治理技术组合应用对提高镉污染农田水稻安全生产的潜力分析

章秀梅，谢炜，钟林炳，杨文叶，倪兆华，章明奎

(1.杭州市农业技术推广中心，浙江 杭州 310020；2.桐庐县农业技术推广中心，浙江 桐庐 311500；3.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

水稻镉超标是我国南方粮食安全生产的重要限制因素，其主要由农田土壤中镉的污染引起。为解决这一环境问题，近年来，我国各地科研单位与农业部门开展了大量的田间试验，提出了多途径、多方法降低稻谷中镉含量的思路[1-2]。这些技术包括推行镉低吸收水稻品种降低水稻对土壤镉的吸收，施用碱性物质降低土壤酸度与镉的溶解度，采用全生育期淹水灌溉降低土壤的氧化还原电位、增强土壤中难溶性镉化合物的形成，施用黏土矿物钝化增加土壤对镉的固定，通过喷施叶面阻隔剂降低进入水稻的镉由根部向可食部分转移[3-6]。这些技术对保障区域污染农田水稻安全生产起到了非常重要的作用，但试验也表明，对于镉污染较为严重的农田，采用以上技术中的某一项常常难以保证农产品的安全。因此，近年来也有人提出联合多种技术来治理农田镉的污染[7-9]，较为关注的是VIP+n模式(即采用低积累品种+淹水灌溉+pH调控等多种方法)，并取得了明显的成效。但至今，对同时采用多项技术的效果与单项技术之间的关系，特别是多项技术联合应用的效果是否有加和性还了解不多，对多技术的联合应用在水稻安全生产上的潜力缺少探讨。为此，本研究在浙西某一镉重度污染农田进行了微区试验，探讨了镉低积累品种、全生育期淹水灌溉、碱性物质降酸、黏土矿物钝化及生理阻控(叶面肥)等5类技术联合应用在削减糙米镉积累的效果。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在浙西某一镉重度污染农田中进行。试验地年降水量1 365 mm，年平均温度为17.2 ℃；试验前土壤全镉含量为1.214 mg·kg-1，pH为5.17，有机质含量26.48 mg·kg-1，质地为壤土，有效磷为14.68 mg·kg-1，速效钾为112 mg·kg-1，CEC为11.34 cmol·kg-1。试验材料包括石灰石粉(碱性物质)、蒙脱石(黏土矿物)、叶面阻隔剂(“铁人”牌降镉灵，有效成分主要为硅)。石灰石粉和蒙脱石颗粒均<100目(<0.125 mm)。试验水稻品种2个，分别为甬优5550和甬优538，前者为常规品种，后者为镉低积累品种。

1.2 处理设计

为了保障试验结果的可比性，田间试验采用微区方式进行，试验地总面积约300 m2。为了使试验范围内土壤性状基本一致，试验前对试验区耕层翻耕3次，结合人工耙田进行匀田。每一试验小区面积4 m2，周围采用土埂覆塑料膜隔离，每一小区单独设置灌、排沟。基于当前镉污染农田中推行的技术及各技术应用的相对广度，共设置10个处理：CK1，常规品种对照，种植甬优5550，其他管理措施为常规；CK2，镉低积累品种对照，种植甬优538，其他管理措施为常规；VP，镉低积累品种+碱性物质降酸，种植甬优538，施用石灰石粉5 250 kg·hm-2；VI，镉低积累品种+全生育期淹水灌溉，种植甬优538，全生育期保持田面5 cm左右的水层；VL，镉低积累品种+叶面阻隔剂，种植甬优538，在水稻生长灌浆期至乳熟期每7 d喷叶面阻隔剂1次，共喷3次；VM，镉低积累品种+施用蒙脱石钝化，种植甬优538，施用蒙脱石5 250 kg·hm-2；VPI，镉低积累品种+碱性物质降酸+全生育期淹水灌溉；VPIL，镉低积累品种+碱性物质降酸+全生育期淹水灌溉+叶面阻隔剂；VPIM，镉低积累品种+碱性物质降酸+全生育期淹水灌溉+施用蒙脱石钝化；VPILM，镉低积累品种+碱性物质降酸+全生育期淹水灌溉+叶面阻隔剂+施用蒙脱石钝化。每一处理重复3次，随机区组排列。石灰石粉和蒙脱石在水稻播种前7 d施用，并通过翻耕与耕层混匀。水稻采用直播方式种植。化肥用量按农户常规方式进行，各处理相同。

