鎘污染聯(lián)合修復(fù)技術(shù)對(duì)水稻田修復(fù)效應(yīng)

吳東濤，李小榮

(麗水市土肥植保能源總站，浙江 麗水 323000)

江浙地區(qū)作為我國(guó)“魚米之鄉(xiāng)”，是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，但是由于長(zhǎng)期不科學(xué)的耕作制度與工業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致糧食重金屬污染問(wèn)題已經(jīng)逐漸演變?yōu)樯鷳B(tài)安全事件[1-2]。農(nóng)田土壤中的重金屬積累不僅會(huì)造成耕地質(zhì)量下降與農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)，還會(huì)進(jìn)入食物鏈成為危害人體健康的隱患。近年來(lái)，由重金屬污染引發(fā)的社會(huì)問(wèn)題頻發(fā)，促使我國(guó)政府對(duì)糧食作物安全生產(chǎn)的嚴(yán)格把控[3-4]?！度珖?guó)土壤污染狀況公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤污染超標(biāo)率為 16.1%，其中由重金屬污染物造成的占80%，以重金屬Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率最高(達(dá)7.0%)，涉及全國(guó)11省市的25個(gè)地區(qū)，已經(jīng)嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響了消費(fèi)者身體健康[5-6]。因此，減少農(nóng)作物對(duì)土壤重金屬Cd的吸收積累，保障糧食安全生產(chǎn)成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

目前，我國(guó)針對(duì)農(nóng)田土壤Cd污染修復(fù)技術(shù)主要有：化學(xué)穩(wěn)定化技術(shù)、低積累品種篩選技術(shù)、葉面生理阻控技術(shù)以及農(nóng)藝調(diào)控措施[7-8]?；瘜W(xué)穩(wěn)定化技術(shù)主要通過(guò)向Cd污染農(nóng)田投加化學(xué)鈍化劑，調(diào)節(jié)土壤pH，改變土壤Cd賦存形態(tài)，從而降低土壤Cd的生物有效性與移動(dòng)性[9]。低積累水稻品種篩選主要利用不同水稻品種對(duì)土壤Cd的吸收積累存在差異的特性，篩選出具有低吸收Cd特性的隧道式品種進(jìn)行推廣應(yīng)用[10]。葉面阻控技術(shù)主要在水稻生育期噴施葉面阻控劑，阻礙水稻吸收的Cd進(jìn)入可食部的籽粒中，從而達(dá)到生理阻控作用[11]。農(nóng)藝調(diào)控措施主要依托調(diào)控技術(shù)對(duì)輸入農(nóng)田的肥料與水分進(jìn)行綜合管理，間接影響水稻田土壤中Cd的形態(tài)，進(jìn)而影響水稻對(duì)土壤Cd的吸收積累[12]。目前，Cd污染稻田土壤修復(fù)技術(shù)主要集中在上述單項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)立運(yùn)用，而對(duì)多項(xiàng)技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用的研究甚少涉及。但面對(duì)我國(guó)稻田Cd污染的復(fù)雜化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于多種單項(xiàng)修復(fù)技術(shù)聯(lián)合的需求日益凸顯。因此，本文將聚焦于聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究，以期為Cd污染農(nóng)田修復(fù)提供技術(shù)支持與理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于浙江省麗水市某現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)，氣候四季分明，高溫多雨，全年總降雨量平均為1 424 mm，多集中在6—9月，適宜水稻等喜高溫、多濕的作物生長(zhǎng)。供試土壤基本理化性質(zhì)為pH值5.43，土壤全Cd含量1.03 mg·kg-1。

1.2 處理設(shè)計(jì)

采用的水稻低積累品種為甬優(yōu)1540，非低積累品種為浙兩優(yōu)274；穩(wěn)定化產(chǎn)品為生石灰(667 m2投加水平100 kg)；葉面阻控劑為正大速溶硅肥(667 m2施100 g)；水肥管理中肥料采用鈣鎂磷肥(667 m2施30 kg)，水分管理采用水稻分蘗后全生育期淹水。共設(shè)置6個(gè)處理，包括空白對(duì)照(CK)、低吸收品種+穩(wěn)定化產(chǎn)品(LS)、低吸收品種+穩(wěn)定化產(chǎn)品+水肥管理(LSW)、低吸收品種+穩(wěn)定化產(chǎn)品+葉面阻控劑(LSF)、穩(wěn)定化產(chǎn)品+水肥管理+葉面阻控劑(SWF)、低吸收品種+穩(wěn)定化產(chǎn)品+水肥管理+葉面阻控劑(LSWF)。每處理設(shè)3個(gè)平行，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)區(qū)(試驗(yàn)區(qū)面積為100 m2)。各小區(qū)之間采用田埂覆膜進(jìn)行隔離，小區(qū)周邊設(shè)置0.5 m寬度的保護(hù)行。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)除處理不同外，其他農(nóng)藝管理均保持同步進(jìn)行。

