土壤改良劑對鎘向水稻中遷移轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

金華 魏祥東 鄒慧玲 楊慧敏

摘要 [目的]研究土壤改良劑對鎘向水稻中遷移轉(zhuǎn)運(yùn)的影響。[方法]選取重金屬鎘重度污染稻田進(jìn)行大田試驗(yàn)，研究8種鈍化劑對土壤中有效態(tài)鎘向水稻中遷移積累的影響，以及對土壤pH、水稻產(chǎn)量、稻米中鎘含量的影響。[結(jié)果]通過施入鈍化劑，能夠顯著降低土壤中鎘向水稻中遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，達(dá)到稻米中降鎘的目的，并且能夠?yàn)樗咎岙a(chǎn)增效。與CK相比，施入鈍化劑能夠提高土壤pH 1.3%～43%，降低土壤中鎘的活性；在對土壤有效態(tài)鎘方面，以納米螯合鐵最為明顯，最佳處理能夠顯著降低土壤鎘的有效性76.5%；在水稻產(chǎn)量方面，施入鈍化劑能夠提高水稻產(chǎn)量1.01%～9.43%；在稻米鎘含量方面，納米螯合鐵能夠顯著降低稻米中鎘含量，其降幅達(dá)66.98%～7856%。[結(jié)論]在8種鈍化劑中，復(fù)合微生物肥、制堿廢渣肥、微量元素調(diào)理劑、納米螯合鐵肥在重金屬鎘污染農(nóng)田治理中有良好的潛力。

關(guān)鍵詞 土壤改良劑；Cd；水稻；遷移運(yùn)轉(zhuǎn)；影響

中圖分類號 X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2018）31-0053-03

Abstract [Objective]To study the effect of soil conditioner on migration and transport of cadmium into rice.[Method]The heavy metal cadmium heavily polluted rice field was selected for field experiment to study the effects of eight passivators on the migration and accumulation of available cadmium in rice， and the effects on soil pH， rice yield and cadmium content in rice.[Result]The passivator could achieve the target of significantly reducing the Cd into the rice and rice yield. Compared with the CK， fertilization passivator could increase soil pH by 1.3%-4.3% and reduce the activity of Cd in soil. In terms of soil available cadmium， Nanochelated iron was the best passivator that reducing the effectiveness of soil cadmium by 76.5%. In terms of rice yield， fertilization passivator could increase rice yield by 1.01%-9.43%. In terms of cadmium content in rice， Nanochelated iron could significantly reduce cadmium in rice by 66.98%-78.56%.[Conclusion]Among eight passivators，compound microbial fertilizer，alkalimaking waste residue fertilizer，microelement conditioner and nanochelate iron fertilizer have good potential in the treatment of heavy mental cadmium contaminated farmland.

Key words Soil passivator；Cd；Rice；Migration and transport；Effect

隨著我國人口的不斷增加和生活水平的不斷改善，人們對糧食的需求量和糧食安全也更加重視，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生的水稻已經(jīng)超過2億t，占全球總糧食產(chǎn)量的1/3，由此可見，確保水稻的食用安全不容小視，成為我國的一大重任[1]。然而，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展往往帶來了環(huán)境問題卻是我國所不得不面對的重大問題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)田鎘污染面積約有13 000 hm 其中，最先發(fā)現(xiàn)鎘污染地區(qū)是在我國北方。以沈陽為例，1975年，沈陽市政府對水稻灌溉區(qū)土壤、稻米、灌溉水及人體健康等進(jìn)行全面調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灌溉水中鎘含量最高，達(dá)143 μg/L，約有330 hm2土壤屬于嚴(yán)重污染區(qū)，稻米中鎘含量高達(dá)1.06 mg/kg，如此高含量的重金屬超標(biāo)事件，引發(fā)了公眾的高度關(guān)注。在隨后的10年間，調(diào)查的土壤污染不斷增加，由于土壤污染，導(dǎo)致稻米中的重金屬含量，尤其是鎘含量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年的鎘大米產(chǎn)量就高達(dá)2 000萬t。盲目追求高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展，不斷地發(fā)展重工業(yè)，使得農(nóng)田灌溉水體中鎘污染。吳燕玉等[2]對鎘在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的遷移規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灌溉水的常年灌溉與蒸發(fā)是導(dǎo)致農(nóng)田重金屬不斷累積的重要原因之一。在水體中，鎘主要是以懸浮物的形式運(yùn)輸。

