4种修复剂对镉污染农田土壤及糙米的降镉效果

胡青云，唐佑根，张志强，罗 颖，张小毅，肖 欢，敖和军

（1. 衡南县农业农村局，湖南 衡阳 421131；2.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128）

我国有将近三分之二的人口以大米为主食，水稻作为中国第一大粮食作物对保障粮食安全具有重要作用。据近年的稻米安全性抽检结果显示，我国稻米中的镉含量超过了国标的28.4%[1]。研究表明，土壤中的镉不仅对水稻有毒害作用，还能通过食物链进入人和动物体内，长期食用镉超标的稻米会危害人体健康[2-4]。衡阳作为全国粮食生产先进市和全国商品粮基地，在保障国家粮食安全和促进农业现代化发展中发挥着重要的作用。由于湘江沿岸工农业生产发展和人口增长，特别是采选、冶炼、化工等高污染企业多分布于湘江两岸，重金属污染物排放不断积累，致使湘江水体富营养化程度日趋严重，而湘江是衡阳的主要灌溉水源，通过灌溉许多重金属沉积到土壤中。现今，污染源已经切断，但是土壤中的重金属还一直存在[5-6]。因此，为保证粮食安全，农田镉污染治理刻不容缓。

由于稻田镉污染具有长期性和累积性[7]，同时镉在水稻体内的积累受镉形态[8]、品种和温度[9-10]等多种因素的影响，因此不同地区应根据当地实际情况来制定治理修复方案。针对衡阳市土壤重金属污染情况，笔者选择了4种不同类型的修复剂进行试验，探究不同修复剂及其用量对土壤镉活性及稻米镉含量的影响，以筛选出适合当地的修复材料，为保护镉污染农田粮食生产安全提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验于2016年在湖南省衡阳市衡南县松江镇黄塘村灯甲组进行。试验前土壤pH值为6.8～7.7，全镉含量为3.10 mg/kg，根据土壤环境质量标准GB15618—1995，该土壤属于重度镉污染土壤。

供试水稻品种为籼型两系杂交水稻隆两优华占。试验选择4种修复剂：DG叶面阻控剂（液体硅肥）、SMA微生物菌剂（侧孢短芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌，生物活性钙，有机物载体）、XFJ有机肥（发酵腐熟有机质物料，高活性功能菌，饲料级沸石粉、淀粉）和LXM钙硅类钝化剂（有效硅≥15%；有效钙≥40%）。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，具体见表1，分为11个处理，每个处理3次重复，共33个小区，每个小区面积为20 m2，小区间起田埂并覆农膜隔开，单排单灌。田间管理和施肥按当地常规方式进行，除DG叶面阻控剂在水稻孕穗初期和灌浆初期进行叶面喷施外，其他修复剂随基肥在翻耕前施入，翻耕4～7 d后移栽水稻。

表1 修复剂材料及施用量

1.3 样品采集与测定

在水稻成熟期采用5点取样法采集0～20 cm耕作层土壤样品和植株样品。土壤样品取回后在室内分摊自然晾干后磨碎，剔除石砾及植物残茬等杂物，过10目和100目尼龙筛，备用。植株样品取回后脱粒装袋，于烘箱中于105℃杀青30 min，再经80℃烘干到恒重，将籽粒打成糙米，并用不锈钢粉碎机粉碎，过100目尼龙筛，备用。

土壤pH值采用点位法测定（水土比2.5∶1）；土壤有效态镉采用DTPA试剂提取，振荡后过滤经电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Agilent7700x，USA）测定溶液中镉浓度；糙米镉采用微波消解后用电感耦合等离子体质谱仪测定溶液中的镉浓度；水稻成熟期每小区全收全打测产，按13.5%含水量计算小区产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2016进行数据处理，用SPSS 25.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同种类修复剂对土壤pH值的影响

从图1可知，施用SMA微生物菌剂显著降低了土壤pH值，与CK相比土壤pH值下降0.93～1.07个单位，下降幅度为12.4%～13.3%；而施用XFJ有机肥和LXM钙硅类钝化剂后土壤pH值提高了0.2～0.3个单位，上升幅度为2.7%～4.0%，显著高于施用SMA微生物菌剂的处理；而DG叶面阻控剂的施用方式为叶面喷雾，对土壤pH值没有直接影响；同一修复剂的不同施用剂量对土壤pH值的影响不显著。

图1 不同修复剂对土壤pH值的影响

2.2 不同种类修复剂对土壤有效态镉含量的影响

由图2可知，施用XFJ有机肥和LXM钙硅类钝化剂能降低土壤有效态镉含量，与CK相比，平均降幅分别为2.82%和6.79%；而施用DG叶面阻控剂和SMA微生物菌剂（3 000 kg/hm2处理除外）后土壤有效态镉含量不降反增，表明这2种修复剂活化了部分镉，增加了土壤中有效态镉的含量。同一修复剂的不同施用剂量对土壤有效态镉含量的影响表现出不同的趋势。与CK相比，施用低浓度的SMA微生物菌剂、XFJ有机肥和LXM钙硅类钝化剂处理均能提高土壤有效态镉含量，但未到达显著水平；SMA处理中以SMA2的土壤有效态镉含量最低，为2.353 mg/kg，与CK相比降低了8.59%；施用XFJ有机肥和LXM钙硅类钝化剂后土壤有效态镉含量均以高浓度处理（XFJ3、LXM3）最低，中浓度处理（XFJ2、LXM2）次之；与其他处理相比，XFJ3与LXM3处理土壤中有效态镉含量较低，分别为2.332和2.199 mg/kg，较对照分别降低9.40%和14.57%。

