生物炭與水分管理耦合對(duì)晚稻鎘遷移與積累的影響

王 義，王勃然，周文濤，祝志娟，劉 莉，祝博文，傅志強(qiáng)*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華中地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，長(zhǎng)沙410128）

鎘是自然界中廣泛存在的一種人體非必需重金屬元素，在環(huán)境中具有化學(xué)活性強(qiáng)、移動(dòng)性大、毒性持久（半衰期超過(guò)20 a）、隱秘性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。相關(guān)研究表明，在土壤可溶性鎘含量達(dá)到0.43 mg·kg-1時(shí)，水稻減產(chǎn)10%，當(dāng)含量為8.1 mg·kg-1時(shí)，水稻減產(chǎn)達(dá)25%，并且，稻米的氨基酸、支鏈淀粉和直鏈淀粉比例發(fā)生改變，水稻品質(zhì)變差；當(dāng)鎘元素通過(guò)食物鏈的富集作用進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)人類自身的健康造成傷害[2-4]。因此，如何安全有效地修復(fù)鎘污染農(nóng)田、降低鎘污染地區(qū)稻米鎘含量，成為了一個(gè)亟須解決的技術(shù)難題[5]。

已有研究表明，水稻全生育期淹水是一種低成本、操作便利的降鎘手段，淹水條件下水稻籽粒中鎘含量能夠大幅降低[6]。有研究認(rèn)為，長(zhǎng)期淹水能夠更好地改善土壤氧化還原環(huán)境，改變土壤中變價(jià)元素如鐵、錳、硫的價(jià)位及存在形式，進(jìn)而改變鎘的存在形式，影響其生物有效性[7-8]；生物炭是指生物有機(jī)質(zhì)在缺氧或低氧環(huán)境下經(jīng)過(guò)裂解形成的固體產(chǎn)物[9]。常用的生物炭有稻殼炭、竹炭等，其具有較大的孔隙度和比表面積，具有負(fù)電荷多、離子交換能力強(qiáng)、吸附性能優(yōu)異等特點(diǎn)，其表現(xiàn)出對(duì)重金屬陽(yáng)離子較強(qiáng)的吸附能力，在提高重金屬穩(wěn)定性、控制污染和修復(fù)土壤等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景[10-13]。在中重度污染區(qū)域，采用單一技術(shù)很難達(dá)到理想的效果，因此，需要采用聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。有研究表明，優(yōu)化水分管理方式與施用生石灰相結(jié)合一方面能夠降低土壤有效鎘含量，另一方面能夠顯著降低鎘活性，進(jìn)而達(dá)到降低稻谷鎘總積累量的目的[14]。李劍睿[15]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)長(zhǎng)期淹水聯(lián)合生物炭復(fù)配有機(jī)肥對(duì)水稻土鎘污染進(jìn)行修復(fù)，能夠有效提高土壤pH，促使土壤鎘形態(tài)由交換態(tài)向鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，同時(shí)能夠降低土壤氧化還原電位，降低水稻根系鎘含量，減少糙米鎘含量。目前，針對(duì)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究基礎(chǔ)較為薄弱，考慮到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中外界條件的多變性，大多研究采用盆栽的方式進(jìn)行，著重探索其作用機(jī)制，而實(shí)際用于田間生產(chǎn)不多。以探索實(shí)際操作中的降鎘效果為目的，本研究選擇湖南中度鎘污染稻田為試驗(yàn)地點(diǎn)，將施用生物炭與水分管理兩種措施相結(jié)合，研究?jī)煞N技術(shù)聯(lián)合對(duì)水稻鎘吸收、遷移與積累的影響，以期為降低稻米鎘含量提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018 年7—11 月在湖南省長(zhǎng)沙縣北山鎮(zhèn)榮合橋社區(qū)鎘污染稻田區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)田塊地處湖南省東部偏北，東經(jīng)112°56′15″，北緯27°54′55″。該地位于東亞季風(fēng)區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。春季15～25 ℃，夏季18～36 ℃，冬季5～15 ℃。常年降雨量1 000～1 200 mm。供試土壤為花崗巖發(fā)育的麻砂泥水稻土，其基本理化性質(zhì)為：pH 5.3，全氮3.08 g·kg-1，全磷0.92 g·kg-1，全鉀29.8 g·kg-1，堿解氮107 mg·kg-1，有效磷30.8 mg·kg-1，速效鉀125 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)30.7 g·kg-1，陽(yáng)離子交換量10.8 cmol·kg-1，全鎘0.43 mg·kg-1，有效鎘0.22 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地前茬為空閑。供試材料為H 優(yōu)518，該品種屬秈型三系雜交水稻，全生育期平均112.9 d，重金屬吸收能力較強(qiáng)。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以水分管理模式為主處理（W），設(shè)4 個(gè)水平：W1 為水稻灌漿期前干后淹，開花前與常規(guī)水分管理相同，開花后3～5 d，田間排水，保持7 d，然后再灌水深3 cm，直至成熟；W2為灌漿期前淹后干，開花前與常規(guī)水分管理相同，開花后3～5 d，田間水深3 cm，保持7 d，然后排水落干，直至成熟；W3為全生育期淹水灌溉，田間一直保持水深3 cm；W4 為常規(guī)管理，前期淺水分蘗，水深3 cm，分蘗盛期排水曬田，孕穗抽穗期灌淺水，灌漿后期干濕交替直到蠟熟期，黃熟期排水，直至收獲。施生物炭為副處理（C），設(shè)4個(gè)水平，分別為C1：5 t·hm-2、C2：7.5 t·hm-2、C3：10 t·hm-2、C4：0 t·hm-2。主副處理兩兩組合，共16 個(gè)處理，按隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)，副區(qū)面積35 m2（5 m×7 m），小區(qū)間用鋪塑料薄膜的田埂隔開。

