农产品产地环境:镉污染稻田修复效果

以坡缕石和海泡石两种黏土矿物作为钝化材料，以籼稻为模式作物，选取湖南某Cd污染稻田进行重金属污染钝化修复田间示范，考察原位钝化修复效果的同时，关注钝化修复对土壤中N、P的有效组分含量、相应酶活性等土壤环境质量的影响，评估其潜在的环境风险，以期为原位钝化修复大面积推广应用提供科学依据。

（1）材料与方法　实验点位于湖南东南部某重金属污染区，处亚热带。受有色金属冶炼等历史原因影响，农田土壤不同程度受到重金属污染，首要污染物为Cd，相应农产品中Cd含量超过国家食品卫生标准。实验点土壤属于潴育型水稻土，成土母质为板页岩风化物，pH为5.5左右，其中Cd总量为1.68mg/kg。

坡缕石（PAL）采购于江苏盱眙，属于土状坡缕石，为白色粉末，其组成分别为：1.2％CaO、10.4％ Al2O3、1.5％ Na2O、20.5％ MgO、64.4％SiO2。海泡石（SEP）采购于河北，属于热液型海泡石，白色粉末，伴生碳酸钙含量较多，其主要组成为41.7％CaO、16.8％ MgO、7.4％ Al2O3、32.5％SiO2。两种天然黏土矿物均直接施用，未经后续纯化或修饰。

水稻品种丰优9号，属籼型三系杂交水稻，全生育期平均113.4 d。试验共设置7个不同处理，包含不添加任何钝化材料的对照组CK，其中坡缕石设置3个不同施用剂量，分别为1.00kg/m2（PAL-Ⅰ）、1.50kg/m2（PAL-Ⅱ）、2.00kg/m2（PAL-Ⅲ）；海泡石设置3个不同施用剂量，分别为0.75kg/m2（SEP-Ⅰ）、1.50kg/m2（SEP-Ⅱ）、2.25kg/m2（SEP-Ⅲ）。每个处理重复3次，共计21试验小区，每个小区面积约为30m2，长×宽为5m×6m。采用单因素设计，随机区组田间排列，采用覆塑料薄膜（埋深20 cm）的泥巴埂分隔，外设保护区。

4月采用人工撒施方法将钝化材料均匀施入小区，翻耕混匀（深度20 cm）并平整土地，同时开始水稻育苗。5月插秧，日常水肥管理和当地正常生产一致，8月中旬收获水稻。分别在施用钝化材料前和水稻收获后，采用S形采样法，在每个小区采集5点耕层（0～20cm）土样，混匀后作为小区土样，新鲜土壤用以测定土壤酶活性，取部分土样风干、研磨后分别过1.0mm和0.15mm孔径筛备用。水稻收获时，在每个小区取2个1 m2样方，收割地上部测产，自然风干后的稻谷经砻谷机脱壳后收集糙米，在烘箱中70℃烘干至恒质量，粉碎备用。

土壤Cd全量分析采用HNO3-HF-HCIO4消解；可提取态Cd分析采用TCLP法浸提，土壤中植物可利用性Cd含量采用0.025mol/L HCl浸提。土壤Cd形态分析采用Tessier分级提取方法，分为可交换态（Ex-Cd）、碳酸盐结合态（CB-Cd）、铁锰氧化物结合态（Ox-Cd）、有机物结合态（OM-Cd）和残渣态（Res-Cd）。糙米Cd含量分析采用HNO3-HCIO4法消解。上述待测液Cd含量均采用电感耦合等离子体质谱仪分析测定。土壤pH用去离子水（土水比1∶2.5）浸提，采用pH计测定pH。所有样品分析过程中以污染农田土壤成分分析标准物质GBW08303和湖南大米成分分析标准物质GBW10045（GSB-23）进行质量控制分析，同时做空白试验。

