不同改良劑對土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果

柳開樓，萬國湲，葉會財，李大明，余喜初

（1.江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 331717；2.江西省養(yǎng)蜂研究所，江西 南昌 330052）

鎘（Cd）屬于有毒有害元素，其進入食物鏈后會嚴重危害人類健康[1-2]。近年來，稻米Cd 超標事件頻發(fā)，如何阻控和降低稻米Cd 污染已經(jīng)成為社會關注的重點[3-4]。大量研究表明，土壤中Cd 含量是導致稻米Cd 累積的主要原因[5-6]。特別是在土壤酸化加劇背景下，土壤中有效Cd 的增加對稻米Cd 累積影響巨大[7-8]。

在水稻種植過程中，除了篩選品種和優(yōu)化水分管理之外[9-10]，通過添加外源改良劑提高土壤有機質和pH 值等是鈍化土壤有效Cd 和阻控稻米Cd 吸收的關鍵措施[5,10-11]。有研究表明，施用腐熟的畜禽糞便有機肥可以顯著降低水稻土中有效Cd 含量[12-13]。同時，通過施用石灰等堿性物質也可以顯著降低水稻土的有效Cd 含量，從而抑制Cd 在稻米中累積[14]。但是，由于傳統(tǒng)的畜禽糞便有機肥腐熟過程較長、腐熟程度不易控制，再加上石灰撒施容易傷手、且用量過大容易造成土壤板結等問題，因此開發(fā)新型有機肥和堿性改良劑成為學者們重點關注的課題。前人研究已經(jīng)初步證實，生物黑炭可以替代傳統(tǒng)的畜禽糞便有機肥，且其對土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收均有阻控效果[10-11]。此外，牡蠣殼粉也可以在一定程度上改良酸性土壤，起到鈍化土壤重金屬活性的效果[15-16]。然而，與傳統(tǒng)畜禽有機肥和石灰相比，生物黑炭和牡蠣殼粉等改良劑對水稻土Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果到底如何，尚未見相關報道。因此，筆者采用盆栽試驗，比較了有機肥（豬糞、生物黑炭）單施以及與堿性改良劑（石灰、牡蠣殼粉）配施對土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果，以期為南方水稻土的Cd污染修復技術提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在江西省進賢縣張公鎮(zhèn)老王村（116°17'60''E、28°35'24''N）進行，該地處于中亞熱帶，年均氣溫18.1℃，≥10℃積溫6 480℃，年降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 150 mm，無霜期約為289 d，年日照時數(shù)1 950 h。供試土壤為紅壤性水稻土，有機質含量11.2 g/kg，全氮1.45 g/kg，全磷含量0.73 g/kg，全鉀含量13.59 g/kg，有效磷含量44.55 mg/kg，速效鉀含量200.80 mg/kg，土壤pH 值為5.33，全量Cd 和有效Cd含量分別為0.224 和0.105 mg/kg。于2017 年1 月采集土壤，風干過篩后裝入塑料桶內備用。塑料桶規(guī)格為上口直徑30 cm，下底直徑25 cm，盆高35 cm。每盆裝土7.5 kg。加入3 mg/L 的CdCl2溶液2.50 L，使得每個桶內土壤的Cd 含量為1.0 mg/kg，靜置3 個月備用。

供試有機肥為豬糞和生物黑炭，供試堿性改良劑為石灰和牡蠣殼粉，供試水稻品種為早稻優(yōu)Ⅰ156 和晚稻正成456。

1.2 試驗設計

試驗設7 個處理，分別為空白對照（CK）、豬糞（PM）、豬糞+石灰（PM+L）、豬糞+牡蠣殼粉（PM+OSP）、生物黑炭（BC）、生物黑炭+石灰（BC+L）、生物黑炭+牡蠣殼粉（BC+OSP），每個處理6 次重復。其中豬糞和生物黑炭均為等碳量（有機碳添加量為10.0 g/盆）、石灰和牡蠣殼為等氧化鈣含量（氧化鈣添加量為10.0 g/盆）。

