4種修復(fù)劑對(duì)鎘污染農(nóng)田土壤及糙米的降鎘效果

胡青云，唐佑根，張志強(qiáng)，羅 穎，張小毅，肖 歡，敖和軍

（1. 衡南縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 衡陽(yáng) 421131；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

我國(guó)有將近三分之二的人口以大米為主食，水稻作為中國(guó)第一大糧食作物對(duì)保障糧食安全具有重要作用。據(jù)近年的稻米安全性抽檢結(jié)果顯示，我國(guó)稻米中的鎘含量超過(guò)了國(guó)標(biāo)的28.4%[1]。研究表明，土壤中的鎘不僅對(duì)水稻有毒害作用，還能通過(guò)食物鏈進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)，長(zhǎng)期食用鎘超標(biāo)的稻米會(huì)危害人體健康[2-4]。衡陽(yáng)作為全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)市和全國(guó)商品糧基地，在保障國(guó)家糧食安全和促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。由于湘江沿岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，特別是采選、冶煉、化工等高污染企業(yè)多分布于湘江兩岸，重金屬污染物排放不斷積累，致使湘江水體富營(yíng)養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重，而湘江是衡陽(yáng)的主要灌溉水源，通過(guò)灌溉許多重金屬沉積到土壤中?，F(xiàn)今，污染源已經(jīng)切斷，但是土壤中的重金屬還一直存在[5-6]。因此，為保證糧食安全，農(nóng)田鎘污染治理刻不容緩。

由于稻田鎘污染具有長(zhǎng)期性和累積性[7]，同時(shí)鎘在水稻體內(nèi)的積累受鎘形態(tài)[8]、品種和溫度[9-10]等多種因素的影響，因此不同地區(qū)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況來(lái)制定治理修復(fù)方案。針對(duì)衡陽(yáng)市土壤重金屬污染情況，筆者選擇了4種不同類型的修復(fù)劑進(jìn)行試驗(yàn)，探究不同修復(fù)劑及其用量對(duì)土壤鎘活性及稻米鎘含量的影響，以篩選出適合當(dāng)?shù)氐男迯?fù)材料，為保護(hù)鎘污染農(nóng)田糧食生產(chǎn)安全提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

試驗(yàn)于2016年在湖南省衡陽(yáng)市衡南縣松江鎮(zhèn)黃塘村燈甲組進(jìn)行。試驗(yàn)前土壤pH值為6.8～7.7，全鎘含量為3.10 mg/kg，根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995，該土壤屬于重度鎘污染土壤。

供試水稻品種為秈型兩系雜交水稻隆兩優(yōu)華占。試驗(yàn)選擇4種修復(fù)劑：DG葉面阻控劑（液體硅肥）、SMA微生物菌劑（側(cè)孢短芽孢桿菌，地衣芽孢桿菌，生物活性鈣，有機(jī)物載體）、XFJ有機(jī)肥（發(fā)酵腐熟有機(jī)質(zhì)物料，高活性功能菌，飼料級(jí)沸石粉、淀粉）和LXM鈣硅類鈍化劑（有效硅≥15%；有效鈣≥40%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，具體見(jiàn)表1，分為11個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共33個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為20 m2，小區(qū)間起田埂并覆農(nóng)膜隔開(kāi)，單排單灌。田間管理和施肥按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行，除DG葉面阻控劑在水稻孕穗初期和灌漿初期進(jìn)行葉面噴施外，其他修復(fù)劑隨基肥在翻耕前施入，翻耕4～7 d后移栽水稻。

表1 修復(fù)劑材料及施用量

1.3 樣品采集與測(cè)定

在水稻成熟期采用5點(diǎn)取樣法采集0～20 cm耕作層土壤樣品和植株樣品。土壤樣品取回后在室內(nèi)分?jǐn)傋匀涣栏珊竽ニ?，剔除石礫及植物殘茬等雜物，過(guò)10目和100目尼龍篩，備用。植株樣品取回后脫粒裝袋，于烘箱中于105℃殺青30 min，再經(jīng)80℃烘干到恒重，將籽粒打成糙米，并用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎，過(guò)100目尼龍篩，備用。

