12種鈍化劑在鎘污染稻田上的應(yīng)用效果對(duì)比

張劍，盧升高

(1.溫州市耕地質(zhì)量與土肥管理站，浙江 溫州 325600； 2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物之一，也是容易積累Cd的作物，在輕中度Cd污染稻田上容易發(fā)生稻米Cd超標(biāo)問(wèn)題，并會(huì)通過(guò)食物鏈途徑影響人類健康。因此，輕中度Cd污染稻田的安全生產(chǎn)已成為我國(guó)土壤污染治理與修復(fù)的重要內(nèi)容。目前，鎘污染稻田的修復(fù)主要采取種植低積累水稻品種、施用鈍化劑和農(nóng)藝措施控制等技術(shù)。其中，施用鈍化劑固定土壤中的重金屬以降低其生物有效性是中輕度污染土壤修復(fù)、保障水稻安全生產(chǎn)的重要途徑，該技術(shù)具有見(jiàn)效快、經(jīng)濟(jì)廉價(jià)、適用范圍廣等特點(diǎn)。常用的鈍化劑包括各類含磷物質(zhì)、黏土礦物、堿性肥料、生物質(zhì)炭、氧化物、納米材料，及一些工農(nóng)業(yè)廢棄物等[1-9]。不同鈍化劑的修復(fù)效果根據(jù)重金屬類型、土壤性質(zhì)、作物種類、污染程度、區(qū)域等的不同而異。本研究根據(jù)前期試驗(yàn)，選擇磷肥、堿性肥料、有機(jī)物、無(wú)機(jī)礦物等鈍化劑，進(jìn)行鈍化效果的田間對(duì)比試驗(yàn)，以篩選出能夠穩(wěn)定鈍化土壤中重金屬鎘，且水稻產(chǎn)量達(dá)到常規(guī)水平，稻米鎘含量低于國(guó)家食品中污染物限量值的鈍化劑，為鎘污染稻田的安全利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

田間小區(qū)試驗(yàn)設(shè)置于浙江省溫州市某水稻種植區(qū)，土壤類型系發(fā)育于沖積物上的潴育型水稻土(泥質(zhì)田)，土壤pH值為5.4，有機(jī)質(zhì)49.8 mg·kg-1，水解氮221 mg·kg-1，有效磷15.0 mg·kg-1，速效鉀46 mg·kg-1。試驗(yàn)區(qū)土壤Cd含量在0.43～0.53 mg·kg-1，平均值為0.48 mg·kg-1。根據(jù)GB 15618—2018《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)》，試驗(yàn)區(qū)Cd含量超過(guò)農(nóng)用地土壤污染篩選值，存在污染風(fēng)險(xiǎn)。

選擇12種鈍化劑進(jìn)行試驗(yàn)，分別是硅鈣鎂鉀肥、鈣鎂磷肥、過(guò)磷酸鈣、海泡石、膨潤(rùn)土、沸石粉、木質(zhì)生物質(zhì)炭、果殼生物質(zhì)炭、腐殖酸、商品土壤調(diào)理劑、復(fù)合改良劑1號(hào)和復(fù)合改良劑2號(hào)，鈍化劑用量根據(jù)前期試驗(yàn)和預(yù)備試驗(yàn)確定。以不施用鈍化劑的處理作為對(duì)照(CK)。

1.2 田間試驗(yàn)布置與樣品采集

試驗(yàn)于2019年6—11月進(jìn)行，田間小區(qū)面積24 m2，小區(qū)間用土埂隔開(kāi)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。每小區(qū)鈍化劑用量：海泡石、膨潤(rùn)土和沸石粉為11.25 kg，硅鈣鎂鉀肥和商品土壤調(diào)理劑為2.7 kg，鈣鎂磷肥和過(guò)磷酸鈣為11.25 kg，木質(zhì)生物質(zhì)炭、果殼生物質(zhì)炭和腐殖酸為27 kg，復(fù)合改良劑1號(hào)和復(fù)合改良劑2號(hào)為20 kg。鈍化劑在水稻移栽前1周撒施。水稻于6月4日播種，7月2日移栽，10月18日成熟。

