硅-钙土壤调理剂阻控复合污染稻米镉砷积累的研究

引用格式：叶长城，李园星露，李洪斌，等. 硅–钙土壤调理剂阻控复合污染稻米镉砷积累的研究[J]. 湖南农业科学，2024（6）：48-51.

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.010

收稿日期：2024-02-27

基金项目：湖南省农业创新资金项目（2023CX73）

作者简介：叶长城（1989—），男，湖南浏阳市人，工程师，主要研究方向为土壤环境污染监测与治理修复。

通信作者：孙梅

摘要：为探究硅-钙土壤调理剂（Ca-Si）对镉砷复合污染水稻积累镉砷（Cd、As）的影响研究，以“泰优390”为试验品种，采用随机区组试验设计，选取3处（浏阳LY、临武LW和慈利CL）镉砷复合污染耕地开展田间试验。结果表明：硅-钙土壤调理剂施用下的水稻产量略有增幅（4.18%～11.26%）；能有效阻控水稻对Cd、As积累，显著降低稻米中Cd、As的含量，通过镉砷同步钝化综合效果评价，LY、LW和CL的Cd、As降幅分别为40.63%、21.62%和41.67%，及29.51%、25.20%和15.38%；通过镉砷同步钝化综合效果评价，LY、LW和CL的Cd-As同步降低效果分别为33.40%、23.95%和24.58%，效果显著。因此，硅-钙土壤调理剂在镉砷复合污染耕地上能同步降低稻米的镉砷含量。

关键词：土壤调理剂；镉；砷；同步钝化

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2024）06-0048-04

Silicon-Calcium Soil Conditioner Reduces the Accumulation of Cadmium and Arsenic in Rice Exposed to Compound Contamination

YE Chang-cheng1，2，3，LI Yuan-xing-lu3，4，LI Hong-bin1，2，ZHENG Sheng1，2，SUN Mei5

（1. GRG Metrology amp; Test （Hunan） Co.， Ltd.， Changsha 410013， PRC; 2. Enterprise Key Laboratory of Farmland Pollution Prevention and Control in Southern China， Guangzhou 511499， PRC; 3. Hunan Engineering Technology Research Center for Irrigation

Water Pollution Purification， Changsha 410128， PRC; 4. Environmental Protection Bridge （Hunan） Ecological Environment

Engineering Co.， Ltd.， Changsha 410205， PRC; 5. Hunan Soil and Fertilizer Institute， Changsha 410125， PRC）

Abstract： With \"Taiyou 390\" as the test variety， the effects of silicon-calcium （Ca-Si） soil conditioner on the accumulation of cadmium

（Cd） and arsenic （As） in rice were studied. A randomized block design was adopted for field experiments， which were conducted in the farmlands contaminated by both Cd and As in Liuyang （LY）， Linwu （LW）， and Cili （CL）. The results showed that the application of Ca-Si soil conditioner increased the rice yield by 4.18%-11.26%. Compared with the conventional treatment， the soil conditioner reduced the content of Cd in rice by 40.63%， 21.62%， and 41.67% and the content of As by 29.51%， 25.20%， and 15.38% in LY， LW， and CL， respectively. According to the comprehensive evaluation of Cd-As synchronous passivation effect， the Cd-As synchr-onous reduction effect in LY， LW and CL was 33.40%， 23.95% and 24.58%. Therefore， the Ca-Si soil conditioner can synchronously reduce the Cd and As content in rice in the farmland exposed to compound contamination， thus controlling the accumulation of Cd and As in rice.

Key words： soil conditioner; cadmium; arsenic; synchronous passivation

土壤中的重金属累积往往是伴生性或综合性的，虽然单一重金属污染发生的概率较高，但有些情况下也表现为2种及以上元素同时作用形成的复合污染[1]。大量学者调查结果均显示，多种重金属并存的复合污染是现今土壤污染的主要形式之一，在土壤–作物系统中，各种重金属元素之间生物毒性的交叉影响是修复复合污染的难题[2-4]，据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，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%，耕地环境污染现状不容小视。调查还显示，重金属镉砷的点位超标率分别为7.0%和2.7%[5]。在笔者所调查区域范围内，镉（Cd）、砷（As）元素为调查区土壤中2种主要重金属污染物。

