林智 李伯欣 周自強(qiáng) 張均和 余英德 李丁 章文貴 陳就

摘 要 為研究與篩選珠三角地區(qū)水稻鎘（Cd）污染有效阻控技術(shù)，選用多元硅鎂2號(hào)、森美思鈍化劑、生物炭、葉面阻控劑和硅肥于2017年在珠海開展了不同阻控劑對(duì)晚稻Cd污染修復(fù)大田示范試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：示范試驗(yàn)地塊施加阻控劑對(duì)晚稻具有一定增產(chǎn)效益;除單施葉面阻控劑處理（P）外，其余處理均能提高土壤pH值6.1%～21.3%，僅森美思鈍化劑（X3）和配施硅肥（X1S）處理能夠顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量（P<0.05）;所有施用阻控劑處理相較于空白對(duì)照（CK）均能顯著降低稻谷Cd含量（P<0.05），除CK與多元硅鎂2號(hào)（M）處理外，其他處理稻谷Cd含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值，降低幅度最大為森美思鈍化劑X3處理，生物炭與葉面阻控劑都能顯著降低稻谷Cd含量且二者聯(lián)用具有極顯著交互效應(yīng)（P<0.001）。

關(guān)鍵詞 阻控劑;稻田;鎘污染;示范試驗(yàn)

2016年，國務(wù)院頒發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，要求到2020和2030年，受污染耕地安全利用率分別達(dá)到90%左右和95%以上，中輕度污染農(nóng)田土壤重金屬的修復(fù)與阻控成為近年來農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)。我國人多地少，為了確保糧食安全，仍需安全利用中輕度污染農(nóng)田，并生產(chǎn)出安全的農(nóng)產(chǎn)品[1-2]。在諸多種重金屬中，Cd與其他重金屬不同，其在土壤中具有較高的植物有效性，并且土壤有效態(tài)Cd的濃度在達(dá)到毒害植物濃度之前就可以使可食部分Cd含量超過食用標(biāo)準(zhǔn)而危害人類健康[3]。鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的移動(dòng)性較強(qiáng)，容易在作物可食部位積累，因此，如何阻控作物對(duì)鎘的積累，是中輕度污染農(nóng)田安全利用必須解決的關(guān)鍵問題。

珠三角地區(qū)為我國高度發(fā)達(dá)地區(qū)，是我國最大的制造業(yè)基地，部分區(qū)域土壤重金屬污染威脅尤為突出[4-5]，總體上南方稻田鎘污染相對(duì)嚴(yán)重，70%的稻米存在鎘污染，對(duì)我國部分市售大米的抽樣檢測(cè)結(jié)果顯示，鎘超標(biāo)率達(dá)10%[6]，我國人群Cd平均攝入量在過去30年里增加了一倍[7]。諸多學(xué)者在湖南、廣東、湖北、安徽等地進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與效果示范，探索出了土壤調(diào)理劑、葉面阻控劑、生物炭、石灰等一系列以重金屬鈍化為主的修復(fù)方式，其目標(biāo)是阻斷或減少農(nóng)作物對(duì)Cd的吸收累積，從而控制土壤Cd經(jīng)農(nóng)作物吸收進(jìn)入食物鏈[8-12]。本示范試驗(yàn)使用的阻控劑包括生物炭、森美思鈍化劑、葉面阻控劑、多元硅肥及其組合技術(shù)。其中，生物炭由于具有高pH、高比表面積、豐富的孔隙及表面官能團(tuán)等特性，作為重金屬污染土壤的修復(fù)材料受到環(huán)境修復(fù)界的廣泛關(guān)注[13-15];森美思鈍化劑是一種新型多孔陶瓷納米材料，由高比表面積納米陶瓷制備和分子組裝兩種前沿技術(shù)結(jié)合制備得到，可在吸附固定重金屬的同時(shí)預(yù)防土壤微生物進(jìn)入孔洞重新活化重金屬，保障其生物安全性，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)田間施用森美思鈍化劑可使稻米Cd降低17.1%～44.2%[8];此外，有研究發(fā)現(xiàn)，噴施葉面阻控劑可通過抑制根部Cd的吸收，降低作物體內(nèi)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)而降低其可食部位Cd含量[16-18]。

