不同土壤改良劑對鎘污染稻田安全生產(chǎn)的影響

李祥 張昊 陳楠

摘要 為實(shí)現(xiàn)鎘污染稻田的安全生產(chǎn)，通過野外田間小區(qū)試驗(yàn)，探究9種土壤改良劑對稻米中Cd含量的影響。結(jié)果表明：與空白對照相比，添加9種土壤改良劑均能降低水稻各器官Cd含量及水稻根和米Cd吸收系數(shù)，但不同土壤改良劑對土壤pH影響卻不同;其中添加石灰、硅肥、鎂肥、赤泥和鈣鎂磷肥對水稻根和米中Cd吸收系數(shù)降幅較大，效果較好。該研究可為土壤改良劑的復(fù)合配施提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞 土壤改良劑;Cd污染稻田;安全生產(chǎn)

中圖分類號 X53 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）05-0071-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.019

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract In order to achieve safe production of cadmiumcontaminated paddy fields， the effects of nine soil amendments on Cd content in rice were investigated through field plot experiments. The results showed that： Compared with the blank control， the addition of nine soil amendments could reduce the Cd content of all organs of rice and the Cd absorption coefficient of rice roots and rice， but different soil amendments had different effects on soil pH. The addition of lime， silicon fertilizer， magnesium fertilizer， red mud and calcium magnesium phosphate fertilizer has a large decrease in the Cd absorption coefficient of rice roots and rice， and the effect is better. This study could provide data support for the compounding of soil amendments.

Key words Soil amendments;Cadmium contaminated rice fields;Safe production

水稻是重金屬鎘的易富集植物。農(nóng)田鎘污染會導(dǎo)致稻米中鎘含量超標(biāo)。鎘是腎毒性物質(zhì)，滯留在人體中會引發(fā)腎結(jié)石以及腎功能衰竭等病癥，也會增加癌癥風(fēng)險。jrup等[1]研究還發(fā)現(xiàn)，鎘對吸煙者腎臟有更高的損害。稻米作為被人類直接食用的糧食，其安全與否直接關(guān)系到人類生命安全。因此，降低稻米中鎘含量是我國急需解決的重大糧食安全問題。

農(nóng)田施用土壤改良劑是對土壤環(huán)境中重金屬進(jìn)行鈍化阻隔，其原理是改變土壤中重金屬的形態(tài)和降低重金屬的活性，從而減少水稻對重金屬的吸收，以達(dá)到污染農(nóng)田安全利用的目的。根據(jù)對重金屬的不同作用機(jī)理，土壤改良劑可分為堿性物質(zhì)、元素拮抗物質(zhì)、沉淀物質(zhì)、有機(jī)物、吸附物質(zhì)和中微量元素肥料等。

目前，國內(nèi)外已在水稻Cd污染治理方面作了大量研究。在稻田中施用石灰[2-3]、赤泥[4]和鈣鎂磷肥[5]可以在提高土壤pH值的同時，實(shí)現(xiàn)土壤重金屬由有效態(tài)向某些潛在有效態(tài)或無效態(tài)的轉(zhuǎn)變。鋅和鎘之間有相似的化學(xué)性質(zhì)，有研究表明[6]，Zn可以與土壤中Cd競爭植物根系上的活性位點(diǎn)，從而對植物吸收積累鎘造成影響。陳惠君[7]研究發(fā)現(xiàn)，部分磷肥可以與土壤環(huán)境中的鎘結(jié)合形成遷移性較低的磷酸鎘鹽。硅肥[8-9]、鐵肥[10]、錳肥[11]和鎂肥[12]都可以降低稻米中Cd含量，還是植物生長過程中需要的營養(yǎng)元素。然而，長期施用單一無機(jī)肥料，會造成一系列的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題。在新的歷史階段下，土壤改良劑的配合施用是發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的重要舉措之一[13]。通過對大田小區(qū)單獨(dú)施用石灰、鎂肥、硅肥、磷肥、鋅肥、錳肥、鐵肥、赤泥以及鈣鎂磷肥，研究9種土壤改良劑單施對稻米中Cd含量的影響，評價9種土壤改良劑對稻田安全生產(chǎn)的效果，為土壤改良劑的復(fù)合配施提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖南省瀏陽市焦溪鄉(xiāng)某中輕度Cd污染稻田。試驗(yàn)區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，光照充足，降雨充沛，年平均氣溫16.7～18.2 ℃，年降水量1 457～2 247 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)見表1，土壤環(huán)境中Cd含量超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，屬于中度重金屬Cd污染稻田。

