有机肥和土壤调理剂对土壤重金属的钝化作用及其对水稻吸收重金属的影响

陈 仪，李 泉，刘 莉，夏国平，杜 凡，李治刚

（1.湖北省地质四队资源环境勘查有限责任公司，湖北 咸宁 437100；2.湖北省地质局第四地质大队，湖北 咸宁 437100）

随着工业的高速发展、城市化进程的加剧、工业产生的“三废”和人类不合理的社会活动等一系列因素，导致土壤环境受到各种不同类型的污染，其中以重金属污染最严重［1-3］。土壤重金属污染是人类活动将重金属引入土壤中致使其有害元素含量超过背景值，并造成土壤污染的现象［4］。常见的耕地重金属污染主要为Cd、As、Cr 等，其中Cd 元素的迁移性、生物毒性和隐蔽性问题严峻，Cd 严重超标地区对土壤质量、粮食作物安全、人类健康和生态环境构成严重的威胁［5］，容易对植物产生毒害效应，而土壤pH 影响土壤重金属的有效性，其中土壤酸碱度又与土壤类型与土壤成土母质有关［6］。相关文献报道［7］，中国19.4%耕地中重金属超标，其中Cd超标严重，达7.0%。农村环境污染日益严重，制约了农业的可持续发展［8］。研究表明，Cd 在土壤环境中对植物的影响与其所存在的形态具有密切关系［9-11］。土壤中Cd 的有效形态对土壤环境具有较大的影响，在pH 偏低时容易游离出来，被植物吸收利用，进而通过食物链进入人体，导致人体的肾功能不全、高血压和骨质疏松等疾病［12，13］。根据《湖北省受污染耕地安全利用技术手册（试行）》中推荐的安全利用类技术，常用的包括土壤调理剂、叶面阻控剂、水分调控技术和肥料替代技术等。乡村振兴、美丽乡村建设等政策都强调绿色环保型肥料施用，实行有机肥代替化肥行动。有机肥修复重金属污染农田是研究热点，有机肥通过络合和螯合作用改变重金属的行为和有效性，从而影响植物的吸收。在重金属污染土壤治理中，针对土壤中重金属的特征和土壤理化性质，通过施用不同的调理剂进行化学钝化修复是国内外常用的方法［14］。该方法因经济适用、效果突出等特点，通过土壤调理剂阻控水稻吸收累积重金属受到广泛关注和应用。满志勇［15］在双季稻连续施用有机肥、土壤调理剂的第4～5 年，与对照相比，早稻糙米Cd 含量分别降低了40%～57%和56%～84%；晚稻糙米Cd 含量分别降低了43%～60%和53%～62%；与对照相比，施用有机肥和土壤调理剂，双季稻各生育期土壤有效态Cd 含量平均下降8%和14%。王涌泉等［16］通过试验研究了复合型调理剂对土壤pH、镉有效态含量、镉的形态转化、小白菜生物量和品质安全的影响，结果表明复合型调理剂对镉污染农田土壤的钝化修复效果明显大于单一调理剂，不同配比调理剂降低土壤中有效态镉的含量为44.47%～86.53%。马颢榴［17］研究表明，连续3 年施用有机肥，早稻、晚稻土壤有效态Cd 含量分别降低3%～12% 和4%～14%。骆文轩等［18］的研究表明，随着水稻生育期的延长，有机肥处理土壤有效态Cd 含量呈先下降后上升的趋势，水稻吸收积累Cd 的重要时期是灌浆期，有机肥的施用均能降低灌浆期土壤中有效态Cd 含量，有机肥用量高的成熟期土壤有效态Cd 含量显著减少24%（P＜0.05）。段海芹等［19］研究表明，长期施用有机肥会提高土壤表层有效态Cd 含量，特别是0～10 cm 土壤有效态Cd 含量显著高于对照。研究表明，有机肥能提高土壤pH，一般能提高0.06～0.90 个pH 单位，与化肥相比，早稻施用鸡粪有机肥，晚稻收获时土壤pH上升0.2～0.4 个单位［20］。

对于轻度污染农田，实行单一的治理措施效果较差。对于安全利用类及以上的重金属污染农田，通常需要多种措施联合施用、相互补充，才能取得预期效果，由于中国南方地区长期使用化学肥料，导致土壤呈酸性［21］。因此，本研究主要从有机肥、调理剂施入农田后对土壤pH、重金属的不同赋存形态变化入手，针对有机肥、调理剂单一和联合施用效果作研究，为有机肥和调理剂的合理施用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在湖北省襄阳市谷城县盛康镇刘家畈村，该区域地处北纬30°53′—32°29′、东经111°07′—111°52′，西部属武当山余脉，南部属荆山余脉，属于亚热带季风气候，雨量充沛、光照充足、气候温和、四季分明，年均降水量为8 000～12 000 mm，年均气温15.4 ℃，年日照时数1 894.2 h，日照率43%，无霜期234 d。地块周边大多为山地，旋耕机械进出不便，当地耕作采用牛耕，以种植水稻和玉米为主，研究于2021 年在刘家畈村某安全利用类耕地进行，土壤为水稻土，肥力水平中等，呈酸性，pH 在5.5～6.5。

