農(nóng)藝措施對重金屬污染小麥田的修復研究

井永蘋 李彥 趙瑞君 許玉良 王艷芹

摘要：為探討在受重金屬污染的土壤上生產(chǎn)出符合安全標準糧食的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)重金屬污染農(nóng)田邊生產(chǎn)邊修復，以有污水灌溉歷史的農(nóng)田為研究對象，研究以農(nóng)藝措施為主的不同修復措施對農(nóng)田土壤中不同重金屬累積量、小麥產(chǎn)量以及小麥籽粒中重金屬累積量的影響。結(jié)果表明，污灌農(nóng)田土壤Cd、Zn存在超標現(xiàn)象，增施有機肥、鈍化劑和深翻耕等措施均能顯著降低土壤中Cd、Pb、Zn有效態(tài)含量，其中以綜合修復措施效果最佳，有效態(tài)Cd、Zn、Pb含量分別比修復前降低46.8%、31.2%、45.5%;增施鈍化劑、有機肥和深翻處理均顯著降低小麥籽粒中Cd的累積量，實施修復措施的小麥籽粒中Cd、Pb、Zn含量全部達到安全標準。因此，在重金屬污染農(nóng)田通過農(nóng)藝修復措施能夠?qū)崿F(xiàn)小麥安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：重金屬;農(nóng)藝措施;重金屬累積量;糧食安全;小麥

中圖分類號：S512.106.1：X53? 文獻標識號：A? 文章編號：1001-4942（2020）11-0080-06

Remediation of Heavy Metal Contaminated

Wheat Fields by Agronomic Measures

Jing Yongping1，2， Li Yan1，2， Zhao Ruijun3， Xu Yuliang3， Wang Yanqin1，2

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China;

2. Key Laboratory of Agro-Environment in Huanghe-Huaihe-Haihe Plain， Ministry of

Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China;

3. Zhaoyuan Agricultural Technology Extension Center， Zhaoyuan 265400， China）

Abstract In order to explore the technology for producing grains meeting the food safety standards in soil polluted by heavy metals， and realize the remediation of heavy metal contaminated farmland at the same time of production， the farmlands with sewage irrigation history were taken as research objects to compare different remediation measures. The effects of different remediation measures on the accumulation of different heavy metals in soil and wheat grains and the wheat yield were analyzed. The results showed that Cd and Zn in the soil with sewage irrigation exceeded standard seriously. The contents of Cd， Pb and Zn in soil could be significantly reduced by applying organic fertilizer， passivator and deep ploughing. The comprehensive remediation measure had the best effect， and the contents of Cd， Zn and Pb reduced by 46.8%， 31.2% and 45.5% compared to before remediation. The application of passivator and organic fertilizer and deep ploughing all reduced the accumulation of Cd in wheat grains significantly， and the contents of Cd， Pb and Zn in wheat grains after remediation all met the safety standards. Therefore， safe production of wheat could be achieved in heavy metal contaminated farmland through agronomic remediation measures.

Keywords Heavy metal; Agronomic measures; Heavy metal accumulation; Food safety; Wheat

土壤是糧食生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，我國耕地面積人均占有量小，隨著工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，大量農(nóng)田受到不同程度的重金屬污染，尤其是有污灌歷史的農(nóng)田普遍存在重金屬超標現(xiàn)象[1]。重金屬具有持久性和累積性[2，3]，可以抑制植物、微生物以及土壤動物等的生命活動，并經(jīng)過食物鏈不斷累積，最終通過攝食進入人體，進而威脅人類健康[4]。當前重金屬污染已經(jīng)成為世界性的環(huán)境問題?；谖覈鴮Z食需求量以及人們對糧食安全逐漸重視，既要保持農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)，又要保證糧食安全生產(chǎn)，就成為目前我國農(nóng)田重金屬污染修復研究的重點。