1.2 供試材料 供試水稻為陵兩優(yōu)268，秈型兩系雜交水稻，全生育期約112.2 d。

供試石灰從當(dāng)?shù)厥覐S購買，赤泥從河南長興實(shí)業(yè)有限公司購買，其余土壤改良劑均從市場購買。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用野外大田小區(qū)試驗(yàn)，每個小區(qū)面積為3.0 m×6.4 m=19.2 m2。每個小區(qū)由水泥田埂隔開，以防串水，并采用單排單灌，防止添加物互相影響。使用石灰、赤泥、硅肥、鈣鎂磷肥、鎂肥、鐵肥、鋅肥、錳肥以及磷肥9種土壤改良劑進(jìn)行單施研究，每個處理在野外設(shè)置3個平行，每個平行設(shè)置空白對照1個，具體設(shè)計(jì)處理見表2。在拋秧前3 d將土壤改良劑施入試驗(yàn)小區(qū)中并使用耙混勻靜置，其他按當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣進(jìn)行田間管理，如追肥、除草、除蟲、灌溉等。

1.4 樣品采集與分析

1.4.1 土壤樣品采集與預(yù)處理。在施入土壤改良劑前，對整塊田采用五點(diǎn)梅花采樣法采取5個基礎(chǔ)土壤樣品（0～20 cm）。待水稻成熟后，每個小區(qū)采5個土壤樣品（0～20 cm）混合后裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，隨后立即放置于陰涼、通風(fēng)處自然風(fēng)干，研磨、過篩（0.149 mm）后備用。

1.4.2 植物樣品采集與預(yù)處理。待水稻成熟時，采取水稻植物樣品。每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采取3～5兜植物，用自來水洗凈泥土，稻穗剪下裝入網(wǎng)袋中曬干并編號。根、莖葉分開后，裝入牛皮紙袋并編號后置于105 ℃烘箱內(nèi)殺青2 h，然后再65 ℃烘至恒重。曬干的稻谷用礱谷機(jī)將米殼分離。根、莖葉、殼、米粉碎后過篩（0.149 mm）備用。

1.4.3 測定方法。土壤pH采用電位法（水土比按2.5∶1）測定。土壤樣品和植物樣品用混合酸[土壤樣品，王水∶高氯酸（HClO4）=5∶1;植物樣品，HNO3∶HClO4=4∶1][14]在快速消解儀（EHD36，美國Labtech）上消解、過濾、定容后，用于測定重金屬含量。為了確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，每批樣品消解時設(shè)2個空白樣和2個質(zhì)控樣品[國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)GBW07605（GSS-5）]。消煮液中Cd含量在0.1 mg/kg以上的樣品用ICP-OES（美國PerkinElmer，Optima8300）測定，Cd含量在0.1 mg/kg以下的樣品用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)（美國VARIAN，AA240FS+GTA120）測定。試驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級純，試驗(yàn)所用器皿在濃度為5 %硝酸的酸桶中浸泡后用去離子水洗凈烘干后使用。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS19.0相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤改良劑對土壤pH的影響

添加不同土壤改良劑對土壤pH產(chǎn)生了不同的影響。與CK相比，石灰、赤泥和鈣鎂磷肥顯著提高了土壤pH，而其余處理沒有顯著差別（P<0.05）。與CK相比，石灰、硅肥、赤泥和鈣鎂磷肥提升了土壤pH，提升范圍在0.05～0.60，鎂肥、磷肥、鋅肥、錳肥和鐵肥降低了土壤pH，降低范圍在0.01～0.12。所有處理中石灰對土壤pH的提升最高，磷肥的提升最低。

2.2 土壤改良劑對稻田土壤和水稻各器官中Cd含量的影響

成熟期稻田土壤和水稻各器官中Cd含量見表3。與CK相比，添加土壤改良劑可降低了水稻各器官中Cd含量，且不同處理降幅不同。從表中可知，無論是否施用土壤改良劑，成熟期水稻各器官中Cd含量呈現(xiàn)相似的規(guī)律：根>莖葉>殼>米，并且米、殼和莖葉中Cd含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于根。