據(jù)2014年全國土壤污染調(diào)查公報(bào)數(shù)據(jù)顯示，我國土壤超標(biāo)率高達(dá)16.1%，其中土壤污染主要集中在東部地區(qū)[3]，污染區(qū)有東北老工業(yè)區(qū)、四川、湖北、湖南，其中最為嚴(yán)重的要屬湖南長株潭地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，以湖南地區(qū)為例，土壤中鎘的超標(biāo)率高達(dá)28%，其中主要集中在株洲、衡陽、婁底、永州等地區(qū)[4]。微生物是土壤結(jié)構(gòu)多樣性的關(guān)鍵因素，且對重金屬十分敏感，合適的重金屬含量不僅是微生物所必需元素，而且也能夠?qū)ν寥喇a(chǎn)生肥力效應(yīng)，但如果土壤中的重金屬超過了一定的限值，其中的微生物會由于環(huán)境的突然改變而失去其多樣性和活性，從而改變了原有的土壤結(jié)構(gòu)，微生物數(shù)量的降低和土壤酶的活性也有可能發(fā)生不可逆的惡性改變，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[5-9]。有研究表明[10]，在被重金屬污染的土壤中，對土壤中的3種重金屬（鉛、鋅、鎘）進(jìn)行形態(tài)提取后，其含量分別為800、880、8 mg/kg，對該污染土壤中的細(xì)菌群落、真菌數(shù)量進(jìn)行分析檢測，發(fā)現(xiàn)其數(shù)量分別降低了99%、93%和99%。

基于以上研究，筆者通過大田試驗(yàn)，在自然條件下，以湖南株洲重金屬復(fù)合污染地農(nóng)田為背景，研究8種土壤改良劑對土壤中鎘有效性和微生物群落多樣性的影響，在增強(qiáng)土壤微生物群落的同時(shí)降低土壤中的重金屬有效性，最終達(dá)到阻隔重金屬進(jìn)入水稻為目的，為今后利用改良劑治理農(nóng)田重金屬污染提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖南省株洲市某重金屬污染區(qū)。該地區(qū)由于20世紀(jì)50年代大量的冶煉、化工企業(yè)蓬勃興起，其產(chǎn)生的廢水通過當(dāng)?shù)睾恿髦迸畔娼?，?jīng)過數(shù)十年的積淀，4.3 km的河流重金屬污染成為湘江流域的“心腹大患”。由于污染時(shí)間長、程度深，導(dǎo)致當(dāng)?shù)剞r(nóng)田種出來的水稻重金屬含量普遍超標(biāo)，形成談鎘色變的鎘大米。

試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)區(qū)土壤為弱酸性（pH<6.0）壤土，土壤中重金屬鎘超過農(nóng)業(yè)用地的土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限值4.3倍，屬于鎘重度污染土壤。

1.2 供試材料及施肥方式

通過對該地區(qū)土壤理化性質(zhì)及重金屬含量分析，該試驗(yàn)選取以下土壤改良劑進(jìn)行土壤改良以及研究不同的施肥方式處理，具體信息如表2所示。

1.3 供試水稻

水稻品種為秈型兩系雜交水稻Y兩優(yōu)1號，全生育期平均133.5 d。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取湖南省株洲市某重金屬污染稻田進(jìn)行大田試驗(yàn)。每塊小區(qū)面積為50 m 每個(gè)小區(qū)間隔1 m，田梗用塑料布包裹防止漏水、串水。所有小區(qū)采取單排單灌。試驗(yàn)的土壤改良劑具有對鎘有鈍化效果，基施為在插秧前3 d施肥，且保持田間水量較少，防止改良劑的流失，葉面肥為稀釋后在灌漿期和孕穗期進(jìn)行噴施，噴施效果保證水稻葉片正反面沾滿霧滴，其他措施按常規(guī)處理，按當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣進(jìn)行田間N、P、K施肥管理及病蟲害防治等。

