湖南重度鎘污染稻田鈍化管控技術研究

李少雄 羅波

摘要[目的]研究鈍化管控技術對重度鎘污染稻田的修復效果和水稻生長效應。[方法]選取湖南省鎘污染稻田作為案例地，并對其進行污染特征分析、風險評價，采用鈍化技術對其進行管控，最后對該管控技術進行分析與評價。[結果]采用鈍化管控技術能使土壤pH顯著提高，水稻稻米中鎘含量顯著降低，稻米中鎘降低29.45%～37.5%；能促進水稻生長并具有增產效果，增產2.51%～6.31%。[結論]結合水稻生長和稻米鎘含量的降低率以及鈍化劑成本看，鈍化劑的最佳添加量為3 000 kg/hm2。

關鍵詞鎘污染稻田；鈍化劑；污染特征；風險評價

中圖分類號X53文獻標識碼A

文章編號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

由于長期、無序的有色金屬開采、冶煉，導致湖南稻田土壤污染嚴重，成為我國耕地土壤優先管控和治理的示范區。然而2013—2015年遭遇嚴重的“鎘大米”污染事件，致使湖南省上萬噸大米重金屬鎘含量超標。

目前，鎘污染稻田的管控技術有單項管控技術，如水分調控、噴施葉面阻控劑、撒石灰、撒土壤調理劑、種植鎘低累積品種等；組合技術包括這幾種單項措施的相互組合，其中在湖南應用較廣泛的技術為vip+n（v為種植鎘低累積品種、i為淹水灌溉，p為調pH，n為噴施葉面阻控劑、撒施土壤調理劑等）管控技術。不管是哪種管控技術，降低稻米中鎘的途徑包括減少鎘從土壤向植株的輸送；阻斷鎘從植株根部向稻米的轉運。

該研究主要采用鈍化管控技術來減少土壤中鎘的有效態從而減少鎘從土壤向植株的輸送。該技術的關鍵在于選擇合適的鈍化劑，常用的鈍化劑種類包括含磷材料、堿性材料、黏土礦物、鐵錳氧化物以及有機物質等[1]。這些材料能夠通過離子交換、沉淀、吸附等機理改變重金屬在土壤中的存在形態，降低重金屬在土壤中的移動性及生物有效性[2-5]。

采用鈍化技術修復重金屬污染稻田土壤的研究較多[6-8]，但選取一塊案例地對其進行污染特征分析、風險評價、技術管控及成效評價的系統研究較少。筆者選取常寧市重度鎘污染區域稻田作為案例研究地，對其進行污染特征調查、風險評價，采用鈍化技術對其進行管控，最后對管控技術進行分析與評價，旨在為鎘污染稻田鈍化技術的系統性評估提供實踐基礎。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試水稻品種：選取適合湖南種植的水稻品種——玉針香。供試土壤：湖南省常寧市0～20 cm的耕層土壤。其理化性質：pH 7.12，速效磷47.2 mg/kg，速效鉀129.3 mg/kg，堿解氮130.6 mg/kg，有機質41.3 g/kg，總鎘18.03 mg/kg，速效鎘1.15 mg/kg。

供試鈍化劑主要成分為氧化鈣、海泡石、氧化鎂、氧化硅，重金屬含量：Pb<0.001%，As<0.000 5%，Cr為0.002 1%，Cd為0.000 2%，Hg<0.000 5%，均低于《水溶肥汞、砷、鎘、鉛、鉻的限量要求》（NY1110）中標準限值要求。鈍化劑理化性質：pH 10.1，CaO 30.24%，SiO2 7.18%，MgO 19.85%，水分5.18%，粒度（≤5.00 mm）≥92%。

1.2試驗設計

在犁田完后分成3個區：空白區（CK）、鈍化劑施加量3 000 kg/hm2處理區（T1）、鈍化劑施加量6 000 kg/hm2處理區（T2）。每個區面積為50 m2，隨機區組排列，各小區用泥梗隔開，單排單灌，避免水肥相互串混，整個生育期其他田間管理與農戶種植保持一致。

1.3樣品采集與分析

（1）樣品采集。按照隨機布點法進行布點采樣，在犁田前采集土壤樣品，測定其理化性質；水稻成熟期，嚴格按照5點法一對一采集土壤和植物樣品。土壤檢測指標為pH；稻米檢測指標為全鎘。

（2）樣品分析。土壤樣品：土壤pH、有機質、堿解氮、速效鉀、速效磷等理化性質均采用土壤農化分析與環境監測中的方法進行分析[9]；土壤中速效態鎘采用鹽酸（0.1 mol/L）法[10]提取后采用火焰原子吸收分光光度儀測定；土壤總鎘采用HFHClO4HNO3消解后，用火焰原子吸收分光光度儀測定。