與CK相比，石灰、鋅肥、錳肥、鎂肥、赤泥和鈣鎂磷肥均能顯著降低水稻根部Cd含量，降幅范圍在26.89%～57.23%。而鐵肥、磷肥和硅肥對水稻根部Cd含量降低效果不明顯。其中，石灰對水稻根部Cd含量降低效果最好，降幅為57.23%，而鐵肥降低水稻根部Cd含量效果最差。

錳肥、磷肥和硅肥對水稻莖葉中Cd含量降低效果不明顯。其余土壤改良劑均能顯著降低水稻莖葉中Cd含量，降幅范圍在21.08%～43.63%。其中，石灰效果最好，降幅為43.63%，而磷肥效果最差。除磷肥外，其余土壤改良劑均能顯著降低水稻殼和稻米中Cd含量。其中石灰效果最好，降幅分別為43.44%、46.67%，而磷肥效果最差。

2.3 土壤改良劑對稻米和水稻根部Cd吸收系數(shù)的影響

表3可見，各處理的小區(qū)土壤Cd含量存在一定差異。為削減土壤Cd含量不同對各土壤改良劑施用效果對比的干擾，進(jìn)一步對根部和稻米的Cd吸收系數(shù)進(jìn)行分析討論。

成熟期水稻稻米、根部對Cd的吸收系數(shù)如表4中所示。與CK相比，添加土壤改良劑對水稻稻米及根部的Cd吸收系數(shù)有不同程度的降低。并且在所有處理中，水稻根部Cd的吸收系數(shù)比稻米Cd吸收系數(shù)要大得多。

石灰、鎂肥、硅肥、錳肥、赤泥和鈣鎂磷肥均能顯著降低水稻根部Cd吸收系數(shù)，降幅為22.81%～49.77%。磷肥、鋅肥和鐵肥對水稻根部Cd吸收系數(shù)沒有顯著影響。石灰降低水稻根部Cd吸收系數(shù)效果最好，降幅為49.77%，而鐵肥效果最差。

石灰、鎂肥、硅肥、赤泥和鈣鎂磷肥均能降低水稻米中Cd吸收系數(shù)，降幅為23.81%～38.10%。磷肥、鋅肥、錳肥和鐵肥對水稻米中Cd吸收系數(shù)降低效果不顯著。所有處理中，石灰效果最好，降幅為38.10%，而磷肥效果最差。

3 結(jié)果與討論

不同的土壤改良劑對成熟期稻田土壤pH產(chǎn)生了不同的影響。石灰、赤泥和鈣鎂磷肥能夠顯著提升土壤pH，這是因?yàn)槿呔鶠閴A性材料。磷肥顯著降低了土壤pH，可能是該研究施用磷肥主要成分為（NH4）2HPO4，一方面其中所包含的H+進(jìn)入土壤中降低了土壤pH，另一方面可能由于NH4+發(fā)生了硝化作用，從而降低了土壤pH[15]。鎂肥、硅肥、鋅肥、錳肥和鐵肥對土壤pH影響不大，但鎂肥、鋅肥、錳肥和鐵肥用量較低，其在較高施用量條件下對土壤pH的影響有待進(jìn)一步研究，而硅肥中主要成分為SiO2，其對土壤pH的影響不大。

該研究結(jié)果表明，與CK相比，該研究中所施用的土壤改良劑均對成熟期水稻中根、莖葉、殼、米中Cd含量以及水稻根部和稻米Cd吸收系數(shù)有不同程度的降低，說明這9種改良劑是降低稻米Cd含量的有效手段。石灰、赤泥、鈣鎂磷肥和硅肥能夠降低稻米Cd累積的原因可能是，一方面添加這幾種土壤改良劑提高了土壤pH，降低了土壤中Cd的生物有效性，從而減少植物吸收累積Cd含量;另一方面，添加石灰、赤泥、鈣鎂磷和硅肥能夠?yàn)橥寥捞峁┾}、鎂、鐵、錳、磷和硅等元素，而這些元素或是與土壤中Cd存在拮抗作用，或是能夠增強(qiáng)植物生理功能，從而降低稻米中Cd的累積[16-18]。添加鎂肥、磷肥、鋅肥、錳肥和鐵肥雖然降低了土壤pH，但是該研究所用鎂肥、鋅肥、錳肥和鐵肥成分中均含有硫元素，在淹水條件下S主要以S2-形式存在，而S2-能夠與Cd2+形成CdS沉淀，降低了土壤中Cd的遷移能力[19]。通過施用磷肥增加土壤中P的濃度，能夠促進(jìn)土壤中Cd2+以磷酸鹽形式沉淀，降低土壤中Cd的生物有效性[20]。