本示范試驗(yàn)旨在施用不同阻控材料的條件下，監(jiān)測(cè)不同阻控劑對(duì)稻田土壤Cd有效態(tài)含量、稻米Cd含量等的影響，通過大田效果示范試驗(yàn)，篩選出對(duì)當(dāng)?shù)赝寥繡d污染修復(fù)具有良好效果且適宜推廣的重金屬阻控材料，為珠三角地區(qū)稻田Cd污染耕地安全利用提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域與土壤

本示范試驗(yàn)選址在廣東省珠海市斗門區(qū)斗門鎮(zhèn)（22.28°N，113.21°E），區(qū)域隸屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫22.5 ℃，年均降雨量為2 062 mm。供試區(qū)域土壤類型為水稻土，土壤質(zhì)地為粉壤土，土壤Cd全量1.316±0.044 mg·kg-1;經(jīng)調(diào)查檢測(cè)，試驗(yàn)地塊往年稻谷鎘含量均超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762-2017）規(guī)定限量要求（0.2 mg·kg-1）。供試地塊土壤pH 5.07，土壤有機(jī)質(zhì)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，速效鉀含量414 mg·kg-1，CEC為19.9 cmol·kg-1。

1.2 供試材料

示范試驗(yàn)材料包括葉面阻控劑（P）、生物炭（B）、森美思鈍化劑（X1、X3）、多元硅鎂2號(hào)（M）、硅肥（S）等;其中葉面阻控劑（水稻用）主要成分為納米硅，購置于佛山市鐵人環(huán)?？萍加邢薰?，于分蘗期、封行期、破口期、成熟期四個(gè)生育期噴施，每667 m2單次噴施量為1 L;生物炭購于佛山市鐵人環(huán)?？萍加邢薰?，于水稻種植翻耕前一次性施入;森美思鈍化劑購于格豐環(huán)?？萍加邢薰荆饕煞譃槎嗫滋沾刹牧?，于水稻種植翻耕前一次性施入;多元硅鎂為市場購得的一般固體材料，于水稻種植翻耕前一次性施入;硅肥為市場購得的一般水溶性硅肥，種植前與基肥一同施入。供試晚稻品種為本地常規(guī)品種美占香。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本示范試驗(yàn)區(qū)域共設(shè)置8個(gè)處理效果示范區(qū)，分別為：1）空白對(duì)照示范區(qū)（CK）;2）每667 m2施用多元硅鎂2號(hào)100 kg（M）;3）每667 m2施用森美思鈍化劑200 kg +硅肥10 kg（X1S）;4）每667 m2施用森美思鈍化劑300 kg（X3）;5）每667 m2施用森美思鈍化劑500 kg（X1）;6）每667 m2施用生物炭300 kg +葉面阻控劑4 kg（BP）;7）每667 m2施用生物炭300 kg（B）;8）每667 m2施用葉面阻控劑4 kg。

各處理均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)示范區(qū)面積約667 m2（22 m×30 m），總示范面積共計(jì)1.6 hm2，示范小區(qū)之間用塑料薄膜田埂隔開。所有示范小區(qū)均采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水肥管理，確保條件統(tǒng)一。示范試驗(yàn)為一個(gè)晚稻生長周期，水稻于2017年7月種植，2017年11月收獲。

1.4 樣品采集與分析

示范試驗(yàn)開展前，采集土壤測(cè)定基本理化性質(zhì)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù);土壤、水稻樣品于收獲前1～3 d采集，采用五點(diǎn)法布點(diǎn)采樣，每個(gè)處理田塊四周四個(gè)點(diǎn)和中間點(diǎn)混勻后通過四分法制成一個(gè)綜合樣品。各田塊采集土壤樣品約1 kg，稻谷樣品約500 g，所有樣品均送第三方檢測(cè)單位分析檢測(cè)。本示范試驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)及對(duì)應(yīng)方法如表1所示。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究采用Microsoft Office Excel 2013軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及圖表制作，采用JMP 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同阻控劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

