农艺措施对重金属污染小麦田的修复研究

来源:用户上传      作者:井永苹 李彦 赵瑞君 许玉良 王艳芹

　　 摘要：为探讨在受重金属污染的土壤上生产出符合安全标准粮食的农业生产技术，实现重金属污染农田边生产边修复，以有污水灌溉历史的农田为研究对象，研究以农艺措施为主的不同修复措施对农田土壤中不同重金属累积量、小麦产量以及小麦籽粒中重金属累积量的影响。结果表明，污灌农田土壤Cd、Zn存在超标现象，增施有机肥、钝化剂和深翻耕等措施均能显著降低土壤中Cd、Pb、Zn有效态含量，其中以综合修复措施效果最佳，有效态Cd、Zn、Pb含量分别比修复前降低46.8%、31.2%、45.5%;增施钝化剂、有机肥和深翻处理均显著降低小麦籽粒中Cd的累积量，实施修复措施的小麦籽粒中Cd、Pb、Zn含量全部达到安全标准。因此，在重金属污染农田通过农艺修复措施能够实现小麦安全生产。
　　关键词：重金属;农艺措施;重金属累积量;粮食安全;小麦
　　中图分类号：S512.106.1：X53  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）11-0080-06
　　Remediation of Heavy Metal Contaminated
　　Wheat Fields by Agronomic Measures
　　Jing Yongping1，2， Li Yan1，2， Zhao Ruijun3， Xu Yuliang3， Wang Yanqin1，2
　　（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China;
　　2. Key Laboratory of Agro-Environment in Huanghe-Huaihe-Haihe Plain， Ministry of
　　Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China;
　　3. Zhaoyuan Agricultural Technology Extension Center， Zhaoyuan 265400， China）
　　Abstract In order to explore the technology for producing grains meeting the food safety standards in soil polluted by heavy metals， and realize the remediation of heavy metal contaminated farmland at the same time of production， the farmlands with sewage irrigation history were taken as research objects to compare different remediation measures. The effects of different remediation measures on the accumulation of different heavy metals in soil and wheat grains and the wheat yield were analyzed. The results showed that Cd and Zn in the soil with sewage irrigation exceeded standard seriously. The contents of Cd， Pb and Zn in soil could be significantly reduced by applying organic fertilizer， passivator and deep ploughing. The comprehensive remediation measure had the best effect， and the contents of Cd， Zn and Pb reduced by 46.8%， 31.2% and 45.5% compared to before remediation. The application of passivator and organic fertilizer