Cd脅迫下外源有機肥對土壤中Cd有效性和水稻糙米中Cd含量的影響

摘 要：為研究1種廉價的常見有機肥（菜枯）對稻田土壤中Cd的有效性、水稻糙米中含量及稻谷產(chǎn)量的影響，在2種Cd污染土壤中施用了不同添加量（0，7.5，15，30 g/kg）的外源有機肥，并進(jìn)行水稻盆栽種植試驗。結(jié)果表明：① 施用有機肥顯著增加了土壤pH值和有機質(zhì)含量。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，土壤pH值在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別上升了0.40～0.68、0.55～0.65、0.56～0.52和0.15～0.33個單位，土壤有機質(zhì)含量分別上升了8.3%～47.6%、6.2%～27.7%、12.0%～14.6%和4.8%～13.9%。② 施用有機肥顯著降低了土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量。與對照相比，施用7.5～30" g/kg的有機肥使Cd低污染中TCLP提取態(tài)Cd含量在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別下降了60.2%～77.3%、38.1%～56.4%、30.3%～39.9%和10.0%～38.6%，使Cd高污染土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量，除灌漿期有機肥施用量7.5 g/kg略有上升之外，分別下降了34.2%～61.5%、12.1%～42.3%、3.0%～8.9%、39.3%～15.8%。③ 施用有機肥顯著促進(jìn)了水稻的生長和增加了水稻產(chǎn)量，與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，使Cd低污染和高污染土壤中水稻稻谷生物量分別增加了14.9%～21.3%和8.0%～16.6%。④施用有機肥顯著提高成熟期水稻糙米中Cd含量。施用7.5～30 g/kg的有機肥，2個Cd污染土壤中糙米中的Cd含量分別為0.05 mg/kg～0.13 mg/kg和0.20 mg/kg～2.24 mg/kg，與對照相比分別提高了17.4%～183.2%和5.3%～1067.7%。

關(guān)鍵詞：菜枯; 稻田土壤; 水稻產(chǎn)量; Cd污染

中圖分類號：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

由于采礦和冶煉活動的快速發(fā)展，大量重金屬如鎘（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）和砷（As）等被釋放到土壤環(huán)境中。在中國東部和南部的一些采礦和冶煉地區(qū)，土壤中的重金屬污染日益嚴(yán)重[1]。水稻（Oryza sativa L.）是亞洲人日常飲食的重要主食[2]，超過60%的人口以大米為主食，大米消費量占中國每年消費谷物的一半以上。土壤中的Cd會通過水稻籽粒積累進(jìn)入食物鏈，對人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的健康風(fēng)險[3]。

近年來，稻田重金屬的原位修復(fù)是主要的修復(fù)手段，也是研究熱點[4，5]。向受到重金屬污染的農(nóng)田中施用鈍化劑能有效降低土壤中重金屬的生物有效性，如石灰石[6]，沸石[7]，海泡石[8]，蒙脫石[9]，大理石[10]和粉煤灰[11]等，也有一些研究將鈍化劑進(jìn)行組配[12-15]。但大多數(shù)研究以降低水稻籽粒中重金屬含量為研究目的，往往忽視了這些材料對水稻產(chǎn)量的影響。目前，在中、輕度Cd污染稻田中種植水稻，如何在保證糙米中Cd含量不超標(biāo)的前提下提高產(chǎn)量是現(xiàn)階段研究的熱點。一些研究表明[16，17]，施用有機肥在一定程度上能降低土壤中重金屬活性，并能增加土壤肥力、提高農(nóng)作物產(chǎn)量。黎秋君[18]等研究了三種有機肥如蠶、椰子泥炭和泥炭來修復(fù)鎘污染土壤，發(fā)現(xiàn)施用6%的蠶沙能分別降低中性和酸性土壤中59.02%和59.65%的酸可提取態(tài)Cd含量。也有一些研究指出，在稻田中施用有機肥能顯著提高水稻產(chǎn)量[19]，但對Cd污染土壤中的Cd無顯著鈍化效果，甚至?xí)鰪娖溆行訹20，21]。因此，施用有機肥對Cd污染稻田土壤中Cd的有效性、水稻籽粒中Cd的含量以及對水稻產(chǎn)量的影響亟待研究。以菜枯為外源有機肥來研究Cd污染土壤中有機肥對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)影響的報道還很少見。本研究以菜枯為有機添加物，通過盆栽試驗和TCLP毒性浸出試驗，對土壤-水稻系統(tǒng)中Cd的生物有效性進(jìn)行評價，研究不同施用量下有機肥對水稻產(chǎn)量及糙米中Cd累積的影響，以期為我國Cd污染耕地的糧食安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤來源于湖南省寧鄉(xiāng)縣雙江口鎮(zhèn)某地區(qū)（北緯28°27.716'，東經(jīng)113°16.356'）土稻田耕作層土壤;有機肥選用湖南農(nóng)村地區(qū)常見的菜枯，由湖南婁底市天之源榨油坊提供;盆栽用盆為白色圓柱形桶（直徑 = 300 mm，高 = 240 mm）;水稻（Oryza sativa L.）品種選自湖南常規(guī)晚稻湘晚秈12號，由湖南亞華種子有限公司提供。供試土壤和有機肥基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

