镉砷污染稻田土壤钝化阻隔技术研究

阮博 潘素 林倩茹 杨启豪

基金项目：广东省重点领域研发计划项目（202020080825000004）；2022-2023年佛山市社会领域科技攻关专项（2220001018511）。

作者简介：阮博（1989-），男，汉族，湖北孝感人，博士，研究方向为农田重金属修复。

潘素（1999-），女，汉族，湖南衡阳人，在读硕士，研究方向为资源利用与植物保护。

林倩茹（1997-），女，汉族，广东阳江人，硕士，研究方向为农业生态环境修复。

杨启豪（1984-），男，侗族，湖南怀化人，本科，高级工程师，研究方向为环境科学。

摘要：随着人类活动和工业、农业的迅速发展，耕地土壤受到了镉、砷等土壤重金属的严重污染，对食品安全和人体健康造成严重威胁。本研究以镉砷污染稻田水稻为研究对象，验证了“叶面阻控剂”“土壤调理剂”“叶面阻控剂+土壤调理剂”在阻隔水稻对重金属吸收等方面的有效性，筛选出适合轻中度镉砷污染农田安全利用技术模式。实验结果表明：施用叶面阻控剂和土壤调理剂后能调控土壤酸性（土壤pH提升2.3个单位），增加稻米产量（最高增产8.04%），且通过“土壤钝化+叶面阻控”组合措施能够明显降低稻米对镉、砷的吸收（镉含量降低50%，砷含量降低5.89%），有力地保障了农产品安全生产，为受污染耕地的治理与农产品质量安全提供了技术支撑。

关键词：镉砷污染；稻田土壤；钝化阻隔技术

文章编号：1674-7437（2023）12-0164-04     中国图书分类号：X53       文章标识码：A

土壤既是生态系统的重要组成部分，又是人类社会发展的物质基础以及农业生产的基础来源[1]。2014年4月17日，环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤重金属等污染物点位超标率达19.4%，污染形势不容乐观，尤其是长江三角洲、珠江三角洲等经济发达地区耕地镉、砷等污染状况十分严重[2]。土壤重金属超标带来的水稻、小麦等粮食作物重金属超标问题也令人担忧。目前，我国农田土壤重金属污染面积逐步增大且以中轻度污染为主。我国耕地面积中，受Cd、As、Pb、Hg、Zn等重金属污染的面积近2 000万hm2，约占耕地总面积的1/5[3]。农田土壤重金属污染已成为人们极为重视的环境问题，随之而来的还有糧食作物安全问题。统计数据显示，全国每年被重金属污染的粮食达0.12亿t，经济损失达200亿元[4]。因此，土壤重金属污染防治与修复工作亟待加强。

近年来，党中央和国务院高度重视土壤重金属污染防治与粮食安全生产，明确将“保护耕地资源，防治耕地重金属污染”作为《全国农业可持续发展规划（2015-2030年）》的重点任务；国务院2016年5月28日印发《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”），对今后一个时期我国土壤污染防治工作做出了全面战略部署；党的二十大报告中提出要“强化土壤污染管控与修复，加强农业面源污染防治”“确保国家粮食安全”等[5]。然而，如何修复农田土壤重金属污染，保障粮食作物安全生产，仍是当前土壤及环境领域的研究热点和难点。目前，我国农田镉砷污染协同控制技术研发相对滞后，镉砷复合污染农田控制材料研发的难点在于单一材料很难同时控制两种金属/类金属在水稻籽粒中的累积，因此，亟待开发一种能够大面积推广应用、成本较低、不误农时的镉砷协同控制技术方法，降低农产品中重金属含量。根据农业农村部办公厅印发的《轻中度污染耕地安全利用与治理修复推荐技术名录（2019年版）》显示，目前，我国针对重金属污染耕地安全利用技术主要有农艺调控（深翻耕、叶面阻控、水分管理、石灰调节、优化施肥、品种调整等）、土壤改良（原位钝化、定向调控）、生物类技术（微生物修复、植物提取），以及替代种植和种植结构调整等[6]。

叶面阻控技术一般是指在作物关键生长期（如水稻分蘖期、拔节期，水果膨大期等）喷施具有拮抗或生理调控的叶面肥，有效阻控重金属往籽粒或果实转运，最终降低可食部位重金属超标风险的技术。常见的叶面阻隔剂包括含氮、磷、钾及常规微量元素（钙、镁、铁、硼、锰、锌、钼、钛、硫）成分的叶面阻隔剂、硅基（有机硅和无机硅）叶面阻隔剂、含硒或稀土元素成分的叶面阻隔剂及含农作物生理调节类物质（甘露糖）的叶面阻隔剂等[7]，应用于水稻、玉米、油菜等农作物。硅作为水稻的营养元素，可以提高水稻叶片叶绿素含量、提高根系活力、降低细胞膜的透性，从而提高水稻对重金属的抵抗能力。