and deep ploughing all reduced the accumulation of Cd in wheat grains significantly， and the contents of Cd， Pb and Zn in wheat grains after remediation all met the safety standards. Therefore， safe production of wheat could be achieved in heavy metal contaminated farmland through agronomic remediation measures.
　　Keywords Heavy metal; Agronomic measures; Heavy metal accumulation; Food safety; Wheat
　　土壤是糧食生产的重要物质基础，我国耕地面积人均占有量小，随着工业化进程的不断发展，大量农田受到不同程度的重金属污染，尤其是有污灌历史的农田普遍存在重金属超标现象[1]。重金属具有持久性和累积性[2，3]，可以抑制植物、微生物以及土壤动物等的生命活动，并经过食物链不断累积，最终通过摄食进入人体，进而威胁人类健康[4]。当前重金属污染已经成为世界性的环境问题。基于我国对粮食需求量以及人们对粮食安全逐渐重视，既要保持农田可持续生产，又要保证粮食安全生产，就成为目前我国农田重金属污染修复研究的重点。 　　土壤重金属污染修复技术主要包括物理、化学、生物、农业生态和联合修复技术。物理修复技术主要指工程修复和热脱附技术，适用于小面积污染严重土壤的修复，以及易挥发的污染物，如As、Hg、Se。物理修复技术的缺点是费用高，同时可使土壤中其他重金属的铁-锰氧化物结合态转化成酸溶解态、硫化物及有机结合态和残渣态，这可能会对土壤环境产生较大影响。化学修复技术主要包括电动修复、淋洗技术、稳定/固化修复技术，其中电动修复、淋洗技术需要向土壤中添加诸如螯合剂、络合剂、表面活性剂和氧化/还原剂等材料，虽然修复效果较好，但是存在土壤环境二次污染的风险。稳定/固化修复技术则是一种原位修复技术，是向土壤中加入固化药剂或材料，简单易行，因只改变了重金属的存在形态，重金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化，所以不是一种永久的修复措施。生物修复技术主要指植物修复、动物修复和微生物修复等，该方法具有成本低、操作简单、无二次污染、处理效果好且能大面积推广应用等优点;缺点也显而易见，修复时间长，且修复植物或动物后续处置风险等环节还没有健全的评价体系。农业生态修复主要是指农艺修复和生态修复两部分。农艺修复措施包括改变耕作制度，调整作物品种，种植不进入食物链的植物，选择能降低土壤重金属污染的化肥，或增施能固定重金属的有机肥等措施;生态修复即通过调节诸如土壤水分、养分、pH值和氧化还原状况及气温、湿度等生态因子，实现对污染物所处环境介质的调控。该技术成熟、成本较低、对土壤环境扰动较小，但修复周期长，修复效果的持久性需要跟踪监测。综合以上各种修复措施，适宜于我国重金属污染农田现状的较为理想的修复措施为以农艺修复为主，以化学钝化和微生物修复为辅的综合修复措施。本研究中采用深翻、增施有机肥、增施重金属钝化剂等措施。
　　试验地点选在山东省某钢铁生产厂周边农田，自1958年建厂始便有污水灌溉，虽然农田灌溉水早已由地下水替代，但是历史污灌导致土壤中重金属积累依然严重。污灌农田区的土壤类型是潮土，呈碱性反应，表层土壤pH 值变化在7.85～8.37之间，平均值为8.0，变异较小，平均有机质含量为3.76%。检测发现土壤中常见8种重金属Cd、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn、Hg、As，按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）规定，只有Cd、Zn超过风险管控标准值，Pb的最高值为327 mg/kg，接近二级限量标准350 mg/kg，污染风险也相对较高。因此我们选择Cd、Zn、Pb作为目标重金属元素进行污染治理。本试验以污灌农田土壤作为研究对象，初步探索了农艺措施下农田土壤重金属有效性的变化特征，以及小麦籽粒中重金属累积量对农艺措施的响应规律，以期为农田土壤重金属污染修复和小麦安全生产提供依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试土壤基本情况
