湖南重度镉污染稻田钝化管控技术研究
2019-09-04李少雄罗波
李少雄 罗波
摘要[目的]研究钝化管控技术对重度镉污染稻田的修复效果和水稻生长效应。[方法]选取湖南省镉污染稻田作为案例地，并对其进行污染特征分析、风险评价，采用钝化技术对其进行管控，最后对该管控技术进行分析与评价。[结果]采用钝化管控技术能使土壤pH显著提高，水稻稻米中镉含量显著降低，稻米中镉降低29.45%～37.5%；能促进水稻生长并具有增产效果，增产2.51%～6.31%。[结论]结合水稻生长和稻米镉含量的降低率以及钝化剂成本看，钝化剂的最佳添加量为3 000 kg/hm2。
关键词镉污染稻田；钝化剂；污染特征；风险评价
中图分类号X53文献标识码A
文章编号0517-6611（2019）08-0086-04
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.08.022
Abstract[Objective]To study the effect of remediation on passivator and rice growth in a case of cadmium contaminated rice field in Hunan Province.[Method]Through the analysis of pollution characteristics of the case，passivation technology was used to control the risk assessment，finally，the results of the control technology were analyzed and evaluated.[Result]The passivation control technology could significantly increase the soil pH，significantly reduce the cadmium content in rice，and reduce the cadmium content in rice by 29.45%-37.5%.It could promote the growth of rice and increase the yield，which was 2.51%-6.31%.[Conclusion]Considering the growth rate of rice，the reduction rate of cadmium content in rice and the cost of passivating agent，the optimal addition amount of passivating agent in this case study was 3 000 kg/hm2.
Key wordsCadmium contaminated rice fields；Passivator；Pollution characteristics；Risk assessment
由于长期、无序的有色金属开采、冶炼，导致湖南稻田土壤污染严重，成为我国耕地土壤优先管控和治理的示范区。然而2013—2015年遭遇严重的“镉大米”污染事件，致使湖南省上万吨大米重金属镉含量超标。
目前，镉污染稻田的管控技术有单项管控技术，如水分调控、喷施叶面阻控剂、撒石灰、撒土壤调理剂、种植镉低累积品种等；组合技术包括这几种单项措施的相互组合，其中在湖南应用较广泛的技术为vip+n（v为种植镉低累积品种、i为淹水灌溉，p为调pH，n为喷施叶面阻控剂、撒施土壤调理剂等）管控技术。不管是哪种管控技术，降低稻米中镉的途径包括减少镉从土壤向植株的输送；阻断镉从植株根部向稻米的转运。
该研究主要采用钝化管控技术来减少土壤中镉的有效态从而减少镉从土壤向植株的输送。该技术的关键在于选择合适的钝化剂，常用的钝化剂种类包括含磷材料、碱性材料、黏土矿物、铁锰氧化物以及有机物质等[1]。这些材料能够通过离子交换、沉淀、吸附等机理改变重金属在土壤中的存在形态，降低重金属在土壤中的移动性及生物有效性[2-5]。
