4种土壤调理剂对稻田土壤pH值及有效态Cd含量的影响

刘晓月，张 燕，李 娟，史学峰，刘羽翼，刘登彪

（航天凯天环保科技股份有限公司，湖南 长沙 410000）

4种土壤调理剂对稻田土壤pH值及有效态Cd含量的影响

刘晓月，张 燕，李 娟，史学峰，刘羽翼，刘登彪

（航天凯天环保科技股份有限公司，湖南 长沙 410000）

为了研究不同类型土壤调理剂及不同施用量对土壤pH值、有效态Cd含量的影响，探讨土壤pH值与有效态Cd之间的关系，采用田间正交试验方法，选用4种土壤调理剂，并以150、100 和50 kg/667m2施用量进行正交试验。试验结果表明，与空白对照相比，4种土壤调理剂可提高土壤pH值0.06～1.28个单位，以土壤调理剂1的150 kg/667m2施用量效果最佳；4种土壤调理剂均能降低土壤有效态Cd含量，且随着施用量的增加降低效果越好，4种土壤调理剂降低效果依次为：土壤调理剂1＞土壤调理剂2＞土壤调理剂3＞土壤调理剂4；土壤pH值与有效态Cd之间呈显著负相关关系。

土壤调理剂；Cd污染土壤；pH值；有效态Cd

湖南省作为“有色金属之乡”，过度的金属冶炼及矿山开采导致土壤重金属污染，而土壤重金属复合污染是当今土壤污染存在的主要形式之一。重金属含量超过土壤自我净化能力时，土壤的组成、结构和功能发生改变[1]，农产品产量降低，并通过食物链进入动物及人体内，最终危害人类健康。有调查表明，湖南省主要工矿区稻田土壤Cd含量高于背景值23.00～572.00倍[2]。雷鸣等[3]针对湖南省典型采矿区和冶炼区水稻重金属污染进行9个区域大范围调研，结果发现稻田土壤受到不同程度的重金属污染，其中Cd污染尤为突出，其次是Pb、As等污染。

施用改良剂是针对土壤中重金属镉的阻控效果较好、可操作性强、成本较低的方法，土壤的物理、化学、生物学和矿物学性质都会发生显著的改变[4]，这些变化都将通过改变土壤组分的化学行为而最终影响重金属元素的活化、迁移[5]。土壤中某些物质（锰、氮、铁、硫、碳）的氧化—还原及土壤层间矿物的膨胀—收缩等，导致土壤重金属离子的形态和有效性产生变化[6]；或者改变土壤微生物的类群和对有机质的分解产物，从而改变这些物质对重金属的吸附、络合或沉淀，进而改变重金属离子的形态。朱奇宏等[7]通过研究改良剂单施和与石灰配施对Cd污染酸性水稻土中Cd作物有效性的影响。结果表明，施用改良剂可使0.1 mol/L NaNO3和0.01 mol/L CaCl2提取态Cd降低26%～97%。陈喆、张淼等[8-10]研究改良—农艺综合措施对水稻吸收积累Cd的影响，结果表明，改良剂能降低水稻各部位富集Cd能力，使水稻糙米中Cd含量显著降低。因此，改良剂可改变重金属在土壤中的存在形式，降低土壤中重金属离子的可移动性及生物有效性[11]，从而降低重金属污染物对环境土壤及作物的毒性，达到修复治理污染土壤及降低作物重金属含量的目的。

笔者选用4种土壤调理剂，采用正交试验方法，研究不同施用量及不同类型土壤调理剂对土壤pH值、土壤有效态Cd含量的影响，以期为改良剂对镉污染土壤的治理与水稻安全生产提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验时间为2016年4～7月，供试土壤采自长沙县福临镇受重金属污染的0～20 cm耕作层土壤，土壤类型为稻田土，土壤pH值为5.92，Cd的总量为0.61 mg/kg，有效态Cd含量为0.336 mg/kg，土壤中Cd的含量超过国家土壤环境质量的二级标准，为Cd污染土壤。

