3种钝化剂对土壤污染治理重金属镉试验效果初报.pdf

2023 年第 64 卷第 9 期2315收稿日期:2022-08-20基金项目:2019 年宁波市农用地土壤污染治理项目作者简介:马建芳(1975),男,浙江奉化人,农艺师,本科,主要从事土肥技术推广与耕地质量管理工作,E-mail:majfang231 。通信作者:周琼(1991),女,浙江奉化人,助理农艺师,本科,主要从事土肥技术推广与耕地质量管理工作,E-mail:328704085 。文献著录格式:马建芳,周琼,周颖杰,等.3 种钝化剂对土壤污染治理重金属镉试验效果初报 J.浙江农业科学,2023,64(9):2315-2319.DOI:10.16178/j.issn.0528-9017.202208933 种钝化剂对土壤污染治理重金属镉试验效果初报马建芳,周琼,周颖杰,董苾莉(宁波市奉化区农业技术服务总站,浙江 宁波315500)摘要:为降低土壤中镉的活性,以活性氧化镁、二氧化硅、二氧化硅和氧化铝为主要钝化材料,通过大区试验,探索不同钝化剂不同剂量对土壤、水稻籽粒中镉含量的影响。结果表明,钝化剂、钝化剂、钝化剂处理后,土壤中有效态镉含量较 2018 年分别平均下降 27.94%、33.58%、49.37%,实验组 1、钝化剂下降程度与药剂施用量关联性不明显,钝化剂下降程度与药剂施用量成正比;水稻籽粒中镉含量较 2018 年分别平均下降 38.08%、36.11%、50.19%,钝化剂对土壤镉的钝化效果、籽粒中镉含量的阻控作用均较好,从药剂添加量(成本)角度考虑,钝化剂 184 kghm-2可作为推荐药剂。关键词:土壤重金属治理;钝化剂;镉含量中图分类号:S153文献标志码:A文章编号:0528-9017(2023)09-2315-05土壤重金属污染一直是我国土壤环境安全面临的最主要的问题之一,随着工业化和城市化的快速发展,生活污水、工业三废及农田污水灌溉等人类活动都 导 致 土 壤 重 金 属 污 染 日 益 严 重1-2。镉(Cd)是一种重金属元素,对人体肾脏、生殖器官、大脑等多种脏器都特别有害,目前仍然缺乏能够抵消镉毒性的治疗方法。食物摄入是人接触镉的主要来源之一3。土壤重金属修复可分为物理、化学或生物方法、隔离法、土壤原位钝化修复法等。物理、化学或生物的方法成本高,隔离法工程技术要求高,原位钝化修复法是采用各种钝化材料,通过对重金属的吸附沉淀、络合等作用,将重金属固定在土壤中,降低其在环境中的迁移性和生物可利用性,是投入较低、操作简便、环境友好的土壤修复方法4-5。原位钝化技术因其钝化速率快、效果显著、稳定性好、价格适中、操作简单等特点而广泛地应用于农业生产中6-7。奉化区根据浙江省农田土壤污染监测预警体系建设实施方案 要求,从 2017 年开始对区内农用地设立 20 个省控土壤污染监测预警点,其中西坞街道监测点农田土壤、籽粒镉临界。2019 年在该地开展以 Cd 作为目标污染物,以实现治理区域内农产品可食用部位中目标污染物含量降低到 GB 27622022 规定的卫生标准以下为目标重金属污染耕地土壤治理,从而研究筛选水稻籽粒产品中重金属合格的药剂配比,以降低农田土壤重金属污染风险、提高水稻安全性。1材料与方法1.1试验时间和地点试验于 2019 年 411 月在宁波市奉化区西坞街道庙后周村进行,试验面积 13 333 m2。种植前,每 6 667 m2采集 020 cm 的农田土壤,采集 10 个土壤点样,均匀混合制成 2 个混合样后由实验室检测分析。检测 结 果 为,该 农 田 土 壤 pH 值 在 4.79 5.44,农田土壤已经有一定程度的酸化,8 项重金属指标均有检出,其中镉含量为 0.23 0.27 mgkg-1,接近 0.3 mgkg-1标准值。根据 土壤环境质量 农 用地土壤污 染风险管控 标 准(试 行)(GB 156182018),评价模式常用污染指数法或者与其有关的评价方法,对土壤原始检测值进行单因子污染、内梅罗综合污染指数对土壤重金属存在2316 2023 年第 64 卷第 9 期的风险进行综合评价,内梅罗综合指数 P 为 0.83,土壤污染程度为:警戒线。