劉香香 王 琳 江 棋 鄧騰灝博 文 典 杜瑞英

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640； 2.河南華測(cè)檢測(cè)技術(shù)有限公司，鄭州450000）

2014年我國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)指出，現(xiàn)階段我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量狀況不容樂觀，總超標(biāo)率達(dá)16.1%，其中鎘（Cd）等重金屬污染問題相對(duì)嚴(yán)重[1～2]。研究表明，土壤中的重金屬可以通過農(nóng)產(chǎn)品的富集而進(jìn)入食物鏈，長期攝入重金屬將會(huì)對(duì)人體的皮膚、骨骼、神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)臟器官等造成不同程度的危害[3～4]。目前，我國土壤重金屬鎘污染修復(fù)技術(shù)已趨于成熟并開始大面積推廣應(yīng)用[5]，但對(duì)各類重金屬污染修復(fù)調(diào)理劑效果的關(guān)注和評(píng)價(jià)還主要集中在對(duì)農(nóng)作物可食部位重金屬含量降低的能力，關(guān)于調(diào)理劑對(duì)土壤質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響方面的研究相對(duì)較少[6]。土壤質(zhì)量是一種指示土壤條件動(dòng)態(tài)變化的最敏感的表示方法，它既能反映土壤管理的變化，也能反映土壤恢復(fù)退化的能力。通過土壤物理、化學(xué)、生物指標(biāo)能有效地評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量狀況[7]。本研究通過對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤微生物活性等指標(biāo)變化來評(píng)價(jià)施用土壤調(diào)理劑對(duì)土壤質(zhì)量的影響，并結(jié)合水稻相關(guān)參數(shù)對(duì)調(diào)理劑修復(fù)Cd 污染土壤的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為探討調(diào)理劑在重金屬污染土壤修復(fù)過程中對(duì)土壤質(zhì)量影響的規(guī)律以及農(nóng)田土壤的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

一、材料與方法

（一）試驗(yàn)方法試驗(yàn)地點(diǎn)位于粵北地區(qū)，土壤類型為紅壤，農(nóng)田土壤的基本理化性質(zhì)： pH 值為5.65，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、Cd 含量 分 別 為25.47 g/kg、1.30 g/kg、14.98 mg/kg、92.86 mg/kg、0.80 mg/kg，土壤中的Cd 含量超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值 （參照GB 15618－2018 《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》）[8]，為該區(qū)域的主要污染物。

本試驗(yàn)采用的調(diào)理劑為石灰 （SH）、石灰石（SHS）和國內(nèi)從事土壤重金屬污染修復(fù)的企業(yè)的4種產(chǎn)品（分別用字母A、B、C、D 代替），在供試地點(diǎn)鎘污染農(nóng)田開展小區(qū)試驗(yàn)，設(shè)對(duì)照、SH、SHS 和A、B、C、D 4 種土壤調(diào)理劑共7 個(gè)處理，各種調(diào)理劑的使用量均為3000 kg/hm2，每個(gè)處理小區(qū)面積為20 m2（2.5 m×8 m），每個(gè)處理進(jìn)行3次重復(fù)。試驗(yàn)用水稻品種為粵農(nóng)絲苗。插秧1 周前，將調(diào)理劑結(jié)合翻耕一次性基施、耙勻，使其與土壤充分混合，同時(shí)防止各處理間互相影響，對(duì)每個(gè)小區(qū)的田埂進(jìn)行填高加固，同時(shí)用塑料薄膜將每個(gè)小區(qū)隔開。為保證不同處理的可比性，整個(gè)水稻生長期采用相同的管理模式。于2019年7月10 日采集水稻及土壤。土樣分別在不同處理小區(qū)按照5點(diǎn)取樣法采集，每個(gè)采樣點(diǎn)采集表層0～20 cm 深的土壤制成混合樣品，風(fēng)干后分別過10 目和100目篩待測(cè)。土壤鮮樣放入4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物活性測(cè)定。對(duì)應(yīng)每塊小區(qū)的采土點(diǎn)附近采集大約1 kg 水稻穗，自然風(fēng)干后制成精米，磨細(xì)后過100 目尼龍篩，用塑料封口袋保存待測(cè)。

（二）樣品處理與分析土壤pH 值用1∶2.5的土液比溶液測(cè)定，土壤可提取態(tài)Cd 用0.01 mol/L 的CaCl2溶液浸提，有機(jī)質(zhì)用硫酸－重鉻酸鉀法測(cè)定，土壤有效磷用氟化銨－鹽酸浸提法，土壤速效鉀、土壤交換性鈣、鎂用乙酸銨浸提，各浸提液分別用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 （ICP－MS）或電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP－OES）測(cè)定[9]。數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 20.0 軟件進(jìn)行分析。

