“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)重金屬鎘的轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)特征*

張 帆 李海露 程凱凱

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“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)重金屬鎘的轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)特征*

張 帆 李海露 程凱凱

(湖南省土壤肥料研究所 長沙 410125)

重金屬鎘(Cd)通過污染的飼料和化肥而影響農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)而危害人體健康已經(jīng)成為食品安全和生態(tài)環(huán)境關(guān)注的焦點。為完善“稻鴨共生”系統(tǒng)的肥料和飼料管理, 建立合理的物質(zhì)產(chǎn)投結(jié)構(gòu)及降低重金屬Cd的生態(tài)毒理風(fēng)險, 在湖南省長沙市望城區(qū)桐林坳社區(qū)開展了2年田間試驗, 以常規(guī)稻作為對照, 采用投入產(chǎn)出法, 研究分析“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)重金屬Cd的轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)特征。結(jié)果表明, “稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)Cd輸入量為: 肥料>飼料>秧苗>雛鴨, 其中肥料Cd輸入主要是磷肥輸入。“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)Cd輸出主要是水稻籽粒Cd和成鴨Cd?！暗绝喒采鄙鷳B(tài)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的Cd主要是鴨糞Cd、雜草Cd、害蟲Cd及歸還給系統(tǒng)的水稻秸稈Cd和根系Cd。鴨所攝食的Cd主要來自鴨飼料, 大鴨飼料Cd輸入大于小鴨飼料Cd輸入。在“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)中重金屬Cd沿食物鏈的轉(zhuǎn)化、遷移過程以鴨糞Cd形式放大, 且鴨糞Cd高于鴨飼料Cd輸入。稻田土壤Cd輸出來看, “稻鴨共生”和常規(guī)稻作相比無顯著差異(0.05)。無論是常規(guī)稻作還是“稻鴨共生”, 水稻植株Cd含量次序為根>秸稈>籽粒。與常規(guī)稻作相比, “稻鴨共生”沒有增加水稻植株Cd含量和Cd積累。糙米和鴨肉鎘含量分別為0.033 mg·kg-1和0.008 mg·kg-1, 短期來看, “稻鴨共生”能夠提供安全無Cd污染的農(nóng)產(chǎn)品(鴨和稻米)。

“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng) 重金屬鎘 物質(zhì)產(chǎn)投結(jié)構(gòu) 食物鏈 稻田

鎘(cadmium, Cd)是一種蓄積性強(qiáng)、毒性強(qiáng)的生物非必需金屬元素, 易被生物體富集, 通過食物鏈危及動物和人體健康[1-3]。重金屬Cd通過污染飼料和化肥而影響農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)而危害人體健康, 已經(jīng)成為食品安全和生態(tài)環(huán)境關(guān)注的焦點[4-8]。

“稻鴨共生”以鴨子捕食害蟲代替農(nóng)藥、以鴨子踩食雜草代替除草劑、以鴨子糞便作為有機(jī)肥料代替部分化肥, 是一種典型的稻田種養(yǎng)結(jié)合和水土資源高效利用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。“稻鴨共生”生產(chǎn)模式中鴨田間所攝食的害蟲與雜草不能滿足其生長發(fā)育需求, 所以鴨對人工投入的飼料依存度高[9-12]。此外, 為保障水稻穩(wěn)產(chǎn), 不能盲目減少其肥料投入[9-13]。但“稻鴨共生”生產(chǎn)模式中人類投入的鴨飼料和化肥都可能帶入一定數(shù)量的重金屬Cd, “稻鴨共生”能否保障所提供的農(nóng)產(chǎn)品無重金屬污染風(fēng)險？“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)中的鴨子對土壤的擾動及鴨糞進(jìn)入土壤后對土壤物理化學(xué)條件產(chǎn)生直接、間接的影響, 進(jìn)而改變土壤中重金屬的生物有效性等問題[9-13], 是否影響水稻對重金屬Cd的吸收和積累？“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)Cd轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)是發(fā)生在水稻-鴨-土-水界面, Cd在水稻-鴨-土壤中的分布格局及循環(huán)特征可能會受到土壤Cd濃度及其化學(xué)形態(tài)、稻田雜草和昆蟲種類及數(shù)量、系統(tǒng)Cd投入、鴨繁殖生態(tài)及行為生態(tài)等多方面影響。目前國內(nèi)的研究主要集中在“稻鴨共生”對溫室氣體的影響效果及機(jī)理、病蟲草害的控制效果及機(jī)理、水體生態(tài)系統(tǒng)、土壤生態(tài)系統(tǒng)、水稻、“稻鴨共生”的效益、“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)C、N、P循環(huán)、“稻鴨共生”的加環(huán)研究(例如稻-鴨-萍、稻-鴨-泥鰍)等方面[9-13], 其研究結(jié)果均為我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的保護(hù)、該項技術(shù)的完善及推廣應(yīng)用提供了科技支撐。但是國內(nèi)有關(guān)“稻鴨共生”重金屬Cd的研究極少。