不同示范試驗(yàn)處理田塊水稻產(chǎn)量如圖1所示，各處理每667 m2產(chǎn)量為411.1～436.7 kg。除了生物炭（B）處理外，其他處理示范區(qū)均有一定增產(chǎn)效果，增產(chǎn)率為0.72%～5.33%，其中增產(chǎn)率最高為單獨(dú)森美思鈍化劑處理（X1），增產(chǎn)5.33%;其次為森美思鈍化劑配施硅肥處理（X1S），增產(chǎn)4.17%。上述結(jié)果表明，施用Cd阻控劑一般不會(huì)對(duì)水稻造成減產(chǎn)現(xiàn)象，反之具有一定增產(chǎn)作用。

2.2 不同阻控劑對(duì)土壤pH及有效態(tài)Cd含量的影響

與空白對(duì)照（CK）相比，處理M、X1S、X3、X1、BP、B分別提高土壤pH值14.8%、9.7%、9.1%、6.1%、21.3%、14.0%，說明本示范試驗(yàn)地塊施加土壤Cd阻控劑可以增加土壤pH，對(duì)酸性土壤起到調(diào)理作用;而僅配施葉面阻控劑處理（P）未提高土壤pH，原因是葉面阻控劑為葉面噴施，不會(huì)進(jìn)入土壤對(duì)土壤產(chǎn)生影響（圖2）。

不同處理的土壤有效態(tài)Cd含量如圖2所示，各處理土壤有效態(tài)Cd含量差異較小，總體含量在0.496～0.596 mg·kg-1。與CK處理相比，僅X1S與X3處理土壤有效Cd含量顯著降低（P<0.05），降低率分別為13.8%和16.1%，P處理相較于CK處理土壤有效Cd含量無差異，其他處理有略微降低作用，但差異不顯著。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤pH與土壤有效態(tài)Cd含量間相關(guān)性不顯著（P>0.05），這可能與有效態(tài)Cd的提取方法和土壤本身性質(zhì)有關(guān)。

2.3 稻谷Cd含量

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，空白對(duì)照CK處理稻谷Cd含量為0.321 mg·kg-1，超過國家《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762-2017）規(guī)定的0.2 mg·kg-1標(biāo)準(zhǔn)值。由圖3可以看出，各處理相較于CK處理均能顯著降低稻谷Cd含量，降低率為30.1%～57.9%（P<0.05），表明Cd污染稻田施加阻控劑能夠有效緩解稻谷Cd超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，除M處理外，其他處理稻谷Cd含量均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)限值，示范試驗(yàn)修復(fù)區(qū)域稻谷總體達(dá)標(biāo)率為85.7%;各處理對(duì)稻谷Cd含量的降低率由高到低依次為X3>BP>X1>P>X1S>B>M處理，說明不同阻控技術(shù)對(duì)于稻谷Cd含量的影響有所不同?？傮w而言，森美思鈍化劑與生物炭配施葉面阻控劑技術(shù)修復(fù)效果較好。

不同阻控劑的施用對(duì)試驗(yàn)區(qū)稻谷Cd含量的降低幅度不同，森美思鈍化劑處理系列和生物炭處理系列總體降鎘效率較高，因此對(duì)該兩類阻控劑效果進(jìn)行深度分析。森美思鈍化劑X3、X1以及X1S相較于CK處理分別降低稻谷Cd含量57.9%、47.0%和42.5%（P<0.05），說明單施森美思鈍化劑效果優(yōu)于其配施硅肥處理，森美思鈍化劑X3產(chǎn)品表現(xiàn)最好。

生物炭及其配施葉面阻控劑處理（BP）相比于CK處理稻谷降鎘率高達(dá)55.2%，顯著高于單施生物炭處理（B）和單施葉面阻控劑處理（P<0.05）。如表2雙因子方差分析所示，單獨(dú)施用生物炭或葉面阻控劑對(duì)稻谷Cd降低均具有極顯著效應(yīng)，同時(shí)，生物炭配施葉面阻控劑具有極顯著交互效應(yīng)，表明生物炭與葉面阻控劑對(duì)稻谷Cd的降低具有顯著的相互促進(jìn)作用。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究通過田間示范試驗(yàn)，在Cd污染稻田中施加不同類型的水稻Cd阻控劑，除處理B外，其他阻控劑均不會(huì)對(duì)水稻產(chǎn)量造成減產(chǎn)威脅且具有一定增產(chǎn)作用，增產(chǎn)效果較好的為森美思系列鈍化劑;除葉面阻控劑噴施措施外，土壤直接施入阻控劑能夠有效提高酸性土壤pH值，對(duì)土壤理化性質(zhì)及其有效態(tài)Cd產(chǎn)生一定影響，其中森美思系列鈍化劑顯著降低了土壤有效Cd含量;不同阻控劑的施用均能起到抑制稻谷富集Cd的作用，除施用多元硅鎂肥外，其他處理稻谷Cd含量均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)限值要求，所有施加阻控劑處理稻谷達(dá)標(biāo)率為85.7%，其中森美思鈍化劑X3與生物炭配施葉面阻隔劑兩種措施降Cd效果最優(yōu)。上述結(jié)果表明，施用阻控劑能夠促進(jìn)Cd污染稻田的安全利用，森美思鈍化劑對(duì)珠三角地區(qū)酸性Cd污染土壤修復(fù)具有良好的示范效果。