前茬该农田种植品种为甬优 15,籽粒样品经检测分析,检测结果以 食品安全国家标准食品中污染物限量(GB 27622017)标准对比,稻谷籽粒重金属含量达标,其中镉含量 0.18 mgkg-1,临近标准值,占标率 90%。1.2试验材料钝化剂种类众多,大致可分为无机类和有机类8。试验的钝化剂采用 3 种不同成分的药剂。I药剂主要成分为 MgO 81.67%、CaO 8.14%、SiO2 10.19%,pH 值 13.0,呈灰色粉末状,主要原料为活性氧化镁、钙矿粉混合物,水分含量5%;药剂 主 要 成 分 为 SiO2 44.45%、FeSO4 18.75%、Al2O3 17.50%、K2O 1.39%、CaO 1.36%、MgO 1.19%,灰色粉末状,主要原料为二氧化硅、硫酸亚铁、氧化 铝 的 天 然 矿 粉 混 合 物,水 分 含 量 15%,pH 值 7 8。药 剂 主 要 成 分 为 SiO2 50.19%、Al2O3 20.33%、FeSO4 11.25%、K2O 1.52%、CaO 1.49%、MgO 1.31%,灰色粉末状,主要原料为二氧化硅、氧化铝、硫酸亚铁的天然矿粉混合物,水分含量15%,pH 值 78。1.3试验设计本试验直接采用不同的钝化剂不同的剂量对Cd(镉)钝化作用。钝化的机理主要是通过改变土壤性状来降低土壤中重金属的活性,以镁基、硅基钝化剂处理并筛选适用本试点项目土壤的钝化剂配比,形成以“拒吸、钝化、去除”为核心的重金属联合阻控技术模式,有效控制重金属从土壤向作物体内转移,保障农产品安全。农田种植品种仍为甬优 15,大区试验,各小区平均 667 m2,钝化药剂施用量见表 1。各试验小区用农田土壤起垄合围,垄高 25 30 cm,垄宽20 cm。设置进出水口,单灌单排,避免串灌串排。土壤钝化剂施入土壤后 7 d,正常进行插秧。所有小区按照常规农事操作进行田间管理(化肥、农药施用种类、施用量确保一致)。水稻成熟收获后,采集各小区土壤、水稻稻米样品。分析土壤pH 值、重金属总量;分析稻米中重金属含量。表 1钝化药剂施用量小区编号药剂种类药剂添加量/(kgm-2)药剂投加量/(kghm-2)1-11-20.3002001-30.3302201-40.4202802-12-20.120802-30.2401602-40.3602403-13-20.2761843-30.3962643-40.5163444-10.120804-20.2401604-30.360240注:“”表示无此栏。表 2、4、6、8 同。2结果与分析2.1施用钝化剂后籽粒中重金属含量将收获的籽粒检测结果与 食品安全国家标准 食品中污染物限量(GB 27622017)标准对比见表 2,各 试 验 组 籽 粒 中 镉 含 量 均 达 到 限 值要求。表 2水稻籽粒中重金属检测结果单位:mgkg-1重金属1-11-21-31-42-12-22-32-43-13-23-33-44-14-24-3GB 27622017标准限值铜1.9802.6102.0502.0802.1502.0402.4502.2301.8802.3102.3202.4701.9002.1401.710铬0.2300.5200.5800.3100.2900.7800.1300.2600.3800.4000.9500.2500.1900.6000.3201.00镍0.3000.3000.4000.2000.3000.2000.3000.3000.3000.4000.4000.4000.2000.6000.2001.00锌15.80016.90014.20013.90013.20013.60016.40014.10012.60017.70013.50015.10016.00019.10014.100铅0.0300.0800.0500.0300.0400.0300.0300.0500.0400.0800.0400.0400.0400.0500.0700.20镉0.1770.1180.11060.1050.1680.1160.1170.1120.1680.1010.0850.0830.1140.1120.1040.20砷0.0590.0720.0590.0660.0700.0700.0560.0700.0560.0590.0430.0620.0850.0750.0950.50总汞0.0190.0160.0140.0150.0170.0150.0160.0140.0190.0170.0150.0120.0170.0180.0170.02农用地污染治理效果评价点位的农产品可食部位中目标污染物的单因子污染指数算术平均值和农产品样本超标率判定治理区域的治理效果。