重金属污染耕地农业安全利用研究进展与展望

黄道友，朱奇宏，朱捍华，许超，刘守龙

（中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125）

日益加剧的土壤重金属污染问题是目前严重制约我国农业可持续稳健发展的重要因子。根据2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》，我国约有2 000万hm2耕地受到了不同程度的重金属污染，其中重度、中度污染面积近333.3万hm2，且大多分布在经济发达地区和鱼米之乡，其主要污染物为镉、砷、铅等元素[1]。如何实现重金属污染耕地的农业安全利用，确保其农用地性质，不仅关系到我国的粮食安全和农产品质量安全，而且也关系到“两型社会”建设和绿色发展，对维护社会稳定、改善生态环境、提升农产品竞争力等均有重要意义，已引起了党和国家的高度重视。湖南是“有色金属之乡”，有色金属行业在为国民经济发展做出巨大贡献的同时，也带来了环境污染和农产品重金属污染，是我国耕地和农产品重金属污染问题最为突出和典型的区域之一[2-3]。同时，该省又是农业大省和我国粮、油、果、茶、菜等大宗农产品的重要生产基地，其农业生产特别是水稻生产在确保我国粮食安全中占有举足轻重的地位。围绕该省耕地重金属污染问题，开展基于农艺调控与生物削减有机结合、源头防控与过程阻截相互配套等的技术攻关与示范，不仅可保障其重金属污染耕地的农业安全利用，也可为全国同类污染地区的耕地治理修复提供技术支撑与示范样板。

从20世纪80年代末期开始，中国科学院亚热带农业生态研究所（以下简称研究所）与省内外科研机构和相关管理部门紧密合作，一直致力于湖南省重金属污染土壤工程治理与生态修复等方面的研究[4]，特别是自2006年3月暴发了“株洲马家河人体镉污染事件”以来，研究所将该领域的研究重点聚焦到了以镉为代表的重金属污染耕地农业安全利用上，先后承担了国家自然科学基金委员会、科学技术部、农业农村部、生态环境部、中国科学院和湖南省等在该领域立项的课（专）题30多个，按照“摸清家底、因地制宜、分区治理、科学施策”的总体研究思路和“边生产、边治理、边修复”的基本技术路径，系统地开展了重金属污染动态长期定位监测与典型重金属污染地区详查、重金属低积累型与强耐性的农作物主栽品种筛选、削减农作物重金属积累的农艺调控、阻控农作物重金属吸收的原位钝化，以及替代种植作物的耐受性及其修复潜力等研究，初步探明了湖南耕地环境和其主要农产品重金属污染的现状、成因与发展趋势，筛选出了一批适于不同污染程度耕地种植的农作物主栽品种供应急性应用，明确了肥水管理、叶面阻控、秸秆离田等农艺调控措施削减农作物重金属积累，和施用炉渣、生石灰、海泡石、农作废弃物生物质炭、腐植酸矿粉等单一物料及其复配制剂钝化土壤重金属等的效果，阐明了以苎麻为代表的麻类作物对镉等重金属的耐受性及其修复潜力与机理，确立了南方稻田土壤有效态镉及镉污染稻田钝化效果评价的提取方法，构建了一套较完整的以“轻度污染农艺调控－中度污染钝化降活－重度污染断链改制”为核心的重金属污染耕地农业安全利用综合技术与多种实用模式，并在典型污染地区建成了1个“重金属污染耕地农业安全利用技术研究开放平台”和6处新技术新产品中试基地，形成的《镉铅污染农田原位钝化修复与安全生产技术体系创建及应用》、《重金属超标土壤的农业安全利用关键技术研究与应用》和《稻米镉污染控制技术研究与应用》等代表性成果，分获湖南省技术发明一等奖和科技进步二等奖，产生了巨大的社会反响。

1 重金属污染动态监测与典型污染地区详查

从2006年起，研究所与湖南省农业资源与环境保护管理站（以下简称省农环站）密切合作，全面展开了重金属污染动态监测与典型重金属污染地区详查工作，以期探明全省重金属污染的现状、成因与发展趋势，实现“摸清家底”的战略目标。

重金属污染动态定位监测，是将省农环站分布在全省14个市州、35个县（市、区）的60个农业环境质量长期定位监测点（以下简称监测点），划分为城郊农区、工矿农区、一般农区3个生态经济类型区，常年监测其土壤、农产品、主要灌溉水源等的重金属（包括镉、铅、汞、砷、铬、镍、铜、锌8种元素）变化动态。其中：城郊农区布设在长沙、株洲、湘潭、邵东、宁乡、醴陵、开福、天元、岳塘、蒸湘、雁峰、双清、冷水滩等13个县（市、区），共21个监测点；工矿农区布设在嘉禾、花垣、平江、安化、常宁、涟源、冷水江、苏仙、云溪等9个县（市、区），共15个监测点；一般农区布设在岳阳、华容、桃江、临澧、桃源、安乡、慈利、泸溪、武冈、湘乡、中方、赫山、资阳等13个县（市、区），共24个监测点。

典型重金属污染地区详查，重点是对株洲马家河镉污染区（区域面积233.3 hm2）、安化烟溪镉污染区（333.3 hm2）、苏仙栖凤渡镉铅复合污染区（233.3 hm2）、嘉禾陶家河镉砷复合污染区（898.8 hm2）、双峰梓门桥镉铅砷复合污染区（426.7 hm2）等5个均曾发生过重金属污染事件的典型地区，按每3.33 hm2采集1个土壤样品及其对应的农产品样品，重点分析镉、铅、砷3种元素，并根据不同地区的污染源特点，增加铬、镍、汞、铜、锌等元素的分析。

1.1 污染概况

对照国家《土壤环境质量标准》[5]，分析60个监测点土壤的重金属污染状况。2006年城郊农区、工矿农区、一般农区的8种重金属污染元素中至少有1种元素超标的土壤样本超标率分别为33.33%、73.33%和25.00%，“三区”土壤样本总的超标率为40.00%；到2015年，则分别增加到了66.67%、86.67%、45.83%和63.33%；三大生态经济类型区土壤样本中至少有两种（及以上）元素的超标率，2006年分别为14.29%（城郊农区）、53.33%（工矿农区）和12.50%（一般农区），其总超标率为23.33%，到2015年则依次增到了38.10%、80.00%、20.83%和41.67%。应用单项污染指数和综合污染指数对各点监测结果进行分析与评价，发现三大生态经济类型区的土壤污染程度均有所增加（2015年比2006年基本提升了1个级别）。监测结果还表明，全省耕地重金属污染呈现出“一线（京广铁路沿线）两片（湘南片和湘西北片）”的区域分布特征，且以镉污染为主，其余依次是砷、铬、铅、汞、镍、铜、锌污染。其中：工矿农区以2种（及以上）元素的复合污染为主，占比超过80%；城郊农区虽然也以2种（及以上）元素的复合污染为主，但其占比仅55%左右，一般农区以单一元素（主要是镉）污染为主，占比在75%以上。在复合污染的元素组合中，主要有镉砷、镉铅、镉砷铅、镉镍铬等类型。5个典型污染区的土壤详查结果表明，如果从其土壤肥力而言，均在湖南土壤肥力分等定级标准的Ⅱ等二级以上[6]，属较肥沃的土壤；但详查区域内代表性重金属污染元素的单项污染指数，均达到了中度或者重度污染水平，其中，复合污染区的综合污染指数达到了轻度或者中度污染水平。

