浙西南镉高背景值耕地的水稻安全利用技术研究_陈振华.pdf

浙西南镉高背景值耕地的水稻安全利用技术研究陈振华1，2，朱阳春3*（1.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300；2.景宁县农业农村局，浙江 景宁 323500；3.丽水学院 生态学院，浙江 丽水 323000）摘要：我国土壤镉（Cd）污染区与水稻种植区在空间分布上基本吻合，水稻属于易积累 Cd 的作物之一。浙江省西南部分区域，由于母质原因，出现地质性重金属高背景值现象。本研究开展了中轻度Cd 污染耕地安全利用的核心技术田间试验，包括低积累水稻品种筛选、钝化修复材料筛选、农艺调控措施三项技术。结果表明：采用水稻甬优 1 540+石灰 100 kg/亩+全生育期淹水+有机肥 1 150 kg/亩的安全利用集成技术模式能最大限度地降低水稻籽粒中的 Cd 含量，可以作为该区域镉高背景值耕地的水稻安全利用技术集成模式并推广应用。关键词：耕地；水稻；镉污染；安全利用doi：10.3969/j.issn.2095-3801.2023.02.011中图分类号：X53文献标志码：A文章编号：2095-3801（2023）02-0071-06A Study on Safe Utilization Technology of Rice Polluted by HeavyMetal CadmiumCHENZhenhua1,2,ZHUYangchun3*（1.School ofEnvironment and Resources,ZhejiangAgriculture&Forest University,Hangzhou,311300,Zhejiang;2.JingningCountyBureau ofAgriculture and Rural Areas,Jingning323500,Zhejiang;3.School ofEcology,Lishui University,Lishui 323000,Zhejiang）Abstract：The spatial distribution of cadmium(Cd)contaminated areas in soil is consistent with that of ricegrowing areas,and rice is one of the crops that are easy to accumulate Cd in China.In addition,soil Cdbioavailability is higher in low pH areas(southern China),and Cd content in rice is higher,which serious-ly restricts crop and product safety and endangers human health.In the mountainous areas of southwestZhejiang province,due to the influence of the high background value of geological heavy metals,the con-tent of heavy metals,especially Cd,is relatively high in the paddy soil.In order to find suitable technolo-gies for safe utilization of rice in cultivated land contaminated by Cd,this paper studied three technologies收稿日期：2022-03-20；修回日期：2022-06-11作者简介：陈振华，男，浙江丽水人。*通信作者：朱阳春，女，浙江衢州人，助理研究员。丽 水 学 院 学 报JOURNAL OF LISHUI UNIVERSITY第 45 卷第 2 期Vol.45No.22023 年 3 月Mar.2023自然状态下，土壤中镉（Cd）的含量在 0.11.0mg/kg，然而，采矿、冶炼等工业的迅猛发展，污水灌溉，及农药、化肥的不合理施用，导致农田土壤 Cd的污染日益严峻1-3。农田土壤 Cd 污染导致作物可食部 Cd 超量累积。人体内的 Cd 90%来源于日常饮食，长期食用 Cd 超标的食品会导致人体 Cd 累积并产生人体健康风险4。与其他微量元素相比，土壤中 Cd 的移动性较强，因此 Cd 更易被作物根系吸收，进而转移到作物的可食部位，通过食物链进入人体5-10。