組配改良劑對(duì)土壤和水稻糙米重金屬積累的影響

林曉燕， 熊云武， 裴東輝， 黃 雷， 劉登彪， 任 重， 龔亞龍， 趙 亮， 許建新

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518040)

?

組配改良劑對(duì)土壤和水稻糙米重金屬積累的影響

林曉燕， 熊云武， 裴東輝， 黃 雷， 劉登彪， 任 重*， 龔亞龍， 趙 亮， 許建新

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518040)

摘要[目的]研究組配改良劑對(duì)Cd污染稻田的修復(fù)效果。[方法]在湖南省長(zhǎng)沙縣春華鎮(zhèn)污染稻田進(jìn)行了組配改良劑的田間試驗(yàn)，設(shè)4個(gè)處理，分別為T1：未添加改良劑(CK)；T2：生石灰(0.1%)翻耕整地時(shí)混施；T3：TH01(0.4%)+生石灰(0.1%)翻耕整地時(shí)混施；T4：翻耕整地時(shí)混施TH02(0.4%)，分蘗前期撒施生石灰(0.1%)。研究添加改良劑對(duì)水稻產(chǎn)量、重金屬含量和土壤重金屬含量的影響。[結(jié)果] 4個(gè)處理間水稻分蘗情況、子粒生物量差異不明顯；T3處理子粒的Cd含量最低，且T3、T4處理水稻子粒的Cd含量分別降低了45.22%、38.14%，而與T2處理相比，T3、T4處理水稻子粒Cd含量分別降低36.16%、27.91%；不同生長(zhǎng)期水稻莖葉、根Cd含量與土壤醋酸銨Cd含量呈線性相關(guān)關(guān)系。[結(jié)論]可在孕穗期后水稻進(jìn)入灌漿期前采取農(nóng)藝措施或添加穩(wěn)定劑降低稻田土壤醋酸銨Cd含量，從而降低水稻子粒Cd含量。

關(guān)鍵詞Cd；組配改良劑；水稻；土壤

湖南省作為我國(guó)“魚(yú)米之鄉(xiāng)”、“有色金屬之鄉(xiāng)”，隨著長(zhǎng)期的礦業(yè)活動(dòng)，導(dǎo)致稻田和水稻受到嚴(yán)重的重金屬污染[1-3]。近年來(lái)，鎘米事件嚴(yán)重威脅人們的身體健康，同時(shí)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)重金屬污染稻田進(jìn)行修復(fù)，降低水稻中Cd含量，使其符合食品標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一。近年來(lái)，針對(duì)農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)治理，化學(xué)穩(wěn)定化技術(shù)或化學(xué)改良技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[4]。常用的改良劑有石灰、海泡石、鈣鎂磷肥、磷灰石、坡縷石和沸石等[5-8]。針對(duì)單一改良劑降低土壤中重金屬有效態(tài)含量的不同，對(duì)土壤修復(fù)效果不同，采用多種改良劑配施或組配已有一些研究報(bào)道。周歆等[9]研究表明，施用組配改良劑石灰石+海泡石可顯著降低水稻糙米重金屬含量，Cu、Pb和Cd最大降幅分別為37.4%、55.8%和66.9%。周航等[10]研究表明，組配改良劑碳酸鈣+海泡石、羥基磷灰石+沸石均能顯著降低土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的生物有效性，且土壤Cu、Pb、Cd的TCLP提取態(tài)含量與水稻根系和糙米中Cu、Pb、Cd的含量之間存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系。劉維濤等[11]的盆栽試驗(yàn)表明，組配改良劑石灰+雞糞+過(guò)磷酸鈣能顯著降低小白菜地上部分中Pb和Cd含量。目前，石灰因其可有效降低土壤重金屬有效態(tài)含量，且成本低廉，在湖南長(zhǎng)株潭重金屬污染耕地修復(fù)試點(diǎn)已廣泛應(yīng)用。而對(duì)于其他改良劑，更多的停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，大田應(yīng)用研究較少。筆者在前人的研究基礎(chǔ)上，以生石灰為基礎(chǔ)，采用自主研發(fā)的改良劑TH01、TH02配合生石灰進(jìn)行施用，并設(shè)置不同階段的施用方式，進(jìn)行大田試驗(yàn)研究，研究不同改良劑對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響，土壤重金屬的穩(wěn)定化效果及降低水稻重金屬含量的作用，以期為修復(fù)Cd污染稻田提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況試驗(yàn)田位于湖南省長(zhǎng)沙縣春華鎮(zhèn)某污染農(nóng)田，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，具有春季低溫多雨，夏季高溫光強(qiáng)，秋季溫和少雨，冬季冷濕的特點(diǎn)，年平均氣溫為17.2 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為1 600 h，年平均降雨量1 361 mm。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)田均通過(guò)水渠引水灌溉。該試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)：pH 5.64±0.10，全N含量0.150±0.020 g/kg，全P含量0.500±0.030 g/kg，全K含量3.830±1.460 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量17.020±0.530 g/kg，全Cd含量0.420±0.030 mg/kg，醋酸銨Cd含量0.113±0.005 mg/kg。與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)相比(Cd含量為0.300 mg/kg)，全Cd含量超標(biāo)。

