不同土壤调理剂对土壤和稻米降镉效果的影响

刘登彪，刘建华，苗雪雪，罗先富

（1.湖南高岭环保科技有限公司，湖南 长沙 410000；2.湖南省水稻研究所，农业部长江中下游籼稻遗传育种重点实验室，湖南 长沙 410125）

近年来，由于有色金属采选、冶炼活动和化学肥料的过度使用等原因，我国土壤重金属污染形势日趋严重[1]。2014 年发布的《全国土壤污染状况调查公报》指出全国土壤点位污染总超标率为 16.1%，而所有污染物中，镉污染超标率排在首位，达到了7 %[2]。镉（Cd）是一种毒性极强的重金属元素，会破坏农作物生理代谢和生长发育，使农作物减产、品质变差。此外，镉具有很高的迁移性，容易被农作物吸收，进而通过食物链进入到人体，长期摄入重金属将会对人体的皮肤、骨骼、神经系统和内脏器官等造成不同程度的危害[3-5]。随着生活水平的提升，人们对食品安全提出了更高要求，土壤重金属镉污染成为当前农产品安全迫切需要解决的问题。

目前，国内外常见的镉污染农田修复技术有物理修复、生物修复和化学修复等。物理修复是用未受污染的土壤置换已污染土壤，这样虽然可以彻底解决当前地块的污染问题，缺点是工程量大、成本高。生物修复中常见的是植物修复。植物修复是指种植对镉具有特殊吸收富集能力的作物，对镉进行吸收或固定，从而降低土壤中镉的有效浓度，缺点是富集植物生长缓慢、产量低，修复周期长，很难实际应用。化学修复是指施用钝化材料、石灰等改善土壤理化性质，提高土壤pH 值，降低土壤镉的有效性，从而降低稻米中的镉含量，是目前稻米降镉的主要途径之一[6-8]。该研究通过选用作物秸秆粉末、有机质、粘土矿物质粉末等常见易得且成本较低的几种材料按不同比例复配成土壤调理剂，设置田间试验，研究不同配比的6 种土壤调理剂对土壤pH 值、全镉、有效态镉以及稻米中镉含量的影响，为镉污染稻田安全修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在湘潭县和长沙县示范基地进行，供试土壤为河流冲积物发育的河沙泥，2 个试验地点土壤的基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

湘潭县供试品种为金优59，长沙县供试品种为H 优518，均为当地农户常规种植品种。土壤调理剂均为自主研制配方，处理1、2、3、4、5、6 均是由作物秸秆粉末、有机质、粘土矿物质粉末等常见易得且成本较低的几种材料按不同比例复配而成。

1.2 试验设计

田间试验采取单因素随机区组设计，4 次重复。设置空白对照（CK）、石灰处理、土壤调理剂处理（处理1、处理2、处理3、处理4、处理5、处理6）、共8 个处理。小区面积为20.0 m2，长5.0 m、宽4.0 m，小区埂下宽0.3 m，小区埂高出田面0.1 m，共32 个小区。小区埂上盖地膜，地膜幅宽0.8 m，防止小区间串肥串水。根据2 个试验地点土壤性质及常规种植习惯，长沙县施氮磷钾40%（22—8—10）复合肥1 kg/小区作为基肥；湘潭县施氮磷钾45%（15—15—15）复合肥2 kg/小区作为基肥。移栽前1 周，按照试验设计，分别将石灰等各种调理剂施入相应小区中，人工用六齿耙均匀混入泥中，用木烫板烫平田面。湘潭县将水稻种子浸种、催芽后，于7 月24 进行直播；长沙县于6 月23 日育秧，7 月28 日移栽。病虫草及鼠雀害按常规方法防治。

1.3 考察指标及方法

土壤样品：稻谷成熟期时采集土壤样品，按S 形曲线采用5 点取样法采集0～20 cm 土层样品，并混合成混合样，采集量约1 kg；取样土壤在室内自然风干，除去土壤中的石块、植物根系和凋落物等，研磨过筛，测定指标为pH 值、全镉和有效态镉；土壤pH 值参照《土壤农业化学分析方法》测定，土壤中全镉和有效态镉分别参考国家标准 GB/T 17141—1997 和 GB/T 23739—2009 进行分析检测。

稻米样品：每个小区采集稻谷混合样1 kg，在室内自然风干，去壳去皮制成精米粉，测定指标为稻米镉含量。稻米中的镉含量依据国家标准GB 5009.15—2014 进行测定。

1.4 数据分析

数据采用SPSS 18.0 软件进行统计分析，设定5%的显著性水平，运用单因素随机区组方差分析，并用Duncan 氏法进行平均值间的多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤调理剂对土壤pH 值的影响

湘潭县和长沙县的土壤pH 值均偏酸性，针对当地土壤pH 背景值在5～6 之间的情况，该试验土壤调理剂配方能够适当提高土壤pH值，从图1中可以看出，湘潭县对照的土壤pH 值较其他处理有显著性差异。处理1、处理3 与石灰处理的效果差异不显著；处理2、处理4、处理5、处理6 与石灰处理效果差异显著。各处理pH 值提升率范围为6.13%～12.74%，其效果排序为处理1 ＞石灰＞处理3 ＞处理6 ＞处理4 ＞处理5 ＞处理2 ＞CK，且处理1 和石灰处理均超过10%。

