镉轻度污染农田水稻安全生产技术浅析

张丽君，吴学荣，项佳敏，章明奎

(1.平阳县农业农村局，浙江 平阳 325400； 2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

近些年来，我国农田土壤污染问题日渐突出。其中，稻米中镉等重金属的超标问题已引起公众的广泛关注[1-3]。平阳县地处我国东部沿海，随着经济的快速发展和农用物资投入的增加，生活与生产活动向环境中释放的重金属量也随之增加，农田土壤环境质量不容乐观。对平阳县域内农田土壤的取样监测结果表明，局部地区农田已出现镉的中轻度污染，部分稻米镉含量已超出国家标准。研究表明，作物从农田中吸收的重金属量与土壤重金属的污染程度及其有效性有关[4-6]，调控农田土壤中重金属的含量和活性可有效降低作物对重金属的吸收和积累[7-9]；因此，包括植物修复、稳定化、化学淋洗、土壤氧化/还原调控、电动(分离)修复等技术在内的方法已被建议用于土壤污染修复[10-14]。为加快平阳县“两区”(粮食生产功能区和现代农业园区)土壤污染防治工作，推进当地中轻度污染耕地的安全利用，基于我国污染农田治理积累的经验，本研究选择2.8 hm2代表性污染农田开展镉轻度污染农田安全利用技术示范试验，旨在建立适于平阳县推广应用的镉污染农田治理技术模式，为今后污染农田的安全利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在平阳县昆阳镇进行。地貌类型属水网平原，土壤类型为水稻土类脱潜水稻土亚类青紫塥黏田土属，土地利用方式为双季水稻。区内灌溉、排水设施完善，道路通达良好。土壤质地为黏壤土，面积约2.8 hm2。

1.2 处理设计

基于试验地土壤理化性状，共设5个处理：处理1，每667 m2施生石灰180 kg，水分按农户常规管理，面积0.533 hm2；处理2，每667 m2施150 kg钙镁磷肥，水分按农户常规管理，面积共0.467 hm2；处理3，全生育期淹水深灌(田面保持5～10 cm水层)，在收获前10 d排水，面积0.533 hm2；处理4，每667 m2施生石灰180 kg，同时全生育期淹水深灌(田面保持5～10 cm水层)，在收获前10 d排水，面积0.600 hm2；处理5，对照，不施用生石灰、钙镁磷肥，水分按农户常规管理，面积0.667 hm2。各处理中，生石灰和钙镁磷肥在早稻种植前撒施，结合翻耕与土壤混匀。试验同时在早稻和晚稻中进行，早稻和晚稻品种分别为甬优17和甬优1540。试验期间其他管理措施相同，采用农户习惯管理方式。

1.3 测试方法

于试验前，在试验区内采集13个耕层样品，分析土壤基础性状；在试验期间，采集8次灌溉水样和5个肥料样，分析镉含量。在水稻成熟期，分别在处理1～4的试验区内采集3个重复土样和5个重复稻谷/秸秆样品，在对照组采5个土样和8个重复稻谷/秸秆样品，分析镉含量，鉴定土壤镉的形态组成。

土壤pH值采用pH计法测定[15]。土壤有机质、有效磷和速效钾含量采用常规方法测定[15]。水稻秸秆和糙米样品采用高氯酸消化-石墨炉原子吸收光谱法测镉。土壤全镉用盐酸-硝酸-高氯酸消解，石墨炉原子吸收分光光度法测镉。土壤镉形态参照Spark[16]测定，共分为交换态、碳酸盐结合态、氧化物结合态、有机质结合态和残余态等5种组分，镉含量用石墨炉原子吸收光谱法测定。

1.4 数据分析

所有试验数据在Excel 2010上进行整理，在DPS 3.0软件上进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 试验地土壤性状和投入品镉含量

对试验前采集的13个土样进行分析，结果表明：试验区土壤pH值在4.87～5.53，平均为5.22，土壤呈酸性；土壤镉含量在0.157～0.487 mg·kg-1，平均为0.321 mg·kg-1，有62%的样品镉含量在0.30 mg·kg-1以上，呈现轻度污染；土壤有机质含量在23.54～33.45 g·kg-1，平均为28.22 g·kg-1；土壤有效磷含量在13.54～31.25 mg·kg-1，平均为20.08 mg·kg-1；土壤速效钾含量在118～172 mg·kg-1，平均为142 mg·kg-1。总体上，试验区土壤肥力处于中高水平。试验区农田土壤镉污染相对较轻，但土壤酸性较强，可能导致粮食作物中镉积累。

对试验期间收集的5个肥料样品进行分析，结果表明，施用肥料的镉含量在0.011～0.798 mg·kg-1，低于1 mg·kg-1；2种钝化剂(生石灰和钙镁磷肥)的镉含量分别为0.211、0.756 mg·kg-1，也都低于1 mg·kg-1，表明投入品符合农用标准。对试验期间(3—11月)采集的8个灌溉水样进行分析，结果表明，镉含量在0.003 5～0.004 8 mg·L-1，低于0.005 mg·L-1，酸碱度在6.5～8.5，符合灌溉水要求。