2018年6月22日播種，7月26日移栽，移栽規(guī)格為17 cm×23 cm，10月20日收獲。N、P2O5、K2O 施肥量分別為150、75、120 kg·hm-2。施肥時(shí)期及比例為：移栽前基肥，N-60%、P2O5-100%、K2O-60%；分蘗肥N-30%；穗肥，N-10%、K2O-40%。其余病蟲害管理按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培技術(shù)措施進(jìn)行。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

水稻收獲后取樣，采用水浸提法測(cè)定土壤pH[16]，水稻糙米及植株鎘含量采用微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定[17]。

水稻成熟期取植株樣品，分離各部位，置于80 ℃烘干箱中烘干，稱質(zhì)量測(cè)定其生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

植株鎘積累量=植株鎘含量×每平方米植株生物量；鎘從根系向莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF莖葉/根）=水稻莖葉鎘含量/水稻根系鎘含量×100%；鎘從根系向糙米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF糙米/根）=水稻糙米鎘含量/水稻根系鎘含量×100%；鎘從莖葉向糙米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF糙米/莖葉）=水稻糙米鎘含量/水稻莖葉鎘含量×100%[18]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異顯著性分析和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水炭耦合對(duì)土壤pH的影響

由圖1 可知，不同水分管理方式與生物炭結(jié)合處理對(duì)土壤的pH 具有顯著影響，較試驗(yàn)前土壤pH，經(jīng)各組合處理之后的土壤pH 均有明顯增高，差值在0.65～1.37。在未施用生物炭（C4）的情況下，W4 增長(zhǎng)幅度最小，其他3 種模式排序?yàn)閃2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1。在施用生物炭的情況下，W1水分管理模式中，施炭量不同的4 個(gè)小區(qū)pH 差異顯著，表現(xiàn)為W3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)4；W2 水分管理模式下，C2 與C3、C1 差異不顯著，其他各小區(qū)有顯著差異，具體表現(xiàn)為C3＞C2＞C1＞C4；在W3 控水模式下，C2 與C3 沒(méi)有顯著差異，其他各小區(qū)差異顯著，具體為C3＞C2＞C1＞C4；在W4 常規(guī)控水情況下，C2 與C3 沒(méi)有顯著差異，其他各小區(qū)差異顯著，具體為C2＞C3＞C1＞C4；總體來(lái)說(shuō)，在4 種水分管理模式下，pH 增長(zhǎng)幅度大致排序?yàn)镃3＞C2＞C1＞C4，在16個(gè)處理中，增幅最高的處理為W3-C3，增幅達(dá)到1.37個(gè)單位。