采用钝化技术修复重金属污染稻田土壤的研究较多[6-8]，但选取一块案例地对其进行污染特征分析、风险评价、技术管控及成效评价的系统研究较少。笔者选取常宁市重度镉污染区域稻田作为案例研究地，对其进行污染特征调查、风险评价，采用钝化技术对其进行管控，最后对管控技术进行分析与评价，旨在为镉污染稻田钝化技术的系统性评估提供实践基础。
1材料与方法
1.1試验材料
供试水稻品种：选取适合湖南种植的水稻品种——玉针香。供试土壤：湖南省常宁市0～20 cm的耕层土壤。其理化性质：pH 7.12，速效磷47.2 mg/kg，速效钾129.3 mg/kg，碱解氮130.6 mg/kg，有机质41.3 g/kg，总镉18.03 mg/kg，速效镉1.15 mg/kg。
供试钝化剂主要成分为氧化钙、海泡石、氧化镁、氧化硅，重金属含量：Pb<0.001%，As<0.000 5%，Cr为0.002 1%，Cd为0.000 2%，Hg<0.000 5%，均低于《水溶肥汞、砷、镉、铅、铬的限量要求》（NY1110）中标准限值要求。钝化剂理化性质：pH 10.1，CaO 30.24%，SiO2 7.18%，MgO 19.85%，水分5.18%，粒度（≤5.00 mm）≥92%。
1.2试验设计
在犁田完后分成3个区：空白区（CK）、钝化剂施加量3 000 kg/hm2处理区（T1）、钝化剂施加量6 000 kg/hm2处理区（T2）。每个区面积为50 m2，随机区组排列，各小区用泥梗隔开，单排单灌，避免水肥相互串混，整个生育期其他田间管理与农户种植保持一致。
1.3样品采集与分析
（1）样品采集。按照随机布点法进行布点采样，在犁田前采集土壤样品，测定其理化性质；水稻成熟期，严格按照5点法一对一采集土壤和植物样品。土壤检测指标为pH；稻米检测指标为全镉。
（2）样品分析。土壤样品：土壤pH、有机质、碱解氮、速效钾、速效磷等理化性质均采用土壤农化分析与环境监测中的方法进行分析[9]；土壤中速效态镉采用盐酸（0.1 mol/L）法[10]提取后采用火焰原子吸收分光光度仪测定；土壤总镉采用HFHClO4HNO3消解后，用火焰原子吸收分光光度仪测定。
钝化剂：pH按HG/T 4219—2011《磷石膏土壤调理剂》标准规定的方法执行；汞、砷、镉、铅、铬、铁、钾、钠按照NY/T 1978—2010 肥料汞、砷、镉、铅、铬含量的测定方法执行；氧化硅按照NY/T 2272—2012中硅含量的测定执行；氧化镁、氧化钙按照NY/T 2272—2012中（原子吸收分光光度法）氧化镁、氧化钙含量的测定执行；粒度按GB/T 20412—2006钙镁磷肥标准执行。
水稻：叶绿素、株高和叶面积在抽穗期进行测定，其中株高、叶面积用卷尺进行测定，叶绿素用叶绿素测定仪进行测定。百粒重、有效穗、结实率、生物量和产量在水稻成熟期测定，其中百粒重、有效穗、结实率采用人工观测法进行测定，生物量及产量采用自然风干法进行风干后用称量法测定。
稻米：水稻稻米镉是在105 ℃烘箱中烘干后采用人工去壳法对其分离，采用《食品中镉的测定》GB 5009.15—2014预处理后采用石墨炉-原子吸收分光光度仪测定。
1.4数据分析试验数据采用Excel 2007及SPSS 16.0进行统计和分析。
2结果与分析
2.1污染特征分析案例地位于湖南省常宁市某农户稻田，该地域属亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨量充沛，土壤类型为中碱性红黄壤，主要粮食作物为水稻，主要污染源为上游废渣堆放导致地表水径流引起的污染。
针对该案例地土壤进行了污染特征调查，共采集表层土壤样品5个，该案例地主要污染因子为镉，其总量为18.3～26.3 mg/kg，有效态含量为0.81～1.44 mg/kg。污染状况见1～2。案例地水稻稻米重金属含量：Cu 1.03 mg/kg，Cr 1.4 mg/kg，Ni 0.75 mg/kg，Cd 1.41 mg/kg。
