長(zhǎng)期不同耕作方式與秸稈還田對(duì)稻田鎘生物有效性的影響

龍澤東，孫梅，羅尊長(zhǎng)，孫耿，李超，肖小平

（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，長(zhǎng)沙 410125）

農(nóng)田重金屬污染近年來受到人們的關(guān)注，特別是鎘（Cd），影響到了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和人類的健康[1-2]。從2014年原環(huán)境保護(hù)部與原國(guó)土資源部聯(lián)合開展的土壤污染調(diào)查結(jié)果來看，我國(guó)部分地區(qū)土壤污染嚴(yán)重，其中Cd 是重金屬污染元素中污染超標(biāo)率最高的元素，點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7%[3]。水稻土中高濃度Cd 及其在稻米和食物鏈中的易位和后續(xù)積累是一個(gè)全球性的環(huán)境問題[4]。紅壤是我國(guó)亞熱帶地區(qū)的主要土壤類型，其中水稻土與人類耕作活動(dòng)密切相關(guān)。由于紅壤pH較低，加上水稻耕作過程中施用化肥、農(nóng)藥等，造成土壤中Cd的生物可利用度較高，容易被植物吸收利用，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體，影響人類健康[1，5]。因此，如何解決水稻土中Cd 污染問題顯得極為重要且迫切。

通常認(rèn)為土壤的理化性質(zhì)影響鎘的生物可利用度[6-7]，與植株各部位鎘含量密切相關(guān)。不同的耕作方式會(huì)改變土壤理化性質(zhì)[8]，合理的土壤耕作方式可以改善土壤水熱狀態(tài)、土壤結(jié)構(gòu)、化學(xué)養(yǎng)分、土壤微生物性狀等，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[9]。土壤耕作措施通常有翻耕、旋耕和少免耕等。其中，翻耕是傳統(tǒng)的土壤耕作方式，對(duì)土壤含水量、總孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)均有較大影響；旋耕耕作深度一般低于翻耕，為8~15 cm；免耕則是一種保護(hù)性耕作方式，但長(zhǎng)期免耕會(huì)使得土壤耕作層變淺、土壤板結(jié)[10-11]。李友軍等[12]發(fā)現(xiàn)免耕秸稈還田相對(duì)于傳統(tǒng)耕作能提高土壤蓄水量、土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀含量。常同舉等[13]的研究結(jié)果表明，耕作方式主要通過影響土壤pH進(jìn)而影響土壤重金屬的有效量及水稻重金屬的含量。湯文光等[14]在比較不同耕作措施下雙季稻田土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分及重金屬含量的變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期免耕雖然降低了土壤鎘含量，但同時(shí)也降低了土壤養(yǎng)分庫容，長(zhǎng)期翻（旋）耕雖然增加了土壤養(yǎng)分庫容，但同時(shí)也增加了土壤鎘含量。目前關(guān)于長(zhǎng)期耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤-水稻系統(tǒng)中鎘生物有效性影響及遷移轉(zhuǎn)運(yùn)特征的研究較少，因此，本研究以湖南省典型雙季稻區(qū)的土壤-水稻系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)以及鎘形態(tài)的影響，并進(jìn)一步了解不同耕作方式與秸稈還田下鎘在湖南紅壤區(qū)土壤-水稻系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)特征，為解決湖南雙季稻區(qū)存在的鎘污染治理問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本長(zhǎng)期保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)開始于2006 年，地點(diǎn)位于湖南省長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)市回龍鋪鎮(zhèn)天鵝村（112°18′E，28°07′N）。試驗(yàn)前采用冬閑-早稻-晚稻種植模式，由農(nóng)戶統(tǒng)一采取傳統(tǒng)耕法進(jìn)行耕種。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫約為16.8 ℃，年均降雨量約為1 358 mm，年蒸散量約為1 354 mm，年日照時(shí)數(shù)約為1 738 h，年平均無霜期為274 d，光熱雨水資源充足。試驗(yàn)區(qū)土壤為典型的紅壤丘陵區(qū)水稻土[15]，試驗(yàn)前測(cè)得0~20 cm耕層土壤的理化性質(zhì)為：土壤容重 1.21 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)34.9 g·kg-1，速效氮224.1 mg·kg-1，有效磷 4.38 mg·kg-1，速效鉀97.1 mg·kg-1，全氮1.29 g·kg-1，全磷1.23 g·kg-1，全鉀 17.63 g·kg-1，總鎘0.35 mg·kg-1，pH 6.30。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用早-晚稻生產(chǎn)體系，采用秧盤育苗和拋秧技術(shù)，早稻品種為湘早秈45 號(hào)，拋秧前施用復(fù)合肥391 kg· hm-2（N 195.5 kg·hm-2，P2O534.14 kg·hm-2，K2O 97.33 kg·hm-2）作基肥，返青后追施尿素 47 kg·hm-2（N 21.62 kg·hm-2）。晚稻品種為湘晚稻13 號(hào)，拋秧前基肥施用復(fù)合肥469 kg·hm-2（N 234.50 kg·hm-2，P2O540.95 kg·hm-2，K2O 116.75 kg·hm-2），返青后追施尿素39 kg·hm-2（N 17.94 kg·hm-2）。兩季土壤耕作前灌水深約2 cm，收獲后留茬高度約25 cm，還田處理的秸稈年還田量約為12 500 kg·hm-2。本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：（1）翻耕秸稈不還田（CT）：早、晚稻收獲后秸稈不還田，全量移出稻田，拋秧前翻耕，耕深約20 cm；（2）翻耕秸稈還田（CTS）：早、晚稻收獲后秸稈全量還田，拋秧前翻耕，耕深約20 cm；（3）旋耕秸稈還田（RTS）：早、晚稻收獲后秸稈全量還田，拋秧前旋耕，耕深約8~15 cm；（4）免耕秸稈還田（NTS）：早、晚稻收獲后秸稈全量覆蓋還田，土壤不翻耕，直接拋秧。每個(gè)處理重復(fù)3 次，共12 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為64 m2，小區(qū)中間田埂用塑料薄膜覆蓋，高度30 cm，各小區(qū)分別排水和灌溉。