2.2 水炭耦合對(duì)水稻各部位鎘含量的影響

圖1 相同水分管理模式下不同施炭量對(duì)土壤pH的影響Figure 1 Effects of different carbon application rates on soil pH under the same water management model

由表1 可知，水分管理和生物炭均對(duì)水稻成熟期根系、莖葉、糙米的鎘含量影響達(dá)到極顯著水平，水分管理與生物炭耦合對(duì)根系、糙米鎘含量的影響達(dá)到極顯著水平，對(duì)莖葉鎘含量的影響未達(dá)到顯著水平。由表中根系鎘含量可知，在未施用生物炭（副處理為C4）的情況下，W4 根部鎘含量最高，W3 含量最低，與CK（W4-C4）相比，W1、W2、W3 鎘含量分別降低了12.83%、24.46%、28.09%。在施用生物炭的情況下，根系鎘含量最低的處理為W3-C1，與CK 相比其下降了48.67%。由表中莖葉鎘含量可知，在未施用生物炭的情況下，W4 莖葉部分鎘含量最高，W3含量最低，4 種模式對(duì)比，莖葉部鎘含量由高到低依次為W4＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3，與CK 相比，W1、W2、W3 分別降低了21.51%、18.82%、43.01%。在施用生物炭的情況下，莖葉鎘含量最低的處理為W3-C3，其含量較CK 下降了51.63%。由表中糙米鎘含量可知，在未施用生物炭的情況下，糙米鎘含量最高的為W4，W3 鎘含量最低，與CK 對(duì)比，W1、W2、W3 分別降低了18.18%、6.82%、38.64%。在施用生物炭的情況下，糙米鎘含量最低的處理為W3-C3，其含量低于國(guó)家稻米鎘含量標(biāo)準(zhǔn)，較CK 降低了59.10%。

2.3 水炭耦合對(duì)水稻各部位鎘積累量的影響

由表2 可知，水分管理對(duì)水稻各部位鎘積累量都具有極顯著的影響，生物炭對(duì)成熟期水稻根與糙米鎘積累量的影響達(dá)到極顯著水平，對(duì)莖葉的積累量影響顯著，水分管理與生物炭耦合對(duì)水稻根與糙米的積累量影響水平達(dá)到極顯著，對(duì)莖葉的積累量影響未達(dá)到顯著水平。由表中成熟期根部鎘積累量可知，未施用生物炭時(shí)，W4積累量最高，W3積累量最低，相較于CK，W1、W2、W3 分別降低了3.10%、23.50%、26.53%。在施用生物炭的情況下，對(duì)比各控水模式中各處理的積累量，積累量最小的處理為W2-C3，積累量最大的處理為W4-C1，相較于CK其分別降低了56.12%、-5.10%。由表中水稻成熟期莖葉部位的鎘積累量可知，在未施用生物炭時(shí)，積累量最小的控水模式為W3，積累量最高的模式為W4，相較于CK，W1、W2、W3 分別降低了35.12%、3.68%、47.16%。在施用生物炭的情況下，控水模式中各處理相比，積累量最低的為W3-C3，積累量最高的處理為W4-C1。由表中糙米部位鎘積累量可知，在未施用生物炭的情況下，W3模式鎘積累量最低，最高的模式為W2，相較于CK，W1、W2、W3 分別降低了0.01%、-8.62%、17.24%。在施用生物炭的情況下，積累量最高的處理為W2-C2，積累量最低的處理為W3-C3，相較于CK 其分別降低了-8.62%、53.44%。

