土壤重金屬污染修復(fù)劑在鎘污染稻田中的應(yīng)用效果

田發(fā)祥，謝運(yùn)河,3，紀(jì)雄輝

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，受工業(yè)三廢和農(nóng)業(yè)活動(dòng)自身的影響，我國(guó)農(nóng)用土壤重金屬污染問(wèn)題已日趨嚴(yán)重[1-5]。有資料表明，1980年我國(guó)受工業(yè)三廢污染的耕地面積為266.7 萬(wàn)hm2，1992年增至1 000 萬(wàn)hm2，而目前我國(guó)受重金屬污染耕地面積已超過(guò)0.2 億hm2[6]，其中Cd、Pb 污染較為突出[7]。湖南省是中國(guó)的有色金屬之鄉(xiāng)，受日益發(fā)展的采、選、冶等工業(yè)以及含重金屬農(nóng)業(yè)投入品的影響，農(nóng)田土壤重金屬污染逐漸成為影響湖南經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)身體健康的重要環(huán)境問(wèn)題[8-11]。由于未采取合理的污染控制措施，稻米中重金屬含量特別是鎘（Cd）極易出現(xiàn)超過(guò)國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況，因此，Cd 污染稻田的治理與修復(fù)成了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。為了驗(yàn)證重金屬污染修復(fù)劑“鎘康”的降Cd 效果，在長(zhǎng)沙縣江背鎮(zhèn)、北山鎮(zhèn)典型的污染稻田中開(kāi)展了修復(fù)劑應(yīng)用效果研究，以期為鎘康的大面積應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618－1995），選擇長(zhǎng)沙縣江背鎮(zhèn)、北山鎮(zhèn)2個(gè)鎘污染稻田土壤開(kāi)展田間試驗(yàn)。其中，江背鎮(zhèn)試驗(yàn)點(diǎn)位于東經(jīng)113°20'30"，北緯28°07'54"，土壤為板頁(yè)巖發(fā)育的水稻土，土壤pH值為5.8，有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別為45.6 g/kg 和2.41 g/kg，土壤全鎘含量0.70 mg/kg，主要污染來(lái)自水泥廠產(chǎn)生的粉塵。北山鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站試驗(yàn)基地位于東經(jīng)113°04'06"，北緯28°23'15"，土壤為花崗巖發(fā)育的水稻土，土壤pH 值為5.1，有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別為42.0 g/kg 和2.48 g/kg，土壤全鎘含量0.88 mg/kg。20世紀(jì)80～90年代，上游建有一化工廠，下游長(zhǎng)期灌溉污水導(dǎo)致污染。兩地種植制度均為雙季稻，兩地的土壤理化性質(zhì)及重金屬含量見(jiàn)表1。

表1 供試土壤速效養(yǎng)分及重金屬含量 （mg/kg）

1.2 試驗(yàn)材料及農(nóng)事管理

試驗(yàn)均為晚稻小區(qū)試驗(yàn)，江背鎮(zhèn)晚稻品種為天優(yōu)998，北山鎮(zhèn)晚稻品種為五豐優(yōu)569，均為軟盤(pán)育秧移栽。修復(fù)劑“鎘康”為成都朝陽(yáng)作物科學(xué)有限公司提供；尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀均為當(dāng)?shù)卮竺娣e應(yīng)用產(chǎn)品。采取常規(guī)施肥，施N、P2O5、K2O 量分別為180、60、90 kg/hm2。其中70%的氮肥，全部的磷和鉀肥作基肥，移栽前施用，30%氮肥作追肥配合除草劑插秧7～10 d后施用。水分管理采取常規(guī)措施，苗期至分蘗盛期淹水，分蘗時(shí)曬田，拔節(jié)期覆淹。病蟲(chóng)害防治按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，3 次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積25 m2，四周設(shè)保護(hù)行。其中江背鎮(zhèn)的處理如下，處理1：不施修復(fù)劑；處理2：施修復(fù)劑225 kg/hm2；處理3：施修復(fù)劑450 kg/hm2；處理4：施修復(fù)劑675 kg/hm2。北山鎮(zhèn)的處理如下，處理1：不施修復(fù)劑；處理2：施修復(fù)劑300 kg/hm2；處理3：施修復(fù)劑600 kg/hm2；處理4：施修復(fù)劑900 kg/hm2。修復(fù)劑的用量根據(jù)兩地不同的污染程度來(lái)確定。

