秸稈還田對水稻鎘吸收影響的整合分析

聶新星，馮敬云，段小麗，張敏敏，劉 波，張 斌，楊 利*

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點實驗室, 湖北 武漢 430064; 3.長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023; 4.宜昌市夷陵區(qū)耕地質(zhì)量與肥料工作站，湖北 宜昌 443002)

【研究意義】由于大氣沉降、污水灌溉、不合格農(nóng)用化學品投入等原因，我國農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀不容樂觀[1]。2014 年環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，鎘(Cd)的點位超標率達7%，是我國耕地土壤排在首位的無機污染物[2]。Cd生物毒性強及不易被生物降解，是國家癌癥研究機構(gòu)確認的人類第一級致癌物，可通過食物鏈富集到人體，危害人體健康[3-4]。我國秸稈資源豐富[5]，堅持“農(nóng)用優(yōu)先，直接還田”為主的秸稈利用模式是改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、培肥地力、增加土壤碳匯、避免秸稈焚燒造成大氣污染的最簡便且行之有效的措施[6-7]。研究表明，秸稈是作物富集Cd的主要部位，秸稈還田雖然能促進養(yǎng)分的循環(huán)從而減少化肥的投入[8]，但在中輕度Cd污染農(nóng)田上，秸稈移除是土壤重金屬Cd的主要輸出方式[9]，還田秸稈也將其富集的Cd重新歸還到稻田中[10]。同時，秸稈分解過程中對土壤理化性質(zhì)的改變也影響著土壤Cd的賦存形態(tài)[11-13]，從而影響Cd的生物有效性。水稻是我國主要的糧食作物，而水稻對土壤Cd具有較強的富集與轉(zhuǎn)運能力，超標鎘大米事件時有發(fā)生。因此，探究稻田秸稈還田對土壤重金屬Cd的生物有效性的影響具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】有關(guān)秸稈還田對土壤-水稻系統(tǒng)Cd遷移富集的影響已開展大量研究[14-15]。還田秸稈在土壤微生物作用下通過礦化和腐殖質(zhì)化等過程釋放秸稈中的礦質(zhì)元素，并形成溶解性有機物(DOM)和固相有機物(如腐殖質(zhì))等。但受土壤理化和還田秸稈性質(zhì)等因素影響，秸稈還田對土壤Cd的遷移轉(zhuǎn)化和生物有效性影響不盡相同[14-17]。倪中應(yīng)[11]和Bai[16]等研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田腐解產(chǎn)生DOM含有豐富表面官能團，能通過絡(luò)合作用提高土壤孔隙水中Cd的濃度，增加其活性和環(huán)境風險；然而，研究還發(fā)現(xiàn)秸稈還田也能提高土壤固相有機物含量和土壤pH值，進而通過表面絡(luò)合與離子交換等方式吸附固定Cd，降低其移動性和生物有效性[13]。這兩個相反的作用過程同時存在，共同決定秸稈還田條件下土壤Cd的生物有效性變化[17]。同時，還田秸稈自身Cd含量也影響著水稻對Cd的吸收[18]?！颈狙芯壳腥朦c】整合分析(Meta-analysis)是對具有共同研究對象且相互獨立的多個研究結(jié)果進行系統(tǒng)整合，定量評價研究結(jié)果的一種統(tǒng)計方法[19]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】有關(guān)稻田秸稈還田對土壤重金屬Cd的生物有效性的研究已往均基于某一特定區(qū)域或條件，其結(jié)果往往受到土壤性質(zhì)或秸稈特性的影響。為了整體認識不同性質(zhì)的土壤和還田秸稈對水稻Cd吸收的影響程度，本研究通過對已發(fā)表文獻數(shù)據(jù)進行收集，采用Meta-analysis定量分析不同土壤性質(zhì)、秸稈特性條件下秸稈還田對水稻Cd吸收的影響程度，以期為安全的秸稈還田技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以“秸稈還田(straw return)”、“秸稈(straw)”、“重金屬(heavy metal)”、“鎘(Cd)”為關(guān)鍵詞，在中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、Web of Science、Science Direct、Google scholar分別檢索1998年1月至2020年6月國內(nèi)外公開發(fā)表的研究論文。對所檢索到的文獻按以下條件進行篩選：①研究對象為水稻，不包括小麥、油菜等作物和蘿卜、白菜、生菜等蔬菜以及超富集植物；②文獻必須報道對照與處理的稻米Cd含量，對照為秸稈不還田，處理為秸稈還田。按以上標準，共篩選出15篇已發(fā)表文獻納入分析(表1)。分別提取了對照和秸稈還田處理下稻米Cd含量的平均值、標準差/誤和樣本量(處理重復(fù)數(shù))，共獲得54組配對試驗，183個試驗觀測數(shù)。同時，對符合標準的文獻能夠提取到水稻秸稈和根系Cd含量數(shù)據(jù)的也進行提取，秸稈共獲得36組配對試驗，129個試驗觀測數(shù)；根系共獲得11組配對試驗，38個試驗觀測數(shù)。此外，還提取的數(shù)據(jù)或信息包括土壤性質(zhì)(pH值、有機碳含量、總Cd含量)，秸稈特性(類型、還田量、自身Cd含量、還田年限)和試驗類型。相關(guān)數(shù)據(jù)以圖呈現(xiàn)的，用OriginPro 9.0軟件Digitizer工具進行數(shù)據(jù)提??；對于只給出標準誤，通過公式SD=SE*N1/2獲得標準差。對于標準差 (誤) 缺失的數(shù)據(jù)，按照朱冰瑩等[20]的方法進行估計。

