?水稻鎘累積綜合管控措施的大面積應用效果及其穩(wěn)定性?

摘要：研究在中方縣瀘陽鎮(zhèn)輕中度鎘污染稻田連續(xù)5 a開展修復治理工程，采取了石灰質復合材料調酸、鎘砷同步鈍化、增施有機肥和優(yōu)化田間水分管理等措施，并對綜合管控措施的大面積應用效果及穩(wěn)定性進行了評價。結果表明，綜合管控措施實施后，示范區(qū)稻米平均鎘含量顯著降低且稻米鎘達標率在第2年之后持續(xù)穩(wěn)定在88.6%以上；稻米砷、鉛、汞的達標率均穩(wěn)定維持在97.28%以上；土壤pH值顯著提高了0.61～1.28；土壤有機質含量略有降低，降幅為1.62%～13.78%；有效態(tài)鎘含量顯著降低，降幅為41.41%～51.17%；稻米鎘富集系數與土壤pH值呈極顯著負相關，表明示范區(qū)土壤pH值提高是稻米鎘含量降低的重要原因。

關鍵詞：水稻；鎘；應用效果；穩(wěn)定性

中圖分類號：X53; X173 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2024）08-0046-05

Effects and Stability of Comprehensive Measures for Mitigating Rice Cadmium Accumulation in Large Fields

XIE Zheng-rong1，ZENG Hong-yuan1，LI Bai-zhong2，WANG Wei2

（1. Center for Foreign Economic amp; Technical Cooperation， Department of Agriculture and Rural Affairs of Hunan Province，"Changsha 410005， PRC; 2. Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region， Institute of Subtropical"Agriculture， Chinese Academy of Sciences， Changsha 410125， PRC）

Abstract： Restoration for cadmium （Cd） accumulation was implemented in the lightly to moderately Cd-polluted paddy fields in Luyang Town， Zhongfang County for five consecutive years. The specific measures included regulating acids with lime-based composite materials， simultaneously passivating Cd and arsenic （As）， applying manure， and optimizing water management in the field. The results showed that after the implementation of comprehensive control measures， the average Cd content in rice decreased and the Cd compliance rate remained stable at above 88.6% after the second year. Moreover， the compliance rates of As， lead， and mercury in rice all remained stable at above 97.28%. The implementation of the measures increased soil pH by 0.61-1.28， decreased the soil organic matter by 1.62%-13.78%， and reduced available Cd in soil by 41.41%-51.17%. The Cd enrichment factor in rice had a significantly negative correlation with soil pH， which indicated that the increase in soil pH was an important reason for the reduction in the Cd content in rice.

Key words： rice; cadmium; application effect; stability

水稻是我國最主要的糧食作物，也是鎘富集能力最強的大宗谷類作物[1]。根據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國耕地土壤重金屬點位超標率高達19.4%[2]，其中土壤鎘污染最為突出且主要分布在南方水稻生產區(qū)，因此南方稻米鎘超標問題比較突出。稻米鎘超標對糧食質量安全構成了嚴重威脅[3]，實現鎘污染稻田的安全利用，對于保障國家糧食安全和守住18億畝耕地紅線至關重要。近年來，稻田鎘污染治理技術快速發(fā)展，尤其是鎘低累積水稻品種的成功培育，為鎘污染稻田的安全利用提供了重要技術支撐。然而，目前低鎘水稻種植尚不能全面覆蓋南方的鎘污染稻田，因此仍需研究適用于大面積應用的水稻鎘累積管控技術。農業(yè)農村部在《輕中度污染耕地安全利用與治理修復推薦技術名錄（2019年版）》中針對輕中度鎘污染稻田推薦了農藝調控、土壤改良和生物類技術，其中施用石灰調節(jié)土壤pH值、品種調整、水分調控、原位鈍化等低成本管控措施的綜合應用較為廣泛，但目前關于這些綜合管控措施大面積應用的效果與穩(wěn)定性的報道較少。

湖南是水稻生產大省，其水稻種植面積和總產量常年位居全國前列[4]。然而，湖南有色金屬資源豐富，鎘等重金屬污染問題也較為突出[4]，嚴重制約了湘米產業(yè)和省域農業(yè)綠色高質量發(fā)展。在世界銀行貸款湖南省農田污染綜合管理項目支持下，該研究于中方縣連續(xù)5 a開展水稻鎘累積綜合管控措施的大面積修復治理示范工程，并對工程控鎘的效果及其穩(wěn)定性進行了評價，以期為南方鎘污染稻田的安全利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

在2019—2023年于中方縣瀘陽鎮(zhèn)開展水稻鎘累積綜合管控措施的大面積修復治理示范工程，示范區(qū)稻田共305 hm2，其中瀘西村109 hm2、和平村54 hm2、橋上村46 hm2、五里村56 hm2、下坪村40 hm2，均種植中稻且水稻品種為當地主栽品種。據2017年調查結果可知，示范區(qū)土壤全鎘平均含量0.62±0.03 mg/kg、全砷12.24±0.53 mg/kg、全鉛30.43±0.50 mg/kg、全汞0.20±0.01 mg/kg、全鉻62.55±1.30 mg/kg、有效態(tài)鎘0.26±0.01 mg/kg、pH值5.36±0.11、有機質36.95±1.32 g/kg、陽離子交換量10.24±0.35 cmol（+）/kg。示范區(qū)稻田土壤均屬于輕中度鎘污染。