修復(fù)劑于2013年土壤翻耕前一次性施入，然后施用基肥，翻耕后充分耙勻，移栽水稻秧苗。小區(qū)間起壟隔開(kāi)，防止田間水流失和串流，而且各小區(qū)實(shí)行單獨(dú)排灌，田埂要求高出土面20 cm，采取二次筑埂的方法，即提前1 周耕作整平稻田，規(guī)劃小區(qū)，第一次做埂，待土埂硬化后再加高一次，然后用塑料膜包住土埂。

1.4 樣品采集與處理

試驗(yàn)前取基礎(chǔ)土壤，測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)及重金屬全量和有效態(tài)含量。水稻收獲后每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，取0～15 cm 土壤樣，測(cè)定重金屬有效態(tài)含量。水稻成熟后各小區(qū)單打單收，測(cè)產(chǎn)，并取樣分析大米及植株中重金屬含量，大米及植株樣品采用微波消解。所有重金屬指標(biāo)均采用ICP-MS 進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel、DPS 等統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 修復(fù)劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從表2 中可知，施用不同用量修復(fù)劑對(duì)水稻產(chǎn)量有一定的影響，但均未達(dá)顯著水平。在江背鎮(zhèn)，修復(fù)劑對(duì)水稻產(chǎn)量影響較??；在北山鎮(zhèn)，與不施修復(fù)劑處理相比，水稻增產(chǎn)766.7～906.7 kg/hm2，增幅為12.1%～16.4%，其中以處理3 產(chǎn)量最高，達(dá)6 435.9 kg/hm2?？梢?jiàn)修復(fù)劑對(duì)促進(jìn)水稻生長(zhǎng)有一定效果，但這與土壤條件、水稻品種密切相關(guān)。

表2 不同用量修復(fù)劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

2.2 修復(fù)劑對(duì)水稻Cd 積累的影響

對(duì)水稻各部位Cd 含量測(cè)定的結(jié)果表明（表3），施用修復(fù)劑均能有效降低各部位對(duì)Cd 的積累，且隨修復(fù)劑用量的增加，效果越明顯。江背試驗(yàn)點(diǎn)，與不施修復(fù)劑對(duì)照相比，水稻糙米Cd 含量降低0.019～0.027 mg/kg，降幅為4.8%～9.2%；水稻莖稈Cd 含量降低0.501～0.655 mg/kg，降幅為17.3%～22.6%；水稻葉片Cd 含量降低0.045～0.068 mg/kg，降幅為11.4%～17.3%；且當(dāng)修復(fù)劑用量達(dá)225 kg/hm2時(shí)，水稻莖稈Cd含量下降幅度就已經(jīng)達(dá)顯著水平；當(dāng)修復(fù)劑用量達(dá)450 kg/hm2時(shí)，水稻葉片Cd 含量下降幅度也達(dá)顯著水平；當(dāng)修復(fù)劑用量達(dá)675 kg/hm2時(shí)，水稻糙米Cd 含量下降幅度達(dá)顯著水平。北山試驗(yàn)點(diǎn)，與不施修復(fù)劑對(duì)照相比，水稻糙米Cd 含量降低0.005～0.025 mg/kg，降幅為3.7%～18.4%；水稻莖稈Cd 含量降低0.025～0.075 mg/kg，降幅為2.4%～7.3%；水稻葉片Cd含量降低0.006～0.024 mg/kg，降幅為3.5%～14.0%。當(dāng)修復(fù)劑用量達(dá)600 kg/hm2時(shí)，水稻糙米Cd 含量下降幅度達(dá)顯著水平。