試驗(yàn)水稻品種為鎘低積累品種中浙優(yōu)8號(hào)。每個(gè)處理除鈍化劑不同外，采用相同的水肥管理措施。水稻成熟后，每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收割，測(cè)產(chǎn)，采集水稻與土壤樣品。土壤樣品，在每個(gè)小區(qū)采集3～5樣點(diǎn)，獲得混合樣。水稻樣品，采集植株樣，用自來(lái)水沖洗干凈，再用去離子水沖洗，將水稻分為根系、秸稈、籽粒3部分。水稻樣品105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干。水稻籽粒去殼成糙米后，用于重金屬含量測(cè)定。

1.3 土壤分析與數(shù)據(jù)處理

土壤總Cd根據(jù)GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》測(cè)定，土壤有效態(tài)Cd根據(jù)GB/T 23739—2009《土壤質(zhì)量 有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定 原子吸收法》測(cè)定，水稻根系、秸稈和糙米中的Cd含量根據(jù)GB 5009.15—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》測(cè)定。

所有數(shù)據(jù)在Microsoft Excel 2016軟件中進(jìn)行整理，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈍化劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

水稻產(chǎn)量是評(píng)價(jià)鈍化劑是否適合農(nóng)田修復(fù)的重要指標(biāo)，一般要求水稻產(chǎn)量接近常規(guī)產(chǎn)量。本試驗(yàn)中，與CK相比，鈍化劑處理的水稻長(zhǎng)勢(shì)良好。如圖1所示，施用鈍化劑的各處理水稻產(chǎn)量較CK均有所增加，其中，海泡石和膨潤(rùn)土處理的水稻產(chǎn)量增幅最大(12.3%)，沸石粉、商品土壤調(diào)理劑、過(guò)磷酸鈣和鈣鎂磷肥處理增產(chǎn)8%左右，其他鈍化劑處理的增產(chǎn)效果不明顯。

圖1 不同鈍化劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

2.2 不同鈍化劑對(duì)糙米中鎘含量的影響

試驗(yàn)品種屬于前期篩選出來(lái)的鎘低積累水稻品種，在供試土壤中糙米的Cd平均含量為0.14 mg·kg-1，低于國(guó)家規(guī)定的稻米Cd安全限量標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示，施用12種鈍化劑后，其糙米中的Cd含量較CK均有所下降，降幅在14%～71%，其中，效果最明顯的是硅鈣鎂鉀肥和鈣鎂磷肥，降幅分別為64%和71%。以GB 2762—2012《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》為依據(jù)，結(jié)合水稻產(chǎn)量，鈣鎂磷肥和硅鈣鎂鉀肥效果良好，可推薦為適宜當(dāng)?shù)貞?yīng)用的鈍化劑。

圖2 不同鈍化劑對(duì)糙米鎘含量的影響

2.3 不同鈍化劑對(duì)水稻根系和秸稈中鎘含量的影響

如圖3所示，與CK相比，鈣鎂磷肥降低水稻秸稈中Cd含量的效果最明顯，降幅達(dá)74.5%，海泡石、膨潤(rùn)土、商品土壤調(diào)理劑、硅鈣鎂鉀肥、過(guò)磷酸鈣、果殼生物質(zhì)炭、腐殖酸和復(fù)合改良劑2號(hào)處理的秸稈中Cd含量較CK下降20%～60%，而沸石粉、木質(zhì)生物質(zhì)炭和復(fù)合改良劑1號(hào)對(duì)秸稈中Cd含量無(wú)明顯下降作用。

圖3 不同鈍化劑對(duì)水稻秸稈和根系鎘含量的影響

水稻根系的Cd含量測(cè)定結(jié)果表明，海泡石、商品土壤調(diào)理劑、鈣鎂磷肥、過(guò)磷酸鈣、腐殖酸處理的水稻根系Cd含量較CK降低，而沸石粉、硅鈣鎂鉀肥、果殼生物質(zhì)炭、復(fù)合改良劑1號(hào)和復(fù)合改良劑2號(hào)處理的水稻根系Cd含量較CK增加。

另外，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，Cd在水稻各部位的累積量從大到小依次為根系>秸稈>籽粒。秸稈的Cd含量比籽粒高10倍左右。因此，鎘污染農(nóng)田上種植的水稻秸稈若直接還田，會(huì)將作物吸收的重金屬重新帶入土壤，導(dǎo)致修復(fù)效率大大降低。因此，在對(duì)Cd污染農(nóng)田土壤進(jìn)行修復(fù)時(shí)，對(duì)農(nóng)作物秸稈應(yīng)進(jìn)行移除并做適當(dāng)處理，以有效去除土壤中的Cd。