1.3 樣品采集

采用“S”形多點(diǎn)取樣法，分別在2019 年7 月和10月早、晚稻成熟時(shí)采集植株樣品，晚稻收獲后采集0~20 cm土層原狀土壤樣品。植株樣品清洗根際土后烘干，分為根、莖葉和稻谷三部分保存。土壤樣品在土壤田間持水量10%左右時(shí)，按其結(jié)構(gòu)紋理剝離成直徑10 mm左右的細(xì)小土塊，去除有機(jī)殘?bào)w和碎石后置于陰涼處自然風(fēng)干，備用。

1.4 測(cè)定方法

鎘的不同形態(tài)通過Tessier法進(jìn)行提取[16]，采用原子吸收分光光度法測(cè)定（表1）。土壤pH 用pH 計(jì)（ST 2100，奧豪斯儀器常州有限公司）測(cè)定，水土比為2.5∶1。陽離子交換量（CEC）使用BaCl2-MgSO4法測(cè)定[17]。可溶性有機(jī)碳（DOC）含量采用重鉻酸鉀加熱法測(cè)定。供試土樣的機(jī)械組成（粗砂2~0.25 mm、細(xì)砂0.25~0.05 mm、粉粒0.05~0.001 mm 和黏粒<0.001 mm）采用干篩法測(cè)定。

表1 Tessier五步法提取土壤不同形態(tài)的鎘Table 1 Tessier five-step method for extracting different forms of Cd from different forms in soil

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)分析鎘在土壤-水稻系統(tǒng)的遷移特性，公式如下：

式中：TF 為轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；BCF 為富集系數(shù)；CS、CRo、CLe和CRi分別代表土壤、水稻根、水稻莖葉和水稻糙米中的鎘含量，mg·kg-1。

本試驗(yàn)使用R軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，不同組別之間的顯著差異性分析通過單因素方差分析完成（Oneway ANOVA），多重比較通過Duncan 法檢驗(yàn)，相關(guān)性分析通過Pearson 方法完成，采用偏最小二乘路徑模型（The partial least squares path mode，PLS-PM）解析耕作方式、秸稈還田、土壤理化性質(zhì)、土壤鎘生物有效性和水稻鎘含量之間的相互關(guān)系，所有繪圖均通過R軟件和Origin 2020完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)和鎘形態(tài)