因此, 本文通過開展2年的田間定位試驗, 以每年早稻大田生育期為研究的時間邊界, 采用投入產(chǎn)出法(Input-Output Analysis, IOA), 定性與定量相結(jié)合, 通過監(jiān)測化學(xué)肥料、飼料、水稻秧苗、雛鴨、灌溉水等輸入物質(zhì), 水稻籽粒、成鴨等輸出物質(zhì), 鴨糞、雜草、害蟲、水稻秸稈及根系等系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)物質(zhì), 研究分析“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)重金屬Cd的轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)特征, 為完善“稻鴨共生”的肥料管理、食物鏈優(yōu)化管理、合理化物質(zhì)產(chǎn)投結(jié)構(gòu)及降低重金屬Cd的生態(tài)毒理風(fēng)險提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和自然條件

本研究分別于2014年和2015年的4—7月(早稻季)在湖南省長沙市望城區(qū)桐林坳社區(qū)(28°37′N, 112°80′E, 海拔100 m)肥力均勻的稻田進(jìn)行。該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候, 年平均氣溫17 ℃, 無霜期300 d, 年均降雨量1 400 mm。土壤類型為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土, 試驗前耕層0~20 cm土壤有機(jī)質(zhì)42.8 g·kg-1, 全氮2.77 g·kg-1, 全磷0.72 g·kg-1, 全鉀12.6 g·kg-1, 堿解氮401 mg·kg-1, 有效磷9.14 mg·kg-1,速效鉀264 mg·kg-1, pH為5.16, 土壤全鎘(Cd)為0.287 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

早稻品種為常規(guī)稻, 2014年為‘湘早秈45’, 2015年為‘湘早秈24’, 鴨品種為‘江南一號’水鴨。鴨飼料為國雄8548幼鴨鴨飼料和國雄8549肉仔鴨中后期配合飼料, 主要原料組成為: 玉米、豆粕、棉粕、菜粕、豆油、洗米糠、大米蛋白粉、食鹽、碳酸鈣、磷酸氫鈣、酶制劑、賴氨酸和蛋氨酸等。

1.3 試驗設(shè)計與栽培管理

1.3.1 試驗田地設(shè)置

2014年4月25日進(jìn)水泡田, 2015年4月27日進(jìn)水泡田。泡田3 d后, 機(jī)械旋地。然后將稻田分成6個面積均等的小區(qū)(四周留有保護(hù)行), 小區(qū)面積為448 m2。各小區(qū)四周均用高40 cm的不銹鋼鋼板鏈接隔開, 鋼板地下深埋20 cm, 田面上留20 cm, 以防止0~20 cm耕層土壤及各小區(qū)間肥水竄流。各小區(qū)均留有一可控制的進(jìn)水口和排水口, 田面水深根據(jù)鋼板上的刻度控制。早、晚稻均采用機(jī)械收獲(水稻機(jī)械收獲時秸稈還田), 早、晚稻移栽前采用小型旋耕機(jī)對試驗田各小區(qū)進(jìn)行旋耕, 每年的旋地和收獲不會改變試驗田地設(shè)置。

1.3.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)2個處理, 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計, 重復(fù)3次。各處理如下:

處理Ⅰ(常規(guī)稻作): 不放鴨, 水稻的整個生育期間根據(jù)田間病蟲害情況施用農(nóng)藥(早稻2次, 殺蟲劑為阿維殺蟲單, 殺菌劑為苯甲×丙環(huán)唑), 施用水田除草劑(早稻2次, 除草劑為芐×乙)。