1.2供試材料供試改良劑：TH01、TH02為深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司研制，其中，TH01的主要成分為生物炭、鐵粉、海泡石，TH02的主要成分為生物炭、鐵粉、海泡石、鈣鎂硅肥；生石灰，采購(gòu)于瀏陽(yáng)市高坪鎮(zhèn)鼎鑫石灰廠。供試復(fù)合肥：白俄羅牌(20-8-12)，采購(gòu)于江西開(kāi)門子肥業(yè)集團(tuán)有限公司。供試水稻：品種為玉針香，常規(guī)中熟晚秈，湖南省水稻研究所研制，育苗后進(jìn)行移栽。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)4處理，T1：未添加改良劑(CK)；T2：0.1%生石灰，翻耕整地時(shí)混施;T3:0.4% TH01+0.1%生石灰，翻耕整地時(shí)混施;T4:翻耕整地時(shí)混施0.4%TH02，分蘗前期撒施0.1%生石灰。每處理5次重復(fù)，共20個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。每小區(qū)面積為7.00 m×2.86 m，隨機(jī)排列。

1.4田間管理試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，試驗(yàn)田不施任何肥，將田耕作耙平，實(shí)行單排單灌，每小區(qū)埂下寬0.30 m，小區(qū)埂高出田面0.10 m，小埂分3次做完，做1次沉實(shí)1次，做完小區(qū)埂后，在小區(qū)埂上蓋質(zhì)量好的地膜(地膜幅寬0.80 m)，防止小區(qū)間串肥串水。移栽前1周，分區(qū)基施復(fù)合肥，每小區(qū)施1.5 kg，并將每處理施加改良劑到相應(yīng)的小區(qū)中，人工用六齒耙將復(fù)合肥、改良劑均勻混入泥中并用木燙板燙平稻田。水稻種子浸種、催芽后，于2015年6月18日播種，7月15日移栽，種植密度20 cm×23 cm，每蔸移栽4～5株基本苗。在植物生長(zhǎng)期按常規(guī)方法進(jìn)行管理。

1.5樣品采集與分析測(cè)定

1.5.1植物樣品采集與分析測(cè)定。于水稻生長(zhǎng)分蘗期，每7 d調(diào)查水稻分蘗情況，每個(gè)觀察記載點(diǎn)定8蔸；于水稻成熟期收割、脫粒，調(diào)查每個(gè)小區(qū)子粒生物量。分別于種植前、分蘗期、孕穗期、灌漿期、成熟期采集每個(gè)小區(qū)水稻莖葉、根樣品，并于成熟期采集每個(gè)小區(qū)子粒樣品，采集時(shí)均按“S”型曲線采集5蔸，并混合成混合樣，采集量0.5～1.0 kg，裝入塑料密封袋，做好標(biāo)記，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室用自來(lái)水和去離子水洗凈，吸水紙吸干表面水。將莖葉、根樣品置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min，然后65 ℃、48 h烘干，稱重。子粒樣品置于室外自然風(fēng)干。莖葉、根用萬(wàn)能粉碎機(jī)磨細(xì)，過(guò)0.25 mm尼龍篩，子粒用稻谷脫殼機(jī)脫殼成糙米，備測(cè)Cd含量。植物重金屬采用HNO3-HClO4聯(lián)合消煮(GB /T 5009.11-15—2003)，且用原子吸收光譜法測(cè)定Cd濃度。

1.5.2土壤樣品采集與分析測(cè)定。分別于種植前、分蘗期、孕穗期、灌漿期、成熟期采集每個(gè)小區(qū)土壤樣品，采集時(shí)各小區(qū)按“S”型曲線采集5點(diǎn)，采集深度0～20 cm，并混合成混合樣，采集量約1 kg，樣品采集后立即裝入塑料密封袋，做好標(biāo)記，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在室內(nèi)自然風(fēng)干，除去土壤中的石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過(guò)20、100目尼龍篩，包裝登記后保存，備測(cè)。土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、pH參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[12]，全K、全Cd均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光譜法測(cè)定(GB/T 17138—1997)，Cd有效態(tài)含量采用醋酸銨浸提法。