图2 不同修复剂对土壤有效态镉含量的影响

2.3 不同种类修复剂对稻米镉含量的影响

如图3所示，施用修复剂能够降低糙米中镉含量，但不同修复剂的效果不同。与CK相比，施用DG叶面阻控剂和SMA微生物菌剂能够降低糙米中镉含量，但效果不显著；而XFJ有机肥和LXM钙硅类钝化剂显著降低糙米镉含量，与CK相比，平均降幅分别为50.88%和69.99%，2种修复剂之间差异不显著。同一修复剂的不同施用剂量对糙米镉含量的影响不显著，但随着修复剂施用剂量的增加，糙米镉含量存在逐渐降低的趋势；施用3种修复剂后糙米镉含量均以高浓度处理（SMA3、XFJ3、LXM3）最低，中浓度处理（SMA2、XFJ2、LXM2）次之，其中XFJ3与LXM3处理糙米镉含量显著低于CK和DG处理，其中与对照相比分别降低了57.28%和71.57%。

图3 不同修复剂对糙米镉含量的影响

2.4 不同种类修复剂对水稻产量的影响

由图4可知，除XFJ1处理外，其余处理都能不同程度地提高水稻产量，增产幅度为0.37%～5.63%。各处理产量由高到低排列依次为SMA2＞SMA3＞DG＞LXM3＞XFJ2＞LXM2＞LXM1＞SMA1＞XFJ3＞CK＞XFJ1。同一修复剂的不同施用剂量对水稻产量的影响表现不一致。SMA（微生物菌剂）、XFJ（有机肥）、LXM（钙硅类钝化剂）3种修复剂均以低浓度处理产量最低，其中XFJ1处理产量最低，与CK相比减产7.59%。而以SMA2处理产量最高，为9 160.95 kg/hm2，较CK增产5.63%。

图4 不同修复剂对水稻产量的影响

3 结论与讨论

水稻吸收镉受土壤pH值、CEC、有机质和离子互作等因素的影响，而土壤pH值是影响重金属镉有效性的主要因素之一，土壤pH值越高，土壤中镉的活性越弱[11]。结果表明，施用XFJ有机肥和LXM钙硅类钝化剂可以提高土壤pH值，降低土壤中有效态镉含量。这是因为土壤施用有机肥后，会产生大量的铵离子，使土壤pH值升高[12]，同时施用有机肥能够增加土壤中有机质含量，而有机质中的官能团（如羧基和酚羟基等）能够有效吸附土壤中的Cd元素[13]，从而使土壤中有效态镉含量降低；而添加钙硅类钝化剂后，因其本身富含Ca、Si等碱性金属化合物，在水解作用下释放出大量的氢氧根离子，从而能够提高土壤pH值[14]，另外硅与镉存在吸附作用，能够形成硅镉聚合物[15]，从而降低土壤中有效态镉含量。这2种修复剂能依靠自身营养元素或通过提高土壤pH值的方式来降低土壤中的有效态镉含量。而施用SMA微生物菌剂后土壤pH值显著降低，是因为产酸菌的生长繁殖导致有机酸、无机酸积累[16]，故SMA1和SMA3处理有效态镉含量增加，而SMA2处理的有效态镉含量不升反降的原因有待进一步研究。

降低水稻糙米中镉含量主要有2种途径，一是降低土壤中镉的生物有效性，二是阻控水稻各器官向籽粒转运镉[17]。试验所采用的4种修复剂，主要成分都含有钙元素和硅元素。钙与镉存在竞争作用，这种竞争不仅表现在根细胞膜上，还表现在水稻体内的转运蛋白上，从而降低了水稻对镉的吸收[18]。硅能在植物体内与镉形成硅镉复合氧化物，抑制水稻体内镉向地上部转运，从而降低糙米镉含量[19]。试验中施用4种修复剂对土壤有效态镉含量并无显著影响，但显著降低了糙米中的镉含量，可能是施用修复剂抑制了水稻对镉的吸收和转运，但这需进一步研究证实。

LXM钙硅类钝化剂（有效硅≥15%；有效钙≥40%）对糙米镉的阻控效果最好，糙米镉含量随着施用量的增加而降低。在6 000 kg/hm2LXM钙硅类钝化剂处理下，糙米镉含量最低，但尚未达到国家安全食用标准，一方面是因为该试验地属于镉重度污染地区，土壤本身镉含量高，另一方面是因为采用修复剂降镉不能一蹴而就，需要连续多年施用才能达到理想效果。同时施用修复剂后土壤理化性状得到明显改善，提高土壤有机质含量和钙、硅等微量元素的含量[20-21]，从而有利于水稻正常生长发育。

一种适宜推广的修复剂既能够降低糙米镉含量，又不会对水稻的生长、产量等指标产生负面影响。试验结果表明，施用4种修复剂都能降低糙米镉含量，特别是施用6 000 kg/hm2的LXM钙硅类钝化剂时降米镉效果最好，同时能够提高稻米产量。