2.2 不同处理对早稻和晚稻糙米镉积累的影响

如表1所示，与对照相比，除早稻季处理2与对照的秸秆和籽粒镉含量差异不显著外，其他处理均可显著降低早稻与晚稻秸秆和糙米中的镉含量。对照的早稻秸秆和糙米镉含量分别为0.830、0.218 mg·kg-1，糙米中的镉含量超过相应标准限量(0.20 mg·kg-1)；对照的晚稻秸秆和糙米镉含量分别为0.716、0.178 mg·kg-1，糙米中的镉含量低于相应标准限量(0.20 mg·kg-1)。从8个重复采样的结果可知，对照的早稻与晚稻糙米镉含量超标(>0.20 mg·kg-1)比例分别为62.5%和37.5%。而处理1～4的早稻和晚稻糙米中镉含量均小于0.20 mg·kg-1，全部符合标准限量要求，即全部满足安全生产要求。

表1 不同处理对水稻秸秆和糙米中镉含量的影响

与淹水深灌比较，淹水深灌-碱性物质(生石灰)降酸处理可更明显降低早稻和晚稻的秸秆镉含量和糙米镉含量，这表明淹水深灌-碱性物质降酸2种技术并用比单一深灌可更有效降低水稻中的镉含量。淹水深灌-碱性物质降酸处理早稻和晚稻的秸秆镉含量平均分别比淹水深灌下降10.16%和25.07%，糙米镉含量平均分别下降10.81%和28.89%。

2.3 不同处理对农田土壤性状和镉形态的影响

如表2所示，与对照相比，处理1可显著提高土壤的pH值(提高1.17个pH值单位)，显著降低土壤有效镉含量(降低55.98%)，但对土壤有机质、全氮、速效钾无显著影响。处理2可显著提高土壤的pH值(提高0.37个pH值单位)和速效磷含量(增加138.06%)，显著降低土壤有效镉含量(降低37.18%)，但对土壤有机质、全氮和速效钾无显著影响；处理3对土壤pH值、有机质、全氮、速效磷和速效钾无显著影响，但可显著降低土壤有效镉含量(降低23.50%)；处理4可显著提高土壤的pH值(提高1.25个pH值单位)和速效磷含量(增加30.20%)，显著降低土壤有效镉含量(降低47.86%)，但对土壤有机质、全氮和速效钾含量无显著影响。

表2 不同处理对土壤理化性状的影响

如表3所示，与对照相比，处理1和处理4促进了土壤中交换态镉向碳酸盐结合态、氧化物结合态和残余态镉的转变，从而降低了土壤有效镉；处理2主要促进了土壤中交换态镉向残余态、氧化物结合态和碳酸盐结合态镉的转变，也降低了土壤有效镉；而处理3对土壤中交换态镉含量的影响相对较小，主要促进了土壤中氧化物结合态镉的形成。

表3 不同处理对土壤镉化学形态的影响

3 小结与讨论

本研究主要探讨了碱性物质原位钝化、钙镁磷肥原位钝化、深灌，以及深灌+碱性物质等技术在降低水稻镉积累方面的效果，结果表明，在本试验条件下，采用上述方式均可使试验农田早稻和晚稻的安全利用率达100%。同时，这些技术对土壤肥力无不良影响，甚至对土壤肥力有一定的改善，适用于试验地镉轻度污染农田土壤的安全利用。

碱性物质原位钝化主要是通过改变土壤pH值、降低土壤酸度来降低土壤镉的生物有效性从而实现水稻中镉含量的下降，因此，该技术适用于酸性土壤的治理。石灰具有价格低廉、使用方便的特点，可考虑作为一项主推技术在镉轻、中度污染的酸性农田中施用，石灰的施用量可根据土壤酸度确定。

钙镁磷肥原位钝化的作用机理如下：一是钙镁磷肥中也含有碱性物质，可通过降低土壤酸度来降低土壤镉的生物有效性；二是钙镁磷肥中的磷可与土壤中的镉形成溶解度很低的化合物，从而降低土壤镉的生物有效性。由于钙镁磷肥中的碱性物质含量较低，因此，较适用于微酸性的镉污染农田。原位钝化技术操作方便，便于推广应用，且施用钝化剂1次即可实现约3 a的效果。

深灌主要通过营造还原环境来促进土壤中硫化镉化合物的形成。硫化镉是一种难溶于水的化合物，可促进土壤中镉向无效化(低活性)的方向转化，从而实现降低水稻镉积累的目的。深灌技术较适用于水源充足的地区。在采用深灌技术时，务必严格按照要求进行深水灌溉，直至收获前5～10 d再根据需要进行排水。另外，本试验中的深灌+碱性物质技术主要是在原位钝化技术的基础上，增加了深灌措施。从本试验结果来看，2类技术的复合应用能最大限度地降低水稻中镉的积累，可考虑用于镉中度污染的农田。