1.6數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用Excel 2010處理，采用SAS 8.1 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響由表1可知，4個(gè)處理間水稻分蘗情況、子粒生物量差異不明顯，各處理的分蘗數(shù)和子粒生物量從大到小依次為T4、T3、T2、T1。這表明施加的改良劑有利于植物分蘗，從而提高水稻子粒生物量。這可能是因?yàn)楦牧紕㏕H01、TH02均含有生物碳，生物碳除具有吸附重金屬的作用外，在土壤中也能分解，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，另外，T4處理改良劑TH02還含有鈣鎂硅肥，因此，植物生長(zhǎng)較T3處理好，產(chǎn)量較T3處理高，水稻產(chǎn)量為7 399.8 kg/hm2。

表1　水稻分蘗數(shù)和子粒生物量

注：同列相同字母表示無(wú)顯著差異(P<0.05)。

Note：The same letters stand for no significant difference(P<0.05).

2.2不同處理對(duì)水稻各部位重金屬含量的影響由表2可知，T3、T4水稻子粒Cd含量明顯低于CK和T2，子粒中T3處理Cd含量(0.23 mg/kg)最低。與CK相比，T3、T4子粒Cd含量分別降低了45.22%、38.14%，與T2相比，T3、T4處理水稻子粒Cd含量分別降低了36.16%、27.91%。

從水稻各部位而言，Cd含量從大到小依次為根、莖葉、子粒，且T3處理水稻莖葉和根Cd含量4個(gè)處理中最低，這可能是由于海泡石對(duì)降低糙米Cd含量的效果優(yōu)于鈣鎂硅肥，也可能是T3生石灰在種植前添加時(shí)為混施，與土壤的接觸面積比T4生石灰在分蘗期撒施時(shí)大，對(duì)土壤有效態(tài)含量降低更明顯。

2.3不同處理對(duì)土壤pH和Cd含量的影響從圖1可見(jiàn)，各處理土壤的pH均呈先升高后降低的趨勢(shì)，且均在孕穗期達(dá)到最大值后下降。灌漿期前及灌漿期，各處理土壤pH從大到小依次為T3、T4、T2、T1，灌漿期后，各處理土壤的pH從大到小依次為T4、T3、T2、T1，這可能是由于T4為分蘗期撒施生石灰，與土壤接觸面積較小，因此在撒施后并不能立即使土壤pH升高，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，生石灰的堿性作用向下擴(kuò)散，因此在后期T4處理土壤的pH高于T3。

表2　不同處理水稻各部位Cd含量

注：同列不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercases in the same column stand for significant difference(P<0.05).

圖1　不同處理各生長(zhǎng)期土壤pH隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.1　The variation trend of pH with time in each growth period in different treatments

從圖2可見(jiàn)，種植水稻后，各處理土壤醋酸銨提取態(tài)含量在孕穗期前隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈迅速下降趨勢(shì)，孕穗期后，除T4處理仍處于下降趨勢(shì)外，其他3個(gè)處理反而在孕穗期后迅速升高，在灌漿期后又下降，但總體趨勢(shì)均較種植前低。

各時(shí)期土壤醋酸銨提取態(tài)含量分蘗期和孕穗期從大到小依次為T1、T2、T3、T4，灌漿期為T1、T2、T3、T4，成熟期為T1、T2、T3、T4，變化趨勢(shì)與pH相對(duì)應(yīng)。

圖2　不同處理各生長(zhǎng)期土壤醋酸銨Cd含量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.2　The variation trend of ammonium acetate Cd content with time

2.4不同時(shí)期水稻各部位Cd含量與土壤醋酸銨提取態(tài)含量的關(guān)系由表3可知，不同時(shí)期水稻莖葉、根的Cd含量與土壤醋酸銨Cd含量呈線性正相關(guān)關(guān)系，且灌漿期T1處理莖葉、根的Cd含量與土壤醋酸銨Cd含量，成熟期T2處理根的Cd含量與土壤醋酸銨Cd含量呈顯著線性相關(guān)關(guān)系，灌漿期T2處理根的Cd含量與土壤醋酸銨Cd含量呈極顯著線性相關(guān)。這表明土壤中醋酸銨Cd含量的降低是水稻根Cd累積量減少的原因，進(jìn)而影響莖葉Cd含量及子粒Cd含量，且隨著水稻生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤醋酸銨的Cd含量對(duì)水稻莖葉、根Cd累積量的影響在灌漿期表現(xiàn)最為明顯。因此，可在孕穗期后水稻進(jìn)入灌漿期時(shí)采取農(nóng)藝措施或添加穩(wěn)定劑降低稻田土壤醋酸銨Cd含量，從而降低水稻子粒Cd含量。

表3　不同時(shí)期水稻莖葉、根Cd含量與土壤醋酸銨Cd含量的相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示P<0.05和P<0.01顯著水平，n=5。

Note：* and ** stands forP<0.05 andP<0.01 significant level,n=5.

