不同阻控剂对珠三角稻田镉污染修复的效果探究

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　　摘 要 为研究与筛选珠三角地区水稻镉（Cd）污染有效阻控技术，选用多元硅镁2号、森美思钝化剂、生物炭、叶面阻控剂和硅肥于2017年在珠海开展了不同阻控剂对晚稻Cd污染修复大田示范试验。结果发现：示范试验地块施加阻控剂对晚稻具有一定增产效益;除单施叶面阻控剂处理（P）外，其余处理均能提高土壤pH值6.1%～21.3%，仅森美思钝化剂（X3）和配施硅肥（X1S）处理能够显著降低土壤有效态Cd含量（P<0.05）;所有施用阻控剂处理相较于空白对照（CK）均能显著降低稻谷Cd含量（P<0.05），除CK与多元硅镁2号（M）处理外，其他处理稻谷Cd含量均低于国家标准限值，降低幅度最大为森美思钝化剂X3处理，生物炭与叶面阻控剂都能显著降低稻谷Cd含量且二者联用具有极显著交互效应（P<0.001）。
　　关键词 阻控剂;稻田;镉污染;示范试验
　　2016年，国务院颁发了《土壤污染防治行动计划》，要求到2020和2030年，受污染耕地安全利用率分别达到90%左右和95%以上，中轻度污染农田土壤重金属的修复与阻控成为近年来农业环境科学研究的热点。我国人多地少，为了确保粮食安全，仍需安全利用中轻度污染农田，并生产出安全的农产品[1-2]。在诸多种重金属中，Cd与其他重金属不同，其在土壤中具有较高的植物有效性，并且土壤有效态Cd的浓度在达到毒害植物浓度之前就可以使可食部分Cd含量超过食用标准而危害人类健康[3]。镉在土壤-植物系统中的移动性较强，容易在作物可食部位积累，因此，如何阻控作物对镉的积累，是中轻度污染农田安全利用必须解决的关键问题。
　　珠三角地区为我国高度发达地区，是我国最大的制造业基地，部分区域土壤重金属污染威胁尤为突出[4-5]，总体上南方稻田镉污染相对严重，70%的稻米存在镉污染，对我国部分市售大米的抽样检测结果显示，镉超标率达10%[6]，我国人群Cd平均摄入量在过去30年里增加了一倍[7]。诸多学者在湖南、广东、湖北、安徽等地进行了大量实验与效果示范，探索出了土壤调理剂、叶面阻控剂、生物炭、石灰等一系列以重金属钝化为主的修复方式，其目标是阻断或减少农作物对Cd的吸收累积，从而控制土壤Cd经农作物吸收进入食物链[8-12]。本示范试验使用的阻控剂包括生物炭、森美思钝化剂、叶面阻控剂、多元硅肥及其组合技术。其中，生物炭由于具有高pH、高比表面积、丰富的孔隙及表面官能团等特性，作为重金属污染土壤的修复材料受到环境修复界的广泛关注[13-15];森美思钝化剂是一种新型多孔陶瓷纳米材料，由高比表面积纳米陶瓷制备和分子组装两种前沿技术结合制备得到，可在吸附固定重金属的同时预防土壤微生物进入孔洞重新活化重金屬，保障其生物安全性，相关研究发现田间施用森美思钝化剂可使稻米Cd降低17.1%～44.2%[8];此外，有研究发现，喷施叶面阻控剂可通过抑制根部Cd的吸收，降低作物体内Cd转运而降低其可食部位Cd含量[16-18]。
　　本示范试验旨在施用不同阻控材料的条件下，监测不同阻控剂对稻田土壤Cd有效态含量、稻米Cd含量等的影响，通过大田效果示范试验，筛选出对当地土壤Cd污染修复具有良好效果且适宜推广的重金属阻控材料，为珠三角地区稻田Cd污染耕地安全利用提供研究基础。
　　1 材料与方法
　　1.1 区域与土壤
　　本示范试验选址在广东省珠海市斗门区斗门镇（22.28°N，113.21°E），区域隶属于亚热带季风气候，年均气温22.5 ℃，年均降雨量为2 062 mm。供试区域土壤类型为水稻土，土壤质地为粉壤土，土壤Cd全量1.316±0.044 mg·kg-1;经调查检测，试验地块往年稻谷镉含量均超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762-2017）规定限量要求（0.2 mg·kg-1）。供试地块土壤pH 5.07，土壤有机质含量49.7 g·kg-1，全氮含量2.72 mg·kg-1，有效磷含量40.3 mg·kg-1，速效钾含量414 mg·kg-1，CEC为19.9 cmol·kg-1。
　　1.2 供试材料
