?有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑對中稻的降鎘效應(yīng)?

摘 要：為了解施有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑在中稻田的降鎘（Cd）效果，選取湘東典型的紫泥田，連續(xù)2 a施商品有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑，監(jiān)測中稻植株、土壤中Cd含量以及土壤理化性質(zhì)的動態(tài)變化，研究施有機(jī)肥和調(diào)理劑對中稻生態(tài)系統(tǒng)的整體降Cd效應(yīng)。結(jié)果表明：2015年施有機(jī)肥降低糙米Cd含量38%，施用土壤調(diào)理劑效果不明顯，但施有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑提高了稻草Cd含量18%和64%，2016年施用有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑分別降低糙米Cd含量12%和38%;除2016年施有機(jī)肥齊穗期的結(jié)果外，土壤有效態(tài)Cd含量在分蘗期和齊穗期呈下降趨勢，但在黃熟期有升高的趨勢，最高升高幅度達(dá)14%;施有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑還分別提升土壤pH值0.05～0.52個單位和0.29～0.87個單位，具有實(shí)現(xiàn)中稻田稻米降Cd，酸化水稻土改良的“雙贏”效果。

關(guān)鍵詞：有機(jī)肥; 土壤調(diào)理劑;水稻;土壤鎘污染

中圖分類號：X144 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）11-0042-04

Effects of Organic Fertilizer and Soil Conditioner on Cadmium Reduction in

Middle-season Rice

XUE Yi1，SHENG Hao1，ZHANG Liang1，DUAN Liang-xia1，SONG Da-qing2，HUANG De-zhi1，ZHOU Qing1

（1. Institute of Soil Science， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC; 2. Soil and Fertilizer Station of Zhuzhou City，

Zhuzhou 412000， PRC）

Abstract： In order to understand the effect of applying organic fertilizer and soil conditioner on reducing cadmium （Cd） in middle-season paddy field， a typical purple mud field in eastern Hunan Province was selected to apply commercial organic fertilizer and soil conditioner for two consecutive years to monitor the dynamic changes of Cd content and soil physical and chemical properties in middle-season rice plants and soils， and to study the overall Cd reduction effects of applying organic fertilizer and soil conditioner on rice ecosystem. The results showed that the application of organic fertilizer reduced the Cd content of brown rice by 38% in 2015， while the application of soil conditioner had no obvious effect. However， the application of organic fertilizer and soil conditioner increased the Cd content of rice straw by 18% and 64%， and the application of organic fertilizer and soil conditioner reduced the Cd content of brown rice by 12% and 38% in 2016， respectively. In addition to the results of full heading stage of organic fertilizer application in 2016， the available Cd content in soil decreased at tillering stage and full heading stage， but increased at yellow ripening stage， with a maximum increase of 14%. The application of organic fertilizer and soil conditioner also increased the soil pH value by 0.05-0.52 units and 0.29-0.87 units respectively， which had the \"win-win\" effect of reducing Cd and improving acidified paddy soil.

Key words： organic fertilizer; soil conditioner; rice; soil cadmium pollution

鎘（Cd）作為動、植物非必需的痕量重金屬元素，因毒性高、難以被環(huán)境微生物降解和可通過食物鏈富集，并對人體健康產(chǎn)生潛在的威脅而受到廣泛關(guān)注[1]。南方植稻形成的水稻土酸性較強(qiáng)，土壤中Cd的有效性較高，水稻生長期間植株較容易吸Cd，在稻米中相對容易富Cd[2]。傳統(tǒng)農(nóng)藝措施（如施有機(jī)肥、石灰、灌排水）因成本低、易操作和推廣，在Cd污染耕地治理上應(yīng)用廣泛。盆栽試驗(yàn)表明，黃泥田施有機(jī)肥不僅降低糙米Cd含量27%～53%，也降低土壤有效態(tài)Cd含量21%～34%。大田試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，早稻施有機(jī)肥（污泥與豆餅、雞糞混合堆制）降低糙米Cd含量17%，還提高水稻產(chǎn)量23%[3];一季稻施生物有機(jī)肥分別降低糙米和土壤有效態(tài)Cd含量22%和17%[4]。此外，大田施土壤調(diào)理劑（225 kg/hm2）導(dǎo)致早稻與晚稻米Cd含量分別下降29%和25%[5]。但是，華南地區(qū)32 a長期定位研究發(fā)現(xiàn)，施有機(jī)肥（30%有機(jī)質(zhì)和70%化肥）導(dǎo)致早稻和晚稻黃熟期土壤有效態(tài)Cd含量分別提高0.073和0.137 mg/kg，這可能是由于施用的有機(jī)肥中含有高含量的Cd，長期施入導(dǎo)致土壤中有效態(tài)Cd積累[6]。由此看來，農(nóng)藝措施對Cd污染土壤的修復(fù)效果并不完全一致，特別是施有機(jī)肥、調(diào)理劑對水稻生態(tài)系統(tǒng)（植株、土壤）整體的降Cd效應(yīng)仍有待深入、系統(tǒng)地研究。

