紫云英翻壓條件下生物炭基肥配施量對水稻Cd遷移累積的影響

喻成龍，湯建，鄭琴，倪國榮，謝志堅，榮勤雷，郭乃嘉，王惠明*，周春火，2*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與面源污染防控產(chǎn)教融合重點創(chuàng)新中心，南昌330045；2.南昌市農(nóng)業(yè)農(nóng)田養(yǎng)分資源管理與農(nóng)業(yè)面源污染防控重點實驗室，南昌330045；3.萬年縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江西 萬年336100，4.江西省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護站，南昌330046）

水稻土是我國主要的耕作土壤類型之一，隨著經(jīng)濟和現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，稻田土壤污染日益加劇。稻田土壤重金屬鎘（Cd）是威脅人類健康的主要污染物之一，近年來由于Cd 污染引起的稻米安全問題常有報道，因其對人體健康產(chǎn)生嚴重威脅，已經(jīng)引起了國內(nèi)外科研工作者對稻田Cd污染問題的極大關(guān)注[1-3]。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施肥是提高作物產(chǎn)量、保證作物正常生長發(fā)育的重要措施，大量研究表明土壤重金屬含量和活性會由于施肥產(chǎn)生一定程度的改變[4-5]。謝杰等[6]研究發(fā)現(xiàn)在22.5 t·hm-2的紫云英翻壓施用下不同深度稻田土壤的有機質(zhì)含量顯著提高，且各土層中具有生物活性的Cd 形態(tài)占總Cd 的比例明顯升高；倪幸等[7]研究發(fā)現(xiàn)，以紫云英等有機物料作活化劑，可有效提高土壤中重金屬生物有效性；而楊濱娟等[8]研究表明，30%紫云英翻壓配施100%氮肥處理能降低土壤中Cd 含量。因此，目前學(xué)界對于紫云英翻壓條件下，肥料的配施如何影響土壤重金屬含量和活性仍然沒有明確結(jié)論。

生物炭是近年來研發(fā)出的一種治理重金屬污染的新型材料，具有較大的比表面積、較強的吸附能力等特性[9-10]。但由于生物炭本身并不具備足夠的養(yǎng)分，不能較好地促進作物生長。因此，將生物炭與肥料進行有機結(jié)合制成的生物炭基肥就成為在重金屬污染土壤上種植作物的理想選擇。使用生物炭基肥代替部分化肥，不僅可減施化肥，且在降低重金屬污染風(fēng)險方面具一定優(yōu)勢。魏張東[11]研究發(fā)現(xiàn)生物炭基肥表面富含的活性官能團（硅氧基、烷氧基、氨基、胺基、羧基等）能與Cd 發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，使生物炭基肥對土壤中Cd 起到穩(wěn)定化作用。Zhao 等[12]將P 肥與生物質(zhì)/炭（鋸末和柳枝）進行混合后熱解制成生物炭復(fù)合材料，研究表明，與單一生物炭相比，該含磷生物炭復(fù)合材料在養(yǎng)分的慢速釋放及對土壤重金屬穩(wěn)定方面有明顯作用。以上研究表明炭基肥料對土壤中重金屬有明顯的鈍化作用，但目前關(guān)于翻壓紫云英條件下，探究生物炭基肥對稻田土壤重金屬影響的研究仍鮮有報道，且生物炭基肥用于重金屬污染土壤治理的最佳施用量有待進一步研究。

