复合改良剂对稻田Cd、As活性与累积的协同调控

为同时降低水稻糙米中Cd、As含量,以达到国家标准食品污染物限量标准,选取湘南某矿区Cd-As复合污染稻田土壤,以盆栽实验研究复合改良剂QFJ(羟基磷灰石+沸石+酸改性炭化秸秆)对土壤中Cd、As生物有效性及对水稻各部位累积Cd、As的影响,探讨QFJ对土壤Cd、As生物活性与稻米Cd、As累积的协同调控.结果表明:施用QFJ降低了水稻糙米中的Cd、As含量,施加量2g/kg时,糙米中Cd、As含量分别为0.19mg/kg和0.14mg/kg,均低于对照组的0.49mg/kg和0.27mg/kg,且同时低于0.2mg/kg,达到了国家标准食品污染物限量标准.施用QFJ提高了土壤pH值0.02~0.68单位,增加了土壤CEC、OM含量,同时土壤中Cd 的酸可提取态、交换态及TCLP提取态含量分别降低了7.3%~32.5%、12.6%~39.8%和40.7%~60.1%,对As的交换态和TCLP提取态含量的影响趋势是先降低后增大.糙米中Cd含量与土壤中Cd的3种提取态含量存在极显著正相关关系,As含量与其土壤中TCLP提取态含量存在极显著正相关关系.当QFJ施加量在2g/kg水平时,土壤中Cd、As的生物活性可协同控制在较低水平,从而同时降低了糙米中Cd、As含量.施用QFJ使得Cd在水稻根表铁膜中的含量呈增大趋势,在水稻其他部位含量呈减小趋势;As在谷壳中含量呈减少趋势,在其他各部位呈先减小后增大的趋势.水稻吸收的Cd和As大部分累积在根部和茎叶部,各部位Cd累积率大小是白根 > 茎叶 > 糙米 > 谷壳,As是茎叶 > 白根 > 糙米 > 谷壳.根据Cd-As污染程度不同,可考虑施用2~4g/kg QFJ以达到水稻的安全生产.     

组配改良剂对污染稻田中铅、镉和砷生物有效性的影响

选取湖南某矿区重金属和砷复合污染稻田土,以盆栽实验研究了施用组配改良剂LMF(碳酸钙+偏高岭土+钙镁磷肥)对土壤中Pb、Cd和As的生物有效性和水稻糙米中Pb、Cd和As累积效应的影响.结果表明:施用LMF能显著增加供试土壤pH值、交换性盐基总量(TEB)和阳离子交换量(CEC),对盐基饱和度(BS)和有机质(OM)含量无显著影响.施用LMF能显著降低土壤中Pb、Cd的交换态和酸可提取态含量,以及降低Pb的TCLP提取态含量,对Cd的TCLP提取态含量无明显效果.LMF施用使土壤中As的交换态和TCLP提取态含量呈现先下降后上升的趋势,且均在施用量为2 g·kg-1时含量最低.随着LMF施用量的增加,水稻糙米中Pb、Cd的含量分别降低了8.44%~99.6%、27.5%~74.1%,而水稻糙米中As含量呈现出先下降后上升的趋势.除Cd的TCLP提取态和酸可提取态外,Pb、Cd和As的其它提取态含量与其在水稻糙米中的含量均呈现出显著正相关关系(p0.05或p0.01).     

