水肥管理對重金屬鎘在稻米中積累的影響

楊梢娜

(舟山市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 舟山 316021)

隨著城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展，農(nóng)田土壤污染日趨嚴(yán)重。根據(jù)2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國農(nóng)田土壤點位超標(biāo)率為19.4%，其中最為嚴(yán)重的是鎘污染，其點位超標(biāo)率為7.0%。重金屬鎘具有較強的毒性和可遷移性，易被植物吸收并通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人類健康。水稻是我國種植面積最大的糧食作物，也是對重金屬吸收最強的大宗谷類作物[1]。近年來由于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、污水灌溉以及農(nóng)藥化肥的施用，大量重金屬污染物進(jìn)入土壤，造成稻米鎘含量超標(biāo)事件頻發(fā)，水稻質(zhì)量安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，如何降低水稻中鎘的積累已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。

目前，原位修復(fù)技術(shù)因其具有修復(fù)效率高，簡單易行，對土壤擾動較小等優(yōu)點已成為國內(nèi)外研究的熱點和重點[2]。對于水稻田，施肥和水分管理是常見的農(nóng)藝措施，硅肥和有機肥是應(yīng)用較為廣泛的2種材料。水稻是一種喜硅植物，施用硅肥可以促進(jìn)植物生長并緩解重金屬對植物的毒害[2]。施用有機肥可以提高土壤肥力，并通過對重金屬的吸附，減少植物對重金屬的吸收[3-4]。此外，通過水分管理可以調(diào)節(jié)土壤氧化還原電位(Eh)以及土壤pH，從而改變重金屬在土壤中的活性，降低鎘在水稻中的積累[5]。顏惠君等[6]研究發(fā)現(xiàn)，淹水可以顯著降低糙米中的鎘含量。然而目前較多研究還是以盆栽實驗為主，缺乏相關(guān)的大田試驗驗證。本文以大田試驗來探究不同水肥調(diào)控技術(shù)對土壤中鎘的生物有效性變化以及鎘在水稻籽粒中積累的影響，為實現(xiàn)水稻的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗點位于舟山市定海區(qū)某農(nóng)田，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明、雨量充沛。土壤pH 6.44±0.19，堿解氮(127±4.58) mg·kg-1，有效磷(13.6±0.89) mg·kg-1，速效鉀(99.4±2.34) mg·kg-1，有機質(zhì)(14.5±3.50) g·kg-1，鎘全量(0.43±0.09) mg·kg-1。水稻品種為秀水14，該品種在浙江省廣泛種植，采用育秧種植，秧苗于2019年6月2日移栽，10月30日收割。屬單季常規(guī)粳稻。

1.2 處理設(shè)計

試驗設(shè)9個處理：常規(guī)灌溉(即分蘗期曬田，后期干濕交替)增施硅肥(TS)；常規(guī)灌溉增施有機肥(TO)；抽穗后期持續(xù)淹水常規(guī)施肥(HT)；抽穗后期持續(xù)淹水增施硅肥(HS)；抽穗后期持續(xù)淹水增施有機肥(HO)；全生育期淹水常規(guī)施肥(CT)； 全生育期淹水增施硅肥(CS)；全生育期淹水增施有機肥(CO)；以常規(guī)灌溉常規(guī)施肥為對照(CK)。采用隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積30 m2，重復(fù)3次。將試驗田翻耕整平，筑梗覆膜，劃分小區(qū)后分別施入不同的肥料。試驗除灌溉施肥各處理不同外，病蟲害防治、除草等田間管理與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.3 樣品采集與測定

在水稻的成熟期采集0～20 cm土壤樣品與水稻稻米樣品。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干磨細(xì)后，過10目和200目篩。水稻樣品經(jīng)清洗，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重后，稱量干重，用不銹鋼磨樣機粉碎。

土壤pH用電極法測定(土水比為1∶2.5)；土壤有機質(zhì)含量使用重鉻酸鉀稀釋法測定；稻米鎘含量采用HNO3-H2O2消解，并用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制，用原子吸收光譜儀石墨爐法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，檢驗不同處理之間的差異程度，使用Origin 9.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對稻米鎘含量的影響

