王鐵劉云黃純輪文陽(yáng)平張楠楠

(1.江西普瑞豐生態(tài)科技有限公司，江西 南昌 330001；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045)

引言

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是人類賴以生存的主要自然資源之一，所有作物的種植都離不開土壤，土壤健康對(duì)于作物的安全及糧食安全都起到至關(guān)重要的作用[1]。然而，由于長(zhǎng)期不規(guī)范的種植及人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響，土壤健康已經(jīng)受到了嚴(yán)重的破壞[2]，2014年環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，通過2005年4月—2013年12月為期8a的普查得出，全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，其中鎘污染的超標(biāo)極為嚴(yán)重，污染物點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%[3]。農(nóng)田鎘金屬的污染對(duì)我國(guó)的糧食安全生產(chǎn)造成了極大的影響[4]，2013年在湖南長(zhǎng)沙株洲發(fā)生了震驚全國(guó)的“鎘大米”事件[5]，近百噸受污染鎘大米被銷毀；湖北、江西、廣西、貴州等地也是農(nóng)田重金屬污染的重災(zāi)區(qū)，每年都有大米因重金屬超標(biāo)而被銷毀，使農(nóng)民的財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重影響，百姓的健康也受到極大威脅。項(xiàng)目所在的江西省每年因土壤重金屬污染而減產(chǎn)糧食80萬(wàn)以上，直接被重金屬污染的糧食多達(dá)10萬(wàn)t，已形成“毒大米”的“鎘米”區(qū)[6]。江西省農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)全省優(yōu)勢(shì)水稻區(qū)域土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，全省Cd污染最嚴(yán)重，樣本超標(biāo)率4.7%，最大超標(biāo)64倍；全省Cu污染超標(biāo)率4.2%，最大超標(biāo)10倍；全省As污染超標(biāo)率2.3%，最大超標(biāo)4倍[7]?！度珖?guó)土壤環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》和《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》已把江西省納入全國(guó)受重金屬污染最嚴(yán)重的防護(hù)試點(diǎn)區(qū)和重點(diǎn)區(qū)域[8，9]，大量學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的理論及實(shí)驗(yàn)研究[10-14]，但在廣泛的應(yīng)用上仍缺少相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此通過在項(xiàng)目中開展農(nóng)田鎘金屬污染修復(fù)研究對(duì)開展大范圍的推廣修復(fù)具有極為重要的意義。

1 項(xiàng)目農(nóng)田鎘污染與安全利用修復(fù)治理試驗(yàn)方案

1.1 項(xiàng)目概況

研究區(qū)域位于江西省南昌市某區(qū)，介于E115°50′39″～115°58′50″，N28°40′15″～28°47′50″，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)是四季分明，年平均氣溫17.5℃，1月平均氣溫5.0℃，極端最低氣溫-9.3℃；7月平均氣溫29.6℃，極端最高氣溫40.6℃，平均氣溫年較差24.6℃。該地有耕地總面積1002.2hm2，其中優(yōu)先保護(hù)類面積258.8hm2；安全利用類面積733.9hm2，嚴(yán)格管控類面積9.5hm2，受污染耕地重金屬污染元素為鎘(Cd)，點(diǎn)位超標(biāo)率為69.68%，土壤pH平均值為5.4，呈弱酸性。

2021年對(duì)研究區(qū)域受污染耕地安全利用地塊168.6hm2水稻種植區(qū)，采用噴施葉面阻控劑、撒施土壤調(diào)理劑和水分管理措施對(duì)受污染耕地進(jìn)行修復(fù)，治理措施詳見表2。

表1 研究區(qū)域不同村組安全利用水田質(zhì)量分類面積統(tǒng)計(jì)

表2 研究區(qū)域受污染耕地信息及治理措施

圖1 研究區(qū)域耕地環(huán)境質(zhì)量類別分布圖

1.2 耕地安全利用試驗(yàn)方案

在安全利用耕地主體采用成熟技術(shù)方案進(jìn)行治理的同時(shí)，劃出1.8hm2稻田地進(jìn)行探索性耕地安全利用修復(fù)，對(duì)比研究不同調(diào)理劑，不同田間管理方式或不同施肥方式對(duì)耕地安全利用治理修復(fù)效果的差異。分為不同調(diào)理劑、不同葉面阻控劑、不同中微量元素肥料、固定調(diào)理劑加不同葉面阻控劑、不同土壤調(diào)理劑撒施方式5個(gè)大組，共18個(gè)小區(qū)，詳細(xì)情況見表3。

