水旱2种种植模式下钝化处理对空心菜累积镉效应研究

摘要 ［目的］为降低土壤重金属污染风险，保障农作物安全生产，开展空心菜大田种植试验，研究不同种类土壤钝化剂在水旱2种种植模式下对镉的钝化效果。［方法］设置淹水和旱地2个不同种植模式，对比施用石灰、海泡石、改性钼硅酸盐、生物炭4种土壤钝化剂下土壤pH、养分含量、重金属镉的有效性和空心菜产量、重金属镉富集量等指标的变化。［结果］旱地种植模式下，各钝化处理空心菜中镉含量为0.11～0.13 mg/kg，降幅在13.42%～26.67%，降低效果排序为海泡石＞石灰＞生物炭＞改性钼硅酸盐；淹水种植模式下，各钝化处理空心菜中镉含量为0.08～0.11 mg/kg，降幅在4.54%～27.27%，降低效果排序为改性钼硅酸盐＞石灰＞生物炭＞海泡石。4种钝化剂均能有效钝化土壤中的镉，降低土壤中有效态镉含量5.88%～35.00%，降低空心菜中镉含量4.54%～27.72%。同一钝化剂条件下，淹水种植可有效降低空心菜中镉含量3.91%～33.34%，其中以改性钼硅酸盐效果最好，降幅33.34%。同时改性钼硅酸盐在水旱2种种植模式下都有增产效果，海泡石、生物炭均会造成减产。［结论］“淹水种植+改性钼硅酸盐”是一种适合蔬菜农田重金属镉的安全利用技术体系。

关键词 土壤钝化剂；镉；空心菜；旱地种植；淹水种植；钝化修复

中图分类号 X 173  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）24-0049-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.012

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Cadmium Accumulation Effect of Passivation Treatment on Water Spinach Under Two Planting Modes of Water and Drought Planting Modes

YANG Bo，XIE Yan-hua，LI Xia-fei et al

（Guidance Center of Agricultural Technology and Equipment in Guangzhou Baiyun District，Guangzhou，Guangdong 510405）

Abstract ［Objective］In order to reduce the risk of heavy metal pollution in soil and ensure the safety of crop production，field planting experiments of water spinach were conducted to study the passivation effect of different types of soil passivators on cadmium under two planting modes of water and drought.［Method］By setting two different planting modes，such as flooded planting and dry planting，the changes of soil pH，nutrient content，availability of heavy metal cadmium，yield of water spinach and concentration of heavy metal cadmium were compared under the application of four soil passivators，such as lime，sepiolite，modified molybdenum silicate and biochar.［Result］Under the dry planting，the cadmium content of water spinach in each treatment was 0.11-0.13 mg/kg，with a decrease of 13.42%-23.74%，the reduction effect was ranked as：sepiolite > lime > biochar > modified molybdenum silicate.Under the flooded planting，the cadmium content of water spinach in each treatment was 0.08-0.11 mg/kg，with a decrease of 4.54%-18.22%，the reduction effect was ranked as modified molybdenum silicate > lime > biochar > sepiolite.Four passivators could effectively passivate cadmium in soil，reducing the available cadmium in soil by 5.88% to 35.00% and decreasing the cadmium content in water spinach by 4.54% to 27.72%.Under the same passivators conditions，submerged planting could effectively reduce the cadmium content in water spinach by 3.91% to 33.34%，with modified molybdenum silicate showing the best effect and a reduction of 33.34%.At the same time，modified molybdenum silicate had the effect of increasing yield under water and drought planting modes，while sepiolite and biochar could cause yield reduction.［Conclusion］“Flooding planting+modified molybdenum silicate”is a safe utilization technology system for heavy metal cadmium in vegetable farmland.

Key words Soil passivator;Cadmium;Water spinach;Dry planting;Flooded planting;Passivation treatment

当前我国土壤污染现状不容乐观，农田土壤环境质量堪忧，重金属污染是主要原因之一^［1］。重金属容易随食物链进入人体内，严重危害人体生命安全^［2］。据统计，我国每年约有1 000万t的农产品存在重金属超标的风险^［3］。广东省蔬菜镉、砷超标率分别为21.2%和17.8%^［4］。由于重金属在自然界不能降解，难以消除，其在土壤中积累富集到一定程度后，就会对土壤及附着植被造成毒害，从而导致土壤质量恶化、农产品品质和产量降低^［5］，并且会沿着食物链呈现逐级放大现象，进一步危害人类生命安全和身体健康^［6］。因此，农地土壤重金属污染安全利用及修复与农产品安全问题备受关注。当前利用化学钝化修复技术是治理土壤重金属超标的主要策略之一，通过在重金属污染的土壤中添加土壤钝化剂，使得有效性较高的可交换态重金属转变成生物有效性较低的有机结合态，从而降低土壤重金属的生物有效性，且该技术具有周期短、适用范围广、经济低廉的优点^［7］。