進(jìn)一步以修復(fù)劑施用量與水稻糙米Cd 含量進(jìn)行相關(guān)性分析可得方程：

式中Y 為水稻糙米Cd 含量（mg/kg）；X 為修復(fù)劑用量（kg/hm2）。

可見(jiàn)，水稻糙米Cd 含量與修復(fù)劑施用量呈顯著的負(fù)相關(guān)。依據(jù)擬合方程，江背點(diǎn)每施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑，糙米鎘含量可降低0.059 3 mg/kg，北山點(diǎn)每施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑，糙米鎘含量可降低0.046 3 mg/kg?？梢?jiàn)，施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑降低糙米鎘含量在0.05 mg/kg 左右。

表3 不同處理的水稻糙米、莖稈、葉片重金屬Cd 含量變化

2.3 修復(fù)劑對(duì)土壤有效Cd 含量的影響

水稻收獲期取樣測(cè)定土壤有效Cd 含量，結(jié)果表明（表4），施用修復(fù)劑對(duì)土壤Cd 有效態(tài)的影響明顯，且隨施用量的增加，土壤Cd 有效態(tài)含量降低。其中江背鎮(zhèn)有效Cd 含量降低11.2%～23.3%，北山鎮(zhèn)有效Cd含量降低2.5%～52.5%；江背鎮(zhèn)施用量達(dá)450 kg/hm2時(shí)，下降幅度達(dá)顯著水平，北山鎮(zhèn)施用量達(dá)600 kg/hm2時(shí)，下降幅度達(dá)顯著水平。

進(jìn)一步以修復(fù)劑施用量與土壤有效Cd 含量進(jìn)行相關(guān)性分析可得方程：

公式中Y 為土壤有效Cd 含量（mg/kg）；X 為修復(fù)劑用量（kg/hm2）。

可見(jiàn)，土壤有效Cd 含量與修復(fù)劑施用量呈顯著的負(fù)相關(guān)，依據(jù)公式可得：江背點(diǎn)每施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑，土壤有效Cd 含量可降低0.17 mg/kg，北山點(diǎn)每施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑，土壤有效Cd 含量可降低0.64 mg/kg?？梢?jiàn)，施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑在不同試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)土壤有效Cd 的鈍化效果不一樣，這可能與當(dāng)?shù)氐耐寥李?lèi)型、污染程度、水分管理等有關(guān)。

表4 修復(fù)劑對(duì)土壤有效Cd 含量的影響

2.4 水稻Cd 含量與土壤Cd 含量的關(guān)系

稻米Cd 富集與土壤Cd 含量及其形態(tài)有關(guān)，相關(guān)分析表明（圖1），2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的稻米鎘含量與土壤有效態(tài)Cd 均呈顯著的線性相關(guān)，說(shuō)明土壤有效態(tài)鎘與稻米吸收積累相關(guān)性較強(qiáng)。綜合表3、表4 可得，相對(duì)土壤有效態(tài)Cd，江背鎮(zhèn)試驗(yàn)點(diǎn)稻米Cd 平均富集系數(shù)為0.79，北山鎮(zhèn)試驗(yàn)點(diǎn)稻米Cd 平均富集系數(shù)為0.2。計(jì)算稻米Cd∶葉Cd∶莖Cd，江背點(diǎn)平均為0.11∶0.14∶1.0，北山點(diǎn)為0.13∶0.16∶1.0，表明2個(gè)品種的莖、葉、米中Cd 分布規(guī)律基本一致。但計(jì)算莖Cd∶土壤有效Cd，江背點(diǎn)平均為6.77∶1，北山點(diǎn)平均為1.72∶1?？梢?jiàn)，江背點(diǎn)水稻莖稈中鎘積累顯著大于北山點(diǎn)，是導(dǎo)致江背點(diǎn)稻米Cd 富集系數(shù)大于北山點(diǎn)的關(guān)鍵。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)稻米Cd 含量與土壤有效Cd 含量的相關(guān)性分析