图1 湘潭县各处理的土壤pH 值

从图2 中可以看出，长沙县各小区的pH 值较CK 存在显著性差异，并且各土壤调理剂处理与石灰处理的差异也是显著的。除了处理2 和处理5 之间差异显著，其他土壤调理剂处理无明显差异。各处理pH 值提升率范围为10.83%～32.70%，均超过了10%，其效果排序为石灰＞处理5 ＞处理1 ＞处理3 ＞处理4 ＞处理6 ＞处理2 ＞CK，处理5 和处理1 分别提升了19.78%和16.80%。

图2 长沙县各处理的土壤pH 值

2.2 不同土壤调理剂对土壤中全镉、有效态镉含量的影响

由于土壤为不均质，所以部分小区会存在一定差异，从图3 中可以看出，湘潭县各小区土壤中全镉含量与CK 差异不显著，石灰处理与处理1、处理2、处理3、处理4 存在显著性差异。各小区全镉含量范围为0.35～0.43 mg/kg，整体差异不大。

图3 湘潭县各处理的土壤全镉、有效态镉含量

处理1 和处理6 土壤有效含镉含量较CK 处理存在显著性差异，降镉效果明显；虽然其他各处理差异不显著，但较CK 均有不同程度地降低。各处理土壤中有效态镉含量的降幅为3.66%～13.41%，其降镉效果排序为处理1 ＞处理6 ＞处理5 ＞处理2 ＞处理3 ＞处理4 ＞石灰处理。处理1 和处理6 降镉率均超过10%。

从图4 中可以看出，长沙县各小区土壤全镉含量除处理1 与CK、石灰处理、处理5、处理6 存在显著性差异外，其他各处理之间均无显著性差异。各小区全镉含量范围为0.34～0.39 mg/kg，整体差异不大。

图4 长沙县各处理的土壤全镉、有效态镉含量

处理3 和石灰处理的土壤有效态镉含量较CK 处理差异显著，降镉效果明显；其他各处理虽然没有显著性差异，但较CK 均有不同程度地降低。各处理土壤中有效态镉的降幅为1.37%～19.18%，其降镉效果排序为处理3 ＞石灰处理＞处理5 ＞处理1 ＞处理4 ＞处理6 ＞处理2。处理3、石灰处理和处理5 降镉率均超过10%。

2.3 不同土壤调理剂对稻米中镉含量的影响

各土壤调理剂处理对湘潭县晚稻稻米中镉含量差异不显著，但各土壤调理剂处理的稻米镉含量均有不同程度地降低，降幅为5.35%～23.41%，其降镉效果排序为处理1 ＞处理2 ＞处理6 ＞处理5 ＞处理3 ＞处理4（图5）。处理1、处理2、处理5、处理6 降镉率均超过20%。

图5 湘潭县各处理的稻米镉含量

从图6 中可以看出，处理1 和处理5 对长沙县晚稻稻米中镉含量存在显著性差异，降镉效果明显。其他各土壤调理剂处理对稻米中镉含量虽然没有显著性差异，但均有不同程度地降低，降幅为1.86%～43.3%，其降镉效果排序为处理5 ＞处理1 ＞处理2 ＞处理3 ＞处理6 ＞处理4。处理1 和处理5 降镉率均超过30%，处理2、处理3 和石灰处理降镉率均超过了20%。

图6 长沙县各处理的稻米镉含量

3 结 论

（1）湘潭县各处理pH 值提升率为6.13%～12.74%，其效果排序为处理1 ＞石灰＞处理3 ＞处理6 ＞处理4、处理5 ＞处理2 ＞CK，且处理1 和石灰处理均超过10%。长沙县各处理pH 值提升率为10.83%～2.70%，均超过了10%，其效果排序为石灰＞处理5 ＞处理1 ＞处理3 ＞处理4 ＞处理6 ＞处理2 ＞CK，处理5 和处理1 分别提升了19.78%和16.80%。

（2）湘潭县土壤中有效态镉含量降低了3.66%～13.41%，其降镉效果排序为处理1 ＞处理6 ＞处理5 ＞处理2 ＞处理3 ＞处理4 ＞石灰处理。处理1 和处理6 降镉率均在10%以上。长沙县土壤中有效态镉含量降低了1.37%～19.18%，其降镉效果排序为处理3 ＞石灰处理＞处理5＞处理1＞处理4＞处理6＞处理2。处理3、石灰处理和处理5 降镉率均在10%以上。

（3）各土壤调理剂处理稻米中镉含量均有不同程度地降低，湘潭县降幅为5.35%～23.41%，其降镉效果排序为处理1 ＞处理2 ＞处理6 ＞处理5 ＞处理3 ＞处理4。土壤调理剂处理1、处理2、处理5、处理6降镉率均超过了20%。长沙县降幅为1.86%～43.30%，其降镉效果排序为处理5 ＞处理1 ＞处理2 ＞处理3 ＞处理6 ＞处理4。土壤调理剂处理1 和处理5 降镉率均超过30%，处理2、处理3 和石灰处理降镉率均超过了20%。

4 讨 论

试验结果表明，处理1 和处理5 的土壤调理剂配方对土壤和稻米的降镉效果较为理想，可作为后续土壤调理剂重点开发产品，亦可结合各配方优势进一步整合优化，研发出适合当地酸性土壤且低成本、效果稳定的土壤调理剂。下一步可以通过优化调理剂中的钝化成分，促进其与重金属镉络合、沉淀等，进一步降低土壤有效态镉含量；也可以优化配方中的锌、锰、硅等有效元素，抑制水稻吸收重金属起，从而降低稻米中镉含量；其他复配的营养元素继续保留，以促进农作物生长，提高产量。同时，可将土壤调理剂与其他物理、化学、生物修复技术联合应用，探讨其对污染农田土壤的修复效果。