不同pH值灌溉水对土壤Cd生物有效性及稻米Cd含量的影响

通过盆栽种植实验研究了pH值为3.5~6.5的灌溉水对稻田土壤pH值、土壤Cd生物有效性以及2种水稻品种各部位Cd含量的影响.结果表明:1不同pH值灌溉水对土壤pH值影响显著.灌溉水pH为3.5~6.5的处理下,湘晚籼土壤pH值下降了0.6~0.3个单位,威优46号土壤pH值下降了0.7~0.4个单位.2随着灌溉水pH值的升高,土壤交换态和TCLP提取态Cd含量(生物有效性)均有降低的趋势,但TCLP提取态Cd含量不显著.3随着灌溉水pH值从3.5上升到6.5,湘晚籼12号水稻植株各部位Cd含量均逐渐下降,而威优46号水稻植株各部位的Cd含量逐渐上升.与pH=3.5处理相比,浇灌pH值为4.5~6.5的灌溉水,湘晚籼12号根系、茎叶、谷壳和糙米中Cd含量分别下降32.3%~48.0%、16.5%~48.0%、40.0%~56.2%和45.6%~73.9%;相反,威优46号根系、茎叶、谷壳和糙米中Cd含量分别上升30.5%~446.3%、5.3%~201.1%、70.3%~316.7%和71.0%~177.2%.显然,升高灌溉水的pH值有利于降低湘晚籼12号(常规稻)糙米中的Cd含量,但不利于降低威优46号(杂交稻)糙米中的Cd含量.     

钙镁磷肥对土壤Cd生物有效性和糙米Cd含量的影响

通过水稻盆栽试验,研究了施用钙镁磷肥对Cd污染稻田中Ca、Mg、Cd生物有效性的影响和种植水稻(湘晚籼12号、威优46号)后水稻各部位Ca、Mg、Cd含量的差异.结果表明,施用钙镁磷肥能显著提升土壤pH值,降低土壤TCLP提取态Cd含量,且降低效果随着水稻生育期的延长逐渐增强.与对照相比,施用0.8 g·kg-1的钙镁磷肥,使湘晚籼12号种植土壤和威优46号种植土壤TCLP提取态Cd含量在熟化期、灌浆期、分蘖期、成熟期分别下降了12.7%、15.6%、21.5%、61.9%和12.7%、72.6%、42.1%、59.7%.施用钙镁磷肥能显著增加水稻种植土壤中TCLP提取态Ca、Mg含量,降低TCLP提取态Cd含量,同时显著增加水稻各生育期各部位Ca、Mg含量并降低其Cd含量,水稻各部位中Ca、Mg含量与Cd含量均呈现负相关关系,表明外源Ca和Mg的加入对水稻累积Cd产生了拮抗作用.施用钙镁磷肥能显著降低水稻糙米中Cd含量并提高水稻产量.与对照相比,施用0.2~0.8 g·kg-1的钙镁磷肥,水稻湘晚籼12号和威优46号糙米中Cd含量分别下降了36.8%~52.6%和53.3%~75.6%.威优46号比湘晚籼12号更易将土壤Cd向水稻籽粒中转运.     

2种组配改良剂对稻田土壤重金属有效性的效果

为研究2种组配改良剂LS(碳酸钙+海泡石)和HZ(羟基磷灰石+沸石)对土壤重金属的生物有效性以及水稻吸收累积重金属的影响,在湘南某矿区附近污染稻田中施用了不同添加量(0,2,4,8g/kg)的两种组配改良剂,并进行了水稻种植的田间试验.结果表明,施用2~8g/kg组配改良剂LS和HZ均能使土壤pH值和CEC含量显著增加,有机质含量变化不明显,LS比HZ更能提高土壤pH值和CEC含量.施用2~8g/kg组配改良剂LS能使土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的TCLP提取态含量分别降低25.7%~52.2%、12.7%~25.7%、6.4%~17.2%和8.6%~23.4%,施用2~8g/kg HZ使土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的TCLP提取态含量分别降低57.6%~80.1%、7.0%~40.9%、2.3%~22.7%和4.5%~33.2%.两种组配改良剂能显著降低土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的生物有效性,抑制水稻植株对Pb和Cd的吸收,土壤Pb、Cd和Cu的TCLP提取态含量与水稻根系和糙米中Pb、Cd和Cu的含量之间存在显著或极显著的正相关关系,TCLP提取态含量能较好的表示重金属在土壤中的生物有效性.     

