镐污染农田土壤的钝化修复技术及其修复实践研究

0 引言

水稻作为我国主要粮食作物，在保障国家粮食安全中发挥着重要作用。水稻的食用安全是确保粮食安全的前提，然而，当前全球的农田正面临严重的重金属污染问题1，其中稻田土壤镉（Cd）污染较为突出[2]，水稻吸收土壤中的Cd后，经过食物链侵入人体，从而对人体健康产生极大危害[3-4]。因此，采取有效措施治理稻田土壤Cd污染是当前亟待解决的重要问题。

1相关研究

目前，稻田土壤的Cd污染问题已经得到广泛关注，成为国内外学者研究的热点方向[5]。当前，Cd污染土壤修复技术主要有物理化学修复法、生物修复法及植物修复法等[，其中，土壤原位钝化修复技术被认为是一种简单有效的土壤修复技术[]，该技术主要通过施用改良剂改变土壤pH值、CEC、Eh等土壤理化性质，同时与重金属发生一系列反应，减少土壤中有效态重金属含量，削弱土壤中Cd的迁移能力，进而降低植物对重金属的吸收[8]。碱性物质石灰（CaO）具备易获取、成本低等优点，被广泛应用于稻田土壤的Cd污染治理[9]。朱真令等[10]发现，施用石灰能够提高土壤pH值，促使土壤中的有效Cd向还原态和残渣态转化，降低作物对Cd的富集能力。陈艳秋等"研究发现，在受Cd污染的稻田土壤中施用石灰后，能够显著降低土壤中有效态Cd含量和稻米中的Cd含量，同时对水稻产量不造成影响。史磊等2研究发现，将石灰石、海泡石和钙镁磷肥等3种材料进行不同组配方式和配比后，用于受Cd污染的稻田土壤的修复，生产出的稻米符合检测标准。此外，丁军等[13]研究发现，采用"低镉品种 + 优化水分管理 + 施用生石灰 + 土壤调理剂 + 叶面阻控剂"这一复合修复组合技术，对降低水稻中的Cd含量效果最显著。但是，长时间且不间断地施用大量石灰会引起土壤中钙、钾、镁等物质的失调，容易导致土壤出现板结[14]。因此，选择价格更低廉且修复效果更好的改良剂与石灰组配，用于农田土壤重金属原位钝化修复具有重要意义。

生物炭是通过高温加热精选的天然木材、甘蔗渣、稻壳、花栗壳等生物质材料制成的，其主要成分是固体炭和微孔炭[15]。生物炭具有保水保肥、调节王壤酸碱度、改良土壤结构等作用，还能提高作物抗旱和抗病能力，促进作物生长[16]。同时，张丽等[17]研究发现，生物炭配施氮肥能降低土壤中Cd的有效性，从而抑制水稻对Cd的富集和转运作用，提高稻米安全性。马建伟等[18]研究发现，将新型竹炭施加到Cd污染土壤后，能够有效降低土壤中可交换态Cd含量。BEESLEY等[19]发现，施用硬木生物炭可使土壤孔隙水中镉（Cd）和锌（Zn）的含量降低。但是生物炭质地硬、密度大，本身不含营养元素，不易发挥肥效，且价格偏高，认可度较低，加上生物炭与其他材料配施对重金属复合污染土壤的修复研究较少，因此，亟须开发多种形式的生物炭复合材料[20]。生物炭基肥则是在生物炭的基础上，添加了其他养分元素和微生物菌种，具有高孔隙度，并能满足肥效需求，不仅能够提高土壤肥力、改善土壤理化性质，还能有效提升农作物的产量[2I]。ELSHARKAWI等[22]通过制备炭基复合肥实现了肥料的缓释作用，显著提高了肥效利用率。刘冲等[23]研究发现，生物炭基肥可以降低土壤中可交换态重金属含量，显著减少油麦菜地上部和地下部对镉（Cd）铜（Cu）铅（Pb）和锌（Zn）的吸收。

目前，研究多集中在单一改良剂对重金属污染土壤的修复效果[24]，且大多是通过盆栽试验开展研究，而对于受不同程度Cd污染的农田土壤条件下，施用石灰组配生物炭基肥的田间试验研究相对较少，且鲜有通过实际应用推广来验证研究可行性的案例。研究在信阳某典型区域稻田地块开展田间试验，并将试验结果应用到修复实践，通过深入分析施加生石灰 + 生物炭基肥下的稻田土壤pH值，以及水稻对Cd吸收和累积的响应特征，以期为我国南方地区受Cd污染的稻田土壤的安全利用和治理修复提供技术支撑和科学依据。

2试验材料与设计

2.1试验区域与供试材料

试验田位于河南省信阳市新县某农田，该地区为亚热带季风气候，四季分明、雨量充沛，供试王壤为水稻土，供试田块土壤基本理化性质见表1。供试水稻品种为当地村民自留品种。田间试验供试材料均为市售商品，其中生石灰为产自当地的粉末状生石灰，购自信阳市新县千斤乡；生物炭基肥购自鹤壁市人元生物技术发展有限公司；钙镁磷肥购自荆门市高园磷肥有限公司。

