含腐植酸復(fù)合肥料對水稻生長及鎘吸收的影響

張洪江 劉志濤 王永紅 馬曉晶 馬 強(qiáng)

1 龍蟒大地農(nóng)業(yè)有限公司 德陽 618200

2 龍蟒農(nóng)業(yè)技術(shù)研究院 德陽 618200

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和各種化學(xué)產(chǎn)品、農(nóng)藥及化肥的廣泛使用，農(nóng)田土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)峻。當(dāng)前我國受Cd、Hg、As、Cr、Pb污染的耕地面積約2×107hm2，經(jīng)濟(jì)損失巨大[1，2]。重金屬污染物對生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。在各種重金屬污染中，鎘（Cd）因分布范圍廣、毒性高、易積累而危害尤為嚴(yán)重[2，4]。大量的研究表明，我國土壤、蔬菜、糧食作物受到不同程度的鎘污染[5]，過高的土壤鎘含量導(dǎo)致蔬菜、糧食及經(jīng)濟(jì)作物食品安全性降低[4，6]。

水稻是我國的主要糧食作物，鎘污染的案例也已屢見不鮮，為有效預(yù)防和治理鎘污染，開展了大量的研究工作[2～5]，其中，腐植酸鉀或腐植酸銨的應(yīng)用是較為成功的處理辦法之一[7，8]，但因推廣成本高、勞動投入大和公眾認(rèn)識不足等原因阻礙了其大量推廣應(yīng)用。因此，與現(xiàn)有常用農(nóng)資產(chǎn)品結(jié)合起來是最易實施的途徑。本研究擬通過腐植酸類物質(zhì)與復(fù)合肥料結(jié)合，探討其結(jié)合對肥效、重金屬有效性控制的可行性，為開發(fā)出可廣泛推廣的鎘污染控制的肥料產(chǎn)品提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和供試品種

供試土壤為四川省石亭江沖積潮土，土壤基本理化性質(zhì)：砂質(zhì)，pH 5.72，有機(jī)質(zhì)含量13.4 g/kg，堿解氮含量46.2 mg/kg，有效磷含量6.13 mg/kg，速效鉀含量42.7 mg/kg，土壤總鎘含量0.54 mg/kg，有效鎘含量0.12 mg/kg。供試作物為水稻，品種為“川6優(yōu)713”，采用常規(guī)旱育秧方式育苗。

1.2 供試肥料

供試肥料為含腐植酸復(fù)合肥料（龍蟒大地農(nóng)業(yè)有限公司研制），由尿素、磷酸一銨、氯化鉀、腐植酸鉀等原料造粒而成，產(chǎn)品N-P2O5-K2O指標(biāo)為22-8-10中氯，采用GB 15063-2009標(biāo)準(zhǔn)指定的檢測方法，檢測N 22.3%，P2O58.6%，K2O 10.1%，Cl 22.6%，pH 7.2，腐植酸含量按照HG/T 5046-2016的方法測定，活化腐植酸含量為5.2%。普通復(fù)合肥料（某公司市售）為不含腐植酸22-8-10中氯產(chǎn)品，采用相同檢測方法，檢測指標(biāo)為N 22.4%，P2O57.9%，K2O 9.7%，Cl 24.2%，pH 6.3。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2018年3月12日至9月5日在龍蟒農(nóng)業(yè)技術(shù)研究院試驗基地（四川省德陽市綿竹市遵道鎮(zhèn)保水村）大棚內(nèi)進(jìn)行。