通過土壤改良劑對水稻根部和米中Cd吸收系數(shù)影響的研究分析發(fā)現(xiàn)，與CK相比，石灰、鎂肥、硅肥、赤泥和鈣鎂磷肥能夠顯著降低水稻根部和米中Cd吸收系數(shù)，說明這5種材料在所研究施用量下效果更優(yōu)于鋅肥、鐵肥、錳肥和磷肥。與CK相比，添加錳肥能夠顯著降低水稻根部Cd吸收系數(shù)，而對水稻米中Cd吸收系數(shù)沒有顯著影響，這可能與Mn在根表的物理化學(xué)行為和植物體內(nèi)的活動有關(guān)。覃都等[21]研究發(fā)現(xiàn)，水稻根系在吸收Mn和Cd上存在顯著的拮抗作用，但2種水稻材料地上部的Cd含量卻隨著培養(yǎng)液中Mn含量的提高而顯著增加。也有研究表明[22]，在根際鐵錳氧化物中Mn相對含量增加可導(dǎo)致水稻地上部Cd含量大幅增加，兩者存在顯著的正相關(guān)，但與根系中的Cd含量無顯著相關(guān)，其機(jī)理也待進(jìn)一步研究。

一般情況下，植物各部位的Cd含量與植物各部位的吸收系數(shù)緊密相關(guān)。在該研究中鋅肥能夠顯著降低水稻各器官中Cd含量，而對水稻根部Cd吸收系數(shù)以及米中Cd吸收系數(shù)的降低效果不顯著，可能是由于田間試驗(yàn)中各個小區(qū)中Cd含量分布不均勻，而土壤中Cd含量是影響水稻吸收Cd的重要因素之一。土壤中Cd含量與植物體內(nèi)Cd含量呈正相關(guān)，鋅肥處理小區(qū)與其他小區(qū)相比土壤Cd含量平均值較低，從而造成了結(jié)果差異。因此，進(jìn)行土壤改良劑的施用對降低稻米中Cd含量效果進(jìn)行評估時，不應(yīng)當(dāng)僅對稻米中Cd含量進(jìn)行檢測，還應(yīng)同時對遷移系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。

為實(shí)現(xiàn)鎘污染稻田的安全生產(chǎn)，使用土壤改良劑是一種有效的方法。盡管，石灰對稻米中Cd含量影響最大，但長期使用石灰不僅會對土壤肥力有一定的影響，還會影響水稻對一些營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，甚至降低水稻的產(chǎn)量[23]。因此，對9種土壤改良劑在常規(guī)施用量下對稻米Cd含量影響的研究是農(nóng)田無機(jī)肥配合施用的前提，為農(nóng)田持續(xù)性發(fā)展提供理論支撐。

4 結(jié)論

（1）添加土壤改良劑能夠降低水稻成熟期各器官以及水稻根部和米中Cd吸收系數(shù)，但添加不同土壤改良劑對土壤pH有不同影響。

（2）添加石灰、赤泥和鈣鎂磷肥能夠顯著提高土壤pH，而其他土壤改良劑對土壤pH影響不大。相比其余土壤改良劑，添加石灰、硅肥、鎂肥、赤泥和鈣鎂磷肥對水稻根和米中Cd吸收系數(shù)降低效果更好，與CK相比達(dá)到顯著差異水平（P<0.05）。

（3）在進(jìn)行野外田間試驗(yàn)時，土壤Cd含量分布不均勻可能會對結(jié)果造成一定影響，因此在探究土壤改良劑對水稻Cd吸收累積效果時，植物體對Cd的吸收系數(shù)比植物體Cd的含量更有參考價值。

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