土壤重金屬污染修復技術(shù)主要包括物理、化學、生物、農(nóng)業(yè)生態(tài)和聯(lián)合修復技術(shù)。物理修復技術(shù)主要指工程修復和熱脫附技術(shù)，適用于小面積污染嚴重土壤的修復，以及易揮發(fā)的污染物，如As、Hg、Se。物理修復技術(shù)的缺點是費用高，同時可使土壤中其他重金屬的鐵-錳氧化物結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化成酸溶解態(tài)、硫化物及有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)，這可能會對土壤環(huán)境產(chǎn)生較大影響?；瘜W修復技術(shù)主要包括電動修復、淋洗技術(shù)、穩(wěn)定/固化修復技術(shù)，其中電動修復、淋洗技術(shù)需要向土壤中添加諸如螯合劑、絡合劑、表面活性劑和氧化/還原劑等材料，雖然修復效果較好，但是存在土壤環(huán)境二次污染的風險。穩(wěn)定/固化修復技術(shù)則是一種原位修復技術(shù)，是向土壤中加入固化藥劑或材料，簡單易行，因只改變了重金屬的存在形態(tài)，重金屬元素仍保留在土壤中，容易再度活化，所以不是一種永久的修復措施。生物修復技術(shù)主要指植物修復、動物修復和微生物修復等，該方法具有成本低、操作簡單、無二次污染、處理效果好且能大面積推廣應用等優(yōu)點;缺點也顯而易見，修復時間長，且修復植物或動物后續(xù)處置風險等環(huán)節(jié)還沒有健全的評價體系。農(nóng)業(yè)生態(tài)修復主要是指農(nóng)藝修復和生態(tài)修復兩部分。農(nóng)藝修復措施包括改變耕作制度，調(diào)整作物品種，種植不進入食物鏈的植物，選擇能降低土壤重金屬污染的化肥，或增施能固定重金屬的有機肥等措施;生態(tài)修復即通過調(diào)節(jié)諸如土壤水分、養(yǎng)分、pH值和氧化還原狀況及氣溫、濕度等生態(tài)因子，實現(xiàn)對污染物所處環(huán)境介質(zhì)的調(diào)控。該技術(shù)成熟、成本較低、對土壤環(huán)境擾動較小，但修復周期長，修復效果的持久性需要跟蹤監(jiān)測。綜合以上各種修復措施，適宜于我國重金屬污染農(nóng)田現(xiàn)狀的較為理想的修復措施為以農(nóng)藝修復為主，以化學鈍化和微生物修復為輔的綜合修復措施。本研究中采用深翻、增施有機肥、增施重金屬鈍化劑等措施。

試驗地點選在山東省某鋼鐵生產(chǎn)廠周邊農(nóng)田，自1958年建廠始便有污水灌溉，雖然農(nóng)田灌溉水早已由地下水替代，但是歷史污灌導致土壤中重金屬積累依然嚴重。污灌農(nóng)田區(qū)的土壤類型是潮土，呈堿性反應，表層土壤pH 值變化在7.85～8.37之間，平均值為8.0，變異較小，平均有機質(zhì)含量為3.76%。檢測發(fā)現(xiàn)土壤中常見8種重金屬Cd、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn、Hg、As，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）規(guī)定，只有Cd、Zn超過風險管控標準值，Pb的最高值為327 mg/kg，接近二級限量標準350 mg/kg，污染風險也相對較高。因此我們選擇Cd、Zn、Pb作為目標重金屬元素進行污染治理。本試驗以污灌農(nóng)田土壤作為研究對象，初步探索了農(nóng)藝措施下農(nóng)田土壤重金屬有效性的變化特征，以及小麥籽粒中重金屬累積量對農(nóng)藝措施的響應規(guī)律，以期為農(nóng)田土壤重金屬污染修復和小麥安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤基本情況