对照国家《农田灌溉水质标准》[7]，分析60个监测点主要灌溉水源的重金属污染状况。结果发现，城郊农区灌溉水源中的重金属总体超标情况呈现出减弱趋势，由最高年份（2007年）的35.33%降到了2015年的17.66%，其主要超标物为镉，部分监测点有总汞或总砷的超标；工矿农区则总体呈上升趋势，其超标率由2006年的33.33%上升至2015年的55.66%，其主要超标物为镉、铅和总砷，部分监测点出现铬（Ⅵ）、锌和总汞等的超标；一般农区的主要超标物是镉或总砷，其超标率由2006年的17.11%上升至2015年的24.33%，总体亦呈上升趋势。应用单项污染指数对三大生态经济类型区的灌溉水中代表性重金属污染元素进行分析与评价，发现除工矿农区的灌溉水质受到轻微或轻度污染外，城郊农区的处于尚清洁状态，一般农区则处于清洁状态。5个典型污染区的灌溉水源详查结果表明，灌溉水中代表性重金属污染元素的单项污染指数，均达到了轻微或轻度污染水平，其中，复合污染区的综合污染指数达到了轻微污染水平。

对照国家《食品中污染物限量》标准[8]，分析60个监测点主要农产品的重金属污染状况。结果发现，各监测点水稻、蔬菜等农产品重金属的超标现象愈来愈重。城郊农区和工矿农区的超标元素主要是镉、铅和砷，部分监测点出现汞、铬等超标现象；一般农区主要是镉超标，少部分监测点出现砷、铅、汞的超标。以镉为例，城郊农区稻米镉超标率由2006年的50.00%上升到了2015年的87.50%、蔬菜镉超标率由42.86%上升到了80.95%，稻米和蔬菜总的超标率由2006年的45.95%上升到了2015年的83.78%；工矿农区稻米镉超标率由2006年的83.33%上升到了2015年的100.00%、蔬菜镉超标率由80.00%上升到了100.00%，稻米和蔬菜总的超标率由2006年的80.95%上升到了2015年的100.00%；一般农区稻米镉超标率由2006年的33.33%上升到了2015年的54.17%、蔬菜镉超标率由25.00%上升到了58.33%，稻米和蔬菜总的超标率由2006年的29.17%上升到了2015年的56.25%；“三区”主要农产品总的超标率由2006年的45.28%上升到了2015年的74.53%。监测结果还表明，三大生态经济类型区水稻、蔬菜等农产品的镉污染程度均增加了1～2个级别：城郊农区由2006年的轻微污染或轻度污染提高到了2015年的轻度或者中度污染水平，工矿农区的由轻度污染或中度污染提高到了重度污染水平，一般农区的由尚清洁或轻微污染提高到了轻微或轻度污染水平。5个典型污染区的农产品详查结果表明，稻米、蔬菜、水果等主要农产品的代表性重金属污染元素的单项污染指数，均达到了重度或中度污染水平，其中，复合污染区的综合污染指数达到了中度或轻度污染水平，已不再适宜食用。

1.2 成因分析

研究表明，湖南重金属污染的成因除了点源污染与面源污染重叠、土壤背景值偏高、大气沉降污染、长期污灌、工矿废渣或污泥直接农用等因素外[2]，还与长期施用有机肥和秸秆还田、土壤酸化、酸雨等密切相关。

Rao等[9]通过长期（30年）施肥定位试验研究了不施肥（CK）、常规施肥（NPK）、高氮化肥+常规磷钾化肥（HN）、常规施肥+秸秆还田（ST）、低量有机肥（LM）、高量有机肥（HM）等6个处理镉的积累、分布及其活性等。发现长期施用有机肥会导致土壤镉的积累，LM处理表层土壤（0～10 cm）的全镉量较CK增加了36.2%（P＜0.05）、HM处理的则增加了81.2%（P＜0.01），两个处理土壤有效态镉（CdDTPA）含量较CK分别增加了17.3%（P＜0.05）和87.8%（P＜0.01），且HM处理在较深土壤层中的累积明显，其活性也大幅增加：10～40 cm土层中的全镉量较CK增加28.3%～225%（P＜0.01）、CdDTPA含量较CK增加116%～158%（P＜0.01）。此外，长期施用有机肥，还明显增加土壤各团聚体（＞2.0，1.0～2.0，0.5～1.0，0.25～0.5，0.053～0.25，＜0.053 mm）内镉的活性（P＜0.05）。ST处理土壤中的镉积累、分布及其活性的演变趋势，与LM处理的相似。

利用省农环站提供的2011—2013年全省耕地重金属污染初查资料（土壤及其对应的晚稻共39 642对样品，采样密度为每10 hm2采集1对土壤与稻谷样品）和相关历史资料，分析湖南过去30年来的土壤酸化状况、量化镉对水稻的有效性及其与土壤酸碱度（pH）的关系[10]。对测定出的土壤pH值、全镉、有效态镉（CdDTPA）和稻米镉等数据，以土壤pH值0.1为间隔单元来分析全部数据。结果表明，从20世纪80年代初期起至2014年间，稻田土壤pH的平均值由6.2降至5.3，年均下降0.031（P＜0.01），主要分布区间亦由5.2～6.8（占比85.9%）下降到4.4～6.0（87.1%），且＜6.0的占比由50.8%上升到了89.0%，土壤酸化严重。分析结果还发现，稻米镉富集系数、有效态镉占全镉比值均与土壤pH值呈分段线性关系。土壤pH值在4.0～5.5之间时，稻米镉富集系数对数值（log(Cdrice/Cdtot)）基本维持在-0.062左右；土壤pH值在6.9～7.3之间时，log(Cdrice/Cdtot) 则基本维持在-1.310左右；而当土壤pH值为 5.5～6.9与 7.3～8.2时，log(Cdrice/Cdtot)呈显著线性下降态势（P＜0.01）。土壤中有效态镉占全镉比值对数值log(CdDTPA/CdT)的变化，基本与log(Cdrice/Cdtot)的变化相似。表明土壤酸化大幅增加了水稻积累镉的风险。

大量调查研究结果表明，轻度污染稻作区内稻草中的镉含量为0.42～3.14 mg/kg，其均值为(1.18±0.56) mg/kg；中、重度污染稻作区的为1.05～10.2 mg/kg，其均值为 (6.24±2.12) mg/kg。Rao 等[9]研究结果已表明，长期实施秸秆还田措施会增加土壤镉积累的风险。此外，通过盆栽模拟试验，重点研究了被镉污染的稻草还田后对清洁土壤（pH=4.72）和被镉污染的土壤（pH=7.90）有效态镉（CdDTPA）含量及镉形态分布的影响[11-12]。结果表明：清洁土壤添加被污染的稻草后，CdDTPA含量可增加23.5%～225.0%（P＜0.01）；其土壤的酸提取态和可还原态镉所占比例明显提高（P＜0.05），而残渣态和可氧化态镉所占比例则相对降低，其效果随着被污染稻草的用量增加而增强（P＜0.05）；镉污染土壤添加被污染的稻草后，CdDTPA含量显著增加（P＜0.01），且酸提取态和还原态镉所占的比例明显提高（P＜0.05），其效果亦随被污染稻草的用量增加而显著增强（P＜0.01）。这表明被污染稻草中的镉在还田后具有较高的活性，被镉污染的稻草进入清洁土壤后（易地还田）会带来镉污染的扩散风险、进入被镉污染的土壤后（就地还田）会大幅增加镉污染的风险。