1.5 樣品采集與分析測定

在成熟期（10月15日）采集早稻和晚稻的稻谷和土壤樣品。土壤采集樣品時(shí)按梅花5點(diǎn)采樣法均勻采集土壤（0～20 cm處）樣品合并制成1個(gè)混合樣品。采集的土壤樣品放于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干過篩（0149 mm）后備用。稻谷樣品采集后于陽光下正常曬干水分后用礱谷機(jī)將米殼分離，用植物粉碎機(jī)將糙米粉碎裝密封袋保存。土壤pH采用電位法（水土比按2.5∶1.0）測定。土壤鎘的有效態(tài)按Tessier方法[11]操作，具體試驗(yàn)操作參照Cui等[12]的方法。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈍化劑對土壤pH的影響

由表3可知，正常處理（CK），土壤的pH隨著水稻的成熟，pH會略有升高，但都還是維持在偏酸性條件下，此時(shí)土壤中的H+能夠與鎘作為交換，土壤中鎘活性增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤中的鎘更容易向水稻中遷移[13] 。與CK相比，施撒石灰能夠顯著提高土壤的pH，數(shù)據(jù)顯示，能夠提高土壤pH幅度為1.3%～4.3%，從而降低土壤中鎘的有效性，有研究表明，主要是因?yàn)槭夷軌蛱峁㎡H-使土壤中的鎘起到鈍化作用[14-15]。與CK相比，處理①～處理④土壤的pH隨著水稻的成熟呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這可能是因?yàn)楣酀{期水稻需水量大，且南方灌溉水偏酸性，導(dǎo)致土壤pH也會降低，但到了成熟期水稻需水量減少，導(dǎo)致大部分水分流失或蒸發(fā)，導(dǎo)致土壤pH有所上升[16]。其中以處理③土壤pH漲幅最大，達(dá)19.9%。另外，處理①～處理④中含有微生物、堿渣等物質(zhì)，在作為基肥的同時(shí)，提高了土壤的pH，而處理⑤～處理⑧肥料呈一定酸性所致。但pH并不是影響水稻中鎘的關(guān)鍵因素，因此后續(xù)對水稻的產(chǎn)量及稻米中的鎘進(jìn)行了分析。

2.2 鈍化劑對土壤重金屬有效態(tài)的影響

由表4可知，空白對照中，隨著水稻的生長，其土壤中有效態(tài)鎘也隨之增加，特別是成熟期，有效鎘的增加直接導(dǎo)致土壤中的鎘進(jìn)入水稻中，造成稻米中鎘含量的超標(biāo)[17]。與CK相比，施入石灰后，土壤的pH上升，同時(shí)顯著降低了土壤有效態(tài)鎘含量，數(shù)據(jù)顯示，施入石灰能夠降低土壤中鎘含量6.1%～45.1%，說明土壤pH與鎘含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。與CK相比，處理①～處理④中鎘的有效態(tài)明顯降低，其降低幅度在6.0%～765%，說明微生物、堿渣、微量元素、鐵肥能夠顯著降低土壤中重金屬在各個(gè)時(shí)期向水稻中遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，有研究表明，微生物菌肥是由多種有益微生物經(jīng)過加工馴化而成[19]。微生物在土壤中能使得土壤的生化作用增強(qiáng)，增加土壤酶活性、呼吸強(qiáng)度、氨化作用強(qiáng)度[20-21]，其微生物菌肥能夠與土壤中的鎘形成穩(wěn)定的沉積物，減少土壤中可溶態(tài)鎘含量，從而減少水稻對鎘的吸收，最終達(dá)到降低稻米中鎘含量的作用[22]。堿渣能夠?yàn)橥寥乐刑峁┐罅康腛H-，而鎘能夠與OH-形成穩(wěn)定的氫氧化鎘沉淀，從而減少了土壤中鎘的含量[23]。微量元素是土壤中微生物所必需的元素之一，通過施入微量元素肥和鐵肥，能夠?qū)︽k形成競爭作用，從而降低土壤中鎘含量[24]。處理⑤～處理⑧中，礦物肥、中量元素肥、富硒肥、腐殖酸肥前期未對土壤中鎘的活性起到很好的抑制作用，有研究表明，腐殖酸能夠促進(jìn)水稻土鎘的溶出，提高了鎘在土壤溶液中可溶解性部分的含量[25]；鎘的富集轉(zhuǎn)移系數(shù)明顯強(qiáng)于硒，且土壤內(nèi)部>植物內(nèi)部[26]。但在成熟期通過噴施葉面肥，其土壤中的有效態(tài)鎘又有所降低，其原因可能是葉面肥增加了水稻對葉面肥的吸收，從而降低了鎘向水稻中的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.3 鈍化劑對水稻產(chǎn)量的影響