2种组配改良剂对稻田土壤重金属有效性的效果

为研究2种组配改良剂LS(碳酸钙+海泡石)和HZ(羟基磷灰石+沸石)对土壤重金属的生物有效性以及水稻吸收累积重金属的影响,在湘南某矿区附近污染稻田中施用了不同添加量(0,2,4,8g/kg)的两种组配改良剂,并进行了水稻种植的田间试验.结果表明,施用2~8g/kg组配改良剂LS和HZ均能使土壤pH值和CEC含量显著增加,有机质含量变化不明显,LS比HZ更能提高土壤pH值和CEC含量.施用2~8g/kg组配改良剂LS能使土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的TCLP提取态含量分别降低25.7%~52.2%、12.7%~25.7%、6.4%~17.2%和8.6%~23.4%,施用2~8g/kg HZ使土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的TCLP提取态含量分别降低57.6%~80.1%、7.0%~40.9%、2.3%~22.7%和4.5%~33.2%.两种组配改良剂能显著降低土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的生物有效性,抑制水稻植株对Pb和Cd的吸收,土壤Pb、Cd和Cu的TCLP提取态含量与水稻根系和糙米中Pb、Cd和Cu的含量之间存在显著或极显著的正相关关系,TCLP提取态含量能较好的表示重金属在土壤中的生物有效性.     

组配改良剂联合硅肥对Cd污染稻田的修复效果

选取湖南省浏阳市某Cd污染稻田进行田间试验,研究组配改良剂石灰石+海泡石（LS）、基施硅肥及叶面喷施硅肥对Cd污染稻田修复效果,结果表明：（1）基施硅肥90kg/hm²和叶面喷施硅肥（0.2,0.4g/L）对土壤pH值无明显影响,添加LS（2250,4500kg/hm²）的各处理均显著提高土壤pH值（P < 0.05）.（2）基施硅肥90kg/hm²分别降低土壤交换态、毒性特征浸出（TCLP）提取态Cd含量20.0%和18.5%,叶面喷施硅肥对土壤Cd两种提取态含量无明显影响,添加LS的各处理（2250,4500kg/hm²）分别使土壤交换态、TCLP提取态Cd含量降低25.8%~49.9%、26.4%~44.5%.（3）3种单一技术措施均能明显降低水稻各部位Cd含量,但降低糙米中Cd含量的效果低于3种技术措施的组合处理;“组配改良剂LS+基施硅肥+叶面喷施硅肥”各处理（JL1F1、JL1F2、JL2F1、JL2F2）使水稻糙米中Cd含量降低25.6%~70.5%.（4）“组配改良剂LS+基施硅肥+叶面喷施硅肥”的组合技术处理能显著降低土壤中Cd的有效性,显著降低水稻各部位中Cd含量,其中JL2F2处理效果最佳,能使对照糙米Cd含量从0.66mg/kg降低到0.19mg/kg,实现中重度Cd污染稻田的水稻安全生产.     

组配改良剂对稻田系统Pb、Cd和As生物有效性的协同调控

通过水稻盆栽种植试验,研究了两种组配改良剂LST(石灰石+海泡石+二氧化钛)和LSF(石灰石+海泡石+硫酸铁)在不同添加量(0、1、2、4、8、16 g·kg-1)下对水稻土壤Pb、Cd和As的生物有效性以及水稻吸收累积Pb、Cd和As的影响.结果表明:1与对照相比,组配改良剂LST和LSF均使土壤p H值上升,且与对照之间均存在显著差异(P0.05);两种组配改良剂相比,LST比LSF使土壤p H值上升得更多.2施用1~16 g·kg-1的LST和LSF使土壤中Pb、Cd和As的交换态含量分别降低16.8%~88.3%、22.4%~73.7%、2.25%~43.8%和20.2%~86.9%、20.7%~51.2%、18.0%~55.1%,均与对照之间存在显著差异.LST和LSF均能显著降低水稻植株对Pb、Cd和As的吸收.当LST和LSF施加量为16 g·kg-1时,糙米中Pb、Cd和As的含量最高分别降低了50.7%、64.7%、34.1%和40.7%、40.7%、36.2%.3水稻各部位对Pb和As的转运能力为谷壳茎叶根系,对Cd的转运能力为谷壳根系茎叶,水稻中谷壳向糙米转运Pb、Cd和As的能力为CdAsPb.4施加LST和LSF后,水稻糙米中Pb、Cd和As含量与土壤Pb、Cd和As交换态含量之间存在极显著的正相关关系,与土壤p H值之间存在显著的负相关关系.     

