石灰质复合调理剂对中碱性镉污染稻田的修复效果

引用格式：何运祥. 石灰质复合调理剂对中碱性镉污染稻田的修复效果[J]. 湖南农业科学，2024（6）：52-56.

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.011

收稿日期：2024-02-28

基金项目：国家重点研发计划课题（2023YFD1700102）；国家自然科学基金（42077374）

作者简介：何运祥（1965—），男，湖南澧县人，高级农艺师，主要从事土壤肥料等农业技术推广、农业项目管理等工作。

摘要：为探究石灰质材料（生石灰和石灰石粉）与枯饼肥、海泡石复配对中碱性镉污染稻田的修复效果，通过田间小区试验，研究了石灰质复合材料与枯饼肥、海泡石的不同组配方式对土壤pH值、有效态镉含量及糙米镉含量的影响，并进行效益分析。结果表明：石灰质复合调理剂主要是通过提升土壤酸碱度，降低土壤有效态镉含量，从而降低水稻对镉的吸收积累。石灰质复合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）3 600 kg/hm2合理搭配枯饼肥、海泡石的复合调理剂，可显著提高土壤pH值0.47～0.67个单位，显著降低土壤有效态镉含量34.71%～44.94%，显著降低糙米镉含量39.60%～53.47%，且其作用效果随调理剂用量的增加而提高。复合调理剂还具有显著的增产效果，增产幅度达1.75%～10.59%，其增产效果主要受枯饼肥用量的影响。成本效益分析结果表明，降镉1%新增成本随糙米降镉率呈先下降后上升的趋势，但糙米降镉率与修复成本呈报酬递减规律。综合考虑糙米降镉效果和成本，生石灰（1 200 kg/hm2）+石灰石粉（2 400 kg/hm2）+海泡石（1 500 kg/hm2）可推荐为最佳复合调理剂。

关键词： 石灰质材料；枯饼肥；海泡石；复合调理剂；镉；重金属

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2024）06-0052-05

Composite Calcareous Conditioners Remediate the Alkaline Paddy Soil Contaminated by Cadmium

HE Yun-xiang

（Lixian County Bureau of Agriculture and Rural Affairs， Lixian 415500， PRC）

Abstract：Calcareous materials （quicklime and limestone powder） were mixed with seed meal and sepiolite at different ratios to prepare composite calcareous conditioners， which were then used to remediate the alkaline paddy soil contaminated by cadmium. Field plot experiments were conducted to study the effects of the composite calcareous conditioners on soil pH， available cadmium content in soil， and cadmium content in brown rice. Furthermore， the cost and benefit of cadmium reduction were analyzed. The results showed that composite calcareous conditioners reduced the content of available cadmium in soil by increasing soil pH， thus reducing the absorption and accumulation of cadmium in rice. The calcareous materials （quicklime ： limestone powder=1∶2） applied at 3 600 kg/hm2 with seed meal and sepiolite increased the soil pH by 0.47-0.67， reduced the soil available cadmium by 34.71%-44.94%， and decreased the cadmium content in brown rice by 39.60%-53.47%. Moreover， the effects enhanced with the increase in the application rate. Furthermore， the composite calcareous conditioners increased the rice yield by 1.75%-10.59%， and the yield-increasing effect was affected by the amount of seed meal. The results of cost-benefit analysis showed that the cost for 1% reduction of cadmium in brown rice first decreased and then increased with the increase of the cadmium reduction rate in brown rice. The benefit decreased as the cadmium reduction rate in brown rice and the remediation cost increased. Considering the effect and cost of cadmium reduction in brown rice， the optimal formula of the composite calcareous conditioner was recommended as quicklime （1 200 kg/hm2） + limestone powder （2 400 kg/hm2） + sepiolite （1 500 kg/hm2）.

