海泡石对镉污染稻田钝化修复效果的稳定性

裴楠，梁学峰，秦旭，赵立杰，黄青青*，徐应明，孙约兵

（1.农业农村部产地环境污染防控重点实验室，农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

随着我国社会经济迅猛发展，我国耕地土壤重金属污染形势越发严峻。2014 年原国家环境保护部和原国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地土壤污染点位超标率为19.4%，且以重金属镉污染最为严重，镉的点位超标率高达7.0%。镉是农作物生长发育非必需的金属元素，由于其在土壤中具有较高的迁移性和生物可给性，因极易被农作物根系吸收并在体内积累，影响农作物的生长和发育，并通过食物链在人体内富集，对人体健康构成严重威胁。水稻是我国第一大粮食作物，全国65%以上的人口以稻米为主食。研究已经证实水稻是对镉吸收最强的大宗谷类作物，是人体镉暴露的主要途径。SONG 等调查发现我国居民饮食中大约56%的镉通过大米摄入，其中南方地区居民大米镉摄入量占总饮食镉摄入量的65%，北方地区居民大米镉摄入量占总饮食镉摄入量的38%。因此，推进镉污染土壤的修复进程，尤其是针对我国南方地区镉污染酸性水稻田的修复，降低稻米中的镉含量，从根本上保障农产品的质量安全，是农业生产上急需解决的问题。

近年来，我国针对南方地区水稻田土壤镉污染问题开展了大量研究工作，研究者也提出了一系列修复技术，如钝化修复、植物修复、微生物修复、土壤淋洗、农艺调控以及替代种植与安全利用等。其中，基于钝化材料的原位钝化修复技术因其成本低、操作简单、修复效率高，以及不影响农业生产，可以实现边修复边生产等特点，而被广泛应用于治理中、轻度镉污染农田土壤。原位化学钝化修复是通过向土壤中添加钝化材料，降低重金属在土壤环境中的移动性和生物有效性，从而降低农作物体内重金属含量。原位钝化修复技术的关键在于钝化材料的选择。海泡石是一种天然黏土矿物，具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构以及较强的离子交换能力量，对镉污染农田土壤具有较大的修复潜力。课题组前期利用海泡石在湖南和广西地区镉污染酸性水稻田修复中取得了较好的效果，研究结果显示海泡石钝化修复能够显著降低土壤中镉的生物有效性，最终显著降低糙米中镉含量。但是目前对于海泡石在异地修复的稳定性以及修复效果的持久性的研究较少。因此本文主要通过对在江西地区设置的两年大田试验中双季稻的追踪检测，考察海泡石在异地对镉污染水稻土壤修复的适应性以及其修复效果的持久性效应，并通过分析稻米品质以及土壤酶活性考察海泡石钝化修复对稻米品质和土壤环境的影响，以期为海泡石钝化修复的大面积推广应用提供科学依据，同时为原位钝化修复技术治理镉污染农田土壤提供有效的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验地位于江西省南昌县莲塘镇涂埠村（28°34′10.56″ N，115°59′5.28″E），试验田土壤的基本理化性质：土壤pH约5.60，土壤有机质含量38.8 g·kg，总氮含量3.69 g·kg，总磷含量0.33 g·kg，总钾含量14.72 g·kg，阳离子交换量（CEC）12.73 cmol·kg，总镉含量0.98 mg·kg，依据我国《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）限量值（pH＜6.5，镉为0.30 mg·kg），试验地土壤总镉含量是标准限值的3.27倍，属于中度污染土壤。

田间试验中选用海泡石（Sep）作为钝化剂，海泡石属于天然黏土矿物材料，含少量的滑石和白云石，pH 10.1，孔径1.4 nm，BET 比表面积22.3 m·kg，CEC18 cmol·kg，其主要组分为CaO 41.7%、MgO 16.8%、AlO7.4%、SiO32.5%，且未检出Cd。海泡石于2015 年3 月在水稻插秧前30 d 一次性均匀施入各个小区内。试验田种植作物为水稻，采用一年两季的种植模式，早稻和晚稻的品种分别为湘早籼45 号和黄华占。早稻在每年4 月下旬移栽秧苗，7 月上旬收获，晚稻于7月中旬移栽秧苗，11月上旬收获。

1.2 试验设置与样品采集

田间小区试验中海泡石设置3 个不同的施用剂量，分别为0.50 kg·m（Sep1）、1.00 kg·m（Sep2）和2.00 kg·m（Sep3），同时设置不添加海泡石的处理为空白对照（CK），共计4个处理，每个处理重复3次，共计12 个小区，每个小区面积为25 m，各处理随机区组排列。另外，各小区采取单独排灌，且各小区间田埂使用塑料包膜隔开以防止灌水和降雨时相互串流。

