冬種綠肥對(duì)后茬土壤Cd有效性及水稻Cd積累的影響

彭 曦，譚長(zhǎng)銀*，曹雪瑩，王騰飛，柏 佳，黃碩霈

(湖南師范大學(xué) a.資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，b.環(huán)境重金屬污染機(jī)理及生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410081)

土壤重金屬污染可直接影響生態(tài)環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品安全，并可通過(guò)食物鏈對(duì)人體健康造成潛在危害[1，2]。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)耕地土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，Cd點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，居八大超標(biāo)金屬元素之首[3]，南方酸性農(nóng)田土壤Cd污染問(wèn)題較北方嚴(yán)重[4]。農(nóng)藝措施具有成本低、操作簡(jiǎn)單、便于推廣的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，冬種綠肥是用于改善土壤肥力所采取的重要農(nóng)藝措施之一。已有研究表明，添加綠肥能改變土壤理化性質(zhì)，原位鈍化土壤(尤其是酸性土壤)中的重金屬，進(jìn)而降低植物對(duì)重金屬的吸收[5-7]，Li[8]和Mohamed[9]的研究表明，在酸性土壤中添加綠肥減少了水稻對(duì)Cd的吸收。因此，在南方重金屬污染稻田輪作休耕中，冬種綠肥并翻壓秸稈不失為一條能有效降低土壤Cd有效性和水稻吸收Cd的農(nóng)藝措施。由于綠肥秸稈的物質(zhì)組分(如腐殖酸組分)和分解速率、土壤的理化性質(zhì)以及淹水環(huán)境等的差異，使不同綠肥還田對(duì)土壤Cd有效性和水稻Cd吸收的影響產(chǎn)生差異，因此，如何利用傳統(tǒng)的稻-肥輪作休耕制度來(lái)降低后茬土壤Cd有效性和水稻Cd積累而實(shí)現(xiàn)Cd污染農(nóng)田的安全利用的問(wèn)題值得深入研究。本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)，探究冬種綠肥對(duì)后茬水稻種植前后4個(gè)時(shí)期的土壤理化性質(zhì)、Cd有效性以及水稻Cd積累的影響，分析土壤有效態(tài)Cd、土壤Cd形態(tài)與水稻各部位Cd的關(guān)系，為篩選我國(guó)南方Cd污染稻田綠肥種植模式提供參考，為通過(guò)改變種植制度實(shí)現(xiàn)降低土壤重金屬的有效性和作物的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：采自湖南省湘潭市易俗河鎮(zhèn)水稻收獲后的農(nóng)田表層(0～20 cm)，剔除植物殘?bào)w和石礫等，自然風(fēng)干，過(guò)2 mm尼龍篩，備用。土壤pH為5.45，土壤有機(jī)質(zhì)含量為23.00 g/kg，總Cd為0.50 mg/kg，為中輕度Cd污染土壤。

供試植物：水稻為湘早秈稻24號(hào)，紫云英為天緣四號(hào)，油菜為灃油958。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了對(duì)照(冬閑)、冬種紫云英、冬種油菜3個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每盆供試土壤4.5 kg(風(fēng)干基)。第一茬，種植綠肥，第一年9月30日播種，土壤含水量保持田間持水量的70%～75%，第二年3月30日收獲，并采集土壤樣品，即為水稻種植前的樣品；第二茬，種植水稻(種植前將綠肥秸稈全部還田)，采用幼苗移栽的方式，分別于第二年4月14日和8月10日種植和收獲，并在分蘗期、抽穗期和收獲期采集土壤和植物樣品。圖1為盆栽試驗(yàn)示意圖。

圖1 盆栽試驗(yàn)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of pot experiment

1.3 樣品處理與分析測(cè)定

土壤樣品風(fēng)干，過(guò)10 mm、60 mm和100 mm尼龍篩，備用。植物樣品按根、莖葉、殼、糙米分成不同部位，用自來(lái)水、去離子水洗凈，105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干，用不銹鋼粉碎機(jī)磨碎，裝袋備用。