湖南省水稻播種面積和產(chǎn)量常年位居全國首位，其稻米生產(chǎn)影響全省乃至全國的糧食安全。鑒于此，研究選取湘東典型的中稻田（紫泥田），連續(xù)2 a施用商品有機(jī)肥和調(diào)理劑，采集水稻不同生育期的土壤和植株樣品進(jìn)行分析，研究2種農(nóng)藝措施對中稻的短期降Cd效應(yīng)，為Cd污染耕地土壤的治理和修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湘東的株洲市株洲縣，地貌屬湘江中游典型低丘崗地。氣候?qū)俚湫椭衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候。據(jù)縣氣象站資料，年均氣溫17.5℃，年均降雨量

1 389 mm。土壤為起源于紫色頁巖的紫泥田土種。據(jù)調(diào)查，耕作層較淺?。?～12 cm），耕層質(zhì)地黏壤土，pH值為5.06，土壤有機(jī)質(zhì)含量41.59 g/kg，全氮含量1.96 g/kg，全磷含量0.93 g/kg，全鉀含量27.30 g/kg[7]。樣地長期種植中稻，試驗(yàn)期間品種為低Cd吸收品種湘晚秈13號。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

2015年3月春耕前，在地勢較平坦區(qū)域選取面積較大（>1 500 m2）、形狀較規(guī)整，種植歷史清晰的田塊作為監(jiān)測點(diǎn)，中間修筑田埂將田塊一分為二，一半為處理（施有機(jī)肥或調(diào)理劑），另一半為對照。田埂高約30 cm，用塑料薄膜包被，同時修筑單排單灌溝渠，避免串灌。在翻耕、整地時，撒施商品有機(jī)肥（2.25 t/hm2）和土壤調(diào)理劑（3 t/hm2）。有機(jī)肥采用2014年當(dāng)?shù)卣袠?biāo)產(chǎn)品（有機(jī)質(zhì)含量≥45%、N+P2O5+K2O≥5%），土壤調(diào)理劑為市場主流的無機(jī)型產(chǎn)品（N+P2O5+K2O=8%、有效鈣≥20%、有效鎂≥12%），呈堿性，pH值介于10～12。水稻生育期內(nèi)，保持插秧至水稻黃熟期前全程淹水管理。由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)習(xí)慣，在水稻收獲前半個月落干排水。其余農(nóng)藝管理措施（耕作、施肥和病蟲害）按當(dāng)?shù)亓?xí)慣方式進(jìn)行。當(dāng)?shù)亓?xí)慣采用“一基一追”施肥法，其中基肥為30%復(fù)合肥（18∶5∶7）40 kg/hm2，追肥為尿素5 kg、氯化鉀5 kg，養(yǎng)分總投入量折算成純N、P2O5和K2O分別為9.5、2.0和5.8 kg。