　　示范试验材料包括叶面阻控剂（P）、生物炭（B）、森美思钝化剂（X1、X3）、多元硅镁2号（M）、硅肥（S）等;其中叶面阻控剂（水稻用）主要成分为纳米硅，购置于佛山市铁人环保科技有限公司，于分蘖期、封行期、破口期、成熟期四个生育期喷施，每667 m2单次喷施量为1 L;生物炭购于佛山市铁人环保科技有限公司，于水稻种植翻耕前一次性施入;森美思钝化剂购于格丰环保科技有限公司，主要成分为多孔陶瓷材料，于水稻种植翻耕前一次性施入;多元硅镁为市场购得的一般固体材料，于水稻种植翻耕前一次性施入;硅肥为市场购得的一般水溶性硅肥，种植前与基肥一同施入。供试晚稻品种为本地常规品种美占香。
　　1.3 试验设计
　　本示范试验区域共设置8个处理效果示范区，分别为：1）空白对照示范区（CK）;2）每667 m2施用多元硅镁2号100 kg（M）;3）每667 m2施用森美思钝化剂200 kg +硅肥10 kg（X1S）;4）每667 m2施用森美思钝化剂300 kg（X3）;5）每667 m2施用森美思钝化剂500 kg（X1）;6）每667 m2施用生物炭300 kg +叶面阻控剂4 kg（BP）;7）每667 m2施用生物炭300 kg（B）;8）每667 m2施用叶面阻控剂4 kg。
　　各处理均设置3个重复，每个示范区面积约667 m2（22 m×30 m），总示范面积共计1.6 hm2，示范小区之间用塑料薄膜田埂隔开。所有示范小区均采用当地常规水肥管理，确保条件统一。示范试验为一个晚稻生长周期，水稻于2017年7月种植，2017年11月收获。
　　1.4 样品采集与分析
　　示范试验开展前，采集土壤测定基本理化性质作为基础数据;土壤、水稻样品于收获前1～3 d采集，采用五点法布点采样，每个处理田块四周四个点和中间点混匀后通过四分法制成一个综合样品。各田块采集土壤样品约1 kg，稻谷样品约500 g，所有样品均送第三方检测单位分析检测。本示范试验检测指标及对应方法如表1所示。 　　1.5 数据分析
　　本研究采用Microsoft Office Excel 2013软件进行试验数据的处理及图表制作，采用JMP 9.0软件进行统计分析，处理进行差异显著性检验采用LSD法。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同阻控剂对水稻产量的影响
　　不同示范试验处理田块水稻产量如图1所示，各处理每667 m2产量为411.1～436.7 kg。除了生物炭（B）处理外，其他处理示范区均有一定增产效果，增产率为0.72%～5.33%，其中增产率最高为单独森美思钝化剂处理（X1），增产5.33%;其次为森美思钝化剂配施硅肥处理（X1S），增产4.17%。上述结果表明，施用Cd阻控剂一般不会对水稻造成减产现象，反之具有一定增产作用。
　　2.2 不同阻控剂对土壤pH及有效态Cd含量的影响
　　与空白对照（CK）相比，处理M、X1S、X3、X1、BP、B分别提高土壤pH值14.8%、9.7%、9.1%、6.1%、21.3%、14.0%，说明本示范试验地块施加土壤Cd阻控剂可以增加土壤pH，对酸性土壤起到调理作用;而仅配施叶面阻控剂处理（P）未提高土壤pH，原因是叶面阻控剂为叶面喷施，不会进入土壤对土壤产生影响（图2）。
　　不同处理的土壤有效态Cd含量如图2所示，各处理土壤有效态Cd含量差异较小，总体含量在0.496～0.596 mg·kg-1。与CK处理相比，仅X1S与X3处理土壤有效Cd含量显著降低（P<0.05），降低率分别为13.8%和16.1%，P处理相较于CK处理土壤有效Cd含量无差异，其他处理有略微降低作用，但差异不显著。通过相关性分析发现，土壤pH与土壤有效态Cd含量间相关性不显著（P>0.05），这可能与有效态Cd的提取方法和土壤本身性质有关。
　　2.3 稻谷Cd含量
　　根据检测结果，空白对照CK处理稻谷Cd含量为0.321 mg·kg-1，超过国家《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2017）规定的0.2 mg·kg-1标准值。由图3可以看出，各处理相较于CK处理均能显著降低稻谷Cd含量，降低率为30.1%～57.9%（P<0.05），表明Cd污染稻田施加阻控剂能够有效缓解稻谷Cd超标风险，除M处理外，其他处理稻谷Cd含量均达到了国家标准限值，示范试验修复区域稻谷总体达标率为85.7%;各处理对稻谷Cd含量的降低率由高到低依次为X3>BP>X1>P>X1S>B>M处理，说明不同阻控技术对于稻谷Cd含量的影响有所不同。总体而言，森美思钝化剂与生物炭配施叶面阻控剂技术修复效果较好。