因此，本文采用盆栽試驗，在重金屬Cd污染土壤上種植水稻，以生物炭基肥配施量作為不同試驗處理，研究翻壓紫云英條件下生物炭基肥配施量對水稻生長發(fā)育、水稻各器官Cd 含量及Cd 遷移轉(zhuǎn)運的影響，以期找到翻壓紫云英條件下生物炭基肥修復(fù)重金屬污染稻田的最佳施用量，為重金屬污染稻田安全高效生產(chǎn)提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻為早稻品種榮優(yōu)華占，紫云英品種為余江大葉（鮮質(zhì)量0.08 kg·pot-1）；化肥分別是尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀。試驗中所用生物炭基肥購自遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司（總養(yǎng)分：N∶P2O5∶K2O=24∶8∶10，以玉米秸稈為原料采用限氧裂解法制備混合而成，生物炭基肥中Cd 含量未檢出）。供試土壤為江西農(nóng)大化工廠周邊Cd污染稻田土壤。供試土壤農(nóng)化性質(zhì)為：土壤pH為5.46，有機質(zhì)含量為15.09 g·kg-1，堿解N含量為66.74 g·kg-1，有效P含量為22.59 g·kg-1，速效K含量為197.80 g·kg-1，總Cd含量為2.41 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以翻壓紫云英條件下不同生物炭基肥添加量為處理，共設(shè)置不添加生物炭基肥、添加量10%、20%、30%和40% 5個水平，具體處理設(shè)置見表1。所有處理施肥量相等。所有肥料均分3 次施入，其中基肥、分蘗肥、穗肥分別占總肥料的40%、30%和30%。將10 kg 風(fēng)干過篩后的土壤裝入直徑30 cm、高40 cm的橡膠桶中，移栽長勢相同的30 d 苗齡的水稻秧苗，每桶2 株，每個處理3 次重復(fù)。所有盆栽試驗于2019年4 月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科技園進行，水稻整個生育期過程保持約3 cm的淹水狀態(tài)。

1.3 樣品采集及測定方法

水稻成熟后收獲樣品，將水稻分為根、秸稈和籽粒3部分，洗滌、殺青1 h后，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，然后使用天平測定植株各部位的干質(zhì)量。水稻谷殼和糙米分開磨碎，根和秸稈使用植株粉碎機粉碎，過100目篩用于測定各器官的重金屬Cd含量。

土壤pH值使用風(fēng)干土以pH計（雷磁pHS-3C）測定。土壤堿解N、有效P、速效K和有機質(zhì)分別采用堿解擴散法、Olsen 法、火焰光度計法和重鉻酸鉀容量法-外加熱法進行測定[13]。水稻生物量用分析天平[TLE，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]稱量測定。土壤有效態(tài)Cd 含量采用5 mmol·L-1的DTPA 浸提劑提取。土壤采用三酸消解法進行消解備用[14]，植株的消解參照Xu 等[15]的方法使用硝酸-微波消解法，分別使用原子吸收分光光度計（上海光譜儀器有限公司SP-3530和SP-3500GA）進行測定。

采用轉(zhuǎn)運系數(shù)（Translocation factor，TF）來研究水稻前一部位向后一部位的轉(zhuǎn)運Cd 的能力。計算公式[16]為：

式中：Ca為水稻后一部位（分別對應(yīng)為秸稈、谷殼、糙米）中重金屬Cd含量，mg·kg-1；Cb為水稻前一部位（分別對應(yīng)為根系、秸稈、谷殼）中重金屬Cd含量，mg·kg-1。

1.4 統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)利用SPSS 軟件進行單因素ANOVA 分析和顯著性分析（P＜0.05），利用Origin 2019軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭基肥配施量對水稻各部位干質(zhì)量的影響

由圖1 可以看出，紫云英替代30%氮肥的條件下，配施40%的生物炭基肥處理水稻各部位干質(zhì)量在所有處理中均為最高。對于根干質(zhì)量而言，F(xiàn)NG30B40 處理顯著（P＜0.05）高于FNG30B10 處理，提高了33.3%；而水稻秸稈干質(zhì)量隨著生物炭基肥配施量的增加而增加，且FNG30B40 處理顯著（P＜0.05）高于其他處理，較FNG30、FNG30B10、FNG30B20 和FNG30B30 處理分別提高了22.1%、40.1%、20.6%和16.6%；對于水稻籽粒來說，配施生物炭基肥均能提高水稻籽粒產(chǎn)量，且隨著配施量的增加，籽粒產(chǎn)量逐漸提高。FNG30B30 和FNG30B40 處理顯著（P＜0.05）高于FNG30 處理，分別提高了47.0%和37.2%。表明在30%紫云英還田量的條件下，配施生物炭基肥能明顯提高水稻產(chǎn)量，且隨著生物炭基肥用量的提高，水稻產(chǎn)量也明顯提高。

圖1 生物炭基肥配施量對水稻各部位干質(zhì)量的影響Figure 1 Effects of different biochar-based fertilizer dosages on dry quality of different rice organs

