3種有機(jī)物料對土壤鎘有效性及水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

范晶晶，許超，王輝，朱捍華，朱奇宏，張泉，黃鳳球，黃道友*

（1.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410125；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.湖南省土壤肥料研究所，長沙410125）

《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[1]顯示，Cd 是我國土壤點(diǎn)位超標(biāo)率最高的污染物，達(dá)到7%，且主要分布在我國南方稻作區(qū)，對稻米質(zhì)量安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。農(nóng)業(yè)管理措施對稻田土壤Cd 植物有效性的影響已得到廣泛證實(shí)[3-4]。種植綠肥、秸稈還田和施用有機(jī)肥是提升稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤肥力的常用措施[5-6]，其單一類型施用對水稻吸收Cd 的影響已有較豐富研究。然而，系統(tǒng)比較這3 種有機(jī)物料對污染稻田土壤-水稻系統(tǒng)Cd 遷移轉(zhuǎn)運(yùn)的影響研究較少，其結(jié)果對于我國南方Cd 污染稻田的安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。近年來，有機(jī)物料施用改善土壤質(zhì)量和提升作物產(chǎn)量等效應(yīng)已得到廣泛證實(shí)[7-9]，但有機(jī)物料對土壤中Cd有效性的影響還存在較大不確定性；有研究結(jié)果顯示[10-11]，施用有機(jī)物料可以通過提高土壤pH 值，促進(jìn)土壤中Cd向有效性低的形態(tài)轉(zhuǎn)化和提高根表鐵膜對Cd 的固定來抑制水稻對Cd 的吸收和累積，從而達(dá)到顯著降低稻米Cd 含量的效果[12-14]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在Cd污染土壤上施用有機(jī)物料會促進(jìn)Cd 與溶解性有機(jī)碳（DOC）復(fù)合物的形成，增強(qiáng)Cd 的遷移和有效性[15-17]。還有有機(jī)物料施用對稻田土壤中Cd 的有效性以及水稻吸收積累Cd 均無明顯影響的報道[18-19]。以上研究結(jié)果的不一致可能與研究土壤類型、污染程度及有機(jī)物料的組成和性質(zhì)差異等有關(guān)。前期研究多采取盆栽、培養(yǎng)等手段研究特定有機(jī)物調(diào)控Cd 植物有效性的效應(yīng)，但對3 類有機(jī)物料的對比分析，尤其大田研究有待加強(qiáng)。為指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，本研究選取湘東典型酸性Cd 污染水稻土為研究對象，采用田間小區(qū)試驗(yàn)，系統(tǒng)比較種植綠肥、秸稈還田和施用有機(jī)肥對土壤性質(zhì)、水稻生長及其對Cd 的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，從根表鐵膜形成方面探討這3 種有機(jī)物料對土壤-水稻系統(tǒng)Cd 運(yùn)移的作用機(jī)理，以期為南方酸性稻田的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

田間試驗(yàn)位于湖南省長沙縣北山鎮(zhèn)某Cd污染稻田，土壤類型為花崗巖發(fā)育的潴育型水稻土。供試水稻品種為株兩優(yōu)189（兩系雜交早稻），由湖南希望種業(yè)有限公司提供。供試有機(jī)物料包括紫云英、油菜稈（均取自試驗(yàn)所在地）和當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場購買的有機(jī)糞肥（以下簡稱有機(jī)肥）。供試土壤及有機(jī)物料的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤和有機(jī)物料基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of tested soil and organic materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4 個處理：（1）對照（CK），不施有機(jī)物料；（2）施用紫云英（T1）22 500 kg·hm-2（鮮質(zhì)量，鮮紫云英含水量為90%）；（3）施用油菜稈（T2）2 250 kg·hm-2（干質(zhì)量）；（4）施用有機(jī)肥（T3）2 250 kg·hm-2（干質(zhì)量）。每處理3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，每個小區(qū)面積27 m2。有機(jī)物料在水稻移栽前一周施入。在水稻秧苗移栽前1 d 施入美佛羅復(fù)合肥（N-P2O5-K2O，總養(yǎng)分≥40%，18∶10∶12）750 kg·hm-2作基肥，水稻秧苗移栽后14 d 追施98 kg·hm-2尿素。水分管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的耕作制度保持一致。2018 年4 月24 日移栽水稻秧苗，2018年7月16日收獲水稻，并測產(chǎn)。

