新型改良劑“良田寶”對(duì)土壤有效鎘及稻米鎘含量的影響

劉馬養(yǎng)，張玉盛，2，肖 歡，2，敖和軍，2*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128； 2 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙 410128)

從20世紀(jì)60年代日本出現(xiàn)“骨痛病”到2013年5月我國轟動(dòng)一時(shí)的“鎘大米”，稻米鎘污染越來越受到人們的關(guān)注。稻米中的重金屬鎘污染不僅給人類健康安全問題帶來極大的隱患，而且還在一定程度上影響了中國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性發(fā)展和國家生態(tài)環(huán)境安全，給國民經(jīng)濟(jì)帶來了極大的損失。我國乃至世界范圍內(nèi)對(duì)農(nóng)田土壤鎘污染修復(fù)和農(nóng)產(chǎn)品降鎘的治理已刻不容緩。

目前針對(duì)土壤鎘污染修復(fù)與農(nóng)產(chǎn)品降鎘，主要有兩種途徑：1)改變重金屬的存在狀態(tài)，降低其活性，脫離食物鏈；2)利用特殊植物吸收土壤中的重金屬，或用工程技術(shù)將重金屬變?yōu)榭扇軕B(tài)、游離態(tài)，經(jīng)過淋洗、收集，達(dá)到回收和減少土壤中重金屬的雙重目的。化學(xué)固定修復(fù)技術(shù)具有高效且快速等優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)外眾多研究人員所采用。該技術(shù)主要采用土壤改良劑改變土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，通過吸附、沉淀或共沉淀作用，改變重金屬在土壤中的存在狀態(tài)，從而降低其生物有效性和遷移性[1]。王林等[2]研究表明，施用海泡石和磷酸鹽，提高土壤pH值、物理化學(xué)吸附以及生成礦物沉淀等作用，可以促進(jìn)污染土壤中的Cd、Pb由活性高的交換態(tài)向活性低的殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，從而顯著降低Cd、Pb的生物有效性和遷移能力。何晶晶等[3]研究表明，在高污染背景條件下，添加石灰、腐殖酸、硫化鈉、亞硒酸鈉可抑制紫色土汞、鎘進(jìn)入蔬菜。有機(jī)改良劑主要包括農(nóng)家肥、綠肥、生物炭等有機(jī)肥料。王哲等[4]研究指出，添加生物炭后，土壤中重金屬的形態(tài)發(fā)生了變化，由易遷移的弱酸提取態(tài)向更加穩(wěn)定的殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，且生物炭添加量越大，鈍化效果越顯著。本試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，將一種新型土壤改良劑應(yīng)用于鎘污染農(nóng)田土壤，旨在探討其不同用量對(duì)鎘污染土壤的降鎘效果及對(duì)水稻吸收積累鎘的影響，為鎘污染土壤上稻米的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自湖南省岳陽市湘陰縣鎘污染水稻土(河流沖擊物形成的潮泥田)，土壤pH值5.74，總鎘含量0.82 mg/kg，有效鎘含量0.33 mg/kg。土壤采回后經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過篩裝入內(nèi)徑長43.7 cm、寬31.4 cm、高16.0 cm的試驗(yàn)盆，每盆16 kg。