水稻成熟期收样时在每个小区随机采集20~30株水稻穗，放置于尼龙袋中，剩余水稻用收割机收获以统计每个小区的水稻产量。水稻穗在实验室用去离子水清洗，用吸水纸吸干表面的水分后，置于烘箱中烘干至质量恒定。将烘干的水稻子粒脱壳粉碎后装入自封袋中密封待用。

在2016年晚稻收获后，采用S型采样法在每个处理小区采集耕层0~20 cm 土壤样品，土壤样品风干后，研磨过筛，密封存放于自封袋，用于土壤pH、有效态镉含量、土壤镉形态分级提取以及土壤酶活性测定。

1.3 分析方法

糙米中镉含量测定：采用HNO体系消解，消解液用电感耦合等离子体质谱仪（iCAP Q，美国赛默飞世尔仪器公司）测定。植物样品采用湖南大米[GBW10045（GSB−23）]和空白样品进行全程质量控制。

稻米品质测定：稻米中粗蛋白、灰分以及粗脂肪的含量分别采用凯氏定氮法（GB/T 5009.5—2010）、高温灼烧称重法（GB/T 5009.4—2010）和索氏抽提法（GB/T 5512—2008）测定。

土壤pH 测定：用除去二氧化碳的去离子水浸提（土水比1∶2.5）后，用pH 酸度计（PB−10，Sartorius）测定。

土壤有效态镉含量测定：采用DTPA 浸提液（0.005 mol·LDTPA+0.01 mol·LCaCl+0.1 mol·LTEA）提取后，采用电感耦合等离子体质谱仪测定上清液中的镉含量。

土壤镉形态分级提取采用Tessier连续浸提法。土壤中镉的赋存形态分为可交换态[Exc−Cd，用1 mol·LMgCl（pH 7）溶液浸提]，碳酸盐结合态[CB−Cd，用1 mol·LNaOAc（pH 5）溶液提取]，铁锰氧化物结合态[OX−Cd，用0.04 mol·LNHOH·HCl（pH 2，25% HOAc）溶液浸提]，有机物结合态[OM−Cd，用0.02 mol·LHNO和30%HO（pH 2）溶液浸提]和残渣态（Res−Cd，用HClO−HNO−HF 体系消解）5 种形态。上述待测液镉含量均采用电感耦合等离子体质谱仪测定。

土壤酶活性测定：采用风干后的土样进行土壤酶活性测定，土壤脲酶（UA）、过氧化氢酶（CA）、蔗糖酶（SA）和酸性磷酸酶（ACP）活性分别采用高锰酸钾滴定法、苯酚钠−次氯酸钠靛酚蓝比色法、二硝基水杨酸比色法和对硝基苯磷酸二钠比色法测定。

1.4 数据分析

钝化材料对土壤重金属镉的钝化效率（）的计算公式：

式中：为钝化处理区土壤镉有效态含量（DTPA 提取态），mg·kg；为修复对照区土壤镉有效态含量（DTPA提取态），mg·kg。

试验数据以3 次重复的平均值±标准误差表示，采用SAS 软件进行双因素方差分析（多重比较采用Duncan法）。采用Origin 2019b完成相关性分析。

2 结果与分析

2.1 对水稻产量和稻米营养品质的影响

早稻和晚稻的水稻产量分别为7 614~8 534 kg·hm和7 920~8 493 kg·hm，海泡石钝化处理对水稻产量没有显著影响（＞0.05）（表1）。对稻米营养品质的测定结果表明（表2），海泡石钝化处理对稻米品质也没有显著影响。

表1 海泡石钝化处理对水稻产量的影响（kg·hm−2）Table 1 Effects of Sep treatments on the rice grain yield（kg·hm−2）