土壤pH采用pHs-3C雷磁酸度計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用丘林法測(cè)定；土壤有效態(tài)Cd采用0.1 mol·L-1HCl浸提[10]；土壤Cd形態(tài)采用歐共體參比司的三步提取法(BCR法)[11]；土壤和植物采用CEM-MARS6微波消解儀消解。提取液中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定均用原子吸收光譜儀(Perkin-Elmer Pin AAcle.900T，USA)測(cè)定，并通過(guò)空白試驗(yàn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW07405和GBW07603)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件完成，差異顯著性分析采用ANOVA中的Duncan多重比較法(P<0.05)，相關(guān)分析采用Pearson雙變量相關(guān)分析，作圖采用Origin 9.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生長(zhǎng)過(guò)程中土壤pH和有機(jī)質(zhì)的變化

圖2表示水稻生長(zhǎng)過(guò)程中土壤pH和有機(jī)質(zhì)的變化。土壤pH先上升后下降，收獲期土壤pH顯著高于種植前(P<0.05)，對(duì)照、冬種紫云英和冬種油菜的土壤pH最大值分別為6.12(抽穗期)、6.24(抽穗期)和5.92(分蘗期)，因?yàn)榉痔Y期和抽穗期的土壤水分含量大于種前和收獲期，而土壤淹水或水分含量增加，提高酸性土壤的pH[12]。比較不同處理的土壤pH，冬種紫云英與對(duì)照在各時(shí)期無(wú)顯著差異，冬種油菜在分蘗期顯著高于對(duì)照，在抽穗期和收獲期顯著低于對(duì)照(P<0.05)。與冬種紫云英相比，冬種油菜的土壤pH在分蘗期顯著上升(上升了0.25個(gè)單位)，抽穗期和收獲期顯著下降(分別下降了0.60和0.32個(gè)單位)。

注：小寫字母和大寫字母分別表示處理之間和時(shí)期之間的差異顯著(P<0.05)，下同。圖2 水稻生長(zhǎng)過(guò)程中土壤pH和有機(jī)質(zhì)的變化 Fig. 2 Changes of soil pH and organic matter during the growth of rice

土壤有機(jī)質(zhì)隨水稻種植時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，種植前至分蘗期，土壤有機(jī)質(zhì)下降幅度大，對(duì)照、冬種紫云英和冬種油菜顯著下降(P<0.05)，分別下降了28.67%，33.96%和21.69%，下降幅度冬種紫云英大于冬種油菜；分蘗期至收獲期，土壤有機(jī)質(zhì)下降幅度小，對(duì)照、冬種紫云英和冬種油菜分別下降了11.59%，3.93%和16.57%，下降幅度冬種紫云英小于冬種油菜。比較不同處理的土壤有機(jī)質(zhì)，除分蘗期冬種油菜顯著高于其他兩個(gè)處理外(P<0.05)，其他時(shí)期土壤有機(jī)質(zhì)在處理之間無(wú)顯著差異。

2.2 冬種綠肥對(duì)土壤Cd有效性和形態(tài)的影響

2.2.1 冬種綠肥對(duì)土壤Cd有效性的影響

圖3表示水稻生長(zhǎng)過(guò)程中土壤有效態(tài)Cd的變化，水稻種植前，不同處理的土壤有效態(tài)Cd為0.32～0.40 mg·kg-1，水稻種植后，不同處理的土壤有效態(tài)Cd為0.16～0.21 mg·kg-1。比較不同時(shí)期的土壤有效態(tài)Cd，各處理分蘗期顯著低于種植前(P<0.05)，收獲期(冬種紫云英除外)顯著低于分蘗期和抽穗期，即在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中土壤有效態(tài)Cd有兩次下降，以上結(jié)果與吳浩杰等[13]的研究結(jié)果相同。與種植前相比，對(duì)照、冬種紫云英和冬種油菜的分蘗期土壤有效態(tài)Cd分別下降了44.86%，44.32%和46.44%(均大于40%)，而與分蘗期相比，對(duì)照、冬種紫云英和冬種油菜收獲期的土壤有效態(tài)Cd分別下降了17.14%，10.42%和15.07%(均小于20%)，土壤有效態(tài)Cd的下降幅度為：種植前至分蘗期>分蘗期至收獲期。

