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        五種鈍化劑施用水平對(duì)稻田鎘污染土壤的修復(fù)效果研究

        2022-09-29 08:08:36張情亞盧琦李凡雷文杰洪鑫李康軍
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年16期
        關(guān)鍵詞:態(tài)鎘鈍化劑中鎘

        張情亞,盧琦,李凡,雷文杰,洪鑫,李康軍

        (1.江蘇大地益源環(huán)境修復(fù)有限公司,南京 210012;2.黃石市生態(tài)環(huán)境局大冶分局,湖北 大冶 435100)

        土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本物質(zhì)條件,是人類生存發(fā)展不可或缺的自然資源,土壤環(huán)境質(zhì)量同人類生存發(fā)展緊密相連。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,礦山開采、金屬冶煉、農(nóng)藥化肥的不合理使用等把污染物轉(zhuǎn)移至土壤中,導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量每況愈下,土壤污染問(wèn)題凸顯,已嚴(yán)重威脅農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及人類身體健康[1]。在眾多污染物中,重金屬鎘(Cd)位于聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署所列的12種全球性意義的危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)中首位[2],是農(nóng)用地土壤危害范圍大、污染程度深的一種污染物。2014年環(huán)保部和國(guó)土資源部發(fā)布的我國(guó)土壤污染狀況公布數(shù)據(jù)表明,我國(guó)農(nóng)田土壤鎘污染的點(diǎn)位超標(biāo)率最高,達(dá)7%。鎘通過(guò)食物進(jìn)入人體后會(huì)在腎臟、肝臟以及骨骼中富集,造成對(duì)人體的不同程度損傷。水稻作為我國(guó)主要糧食作物,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。近年來(lái),諸如疼痛病、“鎘大米”等一些不良事件的報(bào)道,表明我國(guó)水稻鎘污染問(wèn)題急需解決[3-5]。

        土壤中重金屬生物活性由大到小依次為:可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)[6],目前常用于農(nóng)用地重金屬污染修復(fù)的方法有:物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、物理-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)、化學(xué)-生物聯(lián)合修復(fù)以及生態(tài)修復(fù)等,其重金屬污染治理重點(diǎn)考慮不是重金屬總量移除,而是轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)險(xiǎn)控制的安全利用[7-9]。

        鈍化修復(fù)技術(shù)是指利用人工或機(jī)械的方式將一定量的鈍化藥劑添加到土壤中,通過(guò)沉淀、離子交換、絡(luò)合、氧化還原和土壤理化性質(zhì)調(diào)節(jié)等一系列反應(yīng),降低土壤中重金屬的生物有效性和遷移性,減少重金屬對(duì)農(nóng)作物的毒害作用,同時(shí)減少農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收,實(shí)現(xiàn)保障農(nóng)產(chǎn)品安全的目標(biāo),具有成本投入低、修復(fù)見效快、操作易實(shí)施等特點(diǎn),對(duì)中輕度重金屬污染農(nóng)用地的修復(fù)具有一定的優(yōu)越性,國(guó)內(nèi)對(duì)鈍化修復(fù)技術(shù)的研究和工程實(shí)施案例也越來(lái)越多[10-12]。常用的鈍化劑包括:有機(jī)肥、生物炭、腐殖酸等有機(jī)鈍化藥劑;石灰、含硅材料、含磷材料、黏土礦物等無(wú)機(jī)鈍化藥劑,以及一些新型鈍化劑等[13]。目前市售鈍化劑種類繁多,國(guó)內(nèi)研究較多的往往是單一修復(fù)材料對(duì)重金屬的鈍化效果,對(duì)于不同鈍化材料(市售鈍化劑、礦物原材料)之間的修復(fù)效果缺乏比較。本研究通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)比較了不同鈍化劑對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)、土壤中鎘的有效性和糙米中鎘累積的影響,探討不同鈍化劑對(duì)稻田土壤鎘的鈍化效果,為鎘污染水田的大面積修復(fù)提供依據(jù)[14]。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