1.2 供试材料

土壤调理剂1：SoilC-FE土壤调理剂是改性的铁基材料，专用于重金属污染的农田（尤其是水田）的修复。

土壤调理剂2：SoilC-CO土壤调理剂由多种天然矿物质组成，对镉吸附、稳定化的同时可释放氮、磷、钾等植物营养元素，具有一定增产和抗病虫害的作用。

土壤调理剂3：SoilC-LJ1 土壤调理剂是由生石灰、磷酸盐、复合肥等多种物质复配合成，含有氨基、羟基等极性基团，有效阻止植物根系对重金属的吸附。

土壤调理剂4：SoilC-LJ土壤调理剂是利用赤泥复合材料和农业固废制成，在修复重金属污染土壤的同时，实现了资源综合利用。

1.3 试验设计

采用田间小区正交试验，研究不同土壤调理剂及不同施用量对土壤有效态Cd的影响，设置12组处理，1组对照，每组重复3次，小区面积30 m2。施用量按150、100和50 kg/667m2施用，具体操作为CK：不施加任何土壤调理剂，常规水分管理模式，水稻种植前5 d施加基肥；土壤调理剂1：水稻种植7 d前按不同施加量撒施土壤调理剂1，其他措施同CK；土壤调理剂2：水稻种植7 d前按不同施加量撒施土壤调理剂2，其他措施同CK；土壤调理剂3：水稻种植7 d前按不同施加量撒施土壤调理剂3，其他措施同CK；土壤调理剂4：水稻种植7 d前按不同施加量撒施土壤调理剂4，其他措施同CK。水稻收割后，根据5点采样法采集土壤样品，采集的土壤经自然风干过孔径为100目的尼龙筛，经前处理后，测定土壤pH值及有效态Cd含量。

1.4 分析测定

pH测定采用电位法[12]，水土比1∶2.5，每个样品测定3次。有效态Cd含量采用0.1 mol/L CaCl2溶液提取[13]，火焰原子分光光度法测定有效态Cd含量。

1.5 数据处理

数据图表处理采用Microsoft Excel 2016与多重差异显著性分析运用SPSS 20.0进行。

2 结 果

2.1 4种土壤调理剂对土壤pH值的影响

土壤pH值是影响Cd2+在土壤中迁动转移的重要因素之一[14]。表1为4种土壤调理剂施用土壤pH值的变化情况。由表1可知，与空白对照相比，施用土壤调理剂可提高土壤pH值0.06～1.28个单位；不同类型土壤调理剂之间存在显著差异，土壤调理剂1效果最佳，4种土壤调理剂效果依次为：土壤调理剂1＞土壤调理剂2＞土壤调理剂3＞土壤调理剂4；不同施用量对土壤pH值的影响也不同，当施用量为150 kg/667m2时土壤pH值提高0.80～1.28个单位，当施用量为100 kg/667m2时土壤pH值提高0.36～0.76，当施用量为50 kg/667m2时土壤pH值提高0.06～0.33，随着施用量的增加，土壤pH值增加效果越强；施用150 kg/667m2土壤调理剂4时土壤pH值增加量与施用100 kg/667m2土壤调理剂1时土壤pH值增加量相当，施用100 kg/667m2土壤调理剂4时土壤pH值增加量与施用50 kg/667m2土壤调理剂1时土壤pH值增加量相当。

表1 不同处理下土壤pH值得变化情况

2.2 4种土壤调理剂对土壤有效态Cd含量的影响

虽然土壤中的重金属含量是评价该土壤污染水平的关键因素，但尚不能准确反映土壤中该元素的有效性，因此分析土壤中重金属的有效性很有必要[15]。表2、3为4种土壤调理剂对土壤有效态Cd含量的影响。与空白对照相比，4种土壤调理剂均能显著降低土壤有效态Cd含量，降低率为9.62%～58.65%；除土壤调理剂1与2降低效果不显著外，其他不同类型土壤调理剂降低效果存在显著差异（表2所示），降低效果依次为：土壤调理剂1＞土壤调理剂2＞土壤调理剂3＞土壤调理剂4。土壤调理剂1有效态Cd含量降低率为32.37%～58.65%，土壤调理剂2有效态Cd含量降低率为28.37%～51.92%，土壤调理剂3有效态Cd含量降低率为23.91%～48.08%，土壤调理剂4有效态Cd含量降低率为9.62%～44.23%；随着土壤调理剂施用量的增加，土壤有效态Cd降低效果越好，且施用量间呈显著差异（表3所示）；施用150 kg/667m2土壤调理剂4时土壤有效态Cd含量降低量与施用100 kg/667m2土壤调理剂1时土壤有效态Cd含量降低量相当，施用100 kg/667m2土壤调理剂4时土壤有效态Cd含量降低量与施用50 kg/667m2土壤调理剂1时土壤有效态Cd含量降低量相当。

表2 不同土壤调理剂处理下土壤有效态Cd含量变化

表3 不同施用量处理下土壤有效态Cd含量变化

2.3 土壤pH值与有效态Cd之间相关关系

有研究表明[16]，土壤pH值对土壤中Cd的生物有效性有显著的影响，土壤pH的升高会降低镉的有效性。为了研究土壤pH值动态变化对镉形态的影响，对pH值及有效态Cd作了相关关系分析（图1 ）。由图1 可知，土壤pH值与有效态Cd之间呈显著负相关关系，R=-0.94，P=0.00＜0.05。这可能是由于pH值的升高，土壤中SO42-转化为S2-，从而使土壤中有效态Cd形成CdS沉淀有关。