試驗共設(shè)6個處理，3個不添加鎘污染處理：T0，普通復(fù)合肥料處理；T1，常量含腐植酸復(fù)合肥料處理；T2，減量含腐植酸復(fù)合肥料（減量20%）處理；3個添加鎘污染處理：T3，普通復(fù)合肥料處理；T4，常量含腐植酸復(fù)合肥料處理；T5，減量含腐植酸復(fù)合肥料（減量20%）處理。每處理重復(fù)6次，試驗處理見表1。添加鎘污染土壤制作方法：將采回的土壤風(fēng)干后過2 mm篩，每盆裝土12 kg，模擬重度鎘污染狀況，每盆添加鎘（3CdSO4·8H2O）40 mg，與土壤混合均勻后編號并與各施肥處理用肥混合均勻后老化30天。經(jīng)老化后的盆缽采集土壤樣品后加入去離子水，使盆內(nèi)水面保持4～6 cm，培養(yǎng)至5月5日移栽秧苗。每盆移栽水稻3株，試驗期間每2天補(bǔ)水1次，并保持盆內(nèi)水面3～5 cm，于成熟期分別采集每盆全部3株并區(qū)分為根、莖、葉和籽粒部分，籽粒經(jīng)風(fēng)干稱重后取部分籽粒制備為糙米用于檢測。

表1 各處理重金屬鎘及肥料投入量Tab.1 The amount of Cd and fertilizer inputs of different treatments

1.4 樣品測定和數(shù)據(jù)處理

收獲的根、莖、葉分別烘干至恒重后稱量計產(chǎn)，糙米采用試驗電動礱谷機(jī)（京奧JLGJ-45型，浙江臺州）進(jìn)行制備。植物樣品、糙米粉碎后經(jīng)過硝酸-高氯酸消化，采用ICP-OES（Avio 200，PerkinElmer，美國）測定總鎘含量，采用大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10010（GSB-1）進(jìn)行檢測結(jié)果標(biāo)定。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干，分別制備過2 mm和過0.149 mm尼龍篩的樣品，取過0.149 mm篩土壤樣品，采用鹽酸-硝酸-高氯酸消化，ICP-OES測定總鎘含量，取過2 mm篩土壤樣品，采用DTPA（二乙基三胺五乙酸）浸提（參照GB/T23739-2009），ICP-OES測定有效鎘含量。鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)用于計量鎘在作物各部位的遷移能力，分別按照莖稈與根系，葉片與莖稈，籽粒與葉片和糙米與籽粒的鎘含量比率進(jìn)行計算。采用Excel對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生物量

不同處理水稻各部位生物量情況見表2。由表可知，未添加鎘污染條件下，與施用普通復(fù)合肥料相比，施用常量含腐植酸復(fù)合肥料對水稻各部分和總生物量有促進(jìn)作用，且對根部、莖稈、葉片的生物量促進(jìn)作用顯著，分別增加13.2%、10.2%、9.7%；減量含腐植酸復(fù)合肥料處理條件下，仍對水稻各部位及總生物量有促進(jìn)作用，且對根部和葉片的生物量促進(jìn)作用顯著。添加鎘污染條件下，與施用普通復(fù)合肥料相比，施用常量含腐植酸復(fù)合肥料對水稻各部位和總生物量有促進(jìn)作用，且對根部、莖稈、籽粒的生物量促進(jìn)作用顯著，分別為17.6%、9.4%、12.1%；減量含腐植酸復(fù)合肥料處理條件下，仍對水稻各部位及總生物量有促進(jìn)作用，且對根部、莖稈和葉片的生物量促進(jìn)作用顯著。對比未添加和添加鎘污染的相同施肥量處理，除普通復(fù)合肥料處理葉片的生物量外，重金屬鎘污染并未顯著地影響植株各部位的生物量。另外，減量含腐植酸復(fù)合肥料處理并未減弱植株的生長和產(chǎn)物形成，說明含腐植酸復(fù)合肥料在保證水稻不減產(chǎn)的條件下，可以減少肥料施用量。

表2 不同處理水稻各部位生物量情況Tab.2 Biomass of different parts of rice under different treatments 克 /盆