處理Ⅱ(稻鴨共生): 每小區(qū)均放32只鴨(放鴨數(shù)量以675只·hm-2為標(biāo)準(zhǔn)), 在水稻的整個生育期間不施用農(nóng)藥和除草劑。

1.3.3 田間管理

早稻移栽時間均是每年的4月30日, 收獲時間分別是2014年7月17日和2015年7月10日。早稻插植密度均為20 cm×20 cm。每年早稻移栽前各處理小區(qū)均施入基肥, 基肥為尿素(含N量為46%)、過磷酸鈣(含P2O5量為12%)和氯化鉀(含K2O量為60%); 施用量尿素為167.5 kg·hm-2、過磷酸鈣為625 kg·hm-2、氯化鉀為150 kg·hm-2。每年早稻均在移栽7 d后追氮肥即尿素(含氮量為46%), 施用量為167.5 kg·hm-2。稻田灌溉水來自附近的自然水塘。各處理田面水均維持在10 cm, 當(dāng)田面水降至5 cm時稻田灌水。湖南早稻生育期短, 6月下旬以后稻田不再灌溉。

“稻鴨共生”小區(qū)四周用高120 cm的尼綸絲網(wǎng)做成圍欄, 以防鴨子外逃; 并在小區(qū)角落放置一鴨棚, 以便鴨子休憩和喂食, 同時防止鴨飼料進(jìn)入稻田土壤和水體。鴨放養(yǎng)期間根據(jù)田間餌料情況酌情補(bǔ)飼料。2014年早稻移栽23 d后即5月21日, “稻鴨共生”每小區(qū)均放入鴨齡為17 d, 體重為150 g左右的鴨子。2015年早稻移栽21 d后即5月19日, “稻鴨共生”每小區(qū)均放入鴨齡為20 d, 體重為190 g左右的鴨子。均在早稻成熟期收鴨。

試驗前種植制度為早稻-晚稻-冬閑, 試驗后種植制度為早稻鴨共生-晚稻-冬閑。每年晚稻施肥制度不變, 晚稻品種均為雜交稻‘岳優(yōu)9113’。

1.4 樣品的采集與測定方法

1.4.1 “稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)的界定

“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)重金屬Cd的轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)概念圖見圖1。本研究把“稻鴨共生”作為一個系統(tǒng), 以其經(jīng)營范圍為系統(tǒng)邊界, 包括農(nóng)田(土壤)、鴨2個亞系統(tǒng)。農(nóng)田亞系統(tǒng)(即土壤子系統(tǒng))以種植水稻的田塊為系統(tǒng)的空間邊界, 以水稻大田生育期為系統(tǒng)研究的時間邊界。

1.4.2 土壤

2014年4月24日和2015年4月26日(2015年是對各處理每重復(fù)小區(qū)采樣), 依據(jù)S形5點采樣法用內(nèi)徑20 mm的土鉆, 采集耕層土壤, 混勻風(fēng)干, 備用。土壤基礎(chǔ)理化性狀即全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH的測定方法參見《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[14]; 土壤全Cd的測定采用石墨爐原子吸收分光光度計法。

1.4.3 輸入物質(zhì)、輸出物質(zhì)及系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)物質(zhì)

肥料、飼料、水稻秧苗、雛鴨、灌溉水等輸入物質(zhì), 水稻籽粒、成鴨等輸出物質(zhì), 鴨糞、雜草、害蟲、水稻秸稈及根系等系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)物質(zhì)等樣品的采集方法參見張帆等[9-13]的研究。其中鴨樣本研究采用低溫冷凍干燥機(jī)處理。植株樣、飼料、雜草、害蟲、雛鴨及成鴨等樣品重金屬總Cd采用HNO3- HClO4消煮, 原子吸收分光光度計測定; 鴨糞樣總Cd和肥料Cd測定方法同土樣; 水樣總Cd含量采用美國PE公司的等離子體質(zhì)譜儀(型號為SCIEXElan 9000)進(jìn)行定量分析, 檢測限為0.005 mg·L-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果均以處理的3次重復(fù)分析的平均值來表示, 試驗數(shù)據(jù)采用DPS 7.05軟件統(tǒng)計分析。不同處理之間多重比較采用 Duncan新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 “稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)中鴨系統(tǒng)的重金屬Cd沿食物鏈的轉(zhuǎn)化、遷移特征

