一种新型降镉增硒修复技术在镉轻度污染区的应用效果研究

摘 要：洞庭湖区土壤为镉轻度污染，同时存在硒富集，为富硒土壤。为降低洞庭湖区水稻镉质量分数，提高水稻硒质量分数，生产富硒稻米，对“矿物改性复合钝化—双重阻隔—增值修复”技术进行试验。该技术利用矿物改性复合钝化剂2作为第一道防线，牢牢吸附土壤中的镉；以水溶性硅肥作为第二道防线，阻止土壤中的镉通过水稻根系进入稻谷中；利用生石灰调节土壤酸碱性，使土壤中的镉活性降低，同时允许部分硒进入水稻根系被稻谷吸收，达到降镉增硒目的。经过小区试验及大田示范，发现将改性复合钝化剂2、水溶性硅肥、石灰配合施用，对水稻降镉增硒效果明显，可作为一种新型降镉增硒修复技术广泛推广应用。

关键词：修复技术；降镉增硒；应用效果；镉轻度污染区

中图分类号：S663.1 文献标志码：B 文章编号：1674-7909（2023）19-148-4

0 引言

洞庭湖区位于湖南省北部，地势平坦开阔，气候温暖湿润，土地肥沃，是湖南省重要的粮食产区，以种植水稻为主。2000年之前，因用受污染的湘江水灌溉，导致洞庭湖区农田大面积污染，特别是镉污染较严重［1-2］。为了修复受污染的土壤，人们采用多种方法，常见的有机械修复（移除）、物理修复（电动修复）、化学修复（淋滤、沉淀、吸附、钝化）、生物修复（植物、微生物作用）、综合修复（低镉农作物+化学+农艺）等方法［3-6］。这些方法在一定条件下能够取得一定效果，但也存在一些问题，如有些方法成本高、效率低，或者固化时间短，在一定条件下重金属会重新释放出来，又或者操作复杂、环节多，难以大范围推广应用［7-8］。因此，探索一种成本低、效果好、操作简便的镉污染土壤修复技术是需要重点关注的问题。黏土矿物是一种成本低、吸附性能好的土壤钝化剂［9］，但单一的黏土矿物在吸附重金属元素方面会受到一定限制，特别是对于复合污染土壤中重金属元素的吸附作用较弱，而且如果不对黏土矿物进行改性，其吸附性能也会有一定程度的减弱。目前，对黏土矿物改性通常采取高温加热法、酸化法、有机处理等方法［10］。这些方法虽然增强了黏土矿物的吸附性能，但成本也随之增加，不利于推广应用。

根据相关研究，一些高镉区域往往伴有硒的富集。洞庭湖区土壤除了镉污染外，也存在硒富集，是富硒土壤。硒是一种对人体有益的元素，具有增强免疫力和防治糖尿病、白内障、心脑血管疾病等功效。洞庭湖区主要种植的农作物为水稻，镉污染土壤会导致稻米中镉超标，显然不利于洞庭湖区稻米产业发展。如果探索出一种新型降镉增硒土壤修复技术，在降低稻米中镉质量分数的同时，可增加稻米中硒质量分数，将对洞庭湖区稻米产业发展具有重要意义，镉污染土壤修复水平也将提高到更高的层次。基于此，笔者以2022年承担的湖南省生态环境厅“岳阳市湘阴县重金属污染耕地风险管控试点服务项目”为契机，针对洞庭湖区镉污染土壤特点，汲取前期土壤修复中的经验教训，开发出一种以黏土矿物为主的改性复合钝化剂2（GXFH-2），提出“矿物改性复合钝化—二次阻隔—增值修复”技术，并对该套技术进行小区试验及大田示范，验证该修复技术的应用效果，为修复镉污染土壤，实现稻米降镉增硒目标提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验区选择在湖南省岳阳市湘阴县爱民村，为洞庭湖滨湖平原区，土壤类型为河（湖）冲积型土壤，亚类属潴育型水稻土。试验前，笔者对试验区土壤理化性质进行分析：土壤pH值为5.0～7.5，全氮质量分数为1.19～3.71 g/kg，全磷质量分数为0.50～0.90 g/kg，全钾质量分数为18.70～22.40 g/kg，土壤肥力中等偏上；土壤硒质量分数为0.40～0.71 mg/kg，总体为富硒土壤；土壤镉质量分数为0.50～1.50 mg/kg，有效镉质量分数为0.23～0.70 mg/kg，按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）判断，试验区土壤镉污染为轻度污染。

1.2 “矿物改性复合钝化—二次阻隔—增值修复”技术

1.2.1 矿物改性复合钝化剂配制

1.2.1.1 黏土矿物选择

根据以往对黏土矿物试验效果及试验区镉污染状况，主要选择具2∶1型结构的黏土矿物，主要有蒙脱石、伊利石、沸石、硅藻土等。

1.2.1.2 矿物改性

采取细磨的方法，将单一黏土矿物细磨至-38～23 μm。研磨过细则可能会出现团聚体浮在水面，反而不利于土壤吸收。

1.2.1.3 矿物改性复合钝化剂配制

将改性后的蒙脱石、伊利石、沸石、硅藻土按一定比例配制成矿物改性复合钝化剂2（GXFH-2）。

1.2.2 二次阻隔技术

矿物改性复合钝化剂是第一道防线。土壤中的镉经过矿物改性复合钝化剂吸附后，大部分被固定在土壤中，但仍会有少量通过水稻根系进入稻米中。为了阻止镉进入稻米，需构筑第二道防线。构筑第二道防线采用的技术是在水稻抽穗前喷施水溶性硅肥（用SI表示）。水溶性硅肥中的二氧化硅会与镉结合，生成无毒或低毒络合物，阻止镉通过稻秆进入稻米中［11］。

