有机钙蛋白对土壤改良效果及其影响评价

吴瑞华，戴金鹏，傅湘绮

（1. 天津纽艾格农业科技有限公司，天津 410100；2. 长沙县农业和林业局，湖南 长沙 410100）

有机钙蛋白对土壤改良效果及其影响评价

吴瑞华1，戴金鹏2，傅湘绮2

（1. 天津纽艾格农业科技有限公司，天津 410100；2. 长沙县农业和林业局，湖南 长沙 410100）

采用田间试验，研究了试验田土壤重金属含量、有机钙蛋白土壤改良剂施用对土壤及稻米重金属含量、水稻及其秸秆产量的影响，开展了地积累指数法和Hakanson潜在生态风险指数法评价。结果表明，土壤中的阳离子交换量在各处理中的差异不明显。重金属元素中全Cd、Cr含量在各处理中变化小，而Pb、有效Cd、Hg、As含量在各处理中差异性显著。土壤中Pb含量随着改良剂的增加呈先升后降的趋势，而有效镉含量随改良剂的增加，逐渐下降，二者具有显著的线性关系。各处理下稻米中的重金属Cr和Hg均未检测出，Pb和As含量远低于国家标准的限值，且不同处理间无显著性差异。随着改良剂的增加，稻米中Cd的含量逐渐减少，水稻及其秸秆产量明显增加。地累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法评价值均随改良剂施用量的增加而减小，改良剂施用量1 000 kg/667m2较为适宜，降Cd效果、稻谷产量及经济性等综合效益最优。

土壤；水稻；重金属；有机改良剂；污染

人口急剧增长，工业迅速发展，人类活动加剧，产生了系列的环境污染问题[1-2]。环境保护部和国土资源部2014年联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国耕地土壤污染点位超标率达19.4%，其中重金属超标点位数占全部超标点位数的82.8%[3-4]。由此可见，土壤中重金属污染是中国重要的环境污染问题之一，造成生态平衡破坏，生境质量恶化。进入土壤中的重金属不仅影响植物发育、品质，而且通过土壤—作物系统迁移和食物链传输，对人体健康构成严重威胁。国外在耕地土壤重金属的污染来源、空间分布及评价方法等方面开展了大量研究[5-6]。国内一些学者也从不同角度对耕地土壤重金属污染与治理进行了系列探索[7-10]。为了提高稻谷产量的同时，降低耕地与稻米重金属含量，保障稻米卫生安全，保证人类身体健康和提高稻米商品竞争力，有机改良剂在稻米产量与土壤重金属污染改良中得到了广泛应用，并取得了良好效果，成为当今研究的热点[11-15]。但有机改良剂对重金属含量的降幅效果参差不一，关于同一有机改良剂改良同性质重金属污染土壤的系统研究较少，为探明有机钙蛋白土壤改良剂施用对重金属污染稻田的调控效果，揭示土壤改良后秸秆、稻米产量的变化，笔者选在重金属污染典型稻产区，开展有机钙蛋白土壤改良剂施用的影响研究，评价其对降低稻米重金属积累的效果，以期为降低土壤、稻米重金属含量提供配套栽培技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及样品采集

试验地位于长沙县水稻栽培示范区——长沙县黄花镇回龙村，为湖南省农业委员会监控点位“430121-达标-0837”地块，供试土壤镉（Cd）含量约0.6 mg/kg，晚稻米镉含量0.64 mg/kg。采用5点采样法取10～15 mm土样，晚稻栽培前取基础土样1个，收割时每个重复小区取土样1个，充分混合，用四分法取1 kg样品放入聚乙烯塑料袋，将样品带回室内风干去杂后用木棒碾碎过2 mm筛，待测。同时，采用五点采样法每小区取稻谷样1个，每个样品1 kg。土壤样品采集与预处理参照《土壤环境监测技术规范》。

1.2 试验材料

供试水稻品种为常规稻黄花占，是目前长沙地区主种品种之一。试验用土壤改良剂为天津纽艾格农业科技有限公司生产的有机钙蛋白土壤改良材料，其中有机质质量分数（干基）≥20%，蛋白质质量分数（干基）≥8%，总养分(N+P2O5+K2O)（干基）≥5%，钙质量分数（干基）≥8%，pH值8.0～11.0，水分≤30%[17]。

1.3 试验设计

试验共设5个处理，处理随机区组排列，采取随机区组设计，每个处理3次重复，处理中每个小区面积30 m2。处理T1（对照CK）：常规施肥，不施土壤改良剂；处理T2：在T1的基础上，改良材料与基肥同时施用，用量300 kg/667m2；处理T3在T1的基础上，改良材料与基肥同时施用，用量500 kg/667m2；处理T4：在T1的基础上，改良材料与基肥同时施用，用量1 000 kg/667m2；处理T5：在T1的基础上，改良材料与基肥同时施用，用量1 500 kg/667m2。其他管理均按当地高产栽培的大田生产管理。