2014年早稻季, 入田鴨齡為17 d, 稻鴨共生50 d。由表1可見, 鴨子系統(tǒng)輸入的Cd中, 飼料帶入的Cd所占比例最大, 為96.04%; 鴨所食的稻田雜草Cd占3.95%。成鴨Cd輸出為1.42 mg(Cd)·hm-2, 占總輸出的0.42%; 鴨糞Cd占總輸出的99.58%。2015年早稻季, 入田鴨齡為20 d, 稻鴨共生39 d。由表1可見, 鴨子系統(tǒng)輸入的Cd中, 飼料帶入的Cd所占比例最大, 為99.65%; 鴨所食的稻田雜草Cd 僅占0.33%。成鴨Cd輸出為1.84 mg(Cd)·hm-2, 占總輸出的1.07%; 鴨糞Cd占總輸出的98.93%。

表1 “稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)中鴨子系統(tǒng)的Cd循環(huán)

鴨所攝食的飼料Cd和排泄的鴨糞Cd具體情況見表2。2014年早稻季, 小鴨飼料(國雄8548幼鴨飼料)Cd含量為0.033mg·kg-1(飼料Cd含量均是2次3個重復(fù)的檢測結(jié)果), 大鴨飼料(國雄8549中后期鴨飼料)Cd含量為0.133mg·kg-1; 鴨飼料Cd投入中小鴨飼料占18.03%, 大鴨飼料占81.97%。2015早稻季, 小鴨飼料Cd含量為0.034 mg·kg-1, 大鴨飼料Cd含量為0.087 mg·kg-1。鴨飼料Cd投入為中小鴨飼料占29.85%, 大鴨飼料占70.15%。

表2 不同稻鴨共生時間后“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)的鴨飼料和鴨糞的Cd含量

稻鴨共生期2014年為50 d, 2015年為39 d。Symbiotic period of rice and duck in the early rice-duck mutual ecosystem was 50 days in 2014, 39 days in 2015.

連續(xù)2年的試驗表明, “稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)以鴨糞排泄物的形式歸還給稻田土壤的Cd遠(yuǎn)大于鴨產(chǎn)品本身所固定的Cd量; 鴨所攝食的Cd主要來自鴨飼料, 且大鴨飼料Cd輸入大于小鴨飼料Cd輸入; 在早稻–鴨共生系統(tǒng)中重金屬Cd沿食物鏈的轉(zhuǎn)化、遷移過程被以鴨糞Cd形式放大, 鴨腸道代謝排泄的鴨糞Cd均高于鴨飼料Cd輸入。

本研究連續(xù)2年早稻季, 鴨所攝食的稻田害蟲Cd含量未檢測出。主要是因為試驗地當(dāng)年病蟲害發(fā)生僅為稻飛虱和卷葉螟, 無蝗蟲蟲害, 定期取的蟲樣生物量小。

2.2 “稻鴨共生”土壤系統(tǒng)的Cd循環(huán)

“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)的土壤系統(tǒng)Cd輸入輸出見表3。本研究中灌溉水定期取樣, 灌溉水未檢測出Cd含量, 遠(yuǎn)低于《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5084— 2005)中0.01 mg·L-1限量值[15]。每年投入的尿素和鉀肥也未檢測出Cd含量, 肥料Cd輸入主要是磷肥Cd(肥料Cd含量均是2次3個重復(fù)的檢測結(jié)果)。2014年磷肥Cd含量為0.60mg·kg-1, “稻鴨共生”和常規(guī)稻作磷肥Cd輸入均為375 mg(Cd)·hm-2。2015年磷肥Cd含量為0.33mg·kg-1, “稻鴨共生”和常規(guī)稻作磷肥Cd輸入均為206.25 mg(Cd)·hm-2。常規(guī)稻作土壤Cd輸入主要是磷肥和水稻秧苗帶入?！暗绝喒采蓖寥繡d輸入包括磷肥Cd、水稻秧苗Cd及鴨糞Cd; 因有鴨糞Cd輸入稻田土壤, 故Cd輸入量均高于常規(guī)稻作。本研究“稻鴨共生”土壤系統(tǒng)Cd輸出主要是水稻吸收的Cd量, 因2014年早稻蔸叢內(nèi)有未被鴨吃的稗草, 故土壤系統(tǒng)Cd輸出也包括雜草吸收的Cd量。從稻田土壤Cd輸出來看, “稻鴨共生”和常規(guī)稻作相比無顯著差異(>0.05)。