土壤N、P测定：土壤水解性N采用碱扩散法测定，有效P采用Bray法测定。土壤磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠法测定，以每小时每千克土产生对硝基苯酚（PNP）的毫克数表示；土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，以24 h每千克土产生NH3-N的毫克数表示；土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，以1h每克土消耗的高锰酸钾的毫升数表示；蔗糖酶活性采用比色法测定，以24h每千克土产生的蔗糖的毫克数表示。

（2）钝化修复效应　实验结果如图9-1所示，稻谷产量在6 300～6 580kg/hm2范围，达到当地正常平均水平。与对照相比，坡缕石和海泡石处理分别略有增产作用。其中，坡缕石三组处理增产2.0％左右，但三组处理之间的差异无统计学意义。海泡石处理使水稻产量增幅2.8％～4.5％。稻谷产量的增加表明施用坡缕石和海泡石施用后减轻了重金属Cd对水稻的毒害作用。

图9-1　原位钝化修复对稻谷产量的影响

我国现行国家标准《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）规定的稻谷中Cd的最大限量值（MPC）0.20mg/kg。由图9-2可知，未经钝化修复的对照组水稻糙米Cd含量为0.72mg/kg，远远超过MPC。施用坡缕石和海泡石后，糙米Cd含量明显降低；海泡石三组处理使糙米Cd含量降低52.2％～73.5％；坡缕石三组处理，糙米Cd含量降幅为22.9％～54.6％。其中，坡缕石2.00kg/m2处理可以使糙米Cd含量降低至0.32mg/kg，满足国际法典委员会标准CodexStan193—1995（2010修订版）中规定的糙米Cd含量最大限量值0.40mg/kg；海泡石剂量2.25mg/kg处理可使糙米Cd含量降低至0.18mg/kg，满足我国现行国家标准要求，具有推广应用的潜力。

图9-2　原位钝化修复对糙米Cd含量的影响

由表9-2可知，与对照相比，施加两种黏土矿物土壤pH均有不同程度的提高。坡缕石可使土壤pH增加0.33～0.43；海泡石提高pH作用较坡缕石明显，最高可使土壤pH提高至7.02。土壤pH的升高主要由于坡缕石与海泡石，这两种黏土材料均属于碱性矿物材料。化学钝化主要针对土壤中可以被植物吸收利用的有效态重金属，0.025mol/L HCl浸提有效态Cd可反映土壤中的植物可利用性Cd。与对照相比，施用坡缕石和海泡石均显著降低有效态Cd含量（P＜0.05），其中坡缕石处理降幅为13.6％～29.1％，海泡石处理降幅为21.3％～46.6％。TCLP浸提得到的有效态Cd含量也不同程度降低，其中PAL-Ⅲ处理使有效态Cd降低至0.73mg/kg（P＜0.05）。

表9-2　原位钝化修复对土壤pH和土壤有效态Cd含量的影响

注：表内同一列中字母相同表示处理间无显著差异，字母不同表示有显著差异（P＜0.05）。

Tessier连续浸提法分析表明示范点水稻土中Cd主要以Ex-Cd、Ox-Cd和Res-Cd为主。其中，Ex-Cd超过70.0％，这部分极易被水稻吸收利用，与前文所述糙米Cd含量严重超标相对应。Ox-Cd接近10.0％，OM-Cd极低，约占2.0％。施用海泡石可显著降低Ex-Cd（P＜0.05），增加CB-Cd和Res-Cd，另外两种形态变化不明显。施用坡缕石时，Ex-Cd明显降低，CB-Cd增加。以上数据表明，两种黏土矿物的施加使得土壤中较为活泼的Ex-Cd向不活泼的CB-Cd和Res-Cd转化，从而减少作物对重金属的吸收。