試驗農(nóng)田土壤屬于潮土，0～20 cm土層土壤pH值平均為8.0，全氮、有效磷、速效鉀以及有機質(zhì)含量分別為1.6 g·kg-1、39.9 mg·kg-1、221.7 mg·kg-1和37.6 g·kg-1。

供試農(nóng)田0～20、20～40 cm土層土壤中6種重金屬含量平均值見表1，其中Hg、Cd、Cr、Pb、Zn五種重金屬0～20 cm土層含量比20～40 cm土層的高，主要在耕層土壤中累積。20～40 cm土層中As平均含量高于0～20 cm表層，但差異不顯著。

1.2 供試材料

有機肥中有機質(zhì)含量為75%，氮、五氧化二磷、氧化鉀的總養(yǎng)分含量為5%，pH7.5，未檢出超標重金屬，666.7m2用量為350 kg。666.7m2鈍化劑用量為200 kg，主要原材料為發(fā)酵有機物料、微生物菌劑、活性炭等。供試作物為冬小麥。

1.3 試驗設計

共設5個處理，分別為對照（CK）、深翻（SF）、有機肥+深翻（O+SF）、鈍化劑+深翻（D+SF）、有機肥+鈍化劑+深翻（O+D+SF），每個處理設3次重復，共15個試驗小區(qū)。每個小區(qū)的面積為60 m2。鈍化劑和有機肥均勻撒施于土壤表面，然后進行深翻耕，耕深30～40 cm。

1.4 測定方法

速效氮、有效磷、速效鉀測定參照文獻[5];重金屬按照常規(guī)分析方法測定[6];土壤中總汞含量：硝酸-硫酸消化-冷原子吸收光譜法測定[7];土壤總鉻：原子吸收光譜法[8]。重金屬有效態(tài)含量分析采用EDTA浸提法[7，8]。

在測定土壤和農(nóng)作物樣品過程中，每批樣品分別用標準樣品（GSS-2 土樣和GSB-24 小麥樣） 加標回收、平行樣和空白樣進行質(zhì)量控制，加標回收率為94.3%～108.2%，平行樣相對誤差均在0.5%之內(nèi)。

分別在修復措施實施前和小麥收獲后采集土壤樣品，通過檢測土壤中重金屬有效態(tài)含量判定修復措施的實施效果。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS 18.0 軟件處理分析，單因素方差分析后采用Duncans法檢驗處理間的差異顯著性，以0.05作為顯著性水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬有效態(tài)含量

表2顯示，對照處理土壤中有效態(tài)Cd、Zn、Pb含量與修復前相比分別降低了8.9%、10.5%和16.3%，增施有機肥+鈍化劑+深翻的綜合修復措施效果最好，有效態(tài)Cd、Zn、Pb含量分別比修復前降低46.8%、31.2%、45.5%;增施有機肥的處理對土壤中Cd、Pb修復效果較好，增施鈍化劑則對Cd的效果最佳，深翻處理對Zn的處理效果最好。綜合分析，增施有機肥和鈍化劑并且深翻的處理對Cd、Pb、Zn的修復效果最顯著。

2.2 小麥產(chǎn)量

與對照處理相比，深翻處理和施鈍化劑+深翻處理的小麥產(chǎn)量無顯著差異，而增施有機肥的處理O+SF、O+D+SF小麥產(chǎn)量顯著高于其他三個處理。以施用有機肥、鈍化劑并深翻的綜合處理增產(chǎn)效果最好，比對照增產(chǎn)10.7%，施用有機肥同時深翻的處理小麥增產(chǎn)9.6%（圖1）?？梢?，增施有機肥促進小麥增產(chǎn)。

2.3 小麥籽粒重金屬累積量

NY861—2004和GB 2762—2017標準規(guī)定，谷物中Cd、Zn、Pb限量標準分別為0.1、50、0.2 mg·kg-1。小麥籽粒中重金屬Cd、Zn、Pb的含量分別為0.032～0.062、37.5～43.4、未檢出～0.066 mg·kg-1，參照谷物安全限量標準，三種重金屬元素均未超標（表3）。