Key words： calcareous material; seed meal; sepiolite; composite conditioner; cadmium; heavy metal

随着我国的工业化进程的加快，环境问题日益凸显，土壤重金属污染进一步加剧。据报道，全国土壤污染点位超标率为16.1%，其中镉污染点位超标率高达7.0%，且主要分布在我国南方稻区[1]。水稻作为全国60%人口的主要粮食作物，具有高镉累积的特征[2]。根据农业部统计显示，我国稻米镉含量是小麦和其他谷物的3～8倍[3]，部分地区稻米镉超标率高达10.0%[4]，严重威胁我国稻米粮食质量安全。因此，采取安全有效的稻田降镉措施对稻米安全生产具有重要的现实意义。

原位钝化被认为是最简捷高效的土壤修复手段，其主要机理是通过降低重金属在土壤中的迁移转化，从而降低重金属的生物有效性[5]。石灰、海泡石、有机肥等均是土壤镉污染治理的常用物料[6-7]，石灰可通过提高土壤pH值，降低土壤有效态镉含量，减少水稻对镉的吸收，但长期施用会破坏土体团粒结构，造成土壤板结[8]；施用有机肥则可提升土壤有机质含量，增加土壤库容，改变土壤镉的赋存形态，减少水稻对镉的积累[9]；增施海泡石等硅基调理剂则可促进硅镉沉淀，显著降低土壤镉的生物有效性[10]。

近年来，将多种修复物料按一定比例进行互配，尤其是有机、无机材料的组合互配可实现优势互补，显著提升修复效率[11-13]，但应用于中碱性土壤的镉污染稻田修复治理报道较少[14-15]。为此，笔者针对澧县典型的中碱性镉污染稻田，在优选出石灰质复合材料配方的基础上，进一步通过石灰质复合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）与海泡石、枯饼肥进行组配，研究其对土壤pH值、有效态镉含量、糙米镉含量和水稻产量的影响，并分析其经济效益，以期为同类型镉污染稻田的安全利用提供经验参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

田间试验位于湖南省澧县安全利用区的某中性镉污染稻田，其土壤类型为河流冲积母质发育的河潮泥，基本理化性质为pH值6.76、有机质22.8 g/kg、

全氮1.64 g/kg、碱解氮121.3 mg/kg、速效磷32.4 mg/kg和速效钾102.6 mg/kg，土壤总镉含量0.79 mg/kg，有效态镉0.25 mg/kg。供试水稻品种为天优华占，试验用生石灰（CaO≥80%）、石灰石粉（CaCO3≥90%）、枯饼肥（有机质≥50%）、海泡石（SiO2≥30%）。

1.2 试验设计

试验以常规施肥为对照，设石灰质复合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）与枯饼肥和海泡石的8个配方，共9个处理，每个处理3次重复，随机区组排列小区面积30 m2，具体配方及用量见表1。

水稻移栽前1周按照配方设置分别施入生石灰、石灰石粉、枯饼肥和海泡石，并旋耕均匀。水稻移栽前1 d按750.0 kg/hm2施入15–15–15史丹利牌复合肥作基肥，移栽后14 d追施洞庭牌尿素112.5 kg/hm2。

其他耕作管理措施与当地常规种植方式保持一致。

2023年6月12日移栽水稻秧苗；2023年9月23日收获水稻，并实地测产。

供试材料成本为生石灰450元/t，石灰石粉200元/t，枯饼肥2 000元/t，海泡石600元/t；撒施成本按0.02元/kg计算。

1.3 样品采集与处理

水稻成熟期各小区采集长势均匀的水稻6株，脱粒后的稻谷于105℃下杀青30 min，70℃烘干至恒重。稻谷样品使用小型砻谷机脱壳制成糙米，用不锈钢粉碎机（FW–80，北京市永光明医疗仪器有限公司）粉碎后装袋备用。