水稻籽粒中各重金属单因子指数详见表 3。马建芳,等:3 种钝化剂对土壤污染治理重金属镉试验效果初报2317表 3水稻籽粒中各重金属单因子指数重金属1-11-21-31-42-12-22-32-43-13-23-33-44-14-24-3铜0.200.260.210.210.220.200.250.220.190.230.230.250.190.210.17铬0.230.520.580.310.290.780.130.260.380.400.950.250.190.600.32镍0.300.300.400.200.300.200.300.300.300.400.400.400.200.600.20锌0.320.340.280.280.260.270.330.280.250.350.270.300.320.380.28铅0.150.400.250.150.200.150.150.250.200.400.200.200.200.250.35镉0.890.590.580.530.840.580.590.560.840.510.430.420.570.560.52砷0.120.140.120.130.140.140.110.140.110.120.090.120.170.150.19 总汞0.950.800.700.750.850.750.800.700.950.850.750.600.850.900.85由表 3 可知,水稻成熟期籽粒样品 8 项重金属单因子指数在 0.110.95,单因子污染指数均值为0.72。其中 Cd 单因子指数在 0.42 0.89,单因子污染指数均值为 0.60。由表 2、表 3 可知,样本均达标(即超标率为0),因此,依据 耕地污染治理效果评价准则采样农产品可食部位中目标污染(Cd)的单因子污染指数算术平均值和农产品超标率判定试点项目的治理效果,本期试验结果达标。2.2施用钝化剂对土壤 pH 值的影响药剂施用 前土壤样品 pH 值在 4.79 5.44,土壤呈酸性。2019 年水稻成熟期 3 个空白对照点土壤样品检测表明 pH 值在 5.04 5.35,试验组 1钝化剂施加后的 pH 值在 5.31 6.07,试验组 2钝化剂施加后的 pH 值在 5.01 5.27,试验组 3钝化剂施加后的 pH 值在 5.01 5.40。从试验结果来看,施 用 土 壤 钝 化 剂 后 土 壤 酸 碱 度 略 有改善。2.3施用钝化剂对土壤 Cd 重金属的影响2.3.1钝化剂试验结果施加钝化剂后土壤中有效态镉变化情况见表4、表 5。试验组 1 施用钝化剂后,1-2 1-4、4-14-3 土壤中有效态 Cd 的含量平均值为 0.096 mgkg-1,与 2018 年土壤有效态 Cd 的含量 0.133 mg表 4试验组 1 土壤中有效态镉变化情况小区编号有效态镉/(mgkg-1)有效态镉下降值/(mgkg-1)有效态镉下降率/%2018 年测值0.1331-10.1271-20.1000.03324.811-30.1040.02921.801-40.1040.02921.804-10.0890.04433.084-20.0970.03627.074-30.0810.05239.10kg-1对比,平均下降值 0.037 mgkg-1,下降率为27.94%。