汪丹 周伟 张阳阳 王梦园

摘要 [目的]研究土壤調理剂对重度镉污染土壤改良及农作物吸收累积镉的影响。[方法]利用恩施富硒高镉地区表层土壤作为盆栽供试土壤，以辣椒为供试作物，通过开展盆栽试验，研究9种土壤调理剂对辣椒生长、吸收积累镉以及土壤中镉形态变化的影响。[结果]土壤调理剂的施用能明显降低辣椒果实中镉含量，降幅76.35%～90.27%，总体以T土壤调理剂（12.99%小麦秸秆生物炭+6.49%过磷酸钙+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%贝壳粉）效果最佳。添加生物炭比菜籽粕试验组提升土壤pH效果更好；土壤调理剂的施用能显著降低可交换态和碳酸盐结合态镉含量，且可以促使镉向农作物不可利用的铁锰结合态以及残渣态转变，同时提高了植物叶片的光合速率，促进了植株的生长。辣椒果实镉含量与土壤中镉相关关系表明，辣椒在吸收土壤中水溶态镉的同时，也会对碳酸盐结合态镉进行吸收。[结论]在恩施富硒高镉地区施用“12.99%小麦秸秆生物炭+6.49%过磷酸钙+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%贝壳粉”组合的调理剂可有效降低农作物对镉的吸收。高镉地区进行农作物安全种植不仅要降低能被植物直接利用的水溶态和离子交换态镉活性，还需降低具有潜在风险的碳酸盐结合态镉含量。

关键词 镉；土壤调理剂；土壤改良；辣椒；吸收累积

中图分类号 X53 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0073-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.015

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Soil Conditioners on the Improvement of Heavily Cadmium Polluted Soil and the Absorption and Accumulation of Cadmium by Crops

WANG Dan，ZHOU Wei，ZHANG Yang-yang et al

（1.Hubei Institute of Geosciences （Hubei Selenium Industrial Research Institute），Wuhan，Hubei 430034; 2.Hubei Test Center of Selenium Ecological Environment Effects，Wuhan，Hubei 430034）

Abstract [Objective]To study the effects of soil conditioners on the improvement of heavily cadmium contaminated soil and the absorption and accumulation of cadmium by crops.[Method]The surface soil of Enshi area rich in selenium and high cadmium was used as the pot experiment soil，and pepper was used as the test crop.Through pot experiment，the effects of nine soil conditioners on the growth，absorption and accumulation of cadmium in pepper，as well as the change of cadmium morphology in soil were studied.[Result]The application of soil conditioners could significantly reduce the content of cadmium in pepper fruits by 76.35%-90.27%，and T4 soil conditioner （12.99% wheat straw biochar +6.49% superphosphate +64.94% attapulgite +2.60% silicon fertilizer +12.99% shell powder） had the best effect overall.Compared with rapeseed dregs，biochar in experimental group had a significant effect on soil pH.The application of soil conditioner could significantly reduce the content of exchangeable and carbonate-bound cadmium，and promote the conversion of cadmium to the unusable iron-manganese binding state and residue state，and increase the photosynthetic rate of plant leaves and promote plant growth.The correlation between the content of cadmium in pepper fruit and cadmium in soil indicated that pepper could absorb both water-soluble cadmium and carbonate-bound cadmium in soil.[Conclusion]The combination of "12.99% wheat straw biochar +6.49% superphosphate +64.94% attapulgite +2.60% silicon fertilizer +12.99% shell powder" can effectively reduce the uptake of cadmium by crops in selenium-rich and cadmium-high areas of Enshi.The safe planting of crops in high cadmium area should not only reduce the activities of water-soluble and ion-exchange cadmium，which can be directly used by plants，but also reduce the content of carbonate-bound cadmium，which has potential risks.