1.2 供试材料

供试作物为湖北华占种业科技有限公司生产的常规水稻，品种为荃优259 号，籼型三系杂交水稻。

供试土壤调理剂由环保桥（湖南）生态环境工程股份有限公司提供，产品技术指标CaO≥34%，SiO2≥5.5%，pH 在11.0～13.0。产品经农业农村部登记备案。产品主要功能为提高土壤pH、降低土壤中重金属活性、降低农产品中重金属含量。

供试有机肥产品由老河口市绿美生物科技有限公司提供，是以鸡粪和农作物秸秆、米糠为主要原料，添加多种益生菌等腐熟剂经过深槽发酵除臭、高温灭菌杀卵、干燥、代谢产生的抗生素、多种氨基酸、腐殖酸、多种活性生物酶、分解作物必需的氮、磷、钾、钙、镁、硫、锌、硼等多种营养元素，组配成营养全、功能多、肥效长的生物聚能增效肥料。

1.3 试验设计

试验区于2021 年按当地种植习惯播种水稻，修复模式采用“有机肥+土壤调理剂”，分区组设计，共分9 个处理组，各小区间开沟筑埂隔离。田间小区试验排列分布见图1。

图1 田间小区试验排列分布

设置A、B、C 三个处理组，分别施加有机肥、调理剂、有机肥+调理剂。每个处理组3 块田，施加不同浓度梯度的添加剂。施用的有机肥和土壤调理剂按照专家指导意见，在经验值范围内每区域施撒有机肥或调理剂1 500、2 250、3 000 kg/hm2，具体见表1。空白对照试验采取在野外各试验小区施撒药剂前采集空白土壤及农产品样品作对比。

表1 各处理的技术措施

田块犁田平整后对各地块进行筑梗，田埂宽度不低于20 cm，修筑独立灌溉沟，宽度不小于30 cm，各田块灌溉水进出通过独立灌溉沟，避免各小区肥水串流。在灌溉沟上覆一层农用白膜，起到一定隔水作用。

在水稻移栽前按照试验设计布置小区，分别添加不同量有机肥、调理剂、有机肥+调理剂，通过多次旋耕使其混合均匀，7 d 后进行水稻移栽，应注意各小区种植密度一致，施肥按农户种植习惯施撒，田间管理按照当地常规方式进行，小区保持长期淹水状态。

1.4 测定项目与方法

每块田实施前和实施后分别按照“五点采样法”采集土壤样品和稻谷样品。样品量分别为200 g和500 g。实施前采集1 个土壤样品和1 个对应的稻谷样品，实施后采集了2 个土壤样品和1 个对应的稻谷样品。土壤自然风干（不直接放在太阳下暴晒），稻谷谷粒（实粒，不带稻穗）样品晒干后脱壳研磨，按照《食品安全国家标准食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）测定土壤和稻谷样品中的重金属含量，土壤样品重金属全量用HF-HNO3-HClO4法消解，水稻糙米样品用HNO3-HClO4法消解，前处理后的溶液均采用ICP-MS 进行测定。土壤pH 采用《森林土壤pH 值的测定》（LY/T 1230—1999）法测定。

按照《生态地球化学评价样品分析技术要求》（DD2005-03）提取土壤重金属形态。包括水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化物结合态、强有机结合态和残渣态7 种形态。

数据分析中将水溶态、离子交换态和碳酸盐结合态划分为生物易利用态，将腐殖酸结合态和铁锰氧化物结合态划分为中等利用态，将强有机结合态与残渣态划分为生物惰性态，其在环境中很难释放出重金属离子。

1.5 数据处理

采用Excel 2019 和Origin2017 软件进行分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤样品分析测试结果

1）添加剂对土壤pH 的影响。添加剂对土壤pH的影响结果如图2 所示。A1 至A3 施加不同浓度的有机肥后，pH 基本保持不变；B1 至B3 和C1 至C3 施加不同浓度的调理剂、有机肥+调理剂后，pH 均有不同程度的升高。所有处理组中B2 增幅最大。以上结果表明调理剂对土壤pH 变化起主要影响作用。

