重金属镉污染农田土壤修复改良剂的制备及应用

杨涛 李建国 魏林根

摘要：针对江西省重金属镉污染农田，制备了一种土壤修复改良剂，该土壤修复改良剂是将生物炭与肥料等按一定比例混合后形成的一种混合肥料。选择早稻和晚稻为试材，设置了5个不同用量的土壤改良剂处理，同时以不施肥和常规施肥为对照，考察该土壤修复改良剂对降低镉污染农田中稻米镉含量有无作用。结果表明，随着土壤修复改良剂用量的增加，稻米中镉含量表现出降低趋势，但产量与常规施肥对照无显著差异。

关键词：镉污染;土壤修复改良剂;制备;应用研究

Abstract： A soil remediation improver was prepared for heavy metal cadmium from contaminated farmland in Jiangxi province. The soil remediation improver is a kind of mixed fertilizer formed by mixing biochar and fertilizer in a certain proportion. Taking early and late rice as materals， seven treatments， including five different soil remediation improver treatments and two control of no fertilizer  and conventional fertilization，were set up to test whether the soil remediation improver could reduce the cadmium content of rice seed in cadmium polluted farmland. The results showed that the Cd content in rice decreased with the increase of the amount of soil remediation improver，and the yield was no significant difference between soil remediation improver treatments and the conventional fertilization control.

Key words： cadmium pollution; soil remediation improver; preparation; application

随着中国经济的快速发展，农田土壤中的重金属污染越来越严重，从而导致农田土壤质量退化、农作物产品品质下降，重金属元素甚至通过食物链进入人体，进而严重危害人体健康[1]。根据原国家环境保护部及国土资源部联合公布的全国土壤污染公报显示，全国土壤总的污染点位超标率为16.1%，其中耕地土壤点位超标率高达19.4%，重金属污染形势非常严峻[2]。

目前，中国农田土壤重金属污染主要应用的修复技术包括固定化/稳定化技术、玻璃化技术以及植物修复等技术[3]。其中，固定化/稳定化技术是向农田土壤中施用重金属修复材料，通过改变土壤pH和重金属元素在土壤中的化学形态和赋存状态，增加吸附点位和促进重金属离子与土壤其他组分包括修复材料的共沉淀等过程，使土壤重金属生物有效态转化为生物不可利用的形态，从而抑制重金属在土壤中的迁移性和生物有效性，降低重金属污染物对环境生物的毒性，达到修复重金属污染土壤的目的。生物炭材料是一种新型土壤修复剂材料，具有疏松多孔的结构特点以及较大的比表面积，表面含氧官能团丰富，能吸附大量可交换性阳离子，是一種很好的重金属吸附材料[4，5]。此外，由于中国农业生产效益较低，如果施用单一作用的重金属修复材料很难发动农民积极投身到耕地重金属污染修复治理中来，而且土壤肥力也得不到保证。从农业生产实践的角度出发，最佳的土壤修复材料应该是既能够保持土壤的生态功能，提供土壤的肥力，又能够有效阻控重金属等污染物进入食物链。因此，开发一种既能修复重金属污染土壤，又能够提高土壤肥力的修复改良剂，是实现农田土壤边生产边修复技术的关键所在[6，7]。本研究针对江西省农田重金属污染土壤，尝试以生物炭与水稻所需的肥料结合，按照不同比例制成土壤修复改良剂施入农田土壤，探讨其对农田土壤修复的效果。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设置在江西省宜春市上高县某污染农田，土壤中镉污染是当地农田土壤中的主要污染物之一。试验开始之前，采集农田土壤样品带回实验室进行分析测试，经室内自然风干，磨细过筛，存于密封袋备用。土样测试结果显示，农田土壤pH 5.28，有机质含量为34.4 g/kg，全氮含量为2.72 g/kg，速效磷含量为43 mg/kg，速效钾含量为151 mg/kg，阳离子交换量为10.6 cmol/kg，全镉含量为0.35 mg/kg，有效态镉含量为0.21 mg/kg。

1.2 供试材料

供试作物有早稻醴两优422、晚稻万象优华占，均采购自附近农资市场。

所用土壤修复改良剂是将生物炭与肥料按相应比例混合后形成的一种混合肥料，既可以很好地保持土壤肥力，提升作物产量，实现土地的碳元素平衡，同时又可以起到降低作物镉含量富集的作用[8，9]。该土壤改良剂为固体颗粒，自制，其配比为N∶P2O5∶K2O∶C=12∶6∶11∶36。将尿素、过磷酸钙、氯化钾分别研磨、过筛，再与生物炭（本试验所用生物炭采用谷壳炭）按比例混合，加水搅拌后得到混合物料，将混合物料造粒成型并烘干后即得到试验所用的重金属镉污染土壤修复改良剂，造粒过程中控制粒径为3～5 mm。