1.3 盆栽管理

于2017 年4 月25 日移栽早稻，7 月28 日收割；7 月30 日移栽晚稻，11 月5 日收割晚稻。由于土培作物根系養(yǎng)分吸收區(qū)域小，因此盆栽種植施肥量為田間種植時的3 倍。盆栽試驗所有處理的施肥量均為N 3.38 g/盆（含N 46%的尿素7.35 g）、P2O52.03 g/盆（含P2O512%的鈣鎂磷肥16.92 g）、K2O 3.04 g/盆（含K2O 60%的氯化鉀5.07 g）。其中，氮肥30%作基肥，30%在返青期施用，40%在分蘗盛期施用；鉀肥50%在返青期施用，50%在分蘗盛期施用；磷肥全部作基肥。鈣鎂磷肥在盆缽裝土前混入土壤，拌勻，以后則是在每季水稻移栽前將土壤松動，均勻施入鈣鎂磷肥，然后拌勻；尿素和氯化鉀則是將肥料溶解成液體后均勻施入土壤中。水分管理采取人工灌溉，在分蘗末期及時擱田，后期干濕交替。注意防治病蟲害和雜草。

1.4 測定指標及方法

早晚稻成熟期，每個處理選擇3 個重復按照實打實收的方法測定小區(qū)產(chǎn)量，另外3 個重復分別采集籽粒和土壤樣品，研磨處理后分析籽粒的Cd 含量以及土壤中的有效Cd 含量，具體測定方法參考魯如坤[17]的方法。采用線性擬合方程表征水稻籽粒Cd 含量與土壤有效Cd 含量的量化關系。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003 軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用SPSS 16.0 軟件進行方差分析，采用Duncan 多重比較方法檢驗處理間的顯著性差異（P＜0.05），采用Origin 7.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對Cd 污染土壤中水稻籽粒產(chǎn)量的影響

如圖1 所示，與CK 相比，施用改良劑的處理水稻籽粒產(chǎn)量均顯著增加。早稻季，豬糞（PM）、豬糞+石灰（PM+L）、豬糞+牡蠣殼粉（PM+OSP）、生物黑炭（BC）、生物黑炭+石灰（BC+L）、生物黑炭+牡蠣殼粉（BC+OSP）處理的籽粒產(chǎn)量分別比CK 增加 了15.52%、21.68%、30.06%、26.13%、29.39% 和36.01%，晚稻季的籽粒產(chǎn)量分別比CK 增加了12.02%、17.07%、21.67%、17.12%、24.60% 和27.28%。但不同改良劑處理間早晚稻籽粒產(chǎn)量均無顯著差異。

圖1 不同改良劑處理下早晚稻籽粒產(chǎn)量的變化

2.2 不同改良劑對Cd 污染土壤中水稻籽粒Cd 含量與累積量的影響

由圖2A 可知，施用改良劑可以顯著降低水稻籽粒中的Cd 含量。與CK 相比，PM、PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 處理的早稻籽粒Cd 含量分別降低了24.76%、36.12%、60.07%、54.64%、62.65%和64.53%；晚稻籽粒Cd 含量降幅分別為4.93%、43.48%、53.47%、45.94%、55.74%和58.32%。其中單施生物黑炭的降Cd 效果顯著優(yōu)于單施豬糞處理，但在豬糞或生物黑炭的基礎上，配施牡蠣殼粉的降Cd 效果則優(yōu)于石灰處理。

從水稻籽粒Cd 的累積量（圖2B）來看，早稻的明顯低于晚稻的。與CK 相比，除了PM 處理早晚稻籽粒Cd 累積量均未顯著降低之外，PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 處理的早稻籽粒Cd 累積量分別降低了22.27%、48.07%、42.79%、51.67%和51.76%；晚稻籽粒Cd 累積量分別降低了33.84%、43.39%、37.95%、44.85%和46.95%。

圖2 不同改良劑處理早晚稻籽粒Cd 含量和累積量的變化

2.3 不同改良劑對土壤有效Cd 含量的影響

由圖3 可知，施用改良劑可以顯著降低土壤有效Cd 含量。與CK 相比，早稻收獲后，PM、PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 處理的土壤有效Cd含量分別降低了40.00%、35.00%、57.00%、44.60%、41.93%和65.88%；晚稻收獲后各處理土壤有效Cd含量分別降低了41.20%、30.93%、57.24%、36.60%、48.38%和68.57%。其中以生物黑炭+牡蠣殼粉的處理的降Cd 效果最顯著。