组配改良剂联合锌肥对土壤-水稻系统镉迁移转运的影响

选取湖南省长沙市北山镇某中重度Cd污染稻田进行田间试验,通过连续种植早晚两季水稻,研究了组配改良剂LS （石灰石+海泡石）,同时结合土施Zn肥和叶面喷施Zn肥对水稻Cd吸收的影响.结果表明：①施用LS （2250 kg·hm^-2和4500 kg·hm^-2）的各处理均能使早、晚稻土壤pH值增加0.28~1.26个单位,土壤CEC增加7.7%~33.4%,而土施Zn肥（90 kg·hm^-2）和叶面喷施Zn肥（0.2 g·L^-1和0.4 g·L^-1）对土壤pH值无明显影响.②基施LS的各处理能使早、晚稻土壤中TCLP和CaCl₂提取态Cd含量分别降低11.5%~38.8%和24.0%~81.0%,土施Zn肥和叶面喷施Zn肥对土壤Cd两种提取态含量无明显影响.③单一处理均能显著降低糙米Cd含量,但降低效果均不如联合处理,组配改良剂LS联合Zn肥的处理（L1Z1F1、L1Z1F2、L2Z1F1和L2Z1F2）使早稻和晚稻糙米Cd含量分别降低64.9%~67.5%和56.1%~80.6%,其中L2Z1F1（4500 kg·hm^-2的LS+90 kg·hm^-2的Zn肥+叶面喷施0.2 g·L^-1的Zn肥）处理效果最佳.④各处理下水稻各部位Cd/Zn比显著降低,糙米中Cd/Zn比值与Cd含量呈极显著正线性相关,说明各部位中Zn含量的增加是稻米Cd含量显著降低的关键原因之一.组配改良剂联合Zn肥修复技术能有效阻隔水稻对Cd的吸收和转运,降低水稻糙米Cd含量,是一种能有效实现中重度Cd污染稻田安全利用的技术模式.     

土壤调理剂对土壤-水稻系统Cd、Zn迁移累积的影响及健康风险评价

选取湖南省长沙市北山镇某中重度Cd污染稻田,研究了土壤调理剂(石灰石+偏高岭土+钙镁磷肥)对稻田土壤重金属Cd、Zn的钝化效果,以及对水稻各部位累积Cd和Zn的影响,并进行了Cd的健康风险评价.结果表明,使用土壤调理剂提高了稻田土壤p H值.Cd的CaCl_2提取态含量降低了0.9%~24.1%,Zn的CaCl_2提取态含量降低了22.5%~69.6%.土壤调理剂显著降低了水稻糙米中Cd与Zn的含量,与对照相比分别降低了10.8%~47.3%、10.3%~17.5%;土壤调理剂对水稻糙米Cd的吸收和累积的影响要远大于Zn,水稻糙米中的Cd/Zn比随着土壤调理剂施用量的增加而显著降低.研究区大米重金属Cd目标危害系数THQ值大于1,说明当地人群通过食用大米途径摄入重金属Cd存在健康风险.土壤调理剂有效地抑制了水稻植株对土壤中Cd的吸收,并降低了Cd/Zn比,使糙米中的Cd含量显著降低,从而降低了当地人群通过食用大米途径摄入重金属Cd的健康风险.     