2.2 水稻植株的鎘積累

不同處理水稻各部位鎘含量的差異見表3。由表可知，6個處理均為水稻根系中的鎘含量最高，并依此由根系、莖稈、葉片向籽粒中遞減。土壤添加鎘污染后，水稻各部位鎘含量顯著增加。未添加鎘污染的處理中，與普通復(fù)合肥料處理相比，施用常量和減量含腐植酸復(fù)合肥料處理的水稻各部位鎘含量均無顯著差異。在添加鎘污染的處理中，與普通復(fù)合肥料處理相比，常量含腐植酸復(fù)合肥料顯著地降低了水稻根部、莖稈、葉片和籽粒中的鎘含量，其抑制率分別達(dá)到31.0%、20.3%、31.7%和21.4%，減量含腐植酸復(fù)合肥料處理條件下，水稻根系、葉片和籽粒中的鎘含量均顯著降低，而莖稈中鎘含量降低不顯著。綜上說明，腐植酸對鎘的吸收和轉(zhuǎn)移有控制作用。

水稻各部位鎘的積累體現(xiàn)鎘的吸收和轉(zhuǎn)移能力，不同處理水稻各部位鎘積累量的變化見表4。由表可知，在未添加鎘污染的處理中，水稻莖稈中鎘積累量最大，在添加鎘污染的處理中，水稻根部的鎘積累量最大，表明在鎘污染情況下，水稻植株表達(dá)出控制鎘轉(zhuǎn)移的能力。在未添加鎘污染的處理中，與普通復(fù)合肥料處理相比，施用常量含腐植酸復(fù)合肥料能使水稻根部、籽粒、總鎘積累量顯著降低，而莖稈和葉片鎘積累量降低不顯著；減量含腐植酸復(fù)合肥料處理能使植株根部、籽粒及植株總鎘積累量顯著降低，而葉片鎘積累量降低不顯著。在添加鎘污染的處理中，與普通復(fù)合肥料處理相比，施用常量含腐植酸復(fù)合肥料能使水稻根部、莖稈、葉片、籽粒及植株總鎘積累量顯著降低，減量含腐植酸復(fù)合肥料處理能使水稻根部、莖稈、葉片、籽粒鎘積累量顯著降低，而總鎘積累量降低不顯著。不同鎘污染條件下，常量與減量含腐植酸復(fù)合肥料處理各部位和總鎘積累量無顯著差異，但積累量數(shù)據(jù)前者低于后者，說明抑制鎘吸收的能力與腐植酸的添加量正相關(guān)。

表3 不同處理水稻各部位鎘含量差異Tab.3 Difference of Cd content in different parts of rice under different treatments mg/kg

表4 不同處理水稻各部位鎘積累量的變化Tab.4 Variation of Cd accumulation in different parts of rice under different treatments 微克 /盆

2.3 水稻糙米鎘含量

不同處理水稻糙米鎘含量見圖1。由圖可知，在未添加鎘污染的各處理中，水稻糙米的鎘含量差異不顯著，且均低于糙米中鎘含量的限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762-2017）0.2 mg/kg。說明，處于低鎘含量的酸性土壤中，水稻食用部位的鎘超標(biāo)風(fēng)險低。在添加鎘污染的各處理中，水稻糙米鎘含量均超過0.2 mg/kg的安全標(biāo)準(zhǔn)，普通復(fù)合肥料處理的糙米鎘含量最高，施用常量和減量含腐植酸復(fù)合肥料處理使水稻糙米中鎘含量分別比普通復(fù)合肥料處理減少38.2%和34.4%，差異達(dá)到顯著水平。

圖1 不同處理水稻糙米鎘含量Fig.1 Cd content of brown rice under different treatments注：圖中不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。

2.4 鎘的轉(zhuǎn)移

不同處理水稻鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)見表5。由表可知，未添加鎘污染的處理，水稻鎘的轉(zhuǎn)移以葉片向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，以根部向莖稈處轉(zhuǎn)移系數(shù)最低；添加鎘污染的處理，除普通復(fù)合肥料的處理，水稻鎘的轉(zhuǎn)移以葉片向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，3個處理均以根部向莖稈處轉(zhuǎn)移系數(shù)最低。與未添加鎘污染的處理相比，添加鎘污染的處理鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著降低，以葉片向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)降低幅度最大。