镉砷复合污染是我国南方稻田重金属污染的主要形式[6]，有色金属之乡湖南，土壤复合重金属污染更是不容乐观，治理刻不容缓。据曾清如等[7]报道，特大山洪将湖南郴州地区矿坝冲垮，含多种矿物的尾沙被冲积至周边农田，使该区域土壤转变为多种重金属共存的复合污染土壤。刘春早等[8]对湘江流域土壤6种重金属土壤总量调查，结果表明，As、Cd总含量分别在 4.25～549.67、0.13～76.84 mg/kg范围之间。针对采矿与冶炼区附近水稻土展开抽样调查，发现Cd严重污染区域占到2/3，1/3的耕地受到Cd、As等重金属的共同作用[9]。周俊驰等[10]对湖南株洲某县耕地的风险评价显示，高风险复合污染区域面积达到23.23 km2。土壤重金属复合污染严重影响湖南区域农业安全生产布局及粮食安全。

镉砷复合由于镉砷在土壤中存在的形态不一，镉以阳离子形式存在，砷以阴离子形式存在[11]，在土壤中的吸附性、溶解性以及被水稻富集等方面具有相反的性质。有研究表明As在土壤–植物系统中的变化与土壤酸碱度密切相关，在酸性土壤中，活性比较小，随着土壤pH值升高，土壤中As的吸附减少、溶解度增大，As活性增大，稻米对As的积累量增加，As对植物的毒性增强；传统的农艺措施淹水或施用石灰等农田降镉技术在降低Cd的同时，往往会引起水稻对As的积累，从而出现顾此失彼的现象[11-15]。笔者以Cd、As复合污染农田土壤为研究对象，探索钙基土壤钝化剂结合水溶性硅的硅–钙复合土壤调理剂对镉砷复合污染同步钝化效果和控制稻米Cd、As积累效应，为南方典型矿区Cd、As复合污染农田安全生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试水稻 水稻品种泰优390（湘审稻2013027），为湖南省广泛种植的水稻品种。

1.1.2 供试土壤 试验于2021年分别在浏阳市、临武县、慈利县3地乡镇同步开展，于试验前，按梅花采样法取试验田土壤样品，自然风干后，用水土比为2.5∶1的比例[16]采用电位法测定土壤pH值，采用王水–高氯酸湿法[17]和ICP–OES（美国PE8300）测定Cd全量和浓度，采用水浴消解–氢化物发生–原子荧光法和AFS–920双道原子荧光光度计测定As总量和浓度。根据土壤环境质量标准，3处土壤均属于典型的镉砷复合污染类型，基本情况如表1。

1.1.3 供试土壤调理剂 土壤调理剂为钙基钝化剂及水溶性硅粉剂按10∶1的比例混合组成的硅–钙土壤调理剂。钙基土壤钝化剂以白云石为主原料，方解石或菱镁矿作为调节产品钙镁比例的辅料，通过煅烧制得以钙镁的氧化物和氢氧化物为主，并包含部分碳酸钙镁和二氧化碳气体的多孔疏松状复合碱性物料，后混合水溶性硅粉剂，使土壤调理剂CaO≥32.0%，MgO≥16.0%，Si≥15%，并含有部分Mn、Fe氧化物。

1.2 试验设计

试验采用田间小区对照试验方案设计（表2），3地同步设置，共设2个处理，分别为空白对照处理（CK）和硅–钙土壤调理剂处理（Ca–Si），每个处理重复3次，小区面积30 m2（5 m×6 m），各处理设独立灌溉沟渠，移栽前施磷肥和氮钾复合肥做基肥，幼苗期追施尿素和钾肥，肥水用量、田间管理按大田常规操作进行。

1.3 分析测定

1.3.1 样品的采集与制备 在水稻蜡熟期，各小区按“S”取样法采集5 m2水稻植株，并进行小区测产；水稻样品采集后用自来水洗净，再用超纯水冲洗，将谷粒样品分别按照编号置于室外阳光下晒干，并将晒干的谷粒用砻谷机制出糙米，用植物粉碎机小心将糙米粉碎后备用。

1.3.2 稻米样品Cd、As含量测定 称取0.5 g糙米样品，采用HNO3–HClO4体系[18]消化，消解后用ICP–OES（美国PE8300）测定镉浓度，AFS–920 双道原子荧光光度计测定其总砷浓度。

参考专家经验与意见，按比例计算土壤调理剂的镉砷同步钝化综合治理效果按公式（1）计算。

Cd–As钝化效果=Cd钝化效果×35%+As钝化效果×65%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

2 结果与分析

2.1 施用硅-钙土壤调理剂对水稻产量的影响

由图1显示，在3地试验中，与对照相比，硅–钙土壤调理剂处理的水稻产量均有所增长，LY（26.55 kg）、LW（23.78 kg）和CL（28.01 kg）的Ca–Si产量增幅分别为11.11%、11.26%和4.18%。综合来看，水稻生产过程中合理的施用硅–钙土壤调理剂不会造成减产，和常规管理比较，还能有一定的产量增加幅。