        田間試驗(yàn)位于湖北省黃石市某鎘污染的水田,為紅黃壤型水稻土。其污染來(lái)源于早期周邊鐵礦、煤礦的不規(guī)范開采,以及污水灌溉、大氣沉降等因素導(dǎo)致土壤中鎘超標(biāo)。試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)為:pH 6.56,有機(jī)質(zhì)37.4 g/kg,陽(yáng)離子交換量10.3 cmol/kg,全氮1.2 g/kg,速效磷20.43 mg/kg、速效鉀18.68 g/kg,總鎘0.83 mg/kg。超過(guò)GB 15618—2018中水田土壤中鎘污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值0.6 mg/kg。本試驗(yàn)種植的水稻為野香優(yōu)莉絲,是當(dāng)?shù)爻R娭械酒贩N。

        供試的鈍化劑有硅-鈣-鎂鈍化劑(PS1)、硅-鈣-鋁鈍化劑(PS2)、硅-鈣鈍化劑(PS3)、凹凸棒土(PS4)、石灰+沸石粉(PS5),均從市場(chǎng)采購(gòu),各鈍化劑基本信息如表1所示。

        表1 供試鈍化劑基本成分含量

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

        試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)鈍化劑處理,1個(gè)對(duì)照CK處理(不施鈍化劑),5種鈍化劑(PS1、PS2、PS3、PS4、PS5)。每個(gè)鈍化劑又設(shè)置3個(gè)施用水平(1 500、3 000、4 500 kg/hm2),全部共16個(gè)處理。試驗(yàn)采用田間小區(qū)試驗(yàn),小區(qū)面積為30 m2(5 m×6 m),小區(qū)四周設(shè)置高30 cm、寬30 cm的隔離梗,并用塑料膜覆蓋,以避免小區(qū)之間相互影響。每個(gè)處理3次重復(fù)(小區(qū)),采用隨機(jī)區(qū)組排列。

        試驗(yàn)開始前利用旋耕機(jī)將試驗(yàn)田土壤平整并利用人工進(jìn)行小區(qū)建設(shè),然后于播種前15 d在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)撒施相應(yīng)劑量的鈍化劑并翻耕混勻。水稻播種前1周施入底肥(每平米N 2 g、P2O53 g、K2O 7 g),水稻種子萌發(fā)后于5月下旬進(jìn)行播種(每個(gè)小區(qū)稻種撒播量為0.3 kg),10月進(jìn)行收割。水稻種植日常田間管理及投入品施用均與當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣相同。

        水稻成熟后,對(duì)水稻和土壤進(jìn)行協(xié)同取樣。按照均勻布點(diǎn)采樣法,對(duì)每個(gè)小區(qū)采集5個(gè)點(diǎn)位混合樣,采集耕層土壤和對(duì)應(yīng)水稻樣品,測(cè)定土壤pH、土壤有效態(tài)鎘含量及糙米中鎘的含量。

        1.3 測(cè)定方法

        土壤有效態(tài)鎘測(cè)定方法參照電感耦合等離子體質(zhì)譜法[15];土壤重金屬總量的測(cè)定參考電感耦合等離子體質(zhì)譜法[16];土壤pH采用《土壤pH的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定[17];參考《森林土壤鉀的測(cè)定》檢測(cè)土壤速效鉀含量[18];參考《森林土壤氮的測(cè)定》檢測(cè)土壤堿解氮含量[19];參考鉬銻抗分光光度法檢測(cè)土壤速效磷含量[20];參考分光光度法檢測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量[21]、陽(yáng)離子交換量[22];糙米中鎘的測(cè)定采用《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定[23]。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        選用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用單因素方差和LSD檢驗(yàn)(P<0.05,n=3),分析比較不同處理間土壤pH、有效態(tài)鎘含量、糙米中鎘含量的差異。本研究圖中所有數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同鈍化劑對(duì)土壤pH的影響