水稻產(chǎn)量是決定其農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的關(guān)鍵，與CK相比，施入石灰處理，水稻產(chǎn)量明顯上升，增幅達(dá)4.02%，這是因?yàn)槭以黾油寥纏H，增強(qiáng)了土壤堿解氮含量，增加土壤速效養(yǎng)分含量，且石灰能夠促進(jìn)水稻分蘗，提高水稻的有效穗數(shù)，增加每穗實(shí)粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，最終達(dá)到增產(chǎn)的目的[27]。由于對照土壤本身pH呈酸性，這時(shí)石灰的效應(yīng)顯得更為明顯，減輕了土壤的酸度，增加土壤養(yǎng)分，促進(jìn)水稻的快速生長。由表5可知，處理①～處理④中，水稻產(chǎn)量增幅達(dá)1.01%～9.43%，其大小順序?yàn)樘幚恝?處理②>處理④>處理③，說明微生物在土壤中起十分關(guān)鍵的作用，這與張淼等[28]的結(jié)果一致。處理⑤～處理⑧中，水稻產(chǎn)量降幅達(dá)0.63%～14.13%，其中降幅最大的為處理⑤，說明礦物肥在南方水稻產(chǎn)量有下降作用。有研究表明，腐殖酸含量較多的營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致水稻營養(yǎng)過剩而推遲結(jié)實(shí)，也可能是腐殖酸處理水稻產(chǎn)量下降的原因[29]。

2.4 鈍化劑對稻米鎘含量的影響

由表6可知，與CK相比，施加石灰處理對鎘的降幅達(dá)到26.6%，說明施入石灰能夠降低鎘向稻米中遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，石灰在中和土壤酸度的同時(shí)，也將鎘鈍化殘留在土壤中，形成穩(wěn)定的氫氧化鎘沉積物，減少有效態(tài)鎘含量。與CK相比，施加處理①～處理④的改良劑，能夠顯著降低稻米中鎘的含量，其中，以處理①最為顯著，降鎘幅度達(dá)到66.98%～78.56%，水稻中鎘含量大小關(guān)系依次為CK>處理①>處理②≈處理③>處理④，說明施加處理①～處理④改良劑對鎘向稻米中遷移有較好的抑制效果。與CK相比，處理⑤～處理⑧中稻米中鎘含量明顯升高，這與前面的土壤pH和水稻產(chǎn)量均形成了正相關(guān)關(guān)系，其稻米中的鎘含量增幅達(dá)0.19%～9.64%，其中以處理⑥效果最差。綜上所述，大田試驗(yàn)中，處理①～處理④改良劑能夠有效抑制鎘向水稻中的遷移，以微生物肥效果最佳，能夠明顯抑制鎘向稻米中的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程。

3 結(jié)論

（1）在水稻生育期內(nèi)，土壤pH隨著生長周期呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這與水稻在不同時(shí)期需水量有密切關(guān)系。

（2）通過施入鈍化劑，土壤中的有效態(tài)鎘明顯降低，其中鈍化效果最佳為納米螯合鐵肥。

（3）成熟期，土壤中的有效態(tài)鎘直接影響水稻對鎘的吸收量，其中以納米螯合鐵肥能夠有效阻隔鎘向稻米中遷移。

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