湖南酸雨现象普遍，大中城市（甚至部分城镇）和工矿区几乎“逢雨必酸”[3]。通过酸雨（pH值为3.5～6.5）环境模拟实验，研究了第四纪红色粘土母质发育的水稻土中镉、铅等重金属的淋溶状况[13]。发现酸雨酸强度增大，可明显增强土壤镉、铅等重金属的淋溶风险及其活性（P＜0.05），且铅比镉更为敏感。表明湖南“逢雨必酸”的生态环境，加重了镉、铅等重金属污染的危害。

1.3 发展趋势与治理战略

根据60个监测点的长期定位监测结果，湖南省耕地及其主要农产品重金属污染的总体发展趋势是污染程度不断加重，污染面积不断扩大，污染区域由城郊农区、工矿农区向一般农区快速推进。因此，应按照国务院2016年5月发布的《土壤污染防治行动计划》和2018年8月颁布的《中华人民共和国土壤污染防治法》等有关精神和规定，将治理修复的战略重点放在城郊农区与工矿农区，同时要进一步加强一般农区的保护与预防。

2 低积累型与强耐性农作物主栽品种筛选

以镉为主攻靶向，通过盆栽试验、田间微区试验和大田中试等手段，从农作物对重金属的低积累和强耐性两个方面，筛选并确定一批适于湖南不同污染类型和污染程度耕地种植的农作物及其主栽品种，研发与之相配套的高产高效栽培技术供应急性推广应用，为重金属污染地区的耕地实现农业安全利用提供最基本、最可靠的源头控制技术保障。

目前，已累计对近400多个粮食、油料、蔬菜等农作物主栽品种（其中水稻品种110个）进行盆栽初选、150多个主栽品种进行田间微区复选、近100个主栽品种进行大田中试，以低于国家《食品中污染物限量》标准值的1.5倍为评判依据，确定重金属低积累型的农作物及其主栽品种。与此同时，对近100个麻类作物、能源植物、桑树等品种直接进行田间微区筛选，以产品中镉、铅等重金属含量不超过国家（际）相关标准、产量（值）不低于一般农区的90%为评判依据，确定强耐重金属污染的农作物及主栽品种。

2.1 适于中轻度污染耕地种植的低积累型农作物及其品种

水稻：主要有湘早籼42号、湘早籼45号、中嘉早17、株两优189、株两优813、湘早优143等早稻品种，湘晚籼12号、湘晚籼17号、中优9918、C两优87、两优336、C两优266、C两优7号、金优284等晚稻品种，Y两优19、德香4103、C两优7号、C两优386、C两优651等中稻品种。

玉米：主要有中科10号、登海669、登海605、渝单8号、豫丰玉88、湘康玉2号、康农668、新中玉801等品种。

薯类：主要有湘薯10、13、15、17号，红薯431、湘红2号、京薯6号等甘薯品种，以及中薯2号、费乌瑞它（Favorita）、东农303等马铃薯品种。

油菜：中双10号、核杂6号、蜀油168、德新油59、常油杂83等品种。

大豆：湘春豆26、湘春豆21、湘春豆13、湘春豆22、桂油2008-6、天隆一号等品种。

蔬菜：主要有LJ-87、中椒4号、湘研3号、湘研9号、湘研15号等辣椒品种，德日2号、武杂3号、春不老和浙大长等白萝卜品种，佳粉15号、毛粉802号等西红柿品种，湘早茄6号、湘早茄9号等早熟系列茄子，以及泰国黄叶苋菜、四月慢小白菜和夏优1号、鲁白早熟系列大白菜等。

2.2 适于重度污染耕地种植的强耐性农作物及其品种

苎麻：主要有富顺青麻、湘苎3号、中苎1号、湘苎2号、华苎3号、华苎4号、华苎5号、川苎5号、川苎7号、川苎8号、赣苎4号等品种[14]。

红麻：主要有中红麻13号、中红麻12号、中红麻11号、中杂红305、ZH-01、浙红3号、福红13号、闽红298、闽红964红麻等品种[15]。

黄麻：主要有湘黄麻3号、中引黄麻2号、黄麻179、福黄麻3号、闽黄1号黄麻等品种[16]。

亚麻：主要有黑亚18号、黑亚14号、黑亚10号、吉亚3号和云亚1号等品种[17]。

桑树：主要有湘桑6号、蚕专4号、吴花×浒星、华秋×明昭等品种。

能源植物：主要是美国“阿尔托”生物质能源高粱系列品种，包括阿尔托1、2、4、5、6号，和阿尔托601等品种。

3 削减重金属积累农艺调控措施与机理研究

为不影响污染地区农业生产与农民收益，“边生产、边治理”是实现区域性大面积轻（中）度重金属污染耕地农业安全利用的基本技术路径。因此，围绕田间肥水科学管理、叶面喷施阻控、农作物秸秆离田等问题开展相关研究，以期构建轻（中）度污染耕地农业安全利用的农艺综合调控技术。

3.1 肥水管理

通过盆栽模拟实验，研究了颗粒状尿素（PU，施用量为0.2 gN/kg）、聚合物包膜尿素（PCU，0.2 gN/kg）和硫包衣尿素（SCU，0.2 gN/kg）3种氮肥形态对土壤镉的活性以及水稻对镉积累的影响[18]。施用SCU，可降低氯化钙提取态镉和标准毒性浸出法提取态镉（CdTCLP）的含量，其降幅分别为15.4%（P＜0.05）和56.1%（P＜0.01）；施用PCU，亦可降低上述两种提取态镉的含量，但其降幅没有SCU的明显。镉赋存形态分析结果表明，施用SCU与PCU，可显著降低土壤中的可交换态镉含量（P＜0.01）、明显增加土壤中的铁锰氧化物结合态镉含量（P＜0.05）。检测稻米镉的含量，施用SCU的处理较PU降低了29.1%（P＜0.01），施用PCU的处理较PU降低了11.7%（P＜0.05）。表明施用SCU、PCU两种形态的氮素化肥，可有效减少镉污染耕地水稻籽粒镉的积累。

