农田镉污染与安全利用修复治理试验研究——以江西某项目为例

王铁刘云黄纯轮文阳平张楠楠

(1.江西普瑞丰生态科技有限公司，江西 南昌 330001；2.江西农业大学，江西 南昌 330045)

引言

土壤是生态环境的重要组成部分，是人类赖以生存的主要自然资源之一，所有作物的种植都离不开土壤，土壤健康对于作物的安全及粮食安全都起到至关重要的作用[1]。然而，由于长期不规范的种植及人类生产活动的影响，土壤健康已经受到了严重的破坏[2]，2014年环境保护部和国土资源部发布的全国土壤污染状况调查公报显示，通过2005年4月—2013年12月为期8a的普查得出，全国土壤总的点位超标率为16.1%，轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，其中镉污染的超标极为严重，污染物点位超标率为7.0%[3]。农田镉金属的污染对我国的粮食安全生产造成了极大的影响[4]，2013年在湖南长沙株洲发生了震惊全国的“镉大米”事件[5]，近百吨受污染镉大米被销毁；湖北、江西、广西、贵州等地也是农田重金属污染的重灾区，每年都有大米因重金属超标而被销毁，使农民的财产受到严重影响，百姓的健康也受到极大威胁。项目所在的江西省每年因土壤重金属污染而减产粮食80万以上，直接被重金属污染的粮食多达10万t，已形成“毒大米”的“镉米”区[6]。江西省农业环境监测站对全省优势水稻区域土壤环境监测发现，全省Cd污染最严重，样本超标率4.7%，最大超标64倍；全省Cu污染超标率4.2%，最大超标10倍；全省As污染超标率2.3%，最大超标4倍[7]。《全国土壤环境保护“十二五”规划》和《重金属污染综合防治“十二五”规划》已把江西省纳入全国受重金属污染最严重的防护试点区和重点区域[8，9]，大量学者已经进行了相关的理论及实验研究[10-14]，但在广泛的应用上仍缺少相关的数据，因此通过在项目中开展农田镉金属污染修复研究对开展大范围的推广修复具有极为重要的意义。

1 项目农田镉污染与安全利用修复治理试验方案

1.1 项目概况

研究区域位于江西省南昌市某区，介于E115°50′39″～115°58′50″，N28°40′15″～28°47′50″，属亚热带季风气候，其特点是四季分明，年平均气温17.5℃，1月平均气温5.0℃，极端最低气温-9.3℃；7月平均气温29.6℃，极端最高气温40.6℃，平均气温年较差24.6℃。该地有耕地总面积1002.2hm2，其中优先保护类面积258.8hm2；安全利用类面积733.9hm2，严格管控类面积9.5hm2，受污染耕地重金属污染元素为镉(Cd)，点位超标率为69.68%，土壤pH平均值为5.4，呈弱酸性。

2021年对研究区域受污染耕地安全利用地块168.6hm2水稻种植区，采用喷施叶面阻控剂、撒施土壤调理剂和水分管理措施对受污染耕地进行修复，治理措施详见表2。

表1 研究区域不同村组安全利用水田质量分类面积统计

表2 研究区域受污染耕地信息及治理措施

图1 研究区域耕地环境质量类别分布图

1.2 耕地安全利用试验方案

在安全利用耕地主体采用成熟技术方案进行治理的同时，划出1.8hm2稻田地进行探索性耕地安全利用修复，对比研究不同调理剂，不同田间管理方式或不同施肥方式对耕地安全利用治理修复效果的差异。分为不同调理剂、不同叶面阻控剂、不同中微量元素肥料、固定调理剂加不同叶面阻控剂、不同土壤调理剂撒施方式5个大组，共18个小区，详细情况见表3。

表3 耕地安全利用试验方案

1.3 取样、检测方法及评价方法

在收获季节对水稻进行取样，项目实施地块按照2hm2/个布设采样点，共计布设86个水稻监测点位，探索性耕地安全利用修复实验地块对每块地区3个样品，样品检测方法为《食品安全国家标准食品中镉的测定》(GB 5009.15-2014)。整个过程设置平行和质控盲样，确保检测数据的质量。

农产品中目标污染物单因子污染指数算术平均值计算公式：

式中，E为所采集的农产品中目标污染物单因子污染指数算术平均值；n为治理效果评价点位数量，个；A为农产品中目标污染物的实测值，mg·kg-1；S为农产品中目标污染物的限量标准值，mg·kg-1。

农产品样本超标率计算公式：

式中，R为农产品样本超标率，%；N为农产品超标样本总数，个；M为监测样本总数，个。

表4 治理效果等级(NY/T 3343-2018)

2 结果与讨论

2.1 水稻种植区污染物镉治理效果评价

研究区域耕地土壤环境质量报告显示，其土壤主要重金属超标元素为镉，其他4种汞、砷、铅、铬未超标，因此受污染耕地安全利用区水稻样本检测指标仅为镉。根据水稻检测报告结果显示，镉含量范围为0.036～0.46mg·kg-1，平均值为0.112mg·kg-1，基于农产品中重金属限量标准值计算结果，见表5，可以发现，某区受污染耕地安全利用区水稻样本中Cd单因子污染指数均值(E平均)为0.558，小于1，且其评价点t检验结果均小于1，达到显著性水平(α=0.05)；经安全利用治理后，86个水稻监测样本中有4个样本Cd超标，超标点位主要分布在上房村1个、滕州村1个、渔业村1个和熊万村1个。水稻样本达标率为95.3%，满足评价目标水稻重金属检测达标率90%以上的要求。

