土壤改良剂对镉污染稻田的治理稳定性研究

摘要 为验证大田环境下土壤改良剂对镉污染稻田的治理效果稳定性，开展了连续3年的原位钝化试验。结果表明，土壤改良剂施用第1年，土壤酸化情况明显改善，土壤pH由5.64最高提升至7.13；土壤中有效镉含量与土壤pH呈显著负相关；稻米镉含量与土壤有效镉含量呈显著正相关，最高降幅达71.48%，治理效果整体随施用量的增加而增强。后续2年，处理组土壤pH、土壤有效镉含量均有所回弹，但稻米镉含量仍显著低于空白对照且降幅与施用量间无明显相关性，此外，所有处理组均未对水稻产量产生明显负面影响。由此可见，通过高施用量的土壤改良剂可在短期内明显提升土壤治理水平，但长期来看较低的施用量更有利于实现镉污染耕地的长效治理。

关键词 土壤改良剂；镉污染稻田；原位钝化；治理；稳定性

中图分类号 S 156.2  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）22-0075-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.014

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Stability of Soil Amendments in the Treatment of Cadmium-contaminated Rice Fields

WU Zhi-hang1，ZHU Ying-ting2，GONG Ya-long3 et al

（1.Wuhu Agricultural Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment，Wuhu，Anhui 241200;2.Wuhu Agricultural Technology Center，Wuhu，Anhui 241200;3.China Merchants Ecological Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400000）

Abstract To verify the stability of the treatment effect of soil amendment on cadmium-contaminated paddy field under field environment，this study carried out in situ passivation test for three consecutive years.The results showed that soil acidification was significantly improved in the year of soil amendment application，and the soil pH was increased from 5.64 to 7.13;the effective cadmium content in the soil showed a significant negative correlation with the soil pH;the cadmium content in rice showed a significant positive correlation with the effective cadmium content in the soil，and the maximum reduction was up to 71.48%，and the overall effect of treatment was enhanced with the increase of application amount.In the following two years，the soil pH and effective cadmium content of the treatment groups rebounded，but the cadmium content of rice was still significantly lower than that of the blank control and there was no significant correlation between the reduction and the application rate，in addition，all the treatment groups did not have a significant negative impact on rice yield.It can be seen that the high application rate of soil conditioner can significantly improve the level of soil treatment in the short term，but in the long term，the lower application rate was more conducive to the realization of long-term management of cadmium-contaminated arable land.

Key words Soil amendment;Cadmium-contaminated rice fields;In-situ passivation;Government;Stability

根据全国土壤污染状况调查报告，重金属镉（Cd）污染已是我国当前不容忽视的土壤环境质量问题^［1］。由于具备较强的生物毒性，镉被世界卫生组织（WHO）认为是杀伤力仅次于黄曲霉和无机砷的食品污染物。此外，其较强的迁移能力与易被植物吸收的特性，使镉可通过食物链传递在人体富集，尤其是“镉米”“镉菜”的食用加剧了镉对人体的健康风险^［2-4］。有研究表明，长期暴露于镉环境下将对人体器官、骨骼等产生不可逆损伤，并显著增加致癌风险^［5-6］，日本发生的“痛痛病”就是镉中毒的惨痛案例。因此，治理镉污染耕地、降低粮食安全风险是关系民生的重要环境问题。

当前镉污染耕地的治理方法主要分为2类，即以削减污染物总量为目标的“总量控制”和以抑制重金属活性为目标的“有效态含量控制”^［7］。前者主要有客土、换土法和植物提取技术，具备修复彻底、无二次污染等特点，但也因高昂的成本或较长的修复周期而鲜于实际运用^［8-9］；后者主要是指土壤改良钝化技术，通过吸附、沉淀、络合等反应改变土壤中重金属的赋存形态，进而降低其生物有效性，减少作物吸收的风险^［10-11］。低成本、易操作、见效快的特点使土壤改良技术在耕地治理行业中受到广泛青睐，但因钝化技术是否具有长期稳定性存在诸多质疑。

Wang等^［12］认为钝化技术终究无法削减土壤中重金属总量，被抑制活性的重金属无法在复杂的大田环境中保持稳定。而通过持续性施用改良剂以维系治理效果的方法将导致治理成本和二次污染风险持续累加，并且可能破坏土壤结构和土壤生物化学循环，对土壤生产力产生不利影响^［13-15］。