1.3 樣品采集與分析

水稻移栽后，在水稻不同生育期（分蘗盛期、孕穗期、齊穗期和黃熟期），按“S”取樣法，采用自制非金屬土鉆分別采集處理和對照小區(qū)耕層混合土樣;在水稻黃熟期，收獲水稻地上部分。采集的土壤和植株樣品，帶回室內(nèi)后，土壤經(jīng)風(fēng)干，過10目、60目和100目尼龍篩備用;植株經(jīng)脫粒、烘干后，稻草剪碎、充分磨細(xì)、過篩后備用;稻谷經(jīng)脫殼后，制成糙米，磨細(xì)后備用。土壤總Cd含量采用硝酸-雙氧水-氫氟酸消解，ICP-MS測定;稻草和糙米Cd含量采用硝酸-雙氧水消解，ICP-MS測定;土壤有效態(tài)Cd采用醋酸銨提取，ICP-MS測定;土壤pH值采用電位法（液土比2.5∶1）測定。采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和制圖。

2 結(jié)果分析

2.1 施有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑對水稻植株的降Cd效果

2015年施有機(jī)肥糙米Cd含量降低38%，施土壤調(diào)理劑效果不明顯;2016年施有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑，糙米Cd含量分別降低12%和38%（圖1）。但2015年施有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑，稻草Cd含量提高64%和18%，這可能與糙米中Cd轉(zhuǎn)運(yùn)到稻草中積累有關(guān)。雖然糙米Cd含量的年際波動大（2015年0.486～0.795 mg/kg，2016年0.883～2.086 mg/kg），但是其最低值仍超出國家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg/kg）。

2.2 施有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑對土壤的降Cd效應(yīng)

由圖2可知，連續(xù)2 a施有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑對土壤總Cd含量并無顯著影響。除2016年施有機(jī)肥齊穗期的結(jié)果外，土壤有效態(tài)Cd含量在水稻分蘗盛期和齊穗期有所下降，且在水稻齊穗期，土壤有效態(tài)Cd含量降幅相對最高（11%～16%）;但是，在黃熟期土壤有效態(tài)Cd含量有升高的趨勢，最高升高幅度達(dá)14%，黃熟期土壤有效態(tài)Cd含量的升高可能與水稻收獲前的排水落干管理有關(guān)。施有機(jī)肥和對照的土壤有效態(tài)Cd含量分別介于0.518～0.611和0.575～0.655 mg/kg，土壤調(diào)理和對照土壤有效態(tài)Cd含量介于0.588～0.684和0.600～0.688 mg/kg。

2.3 施有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑對土壤pH值的影響

除2016年齊穗期外，連續(xù)2 a施有機(jī)肥對土壤pH值有一定的提升作用，pH值提升0.05～0.52個單位，其中對照土壤pH值介于4.05～4.94，施有機(jī)肥處理土壤pH值介于4.30～5.32（圖3）。除2015年齊穗期外，連續(xù)2 a施土壤調(diào)理劑對土壤pH值的提升作用更為明顯，pH值提升0.29～0.87個單位，其中對照土壤pH值介于4.33～5.88，施土壤調(diào)理劑處理土壤pH值介于4.62～6.59。這可能與土壤調(diào)理劑屬堿性物質(zhì)（pH值范圍10～12）有關(guān)。

3 討 論

通常，施有機(jī)肥能降低稻米Cd含量。江巧君等[8]

針對2種不同基因型水稻的盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施以牛糞為主的有機(jī)肥在第1年和第2年精米Cd含量分別降低26%和28%，原因可能是有機(jī)肥投入后土壤有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd比例提高，從而降低稻米對Cd的吸收量。方雅瑜等[9]在大田試驗(yàn)中，施有機(jī)肥降低雙季稻糙米Cd含量23%～25%，同時降低土壤有效態(tài)Cd含量4%～14%。個別的水稻長期定位試驗(yàn)表明，施有機(jī)肥（氮、磷、鉀肥和豬糞）大幅提高糙米Cd含量達(dá)8倍，這可能與有機(jī)肥施用后土壤總Cd和有效態(tài)Cd含量升高有關(guān)[10]。研究中，連續(xù)2 a大田施商品有機(jī)肥降低糙米Cd含量12%～38%，這與水稻生育期（除黃熟期外）土壤有效態(tài)Cd含量下降5%～16%基本一致（圖2），表明施有機(jī)肥對土壤Cd有一定的鈍化作用，可能降低稻米中Cd積累量。一些盆栽、大田試驗(yàn)也表明，施有機(jī)肥能較大幅度地降低土壤有效態(tài)Cd含量（34%和31%），原因可能是有機(jī)肥投入后，土壤Cd與有機(jī)質(zhì)配位絡(luò)合的機(jī)會增加，導(dǎo)致土壤有效態(tài)Cd移動性降低[11-12]。另一方面，一部分Cd在水稻體內(nèi)可通過韌皮部運(yùn)輸[13]，施有機(jī)肥也大幅提高稻草中Cd含量，反映有機(jī)肥投入調(diào)控Cd在水稻不同器官內(nèi)的分配和轉(zhuǎn)運(yùn)。瑞典的大田試驗(yàn)則顯示，施有機(jī)肥對土壤有效態(tài)Cd含量的影響很有限，有時甚至不明顯[14]。由于有機(jī)物對植物Cd吸收的調(diào)控機(jī)理復(fù)雜，有抑制也有促進(jìn)作用，施有機(jī)肥對稻米的降Cd機(jī)理還有待深入研究[15]。