表3 耕地安全利用試驗(yàn)方案

1.3 取樣、檢測(cè)方法及評(píng)價(jià)方法

在收獲季節(jié)對(duì)水稻進(jìn)行取樣，項(xiàng)目實(shí)施地塊按照2hm2/個(gè)布設(shè)采樣點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)86個(gè)水稻監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，探索性耕地安全利用修復(fù)實(shí)驗(yàn)地塊對(duì)每塊地區(qū)3個(gè)樣品，樣品檢測(cè)方法為《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測(cè)定》(GB 5009.15-2014)。整個(gè)過程設(shè)置平行和質(zhì)控盲樣，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

農(nóng)產(chǎn)品中目標(biāo)污染物單因子污染指數(shù)算術(shù)平均值計(jì)算公式：

式中，E為所采集的農(nóng)產(chǎn)品中目標(biāo)污染物單因子污染指數(shù)算術(shù)平均值；n為治理效果評(píng)價(jià)點(diǎn)位數(shù)量，個(gè)；A為農(nóng)產(chǎn)品中目標(biāo)污染物的實(shí)測(cè)值，mg·kg-1；S為農(nóng)產(chǎn)品中目標(biāo)污染物的限量標(biāo)準(zhǔn)值，mg·kg-1。

農(nóng)產(chǎn)品樣本超標(biāo)率計(jì)算公式：

式中，R為農(nóng)產(chǎn)品樣本超標(biāo)率，%；N為農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)樣本總數(shù)，個(gè)；M為監(jiān)測(cè)樣本總數(shù)，個(gè)。

表4 治理效果等級(jí)(NY/T 3343-2018)

2 結(jié)果與討論

2.1 水稻種植區(qū)污染物鎘治理效果評(píng)價(jià)

研究區(qū)域耕地土壤環(huán)境質(zhì)量報(bào)告顯示，其土壤主要重金屬超標(biāo)元素為鎘，其他4種汞、砷、鉛、鉻未超標(biāo)，因此受污染耕地安全利用區(qū)水稻樣本檢測(cè)指標(biāo)僅為鎘。根據(jù)水稻檢測(cè)報(bào)告結(jié)果顯示，鎘含量范圍為0.036～0.46mg·kg-1，平均值為0.112mg·kg-1，基于農(nóng)產(chǎn)品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果，見表5，可以發(fā)現(xiàn)，某區(qū)受污染耕地安全利用區(qū)水稻樣本中Cd單因子污染指數(shù)均值(E平均)為0.558，小于1，且其評(píng)價(jià)點(diǎn)t檢驗(yàn)結(jié)果均小于1，達(dá)到顯著性水平(α=0.05)；經(jīng)安全利用治理后，86個(gè)水稻監(jiān)測(cè)樣本中有4個(gè)樣本Cd超標(biāo)，超標(biāo)點(diǎn)位主要分布在上房村1個(gè)、滕州村1個(gè)、漁業(yè)村1個(gè)和熊萬(wàn)村1個(gè)。水稻樣本達(dá)標(biāo)率為95.3%，滿足評(píng)價(jià)目標(biāo)水稻重金屬檢測(cè)達(dá)標(biāo)率90%以上的要求。

表5 研究區(qū)域鎘污染區(qū)水稻采樣地點(diǎn)信息及Cd含量

表6 研究區(qū)域水稻中鎘元素含量參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 耕地安全利用試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

通過研究區(qū)域水稻檢測(cè)報(bào)告結(jié)果顯示，18個(gè)水稻樣本鎘含量均低于《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762-2017))限值0.2mg·kg-1標(biāo)準(zhǔn)。因此通過比較不同實(shí)驗(yàn)方式水稻鎘降低率進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，具體將檢測(cè)結(jié)果與空白對(duì)照(2個(gè)空白樣本的平均值為0.15mg·kg-1)進(jìn)行比較。不同的降鎘效果試驗(yàn)方式效果比較如下。

2.2.1 施用不同土壤調(diào)理劑

從表7計(jì)算結(jié)果可以看出，水稻鎘的降低率排序?yàn)橥寥勒{(diào)理劑1>土壤調(diào)理劑3>土壤調(diào)理劑2，最大降鎘率72.67%。說(shuō)明土壤調(diào)理劑1對(duì)水稻的降鎘效果比較明顯。

表7 不同土壤調(diào)理劑降鎘效果統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 施用不同葉面阻控劑

從表8計(jì)算結(jié)果可以看出，水稻鎘的降低率排序?yàn)槿~面阻控劑1>葉面阻控劑2，最大降鎘率52%。說(shuō)明葉面阻控劑1對(duì)水稻降鎘效果比較明顯。