2）添加剂对土壤中镉（Cd）赋存形态的影响。添加剂对土壤中镉赋存形态的影响结果如图3 所示，施加不同浓度的有机肥（A1 至A3），易利用态镉含量均呈下降趋势，A3 降幅最大，为20.45%。中等利用态、惰性态镉含量总体呈上升趋势。表明有机肥对土壤重金属具有钝化作用，这是由于有机质与易利用态重金属离子络合使其移动性减弱，活性降低，使土壤中的中等利用态和惰性态镉含量增加。

图3 实施前后各处理组易利用态、中等利用态、惰性态镉含量对比

施加不同浓度的调理剂（B1 至B3），易利用态镉含量均呈下降趋势，下降幅度最大的为B2，降幅达21.97%；中等利用态镉含量均呈上升趋势。惰性态镉含量B1、B2 呈下降趋势，B1 降幅最大，降幅为23.70%，B3 呈上升趋势，增幅为33.90%。

施加不同浓度的有机肥+调理剂（C1 至C3），易利用态镉含量均呈下降趋势，下降幅度最大的为C3，降幅为11.54%，中等利用态和惰性态镉含量总体呈上升趋势。说明有机肥+调理剂可降低土壤中镉的活性，使其易利用态降低，中等利用态和惰性态上升。

3）添加剂对土壤中砷（As）赋存形态的影响。添加剂对土壤中砷赋存形态的影响结果如图4 所示。其中施加不同浓度的有机肥（A1 至A3）使土壤易利用态砷含量下降幅度最大的为A1，降幅为58.23%。中等利用态砷含量基本保持不变，惰性态砷含量总体呈上升趋势，上升幅度最大的为A1，增幅为35.64%。表明有机肥对砷具有明显的钝化作用。

图4 实施前后各处理组易利用态、中等利用态、惰性态砷含量对比

施加不同浓度的调理剂（B1 至B3），易利用态砷含量均呈下降趋势，下降幅度最大的为B1，降幅达79.07%；中等利用态砷含量基本持平不变。惰性态砷含量均呈上升趋势，B2 增幅最大，为30.55%。

施加不同浓度的有机肥+调理剂（C1 至C3），易利用态砷含量均呈下降趋势，下降幅度最大的为C1，降幅为68.89%；中等利用态砷含量基本持平不变。惰性态砷含量均呈上升趋势，C2 增幅最大，为32.94%。

4）添加剂对土壤中铬（Cr）赋存形态的影响。添加剂对土壤中铬赋存形态的影响结果如图5 所示，施加不同浓度的有机肥（A1 至A3），易利用态铬含量均呈下降趋势，下降幅度最大的为A3，降幅为44.04%，其次为A1，降幅为43.21%，再次为A2，降幅为30.00%。中等利用态、惰性态铬含量基本保持不变。说明有机肥显著抑制了土壤中铬的活性。

图5 实施前后各处理组易利用态、中等利用态、惰性态铬含量对比

施加不同浓度的调理剂（B1 至B3），调理剂添加量与易利用态铬含量呈负相关，下降幅度最大的为B3，降幅达55.51%，其次为B2，降幅为55.38%，再次为B1，降幅为48.27%；中等利用态、惰性态铬含量基本保持不变。说明调理剂显著抑制了土壤中铬的活性。

施加不同浓度的有机肥+调理剂（C1 至C3），易利用态铬含量均呈下降趋势，下降幅度最大的为C1，降幅为53.66%，其次为C2，降幅为46.04%，再次为C3，降幅为37.70%；中等利用态、惰性态铬含量基本保持不变。

2.2 农产品样品分析测试结果

由图6 可以看出，与实施前相比，稻谷中重金属含量均有所下降，镉、砷、铬分别下降了63.00%、58.49%、34.88%。

图6 实施前后农产品样品检测数据对比

3 小结与讨论

对生长于镉污染土壤中的水稻作物施加有机肥和调理剂，考察有机肥和调理剂对土壤重金属的钝化作用及其对水稻吸收重金属的影响，研究得出以下结论。

1）施加有机肥对土壤pH 影响不大，土壤调理剂对土壤pH 调节起主要作用。

2）施加有机肥和调理剂均可钝化土壤中的重金属镉、砷、铬，使其易利用态减少，活性降低，且土壤调理剂钝化土壤重金属比有机肥效果好，对砷的钝化效果最明显。施加2 250、1 500、3 000 kg/hm2调理剂之后，土壤中镉、砷、铬易利用态效果分别降低了21.97%、79.07%和55.51%。

3）施加有机肥和调理剂均可有效降低稻谷中的重金属镉、砷、铬含量。

综上可知，施加有机肥和调理剂对土壤中的重金属均有钝化作用，降低了土壤中重金属的易利用态，减少了水稻对重金属的吸附量，强化了修复效果，本研究为重金属污染土壤的修复技术提供了理论基础和技术支持。