1.2 試驗設計

以村為單元，于示范區(qū)稻田施用石灰質復合材料、土壤調理劑（硅基鈍化劑，兼具鈍化鎘砷，南京寧糧生物工程有限公司）以及有機肥，并優(yōu)化田間水分管理。其中石灰質復合材料是將生石灰（CaO＞70%）、石灰石（CaO＞45%）、白云石（CaO+MgO＞45%）按照1∶3∶6的比例混合制成。每年石灰質復合材料、土壤調理劑和有機肥的施用量見表1。

在每年的中稻成熟期定位取樣，以村為單元，以“5+√ˉ15n”（n表示治理單元的面積）為取樣密度確定取樣點數量，通過網格確定每個單元的樣點位置，“一對一”采集土壤和稻谷樣品。土樣風干后過20目和100目篩，測定土壤pH值、有機質、有效態(tài)鎘等指標；稻谷樣烘干后脫殼、粉碎制成糙米樣品，測定總鎘、總砷和無機砷含量，總砷含量超標時進行加測。參考GB2762—2022評價稻米重金屬含量是否達標。以村為單元，分年度計算稻米鎘富集系數、達標率和有效態(tài)鎘（ACd）占總鎘（TCd）比例。其中，鎘富集系數=稻米鎘含量/土壤全鎘含量，達標率（%）=達標樣點數/總樣點數×100。

1.3 指標測定

采用微波消解法結合電感耦合等離子體光譜儀（ICP-OES）和質譜儀（ICP-MS）測定土壤全量鎘、砷、鉛、汞、鉻含量[5]；采用ICP-MS測定土壤有效態(tài)鎘含量[6]；使用酸度計測定土壤pH值（水土比為1∶2.5）[5]；采取重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質含量[5]；采取微波消解法結合ICP-MS測定稻米鎘、砷、鉛、汞、鉻含量[7]；采用原子熒光光度計測定稻米無機砷含量[8]。

1.4 數據處理

使用SPSS Statistics 17.0軟件進行單因素方差分析和Pearson相關性分析，使用Excel 2016軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 稻米鎘含量及達標率年際變化

以村為單元分別統(tǒng)計了2019—2023年綜合管控措施實施后稻米鎘含量及達標率變化情況，由圖1 a可知，2019年整個示范區(qū)的稻米平均鎘含量以及瀘西村、橋上村和下坪村3個村的稻米平均鎘含量均在GB2762—2022的限值0.20 mg/kg以下；2020年5個村的稻米平均鎘含量均顯著下降并在2020—2022年間基本保持穩(wěn)定；2023年和平村、瀘西村、橋上村、五里村和下坪村的稻米平均鎘含量均略有回升，分別達到0.15、0.09、0.07、0.06、0.07和0.09 mg/kg，但均低于國家標準限值。由圖1 b可知，2019年整個示范區(qū)的稻米鎘達標率為67.9%，2020—2022年維持在97.3%～98.6%，2023年降低至88.6%。整體來看，水稻鎘累積綜合管控措施的大面積應用能降低稻米鎘含量，提升稻米鎘達標率，且其應用效果具有較強的穩(wěn)定性。

2.2 稻米砷、鉛、鉻、汞含量及達標率年際變化

水稻鎘累積綜合管控措施的大面積應用對稻米砷、鉛、鉻、汞等重（類）金屬含量的影響見表2。整個示范區(qū)在項目實施的5 a間，稻米平均總砷含量為0.106～0.223 mg/kg，且呈逐年下降趨勢；根據GB2762—2022中稻米砷的限值（無機砷≤0.35 mg/kg），可知稻米砷達標率為97.28%～100%。5 a間整個示范區(qū)稻米平均鉛含量為0.017～0.063 mg/kg，稻米平均汞含量穩(wěn)定在0.004 mg/kg；兩者的達標率均維持在97.28%以上。相對而言，5 a間稻米平均鉻含量變化相對較大，為0.160～0.606 mg/kg；2019年鉻達標率僅為80.28%，2020—2023年有所提高，為97.28%～100%?？傮w而言，水稻鎘累積綜合管控措施的大面積應用對稻米砷、鉛、鉻和汞的含量沒有明顯的影響，其達標率也基本維持在較高水平。

2.3 土壤pH值、有機質及有效態(tài)鎘含量年際變化

土壤pH值和有機質含量是影響土壤鎘有效性的重要指標。土壤中鎘的溶解度隨著pH值的升高而降低，從而影響土壤中鎘的生物可給性；有機質含量則與土壤中鎘的生物可給性呈正相關[9]。土壤有效態(tài)鎘含量（ACd）是鎘有效性的直接反映指標。由表3可知，與2017年的基線數據相比，項目實施后示范區(qū)的土壤pH值顯著提高了0.61～1.28，2022年最高達到6.64；土壤有機質含量略有降低，降幅為1.62%～13.78%；土壤有效態(tài)鎘含量顯著降低，降幅為41.41%～51.17%。