1.4 样品的分析

pH值（水土比2.5∶1）用pH计测定；有机质采用水合热重铬酸甲氧化一比色法测定；样品全量的消解采用HF-HClO4-HNO3混合酸在聚四氟乙烯干锅中消化后用ICP-OCS测定。汞（Hg）和砷（As）等测试方法为原子荧光法；使用仪器为AA-3500G、AFS-230α原子荧光仪。各重金属标准铅（Pb）为GB/T17141—1997，镉（Cd）为GB/T17H1—1997，铬（Cr）为GB/T17137—1997。稻田土壤重金属含量评价执行《土壤环境质量标准GB15618—1995》二级标准，稻米重金属含量评价执行《食品安全国家标准食品中污染物限量GB2762—2012》。

1.5 评价方法

农业土壤重金属污染状况与稻米重金属含量息息相关，对农田施用改性剂后土壤中的重金属污染评价是判断此农业土壤改良效果的最直接方法。目前，评价土壤污染程度的方法主要有单因子法、综合指数法、地累积指数法等，各种评价方法都有各自的优缺点，使用的范围没有统一的规定，而且这些评价方法没有被系统化的分类[17]。本试验研究采用地积累指数评价法、Hakanson潜在生态风险指数法对试验地改良前后土壤的重金属污染程度进行评价。

1.5.1 地积累指数法地积累指数是由德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller于1979年提出的一种研究水环境沉积物中污染物污染的定量指标[18]，利用地累积指数法评价土壤中重金属污染状况及程度较为科学和直观。该法不仅考虑了人为污染因素和环境地理化学对背景值的影响，还考虑了自然成岩作用引起的背景值的变动的影响。地累积指数法常被用来分析土壤重金属污染的评价，计算公式为：

式中，Cn为样品中元素n的浓度（mg/kg）。BEn为土壤环境质量标准中的二级标准值，常数1.5为转换系数。按照地积累指数法，土壤重金属污染可划分为7个等级[18]（表1）。

表1地积累指数（Igeo）与污染程度分级

1.5.2 潜在生态风险指数法潜在生态风险指数法由瑞典科学家Hakanson于1980年提出，由于考虑到不同重金属的毒性差异及环境对重金属污染的敏感程度，此方法能更准确地表示重金属对生态环境的影响[19]。该方法不仅考虑了重金属含量，还将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用了可比性、等价属性指数分级进行评价，进而对潜在的生态危害进行评价[20-21]。其计算公式为：

表2潜在生态风险评价指标与分级关系

1.6 数据处理与分析

试验数据用SPSS软件对土壤和稻米重金属含量在不同处理方式下进行统计分析，采用Excel统计分析软件进行各污染物单项污染指数和综合污染指数的计算。

2 结果与分析

2.1 试验田土壤重金属含量分析及评价

试验田土壤中的pH值及重金属元素含量见表3。从表3中可知，试验田的pH值约为5.5，土壤为酸性。土壤中的重金属元素Pb、Hg、As和Cr等重金属含量均未超过国家二级标准，而Cd含量超标，通过地累积指数法评价土壤中的镉污染评级为Ⅰ级，属轻度—中度污染程度；而潜在生态风险指数法评为Ⅱ级，属生态危害中等程度。地累积指数法评价土壤中的其余重金属元素污染程度为清洁，而潜在生态风险指数法评价为生态轻微危害程度，多种污染物潜在生态风险指数RI为80.4，属于低污染程度。

2.2 改良剂施用对土壤及稻米重金属含量的影响

试验通过施用不同量的改良剂研究了其对土壤的pH值、阳离子交换量及重金属含量的影响，同时分析了其对稻米中重金属含量的影响。不同处理土壤中的pH值、重金属元素含量及阳离子交换量详见表4。

通过差异显著性分析发现，土壤的pH值在各处理下具有差异显著性（P＜0.05），随着改良剂量的增加，土壤pH值逐渐升高，二者呈显著线性关系，关系式为：

式中，pH表示土壤pH值；x表示改良剂添加量（kg/667m2）。阳离子交换量在各处理中的差异不明显。重金属元素中全Cd、Cr含量在各处理中变化不大，而Pb、有效Cd、Hg、As含量在各处理中具有一定的差异显著性。铅含量随着改良剂添加量的增加呈先升后降的趋势，在T3处理中含量最大，较常规组T1处理增加了3.7%，在T5处理中则减少了2.3%。有效镉随改良剂的添加，逐渐减小，二者具有显著的线性关系，即：

