土壤调理剂对不同成土母质Cd污染稻田的修复效果

陈 诚，铁柏清（.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 4028；2.湖南省农业资源与环境保护管理站，湖南 长沙 40005）



土壤调理剂对不同成土母质Cd污染稻田的修复效果

陈 诚1，2，铁柏清1
（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省农业资源与环境保护管理站，湖南 长沙 410005）

摘 要：选择不同成土母质发育的典型Cd污染稻田，研究土壤调理剂对土壤Cd形态及水稻Cd吸收的效果，为修复不同成土母质Cd污染稻田土壤提供科学依据。研究结果表明，施用土壤调理剂对水稻产量无显著影响，但能显著降低水稻稻米和植株Cd含量，并显著提高土壤pH值，有效降低土壤有效态Cd含量。施用土壤调理剂主要受其强碱性对土壤的调酸及降低土壤Cd有效性的影响，并受成土母质的调节。

关键词：镉；土壤调理剂；水稻；成土母质；重金属

重金属镉（Cd）是生物毒性极强的环境污染元素之一［1］，我国农田Cd污染土壤不仅面积大，而且污染程度重，20世纪90年代Cd污染农田面积已超过1.0×106hm2，在各类Cd污染农田中有5%～10%的面积严重减产［2-3］。土壤Cd污染还造成稻米品质下降，影响我国农业的可持续发展［4］，并危及到我国粮食质量安全和人身健康，治理任务已刻不容缓。国内外治理Cd污染土壤采用的方法主要有工程治理法、生物改良法和化学改良法3类。工程治理法因耗资巨大不宜大面积作业；生物改良法因涉及大面积耕作改变制度需多方协调，而筛选Cd吸收和转移能力均弱的农作物品种以适应污染土壤，虽前景诱人但该项工作尚处于起步阶段；此外，还可以通过种植超积累植物来修复受污染的土壤和水体［5］，但由于目前报道的超积累植物基本上都存在着生长量小、生长速度慢的限制［6］，使得修复过程极其漫长，生产实际中应用困难。因此，化学改良法在今后一段时期内仍是最为理想的方法。国内外众多学者对施用各种物理化学改良剂降低Cd进入食物链的效果进行了大量的研究，一般认为，在酸性污染土壤上施加石灰、赤泥等碱性物质均能起到降低土壤有效Cd含量及降低作物体内Cd含量的作用［7-9］。但在实际应用过程中，不同成土母质发育的水稻土壤施用土壤调理剂的效果存在较大差异，为探明土壤调理剂在不同成土母质Cd污染土壤上的修复效果，选择长株潭地区典型的第四纪红壤、花岗岩、河流冲积物发育的肥力基本一致的Cd污染稻田，以常规施肥为对照，选择高效Cd污染土壤钝化剂研究其对稻田土壤Cd形态、水稻Cd吸收的影响，为农田Cd污染土壤修复治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤：（1）长沙县北山镇Cd超标土壤：花岗岩发育的水稻土，pH值5.8，土壤全氮含量2.48 g/ kg，碱解氮157 mg/kg，有效磷17.9 mg/kg，速效钾69 mg/kg，有机质含量42 g/kg，土壤总Cd含量0.88 mg/kg，土壤有效Cd含量0.57 mg/kg；

（2）长沙县江背镇Cd超标土壤：第四纪红壤发育的水稻土，pH值5.1，土壤全氮含量2.41 g/kg，碱解氮198 mg/kg，有效磷19.1 mg/kg，速效钾55 mg/kg，有机质含量45.6 g/kg，土壤总Cd含量0.70 mg/kg，土壤有效Cd含量0.41 mg/kg；

（3）攸县大同桥镇Cd超标土壤：河流冲积物发育的酸性潮泥田，pH值4.9，土壤全氮含量3.64 g/kg，碱解氮192 mg/kg，有效磷12.0 mg/kg，速效钾68 mg/ kg，有机质含量40.8 g/kg，土壤总Cd含量0.51 mg/ kg，土壤有效Cd含量0.36 mg/kg。