2.2 试验设计

试验共设计5个处理。对照处理：CK（常规施肥）；T1：常规施肥 + 生物炭基肥，每 施用生物炭基肥 150kg；T2 ：常规施肥 + 生石灰 + 生物炭基肥，每 施用生石灰 100kg 、生物炭基肥 150kg T3：常规施肥 + 生石灰 + 钙镁磷肥，每 施用生石灰 100kg 钙镁磷肥 50kg ；T4：常规施肥 .+ 生石灰，每 施用生石灰 100kg 。每个处理为1个小区，各小区随机排列。

各小区水稻均采用移栽种植，对试验田翻耕、耙碎、整平、施基肥后，将田块划分为小区，并在田间设置田埂，防止小区间串肥串水，并设置单独进水口与排水口。在水稻移栽前，按照不同处理方式将供试材料均匀撒施在对应的小区内，随即耙匀，7d之后进行移栽。水稻的田间管理，包括施肥、除虫、除草等，均与当地常规做法保持一致。

2.3样品采集与分析

水稻与土壤样品的采集。在水稻收割前，分小区采用五点采样法采集混合稻谷样品 1.5kg ，送至指定检测机构测定稻米中Cd含量；在水稻收获后，分小区采用五点采样法采集耕作层（ 混合土壤样品 1.5kg ，充分风干，送至指定检测机构测定土壤pH值。其中，水稻Cd含量的测定，按照《食品安全国家标准食品中镉的测定》（GB5009.15—2023）第二法进行。土壤pH值的测定，采用去离子水浸提（水土质量比为2.5：1），并采用pH计（上海雷磁，PXSJ-226型）进行测定。最后，采用Excel2010软件进行数据处理和分析。

3试验结果与分析

3.1土壤pH值

由图1可知，与处理前的土壤pH值相比，除CK处理外，4种处理均显著提高了土壤pH值。其中，生石灰 + 生物炭基肥处理（T2）的土壤pH值为5.81，提高了 19.1% ；生石灰处理（T4）的土壤pH值为5.77，提高了 18.2% ；生石灰 + 钙镁磷肥处理（T3）的土壤pH值为5.61，提高了 15.0% ；生物炭基肥处理（T1）的土壤pH值为5.53，提高了 13.3% 。

3.2 水稻Cd含量

由图2可知，与CK处理相比，4种处理均降低了水稻Cd含量。其中，生石灰 + 生物炭基肥处理（T2）对水稻中Cd含量的降低效果最显著，达77.9% ；生石灰处理（T4）和生物炭基肥处理（T1）对水稻中Cd含量的降低效果次之，分别达 76.9% 和76.2% ；生石灰 + 钙镁磷肥处理（T3）对水稻中Cd含量的降低效果最差，仅为 33.3% 。

3.3小结

试验结果表明，4种处理均可提高土壤pH值，其中，生石灰 + 生物炭基肥处理下的土壤pH值提高幅度最大；同时，4种处理均可降低水稻Cd含量，其中，生石灰 + 生物炭基肥处理对降低水稻Cd含量效果最好。综上所述，综合考虑修复效果、修复成本及后期推广应用可行性，最终确定了生石灰 + 生物炭基肥这一组合作为有效手段，用于治理修复受Cd污染的稻田土壤。

4石灰组配生物炭基肥修复镐污染稻田实践研究

4.1实践应用区域与修复材料

应用推广区选择信阳市新县吴陈河镇和千斤乡，总面积为 ，地属亚热带季风气候，四季分明、雨量充沛，土壤类型主要为黄棕壤和水稻土，耕作方式主要为水稻单季种植和水稻一油菜轮作种植。应用推广材料为大田试验所选用的生石灰和生物炭基肥。

4.2 实践应用方案设计

应用推广区域分别位于新县吴陈河镇和千斤乡，方案实施时间为 2a 。第一年，对吴陈河镇和千斤乡的试验稻田不采取任何治理修复措施，其间水稻种植与田间管理与当地保持一致，在水稻收割前采集水稻样品，在水稻收割后采集土壤样品；第二年，对吴陈河镇和千斤乡的试验稻田进行生石灰 + 生物炭基肥撒施，其间水稻种植与田间管理与当地保持一致，在水稻收割前采集水稻样品，在水稻收割后采集土壤样品。

4.3样品采集与分析

按照《农、畜、水产品污染监测技术规范》（NY/T398—2000）的规定设计治理区域的采样密度，在治理区域内或附近布设治理效果评价点位10个。

样品采集方法：在水稻收割前，采用“S"形采样法采集混合稻谷样品 1.5kg ，送至指定检测机构测定稻米中Cd含量；在水稻收获后，采用“S"形采样法采集耕作层（ 混合土壤样品 1.5kg ，将其充分风干，送至指定检测机构测定土壤pH值。

4.4 应用结果与分析

通过分析2个乡镇的土壤pH值和水稻Cd含量（图3），吴陈河镇和千斤乡土壤pH值相较于施用生石灰 + 生物炭基肥之前均有明显提高。其中，吴陈河镇土壤pH值提高幅度最高可达 18.13% ，千斤乡土壤pH值提高幅度最高可达 29.01% ；两个乡镇水稻Cd含量均有所降低，部分点位的水稻Cd含量下降到检出限以下，其中，吴陈河镇2个水稻Cd含量超标点位和千斤乡4个水稻Cd含量超标点位的水稻Cd含量均下降至国家食品中污染物限量标准0.20mg/kg 以下。这表明在实际水稻种植过程中，施加生石灰 + 生物炭基肥能够有效提高土壤pH值，并降低水稻Cd含量。