1.3 樣品采集與處理

水稻成熟期采集各小區(qū)長勢均勻的6 株代表性植株樣，先用自來水洗凈后再用去離子水清洗。清洗后的水稻植株分為根、莖、葉和稻谷，根提取根表鐵膜后與莖、葉和稻谷一起于105 ℃下殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量。水稻各器官樣品用不銹鋼粉碎機(jī)（FW-80，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）粉碎后裝袋備用。

在水稻成熟期采集各小區(qū)表層（0～20 cm）土壤樣品，剔除雜物后混合均勻，于4 ℃冰箱內(nèi)保存，進(jìn)行DOC 含量測定，部分樣品室內(nèi)自然風(fēng)干后過20 目和100目尼龍篩后保存至封口塑料袋中備用。

1.4 測定指標(biāo)及方法

有機(jī)物料pH 值采用上海雷茲pH 計(jì)（pHs-3C）測定，物水比為1∶10（m∶V）；有機(jī)物料有機(jī)碳含量測定采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；有機(jī)物料用硫酸-過氧化氫消煮法消解后，全N 含量用凱氏定氮法測定，有機(jī)物料全P含量用釩鉬黃比色法測定[20]。

土壤pH 值采用上海雷茲pH 計(jì)（pHs-3C）測定，土水比為1∶2.5；土壤有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量-外加熱法[21]；土壤DOC采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提，過濾后用有機(jī)碳分析儀（濕法）（Vwp，島津）測定[21]；土壤用硫酸-過氧化氫消煮法消解后，全N 含量用凱氏定氮法測定，土壤全P 含量采用鉬銻抗比色法測定[21]。取過20 目篩的風(fēng)干土樣用脲酶、過氧化氫酶和纖維素酶試劑盒（南京建成生物科技有限公司）進(jìn)行相應(yīng)酶活性的測定。土壤有效態(tài)Cd 用DTPA[土水比1∶2.5（m∶V）]提取2 h 后過濾[22]，土壤Cd 全量用王水-高氯酸消解法消解[21]，定容過濾，用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀（ICP-OES 5110，美國安捷倫）測定濾液中Cd含量。

水稻根表鐵膜采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉（DCB，dithionite-citrate-bicarbonate）法進(jìn)行提取[23]。 稱 取1.00 g 鮮 根 加 入40 mL DCB（0.03 mol·L-1Na3C6H5O7·2H2O-0.125 mol·L-1NaHCO3）溶液，使根系全部浸沒于溶液中，10 min 后加入1.00 g 保險粉（Na2S2O4），混合均勻，繼續(xù)浸泡1 h 后洗入100 mL 容量瓶中，定容，搖勻過濾，過濾液用ICP-OES 測定根膜Cd（DCB-Cd）、Fe（DCB-Fe）和Mn（DCB-Mn）含量。

有機(jī)物料以及水稻根、莖、葉和稻谷中Cd含量測定采用混合酸溶液（HNO3∶H2O，體積比為8∶1）微波消解法消解[24]，趕酸后定容至10 mL 過濾，用ICPOES 5110測定濾液中Cd含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（Translocation factor，TF）=水稻上一部位Cd 含量/下一部位Cd 含量[25]。用Excel 2010 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和作圖，統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 21.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較和LSD 顯著性檢驗(yàn)，Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料對土壤pH、有效態(tài)Cd、可溶性有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量的影響

施用紫云英、油菜稈和有機(jī)肥對土壤pH 值和DTPA-Cd含量無明顯影響，提高了土壤DOC和有機(jī)質(zhì)含量（表2）。與CK相比，紫云英、油菜稈和有機(jī)肥處理土壤DOC 含量分別增加16.59%（P＜0.05）、9.45% 和12.56%，土壤有機(jī)質(zhì)含量雖略有增加但無顯著性差異。