供试土壤调理剂：宇丰农科生态工程股份有限公司提供的“宇丰”土壤调理剂，主要通过改良土壤酸性和提供活性硅、锌等物质，降低土壤重金属活性、阻控重金属在土壤和水稻植株中迁移，降低水稻对重金属Cd的吸收积累。产品主要技术参数：pH值为12.2，全量CaO为37.2%，全量SiO2为18.4%，有效SiO2为3.1 g/kg，Zn含量为4.5%，有机质为17.0%，水分含量3.9%。产品Cd、As、Cr、Pb、Hg含量分别为0.34、7.3、48.4、22.2、1.7 mg/kg。

供试水稻品种：株两优819。

1.2 试验方法

试验分别在长沙县江背镇、北山镇和攸县大同桥镇3地选择典型的第四纪红壤、花岗岩和河流冲积物发育的Cd污染稻田进行试验，各设2个处理，3次重复，小区面积30 m2，随机排列，田埂用塑料薄膜包至田面20 cm以下，防止串肥串水。

处理1（CK）：对照；

处理2（LR）：“宇丰”土壤调理剂1 500 kg/hm2。

调理剂于插秧前1周均匀撒施并耙匀，使之与土壤充分混匀，按当地习惯进行水肥及病虫害管理。成熟期测定小区产量，并按多点取样法取样测定稻米、茎、叶Cd含量、土壤有效Cd含量及土壤pH值。

1.3 分析方法

土壤有效态Cd含量：称10 g过20目筛土样，加入DTPA-TEA-CaCl2浸提液（土︰水=1︰5）50 mL，震荡2 h后过滤，稀释20倍后用ICP-MS（ICAP Q，thermo fisher scientific）测定溶液Cd含量。

土壤Cd含量：称过100目筛土样0.3 g于消煮管中，采用HNO3-H2O2-HF微波消煮，定容后过滤，用ICP-MS测定溶液Cd浓度。

水稻稻米及植株Cd含量：称样0.3 g于消煮管中，分别加入5 mL HNO3、1 mL H2O2，微波消解，定容后过滤，用ICP-MS测定Cd含量。

为确保数据的可靠性和稳定性，植株Cd含量测定时每5样品做1次平行，每40个样带1个质控样GSB-23（湖南大米）；ICP-MS检测采用铑（Rh）做内标，回收率90%～105%。

数据处理：采用SPSS 17.0及Microsoft Excel 2003进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 施用土壤调理剂对水稻产量的影响

施用土壤调理剂对水稻产量无显著影响，江背、大同桥点产量水平较高，北山点略低。北山、江背、大同桥3个试验点施用土壤调理剂后水稻产量（图1）平均比对照增产3.08%，增产不显著。其中，北山点增加257.79 kg/hm2，增产4.66%；江背点增加244.01 kg/hm2，增产2.83%；北山点增加144.45 kg/hm2，增产1.74%，但增产效果皆不显著。

图1 不同地点施用土壤调理剂的水稻产量

2.2 施用土壤调理剂对水稻Cd含量的影响

北山、江背、大同桥3个试验点施用土壤调理剂皆显著降低了稻米Cd含量（图2），平均比对照降低36.90%（P＜0.05），降低稻米Cd含量的效果为大同桥＞北山＞江背。大同桥、北山和江背点施用土壤调理剂的稻米Cd含量分别比对照降低62.18%（P＜0.05）、29.62%（P＜0.05）和18.90%（P＜0.05），皆达到显著差异水平。

图2 不同地点施用土壤调理剂的稻米Cd含量

北山、江背、大同桥3个试验点施用土壤调理剂的水稻茎秆Cd含量（图3）平均比对照降低25.33% （P＜0.05），降低水稻茎秆Cd含量的效果也为大同桥＞北山＞江背。大同桥、北山、江背点施用土壤调理剂的茎Cd含量分别比对照降低63.26%（P＜0.05）、12.26%和0.48%。

北山、江背、大同桥3个试验点施用土壤调理剂的水稻叶Cd含量（图4）平均比对照降低29.96% （P＜0.05），降低水稻叶Cd含量的效果为大同桥＞江背＞北山。大同桥、北山和江背点施用土壤调理剂的叶Cd含量分别比对照降低48.74%（P＜0.05）、8.72%、32.43%（P＜0.05）。