图1 土壤pH值与有效态镉含量之间关系

3 讨 论

3.1 4种土壤改良剂改良土壤可行性

试验选取的4种土壤调理剂均容易获得，且成本不高，可在重金属污染田间土壤修复中实际运用。4种土壤调理剂均能提高土壤pH值，降低土壤Cd活性，且随着施用量的增加，效果越显著，施用150 kg/667m2土壤调理剂4时土壤有效态Cd含量降低量与施用100 kg/667m2土壤调理剂1时土壤有效态Cd含量降低量相当，施用100 kg/667m2土壤调理剂4时土壤有效态Cd含量降低量与施用50 kg/667m2土壤调理剂1时土壤有效态Cd含量降低量相当。土壤调理剂2本身由多种矿物质成分组成，大量添加对土壤不会产生影响，土壤调理剂1、3、4中含有石灰、磷酸盐等能改变土壤理化性质和肥性，因此需根据实际情况进行添加。

3.2 4种土壤调理剂治理Cd污染土壤机理

土壤调理剂1为SoilC-FE土壤调理剂，是改性的铁基材料，可以降低土壤中重金属的活性，减少植物对重金属的吸收。土壤调理剂2为SoilC-CO土壤调理剂，由多种天然矿物质组成，并添加将矿物质与土壤相互激活的有机活性成分，改善土壤pH，对镉吸附、稳定化的同时可释放氮、磷、钾等植物营养元素。土壤调理剂3为SoilC-LJ1 土壤调理剂，是由生石灰、磷酸盐、复合肥等多种物质复配合成，含有氨基、羟基等极性基团，具有吸附、离子交换、螯合和pH调节的作用。土壤调理剂4为SoilC-LJ土壤调理剂，是利用赤泥复合材料和农业固废制成，调节pH的同时可与重金属形成不易被植物吸收的铁铝氧化物结合态，降低重金属活性。4种土壤调理剂的施加均能提高土壤pH值，土壤pH值提高0.06～1.28个单位，4种土壤调理剂效果依次为：土壤调理剂1＞土壤调理剂2＞土壤调理剂3＞土壤调理剂4，土壤在淹水的水分管理模式下，土壤调理剂中含有的羟基、羧基等含氧基团数量发生变化，与土壤中重金属络合形成Cd（OH）2沉淀[17]；铁基改性材料[18]不仅具有天然矿物材料[19]及赤泥复合材料[20]比表面积大等特性，也具有石灰—磷酸盐等复合材料的碱性作用[21]，因此能高效的提高土壤pH值。土壤中羟基、羧基等基团的增加，重金属形成氢氧化物沉淀，有机质、铁锰氧化物作为土壤吸附重金属的重要载体，使得形成的络合物、螯合物难被解吸[22-23]，土壤中有效态含量降低，土壤中SO42-转化为S2-形成CdS沉淀[24]。4种调理剂的施加，显著降低土壤有效态Cd含量，降低率为9.62%～58.65%，土壤调理剂1降低效果最佳。试验为改良剂对镉污染土壤的治理与水稻安全生产提供理论依据和数据支持。

4 结 论

（1）针对南方酸性镉污染土壤，施加4种土壤调理剂均能提高土壤pH值，降低有效态Cd含量，降低Cd的生物有效性。

（2）4种土壤调理剂随着施用量的增加土壤中有效态Cd含量降低越显著，实际应用中需考虑到土壤的污染状况和实际成本，应合理选择利用土壤调理剂的种类及施用量。

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Effects of Four Kinds of Soil Conditioner on Soil pH and Available Cd Content in Paddy Soil

LIU Xiao-yue，ZHANG Yan，LI Juan，SHI Xue-feng，LIU Yu-yi，LIU Deng-biao
（Aerospace Kaitian Environment Technology Co.,Ltd, Changsha 410000, PRC）

In order to study the effect of different soil conditioner and different application amount on soil pH and available Cd content,the relationship between soil pH and available Cd was discussed. In this paper, four kinds of soil conditioner were selected by field orthogonal test. And orthogonal test was conducted at 2 250 kg/hm2, 1500 kg/hm2, 750 kg/hm2application rate. The results showed that compared with the blank control, the four soil conditioner could improve the soil pH value by 0.06-1.28 units, and the soil conditioner 1 had the best effect of 2 250 kg/hm2application rate. The four soil conditioner could reduce soil available Cd content, and with the increase of the application rate, the decreasing effect become well. The decreasing effect is in sequence of soil conditioner 1＞ soil conditioner 2＞ soil conditioner 3＞ soil conditioner 4. In addition, there was a significant negative correlation between the soil pH value and the effective Cd.

soil conditioner; Cd contaminated soil; pH; available Cd

X53

A

1006-060X（2017）10-0028-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.010.009

2017-08-03

农业部财政部专项（20160418）

刘晓月（1983-），女，新疆维吾尔自治区哈密市人，硕士研究生，从事重金属污染农田修复研究。

张 燕

（责任编辑：肖彦资）