2.2 有機(jī)物料對土壤酶活性的影響

不同有機(jī)物料施用對土壤過氧化氫酶和纖維素酶活性影響顯著，而對土壤脲酶活性無顯著影響（表3）。有機(jī)物料施用提高了土壤過氧化氫酶活性，紫云英、油菜稈和有機(jī)肥處理過氧化氫酶活性比CK 分別提高6.96%、13.74%和17.76%（P＜0.05）。有機(jī)物料施用在一定程度上提高了土壤纖維素酶活性，油菜稈處理土壤纖維素酶活性比CK 顯著高37.93%（P＜0.05），施用紫云英和有機(jī)肥土壤纖維素酶活性略有增加，但無顯著差異。

2.3 有機(jī)物料對水稻DCB-Fe、DCB-Mn 及Cd 固定量的影響

有機(jī)物料施用在一定程度上促進(jìn)了水稻根表鐵膜的形成，提高了其對Cd 的固定量（圖1）。與CK 相比，紫云英和油菜稈處理水稻DCB-Fe 含量分別提高25.07%（P＜0.05）和22.71%（P＜0.05）；油菜稈和有機(jī)肥處理DCB-Mn 含量分別顯著提高26.71%（P＜0.05）和24.04%（P＜0.05）；施用紫云英、油菜稈和有機(jī)肥水稻DCB-Cd 含量均有不同程度的提高，但未達(dá)到顯著性差異。3 種有機(jī)物料的施用促進(jìn)了水稻根表鐵膜的生成，提高了根表鐵膜對Cd的固定。

表2 土壤pH、DTPA-Cd、DOC和有機(jī)質(zhì)含量Table 2 Soil pH，and the concentration of available Cd，DOC and organic matter

表3 土壤酶活性（mg·g-1·d-1）Table 3 Soil enzymes activities（mg·g-1·d-1）

2.4 有機(jī)物料對水稻產(chǎn)量及水稻各部位Cd含量的影響

施用紫云英、油菜稈和有機(jī)肥對水稻稻谷產(chǎn)量無顯著影響（表4）。有機(jī)物料施用對水稻各部位Cd 含量的影響不同（表4）。與CK 相比，紫云英、油菜稈和有機(jī)肥處理水稻根Cd 含量分別提高4.22%、16.99%（P＜0.05）和38.27%（P＜0.05），莖Cd 含量分別顯著提高34.33%、46.58%和62.00%（P＜0.05），有機(jī)肥處理葉Cd 含量顯著增加22.01%（P＜0.05）、紫云英處理葉Cd含量顯著降低16.86%（P＜0.05），紫云英、油菜稈和有機(jī)肥處理水稻稻谷Cd 含量分別顯著提高32.67%、39.60% 和54.46%（P＜0.05）?？梢?，施用紫云英、油菜稈和有機(jī)肥提高了水稻根對Cd 的吸收和稻谷中Cd的積累。

圖1 DCB-Fe、DCB-Mn和DCB-Cd含量Figure 1 Fe，Mn，and Cd concentrations in DCB extraction

與CK 相比，紫云英、油菜稈和有機(jī)肥處理Cd 由水稻根向莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF莖/根）分別顯著提高26.09%、21.74% 和13.04%（P＜0.05），莖向葉Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系 數(shù)（TF葉/莖）分 別 顯 著 降 低38.67%、29.33% 和25.33%（P＜0.05），葉向谷Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF谷/葉）分別增加58.33%（P＜0.05）、33.33%（P＜0.05）和25.00%，Cd根向谷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF谷/根）分別增加27.50%（P＜0.05）、20.00%（P＜0.05）和12.50%（表5）。紫云英施用促進(jìn)了Cd 從水稻根向莖及根和葉向稻谷的轉(zhuǎn)運(yùn)、降低了Cd 從莖向葉的轉(zhuǎn)運(yùn)，油菜稈施用促進(jìn)了Cd 從根和葉向稻谷的轉(zhuǎn)運(yùn)、降低了Cd從莖向葉的轉(zhuǎn)運(yùn)，有機(jī)肥施用促進(jìn)了Cd 從根向莖及根和葉向稻谷的轉(zhuǎn)運(yùn)、降低了Cd從莖向葉的轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.5 土壤有效態(tài)Cd、水稻吸收Cd 與土壤理化性質(zhì)及根表鐵膜的關(guān)系