式中，CCd为土壤中有效镉的含量（mg/kg）；x表示改良剂添加量（kg/667m2）。可知T5处理土壤中的有效Cd降低18.5%。土壤中Hg的含量随改良剂的增加呈先降后升的趋势，在T2处理中减少了16.3%，在T5处理中则升高了12.5%。土壤中As的含量与土壤中改良剂添加量呈极显著的线性相关（P＜0.01），即：

式中，CAs为土壤中As的含量（mg/kg）；x表示改良剂添加量（kg/667m2）。

各处理中稻米中重金属的含量如表5所示。其中铬和汞均未检测出，铅和砷含量有检出但远低于《食品安全国家标准食品中污染物限量GB 2762—2012》的限值，且不同处理间不具有差异显著性。随着改良剂的添加，稻米中Cd的含量逐渐减少，二者间具有明显的指数递减关系，即：

式中，C'Cd为稻米中Cd的含量（mg/kg）；x表示改良剂添加量（kg/667m2）。可知稻米中镉的含量分别降低了21.2%、48.4%、57.8%和73.5%。

表3试验田重金属元素含量及污染评价指数

表4不同处理下土壤中pH值及重金属元素含量的变化情况

表5稻米中重金属含量（mg/kg）

因此施用不同用量的纽艾格有机钙蛋白土壤改良材料对降低土壤中有效Cd和米Cd含量效果明显，同时能改善南方酸性土壤。

2.3 改良剂施用对水稻及其秸秆产量的影响

试验对施用改良剂后的水稻及其秸秆产量进行了研究，各处理下水稻及其秸秆产量如图所示。由图可知，各处理间的差异不明显，常规处理T1下的稻谷和稻草产量分别为367和354 kg/667m2，T2处理下的水稻及其秸秆产量和T1处理基本一致，而T3、T4、T5处理下的水稻和秸秆产量较常规组T1处理有少量增加，水稻产量分别提高了11.9%、14.5%和13.5%，秸秆产量分别提高了10.5%、7.6%和10.2%。说明纽艾格有机钙蛋白土壤改良材料能促进水稻生长，在增加水稻秸秆生物量的同时，提高水稻的产量。这主要是由于有机钙蛋白富含有机质、蛋白质等成分，其施用后改善了水稻、土壤理化性质，有利于水稻的吸收，促进了水稻的生长。

图1不同处理下水稻及其秸秆产量

2.4 地积累指数法和Hakanson潜在生态风险指数法的评价结果

试验区域土壤重金属元素在地累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法评价下的污染评级如表6所示，由表6可知，2种评价方法的结果存在差异。用地累积指数法评价土壤Pb、Hg、As和Cr 4种元素时不存在污染，而用潜在生态风险指数法评价时，存在轻微危害。用地累积指数法评价土壤全Cd时存在轻度—中度污染，而用潜在生态风险指数法评价结果为中度危害。2种方法的结果存在差异的原因可能是前者主要考虑外源重金属富集程度，而后者在此基础上还考虑了不同重金属的生物毒性的影响。此外，土壤中有效Cd在地累积指数法评价时，只有T1处理存在轻度—中度污染，其余处理下无污染，潜在生态风险指数法评价时，T1、T2、T3处理均存在中度危害，而T4、T5处理为轻微危害。T1～T5各处理的多种污染物潜在生态风险指数RI分别为95.3、95.8、102.3、98.4和98.8，均小于150，属于低污染程度。2种评价方法的评价污染指数均随改良剂的添加量的增加而减小，说明改良剂的添加能降低土壤中有效Cd的污染程度，且改良剂添加量为1 000 kg/667m2为宜。

3讨 论

添加土壤改良剂是降低耕地重金属有效性和水稻对重金属吸收量的有效途径之一[22-23]，施入改良剂后，土壤理化性质会发生一定变化，从而改变重金属在土壤中的形态，进而影响其迁移活性。研究发现，添加石灰可以增加Cd污染土壤上作物生物量[24-25]，这些研究的土壤污染土壤均为酸性土壤，但郭利敏等[26]研究结果发现，石灰处理对小白菜生物量影响不大。该试验通过对施用有机钙蛋白土壤改良剂的不同处理差异显著性分析，发现土壤的pH值在各处理下具有差异显著性（P＜0.05），随着改良剂量的增加，土壤pH值逐渐升高，二者呈显著线性关系；阳离子交换量在各处理中的差异不明显。重金属元素中全Cd、Cr含量在各处理中变化不大，而Pb、有效Cd、Hg、As含量在各处理中具有一定的差异显著性。原因可能是有机钙蛋白含钙，钙的加入促进了南方酸性土有效Cd的钝化。