土壤钝化剂原位钝化修复由于其见效快、成本低、对土壤的破坏力度较小，是目前国内主流的原位修复技术^［8］。向土壤中施入钝化剂，通过沉淀、吸附和络合等作用降低土壤重金属的生物有效性和迁移性，减少植物对重金属的吸收积累^［9-11］。常见的土壤钝化剂包括石灰、磷矿粉、沸石、石灰石、生物炭等^［12］，而不同的土壤钝化剂对重金属修复效果和土壤结构的影响也不同^［13］。如Tang等^［14］研究发现可以利用土壤改良剂提高植物对钙、镁、锰的利用率，降低可食用部分的镉，提高蔬菜品质。张迪等^［15］以萝卜和小白菜为试验对象，用海泡石和生物炭处理污染土壤，与对照相比萝卜可食部位镉含量下降2.64%～82.61%，铅含量下降45.37%～94.44%，小白菜可食部位镉和铅含量分别下降6.92%～69.23%和37.57%～81.50%。Hamid等^［16］利用海泡石、有机肥和石灰的复合材料处理水稻土壤，提高了土壤pH，水稻根、芽、籽粒中的镉分别降低了31%、36%和72%。李祥等^［17］研究发现9种土壤改良剂均能降低水稻各器官镉含量及水稻根和米中镉的吸收系数。Luo等^［18］研究发现一种改性生物炭对重金属具有良好的固定化作用，能将酸提物和可还原性组分转化为残留组分，并且施用生物炭后，土壤的全氮、有机质和速效钾均有所增加。此外，在植物生长重要生育期，加强水分管理，保证田间有水层，通过降低土壤氧化还原电位（Eh），提高土壤pH，降低重金属的活性^［19］。徐颖菲等^［20］利用水分管理配合生物炭、坡缕石、石灰、沸石等钝化材料有效降低了水稻籽粒中镉含量55.53%～56.53%；刘艺芸等^［21］用水分管理配合海泡石钝化修复镉，降低油菜中的镉含量，但水肥耦合对钝化效应影响较小。

面对污染土壤的复杂性，需要将单项修复技术进行合理集成，形成污染耕地过程控制技术体系^［12］，而水分管理和钝化技术的集成研究也集中以水稻为研究对象，对同样可以淹水种植的水生蔬菜的修复集成技术鲜有报道。该研究基于空心菜的淹水和旱地2种不同种植模式，选择传统土壤钝化剂（石灰）、黏土矿物钝化剂（海泡石）、农业农村部登记的经加工后可量产矿物源土壤调理剂（改性钼硅酸盐）和有机源土壤钝化剂（生物炭）各一种，通过大田试验探究集成技术对土壤有效态重金属镉的积累及其在空心菜中累积的效应，筛选出不同种植模式下针对受重金属镉污染的中轻度土壤的治理修复措施，从而形成一套成熟的蔬菜农田重金属镉的安全利用技术体系。

1 材料与方法

1.1 供试材料 试验田位于广东省广州市白云区南岗村某地蔬菜田，当地属南亚热带季风气候区，年平均气温21.8 ℃，是珠三角地区典型的城郊蔬菜农田。该地全年均适合种植空心菜。试验地0～20 cm土壤的理化性质为pH 6.62、碱解氮128.10 mg/kg、有效磷91.97 mg/kg、速效钾181.99 mg/kg、有机质29.25 g/kg、全氮1.72 g/kg、土壤总镉0.44 mg/kg，超过国家标准（GB 15618—2018）土壤风险筛选值，属于中轻度重金属镉污染土壤。

供试空心菜品种为当地品种，当地常规的种植模式是旱地种植，该试验移栽种植时间为2019年9月5日。

供试钝化材料包括石灰、海泡石、改性钼硅酸盐、生物炭4种。其中，海泡石pH为8.9，CaO为17.84%，MgO为21.36%，SiO为44.72%。改性钼硅酸盐是以白云石、石灰石为原料通过高温煅烧制得，其基本性质为pH 12.4、CaO≥20%、MgO≥12%、SiO≥12%。生物炭是选用农林秸秆作为原料，经硫酸亚铁改性过后将具有还原性的零价铁元素与生物炭表面基团进行螯合，从而制备出负载零价铁的铁基生物炭土壤钝化剂，其基本性质为pH 10.2、固定碳≥50%、Fe含量≥2%、比表面积≥80 m2/g。