進(jìn)一步分析了土壤相關(guān)指標(biāo)及根表鐵膜Cd與水稻各部位Cd 含量的相關(guān)性（表6），土壤DTPA 提取態(tài)Cd 含量與pH 值、DOC 和有機(jī)質(zhì)含量之間的相關(guān)性并未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。稻谷Cd含量與水稻根Cd及莖Cd 含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），但與水稻葉部Cd 含量卻無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。此外，水稻各部位Cd 含量與土壤pH 值、DOC、有機(jī)質(zhì)以及DTPA 提取態(tài)Cd 的相關(guān)性也均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。然而，稻谷和水稻莖稈Cd含量與根表鐵膜Cd含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

表4 水稻產(chǎn)量和各部位Cd含量Table 4 Rice yield and cadmium concentration in different parts of rice

表5 水稻Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 5 The translocation coefficients of cadmium in rice

表6 水稻各部位Cd含量與pH、DOC、有機(jī)質(zhì)、DTPA-Cd和DCB-Cd的相關(guān)性Table 6 Correlation coefficients of cadmium concentrations in different parts of rice with pH，DOC，organic matter，DTPA-Cd and DCB-Cd concentrations

3 討論

本研究結(jié)果顯示，3 種有機(jī)物料的施用對水稻成熟期土壤DTPA-Cd 含量均無顯著影響，王陽等[12]和薛毅等[14]研究結(jié)果也顯示施用相似用量的綠肥和有機(jī)肥對當(dāng)季水稻成熟期土壤有效態(tài)Cd含量無顯著影響。然而，張慶沛等[13]發(fā)現(xiàn)油菜秸稈還田量為9.6 t·hm-2時會促進(jìn)稻田土壤交換態(tài)Cd 向有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd轉(zhuǎn)化。Guo 等[16]研究表明，施用商品有機(jī)肥明顯提高了土壤CaCl2提取態(tài)Cd 含量。土壤pH 值是影響Cd形態(tài)最為重要的環(huán)境因子之一，但本研究和前期大量試驗(yàn)結(jié)果均表明，較低用量有機(jī)物料施用后對當(dāng)季成熟期土壤pH 值的影響非常有限[12-14，16]，可以推測其對Cd 形態(tài)的影響也較小。而有機(jī)物料施用后主要通過形成腐殖質(zhì)和生成DOC，與Cd發(fā)生螯合或絡(luò)合作用，進(jìn)而影響Cd 的賦存形態(tài)。從本試驗(yàn)結(jié)果來看，一方面由于有機(jī)物料施用量相對較低（2.25 t·hm-2），土壤有機(jī)質(zhì)含量無明顯變化，DOC 含量略有增幅，可能難以顯著改變土壤中Cd的有效性。另一方面可能與本試驗(yàn)采用的有效態(tài)Cd提取方法有關(guān)，DTPA 法用于酸性土壤時，除可以提取水溶性和交換態(tài)Cd外，還能提取出部分碳酸鹽、鐵錳氧化物和有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd[22]，從而掩蓋有機(jī)物料施用后的土壤Cd形態(tài)變化。這也導(dǎo)致了DTPA-Cd 與土壤理化性質(zhì)之間無明顯相關(guān)性的研究結(jié)果。此外，供試水稻土每公頃Cd 總量約為2 835 g（按土壤2 250 t·hm-2計(jì)），其DTPA-Cd 占比高達(dá)60%，而紫云英、油菜稈和有機(jī)肥輸入的Cd量分別為0.77、0.56 g·hm-2和1.85 g·hm-2，僅占土壤全Cd 量的0.03%、0.02% 和0.06%，不足以帶來二次污染風(fēng)險及影響土壤DTPA-Cd含量。可見，在供試土壤上，施用2.25 t·hm-2的綠肥、秸稈和有機(jī)糞肥對土壤DTPA-Cd含量均難以產(chǎn)生明顯的影響。

