一種土壤改良劑對(duì)土壤有效態(tài)鎘及糙米鎘含量的影響初探

張玉盛蔣承琮 肖歡 吳勇俊楊小粉 汪澤錢 鄭海飄 敖和軍*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙410128；2湖南科陸普有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙410128；第一作者：877615305＠qq.com；*通訊作者：aohejun＠126.com）

鎘是一種毒性強(qiáng)且遷移性較強(qiáng)的重金屬元素。土壤中的鎘不僅會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，也可通過食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，對(duì)人體健康造成危害。水稻對(duì)鎘的吸收能力強(qiáng)，長(zhǎng)期食用鎘超標(biāo)的大米會(huì)損壞人體的骨骼系統(tǒng)、腎臟系統(tǒng)、中樞神經(jīng)等，引起各種病變[1-5]。隨著工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)被重金屬污染的耕地面積日益增加,而清除土壤鎘污染的修復(fù)技術(shù)很難在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。如何防止水稻被鎘污染并實(shí)現(xiàn)糧食的安全生產(chǎn)已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。研究發(fā)現(xiàn)，施用石灰等堿性改良劑能提高土壤pH值，使土壤有效態(tài)鎘含量降低，最終降低水稻對(duì)土壤中鎘的吸收積累，改善稻米的衛(wèi)生品質(zhì)[7-12]。有報(bào)道認(rèn)為，施用復(fù)合改良劑HZB（羥基磷灰石+沸石+改性秸稈炭）可以提高土壤pH值，為重金屬離子提供更多的吸附位點(diǎn)，羧基和酚羥基可通過絡(luò)合或螯合作用與土壤溶液中的Cd2+反應(yīng)，形成難溶性絡(luò)合物，進(jìn)而鈍化土壤中游離的Cd，降低了重金屬的生物有效性[15]。羅子瑞等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在黃泥田土壤中施用適量的改良劑可促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)，有效降低糙米中Cd含量，降低水稻對(duì)Cd的富集系數(shù)。本試驗(yàn)旨在探索一種新的土壤改良劑對(duì)抑制水稻吸收土壤鎘及土壤鎘有效性的影響，以期為修復(fù)鎘污染稻田和糧食的安全生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖南省長(zhǎng)沙縣福臨鎮(zhèn)同心村，為鎘輕度污染區(qū)，土壤為花崗巖成土母質(zhì)發(fā)育的沙壤土。土壤基本理化性質(zhì)：pH值 5.66，水解氮295.33 mg/kg，有效磷 33.90 mg/kg，速效鉀 211.33 mg/kg，全氮 3.32 g/kg，全鉀 34.87 g/kg，全磷 0.61 g/kg，有機(jī)質(zhì) 49.57 mg/kg，陽離子交換量123.0 mmol/kg，有效鎘0.244 mg/kg，全鎘0.379 mg/kg。試驗(yàn)地農(nóng)田排灌、機(jī)耕道等基礎(chǔ)設(shè)施較好。水源充足，可保證全生育期淹灌需要，灌溉水質(zhì)符合國(guó)家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 供試材料

試驗(yàn)用改良劑為紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥（水劑），購于葛林美（蘇州）農(nóng)業(yè)科技有限公司。其成分含量：pH 值（1：250倍稀釋）4.0～10.0，腐植酸≥40 g/L，大量元素含量≥200 g/L，N≥70 g/L，P2O2≥60 g/L，K2O≥70 g/L，Cd≤10 mg/kg。石灰購于當(dāng)?shù)?。供試水稻品種為玉針香。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)改良劑用量的不同，盆栽試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理（以大田試驗(yàn)施用1 200 kg/hm2的改良劑用量換算為1 kg土加入 0.533 g≈0.46 mL 改良劑）：CK，0 mL；M5，5 mL；M10，10 mL；M15，15 mL；M20，20 mL；M25，25 mL。每個(gè)處理5次重復(fù)。

表1 盆栽試驗(yàn)中不同處理土樣pH值及有效Cd含量

表2 齊穗期不同處理對(duì)水稻不同器官Cd含量的影響

表3 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

大田試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理：CK，不施任何改良劑；F1，施用石灰1 125 kg/hm2；F2，紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥（水劑）用量600 kg/hm2；F3，紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥（水劑）用量 900 kg/hm2；F4，1 200 kg/hm2；F5，紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥（水劑）用量600 kg/hm2+石灰1 125 kg/hm2。每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積60 m2，設(shè)排水溝，小區(qū)田埂用塑料包膜，防止處理間交叉污染。水稻栽插規(guī)格為20 cm×20 cm，每叢插2～3株苗。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 盆栽試驗(yàn)