基于此，该研究选取某镉污染耕地进行持续3年的原位钝化试验，在土壤改良剂施用后3年中对土壤理化性质、农作物重金属含量及产量进行跟踪检测，旨在验证大田环境下土壤改良剂对镉污染耕地的治理稳定性，为土壤改良剂的科学应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验地点位于安徽省芜湖市繁昌区某镉污染稻田，该地区年平均气温15.3 ℃，年降水量1 244.1 mm。土壤类型为黄棕壤，pH 5.23、总镉含量0.53 mg/kg、有机质含量40.53 g/kg、全氮含量2.54 g/kg、有效磷含量6.67 mg/kg、速效钾含量90.33 mg/kg。总镉含量超过《农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中风险筛选值（0.3 mg/kg）。

1.2 供试材料

供试土壤改良剂由招商局生态环保科技有限公司研制，主要成分为熟石灰、腐殖酸、铁粉，重金属元素满足《肥料中有毒有害物质的限量要求》（GB 38400—2019）。水稻品种为晶两优8612，为当地主要种植品种。

1.3 试验设计

试验设置4个处理，分别为常规施肥处理（CK）、常规施肥+土壤改良剂 1 500 kg/hm2（T1）、常规施肥+土壤改良剂3 000 kg/hm2（T_*）、常规施肥+土壤改良剂4 500 kg/hm2（T3），每个处理3次重复。每个重复对应一个试验小区，小区面积为30 m2（7.5 m×4.0 m），各小区随机排列。

试验时间为2021—2023年，每年6月由当地种植统一育苗，并选取长势相近的秧苗移栽，10月收获，每年仅种植一季。每年复合肥（N-P_*O5-K_*O3=20%-20%-20%）施用量为600 kg/hm2，不施基肥。土壤改良剂于2021年秧苗移栽前10 d一次性通过人工撒施均匀施入试验小区，并翻地使改良剂在耕作层均匀分布。为防治小区之间串水串药，各小区单排单灌且相互用田埂隔开，田埂包薄膜防止塌陷和渗漏。后续2年不再额外施用改良剂，田间日常管理小区之间保持完全一致。

1.4 样品测定与分析

每年10月收获期，使用五点取样法分别采集各小区土壤耕作层（0～20 cm）样品和水稻籽粒样品，小区单次采集土壤混合样品干重不少于2 kg，水稻籽粒样品不少于1 kg。土壤样品风干研磨过100目筛后测定理化性质；稻米用去离子水清洗后在60 ℃下烘干至恒重，去壳后研磨成粉备用。

土壤pH采用玻璃电极法测定，土液比为1∶2.5（NY/T 1121.2—2006）。土壤总镉含量采用王水提取-电感耦合等离子体质谱法测定，土壤有效镉含量采用DTPA浸提法测定。稻米镉含量采用经硝酸与过氧化氢消解后电感耦合等离子体质谱仪测定；水稻收割后以各试验小区籽粒干重计算产量。

1.5 数据分析

采用软件Excel 2021和SPSS 27进行数据统计分析，采用软件origin 2022和GraphPad Prism 8进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 施用土壤改良剂对土壤pH的影响

土壤酸化将引发土壤板结、养分淋失、毒害物质溶出等问题，是耕地质量下降、农作物减产的重要原因^［16］。通常pH低于6.5被认为是酸性土壤，低于5.5则为强酸性土壤。试验3年时间中，CK中土壤pH为5.23 ～ 5.65（表1），酸化程度较严重。土壤改良剂施用当年（第1年），处理组土壤pH提升至6.44 ～ 7.13，其中T_*和T3处理土壤pH相较于CK显著增加（P<0.05）。第2年，各处理土壤pH相较于第1年整体下降，其原因可能在于受干旱气候影响，土壤中氧化还原电位较淹水条件升高，导致稻田中难溶性硫化物溶解，重新释放SO4^2-与Cd²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等金属阳离子，而金属阳离子在氧化水解过程中将释放质子使土壤pH降低^［17-18］；其中T1和T3处理土壤pH仍显著高于CK（P<0.05），但增幅相较于第1年有明显回落。第3年，各处理土壤pH相较于CK仅有小幅增加，均未达显著性水平（P>0.05）。研究结果表明，试验条件下土壤改良剂施用后可在短期内明显改善土壤酸化情况，且在一定时间段内维持较好的治理效果。