2.4 水炭耦合對(duì)水稻植株各部位鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

由表3 可知，水分管理對(duì)TF莖葉/根、TF糙米/根的影響達(dá)到了極顯著水平，對(duì)TF糙米/莖葉影響顯著；生物炭處理 對(duì)TF莖葉/根的 影 響 達(dá) 到 顯 著 水 平，對(duì)TF糙米/根、TF糙米/莖葉的影響未達(dá)到顯著水平；水分管理與生物炭耦 合 對(duì)TF糙米/根達(dá) 到 了 極 顯 著 水 平，對(duì)TF莖葉/根、TF糙米/莖葉影響不顯著。由表中TF莖葉/根的數(shù)值可以看出，在未施用生物炭的情況下，TF莖葉/根由高到低為W2＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3，在施用生物炭的情況下，4 種控水模式中各處理間差異大部分呈現(xiàn)不顯著水平，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高的處理為W2-C2，最低的為W1-C3。由表中TF糙米/根可知，在未施用生物炭的情況下，TF糙米/根由高到低依次為W2＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3。在施用生物炭的情況下，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高的處理為W2-C2，最低的處理為W3-C3。由表中TF糙米/莖葉可以看出，在未施用生物炭的情況下，TF糙米/莖葉由高到低依次為W3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)4。在施用生物炭的情況下，各處理差異大多呈不顯著水平，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高的處理為W2-C3，最小的處理為W3-C2。

表1 植株各部位鎘含量（mg·kg-1）Table 1 Cadmium content in various parts during maturity（mg·kg-1）

表2 水稻植株各部位鎘積累量（mg·m-2）Table 2 Cadmium accumulation in various parts of rice at maturity stage（mg·m-2）

2.5 糙米鎘含量與相關(guān)指標(biāo)間的關(guān)系

由表4 可知，水稻成熟期糙米的鎘含量與土壤的pH 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與根系鎘含量、TF莖葉/根呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.52、0.56、0.70；糙米鎘含量與莖葉鎘含量、根系鎘積累量、莖葉鎘積累量、糙米鎘積累量、TF糙米/根、TF糙米/莖葉呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.89、0.91、0.76、0.95、0.94。由此可知，隨著根系以及莖葉部位鎘含量及積累量的增加，糙米的鎘含量會(huì)增長(zhǎng)，糙米鎘含量的增長(zhǎng)對(duì)糙米鎘積累也具有極大的影響，同時(shí)也將對(duì)糙米與其他部位的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)造成極大的影響。

3 討論

土壤pH是影響土壤中重金屬溶解度及生物有效性的主要因素之一，根本原因在于其影響土壤中鎘的吸附-解吸、溶解-沉淀，進(jìn)而影響土壤中鎘的生物有效性，土壤pH 為4.5～7.2 時(shí)，介質(zhì)中水溶性鎘含量與pH 呈顯著負(fù)相關(guān)，當(dāng)pH 為4 時(shí)，鎘的溶出率為50%，pH 為7.5 時(shí)將很難溶出[19-20]。謝運(yùn)河等[21]和王蜜安[22]研究發(fā)現(xiàn)，通常田間作物鎘含量與土壤的pH 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤pH 越低，鎘活性越強(qiáng)，越容易被作物吸收，糙米鎘含量就越高，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。試驗(yàn)中，在施用生物炭的情況下，土壤pH 提升幅度較大，且呈現(xiàn)出隨施炭量增加而趨向中性的趨勢(shì)，但未施用生物炭的情況下pH 變化較小，且與同一水分管理模式下其他施炭處理的差異顯著（圖1），這可能是由于生物炭原料中含有鈣、鎂、鉀、鈉等離子，其在熱解過(guò)程中轉(zhuǎn)化成金屬氧化物、氫氧化物或碳酸鹽等[23]，施加到土壤中后會(huì)中和土壤的酸度，從而使土壤pH 提高[24]，而在未施用生物炭的情況下，淹水造成土壤中有機(jī)物厭氧分解生成有機(jī)酸，從而導(dǎo)致pH 變化較小[25]。在未施用生物炭的情況下，單一的長(zhǎng)期淹水處理、兩種濕潤(rùn)灌溉處理下土壤pH 較試驗(yàn)前仍有小幅度提升，可能是由于當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境改善，自然雨水與灌溉用水較土壤本身酸堿度偏中性，日常降水以及灌溉用水下滲導(dǎo)致。

表3 水稻植株各部位的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 3 Transfer coefficients of various parts of rice at maturity stage

表4 糙米鎘含量與其他變量之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between brown rice cadmium content and other variables