供試土壤取自試驗(yàn)大田，經(jīng)風(fēng)干粉碎后裝入內(nèi)長(zhǎng)34 cm、寬19.4 cm、高8 cm的塑料盆，每盆裝土11 kg。按處理設(shè)計(jì)添加土壤改良劑，隨后每盆加入6 kg水并按處理設(shè)計(jì)浸泡后栽植水稻。品種為玉針香，每盆4叢，每叢2株基本苗。全生育期每盆加水量及時(shí)間一致。

1.4.2 大田試驗(yàn)

在移栽前用改良劑對(duì)各小區(qū)進(jìn)行處理，先將稻田中的水全部排干，后將改良劑潑灑在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，翻耕土壤，灌水泡田，保持水層5～8 cm。F1處理和F5處理所用石灰在分蘗盛期施下，石灰中未檢出鎘。只施基肥，不施追肥。水分等田間管理措施參照當(dāng)?shù)厮靖弋a(chǎn)栽培技術(shù)進(jìn)行。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及方法

盆栽基礎(chǔ)土樣于裝土前采集，施用改良劑并灌水泡田36 h后采集水樣，排干水，采集土壤樣品。大田小區(qū)基礎(chǔ)土樣于施用改良劑前采集，為0～20 cm耕層混合樣；成熟期土樣在水稻收獲前1 d取0～20 cm耕層混合樣。大田土樣采取“梅花五點(diǎn)法”采集。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、磨細(xì)過100目尼龍篩后待用。水稻收獲前1 d取稻谷和植株樣，植株洗凈泥土后晾干，再以去離子水潤(rùn)洗2遍后分根、莖、葉于105℃殺青30 min，再以恒溫70℃烘干后粉碎；稻谷經(jīng)曬干后去糙粉碎，植株樣品粉碎后過100目尼龍篩待用。

土壤pH值的測(cè)定采用酸度計(jì)法（土水比 1∶2.5）。土壤全鎘用王水-硝酸-高氯酸消解，土壤有效態(tài)鎘用DTPA法提取[12]，水稻不同器官及糙米重金屬用硝酸-高氯酸濕法硝解。試驗(yàn)分析所用均為優(yōu)級(jí)純。消解液及浸提液稀釋定容過濾后用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定（ICP-MS Autosampler，Agilent Techologies）Cd 含量。其他指標(biāo)的測(cè)定采用常規(guī)方法[13]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2007和SAS 9.4軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤pH值、有效鎘含量的影響

由表1可知，土壤pH值對(duì)照為5.89，各施用了改良劑的處理均比CK顯著提高，且改良劑用量越大增幅越大；隨著改良劑用量的增加，各處理土壤有效Cd含量的降幅也隨之增加，與CK相比差異達(dá)顯著水平。

2.2 齊穗期不同處理對(duì)水稻不同器官鎘含量的影響

由表2可知，加施改良劑的處理均能抑制水稻對(duì)土壤中Cd的吸收，與對(duì)照相比，根、穗和莖葉中的Cd含量均有不同程度的降低。其中，穗和莖葉中的Cd含量以M25處理最低，而根中的Cd含量以M15處理最低。

2.3 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

表4 成熟期不同處理對(duì)水稻各器官干物質(zhì)量的影響（g/m2）

表5 成熟期不同處理對(duì)水稻不同器官Cd含量（mg/kg）

圖1 各處理糙米Cd含量

從表3可見，各處理的產(chǎn)量在4 114.58～5 364.58 kg/hm2之間，處理間差異均不顯著；各處理的有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)和結(jié)實(shí)率無顯著差異；F5處理的千粒重顯著高于F1處理。

2.4 不同處理對(duì)水稻成熟期干物質(zhì)的影響

由表4可知，施用改良劑均可提高水稻的物質(zhì)積累，紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥施用量由600 kg/hm2（F2）提高到1 200 kg/hm2（F4），根系干物質(zhì)量從23.44 g/m2提高到了36.79 g/m2，莖干物質(zhì)量從30.06 g/m2提高到了112.06 g/m2，葉干物質(zhì)量從19.72 g/m2提高到了31.55 g/m2。施用了土壤改良劑的處理其根、莖干質(zhì)量與CK相比無顯著差異；F3處理的葉干物質(zhì)量最大，為92.85 g/m2，顯著高于CK。

2.5 成熟期不同處理對(duì)水稻不同器官Cd含量的影響

從表5可見，施用改良劑可降低水稻地上部分Cd的含量。各處理莖的Cd含量均低于CK，但差異不顯著；各處理葉的Cd含量顯著低于CK，其中，F(xiàn)2處理葉的Cd含量最低，為0.28 mg/kg。