　　试验农田土壤属于潮土，0～20 cm土层土壤pH值平均为8.0，全氮、有效磷、速效钾以及有机质含量分别为1.6 g·kg-1、39.9 mg·kg-1、221.7 mg·kg-1和37.6 g·kg-1。
　　供试农田0～20、20～40 cm土层土壤中6种重金属含量平均值见表1，其中Hg、Cd、Cr、Pb、Zn五种重金属0～20 cm土层含量比20～40 cm土层的高，主要在耕层土壤中累积。20～40 cm土层中As平均含量高于0～20 cm表层，但差异不显著。
　　1.2 供试材料
　　有机肥中有机质含量为75%，氮、五氧化二磷、氧化钾的總养分含量为5%，pH7.5，未检出超标重金属，666.7m2用量为350 kg。666.7m2钝化剂用量为200 kg，主要原材料为发酵有机物料、微生物菌剂、活性炭等。供试作物为冬小麦。
　　1.3 试验设计
　　共设5个处理，分别为对照（CK）、深翻（SF）、有机肥+深翻（O+SF）、钝化剂+深翻（D+SF）、有机肥+钝化剂+深翻（O+D+SF），每个处理设3次重复，共15个试验小区。每个小区的面积为60 m2。钝化剂和有机肥均匀撒施于土壤表面，然后进行深翻耕，耕深30～40 cm。
　　1.4 测定方法
　　速效氮、有效磷、速效钾测定参照文献[5];重金属按照常规分析方法测定[6];土壤中总汞含量：硝酸-硫酸消化-冷原子吸收光谱法测定[7];土壤总铬：原子吸收光谱法[8]。重金属有效态含量分析采用EDTA浸提法[7，8]。
　　在测定土壤和农作物样品过程中，每批样品分别用标准样品（GSS-2 土样和GSB-24 小麦样） 加标回收、平行样和空白样进行质量控制，加标回收率为94.3%～108.2%，平行样相对误差均在0.5%之内。
　　分别在修复措施实施前和小麦收获后采集土壤样品，通过检测土壤中重金属有效态含量判定修复措施的实施效果。
　　1.5 数据分析
　　数据经SPSS 18.0 软件处理分析，单因素方差分析后采用Duncan’s法检验处理间的差异显著性，以0.05作为显著性水平。
　　2 结果与分析
　　2.1 土壤重金属有效态含量
　　表2显示，对照处理土壤中有效态Cd、Zn、Pb含量与修复前相比分别降低了8.9%、10.5%和16.3%，增施有机肥+钝化剂+深翻的综合修复措施效果最好，有效态Cd、Zn、Pb含量分别比修复前降低46.8%、31.2%、45.5%;增施有机肥的处理对土壤中Cd、Pb修复效果较好，增施钝化剂则对Cd的效果最佳，深翻处理对Zn的处理效果最好。综合分析，增施有机肥和钝化剂并且深翻的处理对Cd、Pb、Zn的修复效果最显著。
　　2.2 小麦产量
　　与对照处理相比，深翻处理和施钝化剂+深翻处理的小麦产量无显著差异，而增施有机肥的处理O+SF、O+D+SF小麦产量显著高于其他三个处理。以施用有机肥、钝化剂并深翻的综合处理增产效果最好，比对照增产10.7%，施用有机肥同时深翻的处理小麦增产9.6%（图1）。可见，增施有机肥促进小麦增产。 　　2.3 小麦籽粒重金属累积量
　　NY861—2004和GB 2762—2017标准规定，谷物中Cd、Zn、Pb限量标准分别为0.1、50、0.2 mg·kg-1。小麦籽粒中重金属Cd、Zn、Pb的含量分别为0.032～0.062、37.5～43.4、未检出～0.066 mg·kg-1，参照谷物安全限量标准，三种重金属元素均未超标（表3）。
　　对照处理小麦籽粒中Cd含量最高，为0.062 mg·kg-1，施用有机肥和钝化剂加深翻处理（O+D+SF）小麦籽粒Cd含量最低，比对照减少48.4%;其次为施用钝化剂加深翻处理（D+SF）的小麦籽粒Cd含量，比对照降低37.1%;增施有机肥加深翻处理（O+SF）小麦籽粒Cd累积量比对照降低17.7%。可见，增施钝化剂、有机肥及深翻处理均能降低小麦籽粒Cd的累积量。
　　对照处理的小麦籽粒Zn含量最少，为37.5 mg·kg-1，而与对照相比，增施有机肥、深翻、钝化剂以及综合措施对小麦对Zn的累积略有促进作用。
　　与Cd和Zn相比，小麦籽粒中Pb的累积量最少，增施钝化剂处理和对照处理小麦籽粒中均未检测出Pb，在深翻和施用有机肥处理中均检测到Pb，以O+SF处理最高，其次是深翻处理，但均未超标。可见，深翻和施有机肥对Pb污染修复效果不明显，钝化剂对Pb有明显钝化效果。