水稻成熟时分小区采集土样和水稻样品。土样采集深度0～15 cm，由5点分样混合而成，经风干过0.15 mm塑料土筛，用于土壤性状和镉测定。水稻采用整株采集，由5丛水稻组成，先用清水反复冲洗去除土壤和杂质，然后用去离子水冲洗。清洗后植株按器官分为根部、茎叶和稻谷等3部分，用于镉含量分析。

1.3 分析方法

土壤有机质、pH、CEC和质地测定采用常规方法[10]。土壤全镉用硝酸-高氯酸消化，土壤有效镉采用EDTA提取，土壤水溶性镉用0.01 mol·L-1CaCl2提取；用石墨炉原子吸收法测定镉。植物中镉用HNO3-HClO4消煮-石墨炉原子吸收法测定。

2 结果与分析

2.1 对土壤性状的影响

试验结果(表1)表明，采取不同技术措施后土壤全镉没有发生明显的变化。但土壤有效镉和水溶性镉发生了一定的变化。与常规种植区(CK1)比较，种植低积累水稻品种(CK2)不会引起试验土壤中有效镉和水溶性镉的变化；同时，采用全生育期淹水灌溉(VI)和喷施叶面阻隔剂(VL)也不会影响土壤有效镉和水溶性镉的含量。但施用碱性物质降酸(VP)和施用蒙脱石钝化(VM)后，土壤有效镉和水溶性镉明显下降，并以施用碱性物质的下降幅度较大，前者土壤有效镉和水溶性镉分别比CK2下降29.65%和62.75%，后者分别比CK2下降22.10%和37.25%。土壤水溶性镉的下降幅度明显高于土壤有效镉的下降幅度，表明土壤水溶性镉对降酸和钝化的响应更为明显。在施用碱性物质的基础上，进行全生育期淹水灌溉(VPI)或喷施叶面阻隔剂(VPIL)不会引起土壤有效镉和水溶性镉的明显变化；但在施用碱性物质的基础上同时施蒙脱石钝化(VPIM)可进一步降低土壤有效镉和水溶性镉，分别比VPI下降13.60%和14.29%。在VPIM处理的基础上，再喷施叶面阻隔剂(VPILM)也不会引起土壤有效镉和水溶性镉的明显变化。

表1 各处理对土壤有效镉、pH和CEC的影响

施用碱性物质(包括VP、VPI、VPIL、VPIM和VPILM等处理)可明显提高土壤pH值，大约上升1.2个pH单位；施用蒙脱石(VM)则会引起土壤pH值的轻微下降，下降量约0.17个pH单位；但全生育期淹水灌溉或喷施叶面阻隔剂对土壤pH值不会产生明显的影响。另外，施用蒙脱石(包括VM、VPIM和VPILM处理)可轻微增加土壤的CEC，约增加1 cmol·kg-1，这显然与蒙脱石具较高的阳离子交换能力有关。