2.4 不同鈍化劑對(duì)土壤鎘含量的影響

水稻吸收Cd的關(guān)鍵因子是土壤中的有效態(tài)Cd含量。土壤中的有效態(tài)Cd強(qiáng)烈地影響水稻對(duì)Cd的吸收，是決定Cd在水稻中積累的重要控制因子。如圖4所示，CK土壤中DTPA提取的有效態(tài)鎘含量平均為0.21 mg·kg-1，有效態(tài)Cd占總Cd的比例接近50%，這是酸化稻田容易發(fā)生籽粒Cd超標(biāo)的主要原因之一。不同鈍化劑處理后，土壤中的有效態(tài)Cd含量在0.10～0.21 mg·kg-1，平均為0.15 mg·kg-1。與CK相比，根據(jù)鈍化劑降低有效態(tài)Cd的效果，供試鈍化劑可分為3類：第1類鈍化劑可降低土壤有效Cd含量50%以上，主要包括硅鈣鎂鉀肥和過(guò)磷酸鈣2種鈍化劑；第2類鈍化劑降低土壤有效Cd含量在20%～50%，包括膨潤(rùn)土、沸石粉、鈣鎂磷肥、果殼生物質(zhì)炭、木質(zhì)生物質(zhì)炭、腐殖酸和復(fù)合改良劑2號(hào)；第3類鈍化劑降低土壤有效Cd含量<20%或沒(méi)有影響，包括海泡石、商品土壤調(diào)理劑和復(fù)合改良劑1號(hào)。

圖4 不同鈍化劑處理的土壤總鎘和有效鎘含量

土壤有效態(tài)Cd含量受多種因素的影響，如土壤pH值、陽(yáng)離子交換量(CEC)、有機(jī)質(zhì)含量，以及離子間的作用等[6,7,9]。本試驗(yàn)表明，堿性肥料(硅鈣鎂鉀肥)和磷肥(鈣鎂磷肥)能夠有效降低土壤有效態(tài)Cd和糙米Cd含量。其主要機(jī)制可能是，堿性肥料和磷肥對(duì)重金屬發(fā)生直接固定作用，降低了土壤中重金屬的有效性，并通過(guò)提高土壤pH值、改善土壤的理化性質(zhì)間接減少重金屬的生物毒性，減少水稻植株對(duì)重金屬的富集，進(jìn)而阻控Cd向水稻地上部分各器官的遷移和分配，最終降低了Cd在籽粒中的累積。堿性肥料和磷肥除了能夠顯著提高土壤pH值外，還可補(bǔ)充水稻生長(zhǎng)所需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)；而試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分本就不平衡，表現(xiàn)為中量礦質(zhì)元素缺乏而氮富集。對(duì)照以往試驗(yàn)可知，總體上，堿性肥料和磷肥(鈣鎂磷肥)對(duì)重金屬Cd的鈍化效果比較一致，而其他鈍化劑在不同地區(qū)的效果并不完全一致[1-9]。這可能與堿性肥料、磷肥(鈣鎂磷肥)降酸和提供礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的作用有關(guān)，而其他鈍化劑在降酸和平衡礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)方面的效果受土壤性質(zhì)的影響較大。

3 小結(jié)

以水稻產(chǎn)量、糙米Cd含量、土壤有效態(tài)Cd含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)12種鈍化劑的田間試驗(yàn)效果，在保持水稻產(chǎn)量達(dá)到常規(guī)水平、農(nóng)產(chǎn)品安全達(dá)標(biāo)的前提下，考慮鈍化劑成本、來(lái)源、安全性等因素，認(rèn)為適宜試驗(yàn)地推廣的鈍化劑為硅鈣鎂鉀肥和鈣鎂磷肥。篩選出來(lái)的鈍化劑除了能夠保持水稻產(chǎn)量達(dá)到常規(guī)水平或增產(chǎn)，農(nóng)產(chǎn)品安全達(dá)標(biāo)外，還具有低成本、易推廣等優(yōu)勢(shì)。