森美思土壤调理剂对镉污染稻田改良的影响研究

李伯欣 杨玉环 罗顺辉 张均和 周自强 奉启云 李丁 李红涛

摘 要 为研究稻田镉（Cd）污染的治理与修复技术，于2016年在珠海开展了森美思土壤调理剂对水稻Cd污染修复大田验证试验。结果表明：与S0相比，各森美思处理均能在一定程度上促进水稻增产，且S1、S2和Sc处理均能显著降低水稻稻谷中的总Cd含量，降幅达56.67%～63.33%（P<0.05）；施用森美思可以对土壤有效态Cd起到一定的钝化作用；各处理对比S0均显著提高了土壤的pH值（P<0.05），但对其他理化性质无显著影响。

关键词 森美思；土壤Cd；稻谷Cd；理化性质；大田验证

中图分类号：X53 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.23.095

我国因矿产资源滥挖、滥采造成的农田重金属污染状况不容忽视，全国每年约1 200万吨粮食遭受重金属污染，约占总耕地面积的1/5，其中受Cd污染的耕地面积近1.33万公顷。南方土壤污染重于北方，长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出[1]。土壤是作物吸收重金属的最主要来源，重金属难降解、易积累、毒性大，不利于作物的生长发育，对其产量和品质均有较大影响，而且还存在被作物吸收、进入食物链危害人体健康的潜在威胁[2]。Cd是人体非必需元素，對人和动植物均有毒害，世界各国均将Cd列为高危害、有毒物质和可致癌物质并予以管控[3]。在我国南方地区，水稻是主要粮食作物，水稻具有富集重金属Cd的习性，是吸收Cd能力最强的大宗谷类作物，造成稻米Cd污染比较严重，成为以稻米为主食人群的主要Cd暴露源[4]。控制土壤Cd的有效性和稻米籽粒Cd积累是提高稻米质量安全水平的关键，也是稻米质量安全研究的重要方向。

施用土壤调理剂是修复重金属污染农田土壤的重要措施之一。研究表明，土壤调理剂可以调节土壤的物理、化学和生物性状，对改良土壤结构、降低土壤盐碱危害、改善土壤水分状况及修复污染土壤等有显著作用[5]。本研究应用的森美思靶向吸附重金属土壤调理剂，是一种新型多孔陶瓷纳米材料，由高比表面积纳米陶瓷制备和分子组装2种前沿技术结合制备得到[6-7]。

因此，在南方地区重度Cd污染水稻种植大田示范试验基础上，研究施用森美思土壤重金属调理剂施用条件下的稻谷籽粒Cd、土壤有效态Cd含量和土壤基本理化性质变化，为探索南方地区稻田重度Cd污染修复与改良技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

大田示范试验选在广东省珠海市斗门区，该地属于亚热带季风气候，年均气温22.5 ℃，年均降雨量为2 062 mm。供试土壤类型为水稻土，土壤质地为粉壤土。土壤Cd含量为1.01～2.19 mg·kg-1，按照国家《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）分类属于中度Cd污染，同时试验田表现出较大的空间差异性，地块污染不均一；有效态Cd含量为0.80～1.10 mg·kg-1。土壤与土壤调理剂基本理化性质如表1所示。

1.2 试验方法

试验设置4个处理：空白对照S0处理（常规施肥，不施土壤调理剂）；低量土壤调理剂S1处理（常规施肥+每森美思土壤调理剂），高量土壤调理剂S2处理（常规施肥+森美思土壤调理剂）；Sc处理（常规施肥+每+土壤调理剂）。试验田各处理地块随机分布，每个地块面积一致，均为1 000 m2，各处理具有独立灌排水系统，并用混凝土分隔，防止串水串肥。森美思土壤调理剂于2016年8月1日晚稻移栽翻地前一次性施入，后续不再施用，然后按处理把土壤调理剂均匀撒施在对应的田块内，随即耙匀，平衡3 d后再施基肥，进行水稻移栽。

除试验处理方案外，其余田间管理措施依据当地常规进行，各试验田肥料管理措施及施用量与当地常规水肥管理方式保持一致。供试晚稻为本地常规水稻品种金农丝苗，项目于2016年7月18开始，11月11收获结束，共计116 d。

1.3 样品的采集和测定

项目地采样布点采用五点法，每个处理田块四周4个点和中间点混匀后通过四分法制成1个综合样品。各田块采集土壤样品约1 kg，稻谷样品约500 g。背景污染调查初次采样时在整个项目田块采用五点法，每个点位分别取0～10 cm、10～20 cm处的土壤制成混合样品，各点位混合样品再制成综合样品。该样品测试5次，每份样品独立送检。

水稻产量为晚稻收获时实地称量测产，稻谷籽粒Cd含量采用《食品安全国家标准 食品中镉的测定》

（GB 5009.15—2014）测定，检出限为0.001 mg·kg-1；土壤总Cd测定采用《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）；土壤有效态镉测定采用《土壤质量有效态铅和镉的测定原子吸收法》

（GB/T 23739—2009）。土壤基本理化性质测定参照《土壤农化分析》按常规分析方法进行分析，土壤容重的测定采用环刀法[8-9]。

1.4 数据处理与分析

图表制作和数据计算处理利用Excel 2013，并采用SAS-JMP（9.0）软件进行方差分析和多重比较（LSD检验）。各处理数据均用平均值±误差值表示。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤理化性质的影响

