8种钝化剂对中度Cd污染农田糙米的降解效果研究

2022-04-28汤小群吴颖靖唐海峰

环境科技 2022年2期

汤小群，张恒，吴颖靖，唐海峰

（1.江西省生态环境科学研究与规划院，江西南昌 330039；2.格丰科技材料有限公司，江西萍乡 337000）

0 引言

水稻是我国第一大粮食作物，当前，我国65%以上的人口以稻米为主食，消费量约占全球的42%，因此，稻米的质量对保障我国乃至世界粮食安全具有重要意义[1]。据统计，我国约20%的耕地遭受重金属污染，导致每年1 000 多万t 粮食受到Cd 污染[2]。稻米重金属污染成因复杂，在工业化发展进程中，由于大气、灌溉水、肥料、土壤等受重金属的污染，重金属通过土壤耕作系统进入稻株，进而在稻米中积累，造成稻米Cd 等重金属污染[3]。一方面，土壤中的Cd含量过高对水稻有毒害作用；另一方面Cd 经过食物链进入人和动物体内，长期食用Cd 超标的稻米会危害人体健康[4]。为保证粮食安全，对农田土壤Cd 进行修复已刻不容缓[5]。稻田Cd 污染具有长期性和累积性[6]，Cd 在水稻体内的积累同时受到土壤Cd 形态[7]、水稻品种和区域温度[8]等多种因素的影响。有研究表明，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[9]，土壤调理剂可以调节土壤的理化性状和土壤养分状况[10]，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[11-14]。纳米材料因其出色的吸附能力，在土壤中对金属具有强力的吸附性能，能够降低土壤中金属的迁移和转化，从而减少作物对重金属的吸收[15]，因此越来越多的应用于重金属污染土壤的修复中[16]。研究表明，施用纳米材料的农田土壤中，有效态Cd浓度降低了45.95%[17]；水稻试验中，施用陶瓷纳米材料的水稻Cd 含量比未施用水稻Cd 含量减少了60.82%[18-19]。当前，重金属污染农田修复技术多处于试验阶段，缺乏大田修复实践。不同的纳米修复材料因土壤类型、污染物种类、污染程度及作物的种类等因素不同而产生的修复效果不同。在开展大规模修复前，应对其可行性以及修复效果进行系统研究。

芦溪县土壤环境质量为中度Cd 污染，选择8种不同类型的纳米材料钝化剂进行田间试验，探究不同的修复方法、钝化剂及用量对土壤Cd 活性和稻米Cd 含量的影响，以筛选出合适的修复材料，为农田粮食安全提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地点及材料

试验于2019年在江西省芦溪县上埠镇许家坊村进行（东经113°57'40″，北纬27°35'33″）。试验前土壤pH 值为5.9 ～6.0，总Cd 质量分数为1.55 ～1.91 mg/kg，根据GB 15618—2018 及2014年《全国土壤污染状况调查公报》中关于土壤污染程度分级规定，该土壤属于中度Cd 污染。

供试水稻品种为常规Y 两优1 号（国审稻2013008）。钝化剂选用8 种不同纳米材料：SAX3，PX5E，PX5F，PX5Y，WH5P，WH7M，TX，PX5。其中TX 为江苏某公司生产的纳米土壤钝化剂，其余均选自《江西省（大气、水、土壤）污染防治先进适用技术指导目录（2018年修订版）》中的森美思农田土壤调理剂。

1.2 试验设计

试验田采用随机区、组设计，8 种不同钝化剂的添加量均为推荐施用量（6 000 kg/hm2），纳米材料SAX3 和PX5 设计为3 种水平添加量，并补充SAX和PX5（按质量比1 ∶1 混合）处理。试验共设置14个处理单元，每个处理单元设置3 组平行试验，共42 个试验区，各试验区面积均为20 m2。试验区之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，其他钝化剂随底肥在翻耕前施入。各处理单元钝化材料及施用量见表1。

表1 各处理单元钝化材料及施用量

1.3 样品采集与测定

在水稻成熟期各小区采用5 点取样法采集0 ～20 cm 耕作层土壤样品。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，过孔径为0.15 mm 筛，备用；于成熟期在各小区内选择长势均匀的三株系进行收获。植株样品取回后脱粒装袋，于烘箱中105 ℃杀青30 min，再于80 ℃下烘干到恒重，将籽粒打成糙米，并用不锈钢粉碎机粉碎，过孔径为0.15 mm 尼龙筛，备用。

土壤pH 值采用电位法测定；土壤有效态Cd 采用浓度为0.1 mol/L 的CaCl2溶液按照m（土）∶m（液）=1 ∶5 浸提，振荡后过滤，采用电感耦合等离子体质谱仪测定；糙米Cd 浓度按照GB 5009.15—2014 法测定，即微波消解后使用原子吸收光谱仪测定。

1.4 试验数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 21.0 软件对数据进行统计分析；采用单因素方差分析（One-way ANOVA），Pearson 参数和LSD 法进行方差分析、相关性分析和多重比较（P ＜0.05）；用Origin 2018 软件作图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同种类钝化剂对土壤pH 值的影响