1.3 樣品采集與分析

土樣采集與分析。各小區(qū)按“S形”采集表層土壤樣品，挑出石子、根系等雜質(zhì)后帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣經(jīng)自然風(fēng)干，磨碎，過(guò)2 mm尼龍篩后用pH計(jì)(土液比為1∶2.5)進(jìn)行pH值測(cè)定。水稻產(chǎn)量測(cè)定通過(guò)試驗(yàn)小區(qū)的面積與其產(chǎn)出折算成單位產(chǎn)量。

植物樣采集與分析。各處理小區(qū)按“S形”采集水稻樣并帶回實(shí)驗(yàn)室。將帶回的整株水稻樣品進(jìn)行分蘗數(shù)與株高測(cè)定。將稻谷剪下用去離子水沖洗，放入烘箱在105 ℃下殺青30 min，然后在65 ℃下烘干至恒重后取出，研磨，過(guò)0.15 mm尼龍篩，將研磨后的籽粒樣品在170 ℃下用濃HNO3進(jìn)行提取，最后用原子吸收分光光度法測(cè)定籽粒中Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0，圖中不同小寫字母表示組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。分析圖制作采用Sigma Plot v.12.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)對(duì)土壤pH的影響

如圖1所示，所有Cd污染聯(lián)合修復(fù)技術(shù)均能顯著提升土壤pH值，比CK增加0.12～0.70個(gè)單位。本研究中，聯(lián)合技術(shù)LSWF對(duì)土壤pH的增加幅度最大，較CK增12.8%；其次為聯(lián)合技術(shù)LSW，較CK增加9.3%。而聯(lián)合技術(shù)LS、LSF與SWF間對(duì)土壤pH的增效無(wú)顯著差異。各類聯(lián)合技術(shù)對(duì)土壤pH增加效果表現(xiàn)為L(zhǎng)SWF>LSW>SWF=LS>LSF。聯(lián)合技術(shù)LSWF與LSW處理均是添加鈍化劑石灰與分蘗后期進(jìn)行全生育期淹水。由此可見(jiàn)，鈍化劑與淹水處理有助于提升土壤pH。朱丹妹等[13]研究發(fā)現(xiàn)，稻田土壤在長(zhǎng)期淹水條件下pH呈上升趨勢(shì)，逐步趨于中性；高譯丹等[14]在研究中指出，添加穩(wěn)定化材料生石灰會(huì)直接提升土壤pH值。這與本研究結(jié)果一致，究其原因，是由于淹水條件切斷了土壤的氧供應(yīng)，使土壤從氧化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原態(tài)，土壤中鐵氧化物還原生成新的鐵氧化物，從而促使土壤pH趨于中性變化[15]。投加穩(wěn)定化材料會(huì)直接影響土壤pH，因?yàn)樯覍儆趬A性物質(zhì)，當(dāng)輸入到土壤中會(huì)對(duì)土壤酸堿平衡系統(tǒng)產(chǎn)生直接沖擊，進(jìn)而提升土壤pH值[16]。

圖1 鎘污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)對(duì)土壤pH值的影響

2.2 鎘污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)對(duì)水稻株高與分蘗數(shù)的影響

水稻分蘗數(shù)與株高是反應(yīng)水稻在污染土壤中脅迫效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。有研究顯示，在水稻生長(zhǎng)受到脅迫時(shí)，水稻的株高與分蘗數(shù)將會(huì)下降。由圖2可知，聯(lián)合技術(shù)LSWF、LSF、LSW與LS均能顯著增加水稻株高，而聯(lián)合技術(shù)LSF與LSWF顯著增加水稻分蘗數(shù)。LSWF處理對(duì)水稻株高增加幅度最大；與CK比較，聯(lián)合技術(shù)LSWF、LSF、LSW與LS水稻株高增幅依次為24.7%、22.6%、14.0%、11.8%。此外，聯(lián)合技術(shù)LSWF與LSF對(duì)水稻分蘗數(shù)的增加效果最好，分蘗數(shù)分別為21.67和17.67個(gè)·株-1。由此可見(jiàn)，聯(lián)合技術(shù)LSWF與LSF不僅能有效緩解土壤Cd對(duì)水稻的脅迫效應(yīng)，還能有效促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。

