浙西南镉高背景值耕地的水稻安全利用技术研究_陈振华.pdf

浙西南镉高背景值耕地的水稻安全利用技术研究陈振华1，2，朱阳春3*（1.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300；2.景宁县农业农村局，浙江 景宁 323500；3.丽水学院 生态学院，浙江 丽水 323000）摘要：我国土壤镉（Cd）污染区与水稻种植区在空间分布上基本吻合，水稻属于易积累 Cd 的作物之一。浙江省西南部分区域，由于母质原因，出现地质性重金属高背景值现象。本研究开展了中轻度Cd 污染耕地安全利用的核心技术田间试验，包括低积累水稻品种筛选、钝化修复材料筛选、农艺调控措施三项技术。结果表明：采用水稻甬优 1 540+石灰 100 kg/亩+全生育期淹水+有机肥 1 150 kg/亩的安全利用集成技术模式能最大限度地降低水稻籽粒中的 Cd 含量，可以作为该区域镉高背景值耕地的水稻安全利用技术集成模式并推广应用。关键词：耕地；水稻；镉污染；安全利用doi：10.3969/j.issn.2095-3801.2023.02.011中图分类号：X53文献标志码：A文章编号：2095-3801（2023）02-0071-06A Study on Safe Utilization Technology of Rice Polluted by HeavyMetal CadmiumCHENZhenhua1,2,ZHUYangchun3*（1.School ofEnvironment and Resources,ZhejiangAgriculture&Forest University,Hangzhou,311300,Zhejiang;2.JingningCountyBureau ofAgriculture and Rural Areas,Jingning323500,Zhejiang;3.School ofEcology,Lishui University,Lishui 323000,Zhejiang）Abstract：The spatial distribution of cadmium(Cd)contaminated areas in soil is consistent with that of ricegrowing areas,and rice is one of the crops that are easy to accumulate Cd in China.In addition,soil Cdbioavailability is higher in low pH areas(southern China),and Cd content in rice is higher,which serious-ly restricts crop and product safety and endangers human health.In the mountainous areas of southwestZhejiang province,due to the influence of the high background value of geological heavy metals,the con-tent of heavy metals,especially Cd,is relatively high in the paddy soil.In order to find suitable technolo-gies for safe utilization of rice in cultivated land contaminated by Cd,this paper studied three technologies收稿日期：2022-03-20；修回日期：2022-06-11作者简介：陈振华，男，浙江丽水人。*通信作者：朱阳春，女，浙江衢州人，助理研究员。丽 水 学 院 学 报JOURNAL OF LISHUI UNIVERSITY第 45 卷第 2 期Vol.45No.22023 年 3 月Mar.2023自然状态下，土壤中镉（Cd）的含量在 0.11.0mg/kg，然而，采矿、冶炼等工业的迅猛发展，污水灌溉，及农药、化肥的不合理施用，导致农田土壤 Cd的污染日益严峻1-3。农田土壤 Cd 污染导致作物可食部 Cd 超量累积。人体内的 Cd 90%来源于日常饮食，长期食用 Cd 超标的食品会导致人体 Cd 累积并产生人体健康风险4。与其他微量元素相比，土壤中 Cd 的移动性较强，因此 Cd 更易被作物根系吸收，进而转移到作物的可食部位，通过食物链进入人体5-10。土壤 Cd对动植物的毒性效应取决于其生物有效性，Cd 的生物有效性不仅与土壤 Cd 总量、土壤 pH 值有关，其赋存形态更是影响植物对 Cd 的吸收。进入到土壤中的 Cd，经过溶解-沉淀、氧化-还原、吸附-解吸、络合-离解等一系列物理化学反应，形成不同活性、各种形态的 Cd，而不同形态的 Cd 可发生转化。如淹水还原条件下，土壤中部分有效 Cd 与硫化物反应形成 CdS 沉淀，降低了有效态 Cd 浓度，增大残渣态 Cd 浓度。因此，通过物理、化学和生物等方法可调控农田土壤中 Cd 的形态转化，降低 Cd 的生物有效性，减少作物对 Cd 吸收，实现农田 Cd 污染的安全利用。浙江省西南部山区存在龙泉景宁庆元泰顺环带状 Cd 异常群，面积大约 400 km2，整体上属于清洁区土壤环境背景上，多处出现轻微污染区11。因此，有必要在该区域开展可推广可应用的镉污染耕地水稻安全利用技术集成模式研究。1材料与方法1.1试验区选择研究区域位于浙江省丽水市景宁畲族自治县某村，东经 119 14 119 58，北纬 27 39 28 11。土壤种类有红壤、黄壤、潮土、水稻土 4 类土，以水稻种植为主。