表1 納入分析文獻信息

1.2 數(shù)據(jù)分類

由于土壤理化性質(zhì)和秸稈特性等諸多因素均能影響秸稈還田條件下水稻對土壤Cd的吸收，為進一步探討異質(zhì)性來源，本研究對提取的數(shù)據(jù)或信息進行分組(表2)，以檢驗秸稈還田條件下某一特定因素對水稻Cd吸收的影響。土壤總Cd含量劃分按照GB15618-2018規(guī)定的酸性土壤(pH≤5.5)的風險篩選值(0.3 mg/kg)、堿性土壤(pH>7.5)的風險篩選值(0.8 mg/kg)和嚴格管制值(4 mg/kg)進行分類。同時，由于根系和秸稈數(shù)據(jù)量較小，只按表2所示分組方式對稻米數(shù)據(jù)進行整合分析。

表2 數(shù)據(jù)分組情況

土壤有機質(zhì)乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.58)全部轉(zhuǎn)化為有機碳數(shù)據(jù)；還田秸稈Cd含量若文中表述為清潔秸稈，或未明確指出還田秸稈為Cd污染秸稈，則認為還田秸稈Cd含量在0.3 mg/kg以下。盆栽試驗秸稈還田量按秸稈還田比例乘以每公頃土壤重量(2.25×106kg)換算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用R軟件(http://www.r-project.org/)中meta包進行分析，以秸稈還田處理下水稻器官Cd含量的平均值(X2i)與秸稈不還田處理下水稻器官Cd含量的平均值(X1i)的比值為響應(yīng)比(R)，以響應(yīng)比的自然對數(shù)(lnR)為效應(yīng)值(M)，計算公式為

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對水稻不同器官Cd吸收的影響

由圖1可知，秸稈還田后稻米和秸稈中Cd含量的效應(yīng)值均小于0，而根系中Cd含量的效應(yīng)值大于0，表明秸稈還田能一定程度上促進水稻根系對土壤Cd吸收，但降低了稻米和秸稈中Cd的含量。此外，秸稈還田后稻米、秸稈和根系Cd含量效應(yīng)值的95%置信區(qū)間均包含了0，表明秸稈還田對稻米、秸稈和根系Cd含量的影響均未達到顯著水平。

2.2 土壤條件對秸稈還田后稻米Cd吸收的影響

不同土壤條件下，秸稈還田對稻米Cd吸收的影響程度不同(圖2)。在酸性土壤(pH<5.5)上秸稈還田，稻米Cd含量的效應(yīng)值和95%置信區(qū)間均小于0，表明在酸性土壤上秸稈還田能顯著降低稻米Cd含量；但無論是偏酸性(5.57.5)，稻米Cd含量效應(yīng)值的95%置信區(qū)間均包含0，表明在非強酸性土壤上秸稈還田對稻米中Cd的吸收影響不顯著。土壤有機碳含量對稻米Cd含量影響也不顯著，但當有機碳含量小于10 g/kg時，秸稈還田能增加稻米對Cd的吸收。土壤總Cd含量也顯著影響著稻米Cd含量對秸稈還田的響應(yīng)，當土壤總Cd含量小于0.8 mg/kg時，秸稈還田能降低稻米對Cd的吸收，且在總Cd含量0.3～0.8 mg/kg的土壤中達到顯著水平；當土壤總Cd含量高于0.8 mg/kg時，秸稈還田能促進稻米對Cd的吸收，且在總Cd含量0.8～3 mg/kg土壤中達到顯著水平。此外，與田間試驗相比，盆栽試驗中秸稈還田對稻米Cd吸收抑制作用更明顯，但兩者均未對稻米Cd含量產(chǎn)生顯著影響。

2.3 不同性質(zhì)秸稈還田對稻米Cd吸收的影響

還田秸稈類型、秸稈還田量、秸稈Cd含量以及還田年限對稻米Cd吸收均有不同的影響(圖3)。還田秸稈類型對稻米Cd吸收的影響均不顯著。秸稈還田量僅在小于3500 kg/hm2時，秸稈還田能顯著降低稻米Cd吸收，隨著秸稈還田量的增加，這種抑制效應(yīng)未達到顯著水平。還田秸稈自身Cd含量在小于0.8 mg/kg時，秸稈還田能夠降低稻米Cd含量；但高于0.8 mg/kg時，秸稈還田能增加稻Cd含量，但均未達到顯著差異水平。此外，短期內(nèi)秸稈還田(≤1年)對稻米Cd吸收具有抑制作用，當還田年限大于1年，秸稈還田能促進稻米Cd吸收。