表2 海泡石钝化处理对稻米品质的影响Table 2 Effects of Sep treatments on the quality of rice grain

2.2 对水稻镉累积的影响

一次性向土壤中施用不同剂量的海泡石后，连续两年种植双季稻的糙米镉含量如图1 所示，与CK 相比，海泡石处理能够显著降低每季水稻糙米的镉含量（＜0.05）。对于2015 年早稻和晚稻，海泡石钝化处理使早稻和晚稻糙米镉含量分别比CK 降低了21.0%~79.0%和63.8%~88.0%，其中当海泡石的添加量达到1.0 kg·m时，可以使早稻糙米镉含量降到我国食品中污染物限量标准（GB 2762—2017）中规定的限值（0.20 mg·kg）以下，但只有海泡石的添加量达到最大2.0 kg·m时，才能使2015 年收获的晚稻糙米镉含量降到标准限值以下（图1a）。土壤中施加的海泡石，不仅对当年双季水稻镉吸收具有抑制作用，而且该抑制效果具有持续性，在未继续施加海泡石的情况下，仍然可显著降低第二年早稻和晚稻糙米的镉含量，但是抑制作用相比第一年有所减弱。试验结果显示（图1b），2016 年收获的早稻和晚稻糙米镉含量都显著高于2015 年，分别增加了17.8%~87.4% 和53.0%~124.0%。此外，对于2016年早稻和晚稻，海泡石钝化处理使早稻和晚稻糙米镉含量分别比CK降低了4.0%~73.5%和21.4%~81.0%，且只有海泡石添加量为2.0 kg·m时早稻糙米镉含量在限值以下，其余早稻和晚稻糙米镉含量均超过了限值。另外，每一年的晚稻糙米镉含量均显著高于早稻，2015年和2016年收获的晚稻糙米镉含量分别是同一年早稻的1.32~2.87倍和1.90~3.18倍。

图1 海泡石钝化处理对双季稻糙米镉含量的影响Figure 1 Effects of Sep treatments on Cd concentrations in rice grain

2.3 对土壤pH、镉赋存形态、土壤酶活性的影响

如图2a 所示，海泡石钝化处理能够显著提高土壤pH，但该影响随着时间的延长而减弱。在2015 年晚稻收获时，海泡石处理的土壤pH 比CK 高出0.47~1.06 个单位；2016 年晚稻收获时，海泡石处理的土壤pH 比CK 高出0.31~0.97 个单位，且较2015 年降低了0.14~0.37个单位。

水稻对土壤镉的吸收主要取决于土壤中有效态镉含量，本研究采用DTPA 溶液对土壤中有效态镉进行提取测定。如图2b 所示，与土壤pH 的变化相反，海泡石钝化处理能够显著降低土壤有效态镉的含量，且随海泡石施用量增加钝化效果更显著。此外，海泡石对土壤镉的钝化效应具有持续性，但是钝化效应随时间的延长而减弱。2015 年晚稻收获时，海泡石对土壤镉的钝化效率为26.2%~50.7%；而到2016 年晚稻收获时，海泡石对土壤镉的钝化效率降为15.7%~31.6%。

图2 海泡石钝化处理对土壤pH 和有效态镉含量及其钝化效率的影响Figure 2 Effects of Sep treatments on soil pH and available Cd content and immobilization efficiency

Tessier 连续浸提法结果显示（图3），在CK 处理小区，土壤镉主要以Exc−Cd 和Res−Cd 存在，这两者约占总镉含量的87.6%。土壤中施用不同剂量的海泡石可显著降低Exc−Cd 所占百分比，增加CB−Cd 和Res−Cd 所占百分比，但是对OX−Cd 和OM−Cd 所占百分比没有显著影响。

图3 海泡石钝化处理对土壤镉形态的影响Figure 3 Effects of Sep treatments on species of Cd in soil

土壤酶活性是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标之一。如表3 所示，海泡石钝化处理对土壤酶活性有一定的影响。与CK 相比，海泡石钝化处理能够显著提高土壤脲酶、过氧化氢酶以及酸性磷酸酶的活性，但是对蔗糖酶的活性没有显著影响。

表3 海泡石钝化处理对土壤酶活性的影响Table 3 Effects of Sep treatments on soil enzymatic activity

2.4 相关性分析

Pearson 相关性分析结果显示，水稻糙米镉含量（Cd）与土壤有效态镉（DTPA−Cd）和Exc−Cd 呈显著正相关关系（＜0.05），与土壤pH、CB−Cd、Res−Cd以及土壤UA、CA 和ACP 活性呈显著负相关关系（图4）。土壤DTPA−Cd 与土壤pH、CB−Cd、ACP 活性呈显著负相关关系，与Exc−Cd 呈显著正相关关系（＜0.05）。另外，土壤UA、CA 和ACP 活性与Exc−Cd 呈显著负相关关系，而与CB−Cd 和Res−Cd 呈显著正相关关系。由此可见，土壤酶活性可以作为重金属钝化修复污染土壤的评价指标。