二、結(jié)果與分析

（一）土壤調(diào)理劑對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的影響

1.對(duì)土壤pH 值的影響。土壤pH 值是評(píng)價(jià)土壤狀況的重要指標(biāo)之一，它直接影響著土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、重金屬的活性以及土壤中各種微生物活性等。本研究中施用土壤調(diào)理劑后土壤pH 值的變化如圖1 所示，可以看出，與對(duì)照相比，各處理均顯著提高早稻土壤pH 值 （p＜0.05），提高幅度為0.32～1.20。這主要是6 種調(diào)理劑本身堿性較強(qiáng)，施加到土壤后能使土壤pH 值升高，且含有Ca2+、Mg2+等陽離子，能與土壤溶液中的H+和Al3+發(fā)生交換反應(yīng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)土壤pH 值、改良土壤酸性的效果，這與周利軍等[10]研究結(jié)果相似。不同調(diào)理劑之間差異顯著，SH 和SHS 處理對(duì)土壤pH 值提高的能力顯著高于其他4 種調(diào)理劑（p＜0.05）。

圖1 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤pH 的影響

2.對(duì)土壤可提取態(tài)Cd 的影響。施用土壤調(diào)理劑是降低土壤重金屬有效性與作物吸收積累的有效措施之一[11]。土壤調(diào)理劑對(duì)土壤可提取態(tài)Cd 含量的影響結(jié)果如圖2 所示，可以看出，與對(duì)照相比，施用土壤調(diào)理劑均顯著降低土壤可提取態(tài)Cd 含量，降幅為42.2%～84.5%。各處理間土壤可提取態(tài)Cd 含量差異也較大 （p＜0.05），各調(diào)理劑效果依次為SH＞SHS＞調(diào)理劑D＞調(diào)理劑B＞調(diào)理劑A＞調(diào)理劑C。

圖2 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤可提取態(tài)Cd 含量的影響 （p＜0.05）

3.土壤調(diào)理劑對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響。土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)也是影響作物吸收土壤重金屬的因素之一。有機(jī)質(zhì)通過與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用等參與土壤中重金屬的穩(wěn)定化過程。施用土壤調(diào)理劑后土壤主要營養(yǎng)成分指標(biāo)的變化如表1 所示。由表1 可見，與對(duì)照相比，各調(diào)理劑處理下早稻土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量無明顯變化。幾種調(diào)理劑均一定程度上降低了土壤有效磷的含量，其中SH 處理下有效磷含量降幅較為明顯。有研究表明，在酸性土壤施用石灰使土壤pH值升高，會(huì)引起交換性鋁水解產(chǎn)生Al（OH）n聚合物，從而增強(qiáng)土壤對(duì)有效磷的吸附，進(jìn)而降低土壤有效磷含量[12]。施用SH、SHS 對(duì)土壤速效鉀具有較大的負(fù)作用，主要是其施用后引起土壤交換性鈣含量顯著增加，造成土壤速效鉀固定增加[13～14]。因此，在用石灰治理酸性土壤時(shí)，要注意石灰的用量，及時(shí)給土壤補(bǔ)充一定的鉀元素。施用6 種調(diào)理劑均提高了土壤交換性鈣的含量，原因可能是它們自身含有較高的鈣，施用后能有效增加土壤交換性鈣含量。施用B、C、D 土壤調(diào)理劑均不同程度提高了交換性鎂的含量，其中C 調(diào)理劑能顯著提高其含量，主要與自身含有較高的MgO 有關(guān)。

表1 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

（二）土壤調(diào)理劑對(duì)土壤中微生物活性的影響B(tài)IOLOG ECO 板被廣泛運(yùn)用于土壤環(huán)境微生物代謝功能多樣性的研究，用于評(píng)估植物對(duì)重金屬污染土壤、養(yǎng)殖場土壤、曝氣廢水處理反應(yīng)器的修復(fù)效果[15～16]、長期施肥等農(nóng)田管理措施對(duì)土壤的影響等[17～19]。BIOLOG ECO 板 中 用AWCD（Average well color development）值來表示土壤微生物的活性。調(diào)理劑對(duì)土壤微生物活性的影響效果如圖3 所示，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延續(xù)，AWCD 值均呈現(xiàn)出S 曲線變化。土壤的AWCD 值在168 h 開始趨于平緩，整體來看，C 調(diào)理劑處理的土壤AWCD 值顯著高于其他處理 （包括對(duì)照），SHS、D、A 3 種調(diào)理劑處理的AWCD 值明顯低于對(duì)照處理，表明這幾種調(diào)理劑會(huì)抑制土壤微生物活性。