2.2 对水稻镉积累的影响

水稻各器官中镉积累有明显的差异(表2)，根部明显高于茎叶和糙米，而茎叶中镉含量又明显高于糙米。从表中结果可知，各种技术措施及其组合对各器官中镉含量的影响程度与方式有所差异，其中对根部的影响相对较小。镉低积累品种(CK2，甬优538)各器官中镉含量明显低于常规品种(CK1，甬优5550)，前者根部、茎叶和糙米中镉含量分别比后者低27.09%、26.73%和31.23%。与CK2比较，施用碱性物质降酸(VP)和蒙脱石钝化(VM)均可降低所有器官中镉的含量；而采用全生育期淹水灌溉(VI)和施用叶面阻隔剂(VL)对水稻根部镉含量影响较小，甚至略有增加(根部镉含量分别比CK2提高3.42%和2.98%)，而这两种技术对茎叶和糙米镉含量也有明显的降低作用。全生育期淹水灌溉引起的根部镉轻微增加可能与淹水还原增加了土壤中亚铁数量，而亚铁可迁移至根附近在根表被氧化形成铁膜，增加了对镉的固定有关；而施用叶面阻隔剂由于阻隔了镉由根部向地上部分迁移，因而相对增加了根部镉的积累。施用碱性物质降酸(VP)和蒙脱石钝化(VM)后，水稻根部镉含量分别比CK2下降17.06%和10.88%，显然这是土壤中活性镉下降的结果。

表2 各处理对水稻各器官中镉含量的影响

对茎叶中镉降低作用的大小：施用碱性物质(VP)>全生育期淹水灌溉(VI)>蒙脱石(VM)>施用叶面阻隔剂(VL)，依次比CK2降低23.58%、18.90%、12.20%和4.98%，其中施用叶面阻隔剂(VL)对茎叶镉的降低较不明显。对糙米中镉降低作用的大小：施用碱性物质(VP)>全生育期淹水灌溉(VI)>施用叶面阻隔剂(VL)>蒙脱石(VM)，依次比CK2降低39.21%、31.89%、21.01%和12.38%。VPIL与VPIM组合方式对茎叶与糙米镉含量的影响不同，茎叶中镉含量是VPIL高于VPIM处理，糙米中镉含量是VPIL低于VPIM处理，原因可能与施用叶面阻隔剂(VPIL)降低了从根部向上迁移进入籽粒的镉，而更多镉停留在茎叶中有关。

表2中结果还可以看出，VP、VPI、VPIM、VPILM处理，随着用于镉污染治理技术组合数的增加，茎叶和籽粒中镉含量依次下降。其中，茎叶中镉含量依次为0.752、0.689、0.654、0.673，糙米中依次为0.324、0.232、0.195、0.165 mg·kg-1；同时，采用4种技术可保证糙米中镉含量低于食品卫生标准(<0.20 mg·kg-1)。以上结果表明，多类技术组合应用的效果明显高于单一技术，效果随组合技术的数量增加而增加。但表中结果也表明，多技术组合的效果不具加和性，随着应用的组合技术增加，其效果的增加量逐渐下降。例如，表中VP处理、VI处理与单独低积累品种处理(CK2)比较，糙米中镉含量分别降低了0.209和0.170 mg·kg-1，而在VP处理的基础上再进行全生育期淹水灌溉的处理(VPI)，其糙米中镉含量仅比VP处理下降0.092 mg·kg-1，低于以上的0.170 mg·kg-1。又如，在VPI基础上再施用蒙脱石钝化的处理(VPIM)糙米中镉含量为0.195 mg·kg-1，比VPI处理降低0.037 mg·kg-1，此下降量远低于VM与CK2之间糙米镉含量的差值(0.066 mg·kg-1)。同样，VPIM处理与VPILM处理之间糙米中镉含量的差异(0.030 mg·kg-1)体现了施用叶面阻隔剂的贡献，但此值也远低于镉低积累品种对照(CK2)与镉低积累品种+叶面阻隔(VL)之间的差值(0.112 mg·kg-1)。

3 小结

无论是采用何种技术，都会在一定程度上增加成本和劳力，因此，随着组合技术应用数量的增加，治理重金属污染农田的成本也逐渐增加。本试验结果表明，虽然多类技术组合应用的效果明显高于单一技术，综合效果随组合技术的数量增加而增加，但多技术组合的效果不具加和性，当应用的技术数量较少(低于3个)时，其技术的组合累加效应较为明显；当应用技术超过4个时，因技术增加产生的降镉效果的增加量逐渐趋于下降。为此，基于多技术组合应用效果的变化及成本的增加，认为在实际应用时以采用3类左右技术组合为宜。