通过施用钝化剂、土壤调理剂等，降低重金属污染物在土壤中的活性，阻控作物对土壤污染物的吸收，其技术核心是向污染土壤中加入土壤钝化剂改变土壤的物理、化学性质，通过对重金属的吸附、离子交换、沉淀或共沉淀作用，改变重金属在土壤中的化学形态和存在状态，从而降低其生物有效性和迁移性，减少重金属元素对动植物的毒性及其环境风险。

本实验思路为：以农产品安全为核心，从降低土壤重金属移动性、阻止水稻等植株体内重金属向籽粒运输两个方面入手；利用现有的农田土壤重金属污染治理技术成果、农田重金属固定钝化技术与产品降低重金属移动性，并运用叶面阻隔技术与产品降低重金属转运实现对轻中度污染土壤的治理，以期为重金属超标农田的粮食安全生产提供参考。

1   材料、方法与数据分析

1.1   实验材料

实验水稻品种为美香占2号（Oryza sativa L.）。实验所用叶面阻控剂和土壤调理剂信息（见表1）。

1.2   实验方法

1.2.1   实验处理

以农户现有地块为基础，在22亩（约14 666 m2）地块上开展共12个实验处理，分为A、B、C、D、E、F等6个实验组，同一实验组内地块土壤性质基本一致，每组设置空白对照及实验处理，每个处理设置3个重复，随机区组排列，每个小区面积30 m2，大田区域面积为3亩（约2 000 m2）左右。实验地利用现状为水田，耕地土壤环境质量类别属于安全利用类，土壤pH在4.80～6.16之间，土壤镉含量为0.2～0.3 mg/kg，土壤砷含量为84.5～142 mg/kg。特征污染物为镉、砷元素，多数介于筛选值和管制值之间。

土壤主要采集表层土壤（深度0cm～20 cm）。采用梅花五点法于每个处理区各采集一份土壤样品（1袋样品≥500g），每个处理区每个点位采集不少于100 g土壤，将其混合后为一个土壤样品，样品统一送至第三方机构检测。水稻与土壤协同采样，测定稻米中镉、砷、汞、铅、铬等五项重金属含量。

土壤调理剂于2022年8月15日在T2与T4分别撒施；叶面阻控剂于2022年10月6日在T4、T6与T8第一次喷施；叶面阻控剂于2022年10月26日第二次喷施。叶面阻控剂于2022年10月6日在大田第一次喷施；叶面阻控剂于2022年10月26日第二次喷施。实验于2022年11月24日按照梅花五点法完成采样，当日送至第三方检测。其中，习惯施肥，在插秧前选用24-7-19

（N-P2O5-K2O）配方肥，人工撒施40 kg/666.67m2。叶面阻控剂统一按1∶10兑水稀释后无人机喷施；土壤调理剂人工均匀撒施后将每个实验区单独打田（见表2）。

1.2.2   测定指标及方法

土壤和调理剂按照水土（剂）比为2.5∶1制备悬液后直接采用pH计测定。土壤中镉参照GB/T17141-1997测定、砷参照GB/T 22105.2-2008测定、有效态镉参照HJ 804-2016测定。水稻镉含量参照GB/T 5009.15-2014测定、砷含量参照GB/T 5009.11-2014测定。

1.3   数据分析

实验数据采用Microsoft Excel 2016软件进行数据分析、绘图，以平均数±标准误差表示数据。

2    结果与分析

2.1   施用叶面阻控剂与土壤调理剂对水稻产量的影响

由图1不同叶面阻控剂及土壤调理剂施用前后水稻产量结果可见，在叶面阻控效果实验中，经测产统计分析发现，施用“降镉灵”“喷喷富”叶面阻控剂均能达到一定增产效果，其中，以施用“喷喷富”叶面阻控剂增产效果最为明显，增产6.09%。在土壤钝化效果实验中，测产分析发现，施用“亿土康”土壤调理剂均能达到一定增产效果，其中，以施用“亿土康”土壤调理剂300kg/666.67 m2处理的水稻增产效果最佳，增产8.04%（见图1）。

2.2   施用不同剂量土壤调理剂对土壤pH的影响

根据图2所示，与CK处理组对比，撒施“亿土康”牌土壤调理剂的水稻种植区域土壤pH均有升高，“亿土康”调理剂施用量100 kg/666.67 m2、200 kg/

666.67 m2、300 kg/666.67 m2处理后土壤pH分别增大了1.1、2.1、2.3个单位，其中，以施用“亿土康”土壤调理剂300 kg/666.67 m2的處理，对pH的影响最大，增大2.3个单位（见图2）。