圖3 水稻生長(zhǎng)過(guò)程中土壤有效態(tài)Cd的變化Fig. 3 Changes of soil available Cd during the growth of rice

比較不同處理的土壤有效態(tài)Cd，冬種紫云英種植前、分蘗期和抽穗期的土壤有效態(tài)Cd顯著低于其他兩個(gè)處理(P<0.05)，降低了22.91～82.12 μg·kg-1，與對(duì)照相比，水稻種植前、分蘗期和抽穗期分別降低了18.22%，17.39%和14.07%，與冬種油菜相比，水稻種植前、分蘗期和抽穗期分別降低了20.55%，11.47%和17.15%。冬種油菜抽穗期和收獲期的土壤有效態(tài)Cd高于對(duì)照(分別提高了3.72%和10.59%)，但不顯著。結(jié)果表明，冬種紫云英可能降低后茬水稻土壤Cd有效性(收獲期除外)，冬種油菜可能提高后茬水稻抽穗期和收獲期土壤Cd有效性。

2.2.2 冬種綠肥對(duì)土壤Cd形態(tài)的影響

圖4表示水稻生長(zhǎng)過(guò)程中土壤Cd形態(tài)的變化，不同時(shí)期土壤Cd形態(tài)變化較大。與種植前相比，分蘗期，對(duì)照和冬種紫云英的土壤酸可溶態(tài)Cd沒有明顯變化，冬種油菜的土壤酸可溶態(tài)Cd則顯著下降(P<0.05)，下降了10.66%，對(duì)照、冬種紫云英和冬種油菜的可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd均顯著下降(P<0.05)，土壤可還原態(tài)Cd分別降低了30.19%，28.82%和18.31%，土壤可氧化態(tài)Cd分別降低了54.96%，49.61%和36.91%，Kogel-knabner[14]和Ponnamperumad[15]的研究表明，淹水條件下發(fā)生的還原反應(yīng)消耗高價(jià)位的N，F(xiàn)e，Mn和S等離子，從而降低土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd。土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd下降幅度均為對(duì)照>冬種紫云英>冬種油菜，說(shuō)明冬種綠肥可能減弱淹水條件下土壤氧化還原電位的降低，從而限制土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd的降低。

圖4 水稻生長(zhǎng)過(guò)程中土壤Cd形態(tài)的變化Fig. 4 Changes of Cd form in soil during the growth of rice

比較不同處理的土壤Cd形態(tài)，對(duì)于土壤酸可溶態(tài)Cd，冬種紫云英在各時(shí)期顯著低于對(duì)照和冬種油菜(收獲期除外)(P<0.05)，對(duì)照和冬種油菜在各時(shí)期差異不顯著；對(duì)于土壤殘?jiān)鼞B(tài)Cd，冬種紫云英在分蘗期和抽穗期顯著高于對(duì)照，在抽穗期和收獲期顯著高于冬種油菜(P<0.05)；對(duì)于土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd，冬種綠肥降低了種植前土壤的可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd，其他時(shí)期處理之間沒有明顯差異(除抽穗期冬種紫云英顯著低于其他兩處理外)。差異顯著性分析表明，與對(duì)照相比，冬種綠肥可能降低后茬水稻種植前的土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd，而冬種紫云英能降低后茬水稻土壤酸可溶態(tài)Cd(收獲期除外)以及顯著提高分蘗期和抽穗期土壤殘?jiān)鼞B(tài)Cd。此外，相關(guān)分析表明，種植前、分蘗期和抽穗期的土壤有效態(tài)Cd與土壤酸可溶態(tài)Cd顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.94，0.91和0.94，種植前、分蘗期和抽穗期的土壤有效態(tài)Cd與土壤殘?jiān)鼞B(tài)Cd則顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.95，-0.89和-0.93，相關(guān)分析說(shuō)明冬種紫云英降低后茬水稻土壤有效態(tài)Cd可能與土壤Cd由酸可溶態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化有關(guān)。

