轻中度镉污染耕地安全利用技术及其实施成效

2024-04-22闵建美

南方农业 2024年3期

闵建美

（山东省农业生态与资源保护总站，山东济南 250100）

我国土壤类型多，性质差别较大，整体上呈现“南酸北碱”的实际情况，且不同区域土壤受重金属镉污染的程度不同，其中安全利用类农田土壤中受轻度和中度镉污染的农田面积较大[1]。当前我国部分地区耕地重金属镉污染问题突出，继“镉米”之后，“镉麦”事件已成为环境、健康等领域关注的焦点。近年来，随着采矿、冶炼金属行业的发展，工业“三废”排放增多，以及农药和农用化学品施用的增加，导致农产品镉含量超标现象常有发生，给农业生产带来了隐患。镉是一种具有较强生物毒性和环境迁移能力的重金属污染物，可通过污染土壤-农作物-食物链迁移和积累，最终危害人体和生态健康。因此实施轻中度镉污染耕地安全利用技术，对改善土壤镉污染、全面提高农产品质量、保障食品安全具有十分重要的现实意义。

1 研究对象

本次选取的轻中度镉污染耕地，种植农作物主要是小麦、玉米，耕作制度以小麦-玉米轮作为主，部分耕地单独种植玉米等秋季作物，土壤类型为石灰性褐土。根据农产品产地土壤重金属普查和农用地土壤污染状况详查成果，该耕地地块pH 值大于6.5，主要污染物为镉、铅，以单项污染为主，有一定量的复合污染。

2 安全利用技术概述

农业农村部办公厅印发的《轻中度污染耕地安全利用与治理修复推荐技术名录（2019 年版）》[2]中推荐的技术措施主要有农艺调控类、土壤改良类、生物类和综合类。其中，农艺调控类技术主要包括石灰调节、优化施肥、品种调整、水分调控、叶面调控、深翻耕等，土壤改良类技术主要包括原位钝化、定向调控等，生物类技术主要包括微生物修复、植物提取等。

2.1 石灰调节

石灰为常用碱性物料，在酸性土壤（土壤pH 值一般在6.5 以下）中适量施用石灰，可以提高土壤pH值，促使土壤中重金属阳离子发生共沉淀作用，降低土壤中重金属阳离子的活性[2]，减少重金属进入农产品，有效降低超标风险，还可为作物提供钙素营养。

杨梦丽等田间试验表明，在镉轻度污染小麦农田上（土壤pH 值为5.88）石灰、石灰+生物炭、石灰+生物有机肥、石灰+多孔陶瓷纳米材料等对镉污染土壤的修复，75 kg/667 m2的石灰用量降低了小麦籽粒Cd含量，且并未造成小麦的减产[3]。张丽等研究表明，土壤pH 值随着生物炭用量的增加呈上升趋势[4]。石灰调理适用于pH 值小于6.5 的酸性土壤，不适用于砷超标风险的农田。采用石灰调理应先开展两年以上的小区域大田实验，确定不造成二次污染和土壤质量损伤后方可应用。

2.2 优化施肥

施肥是满足作物生长所需养分的重要途径，同时可以对重金属活性产生较大影响[2]。优化施肥是提高作物产量和改善产品品质的重要手段，根据土壤环境状况与作物特征，结合当地耕作制度、气候、土壤、水利等情况，优化有机肥、化肥的种类与施用量，选择适宜的氮、磷、钾肥料种类，避免化学肥料活化重金属污染物。

刘安辉等研究表明，施用不同氮肥可对土壤pH值和土壤有效态镉含量产生影响，比如硝酸钙能提高土壤pH 值，使土壤中有效态镉含量增加；包膜尿素对土壤pH 值影响不大，但能明显降低土壤有效态镉含量[5]。肥料施用应把握适度原则，使施肥量既能满足作物生长所需养分，也能促进土壤镉形态转化，从而达到修复污染土壤的作用，防止过量施肥引起土壤盐化、土壤酸化、养分不平衡等问题及可能的二次污染。