组配改良剂对稻田土壤中镉铅形态及糙米中镉铅累积的影响

通过田间实验,研究了镉(Cd)和铅(Pb)复合污染稻田土壤中施加组配改良剂(LS,石灰石+海泡石)对黄华占和丰优9号2种水稻种植土壤中p H、Cd和Pb形态转化以及水稻糙米中Cd和Pb累积量的影响.结果表明,施加LS,通过提高2种水稻土壤的p H值,可以有效地改变土壤中Cd和Pb的存在形态,使土壤Cd和Pb由酸可提取态不同程度地转化为铁锰氧化态和有机结合态.LS施加量为2.0~8.0 g·kg-1时,使黄华占水稻土壤中Cd和Pb的酸可提取态含量分别降低19.6%~23.8%、7.7%~14.3%,丰优9号水稻土壤中Cd和Pb的酸可提取态含量分别降低7.6%~31.1%、11.7%~24.8%,且降低效果为CdPb.LS还能显著降低2种水稻糙米中Cd和Pb含量,LS施加量为2.0~8.0 g·kg-1时,黄华占和丰优9号2种水稻糙米中Cd含量分别降低了56.5%~67.2%、29.0%~38.7%,Pb含量分别降低了9.8%~34.2%、6.8%~45.4%,同种水稻Cd和Pb含量降低效果为CdPb.研究表明,土壤中Cd和Pb酸可提取态含量能很好地反映土壤中Cd和Pb的生物有效性和迁移性.     

钙镁磷肥对石灰、海泡石组配修复镉污染稻田土壤的影响

改良剂组配(例如羟基磷灰石和沸石)可有效降低土壤中重金属的生物有效性,抑制水稻对重金属的积累,从而提高农产品的安全水平.本文通过田间试验,研究钙镁磷肥施用对石灰、海泡石组配降低稻田土壤有效态Cd含量、水稻各部分中Cd含量的影响.结果表明,施用钙镁磷肥可显著促进石灰、海泡石组配的钝化修复效果.与石灰、海泡石组配处理相比,施用钙镁磷肥,土壤中有效态Cd含量和糙米中Cd含量显著降低,在施用2 250 kg·hm~(-2)钙镁磷肥的条件下,土壤中Cd~(2+)发生沉淀或络合反应生成难溶性磷酸镉而降低土壤酸可提取态、可还原态和可氧化态Cd的占比,土壤中有效态Cd含量显著(P0.05)降低46.97%,糙米中Cd含量降低至0.04 mg·kg~(-1),低于《食品安全国家标准》(GB 2762-2017)中糙米镉限量(0.2 mg·kg~(-1))标准,且糙米产量增加28.34%.相关性分析结果表明,水稻根、茎叶和糙米中Cd含量与土壤中有效态Cd含量,水稻糙米中Cd含量与根和茎叶中Cd含量呈极显著正相关关系(P0.01),土壤有效态Cd含量是影响水稻糙米中Cd含量的关键性因素,钙镁磷肥可提高石灰与海泡石对土壤中有效态Cd降低效果来减少水稻根和茎叶对Cd的吸收,进而降低糙米中Cd含量.上述结果表明,施用钙镁磷肥提高了石灰、海泡石组配降低糙米中Cd含量的效果,可实现Cd污染稻田水稻安全生产和增产.     