供試土壤自然風(fēng)干后，去除石頭、根莖等雜物。每桶裝入風(fēng)干土4.0±0.1 kg。土壤樣品設(shè)置3個采樣時期：水稻分蘗期、灌漿期、成熟期。設(shè)置2個Cd污染程度，低污染和高污染濃度。有機肥設(shè)置4個施用量梯度（0、7.5、15、30 g/kg），每個施用量3個平行樣，共24盆。盆栽試驗在中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)樓3層水稻栽培基地進(jìn)行。

向每個桶中分別添加一定量含有25.0 mg Cd L–1（由CdCl2·2.5H2O制備）的Cd加標(biāo)溶液，使土壤中的Cd含量分別達(dá)到0.72 mg/kg（低污染）和5.20 mg/kg（高污染）。自來水將每個桶培養(yǎng)2周，保持最大田間持水能力的70%。2周后，以75、15、30 g/kg的比例施用有機肥;以未改良土壤作為對照（CK）再熟化2周，在此期間用木棍將土壤不斷攪拌。完成土壤熟化后，將水稻幼苗（湘晚秈12號）移植到盆栽中，每個盆栽2個幼苗。在水稻生長季節(jié)，土壤持續(xù)浸泡在2～5 cm的水下，除了水稻拔節(jié)期曬田（用于改善水稻根系生長和分蘗期的有效分蘗），并在所有必要的處理中使用常用農(nóng)藥。水稻移植后95天收獲。

1.3 樣品采集

分別于移栽后35天（水稻分蘗期）、65天（水稻灌漿期）、95天（水稻成熟期）采集土壤和水稻植株樣品。將土壤樣品風(fēng)干并輕輕壓碎，以通過2.0 mm（用于測定土壤pH）和0.149 mm（用于測定土壤OM、CEC和總鎘）尼龍網(wǎng)。用去離子水清洗水稻植株樣品，置于105°C烘箱中30分鐘，然后置于70°C烘箱中，直到樣品的重量保持不變。將所有水稻植株樣品分離成2～4個組織（根、莖、殼和糙米），然后使用不銹鋼研磨機（DEMASHI-SY400）粉碎，過0.149 mm尼龍網(wǎng)。分析前，所有土壤和水稻植物樣本均保存在清潔的聚乙烯容器中。

1.4 樣品測定方法

采用去離子水/土比分別為2.5/1和5/1的酸度計（PHS-3C）測定土壤和有機肥pH值。有機質(zhì)含量（OM）的測定采用重鉻酸鉀比色法測定[22]。所有土壤樣品均采用王水和高氯酸進(jìn)行酸消化，水稻樣品采用干灰化法進(jìn)行消化[22]。使用比重計法分析土壤沙粒、粉粒和黏粒含量。采用堿性水解擴散法測定土壤和有機肥有效N、碳酸氫鈉法測定土壤和有機肥有效P、醋酸銨法測定土壤和有機肥有效K[22]。土壤Cd有效性采用TCLP毒性浸出試驗[23]評價，水稻根表鐵膜采用DCB法提取。采用ICP-OES 6300（Thermo Fisher Scientific）測定了土壤TCLP可提取Cd含量、水稻根表鐵膜、根、莖和外殼中總Cd含量。采用ICE-AAS 3500（Thermo Fisher Scientific）測定糙米中的總Cd含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

實驗中的數(shù)據(jù)結(jié)果均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。本研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析均采用 SPSS 19.0 顯著性Duncan檢驗法檢測不同處理間的顯著差異，圖形均采用 OriginPro 2015進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源有機肥對土壤pH值和有機質(zhì)含量的影響

