组配改良剂对土壤和水稻糙米重金属积累的影响

林晓燕， 熊云武， 裴东辉， 黄 雷， 刘登彪， 任 重， 龚亚龙， 赵 亮， 许建新

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040)



组配改良剂对土壤和水稻糙米重金属积累的影响

林晓燕， 熊云武， 裴东辉， 黄 雷， 刘登彪， 任 重*， 龚亚龙， 赵 亮， 许建新

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040)

摘要[目的]研究组配改良剂对Cd污染稻田的修复效果。[方法]在湖南省长沙县春华镇污染稻田进行了组配改良剂的田间试验，设4个处理，分别为T1：未添加改良剂(CK)；T2：生石灰(0.1%)翻耕整地时混施；T3：TH01(0.4%)+生石灰(0.1%)翻耕整地时混施；T4：翻耕整地时混施TH02(0.4%)，分蘖前期撒施生石灰(0.1%)。研究添加改良剂对水稻产量、重金属含量和土壤重金属含量的影响。[结果] 4个处理间水稻分蘖情况、子粒生物量差异不明显；T3处理子粒的Cd含量最低，且T3、T4处理水稻子粒的Cd含量分别降低了45.22%、38.14%，而与T2处理相比，T3、T4处理水稻子粒Cd含量分别降低36.16%、27.91%；不同生长期水稻茎叶、根Cd含量与土壤醋酸铵Cd含量呈线性相关关系。[结论]可在孕穗期后水稻进入灌浆期前采取农艺措施或添加稳定剂降低稻田土壤醋酸铵Cd含量，从而降低水稻子粒Cd含量。

关键词Cd；组配改良剂；水稻；土壤

湖南省作为我国“鱼米之乡”、“有色金属之乡”，随着长期的矿业活动，导致稻田和水稻受到严重的重金属污染[1-3]。近年来，镉米事件严重威胁人们的身体健康，同时也造成了巨大的经济损失。因此，对重金属污染稻田进行修复，降低水稻中Cd含量，使其符合食品标准，是当前亟待解决的问题之一。近年来，针对农田土壤重金属污染修复治理，化学稳定化技术或化学改良技术成为研究热点[4]。常用的改良剂有石灰、海泡石、钙镁磷肥、磷灰石、坡缕石和沸石等[5-8]。针对单一改良剂降低土壤中重金属有效态含量的不同，对土壤修复效果不同，采用多种改良剂配施或组配已有一些研究报道。周歆等[9]研究表明，施用组配改良剂石灰石+海泡石可显著降低水稻糙米重金属含量，Cu、Pb和Cd最大降幅分别为37.4%、55.8%和66.9%。周航等[10]研究表明，组配改良剂碳酸钙+海泡石、羟基磷灰石+沸石均能显著降低土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的生物有效性，且土壤Cu、Pb、Cd的TCLP提取态含量与水稻根系和糙米中Cu、Pb、Cd的含量之间存在显著或极显著的正相关关系。刘维涛等[11]的盆栽试验表明，组配改良剂石灰+鸡粪+过磷酸钙能显著降低小白菜地上部分中Pb和Cd含量。目前，石灰因其可有效降低土壤重金属有效态含量，且成本低廉，在湖南长株潭重金属污染耕地修复试点已广泛应用。而对于其他改良剂，更多的停留在实验室研究阶段，大田应用研究较少。笔者在前人的研究基础上，以生石灰为基础，采用自主研发的改良剂TH01、TH02配合生石灰进行施用，并设置不同阶段的施用方式，进行大田试验研究，研究不同改良剂对水稻生长的影响，土壤重金属的稳定化效果及降低水稻重金属含量的作用，以期为修复Cd污染稻田提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况试验田位于湖南省长沙县春华镇某污染农田，属于亚热带季风性湿润气候，具有春季低温多雨，夏季高温光强，秋季温和少雨，冬季冷湿的特点，年平均气温为17.2 ℃，年均日照时数为1 600 h，年平均降雨量1 361 mm。在试验过程中，试验田均通过水渠引水灌溉。该试验田土壤基本理化性质：pH 5.64±0.10，全N含量0.150±0.020 g/kg，全P含量0.500±0.030 g/kg，全K含量3.830±1.460 g/kg，有机质含量17.020±0.530 g/kg，全Cd含量0.420±0.030 mg/kg，醋酸铵Cd含量0.113±0.005 mg/kg。与国家土壤环境质量二级标准(GB 15618—1995)相比(Cd含量为0.300 mg/kg)，全Cd含量超标。