1.3 试验设计

试验时间为2018年4—10月。试验设7个处理，包括不添加土壤修复改良剂的CK1（不施肥）、CK2（常规施肥）2个对照及T1、T2、T3、T4、T5共5个土壤修复改良剂+生石灰处理，其中土壤修复改良剂用量分别为0.15、0.38、0.75、1.13、1.50 kg/m2，生石灰用量均为0.075 kg/m2。每个处理设置3次重复，随机区组排列，设置21个试验小区，小区面积30 m2（5 m×6 m）。小区田埂用防渗聚乙烯塑料薄膜包裹，防止生育期内串水。田埂宽0.3 m，高出地面0.2 m。除各处理方式外，其余灌溉、病虫害防治、田间管理等农艺措施均保持一致。

本试验于2018年4月开始施底肥和钝化材料，采用人工撒施的方式均匀施入，然后翻耕、平整土地。在未受污染的秧田进行育秧，育好秧后移栽到试验小区。灌溉、病虫害防治、田间管理等农艺措施按照当地水稻高产优质栽培措施进行[10]。试验于7月收割早稻，然后翻耕土地，于8月种植晚稻，10月收获晚稻。

1.4 样品分析

分别收获各试验小区植株，每个小区收获6株，带回实验室处理，稻米去壳，采用硝酸消解法测定糙米中Cd含量。水稻产量测定为分别收获各试验小区水稻，自然风干，称重。

2 结果与分析

2.1 土壤修复改良剂对早稻产量和稻米全镉含量的影响

由表1可知，T1处理的早稻产量最高，小区平均产量为17.26 kg，折合产量为5 753 kg/hm2，显著高于CK1、T2和T3（P<0.05），但施用土壤修复改良剂的各处理与CK2间无显著差异;施加了土壤修复改良剂的5个处理早稻糙米中全镉含量为0.18～0.20 mg/kg，均未超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中规定的0.2 mg/kg，且随着土壤修复改良剂用量的增加，稻米中全镉含量表现出降低的趋势。

2.2 土壤修复改良剂对晚稻产量和稻米全镉含量的影响

由表2可知，T3和T5处理的晚稻产量最高，小区产量均为19.13 kg，折合产量为6 377 kg/hm2，显著高于CK1和T2（P<0.05），但施用土壤修复改良剂的各处理与CK2间无显著差异;施加了土壤修复改良剂的5个处理的晚稻糙米全镉含量为0.17～0.20 mg/kg，均未超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中规定的0.2 mg/kg，且随着土壤修復改良剂用量的增加，稻米中全镉含量表现出降低的趋势。

3 小结与讨论

本试验结果显示，T1处理的早稻产量最高，显著高于不施肥对照（CK1）、T2、T3处理;T3、T5处理的晚稻产量最高，显著高于不施肥对照（CK1）、T2处理，但施用土壤修复改良剂的各处理均与常规施肥对照（CK2）无显著差异，说明施用该土壤修复改良剂对水稻产量影响不大。此外，施用土壤修复改良剂配施生石灰后早稻和晚稻稻米中镉含量均未超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）标准，且随着施用土壤修复改良剂用量的增加，稻米中镉含量表现出降低的趋势。由此可见，施用该土壤修复改良剂对降低稻米中镉含量有一定的作用。

参考文献：

[1] 殷 飞，王海娟，李燕燕，等. 不同钝化剂对重金属复合污染土壤的修复效应研究[J]. 农业环境科学学报，2015，34（3）：438-448.

[2] 曾希柏，李莲芳，梅旭荣. 中国蔬菜土壤重金属含量及来源分析[J]. 中国农业科学，2007，40（11）：2507-2517.

[3] 陈志良，仇荣亮，张景书，等. 重金属污染土壤的修复技术[J]. 环境保护，2002，29（6）：21-23.

[4] 李 丹，李俊华，何 婷，等. 不同改良剂对石灰性镉污染土壤的镉形态和小白菜镉吸收的影响[J]. 农业环境科学学报，2015， 34（9）：1679-1685.

[5] 丛 源，陈岳龙，杨忠芳，等. 北京市农田土壤重金属的化学形态及其对生态系统的潜在危害[J]. 土壤，2009，41（1）：37-41.

[6] 黄春雷，陈国锋，宋金秋，等. 典型固废拆解区土壤 Cd、Cu含量特征及其对农产品安全的影响[J]. 生态与农村环境学报，2011，27（2）：1-5.

[7] 龙安华，刘建军，倪才英，等. 贵溪冶炼厂周边农田土壤重金属污染特性及评价[J]. 土壤通报，2006，37（6）：1212-1217.

[8] 崔红标，梁家妮，范玉超，等. 磷灰石等改良剂对铜污染土壤的修复效果研究——对铜形态分布、土壤酶活性和微生物数量的影响[J]. 土壤， 2011，43（2）：247-252.

[9] 黄 迪，张绍修，邓洪伟. 刍议我国污染场地修复现状与对策[J]. 四川环境，2012，31（S1）：188-193.

[10] 龙新宪，杨肖娥，倪吾钟. 重金属污染土壤修复技术研究的现状与展望[J]. 应用生态学报，2002，13（6）：757-762.