基于物质循环-元素迁移耦合的稻田土壤酸化和镉污染定量分析与评价

Soil and rice cadmium contamination are one of the most severe challenges in the acidic paddy rice cultivation area, and the safe utilization and remediation of cadmium contaminated soil being a major demand in southern China. Raising soil pH is one of the most commonly used strategies by applying alkaline substances to inactivating cadmium mobility. However, the unclear quantitative understanding on the effect of pH manipulation, especially the limited knowledge of interaction effects of cadmium amendment with field management, leading to a low efficiency and poor stability in the remediation of cadmium contaminated soils. In turn, the simultaneously realize of safe utilization and remediation of cadmium contaminated soil at regional scale were greatly restricted. Therefore, we planning to extent the dynamic model VSD+ based on the coupling mechanisms of mass balance and element partitioning to simulate the dynamic changes of cadmium in vegetation and in soil. Based on the extended model VSD+Cd, 1) the effects of different measurements on the risks of cadmium contamination are quantified, 2) the possibilities to achieve both of safe utilization and remediation of cadmium contaminated soil are studied, 3) the theoretical basis and technical guidance for safe production and remediation of regional-scaled cadmium contaminated soils are provided.

土壤镉污染和大米镉超标是我国南方酸性土壤水稻种植区目前面临的严峻问题之一。镉污染土壤的安全利用与修复已成为当下的重大需求。通过碱性物质改良土壤pH值，钝化镉活性，是目前镉污染土壤最常用的修复方法之一。目前对酸化改良效果定量研究较多，但模型定量研究较少，尤其缺乏与农艺措施的有机结合，以最大化修复效果，进而导致农田镉污染修复效率低、稳定性差，限制了区域尺度镉污染土壤的安全利用和改良。因此，本研究依托现有土壤酸化动态模型VSD+，耦合物质平衡和镉固液分配理论建立土壤-植株镉定量分析模型VSD+Cd，模拟长期农业管理及酸化改良条件下土壤、植株镉积累动态变化，定量评价不同措施对镉污染风险的影响，从农艺措施和酸化改良相结合的角度探讨镉污染镉污染土壤安全利用与改良的可能性，为实现区域尺度土壤镉污染改良及稻米安全生产提供理论依据和技术指导。

作为我国耕地重金属污染的首要污染物，土壤镉污染和大米镉超标是南方酸性土壤区面临的严峻问题之一，严重威胁粮食安全和人体健康，亟需探索镉污染土壤的安全利用与修复路径。大气酸沉降和不合理施肥导致的土壤酸化进一步加剧了稻米镉污染风险，改良酸性土壤降低镉的活性是目前最常用的修复方法之一。然而由于对相关过程缺乏定量研究，尤其是在如何与农业管理有机结合以最大化污染修复效果方面缺乏深入探索，导致农田镉污染修复效率低、稳定性差，进而限制了区域尺度镉污染土壤的安全利用和改良。本项目以湖南省祁阳县为案例，通过区域样品采集与调研，系统研究了祁阳县农田Cd污染的主要来源和去向并建立动态模型，较好地模拟了县域土壤和稻米Cd含量的动态变化，揭示了大气沉降是区域农田Cd污染最主要的来源（63%），作物收获是土壤Cd最主要的Cd移除途径（73%）。随后，应用多方法评估了祁阳县Cd污染风险，提出区域镉污染分区管理应参考人体健康风险的评估方法；并基于Cd污染输入输出平衡和固液分配理论，对县域农田Cd污染情况进行预测，结果显示，到2070年全县87%的农田土壤为“污染风险区”,67%的大米Cd含量将超过安全限值0.2 mg kg-1。最后，结合土壤酸化模型VSD+构建了Cd动态模型，结合情景分析方法，探索不同管理措施对土壤酸化改良和农田Cd污染的影响，提出区域农田Cd污染综合防控管理的最佳路径和分区管理策略：在土壤高Cd含量区域通过污染源防控技术，土壤酸化区域通过调节土壤pH来钝化土壤Cd向稻米Cd的转移，而酸化和Cd污染叠加区域则需污染源防控（例如沉降减排及秸秆移除）与酸化改良的有机结合，实现Cd污染农田的长期可持续安全利用。本项目结合农田管理措施与区域异质性，为区域农田土壤酸化防治及Cd污染治理提供有力的理论支撑和技术指导作用，对政策制定具有重要的参考价值。