圖2 鎘污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響

2.3 鎘污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由圖3可知，除聯(lián)合技術(shù)LS與LSW外，其他各類聯(lián)合技術(shù)均能促進(jìn)水稻產(chǎn)量的增加。其中，聯(lián)合技術(shù)LSF、SWF與LSWF對(duì)水稻產(chǎn)量增加的促進(jìn)作用達(dá)顯著水平，較空白對(duì)照依次增加15.4%、6.7%與19.9%。但聯(lián)合技術(shù)LS與LSW卻降低了水稻產(chǎn)量，降低幅度為L(zhǎng)S>LSW。比較LSW與LSF可知，投加葉面阻控劑能顯著提升水稻產(chǎn)量。主要由于本試驗(yàn)采用的葉面阻控劑為速溶硅肥，在生理上不僅能阻控水稻體內(nèi)Cd的運(yùn)輸，還能補(bǔ)充水稻生長(zhǎng)所必需的硅元素等微肥促進(jìn)水稻生長(zhǎng)[17]。比較于聯(lián)合技術(shù)SWF與LSWF可知，低積累品種甬優(yōu)1540產(chǎn)量比非低積累水稻品種浙兩優(yōu)274高。因此，在鎘污染農(nóng)田耕作時(shí)，選用低積累品種并噴施葉面肥有助于提升水稻產(chǎn)量。徐奕等[18]研究表明，硅被水稻葉片吸收后，能增大水稻葉面積，調(diào)整冠層對(duì)光的接受姿態(tài)，增強(qiáng)水稻生理活性，提升光合能力，進(jìn)而增加水稻生物量。與本試驗(yàn)的結(jié)果一致。

圖3 鎘污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

2.4 鎘污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)對(duì)水稻籽粒Cd含量的影響

水稻籽粒中Cd含量是直接關(guān)乎食品健康安全的關(guān)鍵所在。由圖4可知，所有聯(lián)合技術(shù)均能顯著降低水稻籽粒中Cd含量，其中以聯(lián)合技術(shù)LSWF與SWF為最佳。對(duì)比CK，聯(lián)合技術(shù)LSWF與SWF對(duì)水稻籽粒中Cd含量降幅為45.0%與40.2%。相較于其他聯(lián)合技術(shù)，LSWF對(duì)降低水稻籽粒中Cd含量的效果較好，降低17%～30%。究其原因，主要是由于石灰屬于堿性物質(zhì)，能有效增加土壤pH值，并促進(jìn)土壤中游離態(tài)Cd與酸根離子發(fā)生沉淀反應(yīng)，生成碳酸鹽、磷酸鹽以及氫氧化物等惰性物質(zhì)，從而減少水稻對(duì)Cd的吸收積累[19]。同時(shí)，淹水條件有利于水稻土壤從氧化態(tài)轉(zhuǎn)化為還原態(tài)，增加土壤中S2-濃度，促使硫化物沉淀的生成，進(jìn)而抑制土壤Cd進(jìn)入水稻體內(nèi)[20]。此外，本試驗(yàn)采用的葉面阻控劑主要是硅肥，而水稻體內(nèi)硅結(jié)合蛋白會(huì)促進(jìn)水稻根系纖維層細(xì)胞與Cd形成Si-Cd的復(fù)合物共沉淀，阻塞細(xì)胞壁孔隙，使Cd進(jìn)入共質(zhì)體受阻，從而抑制水稻根系吸收土壤Cd[21]。因此，聯(lián)合技術(shù)(低積累品種+鈍化劑+水分管理+葉面阻控)LSWF有助于Cd污染農(nóng)田中水稻安全生產(chǎn)。

圖4 鎘污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)對(duì)水稻籽粒Cd含量的影響

3 小結(jié)

本試驗(yàn)以不同Cd污染修復(fù)聯(lián)合技術(shù)為研究對(duì)象，篩選出高效的抑制水稻籽粒吸收積累土壤Cd的聯(lián)合技術(shù)。通過(guò)大田研究發(fā)現(xiàn)，相比空白對(duì)照，低吸收品種+穩(wěn)定化產(chǎn)品+水肥管理+葉面阻控劑能有效促進(jìn)土壤pH增加12.8%，水稻分蘗數(shù)、株高與產(chǎn)量依次增加71.1%、24.7%與19.9%，水稻籽粒中Cd含量降低45.0%，糙米Cd含量降至食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物糙米中Cd限量值以下。綜上所述，聯(lián)合技術(shù)低吸收品種+鈍化劑+水分管理+葉面阻控劑有助于在Cd污染耕地上實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的目標(biāo)。