表5 不同處理水稻鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)Tab.5 Transfer coefficients of Cd between different parts of rice under different treatments

3 討論

重金屬污染是困擾農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要因素之一，探索重金屬防控的有效辦法是研究和社會關(guān)注的熱點。研究表明，腐植酸可與重金屬發(fā)生鈍化效應(yīng)，有效降低重金屬的植物吸收和可食用部位的食用風(fēng)險[9]。重金屬鎘對水稻造成生長、生育障礙的濃度要求高[10，11]，本研究結(jié)果也表明鎘污染并未對水稻生長和發(fā)育構(gòu)成明顯威脅，但與低濃度鎘污染土壤相比，土壤添加鎘處理會促進(jìn)水稻對鎘的吸收。

已有研究表明，腐植酸能降低作物的鎘吸收和轉(zhuǎn)移[5，12，13]，本研究也證明添加腐植酸可抑制水稻對鎘吸收和轉(zhuǎn)移。土壤施用含腐植酸復(fù)合肥能夠保證復(fù)合肥的增產(chǎn)功效，還顯著降低水稻根系、莖稈、葉片和籽粒的鎘含量，這可能與腐植酸為有機(jī)物質(zhì)和含有豐富官能團(tuán)有關(guān)。研究表明，有機(jī)物質(zhì)通過其配位或螯合作用影響重金屬活性[14，15]。比較發(fā)現(xiàn)，施用腐植酸復(fù)合肥料比施用普通復(fù)合肥料可減少水稻植物鎘積累量18.1%，其中籽粒中的積累量減少26.0%。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762-2017（食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量），糙米中鎘含量以不超過0.2 mg/kg作為國家建議的衛(wèi)生安全限度，因此有必要采用技術(shù)手段降低其含量。大量的研究表明，硅、合成制劑、有機(jī)質(zhì)或其他堿性物質(zhì)均可降低植物對鎘的吸收。不過，這些技術(shù)始終存在著運(yùn)用難度高、二次污染風(fēng)險大或轉(zhuǎn)化成本過高的問題，包括單質(zhì)的腐植酸鹽類。將具備有效控制重金屬的物質(zhì)直接融入復(fù)合肥料將大大降低運(yùn)用難度，本研究通過含腐植酸復(fù)合肥料的運(yùn)用，雖投入量并不大，使糙米的重金屬含量減少超過30%，表明腐植酸與復(fù)合肥結(jié)合控制作物的重金屬吸收具有可行性。

另外，減量含腐植酸復(fù)合肥料處理中發(fā)現(xiàn)，在減少含腐植酸復(fù)合肥料施肥量20%的情況下，仍與普通復(fù)合肥料具有相近的生物量和產(chǎn)量，且具有顯著的抑制鎘吸收和轉(zhuǎn)移的表現(xiàn)，這體現(xiàn)了含腐植酸復(fù)合肥產(chǎn)品具有提高肥料利用效率的作用，也表現(xiàn)其抑制植物重金屬的吸收作用，為進(jìn)一步探討化肥減量及優(yōu)化腐植酸與復(fù)合肥的配比提供了支撐。

4 結(jié)論

（1）土壤施用含腐植酸復(fù)合肥料可顯著提高水稻根系生物量和籽粒產(chǎn)量，與普通復(fù)合肥料相比，減量含腐植酸復(fù)合肥料處理對水稻籽粒產(chǎn)量有增產(chǎn)但不顯著，與常量含腐植酸復(fù)混肥料相比，減量含腐植酸復(fù)合肥料處理對水稻籽粒產(chǎn)量有減產(chǎn)但不顯著。

（2）在添加鎘污染的處理中，常量和減量施用含腐植酸復(fù)合肥料與普通復(fù)合肥料相比，顯著降低了水稻根部、葉片和糙米中的鎘含量，降低了鎘的轉(zhuǎn)移能力。

（3）腐植酸與復(fù)合肥料有效組合，可用于水稻種植中控制土壤重金屬和化肥減量，組合優(yōu)化方式仍待研究。