硅肥耦合水分管理对复合污染稻田土壤As-Cd生物有效性及稻米累积阻控

选取湖南某矿区重金属镉、砷复合污染稻田土,以泰优390号为材料,通过盆栽试验研究湿润灌溉(CK)、农艺措施淹水(WF)、速溶硅肥结合淹水措施(FYsi)、矿物硅肥结合淹水措施(FKsi)及2种硅肥结合淹水(FYK)对土壤中As、Cd生物有效性及水稻糙米中As、Cd累积效应的影响.结果表明,淹水处理土壤p H值上升幅度为0.12~0.72个单位,均呈现先升高再下降,最后趋于中性的规律.淹水后,土壤Eh显著降低,FYsi、FKsi、FYK这3种配合硅肥的淹水处理土壤Eh值显著高于WF处理,与对照相比,淹水处理糙米中Cd含量降低了38.83%~65.05%,其中,WF、FYK处理对糙米Cd累积抑制效果最佳,糙米中Cd含量为0.98 mg·kg~(-1)、0.72 mg·kg~(-1);除WF处理糙米中As含量增加了36.64%外,FYsi、FKsi、FYK处理糙米中As的含量与对照相比分别降低了23.80%、38.10%、47.62%.FYsi、FYK处理对糙米As累积抑制效果最佳,糙米中As含量为0.13 mg·kg~(-1)、0.11 mg·kg~(-1).Cd各提取态含量与其在水稻糙米中的含量均呈现出极显著的正相关关系(P0.01);可交换态、TCLP提取态As与水稻糙米中As含量无显著相关关系.因此,FYsi、FKsi、FYK这3种施硅耦合淹水处理均可有效阻控稻米镉砷复合污染,其中FYK效果最佳.     

施加盐基离子调控水稻Cd的吸收与累积

盐基离子含量是土壤肥力的重要指标,也是决定土壤Cd生物有效性的重要因素.为探明盐基离子对稻田系统中Cd迁移、转运与累积的影响,本研究通过水稻盆栽试验,按照土壤中盐基离子的物质的量比施加不同浓度梯度KCl、CaCl_2、NaCl和MgCl_2到模拟制备的轻度(0.5 mg·kg~(-1))和中度(1.5 mg·kg~(-1))Cd污染土壤,分析盐基离子对土壤CaCl_2提取态Cd含量和水稻吸收累积Cd的影响.结果表明:施加盐基离子能够增加土壤阳离子交换量(CEC),在轻度和中度Cd污染土壤中,土壤CaCl_2提取态Cd含量分别下降了24.6%～56.1%和17.0%～71.1%,糙米Cd含量分别降低了9.1%～60.5%和7.2%～36.0%.在轻度和中度Cd污染土壤中,糙米Cd含量与土壤CaCl_2提取态Cd含量之间存在线性正相关关系,根、茎、叶Cd含量与Ca含量均呈线性负相关.     

碱性废弃物及添加锌肥对污染土壤镉生物有效性的影响及机制

采用盆栽方法,以石灰作对比研究了2种碱性废弃物(纸厂滤泥和赤泥)及添加锌肥对酸性镉污染稻田土壤的修复效应及其相关机制,同时利用大田试验进行了验证.结果表明,盆栽条件下施用石灰、纸厂滤泥和赤泥(2 g·kg^-1)后土壤 pH显著提高,在淹水平衡7 d和水稻移栽后30 d时土壤交换性钙含量显著高于不施的对照,增幅分别为33.1%～76.0%和31.0%～78.3%,同时土壤有效态镉含量显著降低,淹水平衡7 d时降幅为38.4%～45.0%,水稻移栽后30 d和60 d时降幅分别为37.4%～52.9%和33.2%～38.7%,水稻根系和糙米镉含量显著降低,降幅分别为24.0%～48.5%和26.3%～44.7%.等量碱性物质对提高土壤 pH和降低水稻镉累积的效果为石灰＞赤泥＞纸厂滤泥.纸厂滤泥和赤泥添加锌肥(0.2 g·kg^-1)对降低水稻镉累积的效果均比两者单施更明显.大田试验结果趋势基本相同,施入不同量的纸厂滤泥、赤泥及与锌肥配施后两季作物镉累积量显著减少,当季水稻糙米和第二季油菜籽粒镉含量分别较对照降低了27.1%～65.1%和16.4%～41.6%,糙米镉含量基本达到国家粮食卫生标准(GB 2715-2005).因此,对于中轻度酸性镉污染稻田土壤,利用纸厂滤泥、赤泥及与锌肥配合施用是一种可行的修复方法,通过构建与土壤镉污染程度等特征相适应的碱性废弃物用量与锌肥配施比例,可确保稻米质量安全.