鈍化劑：pH按HG/T 4219—2011《磷石膏土壤調理劑》標準規定的方法執行；汞、砷、鎘、鉛、鉻、鐵、鉀、鈉按照NY/T 1978—2010 肥料汞、砷、鎘、鉛、鉻含量的測定方法執行；氧化硅按照NY/T 2272—2012中硅含量的測定執行；氧化鎂、氧化鈣按照NY/T 2272—2012中（原子吸收分光光度法）氧化鎂、氧化鈣含量的測定執行；粒度按GB/T 20412—2006鈣鎂磷肥標準執行。

水稻：葉綠素、株高和葉面積在抽穗期進行測定，其中株高、葉面積用卷尺進行測定，葉綠素用葉綠素測定儀進行測定。百粒重、有效穗、結實率、生物量和產量在水稻成熟期測定，其中百粒重、有效穗、結實率采用人工觀測法進行測定，生物量及產量采用自然風干法進行風干后用稱量法測定。

稻米：水稻稻米鎘是在105 ℃烘箱中烘干后采用人工去殼法對其分離，采用《食品中鎘的測定》GB 5009.15—2014預處理后采用石墨爐-原子吸收分光光度儀測定。

1.4數據分析試驗數據采用Excel 2007及SPSS 16.0進行統計和分析。

2結果與分析

2.1污染特征分析案例地位于湖南省常寧市某農戶稻田，該地域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，土壤類型為中堿性紅黃壤，主要糧食作物為水稻，主要污染源為上游廢渣堆放導致地表水徑流引起的污染。

針對該案例地土壤進行了污染特征調查，共采集表層土壤樣品5個，該案例地主要污染因子為鎘，其總量為18.3～26.3 mg/kg，有效態含量為0.81～1.44 mg/kg。污染狀況見1～2。案例地水稻稻米重金屬含量：Cu 1.03 mg/kg，Cr 1.4 mg/kg，Ni 0.75 mg/kg，Cd 1.41 mg/kg。

2.2風險評價

土壤重金屬評價臨界值以我國《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）二級標準為參照，采用單項污染指數法對土壤重金屬污染狀況進行評價。計算公式：Pi=Ci/Si。式中，Pi為單項污染指數；Ci為土壤污染物實測濃度；Si為污染物的評價標準值或參考值。Pi≤1，表示無污染；15，表示重度污染。該案例地土壤鎘Pi平均值為71，因此為重度鎘污染土壤。

采用雙因子污染指數評價方法對案例區污染狀況進行風險評價，土壤安全水平劃分依據見表3，Pimax為87.6，農產品污染指數Ei為7.05，土壤安全水平處于極高風險。

2.3成效評價案例地通過農業部雙指標法評價為高風險案例地，選取黏土類、鈣基類及堿性物質作為鈍化劑進行管控，鈍化劑用量設置3個梯度，分別為（0、3 000和6 000 kg/hm2），試驗分區見圖1。

2.3.1鈍化技術對土壤pH的影響。

通過采集鎘污染稻田土壤對其pH進行測定，結果見圖2，案例地重度鎘污染稻田土壤呈中堿性，采用鈍化技術管控后，土壤pH顯著提高，隨著鈍化劑添加量的增加，pH呈增大趨勢。

2.3.2鈍化技術對稻米鎘含量的影響。

通過采集鎘污染稻田土壤中水稻，并對其稻米中總鎘含量進行測定，結果顯示（圖3），較空白相比，重度鎘污染土壤中稻米總鎘在施加鈍化劑后顯著降低，T1處理下的稻米總鎘降低了29.45%，T2處理下稻米總鎘降低了37.50%，但由于案例地屬于高風險案例地，稻米中總鎘在施加鈍化劑處理后均未達到《食品安全國家標準食品污染物限值標準》，即鎘≤0.2 mg/kg。

2.3.3鈍化技術對水稻生長的影響。

為了研究和考察重度鎘污染稻田采用鈍化管控技術后對水稻生長效應的影響，測定了水稻的百粒重、有效穗、結實率、生物量、產量、葉綠素、株高和葉面積。

施加鈍化劑對水稻百粒重、有效穗、結實率和生物量的影響見圖4。由圖4可知，較空白相比，施加鈍化劑后百粒重和生物量呈增加趨勢，而有效穗和結實率略呈下降趨勢，但均無顯著差異。

施加鈍化劑后對水稻產量的影響見表4。由表4可知，與空白相比，施加鈍化劑后水稻產量有所增加，T1處理水稻增產6.31%，T2處理水稻增產2.51%。

鈍化劑對水稻株高、葉綠素和生長指標的影響見表5。由表5可知，與空白相比，施加鈍化劑后水稻株高、葉綠素及葉面積均有所提高，提高幅度分別為5.65%～8.91%、1.16%～6.72%、12.63%～13.36%。