水稻成熟期采集各小区耕层（0～20 cm）土壤样品，剔除杂物后混合均匀，样品室内自然风干后过20目尼龙筛，保存至封口袋中备用。

1.4 测定指标及方法

土壤pH值采用pH计（pHs–3C，上海雷兹）测定，土水比为1∶2.5（m∶V）；有机质采用重铬酸钾容量–外加热法测定；碱解氮采用扩散法测定；全氮采用凯氏定氮仪测定；速效磷采用NaHCO3浸提–钼锑抗比色法测定；速效钾采用火焰光度法测定[16]。土壤有效态镉采用DTPA法提取，土水比1∶2.5（m∶V），180 r/min条件下振荡2 h后过滤；土壤全镉采用王水–高氯酸消解法消解后定容过滤，用电感耦合等离子光谱仪（ICP–OES–5110，美国安捷伦）测定滤液中镉含量。

糙米镉含量采用混合酸溶液（HNO3–H2O2，体积比8∶1）微波消解法消解，消解液定容过滤后用ICP–OES–5110（美国安捷伦）测定滤液中镉含量。

1.5 数据处理与分析

每公顷新增成本（元/hm2）＝材料成本+撒施成本；每降镉1%新增成本（元）＝每公顷新增成本/糙米镉降低率。

用Excel 2016软件进行试验数据处理和作图；数据分析基于SPSS 26.0方差分析法（ANOVA）和LSD法（P＜0.05）进行显著性差异分析，线性回归法进行指标相关性分析，每个图形值代表平均值±

标准差。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值变化

由图1可知，水稻成熟期对照处理（T1）的土壤pH值为6.73。与T1相比，其余8个配方处理的土壤pH值提高了0.47～0.67个单位，皆达到显著差异水平；而石灰质复合材料与海泡石（T2）、枯饼肥（T5）及其组合处理间的pH值皆无显著差异。可见，石灰质复合材料与海泡石、枯饼的复合调理剂皆可显著提升土壤酸碱度，但增施海泡石、枯饼肥对土壤pH值无显著影响。

2.2 土壤有效态镉含量变化

由图2可知，水稻成熟期对照处理（T1）的土壤有效态镉含量为0.25 mg/kg。与T1相比，其余8个配方处理的土壤有效态镉含量降低了34.71%～44.94%，皆达到显著差异水平；而石灰质复合材料与海泡石（T2）、枯饼肥（T5）及其组合处理间的土壤有效态镉含量皆无明显差异。可见，石灰质复合材料与海泡石、枯饼的复合调理剂皆可显著降低土壤有效态镉含量，但增施海泡石、枯饼肥皆对土壤有效态镉含量无显著影响。

2.3 稻谷产量与糙米镉含量变化

由图3可知，水稻成熟期对照处理（T1）的稻谷产量8.55 t/hm2。与T1相比，所有处理皆有增产效果，增产幅度在1.75%～10.59%之间。其中，除施用枯饼肥量较低的处理（T2、T3、T4）外，其余处理皆增产显著，表明在试验条件下增施枯饼肥750 kg/hm2及以上可显著增加稻谷产量，而增施海泡石对水稻产量的影响不明显。

由图4可知，糙米镉含量的变化，与土壤有效态镉含量的变化基本一致，除T1及T3处理外，其余处理的糙米镉含量均低于国家食品安全限值（0.2 mg/kg）。与T1相比，其余8个处理的糙米镉含量降低了39.60%～53.47%，皆达到显著差异水平；由图5可知，且随复合材料施用量的增加，糙米降镉效果有增加趋势（y = 4.58 x + 22.98，R2 = 0.59）；糙米降镉率与枯饼肥施用量也呈显著的正相关（y = 9.83 x -

41.83，R2 = 0.55），但糙米降镉率与海泡石用量相关性不明显。可见，在施用石灰质复合材料条件下，增加枯饼肥、或者枯饼肥与海泡石的总用量，可进一步提升糙米降镉效果，并实现糙米镉含量降低至0.2 mg/kg以下。

2.4 糙米镉含量与土壤有效态镉含量及土壤pH值间的关系

分析糙米镉含量与土壤有效态镉含量及土壤pH值之间的关系（图6）表明，糙米镉含量与成熟期土壤pH值呈显著负相关，与土壤有效态镉含量呈显著正相关，表明施用石灰质复合材料与枯饼肥、海泡石复配主要是通过提升土壤酸碱度，降低土壤有效态镉含量，从而提升糙米降镉效果。