2.2 生物炭基肥配施量對水稻各部位Cd含量的影響

由圖2 可知，水稻各器官Cd 含量的分布為根＞秸稈＞谷殼＞籽粒。紫云英還田條件下生物炭基肥配施量對水稻各部位Cd含量有較為明顯的影響。在加入生物炭基肥后，F(xiàn)NG30B20處理的水稻根部Cd含量較對照顯著（P＜0.05）提高，F(xiàn)NG30B10、FNG30B30 和FNG30B40處理與對照相比均無顯著差異，但Cd含量略有增加。對于水稻秸稈，加入生物炭基肥后除FNG30B20 處理高于對照，其他處理均低于對照，且在FNG30B30 和FNG30B40 處理時達到顯著水平（P＜0.05），F(xiàn)NG30B10、FNG30B20 處理較對照無顯著差異，F(xiàn)NG30B10、FNG30B30 和FNG30B40 分別降低了3.7%、12.3%和11.1%。加入生物炭基肥后的處理均降低了水稻谷殼和糙米中的Cd含量，對于谷殼來說，4 個處理中Cd 含量較對照分別降低了12.5%、17.5%、5%和17.5%，與對照相比，F(xiàn)NG30B10和FNG30B30處理的谷殼Cd 含量無顯著差異，而FNG30B20 和FNG30B40 處理的谷殼Cd 含量顯著（P＜0.05）降低。對于糙米來說，F(xiàn)NG30B10、FNG30B20、FNG30B30、FNG30B40 4 個處理相比于對照處理分別降低了8.3%、20.8%、29.2% 和19.6%，其 中FNG30B10、FNG30B20 和FNG30B40 處理較對照無顯著差異，但FNG30B30 處理顯著（P＜0.05）低于對照，重金屬降低效果最好。在30%的生物炭基肥配施處理時，糙米中重金屬含量為0.167 mg·kg-1，低于我國《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）（0.2 mg·kg-1）。說明生物炭基肥能有效降低水稻籽粒中重金屬Cd 的含量，且在生物炭基肥配施量為30%時降低效果最好。

圖2 生物炭基肥配施量對水稻各部位Cd含量的影響Figure 2 Effects of biochar-based fertilizers dosage on Cd content in different rice organs

2.3 生物炭基肥配施量對水稻重金屬轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

從表2 中可以看出，不同生物炭基肥配施量處理的水稻根部向地上部位轉(zhuǎn)移能力有所不同。所有處理根部到地上部位的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF地上部位/根均大于1.0，且在配施生物炭基肥后均低于未配施生物炭基肥的處理，其中FNG30B30 處理顯著（P＜0.05）低于對照處理，降低了17.6%，F(xiàn)NG30B10、FNG30B20和FNG30B40處理分別降低了10.8%、13.4%和15.0%，說明在施加生物炭基肥后能抑制重金屬Cd向水稻地上部位的轉(zhuǎn)運，且在30%生物炭基肥配施處理時抑制效果最佳。

重金屬Cd由根到秸稈的轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF秸稈/根）均接近1.0，說明Cd從根到秸稈的轉(zhuǎn)運能力較強，且從表2中可以看出，施加生物炭基肥后，轉(zhuǎn)運系數(shù)TF秸稈/根較對照處理均無顯著下降，4 個處理分別降低了8.3%、4.6%、16.6%和12.2%。從重金屬Cd 由秸稈至谷殼的轉(zhuǎn) 運 系 數(shù)（TF谷殼/秸稈）看 出，5 個 處 理 的 轉(zhuǎn) 運 系 數(shù)TF谷殼/秸稈為0.398～0.542，說明重金屬Cd 從秸稈到谷殼的轉(zhuǎn)運能力較其他轉(zhuǎn)運過程弱，除FNG30B30 處理外，F(xiàn)NG30B10、FNG30B20 和FNG30B40 均低于對照處理，分別降低了8.0%、18.3%和6.4%。對于重金屬Cd 從谷殼到糙米的轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF糙米/谷殼），F(xiàn)NG30B20、FNG30B30 和FNG30B40 處理較對照處理都有所降低，在FNG30B30 處理時降低幅度最大，為29.8%，說明一定量的生物炭基肥配施能夠減少水稻中Cd向糙米的轉(zhuǎn)運。