根据测土配方施肥和平衡施肥技术原理，通过系统调整复混肥中各养分源的原料及其配比，在确保总养分含量（N—P2O5—K2O≥25%）的前提下，尽可能多地选用钙镁磷肥、铁锰氧化物、高岭土、膨润土、炉渣等具有降低土壤有效态镉、铅含量的物料（使其占比由原来的10%～15%提高到36.5%～50.5%），研发出了水稻、玉米和蔬菜3种降镉铅专用复混肥[19-21]。与常规复混肥相比，研发出的专用复混肥具有可有效降低土壤中镉等重金属的活性和农产品中镉等重金属的含量、提高养分利用率、增加作物产量、防控土壤酸化、保障农产品质量安全等特点，有效解决了施肥技术与降镉铅技术相分离的问题，扩展了肥料功能与效能。其中：水稻降镉铅功能专用复混肥，使稻谷增产7.1%～10.2%（P＜0.10），土壤有效态镉（CdDTPA）和稻米镉分别降低31.9%～58.5% （P＜0.01）和28.7%～51.7% （P＜0.05）、土壤有效态铅（PbDTPA）和稻米铅分别降低 28.7%～48.2%（P＜ 0.05） 和 26.5%～33.8%（P＜0.05），氮素（N）利用率提高1.3～1.7个百分点、磷素（P）利用率提高1.7～2.1个百分点，连续施用3年后土壤pH值提高0.09～0.15，可基本保证轻微或部分轻度污染耕地实现水稻安全生产[19]；玉米降镉铅功能专用复混肥，同等产量条件下可减少 5～20 kgP2O5/hm2和 12～24 kgK2O/hm2的 肥 料 用量，CdDTPA和玉米籽粒中镉分别降低48.8%～54.2%（P＜0.01）和44.3%～59.3%（P＜0.01）、PbDTPA和玉米籽粒中铅分别降低38.1%～44.7%（P＜0.05）和 43.4%～45.4%（P＜ 0.01），氮的利用率提高2.1～2.4个百分点、磷提高2.0～2.4个百分点，连续施用3年后土壤pH值提高0.11～0.23，可基本保证轻度污染耕地实现玉米安全生产[20]；蔬菜降镉铅功能专用复混肥，同等产量条件下可减少5%～10%P2O5、3%～8% K2O的肥料用量，CdDTPA和蔬菜（食用部分）镉分别降低41.3%～52.3%（P＜0.01）与 30.1%～54.2%（P＜ 0.01）、PbDTPA和 蔬 菜（ 食用部分）铅分别降低36.0%～58.5%（P＜0.01）与 27.9%～51.0%（P＜ 0.05）， 氮 的 利 用 率 提 高1.1～1.5个百分点、磷提高1.9～2.6个百分点，连续施用3年后土壤pH值提高0.18～0.30，可基本保证轻微或部分轻度污染园地实现蔬菜安全生产[21]。

前期研究结果表明，水稻采用全生育期浅层淹水（水深1～3 cm）技术，可使早稻米镉含量降低16.8%～29.6%、晚稻米镉含量降低14.1%～23.2%（P＜0.05），但该技术不可连续多年应用（可能诱发稻田土壤次生潜育化的风险），也不可用于镉砷复合污染的稻田（可能会导致稻米砷含量的增加）[22]。近3年来，通过田间试验与示范，发现在充分晒田后，再在孕穗中期至收获前8～10 d重新实施浅层淹水措施，轻度污染稻田（＜0.6 mgCd/kg）的CdDTPA含量与稻米镉含量，早稻生产季可分别降低15%和12%、晚稻生产季可分别降低12%和15%，其效果还有待进一步验证。

3.2 叶面阻控

吕光辉等[23]通过田间试验研究了叶面喷施不同浓度锌（1～5 gZnSO4/L）对水稻镉、锌积累的影响。叶面喷施不同浓度的锌，对水稻产量无明显影响（P＞0.05），但水稻各主要器官中的镉含量有所降低、锌含量有所增加，且稻米镉含量下降9.0%～47.8%（P＜0.05）、锌含量提高31.7%～55.6%（P＜0.01），其效果以喷施4～5 gZnSO4/L的最佳；研究结果还表明，水稻从根到第一节的镉转运系数（TF第一节/根）、旗叶到第一节的镉转运系数（TF第一节/旗叶）、穗轴到稻米的镉转运系数（TF稻米/穗轴），分别降低了5.8%～43.7%、1.0%～30.3%和4.7%～26.7%，且稻米镉含量与 TF第一节/根、TF稻米/穗轴、根部镉含量间呈极显著正相关（P＜0.01）。叶面喷施锌能有效降低稻米镉含量，应是喷施锌后抑制了根部对镉的吸收、降低了根和旗叶向水稻第一节以及穗轴向籽粒的转运所引起，喷施4～5 gZnSO4/L是叶面阻控水稻籽粒积累镉的较适宜用量。

3.3 秸秆离田

研究表明，长期实施秸秆还田尤其是污染秸秆还田将会增加土壤镉等重金属的积累风险[9,11-12]。因此，为探明秸秆离（还）田对土壤镉等重金属的削减效应及转运机理，从2015年初开始，设置了不同季别、数量、方式的稻草离（还）田长期定位监测试验。前3年的研究结果初步表明，稻草离田后，土壤全镉量可年均降低1%左右、稻米镉含量较稻草还田的降低10%以上，但仍有待进一步验证。

3.4 综合调控

沈欣等[24-25]通过盆栽模拟实验和田间试验，研究了种植镉低积累水稻品种（Variety，V）、采用全生育期浅层淹水灌溉（Irrigation，I）和施用生石灰调节土壤酸碱度（pH，P）3种单项农艺措施及其组合配套措施（IP、IV、VP、VIP）在4种典型成土母质（第四纪红土、板页岩、河流冲积物、酸性紫色土）发育的水稻土（红黄泥、黄泥田、河潮泥、酸紫泥）上对水稻镉积累的影响与机理。

研究结果表明：不同农艺措施的处理，对4种典型水稻土的土壤pH值都有不同程度的增加、对其土壤有效态镉（CdNH4OAc）含量均有一定程度的降低。其中：I、V、IV等3个处理对提高土壤pH值和降低CdNH4OAc含量的影响较小（P＞0.05），P、IP、VP、VIP等4个处理能显著提高土壤pH值（P＜0.01）、降低CdNH4OAc含量（P＜0.01）。同时，不同农艺措施处理的土壤pH值与CdNH4OAc含量在4种典型水稻土上均存在着极显著的负相关（P＜0.01），且I、P间存在着显著的交互作用（P＜0.01），说明施用生石灰调节土壤pH值和采用全生育期浅层淹水可有效降低土壤有效态镉的含量。

各单项农艺措施处理，对4种典型水稻土稻米镉含量均有较大幅度地降低，其中：P、V处理与CK（常规种植方式）的差异均达到了极显著水平（P＜0.01）、I处理与CK的差异亦达到了显著水平（P＜0.05），其降镉效果均是P＞V＞I；各组合配套处理中，4种典型水稻土均以VIP处理效果最好，其稻米镉含量较CK下降了52.6%～61.5%（P＜0.01），其余依次是IP＞PV＞IV。对7种农艺调控措施的降镉效果进行总体评价排序，4种典型水稻土均是VIP＞IP＞PV＞P＞V＞IV＞I。与此同时，7种农艺措施亦可有效降低4种典型水稻土稻草、稻壳等水稻地上部镉含量。

不同种类的水稻土，其水稻籽粒对镉富集的差异较大（P＜0.05）。上述4种典型水稻土中，早稻籽粒对镉富集的大小依次是河潮泥＞红黄泥＞黄泥田＞酸紫泥、晚稻籽粒对镉富集的大小依次是河潮泥＞酸紫泥＞红黄泥＞黄泥田；农艺综合调控降镉技术措施，即VIP组合配套处理，在不同种类土壤和水稻生产季别上的适用阈值（即确保稻米镉含量控制在国家标准允许值0.2 mg/kg以内的土壤全镉量）亦不相同：红黄泥、黄泥田、河潮泥、酸紫泥4种典型水稻土，早稻VIP的适用阈值分别为0.74、0.83、0.26、0.95 mg/kg，晚稻VIP的适用阈值分别为1.59、1.66、0.72、1.27 mg/kg，同一种土壤早、晚稻间的VIP适用阈值差异较大（P＜0.05）。