3.2 討論

本示范試驗(yàn)中不同稻田重金屬Cd阻控劑的施入不會(huì)對(duì)水稻造成減產(chǎn)且具有一定促進(jìn)增產(chǎn)作用，多元硅鎂肥中的鎂和硅大多為水溶性，具有速效性，能夠增強(qiáng)水稻吸收磷、抗病菌以及抗倒伏等作用，對(duì)水稻的產(chǎn)量具有積極影響[19]。森美思系列鈍化劑主要成分為天然黏土礦物，輔以特殊工藝制成，施入土壤后會(huì)釋放一定含量的有效硅和鈣、鎂、鈉等堿或堿土金屬，同時(shí)材料的高比表面積和多孔性質(zhì)能夠提高土壤的透氣性，改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤的pH值，增加微生物活性等[8]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，適量生物炭能顯著改善土壤肥力，提高水稻全生育期的根系活力，同時(shí)富含多種元素，其中不乏一些作物生長所需的營養(yǎng)元素和微量元素，從而提高水稻產(chǎn)量[20-22]。

水稻對(duì)Cd的吸收受諸多因素影響，例如pH值、CEC、有機(jī)質(zhì)以及離子間的作用等[7]。本示范試驗(yàn)中施加Cd阻控劑能夠提高土壤pH值，降低水稻稻谷Cd的積累（圖2，圖3），其原因主要有：1）隨著土壤pH值的升高，土壤氧化物和有機(jī)質(zhì)釋放大量質(zhì)子導(dǎo)致土壤表面的負(fù)電荷增多，促進(jìn)了土壤對(duì)Cd的吸附，同時(shí)土壤溶液中氫氧根離子和多價(jià)陽離子的離子積增大，使生成Cd（OH）2沉淀的機(jī)會(huì)增大，這些沉淀增大了土壤對(duì)Cd2+的吸附力，降低了重金屬Cd的生物有效性[23];2）供試阻控劑中含有大量鈣、鎂、硅等元素，相關(guān)研究表明，鈣、鎂、硅等元素與Cd在進(jìn)入作物的根表細(xì)胞時(shí)存在競爭作用，土壤中大量鈣離子、硅離子會(huì)與鎘離子競爭作物根細(xì)胞膜上的吸收位點(diǎn)，從而導(dǎo)致作物對(duì)Cd的吸收累積量減少[24];3）稻田土壤氧化還原狀況是影響土壤Cd化學(xué)形態(tài)和溶解度的另一個(gè)重要因素[25]，森美思鈍化劑、生物炭等阻控劑均有“保水、增肥、透氣”等性能，可以調(diào)節(jié)土壤的物理、化學(xué)和生物性狀，對(duì)改良土壤結(jié)構(gòu)、改善土壤氧化還原狀態(tài)及修復(fù)污染土壤等有顯著作用;4）土壤中的Cd離子通過根的表皮細(xì)胞空隙以及根皮細(xì)胞膜上的運(yùn)輸?shù)鞍走M(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，水稻地下部分的根系直接接觸土壤，是最容易吸收和積累Cd的器官;莖部連接著地下部分和地上部分，向葉片及以上運(yùn)輸著根部積累的物質(zhì)[26]。噴施葉面阻控劑能阻止Cd的質(zhì)外體運(yùn)輸途徑，減少水稻地上部分Cd的沉積，最終降低稻谷中的Cd含量[27]。

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（責(zé)任編輯：趙中正）