不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響如表2 所示。各處理之間土壤粗砂、細(xì)砂和黏粒占比無顯著差異（P>0.05），但CTS（65.04%±2.06%）粉粒占比顯著大于NTS（59.69%±3.86%，P<0.05）。NTS 處理CEC 含量為（11.20±0.20）cmol·kg-1，顯著高于CT和CTS 處理（P<0.05）。各處理的土壤pH 和DOC 均無顯著差異（P>0.05）。試驗(yàn)小區(qū)土壤均呈弱酸性，各處理pH平均值為5.70~5.93。

表2 不同處理土壤的理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soils under different treatments

如圖1 所示，不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤中鎘形態(tài)分布特征產(chǎn)生了顯著影響。CTS 和NTS 處理離子交換態(tài)鎘含量分別為（0.35±0.01）mg·kg-1和（0.35±0.02）mg·kg-1，均顯著高于 CT 處理的（0.29±0.04）mg·kg-1（P<0.05）。NTS 處理碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量顯著高于其他處理，CT 處理最低（P<0.05）。土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘含量CTS 處理顯著低于NTS 處理（P<0.05），CT 處理顯著低于 NTS 和 RTS 處理（P<0.05），但與CTS 無顯著差異（P>0.05）。此外，CT 處理土壤總鎘含量為（0.39±0.05）mg·kg-1，顯著低于CTS處理的（0.46±0.02）mg·kg-1和 NTS 處理的（0.48±0.01）mg·kg-1（P<0.05）。

2.2 植株鎘含量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

如圖2 所示，各處理早稻、晚稻的根和莖葉中鎘含量沒有顯著差異（P>0.05）。但NTS 處理早稻糙米鎘含量為（0.30±0.04）mg·kg-1，顯著高于 CT 處理的（0.10±0.02）mg·kg-1（P<0.05）和 CTS 處理的（0.16±0.04）mg·kg-1（P<0.05）。NTS 處理晚稻糙米鎘含量高達(dá)（0.60±0.07）mg·kg-1，顯著高于CT、CTS 和RTS 處理的（0.36±0.01）、（0.40±0.01）、（0.46±0.04）mg·kg-1（P<0.05）。NTS 處理晚稻糙米總鎘含量高于早稻，且均超過0.2 mg·kg-1的國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017）。CT 和CTS 處理早、晚稻糙米鎘含量均無顯著差異（P>0.05）。

鎘在土壤-水稻系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)如表3所示，NTS處理早稻TFS-Ro為12.18±1.75，顯著高于CT處理的5.11±0.99（P<0.05），但各處理之間TFRo-Le和TFLe-Ri均無顯著差異（P>0.05）。不同于早稻，晚稻CT 處理 TFS-Ro最高為 10.04±0.70，顯著高于其他處理（P<0.05），NTS 處理（0.33±0.06）TFLe-Ri顯著大于 CT處理的 0.18±0.05（P<0.05）和 RTS 處理的 0.18±0.02（P<0.05）。NTS 處理早稻和晚稻的BCF 分別為0.66±0.10 和 1.27±0.17，均高于其他處理，說明 NTS處理下鎘更容易在水稻糙米中富集。

表3 不同處理早稻和晚稻的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)Table 3 Transport and enrichment coefficients of early and late rice under different treatments

2.3 相關(guān)性分析

如圖3 所示，通過相關(guān)性熱圖分析土壤理化性質(zhì)、土壤鎘形態(tài)和水稻植株鎘含量之間的關(guān)系。早稻和晚稻糙米鎘含量與土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘和總鎘含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與土壤殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。土壤CEC 與早稻根鎘含量、莖葉鎘含量、糙米鎘含量和富集系數(shù)均呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與晚稻根鎘含量和糙米鎘含量也呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。土壤中粉粒比例與晚稻根鎘含量和糙米鎘含量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），土壤pH 與土壤不同形態(tài)鎘含量和水稻各部位鎘含量之間沒有顯著相關(guān)性。