糙米Cd含量与0.025mol/L HCl和1.0mol/L MgCl2浸提的Cd含量呈极显著相关（P＜0.01）。土壤pH与糙米Cd含量及土壤有效态Cd含量呈负相关，主要原因为高pH会促进土壤胶体和黏粒对重金属离子的吸附，有利于生成重金属的氢氧化物或碳酸盐沉淀，从而降低土壤重金属的生物有效性和可迁移性，抑制植物对重金属元素的吸收。海泡石和坡缕石对重金属的吸附机制主要表现在硅氧四面体的外缘存在大量的Si-OH，Si-OH可以与重金属离子形成稳定的内层络合化学吸附或者非稳定的外层络合物理吸附；海泡石表面存在大量－OH，－OH与溶液中的OH－共同作用，促使重金属离子发生表面沉淀生成CdCOH2。海泡石中的伴生CaCO3为碱性材料，可促使Cd2＋形成CdCO3沉淀。

糙米Cd含量与土壤中水解N含量呈负相关，与过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶及酸性磷酸酶活性呈负相关，表明海泡石和坡缕石钝化修复在降低糙米Cd含量的同时，对于水解N及酶活性具有增强或恢复作用。(www.xing528.com)

糙米中的Cd含量与土壤中Cd的有效态含量呈显著相关，如图9-3所示。5种浸提剂浸提土壤中重金属的能力依次顺序为0.1mol/L HCl＞0.025mol/L HCl＞1mol/L CH3COONH4＞0.01mol/L CaCl2。TCLP浸提液、0.01mol/L CaCl2溶液和0.025mol/L HCl溶液浸提得到的Cd有效态含量能够较好地拟合中莲优950和丰优9号两个品种糙米中Cd含量。根据表9-3所示相关系数，优先推荐采用0.025mol/L HCl浸提剂作为有效态测定的分析方法。

图9-3　糙米Cd含量与土壤浸提有效态Cd含量的关系

表9-3　稻谷产量、糙米Cd含量土壤pH和有效态之间的相关系数

注：n＝63，*表示在0.05水平（双侧）上显著相关，**表示在0.01水平（双侧）上极显著相关。

（3）钝化修复对土壤水解氮和有效磷的影响　施用海泡石和坡缕石后，土壤水解N与有效P的变化如图9-4所示。对照组土壤水解N含量为243mg/kg，施用坡缕石、海泡石后土壤水解N含量略微浮动，但与对照相比，差异无统计学意义（P＞0.05），说明施用海泡石和坡缕石对土壤中的水解N无明显影响。这主要归结于两种黏土矿物依靠孔隙结构对铵态N和硝态N等N素的物理化学吸附能力较弱。

通过分析土壤中有效P含量发现施用不同浓度的钝化材料后，土壤有效P的含量均不同程度地减少，其中以PAL-Ⅲ处理降低明显，其有效P减少78.8％。海泡石和坡缕石等黏土矿物可以吸附土壤溶液中的P素，主要通过化学机制吸附净化P素，其吸附的P素大多转化为Ca8-P、Ca10-P、Fe-P和Al-P等难溶的磷酸盐，从而会减少有效态P含量。土壤溶液中的N、P是植物的主要N源和P源，也是衡量土壤肥力的重要指标。钝化修复大田试验过程中向土壤添加的钝化剂，对土壤养分有何影响，目前鲜有报道。原位钝化修复应避免或尽量减少养分元素损失，同时避免产生农业面源污染，因此，钝化材料对土壤中N、P有效态含量的影响是评价该材料能否实际推广应用的重要因素之一。综合两种黏土矿物对土壤N、P及产量的影响可以发现，两种黏土矿物仍然可以被推荐为酸性Cd污染稻田的原位钝化修复材料。