表3 “稻鴨共生”系統(tǒng)中早稻季土壤子系統(tǒng)Cd循環(huán)

“稻鴨共生”對成熟期水稻不同器官Cd含量的影響見表4。2014年試驗前土壤Cd含量為0.287 mg·kg-1, 2015年試驗前常規(guī)稻作處理土壤Cd含量為0.307 mg·kg-1, “稻鴨共生”處理土壤Cd含量為0.297mg·kg-1, “稻鴨共生”和常規(guī)稻作相比無顯著差異(>0.05)。2014年“稻鴨共生”土壤系統(tǒng)Cd的輸入輸出平衡狀況不同于2015年, 原因可能是2014年氣溫偏低水稻減產(chǎn)和早稻品種不同進(jìn)而對Cd吸收不同引起的[16]。2015年成熟期水稻不同器官Cd含量均高于2014年, 原因有待于進(jìn)一步研究分析。連續(xù)2年的試驗表明, 無論是常規(guī)稻作還是“稻鴨共生”, 水稻植株Cd含量次序為根>秸稈>籽粒; “稻鴨共生”沒有增加水稻植株Cd含量和Cd積累。

表4 “稻鴨共生”對早稻成熟期不同器官Cd含量的影響

同一年份同列不同字母表示在5%水平上差異顯著, 下同。Different letters in a column denoted significant difference at 5% in the same year. The same below.

2.3 “稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)Cd循環(huán)

以早稻大田生育期作為系統(tǒng)的研究時間邊界, 常規(guī)稻作和“稻鴨共生”系統(tǒng)的Cd輸入輸出及歸還情況見表5。連續(xù)2年的試驗表明, “稻鴨共生”系統(tǒng)Cd的輸入高于常規(guī)稻作, 主要是因為“稻鴨共生”系統(tǒng)因次級生產(chǎn)鴨的引入而增加了飼料投入, 進(jìn)而有飼料Cd輸入系統(tǒng)。“稻鴨共生”系統(tǒng)Cd輸入中肥料Cd>飼料Cd>秧苗Cd>雛鴨Cd。湖南雙季稻區(qū)水稻生產(chǎn)采用機(jī)械收獲, 水稻秸稈均就地還田?！暗绝喒采毕到y(tǒng)Cd的歸還包括鴨糞Cd、水稻秸稈Cd及根Cd。

表5 “稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)Cd循環(huán)

“稻鴨共生”系統(tǒng)Cd輸出包括稻谷和鴨。2014年和2015年成鴨Cd含量分別為0.007mg·kg-1和0.008 mg·kg-1, 成鴨Cd輸出分別占總輸出的13.12%和1.25%?！暗绝喒采睂Φ久缀网咰d含量的影響見表6。與常規(guī)稻作相比, “稻鴨共生”顯著降低了糙米Cd含量(<0.05)。糙米和鴨產(chǎn)品Cd含量均未超過食品Cd限量標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg·kg-1, 無重金屬Cd的污染風(fēng)險。短期來看, 早稻季“稻鴨共生”能夠提供安全無Cd污染的農(nóng)產(chǎn)品[17]。

表6 “稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)水稻籽粒和成鴨的Cd含量(2015年)