2.4 路徑分析

通過PLS-PM 分析，耕作方式、秸稈還田、土壤理化性質(zhì)、土壤鎘生物有效性和水稻鎘含量之間的相關(guān)關(guān)系如圖4所示。不同強(qiáng)度耕作方式直接影響土壤理化性質(zhì)（路徑系數(shù)為-0.82）和土壤鎘生物有效性（路徑系數(shù)為-0.63），且影響均達(dá)顯著水平（P<0.05），而秸稈還田僅對(duì)土壤鎘生物有效性產(chǎn)生顯著影響（路徑系數(shù)為0.43，P<0.05）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，土壤鎘生物有效性顯著影響水稻植株鎘含量（路徑系數(shù)為0.75，P<0.05），土壤鎘生物有效性越高，水稻鎘含量越高；而土壤理化性質(zhì)未對(duì)土壤鎘生物有效性和水稻鎘含量產(chǎn)生顯著影響（P>0.05）。這表明耕作強(qiáng)度越弱土壤中鎘的生物有效性越高，秸稈還田相對(duì)于不還田處理增加了鎘的生物有效性，土壤耕作方式和秸稈還田通過影響土壤鎘生物有效性進(jìn)而影響水稻鎘含量。

3 討論

3.1 不同耕作方式和秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同耕作方式會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，影響作物的生長(zhǎng)。本研究中，不同強(qiáng)度的耕作方式改變了土壤機(jī)械組成情況，翻耕還田處理的土壤粉粒比例顯著高于免耕還田處理，前人的研究也有類似結(jié)果。李彤等[18]發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作（免耕）相對(duì)于翻耕，提高了土壤黏粒和砂粒比例，降低了粉粒比例。一項(xiàng)關(guān)于長(zhǎng)期保護(hù)性耕作對(duì)稻田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究中，王興等[15]發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體含量隨著耕作強(qiáng)度的減弱而提高。本文研究結(jié)果中，不同處理之間土壤的機(jī)械組成出現(xiàn)顯著差異可能是因?yàn)椴煌瑥?qiáng)度的耕作方式對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的破壞程度不同，長(zhǎng)期保護(hù)性耕作會(huì)使土壤團(tuán)聚體朝大團(tuán)聚體演變，從而使粉粒和黏粒含量降低，砂粒含量增加。湯文光等[19]發(fā)現(xiàn)秸稈還田顯著增加土壤有機(jī)碳、堿解氮、有效磷、速效鉀、CEC 和耕作層深度，伍佳等[20]和李錄久等[21]也發(fā)現(xiàn)秸稈還田有利于提高土壤肥力。此外，本研究中免耕秸稈還田處理CEC含量最高，而翻耕秸稈還田處理的CEC和有機(jī)質(zhì)含量與翻耕秸稈不還田處理差異未達(dá)到顯著水平。對(duì)于DOC和pH，各處理之間均無顯著差異，可能是因?yàn)樘镩g條件下氣候、田間持水量和其他外源輸入等復(fù)雜因素的干擾所致。

3.2 不同耕作方式和秸稈還田對(duì)鎘生物有效性的影響

水稻對(duì)鎘的吸收和積累不僅與土壤中的總鎘含量相關(guān)，更受到土壤中鎘的生物有效性的影響。結(jié)合相關(guān)性熱圖和路徑分析結(jié)果可知，不同耕作方式和秸稈還田影響土壤中鎘的形態(tài)分布，秸稈還田增加了土壤中總鎘和離子交換態(tài)鎘含量（CT