土壤 Cd对动植物的毒性效应取决于其生物有效性，Cd 的生物有效性不仅与土壤 Cd 总量、土壤 pH 值有关，其赋存形态更是影响植物对 Cd 的吸收。进入到土壤中的 Cd，经过溶解-沉淀、氧化-还原、吸附-解吸、络合-离解等一系列物理化学反应，形成不同活性、各种形态的 Cd，而不同形态的 Cd 可发生转化。如淹水还原条件下，土壤中部分有效 Cd 与硫化物反应形成 CdS 沉淀，降低了有效态 Cd 浓度，增大残渣态 Cd 浓度。因此，通过物理、化学和生物等方法可调控农田土壤中 Cd 的形态转化，降低 Cd 的生物有效性，减少作物对 Cd 吸收，实现农田 Cd 污染的安全利用。浙江省西南部山区存在龙泉景宁庆元泰顺环带状 Cd 异常群，面积大约 400 km2，整体上属于清洁区土壤环境背景上，多处出现轻微污染区11。因此，有必要在该区域开展可推广可应用的镉污染耕地水稻安全利用技术集成模式研究。1材料与方法1.1试验区选择研究区域位于浙江省丽水市景宁畲族自治县某村，东经 119 14 119 58，北纬 27 39 28 11。土壤种类有红壤、黄壤、潮土、水稻土 4 类土，以水稻种植为主。本次开展安全利用技术研究和应用的试验区块总面积 90.3 亩，土壤 Cd 含量为 0.82mg/kg，远高于景宁县耕地土壤 Cd 限定值 0.19 mg/kg12、高于浙江省土壤 Cd 背景值 0.17 mg/kg13、高于耕地土壤风险筛选 Cd 限定值 0.3mg/kg14，且试验区水稻籽粒 Cd 平均值 0.261mg/kg，最高值 0.358 mg/kg，超过国家食品安全限量值 0.2mg/kg。1.2Cd 低积累水稻品种筛选本实验供试水稻品种：中浙优 1 号、中浙优 8号、华浙优 1 号、甬优 1540、甬优 4901、秀优4913、甬优 15、甬优 17、中浙优 10 号、甬优 5550，共 10 个品种。采用常规施肥（基肥 50 kg/亩复合肥+10 kg/亩 KCl，分蘖肥 15 kg/亩尿素，穗肥10 kg/亩尿素）。每个品种 3 个重复。地块面积1.96 亩，小区面积 16 m2。1.3Cd 钝化剂种类筛选本实验 Cd 钝化剂种类筛选供试水稻品种为中浙优 1 号。采用常规施肥（基肥 50 kg/亩复合肥+10 kg/亩 KCl，分蘖肥 15 kg/亩尿素，穗肥 10 kg/亩尿素）。钝化剂种类为石灰、膨润土和生物炭，用量分为低、中、高 3 种用量，分别为：石灰的施加量50、75 和 100 kg/亩；膨润土 100、200 和 300 kg/亩；生物炭 800、1 000 和 1 200 kg/亩，每个小区撒施钝化修复材料后人工耘田混合均匀。每个处理 3 次重复，设空白对照，按随机区组排列，小区面积 16 m2。1.4农艺措施对 Cd 修复效果研究本研究采用水肥同时管理的农艺措施，对 Cdfor safe utilization of cultivated land contaminated by Cd,including low accumulation variety selection,pas-sivation modification and screening,and agronomic control measures.The results showed that the Cd con-tent in rice grains could be reduced to the maximum by using Yongyou 1540 variety+lime 100 kg/mu+flooding during the whole growth period+organic fertilizer 1 150 kg/mu.Key words：cultivated land;rice;cadmium pollution;safe utilization丽 水 学 院 学 报2023 年72修复效果研究选用的水稻品种为中浙优 8 号。肥料品种：有机肥、钙镁磷肥，钙镁磷肥按 25 kg/亩，商品有机肥作为基肥按 1 150 kg/亩施用量。水分管理措施：常规水分管理；全生育期淹水：即在水稻生长期间，保持土面上有 23 cm 水层的淹水状态；分蘖-抽穗两次晒田：即分蘖和抽穗期间两次晒田，其他时间淹水处理。根据水肥管理的不同本实验共设置 7 个处理，分别为钙镁磷肥+常规水分管理（T1）、钙镁磷肥+全生育期淹水（T2）、钙镁磷肥+分蘖-抽穗晒田（T3）、有机肥+常规水分管理（T4）、有机肥+全生育期淹水（T5）、有机肥+分蘖-抽穗晒田（T6）、常规施肥+常规水分管理（CK）。每个处理 3 次重复，随机区组排列，小区面积 16 m2。