如圖1所示，施用有機肥對土壤pH值和有機質(zhì)含量影響顯著。隨著施用量的增加，土壤pH值顯著增加。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，土壤pH值在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別上升了0.40～0.68、0.55～0.65、0.56～0.52和0.15～0.33個單位，且均與對照呈現(xiàn)顯著差異（Plt;0.05）。從熟化期到分蘗期土壤pH值在各有機肥施用量下均顯著下降，之后隨著水稻生育期的延長呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。與熟化期相比，施用0、7.5、15和30 g/kg的有機肥使土壤pH值在分蘗期分別下降了0.75、0.59、0.45和0.77個單位，之后土壤pH值逐漸上升;與分蘗期相比，成熟期分別上升了0.81、0.41、0.50、0.48個單位。

隨著菜枯施用量的增加，土壤有機質(zhì)含量顯著增加。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，土壤有機質(zhì)含量在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別上升了8.3%～47.6%、6.2%～27.7%、12.0%～14.6%和4.8%～13.9%，且在施用30 g/kg的有機肥時，均與對照呈現(xiàn)顯著差異（P lt; 0.05）。隨著水稻生育期的延長各有機肥施用量下土壤有機質(zhì)含量顯著下降（P lt; 0.05），與熟化期相比，成熟期土壤有機質(zhì)含量在0、7.5、15、30 mg/kg施用量下分別下降了21.4%、24.0%、21.8%和39.3%。

2.2 外源有機肥對水稻各時期土壤TCLP提取態(tài)Cd含量的影響

不同水稻生育期土壤TCLP提取態(tài)Cd含量如圖2所示?？梢钥闯?，隨著有機肥施用量的增加，除在Cd低污染土壤水稻灌漿期、成熟期和Cd高污染土壤水稻成熟期時下降不顯著（P gt; 0.05）外，2個Cd污染程度土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量在各采樣時間均顯著下降（P lt; 0.05）。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥使Cd低污染中TCLP提取態(tài)Cd含量在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別下降了60.2%～77.3%、38.1%～56.4%、30.3%～39.9%和10.0%～38.6%，使Cd高污染土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量，除灌漿期有機肥施用量7.5 g/kg略有上升之外，分別下降了34.2%～61.5%、12.1%～42.3%、3.0%～8.9%、39.3%～15.8%。

2.3 外源有機肥水稻生長的影響

施用有機肥對成熟期水稻生長影響顯著（表2）。隨著有機肥施用量的增加，水稻株高及各部位生物量均顯著增加。與未施用有機肥處理相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，使Cd低污染和高污染土壤中水稻株高分別上升了5.1%～6.1%和5.5%～6.5%（P lt; 0.01）;使水稻生物量分別增加了15.2%～27.9%和10.6%～18.2%（P lt; 0.05），其中根分別增加了18.8%～50.6%和22.5%～42.7%，莖葉分別增加了14.0%～21.9%和5.9%～18.0%，稻谷分別增加了14.9%～21.3%和8.0%～16.6%。

2.4 外源有機肥對水稻成熟期糙米中Cd含量的影響

從圖3可以看出，施用有機肥顯著提高了水稻糙米中Cd含量（P lt; 0.05）。施用7.5～30 g/kg的有機肥，2個Cd污染土壤糙米中的Cd含量分別為0.05～0.13 mg/kg和0.20～2.24 mg/kg，與對照相比分別提高了17.4%～183.2%和5.3%～1067.7%。

3 討論

與熟化期相比，土壤pH值在種植水稻后下降顯著（圖1），之后又隨著水稻生育期的延長逐漸上升，且成熟期土壤pH值與熟化期相近，這與一些學(xué)者研究結(jié)果相同[24，25]。種植水稻后，水稻根系分泌的低分子有機酸降低了土壤pH，之后隨著水稻生育期的延長，在淹水環(huán)境中SO2-4被還原成S2-，使得土壤pH又逐漸上升。施用有機肥顯著降低了熟化期和分蘗期土壤中Cd的TCLP提取態(tài)含量（P lt; 0.05），且在Cd低污染和高污染土壤中均表現(xiàn)出良好的修復(fù)效果，這與一些學(xué)者的研究結(jié)果相同[16–18]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為[26-28]，有機肥在土壤中分解形成的羥基、羧基、酚羥基等活性基團(tuán)，可以和土壤中的重金屬形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而降低土壤重金屬活性。施用有機肥初期，土壤中Cd活性降低顯著，但隨著水稻生育期的延長，這種降低效果越來越弱，在成熟期時不存在顯著差異（P gt; 0.05）。這可能是因為有機肥進(jìn)入土壤后，通過絡(luò)合、吸附等作用降低了Cd的活性。但隨著水稻生育期的延長，水稻根系對有機肥的利用與分解，將被有機肥吸附和絡(luò)合的Cd會重新釋放出來，影響修復(fù)效果[29]。

