘、汞、鉛、砷、鉻、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀。同樣采用對角線取樣法，水稻收獲后每個(gè)小區(qū)采集水稻籽粒樣品1 kg，檢測指標(biāo)包括鎘、汞、鉛、鉻、砷、無機(jī)砷。

土壤、農(nóng)產(chǎn)品按現(xiàn)行國家或行業(yè)頒布方法進(jìn)行，其中，土壤pH采用玻璃電極法測定；有機(jī)質(zhì)含量采用油浴加熱重鉻酸鉀法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測定；全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定；鎘、鉛、鉻采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定；砷、汞采用原子熒光光譜分析法測定；有效汞采用氯化鈣浸提法測定。水稻籽粒鎘、鉛、鉻采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定；總砷采用氫化物發(fā)生原子熒光光譜分析法測定；總汞采用原子熒光光譜分析法測定；無機(jī)砷采用液相色譜-原子熒光光譜分析法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；使用SPSS 24.0軟件中的單因素方差分析對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤調(diào)理劑對土壤pH的影響

從圖1可以看出，在10種土壤調(diào)理劑處理下，此次試驗(yàn)區(qū)土壤pH在6.85～7.51，均值為7.21。不同調(diào)理劑施用后，土壤pH均有所提高，提高0.52%～10.18%。7#（微生物土壤修復(fù)菌劑）在提升土壤pH上效果不太明顯，有6種土壤調(diào)理劑與對照之間存在顯著差異（P＜0.05），其提升效果排序?yàn)?#＞3#＞4#＞1#＞5#＞9#＞10#＞8#＞6#＞7#。

2.2 不同調(diào)理劑對土壤汞含量的影響

從圖2可以看出，在10種土壤調(diào)理劑處理下，此次試驗(yàn)小區(qū)土壤汞含量為0.82～1.12 mg/kg，均值為0.91 mg/kg。雖然土壤汞含量在各處理之間無顯著差異（P>0.05），但在數(shù)值上來看，除1#和3#外，其余8種調(diào)理劑處理下土壤汞含量均有降低，下降了2.17%～15.50%，這8種土壤調(diào)理劑降汞效果排序?yàn)?#＞5#＞7#＞10#＞8#＞2#＞9#＞6#。其中4#（硅鈣鎂磷肥土壤調(diào)理劑）、5#（鈣鎂土壤調(diào)理劑）和7#（微生物土壤修復(fù)菌劑）處理下，土壤汞含量下降均在15.00%以上。

2.3 不同土壤調(diào)理劑對土壤養(yǎng)分的影響

從圖3可以看出，與對照相比，施用不同土壤調(diào)理劑處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量增加-0.13～6.47 g/kg，堿解氮含量降低-6.75～24.37 mg/kg，有效磷含量提高-0.37～4.06 mg/kg，速效鉀含量提高2.08～16.67 mg/kg。施用土壤調(diào)理劑可一定程度上有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量，降低堿解氮含量。

2.4 不同土壤調(diào)理劑對水稻籽粒汞含量的影響

在10種土壤調(diào)理劑處理下，此次試驗(yàn)小區(qū)水稻籽粒汞、鎘、砷、鉛、鉻、無機(jī)砷含量均低于《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）規(guī)定的大米標(biāo)準(zhǔn)限值（0.02 mg/kg），其中水稻籽粒汞含量為0.005 4～0.008 9 mg/kg，對照組籽粒汞含量為0.012 mg/kg（圖4）。

此次試驗(yàn)10種土壤調(diào)理劑均有較好的土壤重金屬活性鈍化效果，各調(diào)理劑處理均一定程度上降低水稻籽粒汞含量，降幅為23.0%～53.3%，其降汞效果排序?yàn)?#＞8#＞2#＞3#＞7#＞1#＞10#＞4#＞6#＞5#。其中，對籽粒汞含量的降幅較高的為9#有機(jī)硫改良劑（53.3%）。

2.5 不同土壤調(diào)理劑對水稻籽粒重金屬富集系數(shù)的影響

前人研究發(fā)現(xiàn)，水稻籽粒重金屬含量除與水稻基因型關(guān)系密切外，還主要受到土壤酸堿度和土壤汞含量的影響［11］。此次試驗(yàn)結(jié)果（圖5）顯示，水稻籽粒汞含量與土壤汞含量呈顯著相關(guān)關(guān)系（r=0.177，P<0.01）。該研究通過計(jì)算水稻籽粒汞富集系數(shù)（水稻籽粒汞含量與土壤汞含量的比值）來分析不同土壤調(diào)理劑降汞效果。

從圖6可以看出，各調(diào)理劑處理均可一定程度上降低水稻汞富集系數(shù)，降幅為19.0%～62.6%，其中，對水稻籽粒汞富集系數(shù)的降幅較高的為8#和9#（有機(jī)硫改良劑）。

綜合考慮不同土壤調(diào)理劑處理下水稻籽粒汞含量和籽粒對汞的富集系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表2），2#黏土礦物基土壤調(diào)理劑（商品化產(chǎn)品）、3#硅鈣鎂土壤調(diào)理劑（商品化產(chǎn)品）、8#和9#有機(jī)硫改良劑（復(fù)配）這4種土壤調(diào)理劑可同時(shí)降低籽粒汞含量和籽粒汞富集系數(shù)40%以上。

3 結(jié)論

（1）與對照相比，10種土壤調(diào)理劑處理下土壤pH提高0.52%～10.18%，水稻籽粒汞含量降低23.0%～53.3%。除1#（硅鈣鎂鉀土壤調(diào)理劑）和3#（硅鈣鎂土壤調(diào)理劑）處理外，其他8種土壤調(diào)理劑處理下土壤汞含量下降2.17%～15.50%。

（2）施用土壤調(diào)理劑可以改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分含量，一定程度上有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量，降低堿解氮含量。

（3）綜合水稻籽粒汞富集系數(shù)和土壤汞含量，8#和9#有機(jī)硫改良劑（復(fù)配）、2#黏土礦物基土壤調(diào)理劑（商品化產(chǎn)品）、3#硅鈣鎂土壤調(diào)理劑（商品化產(chǎn)品）這4種土壤調(diào)理劑對土壤和稻米的降汞效果較為理想，可作為后續(xù)土壤調(diào)理劑重點(diǎn)開發(fā)產(chǎn)品。

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