3 討 論

調(diào)控Cd 在水稻各器官積累的機制主要包括根系的吸收、木質(zhì)部裝載、導(dǎo)管運輸和韌皮部向稻米轉(zhuǎn)運[30]。一般而言，水稻各器官中Cd含量表現(xiàn)為根系>秸稈>稻米[31]，水稻根系對土壤Cd的吸收與土壤性質(zhì)密切相關(guān)，將Cd從根系轉(zhuǎn)運到地上部則與水稻對Cd的轉(zhuǎn)運效率、離子拮抗作用等因素有關(guān)[32]。本研究表明，秸稈還田雖然能在一定程度上增加根系對Cd的吸收，但降低了水稻秸稈和稻米Cd含量，三者均未達到顯著水平。這可能是因為秸稈還田提高了土壤Si、Zn等養(yǎng)分的含量或有效性，Si、Zn從水稻根系向地上部運輸時與Cd競爭離子通道，進而降低秸稈和稻米對Cd的富集[23]。雖然秸稈還田對水稻根系、秸稈和稻米Cd含量均有不同程度的影響，但稻米Cd含量是關(guān)注的焦點，從文獻中能夠提取到數(shù)據(jù)量最多。因此，對可能影響稻米Cd吸收的土壤性質(zhì)和秸稈特性進行分組，并進行亞組分析，結(jié)果表明，不同類型秸稈還田對稻米Cd吸收沒有顯著影響，但隨著秸稈還田量的增加，秸稈還田對稻米Cd吸收的抑制作用減弱。此外，秸稈自身Cd含量在小于0.8 mg/kg時，秸稈還田對稻米Cd吸收表現(xiàn)出抑制效應(yīng)，但當秸稈自身Cd含量在大于0.8 mg/kg時，秸稈還田增加了稻米Cd含量。表明，秸稈還田時應(yīng)重點關(guān)注還田秸稈Cd含量，特別是Cd含量超過0.8 mg/kg的秸稈還田時有增加稻米Cd含量的風險。

田間試驗和盆栽試驗在小氣候、水肥管理、土壤條件等方面均存在差異，2種試驗條件下，秸稈還田對稻米Cd吸收均未產(chǎn)生顯著影響。朱維等[14]認為土壤pH值、有機質(zhì)含量是秸稈還田影響土壤-水稻系統(tǒng)中Cd遷移富集的重要因素。本研究結(jié)果表明，在強酸性土壤(pH<5.5)中進行秸稈還田能夠顯著降低稻米Cd富集。這可能是因為秸稈在分解過程中本身要消耗一部分H+，鐵鋁等膠體氧化物可以與秸稈分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)等物質(zhì)絡(luò)合，釋放部分OH-[33]，從而提高土壤對Cd2+的吸附；且土壤有機質(zhì)表面含有多種活性官能團，對Cd2+具有很強的吸附能力[14]；且秸稈還田能促進土壤有效態(tài)Cd向有機結(jié)合態(tài)Cd的轉(zhuǎn)移[12]，從而降低水稻對Cd的吸收。但柏彥超等[34]研究則指出，秸稈分解時釋放的可溶性有機碳(DOC)能促進土壤Cd的溶出，提高土壤Cd的生物有效性。有機碳含量低(<10 g/kg)的土壤秸稈還田可促進稻米對Cd的吸收。可能是因為土壤有機碳含量較低的土壤往往質(zhì)地偏砂，砂質(zhì)土壤對有機碳的保護能力較弱[35]，因而對重金屬的吸附能力也弱[22]。還田秸稈分解釋放出的DOC更易提高Cd的生物有效性，進而提高稻米對Cd的吸收。此外，土壤的總Cd含量也影響著秸稈還田后稻米Cd吸收，特別是在土壤Cd含量超過GB15618-2018規(guī)定的堿性土壤風險篩選值(pH>7.5，0.8 mg/kg)的稻田應(yīng)謹慎進行秸稈還田。

一些秸稈還田對重金屬Cd有效性的研究僅僅探討了土壤Cd形態(tài)轉(zhuǎn)化方面，而未涉及作物[12,14]，或供試作物為白菜[36]、蘿卜[37]、生菜[38-39]和黑麥草[40]等。因此，本文納入分析的有關(guān)秸稈還田對水稻Cd吸收影響的文獻數(shù)量不夠多，樣本量不夠大，在分析過程中結(jié)論易受到一篇文獻結(jié)果的影響。同時，雖然本文初步定量分析了秸稈還田條件下水稻Cd吸收響應(yīng)秸稈還田措施的影響因素，為安全的秸稈還田措施提供了一定參考，但這些影響因素往往存在一定的交互作用，因此對影響機制還需進一步深入研究。

4 結(jié) 論

土壤pH值、有機碳含量、總Cd含量以及秸稈自身Cd含量、還田量和還田年限均能影響秸稈還田下水稻植株對Cd的吸收。我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量趨緊的背景下，秸稈還田應(yīng)綜合考慮稻田土壤性質(zhì)和還田秸稈特性，同時應(yīng)加強土壤Cd和稻米Cd含量的協(xié)同監(jiān)測。