表8 不同葉面阻控劑降鎘效果統(tǒng)計(jì)表

2.2.3 施用固定土壤調(diào)理劑與不同葉面阻控劑組合

從表9計(jì)算結(jié)果可以看出，水稻鎘的降低率排序?yàn)橥寥勒{(diào)理劑1加葉面阻控劑1>土壤調(diào)理劑1加葉面阻控劑2；2種使用方式對(duì)水稻鎘的降低率均大于50%。說(shuō)明施用土壤調(diào)理劑1加葉面阻控劑1為最優(yōu)組合，對(duì)水稻的降鎘效果比較明顯。

表9 固定土壤調(diào)理劑與不同葉面阻控劑組合降鎘效果統(tǒng)計(jì)表

2.2.4 施用不同中微量元素肥料

從表10計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)施用不同中微量元素肥料時(shí)，水稻鎘的降低率排序?yàn)殇\硼肥>鋅肥>硅肥；鋅硼肥對(duì)水稻鎘的降低率達(dá)到89.33%。說(shuō)明施用鋅硼肥對(duì)水稻的降鎘效果比較明顯。

表10 不同中微量元素肥料降鎘效果統(tǒng)計(jì)表

2.2.5 土壤調(diào)理劑施撒用量及方式不同

從表11計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)用不同質(zhì)量土壤調(diào)理劑化水撒施時(shí)，水稻鎘的降低率排序?yàn)橥寥勒{(diào)理劑200kg化水>100kg化水>50kg化水；當(dāng)用不同質(zhì)量土壤調(diào)理劑直接撒施，水稻鎘的降低率排序?yàn)橥寥勒{(diào)理劑200kg正常>100kg正常；比較土壤調(diào)理劑不同撒施方式，土壤調(diào)理劑200kg化水>土壤調(diào)理劑200kg正常，降鎘率均大于50%。說(shuō)明土壤調(diào)理劑用量達(dá)到200kg且化水撒施對(duì)水稻的降鎘效果比較明顯。

表11 土壤調(diào)理劑施撒方式不同降鎘效果統(tǒng)計(jì)表

通過比較小面積稻田示范區(qū)不同安全利用方式，各措施對(duì)水稻降鎘效果：對(duì)比撒施土壤調(diào)理劑用量和方式不同的措施中，土壤調(diào)理劑(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)用量200kg且化水撒施效果更佳；對(duì)比撒施不同中微量元素肥料中，微量元素鋅硼肥(Zn+B≥10%顆粒)效果更佳；對(duì)比使用不同葉面阻控劑的措施中，葉面阻控劑3(SiO2≥10%，粉劑，pH8～10)效果更佳；使用組合措施中，土壤調(diào)理劑1(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)加葉面阻控劑1(Si≥150g·L-1，水劑，pH10～12)效果更佳；對(duì)比使用不同土壤調(diào)理劑的措施中，土壤調(diào)理劑1(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)效果更佳。

3 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)耕地土壤5項(xiàng)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(GB 15618-2018)及《耕地污染治理效果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則(NY/T 3343-2018)》進(jìn)行計(jì)算，研究區(qū)域重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率為69.68%，其主要污染元素為Cd元素。

根據(jù)研究區(qū)域的污染情況，針對(duì)中度污染與輕度污染采用了不同的修復(fù)措施，對(duì)修復(fù)后種植水稻的田塊共取樣品86個(gè)，經(jīng)檢測(cè)僅4個(gè)樣品超標(biāo)，水稻樣品達(dá)標(biāo)率為95.3%，遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)厮蟮陌踩寐蔬_(dá)到90%，證明通過治理修復(fù)使當(dāng)?shù)氐腃d污染有了明顯的改善。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)同時(shí)進(jìn)行了不同產(chǎn)品及不同使用方式的探索實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤調(diào)理劑1、鋅硼肥和葉面阻控劑1對(duì)水稻降鎘具有最好的效果，在單獨(dú)使用下對(duì)Cd的降低率分別達(dá)到了69.33%、72.67%和52.00%；其中土壤調(diào)理劑1如果采用化水的方式進(jìn)行使用的話對(duì)Cd的降低率能夠達(dá)到80%，通過土壤調(diào)理劑1和葉面阻控劑1進(jìn)行聯(lián)合使用，能使水稻中Cd的降低率達(dá)到91.33%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田重金屬Cd污染較好的修復(fù)。

本項(xiàng)目在進(jìn)行大面積修復(fù)的同時(shí)進(jìn)行了探索實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同產(chǎn)品及用法進(jìn)行了研究，為未來(lái)在相關(guān)農(nóng)田污染修復(fù)的實(shí)踐打下較好的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)，也為我國(guó)其它類似農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)提供一定參考。