2.5 糙米降镉成本分析

由图7可知，糙米降镉率与修复产品施用成本呈正相关（y = 0.013 9x + 20.744，R2 = 0.949 8），表明增加修复产品施用量，糙米降镉效果增强，但修复成本也会显著增加。T2～T9处理糙米降镉率与降镉1%新增成本之间呈二次曲线关系（R2 =0.98），降镉1%新增成本与糙米降镉率呈先下降后上升趋势，降镉1%新增成本在46.37～80.32元/hm2；其中，T2降镉1%新增成本最低，仅46.37元/hm2，为最经济的处理。整体上，糙米降镉率与降镉1%新增成本呈显著正相关，表明增加修复产品施用量，糙米降镉效果也随之增强，但修复效果呈报酬递减

规律。

3 讨论与结论

土壤有效态镉受多种因素共同制约，其中土壤酸碱度是最重要的控制因子，调控着重金属离子在土壤–溶液界面的动态平衡[17]。随着pH值升高，土壤胶体表面负电荷点位逐渐增多，土壤对重金属的专性吸附能力增强；此外土壤酸碱度提升有利于铁、锰羟基化合物形成，为重金属提供更多羟基吸附点位[18-19]。提升土壤酸碱度降低土壤镉的生物有效性是修复酸性镉污染稻田最常用的方法，但在中碱性镉污染土壤中，大部分集中在钙镁磷肥、椰壳生物炭、油菜秸秆生物炭、腐殖酸等形成的有机–无机复合调理剂对镉的钝化效果研究，基于石灰质材料的研究相对较少[15]。因此，笔者在前期研究探明生石灰∶石灰石粉=1∶2时修复效果较好的基础上，通过该石灰质复合材料与枯饼肥、海泡石进行复配，以期探明石灰质材料及其与枯饼肥、海泡石复配在中碱性镉污染稻田的修复效果。研究结果表明，复合调理剂处理的土壤pH值提高了0.47～0.67个单位，土壤有效态镉含量降低了34.71%～44.94%，稻米镉含量也降低了39.60%～53.47%，皆达显著差异水平；而复配枯饼肥、海泡石对土壤pH值、土壤有效态镉含量的影响不明显，但随枯饼肥、海泡石施用比例及施用量的增加，降低稻米镉含量的效果增加，但随复合调理剂施用量的增加，其修复效果呈报酬递减规律。

石灰类物质、有机肥和海泡石中分别含有水稻生长所需的钙、镁、锌、硅等矿质元素，能够促进水稻生长，增强水稻抗逆能力[20]。适量施用石灰类物质、有机肥和海泡石能够促进土壤养分循环、提高微生物活性和生物酶活性等，加速土壤养分在土壤中的迁移，增加水稻对养分元素的吸收等[21-22]。研究结果也表明，随复合调理剂的施用，稻谷产量也增加了1.75%～10.59%，尤其是增施枯饼肥750 kg/hm2及

以上时，水稻增产效果明显。可见，根据项目降镉效果及成本效应，T2处理为最优处理，低于食品安全国家标准要求，在此基础上适当增加枯饼肥用量，还可进一步降低糙米镉含量的同时增加稻谷产量。

通过田间小区试验，探究了石灰质复合材料与枯饼肥、海泡石复配在中碱性镉污染稻田中的应用效果，结果表明复合调理剂可显著提升土壤酸碱度，降低土壤有效态镉含量，并显著降低糙米镉含量，还具有一定的增产效果。综合糙米降镉效果和成本效应，优选出了适合中碱性镉污染稻田的最佳配方，即：

生石灰（1 200 kg/hm2）+石灰石粉（2 400 kg/hm2）+

海泡石（1 500 kg/hm2）组配施用的效果最佳。

参考文献：

[1] 中华人民共和国环境保护部. 全国土壤污染状况调查公报[R]. 北京：中华人民共和国环境保护部，2014.