如圖1所示，在常規(guī)水分管理條件下，添加硅肥和有機肥都可以降低稻米中的鎘含量，常規(guī)灌溉增施硅肥(TS)處理與對照差異顯著，稻米鎘含量下降了30.8%。在抽穗后期持續(xù)淹水的水分管理條件下，添加硅肥和有機肥分別使稻米鎘含量降低了35.6%和15.6%，但并無顯著差異；但是抽穗后期持續(xù)淹水增施硅肥(HS)處理與對照有顯著差異，稻米鎘含量下降了44.2%。全生育期淹水可以顯著降低稻米鎘含量，與對照相比，全生育期淹水常規(guī)施肥(CT)處理中鎘含量降低了36.5%。在全生育期淹水常規(guī)施肥條件下，添加硅肥和有機肥可降低稻米鎘含量，分別降低了33.3%和45.4%。全生育期淹水增施硅肥(CS)和全生育期淹水增施有機肥(CO)處理與對照處理差異顯著，稻米鎘含量降低了57.7%和65.4%。

柱間無相同小寫字母分別表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2同.圖1 水肥調(diào)控處理對稻米鎘含量的影響

2.2 對水稻產(chǎn)量的影響

從圖2中可看出，水稻產(chǎn)量，TS與TO處理比對照分別提高了2.6%和3.6%；HS與HO處理比HT處理分別提高了1.1%和2.1%； CS和CO處理比CT處理分別提高了3.5%和5.0%。這表明在相同的水分條件下，增施硅肥和有機肥均能提高水稻產(chǎn)量，增施有機肥的效果比硅肥好。此外，CT處理相比對照產(chǎn)量下降了4.9%，這說明全生育期淹水會降低水稻的產(chǎn)量。在所有處理中，TO處理產(chǎn)量最高，達(dá)9 596 kg·hm-2，CT處理最低，為8 808 kg·hm-2。

圖2 水肥調(diào)控處理對水稻產(chǎn)量的影響

3 小結(jié)與討論

植物體內(nèi)鎘含量與土壤中鎘的生物有效性密切相關(guān)，而土壤pH、Eh和有機質(zhì)含量等其他因素也會影響鎘的生物有效性[7]。本試驗結(jié)果表明，持續(xù)淹水可以有效降低稻米中的鎘含量，這是由于在長期淹水條件下，土壤Eh會下降，導(dǎo)致土壤中鐵、錳等還原態(tài)陽離子和S2-等陰離子的含量增加；而土壤pH會升高，這促進(jìn)了還原態(tài)陽離子與Cd2+的競爭吸附作用和還原態(tài)陰離子與Cd2+的共沉淀作用，從而導(dǎo)致了土壤中鎘的生物有效性下降[8]。

在所有處理中，全生育期淹水增施有機肥處理的稻米鎘含量最低，說明有機肥對降低稻米鎘含量的積累有較大影響。因為有機肥含有大量的有機質(zhì)，其中的部分腐殖質(zhì)可分解成腐殖酸，與土壤中的重金屬發(fā)生螯合或絡(luò)合反應(yīng)，使鎘轉(zhuǎn)換為活性較低的有機結(jié)合態(tài)鎘。另外，有機質(zhì)具有很大的比表面積以及大量的官能團，比如羧基和酚羥基可以有效地吸附土壤中的鎘、鋅等重金屬元素，從而降低了稻米中的鎘含量[4]。

有研究表明，硅對于促進(jìn)植物生長，增加農(nóng)作物產(chǎn)量起到了很重要的作用。此外，硅能通過增強光合作用等方式提升植物對重金屬的耐受性。本試驗中，施用硅肥顯著降低了稻米中鎘的積累，這一方面是由于硅肥含有CaO等多種堿性氧化物，水解后會增加土壤中的OH-含量，使土壤pH提高，從而降低了鎘的生物有效性[9]。另一方面，可能是因為水稻對硅的吸收增加，會促進(jìn)硅與鎘形成在根部內(nèi)皮細(xì)胞壁的復(fù)合物沉淀，減少了鎘向上轉(zhuǎn)運[10]。

施加硅肥、有機肥和使用水分管理措施均可以降低稻米中鎘含量的積累。降鎘效果最好的處理是全生育期淹水添加有機肥，稻米鎘含量降低了65.4%。硅肥和有機肥的施用增加了水稻產(chǎn)量，其中常規(guī)灌溉添加有機肥處理比對照產(chǎn)量提高了3.6%，在所有處理中效果最好。而全生育期淹水措施會在一定程度上降低水稻的產(chǎn)量。