根表鐵膜是由于土壤中含鐵錳物質(zhì)經(jīng)過植物根際的氧化還原過程沉積在根表形成的，對Cd 等重金屬具有較強(qiáng)的吸附能力，在水稻等濕地植物吸收重金屬的過程中扮演著重要的角色[18，26]。供試3 種有機(jī)物料的施用有效促進(jìn)了水稻根表鐵膜的形成和對Cd的吸附，這與Zhang 等[18]的研究結(jié)果相似。可能是因?yàn)槭┯糜袡C(jī)物料為土壤中的微生物提供了可有效利用的碳源，能夠提高微生物的活性，尤其是參與鐵氧化還原功能微生物（如鐵的異化還原菌）活性的提高會促進(jìn)根表鐵膜的形成[18]。這也可以從施用有機(jī)物料后，土壤中纖維素酶和過氧化氫酶活性的提升得到側(cè)面的證實(shí)。此外，有機(jī)物料的施用，還可以為土壤中鐵錳物質(zhì)的氧化還原過程提供更多的電子供體[27]。

雖然3 種有機(jī)物料的施用并未影響水稻成熟期土壤DTPA-Cd 含量，但顯著提高了水稻各部位Cd 的含量，這與Guo 等[16]和Zhang 等[18]研究結(jié)果基本一致。相關(guān)性分析結(jié)果進(jìn)一步表明（表6），施用有機(jī)物料后水稻對Cd 的吸收增加受土壤中Cd 有效性的變化影響較小，而與根表鐵膜及其Cd 固定量的增加有關(guān)。根表鐵膜在植物吸收Cd的過程中既有可能起到障礙層（抑制）的作用，也有可能扮演儲存庫（促進(jìn)）的角色，這取決于根表鐵膜的厚度和老化程度，而其厚度和老化程度則與植物自身特性以及生長的環(huán)境條件直接相關(guān)[28]。本課題前期研究結(jié)果證明，在本研究的供試土壤上，根表鐵膜對水稻吸收Cd 主要起促進(jìn)作用[18，24]，而施用有機(jī)物料后DCB-Fe 和DCB-Mn 顯著升高，DCB-Cd 也呈增加趨勢，可能是導(dǎo)致水稻吸收Cd 增加的重要原因。此外，施用3 種有機(jī)物料后，Cd由根部向莖和稻谷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也顯著升高，也可能是導(dǎo)致稻谷Cd含量升高的重要原因。前人在施用較高量綠肥和秸稈時也觀察到相似的轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)現(xiàn)象[12，19]，而江巧君等[29]則發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥后Cd 在水稻植株內(nèi)的分配和轉(zhuǎn)運(yùn)因水稻品種不同，Cd 由根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)既可能出現(xiàn)增強(qiáng)，也可能出現(xiàn)減弱的現(xiàn)象。Cd 在水稻植株內(nèi)的運(yùn)移過程受到土壤氧化還原條件、pH、養(yǎng)分供應(yīng)狀況以及水稻品種等多種因素的共同作用[30]，因此施用有機(jī)物料促進(jìn)Cd 由根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

本研究的結(jié)果明確表明，施用綠肥、油菜秸稈和有機(jī)糞肥均提升了稻米Cd 積累風(fēng)險，表明在南方酸性Cd污染稻田采取施用有機(jī)物料培肥措施的選擇過程需要更為慎重。然而，這并不能完全否定有機(jī)培肥措施，南方稻田土壤類型、污染程度和主栽水稻品種多樣，有機(jī)物料施用后的效應(yīng)是否會受到影響？長期施用有機(jī)物料對Cd 在土壤-水稻系統(tǒng)運(yùn)移的效應(yīng)有待明確，有機(jī)物料施用后Cd 在水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生變化的作用機(jī)制尚不清晰。因此，需要對更多稻田土壤類型和更廣泛有機(jī)物料種類開展研究，尤其是長期定位試驗(yàn)研究，以便為南方酸性Cd 污染稻田的安全生產(chǎn)提供更為系統(tǒng)的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）在酸性Cd 污染稻田上采取施用有機(jī)物料的方式對當(dāng)季水稻成熟期土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)和有效態(tài)Cd含量的影響較小，略有增產(chǎn)效應(yīng)。

（2）綠肥、秸稈和有機(jī)糞肥均可有效促進(jìn)水稻根表鐵膜的生成及其對Cd 的吸附，提升Cd 由水稻根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，顯著提高水稻各部位Cd含量。

（3）在南方酸性Cd 污染稻田建議謹(jǐn)慎使用有機(jī)物料，或在施用有機(jī)物料培肥的同時配合有效阻控水稻吸收Cd 的技術(shù)措施，防止可能由此導(dǎo)致的稻米Cd累積風(fēng)險。