1.2供试材料供试改良剂：TH01、TH02为深圳市铁汉生态环境股份有限公司研制，其中，TH01的主要成分为生物炭、铁粉、海泡石，TH02的主要成分为生物炭、铁粉、海泡石、钙镁硅肥；生石灰，采购于浏阳市高坪镇鼎鑫石灰厂。供试复合肥：白俄罗牌(20-8-12)，采购于江西开门子肥业集团有限公司。供试水稻：品种为玉针香，常规中熟晚籼，湖南省水稻研究所研制，育苗后进行移栽。

1.3试验设计试验设4处理，T1：未添加改良剂(CK)；T2：0.1%生石灰，翻耕整地时混施;T3:0.4% TH01+0.1%生石灰，翻耕整地时混施;T4:翻耕整地时混施0.4%TH02，分蘖前期撒施0.1%生石灰。每处理5次重复，共20个试验小区。每小区面积为7.00 m×2.86 m，随机排列。

1.4田间管理试验开始时，试验田不施任何肥，将田耕作耙平，实行单排单灌，每小区埂下宽0.30 m，小区埂高出田面0.10 m，小埂分3次做完，做1次沉实1次，做完小区埂后，在小区埂上盖质量好的地膜(地膜幅宽0.80 m)，防止小区间串肥串水。移栽前1周，分区基施复合肥，每小区施1.5 kg，并将每处理施加改良剂到相应的小区中，人工用六齿耙将复合肥、改良剂均匀混入泥中并用木烫板烫平稻田。水稻种子浸种、催芽后，于2015年6月18日播种，7月15日移栽，种植密度20 cm×23 cm，每蔸移栽4～5株基本苗。在植物生长期按常规方法进行管理。

1.5样品采集与分析测定

1.5.1植物样品采集与分析测定。于水稻生长分蘖期，每7 d调查水稻分蘖情况，每个观察记载点定8蔸；于水稻成熟期收割、脱粒，调查每个小区子粒生物量。分别于种植前、分蘖期、孕穗期、灌浆期、成熟期采集每个小区水稻茎叶、根样品，并于成熟期采集每个小区子粒样品，采集时均按“S”型曲线采集5蔸，并混合成混合样，采集量0.5～1.0 kg，装入塑料密封袋，做好标记，运回实验室。在实验室用自来水和去离子水洗净，吸水纸吸干表面水。将茎叶、根样品置于烘箱内105 ℃杀青30 min，然后65 ℃、48 h烘干，称重。子粒样品置于室外自然风干。茎叶、根用万能粉碎机磨细，过0.25 mm尼龙筛，子粒用稻谷脱壳机脱壳成糙米，备测Cd含量。植物重金属采用HNO3-HClO4联合消煮(GB /T 5009.11-15—2003)，且用原子吸收光谱法测定Cd浓度。

1.5.2土壤样品采集与分析测定。分别于种植前、分蘖期、孕穗期、灌浆期、成熟期采集每个小区土壤样品，采集时各小区按“S”型曲线采集5点，采集深度0～20 cm，并混合成混合样，采集量约1 kg，样品采集后立即装入塑料密封袋，做好标记，运回实验室。在室内自然风干，除去土壤中的石块、植物根系和凋落物等，并研磨过20、100目尼龙筛，包装登记后保存，备测。土壤有机质、全N、全P、pH参照《土壤农业化学分析方法》[12]，全K、全Cd均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光谱法测定(GB/T 17138—1997)，Cd有效态含量采用醋酸铵浸提法。

1.6数据统计数据用Excel 2010处理，采用SAS 8.1 软件对数据进行多重比较，用SPSS 19.0 统计分析软件进行相关性分析。

2结果与分析

2.1不同处理对水稻产量的影响由表1可知，4个处理间水稻分蘖情况、子粒生物量差异不明显，各处理的分蘖数和子粒生物量从大到小依次为T4、T3、T2、T1。这表明施加的改良剂有利于植物分蘖，从而提高水稻子粒生物量。这可能是因为改良剂TH01、TH02均含有生物碳，生物碳除具有吸附重金属的作用外，在土壤中也能分解，促进植物生长，另外，T4处理改良剂TH02还含有钙镁硅肥，因此，植物生长较T3处理好，产量较T3处理高，水稻产量为7 399.8 kg/hm2。

表1　水稻分蘖数和子粒生物量

注：同列相同字母表示无显著差异(P<0.05)。

Note：The same letters stand for no significant difference(P<0.05).