Key words Cadmium;Soil conditioner;Soil improvement;Peppers;Absorption accumulation

基金项目 湖北省地质局科技项目（KJ2019-11，KJ2021-21，MSDZ202215）。

作者简介 汪丹（1990—），女，湖北黄冈人，工程师，硕士，从事农业地质、富硒产业研究。*通信作者，工程师，硕士，从事农业地质、富硒产业研究。

收稿日期 2023-02-27

镉是一种毒性较强的重金属元素，易被动植物吸收富集而产生危害。重金属高背景地区的污染相比于人为污染，往往污染面积更大，由于岩层重金属含量高，污染顽固且难以治理，严重影响着当地人民群众的身体健康。湖北省恩施土家族苗族自治州被誉为“世界硒都”，硒资源优势显著，开发利用前景广阔。有研究发现恩施地区表层土壤中硒、镉呈伴生关系，高硒高镉土壤区占恩施州土地面积的45.14%，面积约10 878.74 km。此现象严重制约了恩施州富硒产业的发展，如何合理利用富硒区域土地资源发展绿色富硒产业，对提高恩施州农产品质量安全和附加值、促进农民增收具有十分重大的意义。

目前土壤中镉的钝化通常采用原位化学固定技术，它具有高效、经济的特点，可在不影响正常农业生产的情况下抑制镉生物毒性，具有较好的应用前景。目前，石灰、黏土矿物、生物炭等钝化材料均已被证明能有效降低土壤中镉的有效性，抑制植物对镉的吸收。Zhang等研究发现采用石灰修复镉污染土壤，能有效降低稻谷中的镉浓度。Liu等研究发现施用纳米羟基磷灰石及其组合材料，能有效降低土壤中镉的有效性，进而降低马铃薯块茎对镉的富集。Sun等研究发现向土壤中添加海泡石、膨润土和磷酸盐的单一或复合材料能有效降低土壤中镉的有效性，进而降低水稻根、茎、叶、糙米及稻壳中的镉浓度。Lu等研究发现施用生物质碳材料能改变土壤中重金属的形态，降低在重金属污染土壤中的迁移率和生物利用度。针对恩施州富硒土壤镉背景值高的特点，降低土壤中镉的有效性，从而生产出安全的农产品，是目前恩施州富硒地区急需解决的问题。我国辣椒种植面积居蔬菜作物第2位，辣椒作为人们喜食的蔬菜之一，具有较强的吸收和富集镉的能力。该研究以生物炭、黏土矿物、磷肥、硅钙材料等为原料制备土壤调理剂，通过开展辣椒盆栽试验，分析9种土壤调理剂对恩施富硒高镉土壤pH、镉的有效态，以及辣椒果实和植株中镉含量的影响，为解决我国镉污染土壤可持续利用、农产品安全生产和保障人体健康提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

恩施市新塘乡麻柳洞村富硒高镉地区表层耕作土壤（0～20 cm），去除杂物后风干，过2 mm尼龙筛。该地区二叠系地层出露广泛，土壤类型为黄棕壤。土壤pH呈弱碱性，为7.81，镉含量达到23.30 mg/kg，有效镉含量达到12.50 mg/kg，远超过国家标准《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018），供试土壤有机质含量为27.10 g/kg，碱解氮含量为247.00 mg/kg，有效磷含量为23.40 mg/kg，速效钾含量为136.00 mg/kg，阳离子交换量为18.4 cmol/kg。供试辣椒品种为香辣天下尖椒F1。

9种土壤调理剂由有机质（菜籽粕）、生物炭（小麦秸秆生物炭、稻谷生物炭）、含磷材料（钙镁磷肥、过磷酸钙、硅钙钾镁肥）、硅钙类材料（硅肥、贝壳粉）、黏土矿物（海泡石、凹凸棒石、蛭石）按照不同的组合和比例混合而成，具体如表1所示。

1.2 试验设计

试验采用传统农业方式灌溉，全程在大棚中进行。盆栽试验设计10个处理（表1），其中CK为空白对照组，T～T为施用不同土壤调理剂的试验组，每个处理5个重复，每盆用土10 kg，随机摆放，统一管理。辣椒盆栽于2022年4月25日开始育苗，5月13日进行移栽，8月17日收获。