土壤pH值采用點(diǎn)位法測(cè)定（水土比2.5∶1）；土壤有效態(tài)鎘采用DTPA試劑提取，振蕩后過(guò)濾經(jīng)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，Agilent7700x，USA）測(cè)定溶液中鎘濃度；糙米鎘采用微波消解后用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定溶液中的鎘濃度；水稻成熟期每小區(qū)全收全打測(cè)產(chǎn)，按13.5%含水量計(jì)算小區(qū)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類修復(fù)劑對(duì)土壤pH值的影響

從圖1可知，施用SMA微生物菌劑顯著降低了土壤pH值，與CK相比土壤pH值下降0.93～1.07個(gè)單位，下降幅度為12.4%～13.3%；而施用XFJ有機(jī)肥和LXM鈣硅類鈍化劑后土壤pH值提高了0.2～0.3個(gè)單位，上升幅度為2.7%～4.0%，顯著高于施用SMA微生物菌劑的處理；而DG葉面阻控劑的施用方式為葉面噴霧，對(duì)土壤pH值沒(méi)有直接影響；同一修復(fù)劑的不同施用劑量對(duì)土壤pH值的影響不顯著。

圖1 不同修復(fù)劑對(duì)土壤pH值的影響

2.2 不同種類修復(fù)劑對(duì)土壤有效態(tài)鎘含量的影響

由圖2可知，施用XFJ有機(jī)肥和LXM鈣硅類鈍化劑能降低土壤有效態(tài)鎘含量，與CK相比，平均降幅分別為2.82%和6.79%；而施用DG葉面阻控劑和SMA微生物菌劑（3 000 kg/hm2處理除外）后土壤有效態(tài)鎘含量不降反增，表明這2種修復(fù)劑活化了部分鎘，增加了土壤中有效態(tài)鎘的含量。同一修復(fù)劑的不同施用劑量對(duì)土壤有效態(tài)鎘含量的影響表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。與CK相比，施用低濃度的SMA微生物菌劑、XFJ有機(jī)肥和LXM鈣硅類鈍化劑處理均能提高土壤有效態(tài)鎘含量，但未到達(dá)顯著水平；SMA處理中以SMA2的土壤有效態(tài)鎘含量最低，為2.353 mg/kg，與CK相比降低了8.59%；施用XFJ有機(jī)肥和LXM鈣硅類鈍化劑后土壤有效態(tài)鎘含量均以高濃度處理（XFJ3、LXM3）最低，中濃度處理（XFJ2、LXM2）次之；與其他處理相比，XFJ3與LXM3處理土壤中有效態(tài)鎘含量較低，分別為2.332和2.199 mg/kg，較對(duì)照分別降低9.40%和14.57%。

圖2 不同修復(fù)劑對(duì)土壤有效態(tài)鎘含量的影響

2.3 不同種類修復(fù)劑對(duì)稻米鎘含量的影響

如圖3所示，施用修復(fù)劑能夠降低糙米中鎘含量，但不同修復(fù)劑的效果不同。與CK相比，施用DG葉面阻控劑和SMA微生物菌劑能夠降低糙米中鎘含量，但效果不顯著；而XFJ有機(jī)肥和LXM鈣硅類鈍化劑顯著降低糙米鎘含量，與CK相比，平均降幅分別為50.88%和69.99%，2種修復(fù)劑之間差異不顯著。同一修復(fù)劑的不同施用劑量對(duì)糙米鎘含量的影響不顯著，但隨著修復(fù)劑施用劑量的增加，糙米鎘含量存在逐漸降低的趨勢(shì)；施用3種修復(fù)劑后糙米鎘含量均以高濃度處理（SMA3、XFJ3、LXM3）最低，中濃度處理（SMA2、XFJ2、LXM2）次之，其中XFJ3與LXM3處理糙米鎘含量顯著低于CK和DG處理，其中與對(duì)照相比分別降低了57.28%和71.57%。

圖3 不同修復(fù)劑對(duì)糙米鎘含量的影響

2.4 不同種類修復(fù)劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由圖4可知，除XFJ1處理外，其余處理都能不同程度地提高水稻產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為0.37%～5.63%。各處理產(chǎn)量由高到低排列依次為SMA2＞SMA3＞DG＞LXM3＞XFJ2＞LXM2＞LXM1＞SMA1＞XFJ3＞CK＞XFJ1。同一修復(fù)劑的不同施用劑量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響表現(xiàn)不一致。SMA（微生物菌劑）、XFJ（有機(jī)肥）、LXM（鈣硅類鈍化劑）3種修復(fù)劑均以低濃度處理產(chǎn)量最低，其中XFJ1處理產(chǎn)量最低，與CK相比減產(chǎn)7.59%。而以SMA2處理產(chǎn)量最高，為9 160.95 kg/hm2，較CK增產(chǎn)5.63%。