施堿性土壤調(diào)理劑一般會降低稻米Cd含量。曹勝等[16]的紅黃泥大田試驗(yàn)表明，當(dāng)鈣鎂硅土壤調(diào)理劑施用量分別為1.5、2.25和3 t/hm2時，糙米Cd含量分別下降14%、37%和40%，土壤pH值分別升高0.04、0.31和0.30個單位。謝運(yùn)河等[17]針對14種土壤調(diào)理劑的大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施土壤調(diào)理劑分別降低早、晚稻米Cd含量23%～44%和15%～63%，原因可能是施土壤調(diào)理劑引起水稻體內(nèi)產(chǎn)生拮抗或共沉淀作用，抑制水稻莖稈中Cd向稻米轉(zhuǎn)移和再分配。在研究中，連續(xù)2 a施土壤調(diào)理劑降低糙米Cd含量38%，與土壤有效態(tài)Cd含量下降3%～11%基本一致（圖2）。由于所施用的土壤調(diào)理劑屬無機(jī)型，有效鈣≥20%，有效鎂≥12%，呈堿性，施入后土壤pH值呈升高趨勢（圖3），這可能降低土壤Cd的活性和移動性。盆栽試驗(yàn)也表明，施用土壤調(diào)理劑（白云石、硅石及石灰石等材料煅燒而成）降低水稻成熟期土壤有效態(tài)Cd含量23%，土壤pH值升高2.09個單位，也可能增加土壤膠體表面的負(fù)電荷密度和Cd離子吸附能力，從而降低土壤Cd的有效性[18]。

由此可見，中稻田施有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑不僅能降低米Cd含量，同時能提高土壤pH值，還具有改良酸化水稻土（pH值為5.1）的作用。有機(jī)物質(zhì)是兩性物質(zhì)，針對pH值較低的酸化水稻土，施有機(jī)肥具有一定的修復(fù)效果。在研究中，施用的土壤調(diào)理劑堿性較強(qiáng)，土壤pH值提升較快（0.29～0.87個單位）。然而，試驗(yàn)僅僅持續(xù)2 a，土壤調(diào)理劑類型也僅涉及1種（市場上土壤調(diào)理劑產(chǎn)品類型多樣），有關(guān)施土壤調(diào)理劑對土壤理化性質(zhì)的長期影響仍不清楚，特別是長期施堿性較高（pH值范圍10～12）的無機(jī)型調(diào)理劑是否會引起土壤物理性質(zhì)的劣化（如水田板結(jié)、表土黏閉）仍不得而知，這還有待更多的深入研究，例如長期

試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

在湘東典型紫泥田試驗(yàn)中，中稻米的Cd含量有明顯降低。稻米Cd含量的下降可能與連續(xù)2 a施有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑使水稻生育期土壤有效態(tài)Cd含量下降，改善植株內(nèi)Cd的分配和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。特別是在水稻齊穗期，土壤有效態(tài)Cd含量的降幅最大。此外，施商品有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑還明顯提升土壤pH值，具有改良酸性水稻土的作用，可實(shí)現(xiàn)中稻田稻米降Cd、酸化水稻土改良的“雙贏”效果。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）