3 讨论

本研究主要是验证海泡石在异地修复的适应性以及持续稳定效应，大田试验结果显示，在江西南昌酸性镉污染水稻田上，海泡石对土壤镉具有较好的钝化效果和持续稳定的钝化效应，且最终能显著降低糙米镉含量（图1）。海泡石钝化处理能够显著降低土壤中镉的生物有效性，促进土壤中镉由活性较高的交换态向活性低的碳酸盐结合态和残渣态转化（图3）。海泡石属于碱性黏土矿物材料，具有较高的pH（10.1），土壤施用海泡石后，土壤pH 提高了0.31~1.06个单位，而土壤pH 是影响农田土壤重金属生物有效性的重要因素之一。相关性分析结果显示，土壤pH与土壤有效态和可交换态镉呈显著负相关，而与碳酸盐结合态镉呈显著正相关（图4）。土壤pH 主要从两个方面影响土壤重金属的生物有效性：一是土壤pH提高会使土壤胶体和黏粒表面的负电荷增加，从而增加土壤对重金属的吸附能力，而且土壤溶液中OH浓度提高，会促进土壤中的Fe、Mn等离子与OH结合形成羟基化合物，从而为重金属离子提供了更多的吸附位点；二是促进重金属离子与土壤溶液中的OH等形成重金属氢氧化物或碳酸盐结合态等盐类沉淀。此外，海泡石表面存在的大量羟基，可以与溶液中的OH共同作用，促使土壤溶液中的重金属镉离子在海泡石表面沉淀生成氢氧化镉，且海泡石中伴生碳酸钙为碱性材料，亦可促使土壤溶液中的镉离子形成碳酸镉沉淀，降低土壤中镉的生物有效性。通过对海泡石的XRD 分析也证实，海泡石含有调节酸碱度的固定剂CaCO，从而可实现对镉的特殊吸附。另外，海泡石比表面积大，对重金属具有较强的吸附能力（包括表面络合吸附和离子交换吸附），可以吸附土壤溶液中的重金属离子，从而降低土壤重金属有效性。

图4 糙米镉含量与土壤不同指标之间的相关性分析Figure 4 Correlation analysis of Cd content in brown rice with different soil indexes

化学钝化修复的机理是通过改变重金属在土壤中的赋存形态，从而降低土壤重金属的可迁移性以及生物有效性，但并没有将重金属从土壤中去除，由于土壤环境的复杂性以及土壤本身的缓冲调节能力，钝化剂自身形态结构以及钝化剂与重金属的结合也会受环境影响而发生变化，因此钝化剂对土壤重金属的钝化效果可能会随着时间的延长而减弱。因此需要开展钝化修复持续稳定性效果研究以确定钝化剂的最佳施用剂量以及施用周期和频率。本研究结果显示，海泡石的钝化作用随时间延长而逐渐减弱。第二年晚稻成熟期，海泡石处理的土壤pH 比空白对照高0.3~1.0 个单位，比第一年晚稻成熟期土壤pH 低0.1~0.2 个单位，且钝化效率相比第一年有所降低。在海泡石的施用量为2.00 kg·m时，第一年的早稻和晚稻糙米以及第二年的早稻糙米镉含量低于0.2 mg·kg，达到安全生产的目的，但是第二年的晚稻糙米镉含量高于限量标准。因此为了保证水稻的安全生产，根据大田污染情况，以及结合水稻籽粒质量测定分析结果，在第一年早稻种植前施用2.00 kg·m的海泡石，在连续种植三季水稻后即第二年晚稻种植之前，需要增施一定剂量的海泡石。

土壤酶活性是评价土壤环境质量的重要指标之一。本研究结果显示海泡石钝化修复提高了土壤脲酶、过氧化氢酶以及酸性磷酸酶的活性（表3），这与本课题组前期的盆栽试验结果一致。相关性分析结果显示，土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶与土壤pH 呈显著正相关，与土壤有效态镉含量呈显著负相关。王涵等的研究结果也发现土壤pH 变化对土壤酶活性有较大的影响，且认为pH 变化对微生物活性的影响是造成土壤酶活性变化的主要原因。孙约兵等的研究发现，土壤中添加海泡石后土壤过氧化氢酶和脲酶活性以及细菌和放线菌数量有所增加。张迪等的研究发现，海泡石处理提高了微生物的碳源利用能力，增强了微生物代谢活性。因此，我们推断海泡石主要是通过降低土壤中镉的生物有效性，缓解镉对土壤微生物的毒害作用，提高细胞活性，促进微生物生长，进而提高了土壤酶活性。

4 结论

（1）土壤中一次性施用海泡石对镉污染稻田具有持续的钝化修复效果，且能够提高土壤过氧化氢酶和脲酶的活性，在一定程度上可改善土壤环境质量。

（2）海泡石钝化处理能够显著降低连续两年4 季水稻糙米的镉含量，可以保障镉污染水稻田的安全生产，但是其钝化作用随着时间延长有减弱趋势。在田间修复过程中，需要跟踪监测海泡石的钝化修复效果，必要情况下需要复施海泡石以确保修复效果的持久稳定性。