2.3 品种调整

不同作物种类或同一种类作物的不同品种对镉的积累有较大差异，选用低镉积累的作物品种，可有效降低作物可食部位中镉含量，减少作物镉污染风险。实践中已筛选出多种低镉积累作物品种，如水稻、小麦等。低积累品种的选择要充分考虑当地区域性特点，在相同产地环境和种植条件下，选用对镉富集能力较弱，同时与当地主栽品种相比，产量、品种和抗性等方面仍具备一定的优势的作物品种进行种植，既实现作物镉低积累，又能保证产量和质量。该措施的实施，要充分考虑作物品种的适宜性。

2.4 水分调控

酸性土壤在淹水条件下，土壤环境呈还原状态，土壤pH 值显著升高，镉容易形成硫化物沉淀，活性随之降低，从而减少作物对镉的吸收。淹水灌溉期间，要加强水质监测，确保灌溉水中重金属含量达到农田灌溉水质标准要求。

2.5 叶面调控

施用叶面调理剂不仅能够促进作物生长，还能够通过离子拮抗作用降低作物对土壤中重金属的吸收和转运，从而降低作物对重金属的富集作用。

韩潇潇等研究表明，叶面喷施锌、硅等元素，能够显著降低水稻籽粒中的镉含量[6-7]。赵瑞军等研究表明，喷施含锌、硒、硅等元素的叶面调理剂能够降低小麦籽粒中镉的含量[8]。一方面锌、硅是小麦必需的营养元素，喷施这些营养元素可提高小麦抗逆性，抑制小麦根系向籽粒转运镉，降低籽粒镉含量；另一方面这些营养元素与镉发生竞争吸收和转运作用，进而抑制小麦对镉的累积。根据作物的生长发育及营养状况，选择适宜的叶面调理剂，浓度和用量要适当。配制溶液要均匀，喷洒雾点要匀细，喷施次数要根据需要决定。合理掌握叶面调理剂的喷施时期和时间，一般在小麦拔节期、孕穗期和灌浆期喷施，尽量错开开花期，以免影响小麦的正常授粉和受精而降低结实率。

2.6 深翻耕

根据当地种植习惯、土壤类型和耕作层的深浅，可在冬闲或春耕翻地时采取机械深翻耕。为保证深翻耕的效果，在深耕前必须进行耕层和亚耕层土壤重金属含量分析，将镉含量较高的耕层与亚耕层的洁净土壤充分混合，稀释耕地土壤污染物含量，若亚耕层土壤重金属含量高则不宜进行深翻耕。

由于土壤有机质与养分多集中在耕地表层，深翻耕在降低耕地表层镉含量的同时，也会降低表层土中有机质和养分含量[2]，深耕后土壤库容增大，底土上翻，应注意结合秸秆还田，或配施有机肥，以创造良好土壤结构，增厚耕作层，满足作物生长需求。

2.7 土壤调理

通过施用钝化剂、土壤调理剂等，可降低污染物在土壤中的活性，阻控作物对土壤污染物的吸收，如大分子有机物料、坡缕石、沸石、微生物菌剂等。

通过田间试验表明，大分子有机物料对小麦Cd吸收有影响，施加300 kg/667 m2的大分子有机物料能够显著降低小麦对Cd 的吸收[9]。试验发现，在小麦-土壤系统中，施加巯基修饰坡缕石(MPAL)能够富集植物根际促生菌和Cd固定化菌，增强了根际土壤中硫酸盐还原代谢，促进小麦的生长、降低籽粒的镉含量[10]。李娟[1]研究表明，在弱酸性轻度和中度镉污染水稻田施用一定比例的生物炭、海泡石，可有效提高土壤pH值，降低土壤有效镉含量，抑制镉在水稻植株体内的转移，从而降低稻米中镉含量；在弱碱性中度镉污染小麦田施用一定比例的生物炭、海泡石和弱酸性黄腐酸微生物菌剂，可提高土壤有机质，抑制镉经小麦植株向小麦籽粒转移，降低小麦镉和土壤有效镉。钝化技术效果和稳定性与土壤类型、土壤性质、重金属种类及污染程度、种植作物品种，以及当地降雨量等密切相关。在实施时，一方面，要正确选择钝化材料种类，精准把握施用剂量，避免过度钝化和造成二次污染；另一方面，要避免对土壤理化性质及环境质量等带来负面影响。

