1 引言
水稻是我国主要的粮食作物，约占粮食作物的38%，其种植面积也最大，已达到0.3亿hm2，约占粮食作物的27%。水稻生产在我国粮食生产中占有十分重要的地位，稻米在我国口粮中占有举足轻重的地位。然而，随着我国工业化进程的加速和社会经济的发展，重金属污染问题日趋严峻，全国总体耕地面积约有四成左右已经遭受其严重的污染影响。当前，国内农业土壤受重金属污染的整体特征表现为污染程度仍在逐步加剧，且污染面积逐年扩展、污染源呈现出多元化的发展趋势。每年受到重金属污染的粮食达到1200多万吨。水稻的生产受重金属镉污染的影响也日益加剧，严重威胁着粮食生产安全。根据《全国土壤污染状况调查公报》（环境保护部和国土资源部，2014），我国耕地土壤重金属的总超标率为19.4%，其中镉的点位超标率为7.0%，居我国土壤污染物首位。同时，相关研究调查也证实，稻米等农产品中普遍存在镉的污染，在南方酸性红壤地区尤为突出。湖南被称为“鱼米之乡”，近些年不时被检出大米镉超标后，“鱼米之乡”光环被罩上一层阴影。环境中镉主要通过土壤-作物-食品链进入人体，有关镉污染土壤的修复一直是农业与环境科学领域研究的热点。近年来我国的土壤调理剂行业得到了快速发展，截至2017年7月，农业部登记的土壤调理剂产品已达到120个。现行土壤调理剂大多存在修复周期长、效果不明显、成本高和二次污染等问题。本文采用一种以天然富钾铝的硅酸盐矿物为原料合成的矿物基土壤调理剂，在湖南长沙、株洲两地镉污染稻田施用后考察其对土壤中有效镉、米镉、产量等指标的影响。为提供一种新型绿色、高效的镉污染土壤修复材料提供思路，为保障农产品质量安全提供依据。
2 材料与方法
2.1 材料
2.1.1 供试材料：矿物基土壤调理剂（MSC）采用专利技术由湖南隆洲驰宇科技有限公司研制、通化海汇龙洲化工有限公司生产，主要指标：SiO2（枸溶）≥25%，CaO≥40%，K2O（可溶）≥3%；pH≥12；有害物限量：铅≤50mg/kg，砷≤10mg/kg，镉≤10mg/kg，铬≤50mg/kg，汞≤5mg/kg，粉剂。
2.1.2 试验地概况：试验地块位于长沙市长沙县北山镇常乐村与株洲市株洲县南洲镇。其中长沙市长沙县北山镇常乐村周边以山地丘陵为主，境内地带性土壤为红土或者黄白土壤，属花岗岩发育的水稻土类，土层深厚，便于开垦利用。株洲市株洲县南洲镇境内地势中间稍高，南北两端略低，境内地带性土壤为板页岩发育而成水稻土类。试验前试验地土壤理化性质及镉含量分析结果见表1。
2.1.3 试验作物：水稻（品种为早稻株两优819、晚稻H优159）。
2.2 试验设计
2.2.1 试验方法
试验设置4个处理3次重复，随机区组排列，小区试验处理如下：处理1（CK）：常规施肥；处理2（LZ100）：常规施肥+土壤调理剂100kg/667m2；处理3（LZ200）：常规施肥+土壤调理剂200kg/667m2；处理4（LZ300）：常规施肥+土壤调理剂300kg/667m2。小区面积30m2，四周设保护行，小区间作20cm宽的隔离埂，重复间作双埂，埂高20cm。用塑料膜铺埂至20cm以下，各小区单灌单排，避免串灌串排。各处理除土壤调理剂使用量不同外，水、肥及病虫害等其他农事操作相同。
2.2.2 施用时间及方法
矿物基土壤调理剂在水稻移栽前7天结合小区翻耕均匀撒施。根据当地施肥习惯，常规施肥每667m2用40%的复混肥37.8kg做底肥，移栽7天后用尿素和硫酸钾各6.5kg作追肥。处理内容以外的栽培管理措施按大田面积生产实施，并控制一致。病虫害防治按照当地常规管理方法进行。
2.3 样品采集与处理
试验前于试验地测定土壤基本理化性质及镉含量。水稻收获后每个试验小区，取0～15cm土壤样，测定重金属有效态含量。水稻成熟后各小区单打单收单晒单测产，镉含量采用ICP-MS进行测定。
2.4 数据统计与分析方法
数据用Excel、DPS等统计软件进行分析。
3 结果与分析
3.1 矿物基土壤调理剂对水稻产量的影响
水稻成熟后各小区单打单收单晒单测产，水稻产量见表2。
由表2数据可知，施用不同的矿物基土壤调理剂对水稻产量影响不大。