3 討論

重金屬通過施肥、灌溉和大氣沉降等途徑間接或直接進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 當(dāng)重金屬積累到一定程度、超過土壤自凈化能力時, 土壤的生態(tài)服務(wù)功能將降低, 進(jìn)而對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全產(chǎn)生影響, 重金屬通過食物鏈和污染地表水、地下水等方式危害人類的健康和生命[4-5,18-19]?；诂F(xiàn)代飼料工業(yè)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)普遍使用抗生素和含有Cd、Pb、Zn、Cu等重金屬元素的飼料添加劑, 飼料中的添加劑絕大部分隨畜禽糞便排出體外, 由于生物的重金屬富集作用, 致使禽畜糞便中的重金屬含量又要比飼料中的要高, 而隨糞便排入外界環(huán)境的重金屬對土壤、水體、農(nóng)作物甚至人類生存構(gòu)成威脅[6-8]。本研究得出“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)中Cd輸入主要來自磷肥和鴨飼料, 鴨排泄的鴨糞Cd高于鴨飼料Cd輸入; “稻鴨共生”因次級生產(chǎn)鴨的引入, 比常規(guī)稻田生態(tài)系統(tǒng)增加了飼料Cd輸入的風(fēng)險。因此, 如何提高飼料和肥料的生產(chǎn)原料質(zhì)量, 改進(jìn)飼料和肥料生產(chǎn)工藝及技術(shù)來減少飼料和肥料中重金屬Cd的含量, 仍是亟需解決、任重道遠(yuǎn)的重金屬源頭阻控技術(shù)。短期來看, 早稻季“稻鴨共生”能夠提供安全無Cd污染的農(nóng)產(chǎn)品(鴨和稻米); “稻鴨共生”沒有增加水稻植株Cd含量和Cd積累。從長遠(yuǎn)利益看, 應(yīng)限制或杜絕有重金屬污染特別是重金屬Cd含量超標(biāo)的農(nóng)業(yè)投入品(即飼料和肥料)進(jìn)入“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)中, 從田間源頭控制以降低“稻鴨共生”生產(chǎn)模式因Cd污染所引起的生態(tài)環(huán)境危害和農(nóng)產(chǎn)品安全風(fēng)險。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的增產(chǎn)措施之一, 無機(jī)氮肥一般不會有重金屬污染土壤的問題, 但氮肥影響土壤根際pH, 且氮肥組分對Cd的絡(luò)合作用和陽離子對土壤膠體上Cd的置換作用, 致使氮肥施入土壤后會影響Cd在土壤中的生物活性, 進(jìn)而影響植物對Cd的吸收[20]?！暗绝喒采鄙a(chǎn)模式在湖南雙季稻區(qū)的推廣應(yīng)用中, 農(nóng)民還是希望水稻、鴨都高產(chǎn)豐產(chǎn)以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收入。為保障水稻穩(wěn)產(chǎn), 筆者研究得出“稻鴨共生”不能盲目減少其肥料投入[9-13]。筆者建議: 要從現(xiàn)代的食品安全消費理念和生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識引領(lǐng)和提升“稻鴨共生”生產(chǎn)模式, 從物質(zhì)產(chǎn)投結(jié)構(gòu)的優(yōu)化管理上控制和防范重金屬污染,科學(xué)地減少“稻鴨共生”系統(tǒng)肥料投入, 用安全無公害農(nóng)產(chǎn)品的市場價格來增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益, 促進(jìn)“稻鴨共生”健康持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好的永續(xù)經(jīng)營。

本研究是定量識別“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)重金屬Cd的轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)特征, 定性分析“稻鴨共生”對水稻植株及鴨產(chǎn)品Cd含量的影響, 研究存在很多不足之處。今后還需開展重金屬Cd在“稻鴨共生”系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理, 以明確Cd在該系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化的主要因素, 如土壤理化及生物學(xué)特性、肥料和飼料類型和用量、水稻品種、與其他金屬元素含量的相關(guān)性、鴨糞Cd及賦存形態(tài)等。重金屬Cd具有的環(huán)境行為、生態(tài)效應(yīng)和對環(huán)境危害大小更大程度上取決于其形態(tài)分布, 尤其是具有生物有效性形態(tài)的含量、存在比例及其遷移轉(zhuǎn)化能力[21-23]?！暗绝喒采笔欠窀淖兞送寥缹χ亟饘貱d的固持作用？今后需要更深入的探討和研究長期的“稻鴨共生”對稻田土壤Cd及其賦存形態(tài)的影響。