圖3 調(diào)理劑對(duì)土壤微生物活性的影響

（三）影響稻米Cd 含量的主要因素分析

1.稻米中Cd 含量與土壤參數(shù)相關(guān)性分析。對(duì)土壤理化性質(zhì)與水稻中Cd 含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2 所示，土壤可提取態(tài)Cd 含量與土壤pH 值、土壤交換性鈣含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系 （p＜0.01，p＜0.05），與稻米中Cd 含量呈顯著正相關(guān)（p＜0.01）； 說明通過提高土壤pH 值和土壤交換性鈣含量可以顯著降低土壤可提取態(tài)Cd 含量，進(jìn)而降低稻米中Cd 的含量。

表2 稻米中Cd 含量與土壤參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

2.稻米中Cd 含量與稻米中礦物質(zhì)元素相關(guān)分析。為進(jìn)一步探討稻米中礦物質(zhì)元素對(duì)稻米中Cd的影響，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3 所示，稻米中6 種礦物質(zhì)元素Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn 均與稻米中Cd 含量呈極顯著負(fù)相關(guān) （p＜0.01），說明提高稻米中礦物質(zhì)元素含量能有效抑制Cd 含量向稻米中積累。

表3 稻米中Cd 含量與稻米中礦物質(zhì)元素的相關(guān)系數(shù)

（四）土壤調(diào)理劑修復(fù)效果評(píng)價(jià)土壤調(diào)理劑因成本低、見效快等特點(diǎn)而廣受環(huán)境科研人員青睞。然而，目前的研究基本上以作物可食用部位中重金屬的降低率來評(píng)價(jià)調(diào)理劑的應(yīng)用效果，而忽略了將土壤質(zhì)量指標(biāo)及農(nóng)作物品質(zhì)等指標(biāo)結(jié)合起來綜合評(píng)價(jià)調(diào)理劑的應(yīng)用效果。為了更好地評(píng)價(jià)各調(diào)理劑的作用效果，選取所有的土壤測(cè)定指標(biāo)、稻米品質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算各調(diào)理劑處理下早、晚季每個(gè)指標(biāo)的平均值，再按照各處理間的每個(gè)指標(biāo)值的差異性對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行合理的賦值[20]。調(diào)理劑綜合效果評(píng)價(jià)結(jié)果如表4 所示，其中調(diào)理劑C 的綜合得分最高，綜合效果相對(duì)最好，其次是調(diào)理劑B 與D，SH、SHS、調(diào)理劑A 的綜合效果差不多，但整體均好于對(duì)照。

表4 調(diào)理劑綜合效果評(píng)價(jià)

三、結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在粵北Cd 污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)施用調(diào)理劑均能顯著提高土壤pH 值，改善土壤酸化。土壤中的可提取態(tài)Cd 能很好地反映土壤中Cd 的生物有效性，土壤中Cd 的有效性隨土壤pH值的提高而明顯降低，土壤中的交換性鈣可能與Cd 存在競爭作用，土壤中交換性鈣含量的增加能降低土壤中Cd 的有效性，進(jìn)而降低試驗(yàn)稻米中Cd 含量。調(diào)理劑B、C、D 有利于提高土壤交換性Ca、Mg 含量。土壤調(diào)理劑C 可以顯著提高晚稻土壤微生物的活性，但SHS、調(diào)理劑D、調(diào)理劑A則會(huì)抑制土壤微生物活性。綜合各調(diào)理劑對(duì)稻米鎘含量、土壤質(zhì)量、稻米品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)調(diào)理劑C相對(duì)其他幾種調(diào)理劑在粵北Cd 污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的綜合效果最好。

土壤可提取態(tài)Cd 含量與土壤pH 值、土壤交換性Ca 含量均呈顯著負(fù)相關(guān)，且與稻米Cd 含量呈顯著正相關(guān)，說明施用調(diào)理劑可通過提高土壤pH 和交換性鈣含量有效降低Cd 的生物有效性；稻米中礦物質(zhì)元素Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn 含量均與稻米Cd 呈顯著負(fù)相關(guān)，說明施用調(diào)理劑提高稻米中礦物質(zhì)元素有利于抑制Cd 向稻米中轉(zhuǎn)移。