對照處理小麥籽粒中Cd含量最高，為0.062 mg·kg-1，施用有機肥和鈍化劑加深翻處理（O+D+SF）小麥籽粒Cd含量最低，比對照減少48.4%;其次為施用鈍化劑加深翻處理（D+SF）的小麥籽粒Cd含量，比對照降低37.1%;增施有機肥加深翻處理（O+SF）小麥籽粒Cd累積量比對照降低17.7%?？梢姡鍪┾g化劑、有機肥及深翻處理均能降低小麥籽粒Cd的累積量。

對照處理的小麥籽粒Zn含量最少，為37.5 mg·kg-1，而與對照相比，增施有機肥、深翻、鈍化劑以及綜合措施對小麥對Zn的累積略有促進作用。

與Cd和Zn相比，小麥籽粒中Pb的累積量最少，增施鈍化劑處理和對照處理小麥籽粒中均未檢測出Pb，在深翻和施用有機肥處理中均檢測到Pb，以O+SF處理最高，其次是深翻處理，但均未超標。可見，深翻和施有機肥對Pb污染修復效果不明顯，鈍化劑對Pb有明顯鈍化效果。

2.4 小麥秸稈、根系重金屬累積量

圖2顯示，小麥秸稈對Pb、Cd、Zn的累積量均遠小于根系。深翻、施有機肥、鈍化劑處理使小麥秸稈Cd累積量降低14.6%～51.0%。其中以綜合修復措施（O+D+SF）小麥秸稈Cd累積量最小，與對照相比降低了51%;深翻處理也能使小麥秸稈Cd累積量降低26%。小麥根系中Cd累積量以施鈍化劑加深翻（D+SF）處理的最低，其次是對照處理，只深翻（SF）處理的根系Cd累積量最高，比對照增加19.8%，與O+SF和O+D+SF處理間無顯著差異。

與對照相比，各處理小麥秸稈對Pb的累積量均有不同程度的降低，其中綜合修復措施（O+D+SF）降低最多，為28.6%。施有機肥處理（O+SF和O+D+SF）小麥秸稈Pb累積量比單獨深翻和施鈍化劑加深翻的處理要少。根系對Pb的累積量以O+D+SF最大，以O+SF最小。

只深翻處理的小麥秸稈中Zn累積量比對照高22.8%，而施有機肥、鈍化劑加深翻以及綜合修復措施與對照無顯著差異。各處理小麥根系Zn的累積量顯著高于對照，其中以綜合修復措施小麥根系中的Zn累積量最高，比對照高54.3%。

可見，不同種類重金屬對修復措施的響應不同，綜合修復措施有促進小麥根系吸收富集Pb、Zn的趨勢，同時有減少小麥秸稈對Cd的吸收富集的趨勢;增施鈍化劑有抑制小麥根系對Cd吸收富集的趨勢。

2.5 土壤肥力的變化

與苗期相比，收獲期各處理土壤中速效氮、有效磷、速效鉀均有不同幅度的降低，僅SF處理的速效鉀含量收獲期比苗期高。O+D+SF和O+SF處理土壤中有機質(zhì)的含量收獲期高于苗期，其他處理均是苗期高于收獲期，且以O+D+SF處理的土壤有機質(zhì)含量最高。pH值的變化規(guī)律均為各處理收獲期pH值高于苗期，其中以O+D+SF處理pH值最低。綜上所述，O+D+SF綜合措施能有效促進土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分循環(huán)，提高土壤有機質(zhì)含量，中和土壤酸堿度（表4）。3 討論與結(jié)論