2.6 不同處理對(duì)糙米鎘含量的影響

由圖1可知，對(duì)照糙米Cd含量為1.28 mg/kg，遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.20 mg/kg的限量。施用石灰和紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥后糙米Cd含量均有下降，降幅為28.02%～36.35%。其中，F(xiàn)1、F4和F5處理與CK相比差異顯著，施用紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥的處理與施用石灰的處理間差異不顯著。由此可見，施用紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥可顯著降低糙米Cd含量，但與施石灰相比無明顯優(yōu)勢(shì)。

3 小結(jié)與討論

土壤酸堿度是影響水稻對(duì)土壤Cd吸收能力的主要因素之一[17-18]。本盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，施用改良劑可以提高土壤pH值，有效地降低土壤有效Cd含量；土壤pH值隨改良劑施用量的增加而提高，土壤有效Cd的含量隨改良劑施用量的增加而降低，這與羅子瑞等[14，19]的研究結(jié)果一致。而浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)水稻植株體內(nèi)鎘含量影響不大。本盆栽試驗(yàn)結(jié)果顯示，齊穗期水稻根系、穗及莖葉Cd含量均低于對(duì)照，且降低效果隨改良劑用量的增加而增強(qiáng)?？赡苁且蛲寥纏H值的提高，Cd的活性降低，從而減少了土壤Cd向植物體內(nèi)的遷移，但這種影響通常是有限的[3]。此外，龔海軍等[19]研究認(rèn)為，土壤改良劑中存在的某些拮抗元素以及施入土壤后土壤理化性狀的改善均有可能降低作物對(duì) Cd的吸收累積，而其作用機(jī)理還未明確。王蜜安等[20]研究表明，Cd在水稻植株體內(nèi)的積累主要集中在營(yíng)養(yǎng)器官，但不同品種之間存在較大的差異；也有研究認(rèn)為，Cd在作物體內(nèi)不同器官的分配不僅與作物的品種有關(guān)，同時(shí)與栽培管理措施也密切相關(guān)。本盆栽試驗(yàn)中Cd在水稻體各器官的分配呈現(xiàn)根＞莖葉＞穗，這與李坤權(quán)等[21]的研究結(jié)果一致。

合理的施用石灰，可以增加水稻分蘗、有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)，提高水稻產(chǎn)量；但對(duì)水稻株高，千粒重影響不大[22]。且施用石灰可以提高土壤pH值，降低土壤交換態(tài)Cd含量和土壤Cd的有效性，對(duì)水稻吸收Cd有一定的抑制作用，糙米Cd含量隨石灰用量的增加而降低，但石灰對(duì)水稻吸收Cd的抑制效果逐年降低[23-24]。本試驗(yàn)中除施用紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥600 kg/hm2處理外，其他處理均較對(duì)照增產(chǎn)，其中以F5處理（紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥600 kg/hm2+石灰1 125 kg/hm2）的增產(chǎn)效果最佳，這與陸鵬等[22-23]的研究一致。表明施用適量的改良劑對(duì)水稻有一定增產(chǎn)作用。

土壤改良劑單施或配施均可抑制作物對(duì)土壤中Cd 的吸收[25-27]，其抑制效果根據(jù)改良劑的用量[19、28]、改良劑類型[22-23、26-30]及土壤類型[31]等因素而有所不同。本試驗(yàn)中，施用了改良劑的處理糙米Cd含量均低于對(duì)照，這與朱奇宏等[26]的研究結(jié)果一致，其中以F5處理的降鎘效果最好。由此可知，不同改良劑配施的施用效果要優(yōu)于單施。改良劑的作用機(jī)理往往不是單一的，而是有多種機(jī)理共同作用的[25]。大田試驗(yàn)中改良劑處理后土壤以及成熟期土壤pH值和土壤有效態(tài)Cd含量?jī)烧咻^對(duì)照差異不顯著，與盆栽試驗(yàn)結(jié)果相反，由此推測(cè)本大田試驗(yàn)所用改良劑紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥的降鎘作用機(jī)理并非由直接改變土壤的pH值來直接起到降鎘作用[19]。影響土壤中Cd向作物植株轉(zhuǎn)移的因素較多，目前在改良作用機(jī)理方面報(bào)道較多的主要為以下幾種：沉淀固定作用、吸附及離子交換作用、離子拮抗作用和螯合作用。本試驗(yàn)所用改良劑的作用機(jī)理還未探明。