可见，不同成土母质发育的Cd污染稻田施用土壤调理剂皆可降低水稻对Cd的吸收积累，但在不同地点的钝化效果存在一定差异。从降低水稻Cd吸收上看，施用土壤调理剂对水稻Cd吸收积累的抑制作用效果为大同桥＞北山＞江背，即施用土壤调理剂的钝化效果为河流冲积物发育的酸性潮泥田优于花岗岩发育的水稻土，优于第四纪红壤发育的水稻土。

图3 不同地点施用土壤调理剂的茎杆Cd含量

图4 不同地点施用土壤调理剂的水稻叶Cd含量

2.3 施用土壤调理剂对土壤pH值及有效态Cd含量的影响

施用土壤调理剂后，北山、江背、大同桥3个试验点水稻成熟期的土壤pH值比对照平均提高0.44个单位（P＜0.05）（图5）。其中，大同桥点施用土壤调理剂的土壤pH值比对照高0.96个pH值单位（P＜0.05）；江背、北山点土壤pH值分别比对照高0.20、0.16个单位，但差异不显著。

施用土壤调理剂后，北山、江背、大同桥3个试验点水稻成熟期的土壤有效态Cd含量（图6）比对照平均降低22.47%（P＜0.05）。其中，大同桥、江背、北山点施用土壤调理剂的土壤有效态Cd含量分别比对照降低37.30%（P＜0.05）、19.14%（P＜0.05）和10.98%（P＜0.05）。

图5 不同地点施用钝化剂的土壤pH值

图6 不同地点施用钝化剂的土壤有效Cd含量

可见，施用土壤调理剂可有效提高土壤pH值，并显著降低土壤有效态Cd含量。且在土壤pH值最低的河流冲积物发育的酸性潮泥田（大同桥）调酸效果最好，且土有效态Cd含量降低效果也最高，而在花岗岩发育的水稻土（北山）和第四纪红壤发育的水稻土（江背）上提高土壤pH值和降低土壤有效态Cd含量的效果次之。

2.4 水稻各器官Cd含量与土壤有效Cd含量、pH值间的相关分析

分析各试验点水稻稻米及茎叶Cd含量与土壤有效态Cd含量、土壤pH值之间的相关性表明（表1），稻米Cd含量与土壤有效态Cd含量呈极显著正相关，与土壤pH值呈显著或极显著负相关，茎、叶Cd含量与土壤有效态Cd含量以及土壤pH值的相关性与稻米基本一致，表明土壤pH值越高，土壤有效态Cd含量越低，水稻对Cd的吸收积累越少，稻米Cd含量也越低。但不同地点间存在一定差异，不管是稻米Cd含量与茎叶Cd含量之间，还是水稻稻米及茎叶Cd含量与土壤有效态Cd含量及土壤pH值之间的相关性，皆表现为大同桥＞江背＞北山。这与施用土壤调理剂后提高土壤pH值和降低土壤有效态Cd含量的顺序基本一致。

表1 不同地点水稻各器官Cd含量与土壤有效Cd含量、pH值之间的相关系数

3 讨 论

研究结果表明，施用土壤调理剂主要通过提高土壤pH值、改良土壤酸性、降低土壤有效态Cd含量，从而达到钝化土壤Cd的效果，减少水稻对Cd的吸收积累。大量研究结果也表明，提高污染土壤的pH值可有效降低土壤Cd的生物有效性［10］。因此，针对酸性重金属污染土壤的改良，提高土壤pH值是最为直接有效的途径之一。目前，应用于重金属污染土壤的改良剂，多数具有调节土壤pH值的作用［7，9，10-17］。土壤pH值是影响Cd吸附与解吸，控制其移动性和有效性的重要因子［7］。随土壤pH值升高，土壤对Cd的吸附量和吸收能力急剧上升，最终发生沉淀，在酸性砂土中，pH值每增加0.5个单位，土壤对Cd的吸附就增加一倍［14］；土壤pH值还影响土壤溶液中重金属元素的离子活度，在低pH值时尤其明显，土壤Cd的有效性或植物对Cd的吸收与土壤pH值成反比［10，18，19］；也有研究表明，土壤中Cd离子浓度随pH值上升而下降，但pH值过高又会溶解，离子浓度又会再升高［14-15］，因此，对重金属污染土壤的治理尤其应注意土壤的pH值。石灰和赤泥等强碱性物质调理Cd污染土壤酸性的最常用的物质，在强酸性赤红壤中适当加入石灰可将pH值提高到6.5～7.5［20］，并使土壤交换态和松结有机态Cd的含量降低，促进碳酸盐态、氢氧化物沉淀态Cd的形成，促进其向铁锰氧化物结合态和有机物结合态Cd转变，降低土壤中Cd的有效性，从而抑制作物对Cd的吸收［21-22］。此外，因土壤调理剂还含有大量的Ca、Si、Zn及有机质等，也能在一定程度上对土壤Cd等重金属起到拮抗作用，并在一定程度上抑制水稻对土壤Cd的吸收和水稻植株体内Cd的迁移转运［23-24］。