2.3 冬種綠肥對(duì)后茬水稻在不同時(shí)期吸收積累Cd的影響

圖5為水稻生長(zhǎng)過(guò)程中各部位Cd的變化，由圖4可見，水稻各部位中的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小表現(xiàn)為：根>莖葉>殼>糙米，馮雪敏[16]和彭華[17]等得到相同結(jié)果。比較不同時(shí)期的水稻各部位Cd，各處理水稻根和莖葉積累的Cd均為分蘗期>抽穗期>收獲期，水稻殼積累的Cd為抽穗期>收獲期(冬種紫云英除外)，即表明隨著水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，水稻各部位積累的Cd逐漸減小。比較不同處理的水稻各部位Cd，與對(duì)照相比，冬種油菜的水稻各部位Cd在分蘗期顯著降低(P<0.05)，而在抽穗期和收獲期有所提高(提高了0.01～1.67 mg·kg-1)，抽穗期水稻根、莖葉和殼中的Cd分別提高了3.85%，76.26%，47.10%，收獲期水稻根、莖葉、殼和糙米中的Cd分別提高了23.44%，1747%，37.99%和6.98%。與對(duì)照相比，冬種紫云英的水稻各部位Cd在不同時(shí)期均顯著降低(P<0.05)，分蘗期水稻根和莖葉中的Cd分別下降了71.34%和71.66%，抽穗期根、莖葉和殼中的Cd分別下降了60.84%，79.01%和77.14%，收獲期水稻根、莖葉、殼和糙米中的Cd分別下降了41.86%，70.78%，47.48%和70.04%。

圖5 水稻生長(zhǎng)過(guò)程中水稻各部位Cd的變化 Fig. 5 Changes of Cd in different parts of rice during the growth of rice

2.4 冬種綠肥條件下土壤有效態(tài)Cd對(duì)水稻Cd積累的影響

表1為不同時(shí)期土壤有效態(tài)Cd和水稻各部位Cd的相關(guān)性。結(jié)果表明，分蘗期和抽穗期的水稻各部位Cd與土壤有效態(tài)Cd顯著正相關(guān)(P<0.01)，收獲期水稻殼Cd與土壤有效態(tài)Cd顯著正相關(guān)(P<0.01)，而水稻根、莖葉和糙米Cd與土壤有效態(tài)Cd呈正相關(guān)，但不顯著，其相關(guān)系數(shù)為：殼>糙米>根>莖葉。由于某時(shí)期土壤有效態(tài)Cd影響該時(shí)期水稻對(duì)Cd的吸收，故相關(guān)分析說(shuō)明了水稻根和莖葉中的Cd可能主要來(lái)自分蘗期和抽穗期吸收的Cd，水稻殼中的Cd可能主要來(lái)自于抽穗期和收獲期，對(duì)于水稻糙米中的Cd，其與土壤有效態(tài)Cd、根、莖葉、殼中的Cd的相關(guān)系數(shù)分別為0.64，0.79，0.85和0.93，大小為殼>莖葉>根>土壤有效態(tài)Cd，表明糙米中的Cd可能主要來(lái)自水稻其它部位積累的Cd，其次來(lái)自其形成時(shí)水稻從土壤中吸收的Cd。研究表明，水稻從土壤中吸收Cd的關(guān)鍵時(shí)期是分蘗期和抽穗期。