有趣的是，在本研究中施用有機肥顯著升高了成熟期水稻糙米中Cd含量（圖3），與土壤中Cd的TCLP提取態(tài)含量變化趨勢相反，也與一些學(xué)者的研究結(jié)果不同[29，30]。施用有機肥顯著增加了成熟期水稻的生物量（表2），也增加了根系的生物量，更大生物量使得水稻植株需要更多水分和養(yǎng)分，因此增加了根系的對土壤中各元素的吸收，在這個過程中也包括了對Cd的吸收。同時，更強的水稻根系增加了根系有機酸和根際泌氧[31]，這會抑制硫化鎘沉淀的形成，從而增強了根際環(huán)境中Cd的有效性[32]。一些學(xué)者認(rèn)為[33-35]，根際土壤是重金屬進(jìn)入水稻植株的重要途徑，根際土壤中重金屬的活性一定程度上決定了水稻的受害程度;反過來，水稻根系的化學(xué)行為也顯著影響著重金屬對水稻本身的生物毒性。因此，在水稻根際的微環(huán)境中，Cd的有效性可能在水稻根系的作用下而增高。

現(xiàn)階段對有機肥修復(fù)土壤重金屬存在一定爭議。有研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥不能降低土壤中Cd的有效性，甚至?xí)黾又参飳d的吸收[36，37]。有機質(zhì)在土壤中的化學(xué)行為十分復(fù)雜，有機肥-重金屬絡(luò)合物的形成與分解[38]、有機肥對土壤pH、Eh的影響[39]、對水稻根際環(huán)境的影響[40]等都會影響其在土壤重金屬修復(fù)中的表現(xiàn)。在本研究中，施用菜枯的前期顯著降低了土壤Cd的有效性，但這種降低效果隨著水稻生育期的延長逐漸降低，同時施用有機肥也增加了水稻根系活動對根際土壤中Cd的活化。因此在這幾個方面的共同作用下，水稻糙米中Cd累積量顯著增加。

值得一提的是，在本研究中雖然施用有機肥顯著增加了水稻糙米中Cd含量，但在低污染程度下（0.72 mg/kg）施用7.5～30 g/kg的有機肥，水稻糙米中Cd含量分別為0.05～0.13 mg/kg，低于國家食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762-2012，Cd lt; 0.2 mg/kg），同時使水稻稻谷生物量增加了14.9%～21.3%。因此，在一定Cd污染的稻田中施用一定量的菜枯，可作為一種增加水稻產(chǎn)量的肥料。

4 結(jié)論

（1）施用有機肥（菜枯）顯著增加了土壤pH值和有機質(zhì)含量。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，土壤pH值在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別上升了0.40～0.68、0.55～0.65、0.56～0.52和0.15～0.33個單位，土壤有機質(zhì)含量分別上升了8.3%～47.6%、6.2%～27.7%、12.0%～14.6%和4.8%～13.9%。

（2）施用有機肥（菜枯）顯著降低了熟化期、分蘗期和灌漿期土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量，但在成熟期時下降不顯著（P gt; 0.05）。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥使Cd低污染中TCLP提取態(tài)Cd含量在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別下降了60.2%～77.3%、38.1%～56.4%、30.3%～39.9%和10.0%～38.6%，使Cd高污染土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量，除灌漿期有機肥施用量7.5 g/kg略有上升之外，分別下降了34.2%～61.5%、12.1%～42.3%、3.0%～8.9%、39.3%～15.8%，降低效果隨著生育期的延長逐漸減弱。

（3）施用有機肥（菜枯）顯著促進(jìn)了水稻的生長和增加了水稻產(chǎn)量。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，使Cd低污染和高污染土壤中水稻稻谷生物量分別增加了14.9%～21.3%和8.0%～16.6%。

（4）施用有機肥（菜枯）顯著提高了成熟期水稻糙米中Cd含量，與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥使2個Cd污染土壤糙米中的Cd含量分別為0.05～0.13 mg/kg和0.20～2.24 mg/kg，與對照相比分別提高17.4%～183.2%和5.3%～1067.7%。

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（責(zé)任編輯：曾 晶）