供試晚稻品種為玉針香。6月22日播種育秧，7月24日移栽秧苗。

土壤改良劑“良田寶”購于葛林美(蘇州)農(nóng)業(yè)科技有限公司，屬于紐翠綠良田寶C系列生態(tài)基肥(水劑) 。其主要特性：pH值(1∶250稀釋)4.0～10.0、腐殖酸≥40 g/L、重金屬Cd含量≤10 mg/kg，大量元素含量≥200 g/L、N≥70 g/L、P2O2≥60 g/L、K2O≥70 g/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2018年4～11月在湖南省長沙市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所防雨大棚進(jìn)行。設(shè)置6個(gè)處理：CK(對(duì)照，不添加“良田寶”)，T1(每公斤土添加“良田寶”0.3 g)，T2(每公斤土添加“良田寶”0.6 g)，T3(每公斤土添加“良田寶”0.9 g)，T4(每公斤土添加“良田寶”1.2 g)，T5(每公斤土添加“良田寶”1.5 g)。4次重復(fù)。模擬田間全生育期淹水處理，并保持不生長雜草。改良劑添加后放置浸泡一周，使土壤環(huán)境平穩(wěn)。分別于4月23日、6月24日、7月24日取土壤樣品(記為S1、S2、S3)，并于7月24日完成晚稻秧苗移栽，每盆6穴，每穴2株基本苗。水稻生長期采用自來水灌溉及其它常規(guī)管理，于11月3日收割，生育期134 d。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤有效鎘含量：土壤樣品采取“梅花5點(diǎn)法”采集，將采集到的土壤樣品混合均勻，放于室內(nèi)風(fēng)干，去除其中的沙石和動(dòng)植物殘?bào)w等，用橡膠錘粉碎，過篩(100目尼龍篩)。采用DTPA浸提法(GB/T 23739-2009)提取樣品有效鎘，ICP-MS測(cè)定其鎘含量。

植株樣品干質(zhì)量與鎘含量：先用自來水洗凈水稻樣品根系泥土，再用去離子水清洗整個(gè)植株，洗凈后將其分為根系、稻草、籽粒3部分，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重。將籽粒打成糙米，并將烘干后的糙米、稻草和根系用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎后過篩(100目)，用濃硝酸與高氯酸(V硝酸∶V高氯酸=4∶1)濕法消解，采用ICP-MS測(cè)定樣品鎘含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2019和SAS 9.4中Mixed model軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻成熟期生物量

由表1可知，各處理均能提高水稻的生物量，其中根系生物量以T3最高，為19.8 g/盆，其次為T4、T5，顯著高于CK和T2，但三者間無顯著差異。除T2外，其它各處理稻草和籽粒生物量較CK均有較大增幅，分別為2.40%～26.94%和5.11%～68.00%。其中稻草生物量以T5最高，為136.3 g/盆，其次為T3，與其他處理差異顯著；T2最低，為93.8 g/盆，較CK降低12.59%，但與CK、T1、T4差異不顯著。籽粒生物量以T4最高，為91.4 g/盆，其次為T3，與其他處理差異顯著；T2最低，為45.2 g/盆，較CK降低17.00%，但與CK、T1、T2、T5差異不顯著。

表1 水稻成熟期不同部分生物量

注：用LSD法進(jìn)行多重比較。同列數(shù)據(jù)后小寫字母不同表示處理間的差異達(dá)到0.05顯著水平。下同。

2.2 水稻成熟期不同部分Cd含量

水稻成熟期地下部分Cd含量為T3>T4>T1>T2>CK>T5，T3最高，為2.00 mg/kg，與CK差異顯著，T1～T4處理間差異不顯著，較CK高24.32%～80.18%，T5較CK低23.42%，差異不顯著。地上部分Cd含量以CK最高，為0.69 mg/kg，與其他各處理差異顯著，不同處理較CK低66.67%～78.26%(表2)。因此，施用“良田寶”能有效抑制根系中的Cd向地上部轉(zhuǎn)移，顯著降低水稻地上部分的Cd含量。

表2 水稻成熟期不同部分Cd含量

2.3 水稻成熟期糙米Cd含量

由表2可知，水稻糙米Cd含量以T3處理最高，為0.15 mg/kg，較CK高150%，與其他各處理差異顯著；T1處理較CK高50%，但差異不顯著；T2、T4、T5處理分別較CK低50.00%、33.34%、16.67%，但處理間無顯著差異。