表2 不同生物炭基肥配施量下水稻各器官間Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 2 Translocation factor of heavy metal in different rice organs of different biochar-based fertilizer dosages

2.4 水稻各器官間重金屬含量與轉(zhuǎn)運系數(shù)的關(guān)系

由表3 可知，水稻根中重金屬含量與水稻各部位重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)均無顯著的線性相關(guān)關(guān)系。秸稈中重金屬含量與根到秸稈的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF秸稈/根存在極顯著的正線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與秸稈到谷殼的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF谷殼/秸稈存在顯著的負線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），這說明水稻秸稈中Cd的積累與根對Cd的轉(zhuǎn)運能力呈正相關(guān)，與莖對Cd的轉(zhuǎn)運能力呈負相關(guān)；谷殼中重金屬含量與谷殼到糙米的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF糙米/谷殼存在顯著的負線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；糙米中重金屬含量與谷殼到糙米的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF糙米/谷殼存在極顯著的正線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），這表明谷殼轉(zhuǎn)運Cd 到糙米的能力是影響糙米中Cd積累的關(guān)鍵。

表3 水稻各器官間Cd含量與TF的關(guān)系Table 3 Correlations between translocation factors and concentrations of Cd in rice tissues

2.5 生物炭基肥配施量對Cd 有效態(tài)含量及其在水稻中分配的影響

由圖3 可知，在10%的生物炭基肥配施處理時，土壤中Cd 的有效態(tài)含量沒有明顯變化，說明少量生物炭基肥的施入對土壤Cd 的有效態(tài)含量影響不大。而隨著生物炭基肥施入量增加，土壤Cd 有效態(tài)含量均有所降低，在30%生物炭基肥配施量時下降幅度最大，降幅為15.1%。這表明一定量的生物炭基肥的施用能降低土壤中Cd 的有效態(tài)含量，且在30%的生物炭基肥配施時土壤Cd有效態(tài)含量降低效果最佳。

從圖4 可以看出，配施生物炭基肥會增加重金屬Cd 在水稻根部的分配，但不同生物炭基肥配施量對Cd 在根部積累的影響不同，在FNG30B30 處理時最高。對于秸稈而言，在30%生物炭基肥配施處理時秸稈Cd 在植株中占比最低，較對照處理下降了7.3%，這表明30%生物炭基肥配施處理能夠抑制Cd從根部向秸稈中的遷移。在添加生物炭基肥后，所有處理的糙米中Cd 的百分比含量均有降低，在30%生物炭基肥配施處理時降幅最大，為34.6%。表明生物炭基肥的施用能夠提高水稻根系Cd 的積累，減少水稻糙米中Cd 所占的百分比，且在30%生物炭基肥配施量時降低效果最好。

圖3 不同生物炭基肥配施量處理下土壤有效態(tài)Cd質(zhì)量分數(shù)Figure 3 Mass fraction of available Cd of different biochar-based fertilizers dosage

圖4 生物炭基肥配施量對Cd在水稻中分配比的影響Figure 4 Effects of biochar-based fertilizers dosage on Cd distribution ratio in rice

3 討論

本文研究發(fā)現(xiàn)種植水稻時施用生物炭基肥能明顯提高水稻產(chǎn)量，且隨著生物炭基肥施用量的增加，水稻產(chǎn)量提高，這與劉善良等[17]所得出的結(jié)論一致。水稻產(chǎn)量提高可能與生物炭基肥的肥料緩釋效應(yīng)存在一定關(guān)聯(lián)，水稻能持續(xù)吸收利用養(yǎng)分，穩(wěn)定提高產(chǎn)量。