1.5样品采集与分析分别于水稻分蘖期、抽穗扬花期和完熟期采集水稻根部土壤，风干后磨细分别过 10 目和 100目尼龙筛，用于土壤基本理化性质及重金属分析。水稻完熟期收获并采集植株样品用去离子水洗净，后放入烘箱于 105杀青 30 min，再 60烘干至恒质量，密封保存于干燥器中用于化学分析。水稻籽粒中的 Cd 含量采用干灰化法消解后用 1%HNO3定容、过滤，待测土壤 Cd 总量采用四酸消解，有效态 Cd 含量采用 DTPA（二乙基三胺五乙酸）提取剂浸提，土壤和植物 Cd 均采用火焰原子吸收分光光度法测定。1.6数据处理与分析使用 Microsoft Excel 2010、SPSS 22.0 对数据进行处理分析。2结果与讨论2.1Cd 低积累水稻品种筛选相同作物不同品种以及不同作物间，在重金属积累和转移上差异显著，筛选和培育重金属低积累作物品种是兼具经济效益与生态健康的降低粮食重金属污染的方式之一15。本研究采用的 10 个水稻品种，其籽粒 Cd 含量如图 1 所示。由图 1 可知，仅有甬优 15 籽粒中 Cd 含量（平均值为 0.26 mg/kg）超过国家食品安全标准限量值（0.2 mg/kg）；甬优5550 籽粒 Cd 含量平均值为 0.191mg/kg，较接近国家食品安全标准限量值；其余品种水稻籽粒中 Cd 含量均低于 0.2mg/kg，变化幅度为 0.0740.191mg/kg，品种之间籽粒 Cd 含量差异最大为 2.58 倍。籽粒Cd 含量由高到低排列依次为甬优 15 甬优5550 甬优 17 秀优 4913 中浙优 10 号 华浙优 1 号 中浙优 8 号 甬优 4901 甬优 1540 中浙优 1 号，水稻籽粒中 Cd 含量较低的为甬优4901、甬优 1540 与中浙优 1 号，籽粒 Cd 含量显著低于其他品种（P0.05），表明这 3 个水稻品种具有低 Cd 积累特性。注：图中不同字母表示在 95%的置信区间下籽粒 Cd 含量差异显著。图 1不同品种水稻籽粒富集镉含量2.2Cd 钝化修复材料的筛选向土壤中施入钝化剂可改变 Cd 在土壤中的形态，进而降低作物对 Cd 的吸收，实现 Cd 污染农田土壤粮食的安全生产16。常用的 Cd 钝化材料可分为有机和无机两类，有机类包含腐殖质、植物秸秆和生物炭等，无机类则包含黏土矿物、含磷物质和碱性物质等。有机钝化剂表面含有大量的含氧水稻品种水稻籽粒镉含量/（mg/kg）0.300.250.200.150.100.050.00中浙优1号中浙优8号华浙优8号甬优1540甬优4901秀优4913甬优15甬优17中浙优10号甬优5550陈振华，朱阳春：浙西南镉高背景值耕地的水稻安全利用技术研究第 2 期73土壤有效态Cd含量/（mg/kg）0.80.70.60.50.40.30.20.10.0石灰低用量石灰中用量石灰高用量膨润土低用量膨润土中用量膨润土高用量生物炭低用量生物炭中用量生物炭高用量对照石灰低用量石灰中用量石灰高用量膨润土低用量膨润土中用量膨润土高用量生物炭低用量生物炭中用量生物炭高用量对照水稻籽粒Cd含量/（mg/kg）0.300.250.200.150.100.050.00丽 水 学 院 学 报2023 年74官能团，可通过离子交换、沉淀、物理吸附和表面络合等作用吸附土壤中的金属离子并将其固定，降低金属离子的生物有效性；黏土矿物类钝化剂：具有比表面积大、吸附性和离子交换性强的特点，对重金属进行吸附和沉淀，降低重金属的移动性和生物有效性17；碱性物质改良钝化剂主要是通过提高土壤 pH 来增加土壤表面的负电荷，从而促进土壤对镉等重金属离子的吸附，同时 pH 的提高可促进土壤中的重金属以氢氧化物或碳酸盐的形式形成沉淀，进而降低土壤中重金属的有效性和迁移性，减少其对作物的危害18-22。不同 Cd 钝化剂钝化效果如图 2 所示。由图 2可知，随着钝化修复材料施用量的增加，土壤有效态 Cd 含量逐渐降低。与对照相比，石灰、膨润土和生物炭按低、中、高用量处理的土壤有效态镉含量降低幅度范围为 36.2%46.9%、20.8%40.65%和14.0%42.3%。以石灰高用量处理效果最佳，其土壤 Cd 有效态含量显著低于石灰低中用量和其他钝化材料的低中高用量（P0.05），可促使土壤有效态镉含量降低 46.9%。注：图中不同字母表示在 95%的置信区间下土壤 Cd 有效态含量差异显著。图 2钝化修复材料对土壤有效态镉含量变化的影响图 3 显示了不同 Cd 钝化材料水稻籽粒 Cd 含量。由图 3 可知，所有钝化修复材料处理下的水稻籽粒 Cd 含量均低于食品安全国家标准食品中污染物限量（0.2 mg/kg）。