不同种类钝化剂对土壤pH 值的影响结果见图1。由图1（a）可知，在同一添加水平下，施用钝化剂的土壤pH 值均有所升高，与CK 相比土壤pH 值上升了3.9%～12.2%。其中施用PX5F，WH7M 2 种钝化剂后，土壤pH 值显著升高，差异达显著水平（P ＜0.05），其他6 种钝化剂差异不显著。由图1（b）可以看出，施用SAX3 和PX5 钝化剂后，土壤pH 值显著升高，差异均达到显著水平（P ＜0.05）；其中施用SAX3处理后，土壤pH 值随着施用量的增加而升高，且差异达显著水平（P ＜0.05）。这说明，同一钝化剂的不同施用剂量对土壤pH 值的影响显著，在一定范围内，pH 值的升高与施用量的增加呈正相关。

图1 不同种类钝化剂对土壤pH 值的影响

水稻吸收Cd 受土壤pH 值、施肥、根际环境、耕作方式等多种因素的影响[20]，而土壤pH 值和土壤总Cd 含量是影响土壤有效态Cd 含量的2 个主要因素，其中土壤pH 值越高，土壤中Cd 的活性越弱[21]，可有效降低水稻对Cd 的吸收。在重金属污染土壤中添加纳米材料土壤调理剂可依靠自身营养元素或通过提高土壤pH 值的方式来降低水稻对Cd 的吸收。康六生[22]发现，土壤pH 值＜6.5 时，土壤有效Cd含量并未随pH 提高而减少，反而有所升高，仅当pH 值＞6.5 时，土壤有效Cd 才有所降低。杨忠芳等[23]研究发现，控制土壤pH 值＜6.5 的条件下，可交换态Cd 随着pH 值上升反而增加。因此，通过调控土壤pH 值降低土壤有效Cd 含量的关键是将土壤pH 值调控到＞6.5。在添加钝化剂后，土壤pH 值虽有所升高，但均＜6.5，导致部分处理土壤有效态Cd 含量不降反增，这与前人的研究结果较一致。

2.2 不同种类钝化剂对土壤有效态Cd 含量的影响

土壤有效态Cd 含量是影响水稻吸收重金属Cd的重要因素，重点研究了钝化剂对土壤有效态Cd含量的影响，结果见图2。由图2 可知，在同一添加水平下，施用SAX3，WH7M，PX5 钝化剂可降低土壤有效态Cd 含量，与CK 相比，分别降低了9.3%，2.0%和8.9%。其中仅WH7M 钝化剂有显著差异（P ＜0.05），表明SAX3，WH7M，PX5 3 种钝化剂钝可有效降低土壤中有效态Cd 的含量。从钝化效果看，SAX3 对有效态Cd 的降低效果最好，其次为PX5 钝化剂，但其他处理对方式土壤有效态Cd 含量无明显影响。

图2 不同钝化剂对土壤有效态Cd 含量的影响

2.3 不同种类钝化剂对稻米Cd 含量的影响

不同种类钝化剂对稻米Cd 含量的影响结果见图4。由图4（a）可知，在同一添加水平下，施用8 种钝化剂均可降低糙米中Cd 含量，但不同钝化剂的效果不同。施用PX5Y 钝化剂降低糙米中Cd 含量的效果不显著，而其余7 种钝化剂均可显著降低糙米Cd 含量（P ＜0.05），且不同钝化剂之间差异显著，其中PX5F 降低糙米Cd 含量的效果最好，糙米Cd 含量较CK 处理降低了82.31%。其次为WH7M，较CK处理降低了70.18%。本组试验中，虽然使用单一钝化剂处理均可降低糙米中Cd 含量，但处理后的糙米Cd 质量分数仍在0.18 ～0.74 mg/kg 之间，除PX5F 处理外，均高于GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中糙米Cd 的限量值（0.2 mg/kg），离实现安全生产要求尚有一定的差距。

由图4（b）可知，SAX3，PX5 2 种钝化剂均显著降低了糙米Cd 含量，且糙米Cd 的去除量随着钝化剂施用剂量的增加而升高。钝化剂SAX3 和PX5 均表现出高施用强度的糙米去Cd 效率最高，降幅分别达到83%和64.12%，其中SAX3 与PX5 复配处理与CK 相比，糙米Cd 含量降幅为81.81%。本组试验中，各处理单元糙米Cd 质量分数在0.17 ～0.65 mg/kg 之间，其中仅SAX（施用量为9 000 kg/hm2），PX5 和SAX3 复配（施用量为6 000 kg/hm2）2 种处理方式均满足GB 2762—2017 中糙米Cd 的限量要求，可在一定程度上满足安全生产要求。

图3 不同种类钝化剂对稻米Cd 含量的影响

2.4 修复效果方差检验

为研究不同钝化剂同一添加量在弱酸性中度Cd 污染土壤修复中土壤pH 值、土壤有效Cd 含量和糙米Cd 含量之间的关系，在原始数据的基础上，对3 项参数进行Person 相关性分析，结果见表3。由表3 可以看出，土壤pH 值和糙米Cd 含量2 个参数之间呈极显著负相关关系（P ＜0.05），说明不同处理单元对糙米Cd 含量、土壤pH 值的分布具有显著影响。这一结论与陈楠等[24]国内、外的研究结论一致。而土壤有效态Cd 含量的P 值大于0.05，未通过显著性检验，说明尚不能认为对土壤有效态Cd 的分布具有显著影响。不同的提取方法导致有效态Cd含量差异较大[25]，因此表征土壤有效态Cd 含量的关键是要选取合适的提取方法。这与刘情等[26]提出的，土壤pH 值与有效态Cd 的含量存在密切关系，但并非简单的正相关或负相关关系，浸提剂类型不同，有效态Cd 浓度的变化趋势不同的结论基本一致。