3.2 矿物基土壤调理剂对土壤中有效态镉的影响
矿物基土壤调理剂具有独特的微纳米孔道与层间结构，比表面积44～49m2/g，对重金属离子吸附能力强，且存在可交换性的Na+、K+。基于Na+、K+取代的水化C-S-H具有很高的阳离子交换容量，可以将重金属Cd2+等稳定固化在其晶格内部。通过测定土壤有效态镉含量结果也表明（见表3），施用矿物基土壤调理剂对土壤Cd2+有效态的影响明显，且随矿物基土壤调理剂施用量的增加，土壤Cd2+有效态含量降低。其中北山镇试验点，土壤中有效镉含量降低25.00%～35.71%，南洲镇试验点土壤中有效镉降低18.52%～31.48%。施用100kg/667m2、200kg/667m2、300kg/667m2的矿物基土壤调理剂在不同的试验点对土壤有效镉的降低效果不一致，这可能与当地的土壤类型、污染程度、水分管理等有关。
3.3 矿物基土壤调理剂对稻米中镉含量的影响
矿物基土壤调理剂具有较高含量的枸溶性硅，能有效的与Cd2+结合，形成不易被植物吸收的硅酸化合物沉淀，降低其水溶态浓度和生物可利用性，从而降低稻米中的镉含量。测定成熟期水稻稻米镉含量结果如表4所示。
由表4可知，随着施用矿物基土壤调理剂量的增加，稻米中镉含量降低的效果越明显。北山镇试验点与南洲镇试验点，对照处理的稻米镉平均含量为0.21mg/kg与0.26mg/kg，稻米中的镉含量均超标，未达到GB 2762-2012食品安全国家标准。在施用矿物基土壤调理剂100kg/667m2、200kg/667m2、300kg/667m2后，稻米中的镉含量降低了19.23%～50.00%，经统计学分析在施用土壤调理剂、200kg/667m2时已具备显著差异性，且都达到GB 2762-2012食品安全国家标准。
3.4 矿物基土壤调理剂对土壤pH的影响
测定成熟期稻田土壤pH值结果见表5。
从表5可以看出，施用矿物基土壤调理剂能有效提高土壤pH，且随用量的增加而增大。北山镇试验点土壤pH增加0.29～1.00个单位，南洲镇土壤pH增加0.30～0.93个单位，均可有效改良酸性土壤。究其原因可能是矿物基土壤调理剂具有高碱性，pH≥12，其中钙、硅为主要成分，Ca均以CmS的形势存在，无游离CaO，OH-在一定条件下会缓慢溶出，从而起到供碱缓释pH值的作用。
3.5 效益分析
在水稻种植实施过程中，除施矿物基土壤调理剂外，其他农事操作及施肥量与大田种植管理一致，故仅考虑施用矿物基土壤调理剂的投入产出。按667m2施用矿物基土壤调理剂200kg，吨产品按市场售价为1800元/吨计算，矿物基土壤调理剂施用的人工成本按50元/亩计，每亩农田修复成本为：200kg×1800元/吨÷1000kg/t-50元=310元。施用矿物基土壤调理剂后可使“毒大米”变符合国家食品安全标准的健康大米，为保障生态安全、人体健康及我国农业的可持续发展也具有重要意义。
4 结论
（1）湖南隆洲驰宇科技有限公司研制、通化海汇龙洲化工有限公司生产的矿物基土壤调理剂对水稻产量无明显影响，对土壤中的有效镉具有较强的钝化作用，可显著降低稻米中的镉含量，将“毒大米”变安全健康大米，提高经济和社会效益，也可有效提高土壤中的pH，有利于酸性土壤改良。
（2）施用矿物基土壤调理剂100～300kg/667m2，土壤有效态镉含量下降18.52%～35.71%，稻米镉含量下降19.23%～50.00%，土壤中pH提升0.29～1.00个单位，且降镉效果与pH增幅随土壤调理剂用量的增加而提高。
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[10]刘耀驰，曹正海，钟楚彬．一种矿物基土壤修复剂及其制备方法．201610589686.1．
收稿日期：2018-04-04
作者简介：钟楚彬（1991-），男，湖南邵阳人，中南大学化学化工学院硕士研究生，研究方向：环境保护、矿物综合利用。刘耀驰（通信作者）（1972-），男，中南大学化学化工学院教授，研究方向：环境化学、功能材料及矿物综合利用。
基金项目：湖南省重点研发计划（项目编号：2016SK2069）。