2.2不同处理对水稻各部位重金属含量的影响由表2可知，T3、T4水稻子粒Cd含量明显低于CK和T2，子粒中T3处理Cd含量(0.23 mg/kg)最低。与CK相比，T3、T4子粒Cd含量分别降低了45.22%、38.14%，与T2相比，T3、T4处理水稻子粒Cd含量分别降低了36.16%、27.91%。

从水稻各部位而言，Cd含量从大到小依次为根、茎叶、子粒，且T3处理水稻茎叶和根Cd含量4个处理中最低，这可能是由于海泡石对降低糙米Cd含量的效果优于钙镁硅肥，也可能是T3生石灰在种植前添加时为混施，与土壤的接触面积比T4生石灰在分蘖期撒施时大，对土壤有效态含量降低更明显。

2.3不同处理对土壤pH和Cd含量的影响从图1可见，各处理土壤的pH均呈先升高后降低的趋势，且均在孕穗期达到最大值后下降。灌浆期前及灌浆期，各处理土壤pH从大到小依次为T3、T4、T2、T1，灌浆期后，各处理土壤的pH从大到小依次为T4、T3、T2、T1，这可能是由于T4为分蘖期撒施生石灰，与土壤接触面积较小，因此在撒施后并不能立即使土壤pH升高，但随着时间的延长，生石灰的碱性作用向下扩散，因此在后期T4处理土壤的pH高于T3。

表2　不同处理水稻各部位Cd含量

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note:Different lowercases in the same column stand for significant difference(P<0.05).

图1　不同处理各生长期土壤pH随时间的变化趋势Fig.1　The variation trend of pH with time in each growth period in different treatments

从图2可见，种植水稻后，各处理土壤醋酸铵提取态含量在孕穗期前随着时间的延长呈迅速下降趋势，孕穗期后，除T4处理仍处于下降趋势外，其他3个处理反而在孕穗期后迅速升高，在灌浆期后又下降，但总体趋势均较种植前低。

各时期土壤醋酸铵提取态含量分蘖期和孕穗期从大到小依次为T1、T2、T3、T4，灌浆期为T1、T2、T3、T4，成熟期为T1、T2、T3、T4，变化趋势与pH相对应。

图2　不同处理各生长期土壤醋酸铵Cd含量随时间的变化趋势Fig.2　The variation trend of ammonium acetate Cd content with time

2.4不同时期水稻各部位Cd含量与土壤醋酸铵提取态含量的关系由表3可知，不同时期水稻茎叶、根的Cd含量与土壤醋酸铵Cd含量呈线性正相关关系，且灌浆期T1处理茎叶、根的Cd含量与土壤醋酸铵Cd含量，成熟期T2处理根的Cd含量与土壤醋酸铵Cd含量呈显著线性相关关系，灌浆期T2处理根的Cd含量与土壤醋酸铵Cd含量呈极显著线性相关。这表明土壤中醋酸铵Cd含量的降低是水稻根Cd累积量减少的原因，进而影响茎叶Cd含量及子粒Cd含量，且随着水稻生长时间的延长，土壤醋酸铵的Cd含量对水稻茎叶、根Cd累积量的影响在灌浆期表现最为明显。因此，可在孕穗期后水稻进入灌浆期时采取农艺措施或添加稳定剂降低稻田土壤醋酸铵Cd含量，从而降低水稻子粒Cd含量。

表3　不同时期水稻茎叶、根Cd含量与土壤醋酸铵Cd含量的相关系数

注：*和**分别表示P<0.05和P<0.01显著水平，n=5。

Note：* and ** stands forP<0.05 andP<0.01 significant level,n=5.

3结论

(1)4个处理间水稻分蘖情况、子粒生物量差异不明显，从大到小依次为T4、T3、T2、T1，施加的改良剂有利于植物分蘖，从而提高水稻子粒生物量。

(2)T3处理子粒Cd含量(0.23 mg/kg)是4个处理中最低，且与T1对照处理相比，T3、T4处理水稻子粒Cd含量分别降低了45.22%、38.14%，而与T2处理相比，T3、T4处理水稻子粒Cd含量分别降低了36.16%、27.91%。

(3)土壤中醋酸铵Cd含量的降低是水稻Cd累积量减少的原因，不同时期水稻茎叶、根Cd含量与土壤醋酸铵Cd含量呈线性正相关关系。

参考文献

[1] 甘国娟,刘伟,邱亚群,等.湘中某冶炼区农田土壤重金属污染及生态风险评价[J].环境化学,2013,32(1)：132-138.