2.3   不同叶面阻控剂与土壤调理剂处理对稻米镉砷含量的影响

各实验组不同处理之后稻米中Cd、As含量如下（见表3，图3）。

根据表3各小区及大田稻米镉、砷数据结果可看出，A组施用土壤调理剂T2比T1镉下降50%；B组采用“叶面阻控剂+土壤调理剂”组合实验T4比T3镉下降50%，砷下降5.89%；C组施用叶面阻控剂-喷喷富T6比T5镉下降33.33%，砷增加13.33%；D组施用叶面阻控剂-降镉灵T8比T7镉下降50% ，砷增加7.14%。根据图3小区及大田实验数据可看出，在大田示范实验中采用叶面阻控剂-降镉灵实施区域比空白区域Cd下降28.05%，As无明显下降；采用叶面阻控剂-喷喷富实施区域比空白区域Cd下降28.75%，As下降5.89%。经过处理的稻米镉、砷含量均低于食品安全国家标准《食品中污染物限量》（GB 2762-2022）规定的限值（稻米Cd<0.2 mg/kg、As<0.5 mg/kg）（见图3）。

2.4   施用不同剂量土壤调理剂对土壤有效态镉含量的影响

如图4施用不同剂量土壤调理剂后土壤有效态镉含量所示，在土壤钝化效果实验中，施用不同用量的“亿土康”处理（100 kg/666.67m2、200 kg/666.67m2、300 kg/666.67m2）的土壤有效态镉含量与对照组（CK）相比，土壤中有效态镉含量显著降低，比对照组（CK）分别下降34.58%、40.19%、48.60%，土壤中有效镉含量降幅明显，其中以施用“亿土康”土壤调理剂300 kg/666.67m2的处理，对土壤有效态镉含量的影响最大（见图4）。

3   结束语

本实验施用叶面阻控剂和“亿土康”牌土壤调理剂处理均对水稻表现一定增产作用，其中以施用“亿土康”土壤调理剂300kg/666.67m2，增产效果最为明显，增产8.04%。

本实验施用叶面阻控剂及土壤调理剂均能大幅度降低稻米对镉的吸收。在“叶面阻控剂-降镉灵”实验降镉率达50%，在“叶面阻控剂-喷喷富”实验降镉率达33.33%，叶面阻控剂降镉效果显著；施用土壤调理剂降镉率达50%，在“叶面阻控剂+土壤调理剂”组合实验镉降幅50%，砷降幅5.89%，实验数据可看出土壤调理剂、“叶面阻控剂+土壤调理剂”降镉效果显著。经过处理的稻米镉、砷含量均低于食品安全国家标准规定的限值。

本实验施用“亿土康”牌土壤调理剂均能显著提升稻田中土壤pH。

本实验施用“亿土康”牌土壤调理剂均能显著降低稻田中土壤的有效态镉含量，其中，以施用“亿土康”土壤调理剂300 kg/666.67m2的降幅最大，比对照组（CK）下降48.60%。表明施用调理剂后能钝化土壤中重金属，降低水稻对重金属的有效吸收。

综合以上实验结果，施用叶面阻控剂和土壤调理剂后能调控土壤酸性，增加稻米产量，并且通过“土壤钝化+叶面阻控”组合措施能够明显降低稻米对镉砷的吸收，保障农产品的产出安全，不失为一种行之有效的受污染耕地安全利用技术模式。

参考文献：

[1]赵其国，骆永明. 论我国土壤保护宏观战略[J].中国科学院院刊，2015，30（04）：452-458.

[2]中国政府网.全国土壤污染状况调查公报[EB/OL].（2014-04-17）[2014-04-17].https：//www.gov.cn/foot/site1/20140417/782bcb8884-

0814ba158d01.pdf.

[3]黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J].农业环境科学学报，2013，32（03）：409-417.

[4]杨启豪.农田土壤重金属污染现状及修复技巧探讨[J].科学技术创新，2019（31）：5-6.

[5]习近平.高举中国特色社会主义伟大旗帜 为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗——在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告[M].北京：人民出版社，2022．

[6]王浣荷. 轻中度镉污染农田土壤的修复及利用研究[D].杭州：浙江大学，2020.

[7]向焱赟，伍湘，张小毅，等.叶面阻控剂对水稻吸收和转运镉的影响研究进展[J].作物研究，2020，34（03）：290-296.