水稻各部位對(duì)鎘的吸收、積累與轉(zhuǎn)運(yùn)是決定稻米中鎘含量的關(guān)鍵。鎘在水稻中的轉(zhuǎn)運(yùn)是一個(gè)由下往上的過(guò)程，水稻根系、莖葉部分鎘濃度及積累量直接影響到稻米中鎘含量的多少。李園星露等[26]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了生物炭耦合水分管理對(duì)稻米鎘積累的影響，結(jié)果顯示添加生物炭與長(zhǎng)期淹水管理能夠有效降低土壤中鎘的生物有效性，降低稻米鎘含量，減少糙米鎘積累量，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。這可能是因?yàn)樯锾孔陨矶嗫讖降慕Y(jié)構(gòu)以及自身強(qiáng)大的吸附能力，能夠與土壤中重金屬結(jié)合形成沉淀，從而降低了土壤中鎘的生物有效性，減少土壤有效鎘含量。張振宇[27]認(rèn)為，生物炭施入土中，也可以增加水稻鎘庫(kù)的相對(duì)容量，從而使籽粒鎘含量下降。同時(shí)長(zhǎng)期淹水能夠降低土壤氧化還原電位，從而增加土壤中還原態(tài)鐵、錳等陽(yáng)離子和硫等陰離子含量，而施入生物炭后，pH 上升，加劇了還原態(tài)陽(yáng)離子與鎘離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附以及還原態(tài)陰離子的共沉淀作用，從而降低土壤中鎘的生物有效性[28]。谷學(xué)佳等[29]研究發(fā)現(xiàn)，隨著施炭量的增加，糙米鎘含量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這與本試驗(yàn)結(jié)果相一致。試驗(yàn)中，分別對(duì)比不施用生物炭時(shí)4 種水分管理模式以及常規(guī)水分管理模式下不同施炭量處理的糙米鎘含量（表1），單一水分管理中下降最多的處理為長(zhǎng)期淹水，糙米鎘含量較常規(guī)水分管理下降38.64%，在常規(guī)水分管理中，僅考慮生物炭的影響情況下，單一生物炭處理中下降幅度最大的為施用量5 t·hm-2，相較于對(duì)照糙米鎘含量下降45.45%，將兩項(xiàng)單一處理與聯(lián)合處理中降幅最大的處理相比較，其下降幅度分別減少20.46%、13.65%。由此可知，復(fù)合處理較單一處理具有一定的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)試驗(yàn)中單一處理之間的比較情況，長(zhǎng)期淹水的下降幅度小于生物炭處理的下降幅度，但考慮到兩者作用機(jī)制不盡相同，以及水分管理受到外界影響的因素較多，所以很難在組合處理的情況下辨別兩種手段的主次地位。

水稻從土壤中吸收鎘總量不變的情況下，各器官間對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)弱是影響稻米中鎘含量的重要因素之一。通過(guò)比較不同處理下水稻各器官間轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的差異表明，經(jīng)過(guò)水分管理與生物炭耦合處理的水稻各器官間轉(zhuǎn)運(yùn)能力較對(duì)照大致呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)（表3），此結(jié)果與楊定清等[30]的研究結(jié)果一致，轉(zhuǎn)運(yùn)能力的減弱使鎘從根系、莖葉等部位向水稻籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)減少。但總體看來(lái)，轉(zhuǎn)運(yùn)能力的變化并無(wú)明顯規(guī)律，甚至出現(xiàn)增強(qiáng)的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樗止芾砼c生物炭耦合不會(huì)阻礙水稻自下而上的鎘運(yùn)輸過(guò)程，而只是通過(guò)減少水稻從土壤中攝取鎘的總量來(lái)影響水稻器官的鎘含量與積累量[31]。

4 結(jié)論

（1）聯(lián)合降鎘技術(shù)相對(duì)單一手段降鎘效果更加突出。聯(lián)合處理中，長(zhǎng)期淹水與生物炭耦合對(duì)水稻鎘吸收、遷移及積累的抑制效果更強(qiáng)，對(duì)鎘污染地區(qū)種植水稻是一種值得推薦的降鎘方式。

（2）長(zhǎng)期淹水模式降鎘效果顯著，水資源豐富地區(qū)，考慮到生物炭成本的情況下，選用長(zhǎng)期淹水模式種植水稻對(duì)鎘污染地區(qū)水稻降鎘具有巨大的參考價(jià)值，在水資源缺乏地區(qū)，則應(yīng)該重視生物炭等鈍化劑及其他降鎘措施的應(yīng)用。