不同处理田块土壤pH变化如图1所示。与对照S0处理相比，S1、S2、Sc处理均可显著提高土壤pH，且效果随着材料用量的加大而增加，土壤本底pH值低于6.0，偏酸性，表明森美思土壤调理剂可有效改善土壤酸化问题。

不同森美思处理间的土壤全氮、有效磷、速效钾、有机质和阳离子交换量等理化性质无显著性差异，说明不会对土壤的本身理化性质造成明显影响（表2）。

2.2 不同处理对水稻产量的影响

施用土壤调理剂S2处理田块稻谷667 m2产量

（405.5 kg）与Sc处理田块稻谷667 m2产量（399 kg）均显著大于空白对照S0处理产量（378 kg），增产率分别为7.27%和5.56%。而低施用量S1处理田块稻谷667 m2产量（371.5 kg）与对照S0处理相比无显著差异，增产幅度随着森美思土壤调理剂的增加而增加（图2）。结果表明，森美思土壤调理剂的施用不仅不会降低稻谷产量，还可在一定程度上促进水稻增产，原因为森美思土壤调理剂施用后，将会释放一定含量的有效硅和钙、镁、钠等碱或碱土金属。同时，材料的高比表面积和多孔性质能够提高土壤的透气性，改善土壤的团粒结构，提高土壤的pH值（图1），增加微生物活性等。上述因素均会对水稻增产起到积极的作用。

2.3 不同处理对稻谷籽粒Cd含量的影响

从表3可以看出，各处理的土壤总Cd含量表现为S2>S1>Sc>S0，说明4个大田地块的土壤平均含Cd量存在一定的差异。通过分析表3中的各处理土壤总Cd含量与稻谷籽粒Cd含量发现，在空白对照组S0处理土壤总Cd含量显著低于其他森美思处理条件，3个森美思处理相比于空白对照S0依然能够显著降低稻谷籽粒中的Cd含量，平均降幅达到59.1%（P<0.05），效果良好。

S1、S2和Sc处理之间稻谷籽粒含Cd量无显著性差异（表3，P>0.05），原因可能为各地块污染程度并不是完全不均一，其土壤全Cd含量在大田中表现出分布差异，对不同污染程度的地块水稻稻谷籽粒Cd含量造成一定的影响。此外，本研究中森美思土壤调理剂施用量均较大，667 m2最小施用量为500 kg，过多地施用可能对土壤活性Cd吸附达到平衡状态，多余的添加无法继续产生明显的效果。

2.4 土壤有效态Cd

S0、S1、S2和Sc处理的土壤有效态Cd含量分别为0.61 mg·kg-1、0.64 mg·kg-1、0.99 mg·kg-1和0.82 mg·kg-1，各处理土壤有效Cd之间无显著性差异。如图3所示，鉴于不同地块土壤全Cd含量不同，因此主要分析各自有效态Cd占土壤全Cd的比例，随着森美思土壤调理剂用量的增加和配施石灰，占比呈不断降低趋势，总体趋势为S0≥S1>Sc≥S2，与S0处理相比，S2和Sc处理可显著降低土壤有效Cd占全Cd含量的比例，结果表明森美思具有一定钝化土壤Cd的作用，可将部分土壤可利用Cd转化为水稻无法吸收的形态。

不同处理对土壤有效态Cd含量的降低效果低于其对稻谷籽粒Cd含量的降低效果，原因可能为以下几方面。1）由于土壤有效态Cd存在离子平衡，本研究中土壤全Cd含量较高，可能会在材料吸附的同时继续从矿质态中解离出新的有效态Cd，从而会在检测效果时土壤有效态Cd依然保持在较高浓度，此情况在酸性土壤中可能更加明显。2）污染来源不明，材料效果也可能会被掩盖，当材料吸附土壤有效态Cd后，可能会有新的Cd补充进来，对实验结果产生影响。3）土壤有效态Cd属人为定义，与实际水稻吸收Cd的生理机制有很大差异，存在一部分可被浸提出的有效态Cd实则无法被水稻吸收的可能。

3 结论

研究中的不同森美思处理均不会降低稻谷产量，还可在一定程度上促进水稻增产；施用森美思均能显著降低水稻稻谷中的Cd含量，平均降幅达60%；森美土壤调理剂具有一定的钝化土壤活性Cd的效果；施用森美思能提高土壤pH且不会对土壤基本理化性质产生任何负面影响。综合考虑修复成本和修复效果，在本试验涉及的3种修复处理中，Sc处理（667 m2施500 kg森美思+667 m2施30 kg石灰）更适宜作为当地Cd污染农田治理与修复模式。建议将森美思土壤调理剂与其他农艺措施（如土壤改良、水肥管理、农作物品种筛选等）联用，在当地继续开展集成修复模式，强化修复效果。

参考文献：

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[4] Tang H，Li T，Yu H，et al.Cadmium Accumulation Characteristics and Removal Potentials of High Cadmium Accumulating Rice Line Grown in Cadmium-contaminated Soils[J].Environmental Science and Pollution Research，2016，23（15）：15351-15357.

[5] 孙蓟锋，王旭.土壤调理剂的研究和应用进展[J].中国土壤与肥料，2013（1）：1-7.

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[7] Feng X D，Sayle D C，Wang Z L，et al.Converting Ceria Polyhedral Nanoparticles into Single-crystal Nanospheres[J].Science，2006，312（5779）：1504-1508.

[8] 鮑士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.

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（责任编辑：赵中正）