4 阻控重金属吸收原位钝化技术与机理研究

在重金属污染耕地中施用适宜、适量的钝化物料来降低其土壤重金属活性、减少农作物对重金属吸收与积累、降低农产品中重金属含量并使其达标，是目前实现重金属污染耕地尤其是中度污染耕地农业安全利用的主要技术途径之一。在深入探讨炉渣、生石灰、农作废弃物生物质炭、海泡石、腐植酸矿粉和钙镁磷肥等单一物料钝化土壤重金属效果与机理的基础上，重点开展了以上述物料为基质的土壤重金属复合钝化剂配方及其复配制剂应用技术与效果的研究，以期构建中度污染耕地农业安全利用的原位钝化技术。

4.1 单一钝化物料的效果与机理

生石灰是当前酸性镉污染耕地最常用、最廉价的土壤重金属钝化物料。通过对湖南省48个“百亩”水稻降镉技术示范片和33个施用生石灰试验点（用量为1.50 t/hm2，土壤pH值为5.0～6.8、全镉为0.12～1.25 mg/kg，每0.67 hm2采集1对土壤和晚稻样品）的分析，明确了施用生石灰对稻田土壤pH值和有效态镉的影响。连续2年施用生石灰后，土壤pH值平均提高0.5（最大为1.4），稻米镉均值由0.34 mg/kg降至0.22 mg/kg（降幅为35.3%），土壤pH值的增幅与稻米镉富集系数对数值的降幅呈极显著正相关（P＜0.01），说明土壤pH值的增加是稻米镉降低的主要原因之一[10]。Zhang等[26]通过田间试验研究发现，土壤pH值与土壤有效态铁（FeCaCl2）和有效态镉（ CdCaCl2）的含量呈显著负相关（P＜0.01），且根表的铁浓度与 CdCaCl2、稻米镉含量呈显著正相关（P＜0.01），施用生石灰后大幅降低了土壤中铁还原菌（IRB）的丰度（P＜0.05）。因此，施用生石灰提高土壤pH值、改变土壤中IRB的组成及多样性，从而降低了土壤中FeCaCl2、CdCaCl2含量，最终了导致稻米镉含量的降低[26]。

火力发电厂燃煤完全燃烧后产生的废弃物－炉渣（以下简称电厂炉渣），其pH值约为10.5左右，主要成分为硅、钙、镁、锰、铁等的氧化物，其中：SiO2含量为60%～70%，CaO、MgO、MnO2、Fe2O3等的总量为15%～20%，在早期的研究过程中被用作了土壤重金属的钝化物料[22]。在重度污染的酸紫泥（土壤pH值为5.43、CdDTPA为2.74 mg/kg）和黄泥田（土壤pH值为5.72、CdDTPA为3.73 mg/kg）中，一次性储备施用11.25～30.00 t/hm2的电厂炉渣，施用当年土壤 pH 值提高了 0.67～1.35（P＜0.01）、CdDTPA降低了58.8%～88.1%（P＜0.01），稻米镉降低了51.4%～75.7%（P＜0.01）；酸紫泥中施用15.0 t/hm2电厂炉渣、黄泥田中施用22.5 t/hm2电厂炉渣，均可使稻米镉降至0.2 mg/kg以下，且其效果能连续保持4～5季的水稻生产；镉的赋存形态分析结果表明，交换态镉较CK（不施电厂炉渣）降低了38.5%～58.4%（P＜0.01），碳酸盐态、铁锰氧化物结合态、有机态、残渣态镉，依次较CK增加了169.2%～269.2% （P＜0.01）、53.3%～93.3% （P＜0.01）、40.0%～57.1%（P＜0.05）和281.0%～333.3% （P＜0.01）。

生物质炭用作土壤重金属的钝化物料是目前研究的热点，农作废弃物生物质炭的应用可能是重金属污染耕地一种可持续的钝化方法。以花生壳、麦秸、稻草等农作废弃物为原料，分别制成花生壳炭（PBC）、麦秸炭（WBC）和稻草炭（OSC）来探讨生物质炭钝化土壤重金属的效果与机理[27-30]。研究结果表明，3种生物质炭施入到被镉、铅污染的耕地后，大幅增加了土壤对镉、铅离子的非静电吸附（P＜0.01），显著提高了土壤的pH值、阳离子交换量、水溶性硫酸根离子和可溶性有机碳（P＜0.01），从而有效地降低了土壤中的镉、铅活性和稻米中的镉、铅含量：土壤中的有效态镉（ CdMgCl2）、铅（PbMgCl2）分别降低了40.4%～45.7%（P＜0.05）和68.6%～79.0%（P＜0.01），稻米中的镉、铅含量分别降低了38.5%～44.8%（P＜0.05）和60.8%～74.2%（P＜0.01），且PBC的降低效果比WBC、OSC的更好（P＜0.05）。土壤重金属赋存形态分析表明，施入上述农作废弃物生物质炭后，镉的赋存形态由酸提取态向可氧化态与残渣态转化、铅的赋存形态由酸提取态向可还原态与残渣态转化，从而降低了土壤中的镉、铅活性。值得注意的是农作废弃物自身常含有一定量的镉、铅等重金属污染物。为此，研究了被重金属污染的OSC（ROSC）在不同污染程度耕地中的应用效果[30]。结果表明，在轻度和重度污染的耕地中施用ROSC，均显著增加了土壤有效态的镉（ CdCaCl2）、铅（ PbCaCl2）含量（P＜0.01）；在轻度污染耕地中生长的作物镉、铅含量有所增加（P＜0.05），在重度污染耕地中生长的作物镉、铅含量则有所降低（P＜0.05），据其输入输出平衡分析结果，在轻度污染耕地中施用ROSC可能诱发作物积累镉、铅等重金属的风险。因此，在将农作废弃物生物质炭用作土壤重金属的钝化物料之前，应对其自身重金属的污染风险及时进行评价。

海泡石也是一种在重金属污染耕地中常用的钝化物料。通过吸附解吸实验研究了海泡石对红黄泥、黄泥田和红沙泥等典型水稻土吸附能力的影响[31]。发现海泡石具有较强的吸附镉的能力，其最大吸附量可达2 800 mg/kg，但其吸附以交换吸附为主，所吸附镉的解吸率高达70%；在土壤中添加5～10 g/kg土的海泡石，可使3种典型水稻土对镉的吸附量提高20%以上，且显著降低土壤吸附镉的解吸率（P＜0.01）。盆栽模拟实验结果表明，在镉污染土壤（外源添加10 mgCd/kg土）中施用5和10 g/kg土的海泡石，土壤的Eh值分别降低了76和93 mV、pH值＜0.01）、有效态镉（ CdCaCl2）降低38.9%～50.6%（P＜0.01），稻米镉降低33.1%～46.2%（P＜0.01）[34]。