植物对重金属的吸收及土壤有效态重金属含量受土壤pH值、有机质含量、阳离子交换量等影响。研究表明，土壤pH值是影响土壤中重金属有效态和植物吸收的最主要原因[26-27]。陈宏等[28]研究也表明，随着石灰用量的增加，土壤有效态Cd含量下降，植物各器官Cd含量降低。试验中添加的有机改良剂，或是通过提高耕地pH值，或是通过增加有机质，使耕地有效Cd和水稻Cd含量显著降低，与以上研究结果一致。有机改良剂增加了土壤pH值，并与重金属发生沉吸、附淀、络合等一系列反应，从而显著降低耕地重金属的生物有效性和水稻对重金属的吸收量。

表6不同处理下土壤重金属元素在2种评价方法的污染评级

有机改良剂的施用能提高植物的生物量。经研究发现，T3、T4、T5处理下的水稻和秸秆产量较常规组T1处理有少量增加，水稻产量分别提高了11.9%、14.5%、13.5%，秸秆产量分别提高了10.5%、7.6%、10.2%。这与有机钙蛋白富含有机质、蛋白质等成分有关。可见本试验中的有机改良剂对土壤的改良效果非常好，值得推广应用，但针对不同土壤理化性质和不同重金属污染程度的耕地的改良效果还需进一步研究。

4 结 论

（1）未施有机钙蛋白土壤改良剂前试验地土壤呈酸性，土壤中Hg、Cr、Pb、As的含量均未超标，只有Cd的含量超标，达到0.617 mg/kg。多种污染物潜在生态风险指数RI为80.4，属于低污染程度。

（2）阳离子交换量在各处理中的差异不明显。重金属元素中全Cd、Cr含量在各处理下变化不大，而Pb、有效Cd、Hg、As含量在各处理下具有一定的差异显著性。Pb含量随着改良剂添加量的增加呈先升后降的趋势，有效Cd随改良剂的添加逐渐减小，二者具有显著的线性关系。

（3） 各处理下稻米中重金属Cr和Hg均未检测出，Pb和As含量有检出但远低于《食品安全国家标准食品中污染物限量GB 2762—2012》的限值，且不同处理间不具有差异显著性。随着改良剂的添加，稻米中Cd的含量逐渐减少，二者间具有明显的指数递减关系，施用不同用量的纽艾格有机钙蛋白土壤改良剂对降低土壤有效Cd和米Cd含量效果明显，同时能改善南方酸性土壤，提高土壤中的pH值。

（4）试验地改良后增加了水稻及其秸秆产量。纽艾格有机钙蛋白土壤改良剂能促进水稻生长，在增加水稻生物量的同时，提高了水稻的产量。

（5）地累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法的评价污染指数均随改良剂的添加量的增加而减小，说明改良剂的添加能降低土壤中有效镉的污染程度，且改良剂施用量1 000 kg/667m2较为适宜，此时，降镉效果、稻谷产量及经济性等综合效益最优。

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（责任编辑：肖彦资）

Effects of Organic Calcium Protein on Soil Improvement and Its Evaluation

WU Rui-hua1，DAI Jin-peng2，FU Xiang-qi2
（1. Tianjin New Etam Agricultural Science and Technology Co., Ltd., Tianjin 410100, PRC; 2. Agricultural and Forestry Bureau of Changsha County. Changsha 410100, PRC）

The field experiment with organic calcium protein soil modifier was conducted to determine heavy metals in soil and the regulation effects on the soil, heavy metal in rice and yields of rice grain and straw in this study. The results showed that, among various treatments, there was no significant difference in the cation exchange capacity of the soil, the contents of total Cd and Cr had no significant difference, but the contents of Pb, Hg, As and effective Cd had an obvious difference. With the increase of modifier application, the content of Pb indicated the trend of an increase first and then a decrease later, but the content of effective Cd had decreased gradually, and the two had a significant linear relationship. In the various treatments, no Cr nor Hg was detected out in rice grain, and the contents of Pb and As checked out were far lower than the national standard limit value and were of no significant difference. With the increase of amendments, the content of Cd in rice decreased gradually, and the yield of rice and straw increased obviously. Both the geo-accumulative index and Hakanson potential ecological risk index used to evaluate the pollution index were decreased as the application amount of modifier increased. The ideal use rate of modifier was about 15 000 kg/hm2, which was of the optimal comprehensive effect on cadmium reduction, yield of rice grain and economical efficiency.

soil; rice; heavy metal; organic modifier; pollution

S156

：A

：1006-060X（2017）08-0031-06

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.009

2017-05-08

天津市滨海新区塘沽管理委员会科技创新项目（2013CX 05-04）

吴瑞华（1981-），女，河北廊坊市人，工程师，主要从事有机钙蛋白资源化产品开发及应用。

戴金鹏