　　不同阻控剂的施用对试验区稻谷Cd含量的降低幅度不同，森美思钝化剂处理系列和生物炭处理系列总体降镉效率较高，因此对该两类阻控剂效果进行深度分析。森美思鈍化剂X3、X1以及X1S相较于CK处理分别降低稻谷Cd含量57.9%、47.0%和42.5%（P<0.05），说明单施森美思钝化剂效果优于其配施硅肥处理，森美思钝化剂X3产品表现最好。
　　生物炭及其配施叶面阻控剂处理（BP）相比于CK处理稻谷降镉率高达55.2%，显著高于单施生物炭处理（B）和单施叶面阻控剂处理（P<0.05）。如表2双因子方差分析所示，单独施用生物炭或叶面阻控剂对稻谷Cd降低均具有极显著效应，同时，生物炭配施叶面阻控剂具有极显著交互效应，表明生物炭与叶面阻控剂对稻谷Cd的降低具有显著的相互促进作用。
　　3 结论与讨论
　　3.1 结论
　　本研究通过田间示范试验，在Cd污染稻田中施加不同类型的水稻Cd阻控剂，除处理B外，其他阻控剂均不会对水稻产量造成减产威胁且具有一定增产作用，增产效果较好的为森美思系列钝化剂;除叶面阻控剂喷施措施外，土壤直接施入阻控剂能够有效提高酸性土壤pH值，对土壤理化性质及其有效态Cd产生一定影响，其中森美思系列钝化剂显著降低了土壤有效Cd含量;不同阻控剂的施用均能起到抑制稻谷富集Cd的作用，除施用多元硅镁肥外，其他处理稻谷Cd含量均达到了国家标准限值要求，所有施加阻控剂处理稻谷达标率为85.7%，其中森美思钝化剂X3与生物炭配施叶面阻隔剂两种措施降Cd效果最优。上述结果表明，施用阻控剂能够促进Cd污染稻田的安全利用，森美思钝化剂对珠三角地区酸性Cd污染土壤修复具有良好的示范效果。
　　3.2 讨论
　　本示范试验中不同稻田重金属Cd阻控剂的施入不会对水稻造成减产且具有一定促进增产作用，多元硅镁肥中的镁和硅大多为水溶性，具有速效性，能够增强水稻吸收磷、抗病菌以及抗倒伏等作用，对水稻的产量具有积极影响[19]。森美思系列钝化剂主要成分为天然黏土矿物，辅以特殊工艺制成，施入土壤后会释放一定含量的有效硅和钙、镁、钠等碱或碱土金属，同时材料的高比表面积和多孔性质能够提高土壤的透气性，改善土壤的团粒结构，提高土壤的pH值，增加微生物活性等[8]。相关研究发现，适量生物炭能显著改善土壤肥力，提高水稻全生育期的根系活力，同时富含多种元素，其中不乏一些作物生长所需的营养元素和微量元素，从而提高水稻产量[20-22]。
　　水稻对Cd的吸收受诸多因素影响，例如pH值、CEC、有机质以及离子间的作用等[7]。本示范试验中施加Cd阻控剂能够提高土壤pH值，降低水稻稻谷Cd的积累（图2，图3），其原因主要有：1）随着土壤pH值的升高，土壤氧化物和有机质释放大量质子导致土壤表面的负电荷增多，促进了土壤对Cd的吸附，同时土壤溶液中氢氧根离子和多价阳离子的离子积增大，使生成Cd（OH）2沉淀的机会增大，这些沉淀增大了土壤对Cd2+的吸附力，降低了重金属Cd的生物有效性[23];2）供试阻控剂中含有大量钙、镁、硅等元素，相关研究表明，钙、镁、硅等元素与Cd在进入作物的根表细胞时存在竞争作用，土壤中大量钙离子、硅离子会与镉离子竞争作物根细胞膜上的吸收位点，从而导致作物对Cd的吸收累积量减少[24];3）稻田土壤氧化还原状况是影响土壤Cd化学形态和溶解度的另一个重要因素[25]，森美思钝化剂、生物炭等阻控剂均有“保水、增肥、透气”等性能，可以调节土壤的物理、化学和生物性状，对改良土壤结构、改善土壤氧化还原状态及修复污染土壤等有显著作用;4）土壤中的Cd离子通过根的表皮细胞空隙以及根皮细胞膜上的运输蛋白进入细胞内，水稻地下部分的根系直接接触土壤，是最容易吸收和积累Cd的器官;茎部连接着地下部分和地上部分，向叶片及以上运输着根部积累的物质[26]。喷施叶面阻控剂能阻止Cd的质外体运输途径，减少水稻地上部分Cd的沉积，最终降低稻谷中的Cd含量[27]。 　　参考文献：
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　　（责任编辑：赵中正）
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