　　2.4 小麦秸秆、根系重金属累积量
　　图2显示，小麥秸秆对Pb、Cd、Zn的累积量均远小于根系。深翻、施有机肥、钝化剂处理使小麦秸秆Cd累积量降低14.6%～51.0%。其中以综合修复措施（O+D+SF）小麦秸秆Cd累积量最小，与对照相比降低了51%;深翻处理也能使小麦秸秆Cd累积量降低26%。小麦根系中Cd累积量以施钝化剂加深翻（D+SF）处理的最低，其次是对照处理，只深翻（SF）处理的根系Cd累积量最高，比对照增加19.8%，与O+SF和O+D+SF处理间无显著差异。
　　与对照相比，各处理小麦秸秆对Pb的累积量均有不同程度的降低，其中综合修复措施（O+D+SF）降低最多，为28.6%。施有机肥处理（O+SF和O+D+SF）小麦秸秆Pb累积量比单独深翻和施钝化剂加深翻的处理要少。根系对Pb的累积量以O+D+SF最大，以O+SF最小。
　　只深翻处理的小麦秸秆中Zn累积量比对照高22.8%，而施有机肥、钝化剂加深翻以及综合修复措施与对照无显著差异。各处理小麦根系Zn的累积量显著高于对照，其中以综合修复措施小麦根系中的Zn累积量最高，比对照高54.3%。
　　可见，不同种类重金属对修复措施的响应不同，综合修复措施有促进小麦根系吸收富集Pb、Zn的趋势，同时有减少小麦秸秆对Cd的吸收富集的趋势;增施钝化剂有抑制小麦根系对Cd吸收富集的趋势。
　　2.5 土壤肥力的变化
　　与苗期相比，收获期各处理土壤中速效氮、有效磷、速效钾均有不同幅度的降低，仅SF处理的速效钾含量收获期比苗期高。O+D+SF和O+SF处理土壤中有机质的含量收获期高于苗期，其他处理均是苗期高于收获期，且以O+D+SF处理的土壤有机质含量最高。pH值的变化规律均为各处理收获期pH值高于苗期，其中以O+D+SF处理pH值最低。综上所述，O+D+SF综合措施能有效促进土壤中氮、磷、钾养分循环，提高土壤有机质含量，中和土壤酸碱度（表4）。3 讨论与结论
　　针对工矿企业周边的重金属污染农田，施用钝化剂、有机肥及深翻等措施均能够降低土壤中有效态重金属Cd、Zn、Pb的含量，其中以施用有机肥、钝化剂并且深翻的综合修复措施效果最好。大量研究表明施用钝化剂、有机肥能显著降低土壤中重金属的有效态含量[9-12]。供试农田土壤是历史污灌区，重金属Cd、Zn、Pb垂直分布为不同程度的表聚型，其中Cd的表聚型最为明显，这与姜玉玲等[13]的研究相同。深翻措施把表层和深层土壤混合在一起，相当于稀释了表层重金属含量，因此，单深翻措施依然能够较显著地降低土壤中有效态重金属含量。
　　深翻和施用钝化剂的处理对小麦产量无显著影响，与对照间无显著差异，而施用有机肥处理则显著促进小麦增产。有机肥能够改善土壤质量、提高土壤肥力，为小麦生长提供充足养分的同时缓解小麦根系的不利生长环境，从而促进小麦产量增加。
　　小麦各部位Cd富集量大小顺序为根>秸秆>籽粒，与季书勤等的研究结果相同[14]。根据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）规定，小麦中Cd和Pb的含量不应超过0.1、0.2 mg·kg-1;根据《粮食（含谷物，豆类，薯类）及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》（NY 861—2004）规定，小麦中Zn含量应低于50 mg·kg-1。不做任何修复措施的对照处理小麦籽粒Cd含量存在超标现象，修复措施实施后的小麦籽粒Cd、Zn、Pb含量均有不同程度的降低，且均符合国家食品安全限量标准，施钝化剂、深翻、施有机肥三种修复措施均有助于降低小麦籽粒Cd的累积，其中以三种修复措施的综合效果最佳。杨梦丽等[15]的研究结果也表明，原位钝化能使小麦籽粒中Cd的累积量降低7.9%～40%。而修复措施对小麦籽粒中Zn的累积有促进作用，三者的综合措施非但没有降低小麦籽粒Zn的累积量，反而使之增大。小麦籽粒对Pb累积量较少，施用钝化剂进一步降低了小麦籽粒对Pb的吸收。