本次开展安全利用技术研究和应用的试验区块总面积 90.3 亩，土壤 Cd 含量为 0.82mg/kg，远高于景宁县耕地土壤 Cd 限定值 0.19 mg/kg12、高于浙江省土壤 Cd 背景值 0.17 mg/kg13、高于耕地土壤风险筛选 Cd 限定值 0.3mg/kg14，且试验区水稻籽粒 Cd 平均值 0.261mg/kg，最高值 0.358 mg/kg，超过国家食品安全限量值 0.2mg/kg。1.2Cd 低积累水稻品种筛选本实验供试水稻品种：中浙优 1 号、中浙优 8号、华浙优 1 号、甬优 1540、甬优 4901、秀优4913、甬优 15、甬优 17、中浙优 10 号、甬优 5550，共 10 个品种。采用常规施肥（基肥 50 kg/亩复合肥+10 kg/亩 KCl，分蘖肥 15 kg/亩尿素，穗肥10 kg/亩尿素）。每个品种 3 个重复。地块面积1.96 亩，小区面积 16 m2。1.3Cd 钝化剂种类筛选本实验 Cd 钝化剂种类筛选供试水稻品种为中浙优 1 号。采用常规施肥（基肥 50 kg/亩复合肥+10 kg/亩 KCl，分蘖肥 15 kg/亩尿素，穗肥 10 kg/亩尿素）。钝化剂种类为石灰、膨润土和生物炭，用量分为低、中、高 3 种用量，分别为：石灰的施加量50、75 和 100 kg/亩；膨润土 100、200 和 300 kg/亩；生物炭 800、1 000 和 1 200 kg/亩，每个小区撒施钝化修复材料后人工耘田混合均匀。每个处理 3 次重复，设空白对照，按随机区组排列，小区面积 16 m2。1.4农艺措施对 Cd 修复效果研究本研究采用水肥同时管理的农艺措施，对 Cdfor safe utilization of cultivated land contaminated by Cd,including low accumulation variety selection,pas-sivation modification and screening,and agronomic control measures.The results showed that the Cd con-tent in rice grains could be reduced to the maximum by using Yongyou 1540 variety+lime 100 kg/mu+flooding during the whole growth period+organic fertilizer 1 150 kg/mu.Key words：cultivated land;rice;cadmium pollution;safe utilization丽 水 学 院 学 报2023 年72修复效果研究选用的水稻品种为中浙优 8 号。肥料品种：有机肥、钙镁磷肥，钙镁磷肥按 25 kg/亩，商品有机肥作为基肥按 1 150 kg/亩施用量。水分管理措施：常规水分管理；全生育期淹水：即在水稻生长期间，保持土面上有 23 cm 水层的淹水状态；分蘖-抽穗两次晒田：即分蘖和抽穗期间两次晒田，其他时间淹水处理。根据水肥管理的不同本实验共设置 7 个处理，分别为钙镁磷肥+常规水分管理（T1）、钙镁磷肥+全生育期淹水（T2）、钙镁磷肥+分蘖-抽穗晒田（T3）、有机肥+常规水分管理（T4）、有机肥+全生育期淹水（T5）、有机肥+分蘖-抽穗晒田（T6）、常规施肥+常规水分管理（CK）。每个处理 3 次重复，随机区组排列，小区面积 16 m2。1.5样品采集与分析分别于水稻分蘖期、抽穗扬花期和完熟期采集水稻根部土壤，风干后磨细分别过 10 目和 100目尼龙筛，用于土壤基本理化性质及重金属分析。水稻完熟期收获并采集植株样品用去离子水洗净，后放入烘箱于 105杀青 30 min，再 60烘干至恒质量，密封保存于干燥器中用于化学分析。水稻籽粒中的 Cd 含量采用干灰化法消解后用 1%HNO3定容、过滤，待测土壤 Cd 总量采用四酸消解，有效态 Cd 含量采用 DTPA（二乙基三胺五乙酸）提取剂浸提，土壤和植物 Cd 均采用火焰原子吸收分光光度法测定。1.6数据处理与分析使用 Microsoft Excel 2010、SPSS 22.0 对数据进行处理分析。2结果与讨论2.1Cd 低积累水稻品种筛选相同作物不同品种以及不同作物间，在重金属积累和转移上差异显著，筛选和培育重金属低积累作物品种是兼具经济效益与生态健康的降低粮食重金属污染的方式之一15。本研究采用的 10 个水稻品种，其籽粒 Cd 含量如图 1 所示。由图 1 可知，仅有甬优 15 籽粒中 Cd 含量（平均值为 0.26 mg/kg）超过国家食品安全标准限量值（0.2 mg/kg）；甬优5550 籽粒 Cd 含量平均值为 0.191mg/kg，较接近国家食品安全标准限量值；其余品种水稻籽粒中 Cd 含量均低于 0.2mg/kg，变化幅度为 0.0740.191mg/kg，品种之间籽粒 Cd 含量差异最大为 2.58 倍。籽粒Cd 含量由高到低排列依次为甬优 15 甬优5550 甬优 17 秀优 4913 中浙优 10 号 华浙优 1 号 中浙优 8 号 甬优 4901 甬优 1540 中浙优 1 号，水稻籽粒中 Cd 含量较低的为甬优4901、甬优 1540 与中浙优 1 号，籽粒 Cd 含量显著低于其他品种（P0.05），表明这 3 个水稻品种具有低 Cd 积累特性。注：图中不同字母表示在 95%的置信区间下籽粒 Cd 含量差异显著。图 1不同品种水稻籽粒富集镉含量2.2Cd 钝化修复材料的筛选向土壤中施入钝化剂可改变 Cd 在土壤中的形态，进而降低作物对 Cd 的吸收，实现 Cd 污染农田土壤粮食的安全生产16。常用的 Cd 钝化材料可分为有机和无机两类，有机类包含腐殖质、植物秸秆和生物炭等，无机类则包含黏土矿物、含磷物质和碱性物质等。有机钝化剂表面含有大量的含氧水稻品种水稻籽粒镉含量/（mg/kg）0.300.250.200.150.100.050.00中浙优1号中浙优8号华