3.3 不同耕作方式和秸稈還田對(duì)水稻鎘遷移轉(zhuǎn)運(yùn)特征的影響

重金屬在土壤中的遷移性取決于其賦存形態(tài)，如交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)極易遷移，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)物結(jié)合態(tài)遷移性相對(duì)較弱，而殘?jiān)鼞B(tài)則不易遷移[22-23]。本研究中，由偏最小二乘路徑模型結(jié)果可知，雖然秸稈還田條件下的翻耕、旋耕和免耕處理土壤總鎘和離子交換態(tài)鎘含量沒有顯著差異，但免耕秸稈還田處理土壤中潛在的生物可利用鎘含量，即碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘含量高于翻耕秸稈還田和旋耕秸稈還田處理，這可能是導(dǎo)致免耕還田處理早稻和晚稻糙米中總鎘含量均顯著高于翻耕還田處理的原因之一，說明保護(hù)性耕作方式使土壤中的鎘更容易被水稻吸收利用。相關(guān)性分析結(jié)果表明糙米中的鎘與土壤總鎘含量均呈顯著正相關(guān)，與殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量呈顯著負(fù)相關(guān)。鎘在早稻植株中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與耕作方式無相關(guān)性，但在晚稻糙米-莖葉中發(fā)現(xiàn)免耕還田處理的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于旋耕還田和翻耕不還田處理。鎘在水稻植株體內(nèi)遷移轉(zhuǎn)運(yùn)受多種因素的影響，如土壤性質(zhì)、土壤鎘的含量及形態(tài)、水稻品種等。常同舉等[13]的研究發(fā)現(xiàn)土壤耕作方式對(duì)重金屬在水稻根-莖葉中轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)有影響，其主要通過影響土壤pH進(jìn)而影響土壤重金屬的有效量及水稻重金屬的含量。也有研究表明[27-28]，作物的吸鎘能力主要由自身性質(zhì)決定，外部環(huán)境條件影響較小。本研究發(fā)現(xiàn)免耕還田處理鎘在早稻和晚稻的富集系數(shù)分別為0.66±0.10和1.27±0.17，高于其他處理組，這可能是因?yàn)椴煌鲝?qiáng)度下，水稻生長(zhǎng)發(fā)育情況不同，從而影響了鎘在水稻莖葉-糙米中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，這進(jìn)一步導(dǎo)致免耕還田處理糙米鎘含量高于其他處理，也可能是由于耕作方式引起的水稻根際微生物的變化而導(dǎo)致的。在之后的研究中，需進(jìn)一步探究不同耕作方式對(duì)土壤微生物環(huán)境及水稻生長(zhǎng)的影響。

本研究發(fā)現(xiàn)所有處理下晚稻糙米中的鎘含量和富集系數(shù)均高于早稻，這可能是由早稻和晚稻生長(zhǎng)過程中的氣候條件差異導(dǎo)致的。研究區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，早稻生長(zhǎng)季節(jié)降水相對(duì)較大，使得水稻根系附近土壤有效態(tài)鎘含量降低，同時(shí)水稻的蒸騰作用降低，減少了鎘向旗葉和穗部的轉(zhuǎn)運(yùn)，相反晚稻生長(zhǎng)季節(jié)氣候相對(duì)干燥[29-31]。前人的研究中也有類似結(jié)果[32-33]。韓瀟瀟等[32]通過葉面噴施不同濃度的Zn?SO4，研究其對(duì)水稻各器官中鎘含量的影響，結(jié)果表明不同處理間各器官鎘含量均表現(xiàn)出晚稻高于早稻的特征。羅芬等[33]也發(fā)現(xiàn)衡陽地區(qū)和岳陽地區(qū)晚稻籽粒鎘含量高于早稻。本研究中晚稻鎘在根-莖葉中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于早稻，可能是早、晚稻生長(zhǎng)期間蒸騰作用的差異影響了鎘在水稻植株中的轉(zhuǎn)運(yùn)。晚稻鎘在莖葉-糙米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于早稻。由于本研究缺少水稻生理狀態(tài)及蒸騰作用等相關(guān)指標(biāo)，尚不能解釋土壤-水稻系統(tǒng)中早、晚稻鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異的原因，今后研究可進(jìn)一步從水稻植株本身角度出發(fā)，研究水稻鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理。

4 結(jié)論

（1）不同耕作方式與秸稈還田處理，對(duì)土壤pH和DOC 無顯著影響，但免耕秸稈還田處理增加了土壤CEC含量，降低了土壤粉粒的比例。

（2）耕作方式和秸稈還田均對(duì)土壤鎘生物有效性產(chǎn)生顯著影響，從而影響水稻鎘含量。免耕秸稈還田處理下，土壤離子交換態(tài)鎘、碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘和總鎘含量增加，顯著高于翻耕秸稈不還田處理。

（3）耕作強(qiáng)度越弱，土壤中鎘的生物有效性越高，秸稈還田相對(duì)于不還田處理增加了鎘的生物有效性，土壤耕作方式和秸稈還田通過影響土壤鎘生物有效性進(jìn)而影響水稻鎘含量。免耕秸稈還田處理早稻和晚稻糙米中的鎘含量分別高達(dá)（0.30±0.04）mg·kg-1和（0.60±0.07）mg·kg-1，超過0.20 mg·kg-1的國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)，顯著高于其他處理，存在鎘超標(biāo)的安全風(fēng)險(xiǎn)。在推廣對(duì)耕地進(jìn)行保護(hù)性耕作的同時(shí)，不能忽視可能帶來的糧食鎘超標(biāo)問題。