本研究结果还表明，在不同成土母质发育的Cd污染稻田中，河流冲积物发育的酸性潮泥田施用“宇丰”土壤调理剂对提高土壤pH值和降低土壤有效态Cd含量的效果以及降低水稻Cd吸收积累的效果最好，而在花岗岩发育的水稻土和第四纪红壤发育的水稻土上效果次之，这主要是受土壤调理剂酸性调理效果的影响；而施用“宇丰”土壤调理剂提高第四纪红壤发育的水稻土的土壤pH值和降低土壤有效态Cd含量的效果优于花岗岩发育的水稻土，而降低水稻Cd吸收的效果则为花岗岩发育的水稻土优于第四纪红壤发育的水稻土，这可能是因为第四纪红壤发育的水稻土较花岗岩发育的水稻土缓冲能力更强，在花岗岩发育的水稻土施用土壤调理剂后，其Ca、Si、Zn及有机质能更有效的起到钝化土壤中的重金属的作用，因此，在花岗岩发育的水稻土中施用土壤调理剂增加土壤pH值的效果不如第四纪红壤发育的水稻土，但其中Ca、Si、Zn及有机质的作用能得到更好的发挥，反而导致花岗岩发育的水稻土中施用“宇丰”土壤调理剂降低水稻Cd吸收的效果更明显。可见，不同成土母质发育的Cd污染稻田中施用“宇丰”土壤调理剂，主要受其强碱性对土壤的调酸及降低土壤Cd有效性的作用，并受不同成土母质中Ca、Si、Zn及有机质作用效果的调节。

4 结 论

（1）施用土壤调理剂对水稻产量无显著影响，但能显著降低稻米Cd含量，有效降低水稻茎叶Cd含量。北山、江背、大同桥3试验点的水稻稻米、茎、叶Cd含量分别平均比对照下降36.90%、25.33%、29.96%，皆达到显著差异水平。

（2）施用土壤调理剂主要是提高了土壤的pH值，降低了土壤有效态Cd含量，降低了土壤中Cd的活性，进而减少水稻对Cd的吸收积累；同时，土壤调理剂中Ca、Si、Zn及有机质也对水稻吸收积累Cd具有一定的抑制作用，但受成土母质的影响，不同地点间施用土壤调理剂的降Cd效果存在一定的差异。

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（责任编辑：贺 艺）

中图分类号：S19

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）06-0026-04

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.06.009

收稿日期：2016-03-20

基金项目：湖南省重点研发计划项目“湖南镉超标农田安全利用关键技术研究”（2015NK3015）

作者简介：陈 诚（1983-），男，湖南衡东县人，硕士研究生，主要从事农业环境污染治理管理与技术推广工作。

通讯作者：铁柏清

Remediation Effect of Soil Conditioner to Cd Polluted Paddy Field from Different Soil Parent Materials

CHEN Cheng1， 2，TIE Bo-qing1
（1. College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC；2. Hunan Agricultural Resources and Environment Protection Station， Changsha 410005， PRC）

Abstract:Choosing different soil parent materials of typical Cd polluted paddy soil， researching the soil conditioners’ effect on soil Cd morphology and rice Cd absorption， toprovidea scientifc basis for repairing different soil parent material of Cd polluted paddy. The result showed that the application of soil conditioner had no signifcant effect on rice yield， but it could signifcantly reduce the content of Cd in rice and improve soil pH value， it also reduced the content of Cd in soil effectively. The application of soil conditioner was mainly affected by the strong alkali on soil acid adjustment and reduced the effectiveness of soil Cd， also affected by adjustment of soil parent materials.

Key words:cadmium； soil conditioner； rice； soil parent materials； heavymetal