2.4 稻米鎘含量與土壤性質變化的關系

研究采用的水稻鎘累積綜合管控措施包括施加石灰質復合材料上調土壤pH值、土壤調理和水分優(yōu)化管理，旨在通過降低土壤中鎘的植物有效性來控制水稻對鎘的吸收累積，因此重點分析了土壤pH值、有機質和有效態(tài)鎘含量變化對稻米鎘含量的影響。由于示范區(qū)涉及5個村，而各村的土壤全鎘含量有一定的差異，因此在分析土壤pH值和有機質含量變化的作用時，以稻米鎘富集系數為指標，盡可能消除土壤總鎘含量差異的影響；而在分析土壤有效態(tài)鎘含量變化的影響時，則選取稻米鎘含量為指標。由圖2可知，稻米鎘富集系數與土壤pH值呈極顯著負相關，表明土壤pH值提高是降低稻米鎘含量的重要原因；稻米鎘富集系數隨土壤有機質含量的升高呈降低趨勢，但兩者并無顯著相關性；有效態(tài)鎘占總鎘的比例與土壤pH值呈極顯著負相關；稻米鎘含量與土壤有效態(tài)鎘含量無顯著相關性。

3 討論與結論

稻田鎘污染導致的稻米鎘超標問題備受社會關注，近年來專家們在阻控水稻鎘吸收累積的技術和產品研發(fā)方面取得了重要的進展[10]。然而，已報道的試驗研究結果都是在嚴格控制試驗條件和保障措施完整到位的情況下取得的，且絕大多數關注短期效應和特定土壤類型，對于大面積應用的長期效應缺乏相關報道[11]。另外，湖南省稻田鎘污染問題突出，2014年啟動的長株潭重金屬污染耕地修復治理試點取得了較好的成效，但如何維持修復效果的穩(wěn)定性仍是值得關注的問題[12]。該研究重點針對酸性土壤鎘有效性較高的現狀，通過施加石灰質復合材料、土壤調理、施用有機肥和優(yōu)化田間水分管理來降低鎘的有效性，并根據監(jiān)測結果優(yōu)化下一年度技術方案。從綜合管控措施應用成效來看，項目示范區(qū)域稻米鎘平均含量持續(xù)穩(wěn)定在標準限值以內，達標率在技術落地的第2年后均保持在88.6%以上，效果穩(wěn)定性較好。

土壤與水稻“一對一”大區(qū)域調查結果顯示，湖南地區(qū)稻田土壤酸化是導致鎘活性增強和水稻鎘累積風險加劇的重要因素[13]。該研究中，經過連續(xù)5 a的針對性治理，示范區(qū)土壤pH值顯著提升?；貧w分析結果也表明，提高土壤pH值是降低土壤鎘有效性和稻米鎘累積的重要措施，這與Zhu等[13]的試驗結果基本一致。項目在實施過程中每年會施用有機肥，但監(jiān)測結果卻顯示土壤有機質含量略有降低，原因在于土壤由酸性調理至接近中性的環(huán)境條件會在一定程度促進稻田土壤中原有有機質的礦化[14]。雖然有機質也被認為是土壤中鎘植物有效性的重要影響因素，但從監(jiān)測結果來看，稻米鎘富集系數雖然有隨有機質含量升高而降低的趨勢，但其相關性并未達到顯著水平，這可能與示范區(qū)土壤有機質含量本身相對豐富且年際間變幅較小有關。

酸性鎘污染稻田土壤提高土壤pH值和優(yōu)化田間水分管理能夠有效削減水稻鎘的累積，然而砷與鎘的化學性質有較大差別，土壤pH值和田間灌排水對鎘和砷植物有效性的影響規(guī)律幾乎截然相反[15]。然而，連續(xù)5 a的監(jiān)測結果表明，雖然土壤pH值顯著提升，但稻米總砷含量呈逐年降低趨勢且達標率維持在97.28%以上的高位水平。產生這種差異有以下原因：一方面是示范區(qū)土壤砷含量水平相對較低；另一方面是示范區(qū)仍有60%的土壤pH值低于6.5，而砷的有效性在pH值高于6.5時才會大幅度升高[16]；加之，每年施用1 500～2 250 kg/hm2兼具鈍化鎘砷作用的土壤調理劑也在維持稻米砷的高達標率中發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，在酸性的輕中度鎘污染稻田大面積修復治理中，采取提升土壤pH值、同步鈍化鎘砷、增施有機肥以及優(yōu)化田間水分管理的綜合措施，能夠有效提升土壤pH值，降低土壤鎘有效性和稻米鎘含量，大幅提高稻米鎘達標率，效果較為穩(wěn)定，且稻米砷、鉛、汞、鉻等重（類）金屬超標風險可控。

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（責任編輯：王婷）