針對工礦企業(yè)周邊的重金屬污染農(nóng)田，施用鈍化劑、有機肥及深翻等措施均能夠降低土壤中有效態(tài)重金屬Cd、Zn、Pb的含量，其中以施用有機肥、鈍化劑并且深翻的綜合修復措施效果最好。大量研究表明施用鈍化劑、有機肥能顯著降低土壤中重金屬的有效態(tài)含量[9-12]。供試農(nóng)田土壤是歷史污灌區(qū)，重金屬Cd、Zn、Pb垂直分布為不同程度的表聚型，其中Cd的表聚型最為明顯，這與姜玉玲等[13]的研究相同。深翻措施把表層和深層土壤混合在一起，相當于稀釋了表層重金屬含量，因此，單深翻措施依然能夠較顯著地降低土壤中有效態(tài)重金屬含量。

深翻和施用鈍化劑的處理對小麥產(chǎn)量無顯著影響，與對照間無顯著差異，而施用有機肥處理則顯著促進小麥增產(chǎn)。有機肥能夠改善土壤質(zhì)量、提高土壤肥力，為小麥生長提供充足養(yǎng)分的同時緩解小麥根系的不利生長環(huán)境，從而促進小麥產(chǎn)量增加。

小麥各部位Cd富集量大小順序為根>秸稈>籽粒，與季書勤等的研究結(jié)果相同[14]。根據(jù)《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）規(guī)定，小麥中Cd和Pb的含量不應超過0.1、0.2 mg·kg-1;根據(jù)《糧食（含谷物，豆類，薯類）及制品中鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》（NY 861—2004）規(guī)定，小麥中Zn含量應低于50 mg·kg-1。不做任何修復措施的對照處理小麥籽粒Cd含量存在超標現(xiàn)象，修復措施實施后的小麥籽粒Cd、Zn、Pb含量均有不同程度的降低，且均符合國家食品安全限量標準，施鈍化劑、深翻、施有機肥三種修復措施均有助于降低小麥籽粒Cd的累積，其中以三種修復措施的綜合效果最佳。楊夢麗等[15]的研究結(jié)果也表明，原位鈍化能使小麥籽粒中Cd的累積量降低7.9%～40%。而修復措施對小麥籽粒中Zn的累積有促進作用，三者的綜合措施非但沒有降低小麥籽粒Zn的累積量，反而使之增大。小麥籽粒對Pb累積量較少，施用鈍化劑進一步降低了小麥籽粒對Pb的吸收。

三種綜合修復措施下小麥秸稈和根系中Cd的吸收量最小，而綜合修復措施顯著降低小麥秸稈對Pb的吸收累積，但同時促進小麥根系對Pb、Zn的吸收累積。由此可見，Cd、Zn、Pb三種重金屬復合污染土壤中，施用有機肥、鈍化劑及深翻等措施對Cd的修復效果最理想，鈍化劑對Pb的修復效果較好。而三種修復措施均對Zn沒有修復效果。這可能由于鈍化劑中的螯合離子易與Cd、Pb結(jié)合形成難容的化合物失去活性，而Zn2+比較活潑不易與鈍化劑中的陰離子反應。其次深翻破壞了維持已久的土壤耕層原狀，原耕層土壤一般在0～15 cm，經(jīng)多年耕種可能有效態(tài)Zn被作物吸收帶走或氧化鈍化，其含量低于土壤耕層以下（15～40 cm）土層，深翻措施的深度大約在0～35 cm，由此便把上下土層的土壤混合，從而使耕層土壤中Zn的有效含量增加，促進了作物根系和秸稈對其吸收富集。具體原因還需要進一步研究。Zn是人體必需的微量元素，不足或過量攝入都會對人體產(chǎn)生不良影響。本研究結(jié)果表明，雖然土壤中Zn的含量較高，但是小麥籽粒中并未超標，因此針對Cd、Pb、Zn復合污染土壤可采用施用有機肥、深翻、添加鈍化劑三種措施，且以三種措施的聯(lián)合作用效果最好，農(nóng)藝修復措施對重金屬污染農(nóng)田修復中效果顯著，值得推廣應用。