表5 研究区域镉污染区水稻采样地点信息及Cd含量

表6 研究区域水稻中镉元素含量参数统计表

2.2 耕地安全利用试验效果评价

通过研究区域水稻检测报告结果显示，18个水稻样本镉含量均低于《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762-2017))限值0.2mg·kg-1标准。因此通过比较不同实验方式水稻镉降低率进行效果评价，具体将检测结果与空白对照(2个空白样本的平均值为0.15mg·kg-1)进行比较。不同的降镉效果试验方式效果比较如下。

2.2.1 施用不同土壤调理剂

从表7计算结果可以看出，水稻镉的降低率排序为土壤调理剂1>土壤调理剂3>土壤调理剂2，最大降镉率72.67%。说明土壤调理剂1对水稻的降镉效果比较明显。

表7 不同土壤调理剂降镉效果统计表

2.2.2 施用不同叶面阻控剂

从表8计算结果可以看出，水稻镉的降低率排序为叶面阻控剂1>叶面阻控剂2，最大降镉率52%。说明叶面阻控剂1对水稻降镉效果比较明显。

表8 不同叶面阻控剂降镉效果统计表

2.2.3 施用固定土壤调理剂与不同叶面阻控剂组合

从表9计算结果可以看出，水稻镉的降低率排序为土壤调理剂1加叶面阻控剂1>土壤调理剂1加叶面阻控剂2；2种使用方式对水稻镉的降低率均大于50%。说明施用土壤调理剂1加叶面阻控剂1为最优组合，对水稻的降镉效果比较明显。

表9 固定土壤调理剂与不同叶面阻控剂组合降镉效果统计表

2.2.4 施用不同中微量元素肥料

从表10计算结果可以看出，当施用不同中微量元素肥料时，水稻镉的降低率排序为锌硼肥>锌肥>硅肥；锌硼肥对水稻镉的降低率达到89.33%。说明施用锌硼肥对水稻的降镉效果比较明显。

表10 不同中微量元素肥料降镉效果统计表

2.2.5 土壤调理剂施撒用量及方式不同

从表11计算结果可以看出，当用不同质量土壤调理剂化水撒施时，水稻镉的降低率排序为土壤调理剂200kg化水>100kg化水>50kg化水；当用不同质量土壤调理剂直接撒施，水稻镉的降低率排序为土壤调理剂200kg正常>100kg正常；比较土壤调理剂不同撒施方式，土壤调理剂200kg化水>土壤调理剂200kg正常，降镉率均大于50%。说明土壤调理剂用量达到200kg且化水撒施对水稻的降镉效果比较明显。

表11 土壤调理剂施撒方式不同降镉效果统计表

通过比较小面积稻田示范区不同安全利用方式，各措施对水稻降镉效果：对比撒施土壤调理剂用量和方式不同的措施中，土壤调理剂(CaO≥40%，粉剂，pH8～10)用量200kg且化水撒施效果更佳；对比撒施不同中微量元素肥料中，微量元素锌硼肥(Zn+B≥10%颗粒)效果更佳；对比使用不同叶面阻控剂的措施中，叶面阻控剂3(SiO2≥10%，粉剂，pH8～10)效果更佳；使用组合措施中，土壤调理剂1(CaO≥40%，粉剂，pH8～10)加叶面阻控剂1(Si≥150g·L-1，水剂，pH10～12)效果更佳；对比使用不同土壤调理剂的措施中，土壤调理剂1(CaO≥40%，粉剂，pH8～10)效果更佳。

3 结语

依据耕地土壤5项重金属污染风险筛选值(GB 15618-2018)及《耕地污染治理效果评价准则(NY/T 3343-2018)》进行计算，研究区域重金属点位超标率为69.68%，其主要污染元素为Cd元素。

根据研究区域的污染情况，针对中度污染与轻度污染采用了不同的修复措施，对修复后种植水稻的田块共取样品86个，经检测仅4个样品超标，水稻样品达标率为95.3%，远高于当地所要求的安全利用率达到90%，证明通过治理修复使当地的Cd污染有了明显的改善。

项目团队同时进行了不同产品及不同使用方式的探索实验，实验结果表明，土壤调理剂1、锌硼肥和叶面阻控剂1对水稻降镉具有最好的效果，在单独使用下对Cd的降低率分别达到了69.33%、72.67%和52.00%；其中土壤调理剂1如果采用化水的方式进行使用的话对Cd的降低率能够达到80%，通过土壤调理剂1和叶面阻控剂1进行联合使用，能使水稻中Cd的降低率达到91.33%，实现了对农田重金属Cd污染较好的修复。

本项目在进行大面积修复的同时进行了探索实验，对不同产品及用法进行了研究，为未来在相关农田污染修复的实践打下较好的理论及实践基础，也为我国其它类似农田土壤重金属污染修复提供一定参考。