圖3 不同改良劑處理早晚稻收獲后土壤中有效Cd 含量的變化

2.4 水稻籽粒Cd 與土壤有效Cd 的量化關系

由圖4A 和表1 可知，早晚稻籽粒中Cd 含量與土壤有效Cd 含量存在密切關系，其線性方程的相關系數(shù)分別為0.793 5、0.706 1，相關性顯著（P＜0.05）；當土壤有效Cd 含量降低0.1 mg/kg 時，早稻和晚稻籽粒中的Cd 含量可分別降低0.057 和0.188 mg/kg，其中晚稻的降幅明顯高于早稻。然而，如圖4B 和表1所示，籽粒Cd 累積量與土壤中有效Cd 儲量之間存在正相關關系，但是相關性不顯著（P＞0.05）。

表1 土壤中有效Cd 與籽粒Cd 的擬合方程參數(shù)

圖4 水稻籽粒Cd(y)與土壤中有效Cd 含量(x)的量化關系

3 結論與討論

施用有機肥和石灰等改良劑可以提高土壤肥力、減緩土壤酸化，從而提高作物產(chǎn)量[18-19]。這一結論已經(jīng)在南方雙季稻區(qū)得到充分驗證。筆者的盆栽試驗也表明施用有機肥和石灰等改良劑后，早稻和晚稻的產(chǎn)量可以提高15.52%～36.01%和12.02%～27.28%。同時，前人研究表明，施用有機肥，特別是生物黑炭，可以通過提升土壤pH 值來降低重金屬活性，且較高的有機質含量還可以與重金屬元素進行螯合，進而有效降低作物對重金屬的吸收[10-11]。羅華漢等[15]研究表明，單獨施用牡蠣殼粉可以使土壤有效Cd 含量下降了40.2%～49.0%。筆者的研究結果也表明，將生物黑炭與牡蠣殼粉復配施用可以大幅降低土壤中有效Cd 的含量，且效果優(yōu)于單獨施用豬糞或石灰的處理，在所有處理中，生物黑炭+牡蠣殼粉處理的土壤有效Cd含量最低。這一方面與生物黑炭和牡蠣殼粉均偏堿性[10,15]，顯著提升了土壤pH 值，進而鈍化了大量活性Cd 有關，另一方面可能與兩者配施改變了水稻根際的微環(huán)境[20]，從而降低了作物對Cd 的吸收有關，但具體原因還有待進一步研究。

土壤有效Cd 的降低會進一步限制水稻籽粒中Cd的累積[5-6]。與CK 相比，生物黑炭+牡蠣殼粉處理的早晚稻收獲后土壤有效Cd 含量降低了65.88%～68.57%，而其水稻籽粒的Cd 含量和累積量分別降低了58.32%～64.53%和46.95%～51.76%。結合擬合方程發(fā)現(xiàn)，當土壤有效Cd 含量減少0.1 mg/kg 時，早稻和晚稻籽粒中的Cd 含量可分別降低0.057 和0.188 mg/kg，表明改良劑在晚稻上的降Cd 效果明顯高于早稻，這可能與水稻品種特性以及早晚稻季不同的溫光差異有關[21-22]。同時，由于改良劑可以顯著提高水稻產(chǎn)量[23-24]，因此土壤有效Cd 儲量與籽粒Cd 累積量不存在顯著的正相關關系。在今后的研究中，如何解決改良劑施用下水稻增產(chǎn)與重金屬累積的矛盾還有待進一步研究。

綜上所述，有機肥（豬糞、生物黑炭）與堿性改良劑（石灰、牡蠣殼粉）配施可以顯著降低土壤有效Cd 含量，進而降低水稻籽粒中Cd 的含量和累積量。其中以生物黑炭配施牡蠣殼粉的降Cd 效果最顯著。隨著土壤有效Cd 含量的降低，早晚稻籽粒的Cd 含量均呈現(xiàn)顯著降低趨勢，且晚稻的降幅明顯大于早稻。