1.3 试验指标测定

辣椒成熟期采集辣椒果实、植株以及根系土进行测定。利用原子荧光光谱法（AFS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定辣椒和土壤中镉含量；利用七步提取法提取土壤中镉形态；利用氧化还原法（VOL）测定土壤pH。

1.4 统计分析

统计前利用拉伊达准则（3σ准则）对数据进行异常值筛除，采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，采用IBM SPSS Statistics 20和Origin Pro 9.1软件进行图件绘制。

2 结果与分析

2.1 不同土壤调理剂对土壤pH和镉形态的影响

2.1.1 土壤pH。

土壤pH是影响土壤中镉的吸附与解吸，控制其有效性与移动性的关键因素。研究表明，土壤pH越低，土壤吸附镉的能力越低，使得镉在土壤中迁移性增强，随着pH的升高，镉在土壤固相上的吸附量和吸收能力增强，从而降低镉的活性。辣椒生长期和成熟期不同调理剂对土壤pH的影响见图1。与空白对照组相比，除生长期T和T处理组外，其余处理均不同程度地提高了土壤pH，生长期提升了0.04～0.46，成熟期提升了0.01～0.28。从土壤调理剂施配效果来看，添加生物炭（T～T）處理组比菜籽粕（T～T）处理组效果更好，推测生物炭表面含有一定数量的碱性基团而呈碱性，因此可以提高土壤pH。

2.1.2 土壤镉形态。

植物吸收和累积镉的含量不仅取决于土壤中总镉含量，更与镉的赋存价态和形态有关。一般认为水溶态和离子交换态是土壤活性较高的部分，两者总量为可交换态，可以供生物直接吸收利用，对作物的危害最大；碳酸盐结合态、腐殖酸结合态和铁锰结合态被认为对作物存在潜在危害，由于环境的变化可能被释放造成二次污染，故旱地土作物存在较大的镉污染风险。

辣椒根系土中镉的有效态含量变化结果显示（图2），添加土壤调理剂之后，土壤中残渣态和碳酸盐结合态镉依旧占据较大比例，其次为离子交换态、铁锰结合态、腐殖酸结合态、强有机结合态、水溶态。相对于空白对照组（CK），添加土壤调理剂的试验组可交换态镉含量均呈现下降的趋势，下降幅度13.84%～20.91%，以T、T、T、T试验组效果较为明显。由于碳酸盐结合态镉在土壤中的结合较弱，在酸性条件下，容易被释放出来，施用土壤调理剂之后，碳酸盐结合态镉含量也有所下降，降幅12.75%～24.85%。另一方面，T、T、T、T、T试验组调理剂还可以促使镉向农作物不可利用的铁锰结合态和残渣态转变，致使可供农作物直接利用的镉含量减少，进一步降低了农作物对土壤中镉的吸收。综合对比T～T不同调理剂对土壤中镉的有效态影响程度，T调理剂降镉效果佳。

2.2 不同土壤调理剂对辣椒生长及镉含量的影响

2.2.1 辣椒生长。

叶绿素作为植物光合作用的反应场所，为电子传递与光合磷酸化提供了环境。辣椒生长期和成熟期叶片的叶绿素含量结果表明（图3），添加土壤调理剂的试验组在生长期的叶绿素含量均高于对照组，最高可达41.39。成熟期由于辣椒生长速度减慢，叶绿素含量有所降低，但试验组叶绿素含量仍高于对照组。T～T试验组生长期叶绿素涨幅为2.79%～11.74%，成熟期涨幅2.19%～11.05%。土壤调理剂的添加，减轻了辣椒在高镉胁迫条件下发生的光合色素降解反应，降低了镉对光系统 Ⅰ 和 Ⅱ 的破坏程度。