[2] IRSHAD M K，NOMAN A，ALHAITHLOUL H A S，et al. Goethite–modified biochar ameliorates the growth of rice（Oryza sativa L.）plants by suppressing Cd and As–induced oxidative stress in Cd and As co–contaminated paddy soil[J]. The Science of the Total Environment，2020，717：137086.

[3] SONG Y，WANG Y，MAO W F，et al. Dietary cadmium exposure assessment among the Chinese population[J]. PLoS One，2017，12（5）：e0177978.

[4] 彭鸥，铁柏清，叶长城，等. 稻米镉关键积累时期研究[J]. 农业资源与环境学报，2017，34（3）：272-279.

[5] 胡艳美，王旭军，党秀丽. 改良剂对农田土壤重金属镉修复的研究进展[J]. 江苏农业科学，2020，48（6）：17-23.

[6] 张长波，罗启仕，付融冰，等. 污染土壤的固化/稳定化处理技术研究进展[J]. 土壤，2009，41（1）：8-15.

[7] 冉洪珍，郭朝晖，肖细元，等. 改良剂连续施用对农田水稻Cd吸收的影响[J]. 中国环境科学，2019，39（3）：1117-1123.

[8] 朱奇宏，黄道友，刘国胜，等. 改良剂对镉污染酸性水稻土的修复

效应与机理研究[J]. 中国生态农业学报，2010，18（4）：847-851.

[9] LI B，ZHU Q H，ZHANG Q，et al. Cadmium and arsenic availability in soil under submerged incubation：The influence of humic substances on iron speciation[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，2021，225：112773.

[10] 孙迪，陈灿，龚意辉，等. 海泡石在农产品及水体重金属污染修复中的研究进展[J]. 生命科学研究，2024，28（1）：83-94.

[11] ZHOU H，ZHOU X，ZENG M，et al. Effects of combined amendments on heavy metal accumulation in rice（Oryza sativa L.）

planted on contaminated paddy soil[J]. Ecotoxicology and Envir-

onmental Safety，2014，101：226-232.

[12] 朱维，周航，吴玉俊，等. 组配改良剂对稻田土壤中镉铅形态及糙米中镉铅累积的影响[J]. 环境科学学报，2015，35（11）：3688-3694.

[13] 吴烈善，曾东梅，莫小荣，等. 不同钝化剂对重金属污染土壤稳定化效应的研究[J]. 环境科学，2015，36（1）：309-313.

[14] 王超，高珊，孙涛，等. 生物炭复配海泡石钝化修复弱碱性镉污染土壤[J]. 环境科学学报，2024，44（2）：365-374.

[15] 解晓露，袁毳，朱晓龙，等. 中碱性镉污染农田原位钝化修复材料研究进展[J]. 土壤通报，2018，49（5）：1254-1260.

[16] 鲍士旦. 土壤农化分析 3版[M]. 北京：中国农业出版社，2000.

[17] HOODA P S，ALLOWAY B J. Cadmium and lead sorption behaviour of selected English and Indian soils[J]. Geoderma，1998，84（1/2/3）：121-134.

[18] 周航，周歆，曾敏，等. 2种组配改良剂对稻田土壤重金属有效性的效果[J]. 中国环境科学，2014，34（2）：437-444.

[19] 文炯，李祖胜，许望龙，等. 生石灰和钙镁磷肥对晚稻生长及稻米

镉含量的影响[J]. 农业环境科学学报，2019，38（11）：2496-2502.

[20] 李心，林大松，刘岩，等. 不同土壤调理剂对镉污染水稻田控镉效应研究[J]. 农业环境科学学报，2018，37（7）：1511-1520.

[21] 李江遐，关强，黄伏森，等. 不同改良剂对矿区土壤重金属有效性

及土壤酶活性的影响[J]. 水土保持学报，2014，28（6）：211-215.

[22] 钟俊杰，李晓镜，尹泽润，等. 紫泥田水稻土细菌群落对不同农艺调控措施的响应[J]. 农业环境科学学报，2022，41（2）：367-374.

（责任编辑：肖彦资）