由表 5 可见:钝化剂对土壤中镉具有一定钝化效果,具有一定程度的阻控效果,较上一年度下降 27.94%;钝化剂添加量 280 kghm-2时对镉的钝化效果最好,其次为 220 kghm-2添加量,钝化剂对土壤中镉的钝化效果为 280 kghm-2220 kghm-2240 kghm-280 kghm-2(160 kghm-2=200 kghm-2),可见钝化剂对镉有效态的钝化效果与药剂添加量无明显关联性;添加钝化剂后,对水稻籽粒中镉含量阻控效果,280 kghm-2时最好,其次为 200 kghm-2时,钝化剂对镉的阻控效果为 280 kghm-2200 kghm-2240 kghm-2160 kghm-280 kghm-2200 kghm-2,可见钝化剂对镉的阻控效果与药剂添加量无明显关联性。表 5试验组 1 不同钝化剂添加量对土壤、籽粒中镉的影响镉含量较试验前下降/%药剂投放量(kghm-2)较对照点下降率/%80(4-1)160(4-2)200(1-2)220(1-3)240(4-3)280(1-4)有效态镉含量27.9421.2618.1118.1129.9223.6236.22籽粒中镉含量38.0833.3334.4640.6835.5936.7241.242.3.2钝化剂试验结果施加钝化剂后试验组 2 土壤中有效态镉变化情况见表 6。试验组 2 施用钝化剂后,处理 2-22-4 土壤中有效态 Cd 的含量平均值为 0.088 mgkg-1,与 2018 年土壤有效态 Cd 的含量 0.133 mgkg-1对比,平均下降值 0.045 mgkg-1,下降率为 33.58%。由表 6、表 7 可见:钝化剂对土壤中镉具有一定钝化效果,具有一定程度的阻控效果,较上一年度下降 33.58%;钝化剂添加量 160 kghm-2时对镉的钝化效果最好,其次为 240 kghm-2添加量,钝化剂对土壤中镉的钝化效果为 160 kg2318 2023 年第 64 卷第 9 期hm-2240 kghm-280 kghm-2,可见钝化剂对镉有效态的钝化效果与药剂添加量无明显关联性;添加钝化剂后,对水稻籽粒中镉含量阻控效果,240 kghm-2时最好,其次为 160 kghm-2时,钝化剂对镉的阻控效果为 240 kghm-280 kghm-2160 kghm-2,可见钝化剂对镉的阻控效果与药剂添加量无明显关联性。表 6试验组 2 土壤中有效态镉变化情况小区编号有效态镉/(mgkg-1)有效态镉下降值/(mgkg-1)有效态镉下降率/%2018 年测值0.1332-10.1182-20.0970.03627.072-30.0810.05239.102-40.0870.04634.59表 7试验组 2 不同钝化剂添加量对土壤、籽粒中镉含量的影响镉含量较试验前下降率/%2-2较对照点下降率/%2-3较对照点下降率/%2-4较对照点下降率/%有效态镉含量33.5817.8031.3626.27籽粒中镉含量36.1130.9530.3633.332.3.3钝化剂 试验结果施用钝化剂 后,3-2 3-4 土壤中有效态 Cd的含量平均值为 0.067 mgkg-1,与 2018 年土壤有效态 Cd 的含量 0.133 mgkg-1对比,平均下降值 0.066 mgkg-1,下降率为 49.37%。由表 8、表 9 可见:钝化剂对土壤中镉具有一定钝化效果,具有一定程度的阻控效果,有效镉含量较上一年度下降 49.37%、籽粒中镉含量下降50.19%、籽粒中汞含量下降 38.89%。钝化剂添加量 344 kghm-2时对镉的钝化效果最好,其次为 264 kghm-2添加量,钝化剂对土壤中镉的钝化效果为 344 kghm-2264 kghm-2184 kghm-2,可见 钝化剂对镉有效态的钝化效果与药剂添加量成正比;添加 钝化剂后,对水稻籽粒中镉含量阻控效果,344 kghm-2时最好,其次为表 8试验组 3 土壤中有效态镉变化情况小区编号有效态镉/(mgkg-1)有效态镉下降值/(mgkg-1)有效态镉下降率/%2018 年测值0.1333-10.1233-20.0710.06246.623-30.0690.06448.123-40.0620.07153.38表 9试验组 3 不同钝化剂添加量对土壤、籽粒中镉含量的影响镉含量较试验前下降率/%3-2较对照点下降率/%3-3较对照点下降率/%3-4较对照点下降率/%有效态镉含量49.3742.2843.9049.59籽粒中镉含量50.1939.8849.4050.60264 kghm-2时,钝化剂对镉的阻控效果为 344 kghm-2264 kghm-2184 kghm-2,可见 钝化剂对镉的阻控效果与药剂添加量成正比。