1.2.3 土壤酸碱性调节及降镉增硒措施

土壤酸碱性是影响土壤中重金属离子活性的重要因素。在碱性条件下，土壤中重金属离子活性减弱，有效态镉质量分数降低，有利于减少水稻对镉的吸收。要使土壤呈碱性，最常用、最经济的方法就是施用生石灰（用SH 表示）。施用适量的生石灰，可在保证土壤中镉元素沉淀钝化的同时，允许部分硒释放出来被水稻吸收，从而达到稻米降镉增硒的目的［12-15］。

1.3 试验设计

为了便于比较，试验设4个处理，分别记为CK、T₁、T₂、T₃，具体设计如表1所示。

GXFH-2施用具体操作：在水稻插秧前7～10 d施加，每667 m²施用量为150 kg，采用人工施撒方式，施后翻耕耙匀。

SH施用具体操作：在水稻插秧前7～10 d施加，每667 m²施用量为100 kg，可与GXFH-2同步施用。

SI施用具体操作：在水稻抽穗前喷施，每667 m²施用量为100 g，选择在09：00前或16：00后喷施，雨天或大风情况下不宜喷施。

此次试验中，小区试验与大田示范同步进行，对同一地块的早稻和晚稻均进行试验，晚稻在早稻各处理基础上采取与早稻相同的处理。

小区试验：采用随机区组设计，每处理为一个小区，每处理4次重复，共16个试验小区，每小区面积为20.3 m²。小区间用田埂分隔，小区外设保护行。为保证各小区试验效果，水稻先异地育秧再人工移栽至田中，并且统一移栽密度。早稻移栽时间为2022年4月下旬，移栽规格为16.7 cm×20.0 cm，早稻栽培品种为湘早籼24号（常规稻）；晚稻移栽时间为2022年7月中旬，移栽规格为20.0 cm×20.0 cm，晚稻栽培品种为耘两优玖48杂交稻。

大田示范：每处理为一个试验田块，田块间以田埂或沟渠自然分隔，每试验田块面积在0.1 hm²以上。早稻、晚稻播种方式均为撒播，早稻播种时间为2022年4月下旬，晚稻播种时间为2022年7月中旬，早稻、晚稻栽培品种均为湘早籼24号（常规稻）。

1.4 样品采集与测定

待水稻成熟后，采集籽粒样品。为保证样品代表性，根据田块形状，采用五点梅花形或菱形多点取样。将籽粒样品晒干后进行脱粒、脱壳，然后用不锈钢粉碎机粉碎，再取100 g样品送化验室分析。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定样品中镉、硒质量分数，测定质量符合《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）要求。

2 试验结果与分析

2.1 小区试验结果与分析

由表2可知，在小区试验中，T₁、T₂、T₃处理早稻镉质量分数均小于CK，T3处理早稻镉质量分数最小。这说明单独施用GXFH-2有一定的降镉效果，但降镉效果较差；GXFH-2、SH配合施用降镉效果略有提升；GXFH-2、SH、SI配合施用降镉效果最好。

由表3可知，在小区试验中，T₁、T₂、T₃处理晚稻镉质量分数均小于CK，说明在早稻处理的基础上，单独施用GXFH-2或GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SH、SI配合施用均能降低晚稻镉质量分数，但单独施用GXFH-2降镉效果较差，GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SH、SI配合施用降镉效果较好。

由表4可知，在小区试验中，各处理早稻硒质量分数为0.038～0.045 mg/kg，T₂、T₃处理早稻硒质量分数均大于CK，说明GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高早稻硒质量分数。

由表4可知，在小区试验中，T₁、T₂、T₃处理晚稻硒质量分数均大于CK，其中T₃处理晚稻硒质量分数最大（0.093 mg/kg）。这说明在早稻处理的基础上，GXFH-2、SH、SI配合施用可提高晚稻硒质量分数。

2.2 大田示范结果与分析

由表5可知，在大田示范中，T₁、T₂、T₃处理早稻镉质量分数均小于CK。其中，T2、T3处理早稻镉质量分数均小于稻米镉质量分数安全限定值（0.2 mg/kg）。这说明GXFH-2、SH、SI配合施用可降低早稻镉质量分数，且使早稻镉质量分数达标，降镉效果较好。

由表6可知，在大田示范中，T₁、T₂、T₃处理晚稻镉质量分数均小于CK。其中，T₁、T₂处理晚稻镉质量分数稍大于稻米镉质量分数安全限定值（0.2 mg/kg），T3处理晚稻镉质量分数小于稻米镉质量分数安全限定值。这说明GXFH-2、SH、SI配合施用可降低晚稻镉质量分数，且使晚稻镉质量分数达标，降镉效果较好。

由表7可知，在大田示范中，T₂、T₃处理早稻硒质量分数大于CK，说明GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高早稻硒质量分数；T₂、T₃处理晚稻硒质量分数大于CK，说明在早稻处理的基础上，GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高晚稻硒质量分数。

3 结论与讨论

通过小区试验和大田示范，发现在镉轻度污染地区配合施用GXFH-2、SH、SI，可降低稻米镉质量分数，同时提高稻米硒质量分数，使其成为富硒稻米。因此，建议广泛推广应用该土壤修复技术。

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