　　三种综合修复措施下小麦秸秆和根系中Cd的吸收量最小，而综合修复措施显著降低小麦秸秆对Pb的吸收累积，但同时促进小麦根系对Pb、Zn的吸收累积。由此可见，Cd、Zn、Pb三种重金属复合污染土壤中，施用有机肥、钝化剂及深翻等措施对Cd的修复效果最理想，钝化剂对Pb的修复效果较好。而三种修复措施均对Zn没有修复效果。这可能由于钝化剂中的螯合离子易与Cd、Pb结合形成难容的化合物失去活性，而Zn2+比较活泼不易与钝化剂中的阴离子反应。其次深翻破坏了维持已久的土壤耕层原状，原耕层土壤一般在0～15 cm，经多年耕种可能有效态Zn被作物吸收带走或氧化钝化，其含量低于土壤耕层以下（15～40 cm）土层，深翻措施的深度大约在0～35 cm，由此便把上下土层的土壤混合，从而使耕层土壤中Zn的有效含量增加，促进了作物根系和秸秆对其吸收富集。具体原因还需要进一步研究。Zn是人体必需的微量元素，不足或过量摄入都会对人体产生不良影响。本研究结果表明，虽然土壤中Zn的含量较高，但是小麦籽粒中并未超标，因此针对Cd、Pb、Zn复合污染土壤可采用施用有机肥、深翻、添加钝化剂三种措施，且以三种措施的联合作用效果最好，农艺修复措施对重金属污染农田修复中效果显著，值得推广应用。 　　本试验结果表明：
　　（1）深翻、施有机肥和钝化剂，均能降低土壤中Cd、Pb、Zn的有效态含量，以综合措施修复效果最显著。
　　（2）小麦各部位Cd富集量大小顺序为根>秸秆>籽粒，深翻、施有机肥和钝化剂的修复措施综合应用，小麦籽粒中Cd、Pb含量显著降低，没有出现超标现象，有效保障了小麦安全生产。
　　（3）与Cd、Pb相比，农艺修复措施对Zn的修复效果较弱，修复措施有增加小麦籽粒Zn吸收累积的趋势，具体因素需进一步研究。
　　参 考 文 献：
　　[1] Liang X F， Han J， Xu Y M， et al. In situ field-scale remediation of Cd polluted paddy soil using sepiolite and palygorskite [J].Geoderma， 2014， 235/236：9-18.
　　[2] 呂建树，张祖陆，刘洋，等. 日照市土壤重金属来源解析及环境风险评价[J]. 地理学报， 2012， 67（7）：971-984.
　　[3] Alloway B J. Heavy metals in soils [M]. London： Chapman and Hall， 1995.
　　[4] Kabata-Pendias A，Pendias H. Trace elements in soils and plants[M]. 3rd Edition.London： CSC Press，2001.
　　[5] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版社，1999： 156-157.
　　[6] 鲍士旦. 土壤农化分析[M].北京：中国农业科技出版社，2000.
　　[7] 汤浪涛， 周冀衡， 张一扬， 等. 曲靖烟区烤烟铅、铬、汞含量及其与土壤环境因子的相关性 [J]. 烟草科技， 2010（7）：53-57.
　　[8] 纪苗苗， 林波， 吴跃明， 等. 不同水域中水葫芦对铅、镉、铬、汞的富集规律研究 [J]. 草业科学，2010（7）：1-4
　　[9] 戚鑫， 陈晓明， 肖诗琦， 等. 生物炭固定化微生物对U、Cd污染土壤的原位钝化修复 [J]. 农业环境科学学报， 2018， 37（8）：1683-1689
　　[10]何玉亭， 李浩， 谢丽红， 等. 不同改良剂对土壤有效态镉含量及小麦镉吸收的影响 [J]. 四川农业科技，2018（4）：38-40.
　　[11]陈亮妹， 于倩倩， 胡兆云， 等. 小麦品种与生物有机肥联合修复农田镉污染研究 [J]. 麦类作物学报， 2017，37（12）：1627-1633.
　　[12]安梅， 董丽， 张磊， 等. 不同种类生物炭对土壤重金属镉铅形态分布的影响 [J]. 农业环境科学学报， 2018，37（5）：892-898.
　　[13]姜玉玲， 阮心玲， 马建华. 新乡市某电池厂附近污灌农田重金属污染特征与分类管理 [J]. 环境科学学报， 2020，40（2）：645-654.
　　[14]季书勤， 郭瑞， 王汉芳， 等. 河南省主要小麦品种重金属污染评价及镉吸收规律研究[J]. 麦类作物学报，2006，26（6）：154-157.
　　[15]杨梦丽， 崔俊义， 马友华， 等. 原位钝化对轻度镉污染农田小麦修复研究[J]. 麦类作物学报，2019， 39（2）：233-238.
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