2.2 施用硅-钙土壤调理剂对稻米积累Cd的影响

3地土壤中Cd含量排序为LY＜LW＜CL，由图2可知，3地CK处理中，稻米中Cd的含量与土壤Cd含量升降规律不一致，考虑是因为土壤中重金属有效活性的影响；与对照相比，施用硅–钙土壤调理剂后稻米中Cd含量均有所降低，其中Ca–Si（LY）降低40.63%，Ca–Si（LW）降低21.62%，Ca–Si（CL）降低41.67%。综合来看，说明水稻生产过程中合理的施用硅–钙土壤调理剂能有效降低稻米中Cd积累量。

2.3 施用硅-钙土壤调理剂对稻米积累As的影响

3地土壤中As含量排序为CL＜LY＜LW，由

图3可知，3地CK处理中，稻米中As的含量与土壤As含量升降规律一致；与对照相比，在施用硅–钙土壤调理剂后，稻米中As含量均呈现降低趋势，其中Ca–Si（LY）降低29.51%，Ca–Si（LW）降低25.20%，Ca–Si（CL）降低15.38%。综合来看，水稻生产过程中合理的施用硅–钙土壤调理剂能有效降低稻米中As积累量。

2.4 施用硅-钙土壤调理剂对水稻吸收积累Cd-As影响的综合效果

参照Cd和As含量降低百分比，可算得Cd–As钝化效果。由图4可知，LY、LW和CL的Ca–Si处理Cd–As同步钝化效果分别为33.40%、23.95%和24.58%，能达到24%左右。由此可以看出，复合污染耕地施用硅–钙土壤调理剂，镉砷同步钝化效果较好。

3 讨论与结论

硅–钙土壤调理剂是以钙镁的氧化物和氢氧化物为主，并包含部分碳酸钙镁和二

氧化碳气体的多孔疏松状复合碱性物料，从其产品成分和对Cd–As复合污染土壤作用机理上分析钝化原因。

钙基钝化剂可有效提高土壤pH值，对Cd污染土壤具有显著修复效果[19]。有研究表明，提高土壤的pH值，能促进重金属离子形成氧化物沉淀[20-23]；Ca2+与Cd2+具有相似的化学性质，在植物根系上竞争吸收点位[24-25]，在土壤发生水解共沉淀反应时，OH–、CO32–与Cd2+形成溶解度较低的化合物，从而降低水稻中Cd积累。

硅（Si）能抑制水稻中Cd、As等有毒元素的吸收、运输与积累，从而降低水稻中Cd、As含量[26]，水溶性Si进入水稻植株体内，可增加离子交换能力，形成胶体吸附Cd、As；在减弱水稻对As的累积方面，由于As和Si的共用吸收通道，二者形成竞争关系，抑制水稻对As的吸收与累积[27]。且水稻是典型的喜硅作物，吸硅后表现为根系发达，可使植株表皮细胞硅质化、茎秆粗壮、叶片挺举，减少遮光，光合作用增强15%～20%，抗倒伏能力提高85%左右，抗旱、抗病抗虫能力大大增强。

由于白云石、方解石及菱镁矿的纯度原因，使得土壤调理剂中含有部分Mn、Fe氧化物；铁氧化物，其羟基和铁阳离子所组成的表面官能团（Fe–OH）通过质子的离解和缔合作用而带电，从而使带负电荷的砷酸根离子接近铁氧化物胶体表面，产生吸附，使砷活性下降[28]。锰氧化物对三价砷有很强的吸附能力，土壤调理剂含有部分的锰氧化物，对砷有一定的氧化和吸附能力，氧化锰表面吸附着As3+，表面的As3+被氧化为As5+，而As5+在锰氧化物表面能发生配位反应形成As5+–MnO2双齿双核桥接复合物，从而阻控As在土壤—水稻中的迁移[29]。

虽然有研究表明在实际应用中，且碱性条件不利于As、钼（Mo）等阴离子的固定[30]，但试验中因为水溶性Si的同步加入，使As的钝化加强，从而起到同步钝化，减少稻米中As的含量。

结合产品情况与试验结果发现，在镉砷复合污染耕地上施用硅–钙土壤调理剂不会对水稻造成减产风险，且产量略有增幅；对稻米Cd–As的含量的起到阻控效果，显著降低了稻米中Cd及As的含量；对Cd–As同步降低效果能达到24%左右。

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（责任编辑：肖彦资）