研究表明，随着镉胁迫时间的延长和镉离子浓度的增加，农作物株高变矮。辣椒植株株高统计结果显示（图4），添加土壤调理剂的试验组植株株高均高于空白对照组，增长幅度为2.55%～19.03%，其中T、T、T增长较为明显。可见土壤调理剂的施用促进了辣椒植株生长，对镉胁迫下农作物的生长起到了缓解作用。

2.2.2 辣椒果实及植株镉含量。

依据中华人民共和国《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017），辣椒镉超标的标准限制为0.1 mg/kg。成熟期辣椒果实和地上部植株中镉含量分析结果表明（图5），辣椒植株中镉含量除T相对于空白对照组有升高趋势，其余处理均呈不同程度的下降，下降幅度在24.00%～64.25%，下降程度最低为T處理，下降程度最高为T处理。总体而言，T调理剂施用对辣椒果实和植株中镉含量降低效果最优。

从图5可以看出，除对照组镉含量超过国家标准，添加土壤调理剂的试验组辣椒果实镉含量均在食品安全范围以内，且远低于超标限值，镉含量下降幅度为76.35%～90.27%。其中T试验组镉降幅最大，达到90.27%，其次为T和T试验组，分别达到86.06%和85.50%，可见土壤调理剂的添加能有效降低辣椒果实中镉的吸收积累。

为衡量农作物从土壤中吸收镉元素的能力，定义镉的生物富集系数（BCF）=辣椒中镉含量/土壤中镉含量×100%，BCF越大，农作物对重金属富集能力越强。辣椒镉生物富集系数分析结果表明，空白对照组BCF为31.99%，T～T处理组BCF为4.97%～16.09%，T处理组辣椒镉的生物富集系数最低。可见土壤调理剂的施用明显降低了辣椒对土壤中镉的吸收，尤其是T处理，降低了镉元素从土壤到果实中的迁移。

2.3 辣椒镉含量与土壤总镉、有效镉及不同形态镉相关性分析

辣椒镉含量与土壤总镉、有效镉以及不同形态镉之间相关关系表明，辣椒果实中镉含量与土壤总镉呈极显著正相关（r=0.81，P＜0.01），与土壤有效镉含量呈极显著正相关（r=0.82，P＜0.01）；另一方面，恩施地区土壤中总镉与有效镉之间呈极显著正相关（r=0.84，P＜0.01），可见高镉土壤中重金属的含量能直接影响农作物中重金属的含量，土壤中重金属含量高的地方，有效镉含量也高，从而种植出来的农作物重金属含量也随之升高。

辣椒镉含量与水溶态镉呈显著正相关（r=0.68，P＜0.05），与碳酸盐结合态镉呈显著正相关（r=0.75，P＜0.05），说明辣椒在吸收土壤中水溶态镉的同时，也会对碳酸盐结合态镉进行吸收。主要是由于水溶态镉可以直接被吸收利用，而碳酸盐结合态镉对pH较为敏感，容易重新释放而重新被植物吸收利用所导致。可见恩施高镉地区进行农作物安全种植不仅要降低能被植物直接利用的水溶态和离子交换态镉活性，还可以通过提高土壤pH等手段降低对具有潜在风险的碳酸盐结合态镉含量。

3 结论

（1）土壤调理剂的施用能明显降低辣椒果实中镉含量，低于《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）标准，总体以T（12.99%小麦秸秆生物炭+6.49%过磷酸钙+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%贝壳粉）土壤调理剂效果最佳。

（2）除生长期T和T处理组外，其余处理均不同程度地提高了土壤pH，添加生物炭（T～T）比菜籽粕（T～T）试验组提升土壤pH效果更好。

（3）土壤调理剂的施用能明显降低可交换态和碳酸盐结合态镉含量，并且促使镉向农作物不可利用的铁锰结合态和残渣态转变，致使可供农作物直接利用的镉含量减少，降低了农作物对土壤中镉的吸收，对比T～T不同调理剂对土壤中镉的钝化效果，T为对辣椒降镉效果最好的调理剂。