3结论与讨论 土壤 pH 值是土壤环境质量调查与评价中最关键的土壤性质之一。对于重金属污染的土壤,土壤pH 值是影响土壤重金属有效性的关键因素,土壤pH 值升高会明显增强土壤对阳离子的吸附能力,降低土壤中重金属活性9-10。有研究表示,当土壤pH 值升高时,土壤中有效态 Cd 含量相比对照最高降低幅度达到 70%11。试验农田土壤呈酸化趋势,所用钝化剂施用后减缓了土壤酸化趋势,农田土壤 pH 值略有提高(提高了 0.22 0.63)。实验组钝化剂、钝化剂、钝化剂,土壤中有效态镉含量较 2018 年分别平均下降 27.94%、33.58%、49.37%,实验组、钝化剂下降程度与药剂施用量关联性不明显,钝化剂下降程度与药剂施用量成正比;水稻籽粒中镉含量较 2018 年分别平均下降 38.08%、36.11%、50.19%,各实验组阻控效果较明显;药剂施用量 280 kghm-2时土壤中有效态镉钝化(达 36.22%)、药剂施用量 280 kghm-2时籽粒中镉阻控效果最佳(达 41.24%);药剂施用量 240 kghm-2时籽粒中镉阻控效果最佳(达 33.33%);药剂施用量 344 kghm-2时土壤中有效态镉钝化效果最明显(达 49.59%)、籽粒中镉阻控效果最佳(达 50.60%)。钝化剂对土壤镉的钝化效果、籽粒中镉含量的阻控作用均较好,从药剂添加量(成本)角度考虑,将 钝化剂 184 kghm-2作为推荐药剂组合,提高农产品安全利用的保证。同时加强对试验区跟踪监测,进一步验证治理效果的时效性,为后续技术推广应用提供更为翔实的技术参数。参考文献:1 LI Z Y,MA Z W,VAN DER KUIJP T J,et al.A review of soil heavy metal pollution from mines in China:pollution and health risk assessment J.Science of the Total Environment,马建芳,等:3 种钝化剂对土壤污染治理重金属镉试验效果初报23192014,468/469:843-853.2 SUN Y V,SUN G H,XU Y M,et al.Assessment of sepiolite for immobilization of cadmium-contaminated soils J.Geoderma,2013,193/194:149-155.3 RINALDI M,MICALI A,MARINI H,et al.Cadmium,organ toxicity and therapeutic approaches:a review on brain,kidney and testis damage J.Current Medicinal Chemistry,2017,24(35):3879-3893.4 罗思颖,周卫军,潘诚良,等.钾硅钙微孔矿物肥对水稻重金属镉的降阻效果研 究 J.中 国 农 学 通 报,2017,33(29):90-94.5 丁军,唐熙雯.综合降镉技术在重金属轻度污染农田中对稻米镉含量的影响 J.中国农学通报,2020,36(5):74-77.6 杨苏才,南忠仁,曾静静.土壤重金属污染现状与治理途径研究进展 J.安徽农业科学,2006,34(3):549-552.7 LIANG X F,HAN J,XU Y M,et al.In situ field-scale remediation of Cd polluted paddy soil using sepiolite and palygorskite J.Geoderma,2014,235/236:9-18.8 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