2.2风险评价
土壤重金属评价临界值以我国《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级标准为参照，采用单项污染指数法对土壤重金属污染状况进行评价。计算公式：Pi=Ci/Si。式中，Pi为单项污染指数；Ci为土壤污染物实测浓度；Si为污染物的评价标准值或参考值。Pi≤1，表示无污染；1
采用双因子污染指数评价方法对案例区污染状况进行风险评价，土壤安全水平划分依据见表3，Pimax为87.6，农产品污染指数Ei为7.05，土壤安全水平处于极高风险。
2.3成效评价案例地通过农业部双指标法评价为高风险案例地，选取黏土类、钙基类及碱性物质作为钝化剂进行管控，钝化剂用量设置3个梯度，分别为（0、3 000和6 000 kg/hm2），试验分区见图1。
2.3.1钝化技术对土壤pH的影响。
通过采集镉污染稻田土壤对其pH进行测定，结果见图2，案例地重度镉污染稻田土壤呈中碱性，采用钝化技术管控后，土壤pH显著提高，随着钝化剂添加量的增加，pH呈增大趋势。
2.3.2钝化技术对稻米镉含量的影响。
通过采集镉污染稻田土壤中水稻，并对其稻米中总镉含量进行测定，结果显示（图3），较空白相比，重度镉污染土壤中稻米总镉在施加钝化剂后显著降低，T1处理下的稻米总镉降低了29.45%，T2处理下稻米总镉降低了37.50%，但由于案例地属于高风险案例地，稻米中总镉在施加钝化剂处理后均未达到《食品安全国家标准食品污染物限值标准》，即镉≤0.2 mg/kg。
2.3.3钝化技术对水稻生长的影响。
为了研究和考察重度镉污染稻田采用钝化管控技术后对水稻生长效应的影响，测定了水稻的百粒重、有效穗、结实率、生物量、产量、叶绿素、株高和叶面积。
施加钝化剂对水稻百粒重、有效穗、结实率和生物量的影响见图4。由图4可知，较空白相比，施加钝化剂后百粒重和生物量呈增加趋势，而有效穗和结实率略呈下降趋势，但均无显著差异。
施加钝化剂后对水稻产量的影响见表4。由表4可知，与空白相比，施加钝化剂后水稻产量有所增加，T1处理水稻增产6.31%，T2处理水稻增产2.51%。
钝化剂对水稻株高、叶绿素和生长指标的影响见表5。由表5可知，与空白相比，施加钝化剂后水稻株高、葉绿素及叶面积均有所提高，提高幅度分别为5.65%～8.91%、1.16%～6.72%、12.63%～13.36%。
3结论与讨论
通过污染特征分析与风险评价，该案例地为高风险案例地，采用钝化管控模式后，水稻稻米中镉含量显著降低，其中
钝化剂施加量为3 000 kg/hm2的稻米中镉降低29.45%，施加量6 000 kg/hm2的稻米中镉降低37.50%，由此可见，施加量6 000 kg/hm2的稻米中镉降幅大于施加量3 000 kg/hm2的稻米中镉降幅，这与其他研究者的结果基本一致[11-12]。这是由于施加钝化剂后一方面提高了稻田土壤中的pH，促进对重金属阳离子的吸附，从而降低土壤重金属的迁移性和有效性；另一方面，钝化剂是由海泡石、氧化钙和赤泥复配而成，王林等[13]研究表明，施用海泡石可提高土壤pH、物理化学吸附以及生成矿物沉淀等作用，促进污染土壤中镉活性高的交换态向活性低的残渣态转化，从而达到钝化修复镉污染土壤的目的。同时通过观察和测算水稻百粒重、有效穗、结实率、生物量、产量、叶绿素、株高和叶面积可知，采用钝化管控模式能增加水稻产量、叶绿素、株高、叶面积、百粒重和生物量，对水稻生长无负面影响。这是由于钝化剂中含有一定成分的硅、钙能促进植物的正常生长，有增优质、增强作物抗胁迫的能力[14]。
該研究采用钝化管控模式后，稻米镉含量显著降低，有增产效果，对水稻生长无负面影响，但未达到《食品安全国家标准食品污染物限值标准》，即镉≤0.2 mg/kg，结合水稻生长和稻米镉含量的降低率以及成本看，该研究钝化剂的最佳添加量为3 000 kg/hm2，下一步拟采用组合修复管控模式进一步研究。
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