表1 土壤有效態(tài)Cd和水稻各部位Cd的相關(guān)性

3 討論

3.1 紫云英和油菜秸稈的分解對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是一個(gè)逐漸分解有機(jī)化合物的連續(xù)體[18]，周轉(zhuǎn)時(shí)間從天到千年不等[19]。添加秸稈后，有機(jī)質(zhì)分解還未達(dá)穩(wěn)定平衡狀態(tài)，秸稈種類和分解速率等會(huì)影響分解產(chǎn)物的性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生不同影響。本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)分蘗期之前的下降幅度大于分蘗期之后，反映了秸稈的分解速率為“前高后低”，與其他研究結(jié)果類似[20]。此外，分蘗期之前，冬種紫云英土壤有機(jī)質(zhì)的下降幅度大于冬種油菜，而分蘗期之后相反，反映了紫云英秸稈的分解速率在分蘗期之前大于油菜秸稈，而在分蘗期之后小于油菜秸稈，可能是因?yàn)樽显朴⒔斩挼腃/N和難分解有機(jī)物含量小于油菜秸稈，而C/N低和木質(zhì)素等難分解有機(jī)物含量小的秸稈更容易分解[21-23]。因此，在本研究中，冬種紫云英的土壤pH在分蘗期顯著低于冬種油菜，抽穗期和收獲期顯著高于冬種油菜。究其原因，分蘗期之前，紫云英秸稈分解速率大于油菜秸稈，淹水條件下紫云英秸稈厭氧分解產(chǎn)生有機(jī)酸[24，25]或含高氧化碳的羧酸大于油菜秸稈，降低了土壤pH，而分蘗期之后相反。

3.2 不同時(shí)期土壤有效態(tài)Cd對(duì)水稻Cd積累的影響

在本研究中，與對(duì)照相比，冬種紫云英顯著降低了后茬水稻對(duì)Cd的積累，冬種油菜提高了后茬水稻對(duì)Cd的積累。究其原因：一是秸稈還田后不同秸稈的物質(zhì)組分和分解速率的差異，可能使土壤的理化性質(zhì)和土壤Cd有效性產(chǎn)生不同的變化；二是分蘗期和抽穗期可能是水稻從土壤中吸收Cd的關(guān)鍵時(shí)期，與陳銓榮的研究結(jié)果相同[26]。因此，與對(duì)照相比，冬種紫云英通過(guò)顯著降低分蘗期和抽穗期的土壤有效態(tài)Cd，從而顯著降低收獲期水稻各部位Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與王陽(yáng)的研究結(jié)果相同，紫云英還田能降低成熟期水稻地上地下部位Cd[10]，而冬種油菜則提高了抽穗期和收獲期的土壤有效態(tài)Cd，從而提高了收獲期水稻各部位Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)論

(1)冬種綠肥后茬水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，土壤pH和有機(jī)質(zhì)變化明顯且其變化在處理之間存在差異。分蘗期之前，冬種紫云英的土壤有機(jī)質(zhì)下降幅度大于冬種油菜，分蘗期之后相反。

(2)冬種綠肥可能通過(guò)改變土壤pH和土壤Cd形態(tài)影響土壤Cd有效性，與對(duì)照相比，冬種紫云英能降低后茬土壤Cd有效性，冬種油菜能提高分蘗期之后的土壤Cd有效性。試驗(yàn)條件下，水稻從土壤中吸收Cd的關(guān)鍵時(shí)期是分蘗期和抽穗期，因此，阻控水稻對(duì)土壤Cd的吸收的關(guān)鍵時(shí)間段應(yīng)放在水稻的分蘗期至抽穗期。

(3)與對(duì)照相比，冬種紫云英處理顯著降低后茬水稻各部位Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下降幅度均大于40%；冬種油菜處理提高分蘗期之后的水稻各部位Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在一定程度上說(shuō)明在Cd污染稻田輪作休耕中可采取冬種紫云英來(lái)降低土壤Cd有效性，從而實(shí)現(xiàn)水稻的安全生產(chǎn)。