图9-4　钝化修复对土壤水解N和有效P的影响

（4）原位钝化修复对土壤酶活性的影响　土壤酶活性可较灵敏地反映土壤中生化反应的方向和强度，由于土壤酶活性与土壤重金属污染程度具有一定相关性，且一般酶的活性可较稳定、敏感地反映重金属对土壤的污染程度，人们开始注重探讨用土壤酶活性作为判定土壤污染程度的生化指标。土壤酶在土壤形成过程中及土壤环境质量评价中均起着重要的作用，能维持土壤中C、N、P等元素的循环，能保持土壤中生物化学平衡，是土壤肥力的重要指标，同时还能表征土壤的污染状况等。施用海泡石和坡缕石作为钝化材料，对土壤中过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶及蔗糖酶活性的影响如图9-5所示。

图9-5　修复剂对土壤过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶及蔗糖酶的影响

对照组土壤过氧化氢酶活性最低，仅为1.78mL/（g·h）；施用海泡石和坡缕石，过氧化氢酶活性均有不同程度地增加，增加幅度较大的为PAL-Ⅰ和SEP-Ⅱ处理，分别为对照的1.34倍和1.38倍。过氧化氢酶是一种重要的氧化还原酶，在脱毒过程中发挥着重要的作用，并且与耗氧微生物的活性紧密相关，能够促进代谢中间产物过氧化氢的分解，缓解其毒害作用，其活性的高低在一定程度上反映了土壤生物化学过程氧化还原能力的大小，对过氧化氢的酶促分解有利于防止过氧化氢对生物体的毒害作用。

经不同浓度海泡石处理，土壤脲酶活性均有增加，3组浓度处理的脲酶活性分别为对照的1.74倍、1.40倍和1.25倍；随海泡石浓度的增加，酶活性增加的幅度逐渐降低，但无显著性差异。坡缕石处理组中，仅有PAL-Ⅲ的处理使脲酶活性增加，为0.190 mg/（g·d），是对照的1.72倍。脲酶是一种将酰胺态有机氮化物水解为植物可以直接利用的无机态氮化物的酶，其活性一定程度上反映土壤的供N水平与能力，与土壤中N循环体系密切联系。

经两种钝化材料处理后，土壤中酸性磷酸酶的活性得到恢复，其中以PAL的处理效果较为显著，且酶活性随修复剂浓度的增加而提高。两种修复剂对土壤酸性磷酸酶活性的提高分别为对照组的1.38～2.15倍及1.42～1.70倍。土壤磷酸酶是酸性土壤有机P矿化的重要动力，能够催化磷酸单酯水解及无机磷酸释放，是参与生物P代谢的重要酶类。

与对照组相比，经坡缕石、海泡石钝化修复后，土壤蔗糖酶均不同程度得到提高，且以PAL-Ⅱ和SEP-Ⅰ处理增加显著，其土壤蔗糖酶的含量分别为17.6 mg/（g·d）和15.8mg/（g·d），表明土壤蔗糖酶活性不同程度地得到恢复。土壤蔗糖酶的强弱反映了土壤的熟化程度和肥力水平，是评价土壤肥力的重要指标，直接关系到作物的生长。

土壤酶的主要成分是蛋白质，当土壤遭受重金属污染后，重金属可占据土壤酶的活性中心或与酶分子的巯基、胺基、羧基结合，破坏酶活性基团的空间结构，使酶本身失去催化能力，并抑制酶的合成从而影响土壤酶活性；或者通过影响土壤微生物的生长繁殖，减少微生物体内酶的合成及分泌，间接影响土壤酶活性。施加钝化修复材料后，酶活性被不同程度地提高，表明土壤中部分酶代谢反应得到恢复。

（5）结论　第一，坡缕石和海泡石可以使稻田土壤pH不同程度提高，明显降低南方酸性Cd污染稻田土壤中有效态Cd含量，显著降低糙米中Cd含量。第二，采用坡缕石和海泡石等原位钝化修复对土壤中水解N的影响无统计学差异，有效P含量呈不同程度地降低，建议在实际应用中复配磷肥使用。第三，坡缕石和海泡石钝化修复后，土壤过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性有不同程度地提高，表明土壤中部分酶代谢反应得到恢复。