[2] 雷鸣,曾敏,王利红,等.湖南市场和污染区稻米中As、Pb、Cd污染及其健康风险评价[J].环境科学学报,2010,30(11)：2314-2320.

[3] 曾敏,廖柏寒,曾清如,等.湖南郴州、石门、冷水江3 个矿区As污染状况的初步调查[J].农业环境科学学报,2006,25(2)：418-421.

[4]刘丽.土壤重金属污染化学修复方法研究进展[J].安徽农业科学,2014(19):6226-6228.

[5] QIAN G，CHEN W，LIM T T,et al.In-situ stabilization of Pb,Zn,Cu,Cd and Ni in the multi-contaminated sediments with ferrihy-rite and apatite composite additives[J].Journal of hazardous materials,2009,170(2/3)：1093-1100.

[6] 章明奎,唐红娟,常跃畅.不同改良剂降低矿区土壤水溶态重金属的效果及其长效性[J].水土保持学报,2012,26(5)：144-148.

[7] 朱奇宏,黄道友,刘国胜,等.改良剂对镉污染酸性水稻土的修复效应与机理研究[J].中国生态农业学报,2010,18(7)：847-851.

[8] 徐明岗,张青,曾希柏.改良剂对黄泥土镉锌复合污染修复效应与机理研究[J].环境科学,2007,28(6)：1361-1366.

[9] 周歆,周航,曾敏,等.石灰石和海泡石组配对水稻糙米重金属积累的影响[J].土壤学报,2014,51(3)：555-563.

[10] 周航,周歆,曾敏,等.2种组配改良剂对稻田土壤重金属有效性的效果[J].中国环境科学,2014,34(2)：437-444.

[11] 刘维涛,周启星.不同土壤改良剂及其组合对降低大白菜镉和铅含量的作用[J].环境科学学报,2010,30(9)：1846-1853.

[12] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科学技术出版社,1999.

基金项目广东省科技计划项目(2015B090904008)；广东省软科学研究计划项目(2014B090903015)；深圳市科技计划项目(CXZZ20140418105252027)；深圳市战略性新兴产业发展专项资金(发改办高技[2013]2556号)；广东省工程技术研究开发中心入库项目(粤科函政字[2013]1589号)。

作者简介林晓燕(1988- )，女，广东汕头人，助理工程师，硕士，从事土壤污染与修复研究。*通讯作者，工程师，博士，从事土壤污染与修复研究。

收稿日期2016-04-22

中图分类号S 156

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)14-232-03

Effects of Improved Agent on Heavy Metal Accumulation in Soil and Brown Rice

LIN Xiao-yan,XIONG Yun-wu,PEI Dong-hui,REN Zhong*et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040)

Abstract[Objective] The aim was to study remediation effect of improved agent on Cd contaminated paddy soils.[Method] A field experiment of improved agent was conducted on a contaminated paddy soil in Chunhua Town,Changsha County,Hunan Province.Setting up 4 treatments,including T1：without improved agent(CK); T2：quick lime(0.1%),fertilizing in soil preparation process; T3：TH01 (0.4%) + quick lime(0.1%),fertilizing in soil preparation process; T4：TH02(0.4%),fertilizing in soil preparation process,quick lime(0.1%) applying at early tillering stage.Effects of adding improved agent on rice yield,heavy metal content and soil heavy metal content were studied.[Result] Rice tiller and grain biomass had no significant difference among 4 treatments; Cd content was lowest in T3 treatment,Cd content reduced 45.22% and 38.14% in T3 and T4,compared with T2,Cd content reduced 36.16% and 27.91% in T3 and T4.In different growth period,stems,leaves and roots Cd content showed linear correlationship with ammonium acetate Cd content.[Conclusion] In order to reduce brown rice Cd content,agronomic measures or adding passivator,could be implemented to reduce ammonium acetate Cd content in time after the booting stage of rice into the filling stage.

Key wordsCd; Improved agent; Rice; Soil