2.8 微生物修复

利用天然或人工驯化培养的功能微生物（藻类、细菌、真菌等），通过生物代谢，从而降低污染物活性，防控生态风险。微生物修复技术比较安全，二次污染问题较小，对环境的影响较小，适用于农药或重金属污染耕地。卞超等对重金属污染土壤的微生物修复技术进行了分析[11]，张涵等对微生物修复镉污染研究进展进行了探讨，表明微生物修复治理效果好、操作简便、绿色环保[12]。

2.9 植物提取

植物提取是当前受污染耕地土壤治理修复主要采用的一类植物修复技术，主要是指利用超富集（高富集）植物吸收污染土壤中的重金属并在地上部积累，收割植物地上部分从而达到去除土壤中重金属污染物的目的。

植物提取可行性强、污染小、效率高同时具有经济效益，对修复重金属污染农用地具有重要意义。孙月美等研究了耐受性油葵对镉的富集能力，研究发现，油葵地上部最大吸镉量为每株601.95 μg，对镉污染土壤具有较好的修复效果，可以作为镉污染土壤植物修复的优选[13]。可见，根据植物的特点与当地气候结合，科学种植超富集（高富集）植物，可提高污染土壤的修复效率。

2.10 综合类技术

针对轻中度镉污染耕地土壤，集成优化物理-化学-生物联合技术措施，建立适合当地实际情况的农田安全利用技术模式，例如利用叶面调控-土壤改良、叶面调控-低积累作物品种、叶面调控-低积累作物品种-土壤改良、叶面调控-土壤改良-优化施肥、低积累作物品种-优化施肥等综合治理技术模式，克服了单一措施对控制农作物可食部位污染物含量的不确定性。

3 安全利用技术筛选

3.1 筛选原则

3.1.1 可行性

轻中度受污染耕地安全利用技术措施要因地制宜、合理可行，综合考虑地块的污染情况、成本因素及环境影响等，不能脱离当前社会发展实际。

3.1.2 安全性

选择的技术措施应符合相关的法律、法规和行业标准，具有环境友好性，不会对土壤造成二次污染，同时不会对施工人员、周边人群健康及生态环境产生危害。

3.1.3 有效性

受污染耕地安全利用的目标是保障农产品质量安全，使得农产品可食部分达标生产，因此选择的技术措施能够有效降低污染物的毒性、迁移性或污染物浓度。

3.2 技术筛选

针对本次选取的轻中度镉污染耕地现状，依据筛选原则对各项技术措施进行了详细分析，详见表1。

表1 轻中度污染耕地安全利用技术措施筛选表

3.3 技术模式确定

充分考虑本次选取的轻中度镉污染耕地现状，结合作物种植习惯等，采取优化施肥、品种调整、叶面调控、深翻耕、土壤调理等技术措施，构建适宜的安全利用技术模式。

3.3.1 深翻耕+优化施肥+叶面调控

小麦播种前，对耕地进行深翻耕，并进行配套施肥，确保表层土中重金属含量降低，且有机质和养分含量满足农作物生长需要。

小麦生长期，通过无人机喷施叶面调控剂（糖醇锌，稀释100～200 倍），补充小麦所需锌元素，提高小麦抗逆性，抑制小麦根系向籽粒转运重金属，降低小麦籽粒重金属含量。