3 小結(jié)與討論

除土壤有效態(tài)Cd 外，仍存在其他影響稻米鎘富集的關(guān)鍵因素：（1）稻田水分管理[12-13]。普遍認(rèn)為，稻田水分狀態(tài)對(duì)水稻吸收積累Cd 的影響很大，主要是淹水形成CdS 沉淀或鐵錳結(jié)合物，但對(duì)風(fēng)干測(cè)定的土壤形態(tài)影響不大。晚稻試驗(yàn)期間湖南省比較干旱，江背點(diǎn)灌溉相對(duì)較少（試驗(yàn)取樣時(shí)田面較干），提高了Cd的生物有效性，而北山點(diǎn)為農(nóng)技站試驗(yàn)田，有較好的水源保證，導(dǎo)致了2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)水稻對(duì)Cd 吸收積累的差異；（2）水稻品種對(duì)鎘吸收積累差異[14-16]。以往大量試驗(yàn)證明，水稻品種間Cd 吸收積累存在較大差異，盡管由于江背點(diǎn)和北山點(diǎn)的品種均為外地品種，尚未進(jìn)行Cd 吸收鑒定，但初步結(jié)果仍可以看出，兩個(gè)水稻品種鎘分布規(guī)律基本一致，主要是莖相對(duì)于土壤積累較高所致。這可能說(shuō)明江背點(diǎn)品種——天優(yōu)998 是一個(gè)高吸收品種，但不排除水稻生長(zhǎng)前期（分蘗期）水分等條件導(dǎo)致植株體內(nèi)積累增加的影響。

與不施修復(fù)劑對(duì)照處理相比，施用土壤重金屬污染修復(fù)劑“鎘康”對(duì)水稻生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用，但不同試驗(yàn)點(diǎn)效果不一，其中北山鎮(zhèn)水稻增產(chǎn)766.7～906.7 kg/hm2，增幅為12.1%～16.4%，而江背鎮(zhèn)水稻增產(chǎn)效果不明顯。

施用修復(fù)劑能夠降低水稻各部位對(duì)Cd 的積累，且隨著修復(fù)劑用量的增加，降低的效果越明顯。江背鎮(zhèn)，當(dāng)修復(fù)劑用量達(dá)225 kg/hm2時(shí)，水稻莖稈Cd 含量下降幅度就已經(jīng)達(dá)顯著水平，當(dāng)修復(fù)劑用量達(dá)450 kg/hm2時(shí)，水稻葉片Cd 含量下降幅度也達(dá)顯著水平，當(dāng)修復(fù)劑用量達(dá)675 kg/hm2時(shí)，水稻糙米Cd 含量下降幅度達(dá)顯著水平。北山鎮(zhèn)，當(dāng)修復(fù)劑用量達(dá)600 kg/hm2時(shí)，水稻糙米Cd 含量下降幅度達(dá)顯著水平。修復(fù)劑施用量與水稻糙米鎘含量的相關(guān)關(guān)系可得，施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑可使糙米鎘含量降低0.05 mg/kg左右。

施用修復(fù)劑鎘康能夠降低土壤有效Cd 的含量，其中江背鎮(zhèn)有效Cd 含量降低11.2%～23.3%，北山鎮(zhèn)有效Cd 含量降低2.5%～52.5%，且隨施用量的增加，土壤Cd 有效態(tài)含量越低。江背鎮(zhèn)、北山整施用量分別達(dá)450 kg/hm2、600 kg/hm2時(shí)，下降幅度就能達(dá)顯著水平。江背鎮(zhèn)施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑，土壤有效Cd 含量可降低0.17 mg/kg；北山點(diǎn)施用1 500 kg/hm2修復(fù)劑，土壤有效Cd 含量可降低0.64 mg/kg。

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