3結論與討論

通過污染特征分析與風險評價，該案例地為高風險案例地，采用鈍化管控模式后，水稻稻米中鎘含量顯著降低，其中

鈍化劑施加量為3 000 kg/hm2的稻米中鎘降低29.45%，施加量6 000 kg/hm2的稻米中鎘降低37.50%，由此可見，施加量6 000 kg/hm2的稻米中鎘降幅大于施加量3 000 kg/hm2的稻米中鎘降幅，這與其他研究者的結果基本一致[11-12]。這是由于施加鈍化劑后一方面提高了稻田土壤中的pH，促進對重金屬陽離子的吸附，從而降低土壤重金屬的遷移性和有效性；另一方面，鈍化劑是由海泡石、氧化鈣和赤泥復配而成，王林等[13]研究表明，施用海泡石可提高土壤pH、物理化學吸附以及生成礦物沉淀等作用，促進污染土壤中鎘活性高的交換態向活性低的殘渣態轉化，從而達到鈍化修復鎘污染土壤的目的。同時通過觀察和測算水稻百粒重、有效穗、結實率、生物量、產量、葉綠素、株高和葉面積可知，采用鈍化管控模式能增加水稻產量、葉綠素、株高、葉面積、百粒重和生物量，對水稻生長無負面影響。這是由于鈍化劑中含有一定成分的硅、鈣能促進植物的正常生長，有增優質、增強作物抗脅迫的能力[14]。

該研究采用鈍化管控模式后，稻米鎘含量顯著降低，有增產效果，對水稻生長無負面影響，但未達到《食品安全國家標準食品污染物限值標準》，即鎘≤0.2 mg/kg，結合水稻生長和稻米鎘含量的降低率以及成本看，該研究鈍化劑的最佳添加量為3 000 kg/hm2，下一步擬采用組合修復管控模式進一步研究。

參考文獻

[1]黃益宗，郝曉偉，雷鳴，等. 重金屬污染土壤修復技術及其修復實踐[J]. 農業環境科學學報，2013，32（3）：409-417.

[2] IKSONG HAM，胡林飛，吳建軍，等.泥炭對土壤鎘有效性及鎘形態變化的影響[J].土壤通報，2009，40（6）：1436-1441.

[3] MUSTAFA G，SINGH B，KOOKANA R S，et al.Cadmium adsorption and desorption behaviour on goethite at low equilibrium concentrations：Effects of pH and index cations[J]. Chemosphere，2004，57（10）：1325-1333.

[4] 賈樂，朱俊艷，蘇德純.秸稈還田對鎘污染農田土壤中鎘生物有效性的影響[J].農業環境科學學報，2010，29（10）：1992-1998.

[5] 王凱榮.農田生態系統鎘污染研究[D].武漢：華中農業大學，2004.

[6] 鄧騰灝博，谷海紅，仇榮亮.鋼渣施用對多金屬復合污染土壤的改良效果及水稻吸收重金屬的影響[J].農業環境科學學報，2011，30（3）：455-460.

[7] 高衛國，黃益宗，孫晉偉，等.赤泥和堆肥對土壤鋅形態轉化的影響[J].農業環境科學學報，2008，27（3）：879-883.

[8] 郝曉偉，黃益宗，崔巖山，等.赤泥和骨炭對污染土壤As化學形態及其生物可給性的影響[J].環境化學，2010，29（3）：383-387.

[9] 楊劍虹，王成林，代亨林.土壤農化分析與環境監測[M].北京：中國大地出版社，2008.

[10] 熊婕，朱奇宏，黃道友，等.南方稻田土壤有效態鎘提取方法研究[J].農業現代化研究，2018，39（1）：170-177.

[11] RAO Z X，HUANG D Y，ZHU Q H，et al. Effects of amendments on the available of Cd in contaminated paddy soil：A three-year field experiment[J].Journal of food，agriculture&environment，2013，11（3/4）：2009-2014.

[12] 范美蓉，羅琳，廖育林，等.赤泥對重金屬污染稻田土壤Pb、Zn和Cd的修復效應研究[J].安徽農業科學，2012，40（6）：3298-3300，3330.

[13] 王林，徐應明，孫國紅，等.海泡石和磷酸鹽對鎘鉛污染稻田土壤的鈍化修復效應與機理研究[J].生態環境學報，2012，21（2）：314-320.

[14] GRAY C W，DUNHAM S J，DENNIS P G，et al.Field evaluation of in situ remediation of a heavy metal contaminated siol using lime and red mud[J].Environmental pollution，2006，142（3）：530-539.