与对照相比（P0.05），钝化修复材料处理后水稻籽粒中 Cd 含量降低幅度范围为 66.0%88.0%，由此可见，石灰、膨润土和生物炭均可作为 Cd 污染农田土壤修复的理想材料。通过比较不同施加量发现，随着钝化材料添加量的增加，水稻籽粒 Cd 含量呈下降趋势（石灰处理除外）。石灰低和高用量处理对降低水稻籽粒 Cd含量效果最佳，降低约 88.0%，其次是石灰低用量、膨润土中高用量、生物炭高用量。相比之下，石灰价格便宜，每亩修复成本约为 100 元，是一种低廉高效的 Cd 修复材料。综合考虑，不同 Cd 钝化材料和用量对土壤 Cd 有效性和水稻籽粒 Cd 含量的钝化效果，研究表明高用量的石灰钝化效果最优，且价格低廉，适合当地实现稻田安全生产，有利于改善土壤质量。注：图中不同字母表示在 95%的置信区间下籽粒 Cd 含量差异显著。图 3钝化修复材料对水稻籽粒富集镉的影响2.3农艺调控措施对 Cd 污染农田的修复效果有研究表明，水肥管理等农艺措施可有效降低土壤 Cd 的生物活性，减少水稻籽粒对土壤 Cd水稻籽粒镉含量/（mg/kg）0.250.200.150.100.050.00处理T1T2T3T4T5T6CK陈振华，朱阳春：浙西南镉高背景值耕地的水稻安全利用技术研究第 2 期75的积累23-25。因此，本研究基于当地灌溉条件并根据水稻生长的需水、需肥规律在水稻整个生育期进行合理的水肥管理，以实现 Cd 污染农田中的作物安全优质高产的目标26-27。不同水肥措施后，水稻籽粒 Cd 含量如图 4 所示。由图 4 可知，T2 和 T5 处理即全生育期淹水处理对降低水稻籽粒积累 Cd 的效果较佳（P0.05），水稻籽粒镉含量下降幅度比其他水分管理措施更大。与对照相比，其中 T5（有机肥+全生育期淹水）管理措施对籽粒中 Cd 含量降低效果最佳，低至0.014 mg/kg，其降幅高达 93.2%。由此可见，进行合理的水肥调控管理可以有效地降低水稻籽粒对 Cd的吸收，保证农产品安全，实现污染耕地安全利用的可能。图 4水肥管理试验水稻籽粒镉含量变化3结论本研究对景宁常规种植供试的 10 个水稻品种开展低 Cd 积累水稻品种筛选。结果表明：8 个品种水稻成熟期籽粒中 Cd 含量均低于国家食品安全标准限量值，其中甬优 4901、甬优 1540、中浙优 1 号等 3 个品种籽粒中 Cd 含量较低，表现出了低镉积累特性。因此，建议在景宁地区重金属 Cd 污染农田种植的水稻以品种甬优 4901、甬优 1540、中浙优 1号为主。通过对 Cd 钝化修复材料修复效果对比发现：石灰、膨润土和生物炭对土壤 Cd 污染修复均体现出高效的作用。石灰高用量对土壤有效态 Cd 含量和水稻籽粒中 Cd 含量的降低幅度最佳，分别高达46.9%与 88.0%。为此，建议在景宁地区重金属 Cd污染农田采用石灰 100 kg/亩的添加量进行修复治理。通过水肥配合农艺管理效果对比可知，有机肥+全生育期淹水的水肥调控措施对水稻籽粒吸收 Cd 的阻隔效果最佳，阻隔效率高达 89.3%93.2%。为此，建议在景宁地区的重金属 Cd 污染农田种植的水稻采用有机肥（1 150 kg/亩）+全生育期淹水的水肥调控措施。综上，建议景宁地区中轻度镉污染农田水稻种植推广应用甬优 1540 品种+有机肥 1150 kg/亩+石灰 100 kg/亩+全生育期淹水的安全利用集成技术模式。参考文献：1 张仕军.土壤中重金属污染治理存在的问题及对策研究J.资源节约与环保，2020（9）：93.2 刘志平，张冀鲁.土壤重金属污染治理存在的问题及应对措施分析 J.地球，2019（8）：95.3 陈晨.土壤中重金属污染治理存在的问题及对策 J.化工设计通讯，2021，47（7）：163.4 环境保护部，国土资源部.全国土壤污染状况调查报告R.北京：中华人民共和国环境保护部和国土资源部，2014.5 龚伟群，潘根兴.中国水稻生产中 Cd 吸收及其健康风险的有关问题 J.科技导报，2006，24（5）：43.6 俞萍，高凡，刘杰，等.镉对植物生长的影响和植物耐镉机制研究进展 J.中国农学通报，2017，33（11）：89.7 WANG M，ZOU J H，DUAN X C，et al.Cadmium accu-mulation and its effects on metal uptake in maize（Zea maysL.）J.Bioresource technology，2007，98（1）：82.8 LIN L，ZHOU W H，DAI H X，et al.Selenium reducescadmium uptake and 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