        本研究中土壤pH平均值在6.46~7.28范圍內(nèi)波動(dòng),土壤呈中性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可知,施加5種鈍化劑均不同程度提高了土壤的pH(圖1),其中除PS1處理外,其他處理均達(dá)到顯著水平(P<0.05),且隨著鈍化劑用量的增加,土壤pH呈升高趨勢(shì),并逐漸趨于平緩。趙炯燁等[24]的研究也表明,隨著修復(fù)材料用量的增加,土壤pH隨之升高并趨于平緩,酸性土壤也逐漸趨于中性。在本試驗(yàn)所選擇的不同施加比例中,其中石灰+沸石(PS5)的3種不同施加量處理的土壤pH之間均達(dá)到顯著水平(P<0.05),可見不同施加量的石灰+沸石(PS5)處理對(duì)土壤pH影響較大,這一結(jié)果與謝飛等[25]的研究結(jié)果基本一致。上述產(chǎn)品成分中均含有氧化鈣等遇水呈堿性的物質(zhì),從而導(dǎo)致土壤pH升高,由于各材料不同化學(xué)成分含量不同,因此土壤pH的增加程度也并不相同[26]。沸石能提高土壤pH的主要機(jī)理是:大量可交換態(tài)陽(yáng)離子,如鈣離子、鎂離子等存在于其孔隙通道中,沸石添加到土壤中后,這些孔隙中的陽(yáng)離子會(huì)置換土壤水分中的氫離子和鋁離子,降低了水解性酸和待換性酸,從而使土壤pH升高[27]。

        圖1 不同鈍化劑處理對(duì)土壤pH的影響

        2.2 不同鈍化劑對(duì)土壤中有效態(tài)鎘含量的影響

        不同處理稻田土壤有效態(tài)鎘含量如圖2所示,其平均值在0.37~0.44 mg/kg范圍內(nèi)波動(dòng)。施用鈍化劑處理后均降低了土壤中有效態(tài)鎘含量,其最大降幅為15.9%,土壤中有效態(tài)鎘的含量隨著鈍化劑施用量的增加呈下降趨勢(shì),但同一鈍化劑不同添加量之間差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。吳迪等[28]通過(guò)在酸性水田中的大田試驗(yàn)研究也表明,除鋼渣外,土壤中有效鎘含量隨著其他鈍化劑添加量的增加而降低,土壤中有效鎘含量最大降低了34.00%;張亮亮等[29]在添加堿性肥料后,土壤有效態(tài)鎘含量顯著降低,與對(duì)照相比下降17.7%。5種鈍化劑處理中,在相同施加量情況下,均是硅-鈣鈍化劑(PS3)處理的水田土壤有效態(tài)鎘含量最低,顯著低于CK處理。有研究結(jié)果也表明,硅-鈣鈍化劑材料是一種較好的鈍化有效態(tài)鎘的產(chǎn)品,段桌群[30]通過(guò)在土壤中施加硅-鈣基土壤調(diào)理劑后,土壤有效態(tài)鎘顯著降低,降低幅度達(dá)28%。硅-鈣鈍化劑鈍化機(jī)理與二氧化硅生成硅酸根陰離子,硅酸根陰離子與鎘離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硅酸鹽沉淀有關(guān),同時(shí)硅酸根離子水解、氧化鈣與水反應(yīng)均能產(chǎn)生氫氧根離子,能提高土壤pH,促進(jìn)土壤顆粒表面負(fù)電荷增加,增強(qiáng)吸附重金屬的能力,遷移性有所降低,也能進(jìn)一步促進(jìn)形成重金屬氫氧化物沉淀[31,32]。

        圖2 不同鈍化劑處理對(duì)土壤有效態(tài)鎘含量的影響

        2.3 不同鈍化劑對(duì)水稻中鎘含量的影響

        不同鈍化劑處理后糙米中鎘含量如圖3所示,其平均值在0.15~0.28 mg/kg范圍內(nèi)波動(dòng)。除PS1處理外,糙米中鎘含量隨著鈍化劑施用量的增加呈下降趨勢(shì)。分析可知,根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中規(guī)定糙米中鎘限量指標(biāo)為0.2 mg/kg[33],僅有PS3、PS4、PS5在添加量為4 500 kg/hm2時(shí),3個(gè)小區(qū)所有糙米樣品均檢測(cè)合格,可安全食用。羅遠(yuǎn)恒等[34]通過(guò)在稻田土壤中進(jìn)行不同鈍化劑效果試驗(yàn),其結(jié)果與本研究結(jié)果相似,不同濃度鈍化劑處理均能降低稻米中鎘含量,但仍存在部分鎘含量超標(biāo)的情況。