腐植酸因含有大量的羧基、醌基和酚羟基等活性基团，在重金属污染耕地钝化方面具有较大的应用潜力。曾伟刚等[35]通过盆栽模拟实验研究了不同腐植酸矿粉用量（0、15、30 g/kg）钝化红沙泥中镉的效应。研究结果表明：1）施用腐植酸矿粉，能有效降低红沙泥中土壤有效态镉（CdDTPA），其降幅为4.8%～25.8%，并促使土壤中活性极高的交换态镉向有效性较低的碳酸盐态镉和铁锰氧化物结合态镉的转化，且45%WHC（饱和田间持水量）水分条件下的效果明显优于110%WHC的效果（P＜0.05）；2）在110%WHC水分条件下，影响CdDTPA的主要因子是土壤可溶性有机碳和Eh，而45%WHC水分条件下的主要影响因子为阳离子交换量。分析结果表明，腐植酸矿粉钝化土壤镉的机理有两个方面：一是腐植酸矿粉中含有的大量羧基等活性基团与土壤中镉直接或间接发生了各种物理或化学反应，从而降低了土壤镉的活性；二是施用腐植酸矿粉改变了土壤的可溶性有机碳、阳离子交换量和Eh等基本性质，进而改变了土壤中镉的赋存形态。

钙镁磷肥在早期的研究过程中也被用作了土壤重金属的钝化物料[22]。在重度污染的酸紫泥（土壤pH值为5.43、CdDTPA为2.74 mg/kg）和黄泥田（土壤pH值为5.72、CdDTPA为3.73 mg/kg）中，一次性储备施用11.25～30.00 t/hm2的钙镁磷肥，施用当年土壤pH值提高0.58～1.45（P＜0.01）、CdDTPA降低71.5%～95.5%（P＜0.01），稻米镉降低65.7%～78.6%（P＜0.01），其效果优于施用电厂炉渣的处理（P＜0.05）；施用15.00 t/hm2钙镁磷肥，可使上述酸紫泥和黄泥田的稻米镉含量降至0.2 mg/kg以下，且其效果亦能连续保持4～5季的水稻生产，这与施用电厂炉渣的一致；镉的赋存形态分析表明，交换态镉较CK（不施钙镁磷肥）降低了54.7%～73.3%（P＜0.01），碳酸盐态、铁锰氧化物结合态、有机态和残渣态镉，依次较CK增加了 253.8%～469.2%（P＜ 0.01）、213.3%～283.3%（P＜0.01）、40.0%～48.6%（P＜0.05）和161.9%～176.1%（P＜0.01），这与施用电厂炉渣处理的明显不同：别提高了1.2和2.3、有效态镉（CdDTPA）减少了1.43和2.53 mg/kg，并促使其活性极强的交换态镉向活性较低的碳酸盐态和铁锰氧化物结合态转化，稻米镉降低显著（P＜0.01）[32-33]；田间试验与示范结果表明，在酸性轻度镉污染稻田中一次性储备施用3.75～15.00 t/hm2的海泡石，土壤pH值提高0.3～0.6 （P施用钙镁磷肥主要是增加了土壤中碳酸盐态和铁锰氧化物结合态的镉。

4.2 土壤复合钝化剂配方与复配制剂研发

根据不同类型土壤的理化特性和环境条件，在钝化物料筛选与应用研究的基础上，研发出了2个稻田专用（基质分别为海泡石和铁锰氧化物）、1个园地专用（基质为腐植酸矿粉）和1个广谱性（基质为电厂炉渣）的土壤复合钝化剂及其生产工艺，有效解决了单一钝化物料组分与功能简单、施用量过大等问题，进一步优化和发展了重金属污染耕地的原位钝化技术，使其复配制剂具有钝化、降酸、增产等多重功能。

基质为海泡石的土壤复合钝化剂，为稻田专用的钝化剂[36]。由海泡石、铁锰氧化物、生石灰3种物料按比例配制而成，产品中SiO2、MgO、CaO、Fe2O3、MnO2等可有效降低土壤重金属活性的成分总量达70.5%～95.0%。施用该产品1.50 t/hm2，土壤有效态镉（ CdCaCl2）、铅（ PbCaCl2）的降低率分别为39.7%～53.8%和49.9%～59.1%（P＜0.01），与施用等量海泡石相比，其降低率分别提高了6.2～11.1个百分点和6.7～12.2个百分点（P＜0.05）；水稻、玉米、蔬菜等增产7.8%～10.5%（P＜0.05）；农产品中的镉、铅降低率分别为35.1%～46.9%和35.3%～53.1%（P＜0.01），比施用等量海泡石分别提高了5.9～10.9个百分点和10.1～14.3个百分点（P＜0.05）；连续施用3年后，土壤pH值提高0.22～0.34（P＜0.05）。

基质为铁锰氧化物的土壤复合钝化剂，亦为稻田专用的钝化剂[37]。由红泥（系一种由针铁矿或赤铁矿等母质发育的红土，富含铁锰氧化物）和高铁锰矿粉两种物料按比例配制而成，产品中Fe2O3、MnO2总量为34.7%～60.8%。施用该产品1.50 t/hm2，CdCaCl2和PbCaCl2的降低率分别为27.4%～58.9%（P＜0.01）和14.6%～52.1%（P＜0.05），水稻、玉米、蔬菜等增产5.6%～9.2%；农产品中的镉、铅降低率分别为20.5%～57.3%和25.9%～58.2%（P＜0.05）；连续施用3年后，土壤pH值提高0.12～0.19。

基质为腐植酸矿粉的土壤复合钝化剂，为园地专用的钝化剂[38]。由腐植酸矿粉、钙镁磷肥和生石灰3种物料按比例配制而成，产品中腐植酸矿粉占比超过85%，P2O5含量为3.5%～4.5%。施用该产品2.25 t/hm2， CdCaCl2和PbCaCl2的降低率分别为 24.8%～50.4% 和 22.6%～54.2%（P＜ 0.01）， 蔬菜增产16.8%～25.4%（P＜0.01），其镉、铅降低率分别为16.1%～49.3%（P＜0.05）和21.8%～52.9%（P＜0.01）；连续施用3年后，土壤pH值略有降低（-0.06～-0.10）、有机质含量增加8.2%～10.8%。

基质为电厂炉渣的土壤复合钝化剂，系一种广谱性的钝化剂，适用于被重金属污染的各种土壤类型[39]。由电厂炉渣、海泡石和生石灰3种物料按比例配制而成，产品中含有的SiO2、MgO、CaO、Fe2O3、MnO2总量为78.2%～90.6%。施用该产品1.50 t/hm2，C dCaCl2和PbCaCl2的降低率分别15.9%～48.4%（P

＜0.05）和26.2%～56.4%（P＜0.01），水稻、玉米、蔬菜等增产9.2%～12.6%（P＜0.05）；农产品中的镉、铅降低率分别为13.6%～43.9%（P＜0.05）和22.1%～53.2%（P＜0.01）；连续施用3年后，土壤pH值提高0.30～0.46（P＜0.05）。

5 替代种植作物重金属耐受性及其修复潜力与机理研究

替代种植非食用的农作物尤其是经济作物，是重度污染耕地实现“边生产、边修复”，确保其农用地性质最经济、最有效的方法。苎麻生物学产量大，抗逆性强，种植技术简便，且其原麻产品的经济价值高，产业发展空间大，是重度污染耕地实现替代种植、土壤修复目标的重要靶向作物。为此，重点开展了以苎麻为代表的麻类作物重金属耐受性及其修复潜力与机理等的研究。