（4）施用土壤调理剂后无论是植株叶片叶绿素含量还是植株株高，所有试验组（T～T）均呈现不同程度的升高。可见土壤调理剂的添加，增加了植物叶片的光合速率，促进了植株的生长。

（5）辣椒在吸收土壤中水溶态镉的同时，也会对碳酸盐结合态镉进行吸收。恩施高镉地区进行农作物安全种植不仅要降低能被植物直接利用的水溶态和离子交换态镉活性，还需降低对具有潜在风险的碳酸盐结合态镉含量。

参考文献

[1]高宇，程潜，张梦君，等.镉污染土壤修复技术研究[J].生物技术通报，2017，33（10）：103-110.

[2]吴施萌.浅谈土壤重金属污染现状、原因、危害及修复[J].生态环境与保护，2020，3（1）：7-8.

[3]程水源，张祖清，陈普亮，等.恩施州硒产业发展的成效、问题、机遇与对策[J].湖北农业科学，2017，56（16）：3009-3013.

[4]袁知洋，郑金龙，戴光忠，等.恩施富硒土壤区土壤硒镉与其理化性质关系研究[J].西南农业学报，2019，32（8）：1852-1859.

[5]ZHANG Q，ZHANG L，LIU T T，et al.The influence of liming on cadmium accumulation in rice grains via iron-reducing bacteria[J].Science of the total environment，2018，645：109-118.

[6]LIU C，WANG L，YIN J，et al.Combined amendments of nano-hydroxyapatite immobilized cadmium in contaminated soil-potato（Solanum tuberosum L.） system[J].Bulletin of environmental contamination & toxicology，2018，100（4）：581-587.

[7]SUN Y B，SUN G H，XU Y M，et al.Evaluation of the effectiveness of sepiolite，bentonite，and phosphate amendments on the stabilization remediation of cadmium-contaminated soils[J].Journal of environmental management，2016，166：204-210.

[8]LU K P，YANG X，GIELEN G，et al.Effect of bamboo and rice straw biochars on the mobility and redistribution of heavy metals （Cd，Cu，Pb and Zn）in contaminated soil[J].Journal of environmental management，2017，186（2）：285-292.

[9]谈敏，高海军，陈相波，等.辣椒吸收富集镉研究进展[J].长江蔬菜，2020（8）：45-48.

[10]余涛，杨忠芳，钟坚，等.土壤中重金属元素Pb、Cd地球化学行为影响因素研究[J].地学前缘，2008，15（5）：67-73.

[11]郭振，汪怡珂.鎘在环境中的分布、迁移及转化研究进展[J].环境保护前沿，2019，9（3）：365-370.

[12]张昊.土壤调理剂对水稻吸收累积镉的影响[D].长沙：湖南农业大学，2018.

[13]郜礼阳，林威鹏，张风姬，等.生物炭对酸性土壤改良的研究进展[J].广东农业科学，2021，48（1）：35-44.

[14]李红英，潘平，安晓骥，等.土壤和植物中重金属元素含量与土壤性质关系探讨[J].宁夏农林科技，2007，48（4）：14-15.

[15]刘恩玲，王亮.土壤中重金属污染元素的形态分布及其生物有效性[J].安徽农业科学，2006，34（3）：547-548，557.

[16]曹琦，沙洁，刘振亚，等.水氮耦合对苜蓿叶片叶绿素含量的影响[J].新疆农垦科技，2017，40（11）：37-38.

[17]龙应霞，刘荣鹏，刘洋.镉胁迫对水稻幼苗生长的影响[J].农业与技术，2020，40（18）：15-17.

[18]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会，国家食品药品监督管理总局.食品安全国家标准 食品中污染物限量：GB 2762—2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[19]林君锋，高树芳，陈伟平，等.蔬菜对土壤镉铜锌富集能力的研究[J].土壤与环境，2002，11（3）：248-251.