        圖3 不同鈍化劑處理對(duì)糙米鎘含量的影響

        施加鈍化劑降低稻米鎘含量主要原因包括:鈍化措施使土壤中鎘的生物有效性降低,從而水稻能從土壤中吸收的有效態(tài)鎘總量降低;其次水稻中轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的運(yùn)輸通道被阻控[35]。本研究采用的5種鈍化劑中均含有鈣、硅兩種元素。有研究表明,鈣與鎘被水稻吸收過(guò)程中,在根細(xì)胞膜上以及植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白上存在競(jìng)爭(zhēng)作用,降低了水稻對(duì)鎘的吸收[36]。植物體內(nèi)鎘也能與硅元素形成一種硅鎘復(fù)合氧化物,水稻體內(nèi)鎘向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)被抑制,進(jìn)一步降低了糙米鎘含量[37]。

        2.4 不同鈍化劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

        不同鈍化劑處理后對(duì)水稻產(chǎn)量的影響如圖4所示,與CK相比,當(dāng)施加量為3 000、4 500 kg/hm2時(shí),5種鈍化劑對(duì)水稻產(chǎn)量有顯著影響(P<0.05),其中除PS5在施加量為3 000、4 500 kg/hm2會(huì)導(dǎo)致水稻減產(chǎn)外,其余鈍化劑施加處理都能在一定程度上提高水稻產(chǎn)量,增產(chǎn)幅度在1.03%~5.27%,在相同施加量情況下5種鈍化劑對(duì)水稻產(chǎn)量影響不同,在鈍化劑投加量為1 500 kg/hm2時(shí),各處理平均產(chǎn)量由大到小依次為:PS3、PS1、PS5、PS2、PS4、CK;在鈍化劑投加量為3 000 kg/hm2時(shí),各處理平均產(chǎn)量由大到小依次為:PS3、PS4、PS1、PS2、CK、PS5;在鈍化劑投加量為4 500 kg/hm2時(shí),各處理平均產(chǎn)量由大到小依次為:PS3、PS1、PS2、PS4、CK、PS5。綜合分析可知,當(dāng)硅-鈣鈍化劑(PS3)添加量為4 500 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最高,為8 037.18 kg/hm2,較CK增產(chǎn)5.27%;當(dāng)PS5添加量為4 500 kg/hm2時(shí)產(chǎn) 量最低,為7 282.64 kg/hm2,較CK減產(chǎn)4.61%。這一研究結(jié)果與胡青云等[38]研究4種修復(fù)劑處理后,除其中1個(gè)處理外,其余處理均能不同程度提高水稻產(chǎn)量,其中鈣-硅類修復(fù)劑增產(chǎn)效果一致。增產(chǎn)的主要原因是施用修復(fù)劑后土壤理化性狀得到明顯改善,土壤有機(jī)質(zhì)和鈣、硅等微量元素的含量得以增加,促進(jìn)了水稻正常生長(zhǎng)發(fā)育[39]。

        圖4 不同鈍化劑處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

        3 小結(jié)與討論

        水稻對(duì)鎘的吸收受多種因素影響,諸如土壤理化性質(zhì)、有效態(tài)鎘(Cd)含量、離子作用等,其中土壤pH則是影響重金屬鎘活性的主要因素之一,土壤pH越高,有效態(tài)鎘含量越低[40]。本研究結(jié)果表明,施加的5種鈍化劑均不同程度提高了土壤的pH;降低了土壤中有效態(tài)鎘含量,其最大降幅為15.9%;土壤中有效態(tài)鎘的含量隨著鈍化劑施用量的增加呈下降趨勢(shì);糙米中鎘含量也呈下降趨勢(shì),并在PS3、PS4、PS5添加量為4 500 kg/hm2時(shí),3個(gè)小區(qū)所有糙米樣品均檢測(cè)合格,可安全食用;5種鈍化劑的施加,也在不同程度上促進(jìn)了水稻增產(chǎn)。本研究結(jié)果表明,市售鈍化劑效果比原礦物原材料修復(fù)效果較好,其中市售硅-鈣鈍化劑(PS3)對(duì)該鎘污染水田具有較好的鈍化效果,并能改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)作物生長(zhǎng),建議施加量為4 500 kg/hm2,可作為鎘污染水田的安全利用措施。

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