5.1 苎麻的镉耐受性及其修复镉污染耕地潜力

朱光旭等[40-41]通过田间微区试验，研究了富顺青麻（浅根串生）、大红皮2号（中根散生）和湘苎3号、湘苎2号、中苎1号（均为深根丛生）等9个苎麻不同根型品种对镉的耐受能力、累积特性及其对镉污染耕地的修复潜力。结果表明：1）在本底值为1.72 mgCd/kg的重度污染耕地中外源添加2～100 mgCd/kg土，9个苎麻品种均可正常生长，且低量镉处理（外源添加量＜10 mgCd/kg土）能显著促进其生长（P＜0.01）；当外源添加量达到100 mgCd/kg土时，供试9个苎麻品种中原麻减产最多的也仅减产了27.6%，预测原麻减产50%时的土壤镉含量需达到130 mg/kg以上。2）不同苎麻品种各部位的镉含量差异大，其根系的镉含量远高于茎和叶，但镉在9个供试苎麻品种各部位的分布规律均是根＞茎＞叶，其均值比为4.35∶1.68∶1；在茎中，麻壳的镉含量最高，分别是麻骨的5～7倍、原麻的9～20倍。3）外源添加量在65 mgCd/kg土以内时，随着添加量的增大，苎麻地上部（包括麻壳、麻骨、麻叶和原麻）累积的镉约为5.7～52.6 mg/m2，当外源添加量为65 mgCd/kg土时达到最大值，但其地上部的镉富集系数在1.01～4.55的范围内逐渐减小，表明苎麻不是镉的超富集植物。预测结果显示，在保证切断污染源、苎麻地上部全部离田的前提下，利用苎麻将镉含量为1.72 mg/kg的本底土壤降至国家土壤环境质量标准的0.3 mg/kg以内需20年以上，净化添加量为100 mgCd/kg土土壤的时间要超过330年。4）根据供试各品种对镉的耐受性和地上部的总产量、原麻产量、镉累积量及镉富集系数等方面综合评价的结果，推荐富顺青麻、湘苎3号、中苎1号3个品种可作为重度污染耕地进行替代种植、实现土壤修复目标的首选品种，但原麻中累积的镉量仅占苎麻地上部累积镉量的8%～10%，因此，收获后的麻壳、麻骨、麻叶等地上部废弃物需及时离田并集中进行无害化处理，以增强其修复效果、防止二次污染。

曹晓玲等[42]以中苎1号、湘苎3号和湘苎2号3个苎麻品种为供试材料，研究了苎麻对镉胁迫的响应及其吸收积累铅、铜、锌、镍等重金属的能力。结果表明，在外源添加量为0～10 mgCd/kg土时，中苎1号和湘苎3号两个品种的有效株为15.7～29.0株/m2、生物量为0.67～1.01 kg/m2、原麻产量为55.4～76.8 g/m2，显著高于对照湘苎2号（P＜0.01）；随着土壤镉添加量的增大，3个品种地上部的镉含量及其累积量均显著增加（P＜0.01），最高可达61.5 mg/kg与49.6 mg/m2；镉胁迫条件下，3个品种对铅、铜、锌、镍等重金属的吸收因元素种类的不同而异，中苎1号对铅、镍吸收呈现出随镉添加量增大而增加的趋势，湘苎3号对锌、镍吸收则呈现出随镉添加量增大而减少的趋势，但土壤镉添加量对3个品种吸收铜的影响并不明显。

5.2 苎麻体内镉的亚细胞分布

以湘苎3号和中苎1号两个强耐镉污染的苎麻品种为供试材料，对苎麻各部位亚细胞组分中镉的分布特征进行研究，以期把握苎麻的耐镉机理[41,43]。研究结果表明，在本底值为1.72 mgCd/kg的重度污染耕地中外源添加2～100 mgCd/kg土，两个品种根部细胞中的细胞壁（F1）、细胞器（F2）和可溶部分（F3）各组分的分配比例分别为77.5%～83.0%、4.0%～4.7%和12.6%～18.5%，茎部细胞中的分别为77.7%～80.3%（F1）、8.1%～13.8%（F2）和 7.4%～12.3%（F3），叶部细胞中的分别为56.1%～63.1%（F1）、14.2%～18.3%（F2）和22.8%～25.6%（F3），表明进入到苎麻根、茎、叶各部位中的镉，均主要分布在细胞的细胞壁中（占比可达56.1%～83.0%），其次是分布在细胞的可溶部分（7.4%～25.6%）和细胞器（4.0%～18.3%）中；当外源镉添加浓度增大时，根、茎、叶各部位细胞中的细胞壁镉含量所占比例有所下降，其原因可能是高浓度的镉使其细胞壁受到了损伤，且根细胞中的可溶部分所占比例有所提高，茎细胞中的可溶部分所占比例则有所降低，而茎、叶细胞中的细胞器所占比例有所增加。分析认为，苎麻通过在细胞壁中累积、储存大量镉来适应环境的镉胁迫，可能是苎麻具有强耐镉能力的重要机制。

6 南方稻田土壤有效态镉和镉污染稻田钝化效果评价提取方法研究

明确南方稻田土壤镉污染的风险和程度，是实现其农业安全利用的重要前提。我国的《食用农产品产地环境质量评价标准》和《土壤环境质量标准》，均是以土壤全镉含量作为土壤镉污染的评价指标。然而，相较于土壤全镉含量，采用单一提取剂测定的土壤有效态镉含量能够更好地反映土壤中镉的活性和作物吸收（积累）镉的风险。DTPA法是我国土壤有效态镉的标准提取方法[44]，但该方法原是基于中性和偏碱性旱作土壤提出的，而我国南方稻田土壤多呈酸性，且干湿交替过程频繁，在表征我国南方稻田土壤镉的有效性（即活性）时可能存在较大偏差。研究确定适用于我国南方稻田土壤有效态镉的提取方法，对于精准评价南方稻田镉污染风险以及指导镉污染稻田治理修复具有重要意义。

6.1 南方稻田土壤有效态镉的提取方法

熊婕等[45]在湖南省内37个县（市、区）采集了90组不同母质发育的水稻土及其对应的早、晚稻样品，其中：成土母质有板页岩、第四纪红土、河湖沉积物、花岗岩、砂砾岩、石灰岩和紫色砂页岩等7种，采集的早稻样品包括湘早籼32、湘早籼45、中嘉早17、中早39、株两优189和株两优819等品种，晚稻样品包括金优59、湘晚籼12号和湘晚籼13号等品种，以土壤提取态镉含量与稻米镉含量的相关关系为主要评价指标，分析比较了0.1 mol/L CaCl2、0.01 mol/L CaCl2、DTPA、NH4OAc、TCLP、HCl、Mehlich III、NaNO3、Mehlich I 等 9种浸提方法对土壤活性态镉的提取能力及其提取态镉含量与稻米镉含量的关系。结果表明，9种浸提方法能够提取到的土壤活性态镉占土壤全镉的比值（即提取率）为4.7%～74.4%；与土壤全镉量相比，提取态镉含量与稻米镉含量呈现出更好的相关性，其中0.1 mol/L CaCl2的提取能力适中（提取率为41.9%），其提取态镉含量与早稻、晚稻以及早、晚稻全部的稻米镉含量均达到极显著相关水平（P＜ 0.01），相关系数（r）分别为 0.618、0.338和 0.363，且与大多数供试水稻品种稻米镉含量的相关性也达到显著水平（P＜0.05），相关系数为0.376～0.793，表明0.1 mol/L CaCl2法可推荐作为我国南方稻田土壤有效态镉的提取方法。