玉米生长期，通过无人机喷施叶面调控剂（糖醇锌，稀释300～500倍），补充玉米所需养分及锌元素，阻控玉米对重金属元素的吸收积累，降低玉米籽粒重金属含量。

3.3.2 叶面调控

小麦生长期，通过无人机喷施叶面调控剂（糖醇锌，稀释100～200倍）。玉米生长期，通过无人机分2次分别喷施叶面调控剂（糖醇锌，稀释300～500倍）、叶面调控剂（糖醇硅，稀释100～200 倍）。通过施用叶面调控剂，既能补充小麦、玉米生长所需养分及锌、硅等微量元素，又能抑制籽粒对重金属的吸收积累，从而降低籽粒中重金属的含量。

3.3.3 土壤调理+优化施肥+叶面调控

对部分春季未耕种的耕地，在玉米播种前，以200 kg/667 m2的用量，对受污染耕地施用土壤调理剂，对部分地块进行优化施肥，以20 kg/667 m2的用量，统一施用矿源腐殖酸钾，用以改善土壤结构、稳定土壤团聚体、提高土壤有机质，促进玉米养分吸收，从而降低玉米对重金属元素的吸收，提高农作物产量和品质。

在玉米生长期，通过无人机分3 次分别喷施叶面调控剂（糖醇锌，稀释300～500 倍）、叶面调控剂（糖醇硅，稀释100～200 倍）、叶面调控剂（糖醇锌，稀释300～500倍），补充玉米所需锌、硅等微量元素，抑制籽粒对重金属的吸收积累，从而降低籽粒重金属含量。

4 实施效果评价

4.1 投入品检测

受污染耕地安全利用所使用的肥料、土壤调理剂、叶面调控剂等投入品中镉、汞、砷、铅、镉等5项重金属含量，不能超过农用地土壤污染风险管控标准中规定的风险筛选值，或者土壤中对应元素的含量。因此，按照随机抽取的方式，对施用的投入品进行抽样，委托具备相关资质的检测机构进行检测。通过对投入品中5 项重金属含量的检测，采用的投入品中重金属含量均未超过规定的筛选值或者土壤中原有对应元素的含量，符合工作要求。

4.2 农产品检测

轻中度镉污染耕地，落实安全利用技术措施后，对产出的食用农产品进行抽样检测，以自然村作为检测单元，采用网格法、随机法等方法布设点位。原则上，每个检测单元内布设点位不少于3 个，每10 hm2至少布设1 个点位。对地形复杂、作物种植种类较多或者设施蔬菜等，适当增加点位。在小麦、玉米等作物收获期，采集混合样品，按双对角线、棋盘式、蛇形、梅花点等方法多点（5～20 个）采集，采样方式参照《农、畜、水产品污染监测技术规范》（NY/T 398—2000）执行。样品处理完成后，委托具备相关资质的检测机构，按照国家标准方法对镉、汞、砷、铅、铬等5项重金属进行检测。

4.3 效果判定

4.3.1 数据分析

小麦、玉米样品中镉、砷、铅、铬的测定均按照《食品安全国家标准食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）执行；小麦、玉米样品中汞的测定按照《食品安全国家标准食品中总汞及有机汞的测定》（GB5009.17）执行。

通过检测结果分析，小麦、玉米籽粒中汞含量均小于0.010 mg·kg-1；小麦、玉米籽粒中铬含量均小于0.2 mg·kg-1；小麦籽粒中的铅含量均小于0.05 mg·kg-1，玉米籽粒中铅含量范围为0.025～0.192 mg·kg-1；小麦籽粒中砷含量范围为0.009 56～0.027 8 mg·kg-1g，玉米中籽粒砷含量范围为0.002 5～0.012 9 mg·kg-1；小麦籽粒中镉含量范围为0.025 4～0.061 3 mg·kg-1，玉米籽粒中镉含量范围为0.002 5～0.013 5 mg·kg-1。

4.3.2 结果评价

检测结果按《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2022）有关规定进行评价，详见表2。