圖4 不同修復(fù)劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

3 結(jié)論與討論

水稻吸收鎘受土壤pH值、CEC、有機(jī)質(zhì)和離子互作等因素的影響，而土壤pH值是影響重金屬鎘有效性的主要因素之一，土壤pH值越高，土壤中鎘的活性越弱[11]。結(jié)果表明，施用XFJ有機(jī)肥和LXM鈣硅類鈍化劑可以提高土壤pH值，降低土壤中有效態(tài)鎘含量。這是因?yàn)橥寥朗┯糜袡C(jī)肥后，會(huì)產(chǎn)生大量的銨離子，使土壤pH值升高[12]，同時(shí)施用有機(jī)肥能夠增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，而有機(jī)質(zhì)中的官能團(tuán)（如羧基和酚羥基等）能夠有效吸附土壤中的Cd元素[13]，從而使土壤中有效態(tài)鎘含量降低；而添加鈣硅類鈍化劑后，因其本身富含Ca、Si等堿性金屬化合物，在水解作用下釋放出大量的氫氧根離子，從而能夠提高土壤pH值[14]，另外硅與鎘存在吸附作用，能夠形成硅鎘聚合物[15]，從而降低土壤中有效態(tài)鎘含量。這2種修復(fù)劑能依靠自身營(yíng)養(yǎng)元素或通過(guò)提高土壤pH值的方式來(lái)降低土壤中的有效態(tài)鎘含量。而施用SMA微生物菌劑后土壤pH值顯著降低，是因?yàn)楫a(chǎn)酸菌的生長(zhǎng)繁殖導(dǎo)致有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸積累[16]，故SMA1和SMA3處理有效態(tài)鎘含量增加，而SMA2處理的有效態(tài)鎘含量不升反降的原因有待進(jìn)一步研究。

降低水稻糙米中鎘含量主要有2種途徑，一是降低土壤中鎘的生物有效性，二是阻控水稻各器官向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)鎘[17]。試驗(yàn)所采用的4種修復(fù)劑，主要成分都含有鈣元素和硅元素。鈣與鎘存在競(jìng)爭(zhēng)作用，這種競(jìng)爭(zhēng)不僅表現(xiàn)在根細(xì)胞膜上，還表現(xiàn)在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白上，從而降低了水稻對(duì)鎘的吸收[18]。硅能在植物體內(nèi)與鎘形成硅鎘復(fù)合氧化物，抑制水稻體內(nèi)鎘向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，從而降低糙米鎘含量[19]。試驗(yàn)中施用4種修復(fù)劑對(duì)土壤有效態(tài)鎘含量并無(wú)顯著影響，但顯著降低了糙米中的鎘含量，可能是施用修復(fù)劑抑制了水稻對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，但這需進(jìn)一步研究證實(shí)。

LXM鈣硅類鈍化劑（有效硅≥15%；有效鈣≥40%）對(duì)糙米鎘的阻控效果最好，糙米鎘含量隨著施用量的增加而降低。在6 000 kg/hm2LXM鈣硅類鈍化劑處理下，糙米鎘含量最低，但尚未達(dá)到國(guó)家安全食用標(biāo)準(zhǔn)，一方面是因?yàn)樵撛囼?yàn)地屬于鎘重度污染地區(qū)，土壤本身鎘含量高，另一方面是因?yàn)椴捎眯迯?fù)劑降鎘不能一蹴而就，需要連續(xù)多年施用才能達(dá)到理想效果。同時(shí)施用修復(fù)劑后土壤理化性狀得到明顯改善，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和鈣、硅等微量元素的含量[20-21]，從而有利于水稻正常生長(zhǎng)發(fā)育。

一種適宜推廣的修復(fù)劑既能夠降低糙米鎘含量，又不會(huì)對(duì)水稻的生長(zhǎng)、產(chǎn)量等指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，施用4種修復(fù)劑都能降低糙米鎘含量，特別是施用6 000 kg/hm2的LXM鈣硅類鈍化劑時(shí)降米鎘效果最好，同時(shí)能夠提高稻米產(chǎn)量。