2.4 土壤有效Cd含量

各處理均能降低土壤有效Cd含量(表3)，其中施用改良劑浸泡一周后(S1)與浸泡兩月后(S2)測(cè)量，土壤有效Cd含量均為T5

表3 土壤不同時(shí)期有效Cd含量

3 討論

3.1 施用土壤改良劑對(duì)土壤鎘的影響

3.2 施用改良劑對(duì)水稻生物量積累的影響

本試驗(yàn)中，T3和T4處理水稻各部分生物量顯著高于對(duì)照，且籽粒生物量明顯增加，增幅最高達(dá)到68.0%；T5處理籽粒生物量較T1～T3處理有所下降，較對(duì)照組僅有5.11%的增幅。說明合理施用改良劑，可以促進(jìn)水稻根系、稻草和籽粒等生物量的積累，當(dāng)改良劑施用量超過一定范圍時(shí)，水稻各部分生物量積累反而降低。其可能原因?yàn)樘砑油寥栏牧紕┦沟猛寥纏H發(fā)生變化，土壤微環(huán)境發(fā)生較大改變，從而影響水稻生物量的積累。這與羅子瑞等[6]研究結(jié)果相一致。也有研究表明，腐殖酸含有較多的營養(yǎng)物質(zhì)，造成水稻營養(yǎng)過剩而推遲結(jié)實(shí)，從而導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降[7]。

3.3 施用改良劑對(duì)水稻鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

在土壤—水稻系統(tǒng)中，土壤中Cd進(jìn)入稻米中要經(jīng)歷土壤—稻根、稻根—莖葉和莖葉—稻米3 個(gè)過程，而改良劑施用可能會(huì)影響水稻各部位對(duì)Cd 的吸收[8]。本試驗(yàn)中，不同處理對(duì)地下部鎘含量的影響表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)，且均高于CK處理；其中T3處理最高，較CK高80.18%。對(duì)于水稻地上部分而言，改良劑的施用顯著降低了其鎘含量，各處理較CK降幅為66.67%～78.26%。且各處理水稻糙米中鎘含量均未超出國家標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/kg)，但其中T1和T3處理稻米鎘含量高于CK，而T2、T4和T5處理低于CK，差異不顯著。

綜合以上結(jié)果，施用土壤改良劑，可以抑制根系中的鎘向地上部分轉(zhuǎn)移，降低糙米中的鎘含量，其降鎘效果與其施用劑量相關(guān)。其可能原因?yàn)槭┯酶牧紕┯绊懥藀H、CEC及EC等土壤理化性質(zhì)，使得土壤中總鎘轉(zhuǎn)化為水稻能有效吸收的重金屬鎘的相對(duì)數(shù)量增多，因此水稻根系部分富集的鎘含量相應(yīng)提高。另有研究表明，添加有機(jī)酸可以降低籽粒中鎘含量，原因在于有機(jī)酸增加了鎘在土壤中的溶解度，與鎘形成復(fù)合物，影響土壤對(duì)鎘的吸附，增加其解吸能力，提高了鎘在土壤中的移動(dòng)性，使得通過質(zhì)流擴(kuò)散作用到達(dá)根系的重金屬量增加，根系因此有更多機(jī)會(huì)與重金屬鎘接觸[9]。而進(jìn)入水稻根系的鎘受到根系的滯留作用，降低了鎘向水稻地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，主要作用表現(xiàn)為：1)根莖間較低的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)量，使得向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的鎘離子量減少；2)根系細(xì)胞壁的滯留作用；3)根系細(xì)胞液泡的滯留作用[10]。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果分析，施用改良劑能有效影響水稻根系的滯留作用，減少鎘向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)，但其中具體影響的生理生化機(jī)制還需進(jìn)一步探明。所有處理中糙米鎘含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg/kg，可能原因?yàn)楸驹囼?yàn)在水稻全生育期淹水灌溉處理下進(jìn)行。據(jù)前人報(bào)道[11，12]，全生育期淹水灌溉處理能顯著降低稻米鎘含量，尤其晚稻表現(xiàn)明顯。此外，水稻對(duì)鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的特殊生理模式，決定了水稻各部分中鎘含量的基本分布規(guī)律是根系>莖葉>籽粒[13]，本試驗(yàn)的研究結(jié)果也驗(yàn)證了這一規(guī)律。本試驗(yàn)僅對(duì)施用“良田寶”對(duì)土壤有效鎘及水稻鎘積累的影響進(jìn)行探討，其作用機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

施用適量土壤改良劑能有效促進(jìn)水稻干物質(zhì)的積累，但當(dāng)改良劑施用量超過一定范圍時(shí)水稻各部分生物量反而降低?？紤]水稻產(chǎn)量、稻米鎘含量和土壤修復(fù)效果，潮泥田鎘污染土壤上施用“良田寶”1.2 g/kg土左右為宜。