4 結(jié)論

“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)Cd輸入中, 肥料Cd>飼料Cd>秧苗Cd>雛鴨Cd。肥料Cd輸入主要是磷肥輸入?！暗绝喒采币曾喖S排泄物的形式歸還給稻田土壤的Cd遠(yuǎn)大于鴨產(chǎn)品本身所固定的Cd量; 鴨所攝食的Cd主要來自鴨飼料, 大鴨飼料Cd輸入大于小鴨飼料Cd輸入, 鴨腸道代謝排泄的鴨糞Cd高于鴨飼料Cd輸入。與常規(guī)稻作相比, “稻鴨共生”沒有增加水稻植株Cd含量和Cd積累。短期來看, 早稻季“稻鴨共生”能夠提供安全無Cd污染的農(nóng)產(chǎn)品(鴨和稻米)。

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Characteristics of heavy metal (cadmium) transformation, migration and cycling in rice-duck mutual ecosystem*

ZHANG Fan, LI Hailu, CHENG Kaikai

(Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125, China)

Heavy metal pollution has been being the subject of attention because it endangers food security and agro-ecological environment. Raising ducks in paddy fields is a Chinese traditional agriculture mode of integrated planting and breeding in paddy fields in subtropical regions. Neither chemical pesticides nor herbicides are applied throughout the growing season in the mutual rice-duck ecosystem and surface water is maintained about 10 cm depth during the period of raising ducks. Field experiments on Cd transformation, migration and cycling in mutual rice-duck ecosystems were conducted in 2014–2015 in double cropping rice regions in Hunan Province and a conventional rice field used as the control. The aim of the experiment was to explore heavy metal pollution risk of products of rice-duck mutual ecosystem, and provide

for adjustment and improvement of management strategies of fertilizer and feed, optimization of food chain, input-output structure rationalization and Cd pollution control of the rice-duck mutualism. In 2014, 17-day-old ducks were introduced into the paddy field (at a holding capacity of 675 ducks per hectare) 23 days after early rice seedling transplanting; in 2015, 20-day-old ducks were introduced into the paddy field (at a holding capacity of 675 ducks per hectare) 21 days after early rice seedling transplanting. The ducks were retrieved at the end of heading stage of early rice in the experiments in both years. Input-Output Analysis method was used to analyze heavy metal Cd cycling in the mutual rice-duck ecosystem using collected data in field experiments. Input included materials embodied in fertilizers, feed, seedling, duckling and irrigation, while output covered seed and duck in the rice-duck mutualism. The return materials consisted of feces, rice straw, rice root, weeds and insects. The results showed that Cd input in the mutual rice-duck ecosystem decreased in the order of fertilizer > feed > rice seedling > duckling. Fertilizer Cd input was mainly from phosphate fertilizer, duck Cd input was mainly from duck feed, and matured duck feed Cd input was greater than duckling feed Cd input. Cd cycling inner the ecosystem was from duck feces, weeds and insects transforming to rice straws and roots. In the mutual rice-duck ecosystem, heavy metal Cd was amplified along food chain transformation. The migration process of duck feces Cd input was higher than that of duck feed Cd input.For both rice-duck mutual ecosystem and conventional rice system, the order Cd contents of rice organs was root > straw > seed. Compared with conventional rice cultivation, rice-duck mutualism did not increase Cd content and accumulation in rice plants. Cd output of paddy soil under rice-duck mutualism and conventional rice cultivation was not significantly different (> 0.05). For rice-duck mutual ecosystem, the contents of Cd in brown rice and duck were 0.033 mg·kg-1and 0.008 mg·kg-1, respectively, lower than the limit standard of food Cd content. In the short-term, mutualrice-duck ecosystems provided a safe and non Cd contaminated mode of agricultural production.

Rice-duck mutual ecosystem; Heavy metal Cd; Input-output structure; Food chain; Paddy field

10.13930/j.cnki.cjea.160237

S344; X952

A

1671-3990(2016)09-1206-08

2016-03-13 接受日期: 2016-04-25

* 國家自然科學(xué)基金項目(31300372)和國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B03)資助

張帆, 主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)和耕作制度研究。E-mail: zhangfan898@sina.com

* This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (31300372) and the National Key Technology R&D Program of China (2012BAD14B03).

Corresponding author, ZHANG Fan, E-mail: zhangfan898@sina.com

Mar. 13, 2016; accepted Apr. 25, 2016