同時本文在翻壓紫云英條件下，通過不同量生物炭基肥與化肥配施研究重金屬Cd 在土壤-水稻系統(tǒng)中的遷移積累規(guī)律，結(jié)果表明：生物炭基肥的施用會提高水稻根部的Cd 含量，促進土壤中Cd 向水稻根部的遷移。劉沖[18]研究表明，在桉樹炭和鈣鎂磷肥一定比例的混施下，油麥菜地下部的富集系數(shù)BCRRoot較對照有所提高，這與本文研究結(jié)論類似。與對照相比，不同量生物炭基肥配施均可降低水稻谷殼和糙米中的Cd 含量，表明生物炭基肥能有效降低水稻籽粒中重金屬Cd 的含量，減少Cd 污染的風(fēng)險。這可能與生物炭的高pH 值、疏松多孔、比表面積大、容重小等特性有關(guān)，且生物炭表面具有豐富的官能團能增加陽離子吸附位點，從而易與重金屬發(fā)生吸附、絡(luò)合等反應(yīng)[19-21]。不同生物炭基肥配施量對水稻糙米重金屬吸收量影響不同，在生物炭基肥配施量為30%時，水稻糙米中Cd 含量最低。汪玉瑛等[22]研究發(fā)現(xiàn)，羊棲菜炭添加量對土壤Cd 形態(tài)變化有較為明顯的影響，Cd 的交換態(tài)含量在羊棲菜炭2%的施用量時降幅最大，杜勝南[23]也發(fā)現(xiàn)添加3 g·kg-1生物炭比4.5 g·kg-1生物炭更能降低土壤可交換態(tài)重金屬Cd含量。結(jié)合本研究的結(jié)果可以得出在施用生物炭或者生物炭基肥降低土壤重金屬污染時，并不一定是施加量越多土壤修復(fù)效果越好，最適宜的施加量可能與土壤理化性質(zhì)、生物炭種類等因素有關(guān)。施用生物炭基肥后，水稻Cd 從根部向地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF地上部位/根較對照均有降低，其中在30%生物炭基肥配施處理時降幅最大，且達到顯著水平，說明在施加生物炭基肥后能抑制重金屬Cd 向水稻地上部位的轉(zhuǎn)運。重金屬Cd由根到秸稈的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF秸稈/根均接近1.0，且大于TF谷殼/秸稈和TF糙米/谷殼，說明Cd 從根到秸稈的轉(zhuǎn)運能力強于秸稈到其他器官，這與沈浩然[24]的研究結(jié)論基本一致。水稻從秸稈到谷殼的轉(zhuǎn)運系數(shù)大小規(guī)律為FNG30B30（0.542）＞FNG30（0.487）＞FNG30B40（0.456）＞FNG30B10（0.448）＞FNG30B20（0.398），在30%生物炭基肥配施處理時，水稻中Cd 從秸稈到谷殼的轉(zhuǎn)運系數(shù)最高，這可能是因為在30%生物炭基肥配施處理下，Cd 從根到秸稈的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF秸稈/根在所有處理中最低，導(dǎo)致秸稈內(nèi)Cd含量較低，在葉片解毒機制作用下，水稻葉片中的Cd 重新活化后轉(zhuǎn)運到穗頸韌皮部，因此在成熟階段水稻谷殼中Cd 又得到充分積累[25]，TF谷殼/秸稈相應(yīng)提高。

綜上，紫云英翻壓條件下生物炭基肥與化肥配施不僅能提高水稻籽粒的產(chǎn)量，減少化肥的施用，同時在Cd 污染土壤中能有效抑制水稻籽粒對重金屬Cd的吸收。該施肥方案為重金屬污染稻田安全高效生產(chǎn)提供了一定的科學(xué)依據(jù)和參考價值。

4 結(jié)論

（1）紫云英翻壓條件下，與無生物炭基肥配施處理（對照）相比，不同生物炭基肥配施量處理均能提高水稻籽粒的產(chǎn)量，且水稻籽粒產(chǎn)量隨生物炭基肥配施量的增加而提高。

（2）生物炭基肥配施處理均可降低水稻谷殼和糙米中的Cd 含量，不同生物炭基肥配施量對水稻糙米Cd 累積量有較大影響，在生物炭基肥配施量為30%時，水稻糙米中Cd含量最低。

（3）適量生物炭基肥的施用能降低水稻Cd 從根部向地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)及土壤中重金屬Cd 的有效態(tài)，在30%生物炭基肥配施處理時降幅最為明顯，且水稻中Cd從谷殼到糙米的轉(zhuǎn)運能力最小。

（4）“紫云英+化肥+生物炭基肥”施肥方案能在提高水稻籽粒產(chǎn)量的同時有效抑制水稻對Cd的遷移積累，該施肥方案可為Cd 污染稻田安全生產(chǎn)提供一定參考和科學(xué)依據(jù)。