6.2 酸性镉污染稻田钝化修复效果评价的提取方法

通过田间试验，设置了施用石灰（L）、钙镁磷肥（P）、海泡石（S）、腐植酸矿粉（H）4种钝化物料以及LP、LS、LH等配施处理，分析比较了应用EDTA、DTPA、CaCl2、NaNO3、NH4NO3和 BCR1（欧盟标准物质局方法第一步）6种浸提方法对上述各处理土壤活性态镉的提取能力及其提取态镉含量与稻米镉含量的关系，以确定其在评价酸性镉污染稻田中施用土壤钝化剂治理修复效果的适用性。结果表明，6种浸提方法对土壤活性态镉的提取能力依次 为 EDTA≈BCR1 ＞ DTPA ＞ NH4NO3≈CaCl2＞NaNO3；相关分析表明，CaCl2、NH4NO3、NaNO3、BCR1提取态镉含量与稻米镉含量间呈极显著相关（r= 0.680～0.828，P＜0.01），是预测土壤中镉对水稻有效性变化的最佳方法，均可用于评价土壤钝化剂在酸性镉污染稻田中的治理修复效果，并推荐CaCl2法为首选方法[46]。

7 重金属污染耕地农业安全利用综合技术与模式构建及应用

基于已有的研究成果，通过技术集成与示范，构建了一套以“轻度污染农艺调控－中度污染钝化降活－重度污染断链改制”为核心的重金属污染耕地农业安全利用的综合技术与多种实用模式。

7.1 重金属污染耕地农业安全利用的综合技术

包括轻中度污染耕地农艺综合调控与原位钝化安全利用技术，和基于 “断链改制”的重度污染耕地替代种植与土壤修复技术。

轻度污染耕地农艺综合调控技术：在选用低积累品种的基础上，通过科学施肥、淹水灌溉、叶面阻控、秸秆离田、适度调整作物布局与复种方式等措施，来有效降低农产品中镉、铅等重金属的含量，实现轻度污染耕地的农业安全利用。

中度污染耕地原位钝化技术：在全面推广应用轻度污染耕地农艺综合调控技术的基础上，针对中度污染耕地应因地制宜增施土壤钝化剂，实施化肥减量与有机肥替代、深翻耕改土与培肥等措施，以增加土壤环境容量和降低土壤中重金属的活性，减少农作物对重金属的吸收和在农产品中的积累，实现中度污染耕地的农业安全利用。

重度污染耕地替代种植与土壤修复技术：对于确实已不宜种植食用农产品的重度污染耕地，为确保其农用地性质，应用非食用农作物进行替代种植，通过切断食物链以减少重金属对人畜的危害，并运用植物或农作物强化萃（吸）取技术推进土壤修复进度，实现重度污染耕地的农业安全利用。

基于上述研究形成的《镉铅污染农田原位钝化修复与安全生产技术体系创建及应用》和《重金属超标土壤的农业安全利用关键技术研究与应用》两个代表性成果，分别获得湖南省2014年度技术发明一等奖和2012年度科技进步二等奖。

7.2 重金属污染耕地农业安全利用的实用模式

主要有水稻降镉VIP+技术模式、重度污染耕地替代种植模式、治理式休耕模式。

水稻降镉VIP+技术模式：由省农环站牵头，研究所和湖南农业大学、湖南省水稻研究所、湖南省土壤肥料研究所等单位共同实施的《稻米镉污染控制技术研究与应用》项目，于2011年初提出将选种镉低积累的水稻品种（Variety，V）、采用全生育期淹水灌溉（Irrigation，I）方式、施生石灰调节土壤酸碱度（pH，P），增施有机肥和土壤钝化剂、喷施叶面阻控剂、深翻耕改土、稻草离田（即“+”）等单项技术进行组装集成与示范，并于2013年底总结形成了水稻降镉的VIP+技术模式。该模式已在农业农村部、财政部实施的长株潭地区重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点专项项目区内全面推广应用，并获得了湖南省2015年度科技进步二等奖。

重度污染耕地替代种植模式：包括种桑养蚕和发展麻类作物、能源作物、花卉苗木、种子生产等的替代种植模式。该模式也在农业农村部、财政部实施的长株潭地区重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点专项项目区内全面推广应用。

污染耕地治理式休耕模式：包括蒌蒿－紫云英联合休耕培肥、苎麻强化萃取休耕等。目前，这两种模式正在湖南省休耕试点地区进行中试。

8 技术研发平台与中试基地建设

研究所在中国科学院、湖南省农业委员会、湖南省财政厅和湖南省重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点工作领导小组办公室的大力支持下，联合湖南农科院、中南林业科技大学、中国农科院农业环境与可持续发展研究所、中国农科院麻类研究所、中国科学院地理科学与资源研究所等单位在长沙县北山镇建成了重金属污染耕地农业安全利用技术研究开放平台（即耕地重金属污染长期定位观测试验中心站）。目前，该平台在研项目共10多项，布置了18个试验（含4个长期定位观测试验），全面开展耕地重金属污染的农艺调控、原位钝化、替代种植、工程治理、修复机理等研究。

此外，研究所还在湖南省重金属污染典型地区建立了6处新技术新产品的中试基地，其核心区面积近650 hm2，用于全面展示和应用研究所在重金属污染耕地农业安全利用研究方面的技术与成果。其中：长沙北山基地10.0 hm2（镉污染），株洲马家河基地53.3 hm2（镉污染），安化烟溪基地120.0 hm2（镉污染），苏仙栖凤渡基地100.0 hm2（镉铅复合污染），嘉禾陶家河基地233.3 hm2（镉砷复合污染），双峰梓门桥基地133.3 hm2（镉铅砷复合污染）。

9 展望

耕地重金属污染具有隐蔽性、多源性、持久性等特点，且影响农作物吸收与积累重金属的因素众多，其治理修复涉及农学、土壤、环境和食品安全等多个学科，其治理难度和复杂性远超过工矿场地重金属污染的修复，已成为一个世界性的难题。面对重金属污染耕地农业安全利用这个全球性的技术难题与研究热点，研究所今后在该研究领域的主攻方向和工作重点应是进一步加强污染源解析与源头防控技术、绿色新型高效治理修复技术与产品、重金属低积累农作物品种定向改良与培育等研究，厘清“土壤－水－农作物”系统重金属的迁移、转运过程与机理，突破重金属污染耕地源头防控和生物削减、过程阻截等技术瓶颈，创新重金属污染耕地治理修复产业链建设技术，探索重金属污染耕地第三方治理、监理、评估等工作推进方式与管理模式，构建专业化、产业化、标准化、可复制、易推广的重金属污染耕地综合防控与治理修复技术体系和运行管理机制与模式。