3結(jié)論

(1)4個(gè)處理間水稻分蘗情況、子粒生物量差異不明顯，從大到小依次為T4、T3、T2、T1，施加的改良劑有利于植物分蘗，從而提高水稻子粒生物量。

(2)T3處理子粒Cd含量(0.23 mg/kg)是4個(gè)處理中最低，且與T1對(duì)照處理相比，T3、T4處理水稻子粒Cd含量分別降低了45.22%、38.14%，而與T2處理相比，T3、T4處理水稻子粒Cd含量分別降低了36.16%、27.91%。

(3)土壤中醋酸銨Cd含量的降低是水稻Cd累積量減少的原因，不同時(shí)期水稻莖葉、根Cd含量與土壤醋酸銨Cd含量呈線性正相關(guān)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘國(guó)娟,劉偉,邱亞群,等.湘中某冶煉區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境化學(xué),2013,32(1)：132-138.

[2] 雷鳴,曾敏,王利紅,等.湖南市場(chǎng)和污染區(qū)稻米中As、Pb、Cd污染及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(11)：2314-2320.

[3] 曾敏,廖柏寒,曾清如,等.湖南郴州、石門、冷水江3 個(gè)礦區(qū)As污染狀況的初步調(diào)查[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(2)：418-421.

[4]劉麗.土壤重金屬污染化學(xué)修復(fù)方法研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(19):6226-6228.

[5] QIAN G，CHEN W，LIM T T,et al.In-situ stabilization of Pb,Zn,Cu,Cd and Ni in the multi-contaminated sediments with ferrihy-rite and apatite composite additives[J].Journal of hazardous materials,2009,170(2/3)：1093-1100.

[6] 章明奎,唐紅娟,常躍暢.不同改良劑降低礦區(qū)土壤水溶態(tài)重金屬的效果及其長(zhǎng)效性[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(5)：144-148.

[7] 朱奇宏,黃道友,劉國(guó)勝,等.改良劑對(duì)鎘污染酸性水稻土的修復(fù)效應(yīng)與機(jī)理研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,18(7)：847-851.

[8] 徐明崗,張青,曾希柏.改良劑對(duì)黃泥土鎘鋅復(fù)合污染修復(fù)效應(yīng)與機(jī)理研究[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(6)：1361-1366.

[9] 周歆,周航,曾敏,等.石灰石和海泡石組配對(duì)水稻糙米重金屬積累的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2014,51(3)：555-563.

[10] 周航,周歆,曾敏,等.2種組配改良劑對(duì)稻田土壤重金屬有效性的效果[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2014,34(2)：437-444.

[11] 劉維濤,周啟星.不同土壤改良劑及其組合對(duì)降低大白菜鎘和鉛含量的作用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(9)：1846-1853.

[12] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

基金項(xiàng)目廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B090904008)；廣東省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014B090903015)；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ20140418105252027)；深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金(發(fā)改辦高技[2013]2556號(hào))；廣東省工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心入庫(kù)項(xiàng)目(粵科函政字[2013]1589號(hào))。

作者簡(jiǎn)介林曉燕(1988- )，女，廣東汕頭人，助理工程師，碩士，從事土壤污染與修復(fù)研究。*通訊作者，工程師，博士，從事土壤污染與修復(fù)研究。

收稿日期2016-04-22

中圖分類號(hào)S 156

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)14-232-03

Effects of Improved Agent on Heavy Metal Accumulation in Soil and Brown Rice

LIN Xiao-yan,XIONG Yun-wu,PEI Dong-hui,REN Zhong*et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040)

Abstract[Objective] The aim was to study remediation effect of improved agent on Cd contaminated paddy soils.[Method] A field experiment of improved agent was conducted on a contaminated paddy soil in Chunhua Town,Changsha County,Hunan Province.Setting up 4 treatments,including T1：without improved agent(CK); T2：quick lime(0.1%),fertilizing in soil preparation process; T3：TH01 (0.4%) + quick lime(0.1%),fertilizing in soil preparation process; T4：TH02(0.4%),fertilizing in soil preparation process,quick lime(0.1%) applying at early tillering stage.Effects of adding improved agent on rice yield,heavy metal content and soil heavy metal content were studied.[Result] Rice tiller and grain biomass had no significant difference among 4 treatments; Cd content was lowest in T3 treatment,Cd content reduced 45.22% and 38.14% in T3 and T4,compared with T2,Cd content reduced 36.16% and 27.91% in T3 and T4.In different growth period,stems,leaves and roots Cd content showed linear correlationship with ammonium acetate Cd content.[Conclusion] In order to reduce brown rice Cd content,agronomic measures or adding passivator,could be implemented to reduce ammonium acetate Cd content in time after the booting stage of rice into the filling stage.

Key wordsCd; Improved agent; Rice; Soil