硒肥與鈍化材料組配對土壤Cd鈍化及稻米Cd消減效果

柴冠群，劉桂華，羅沐欣鍵，秦 松，范成五

（貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴陽 550006）

0 引言

耕地土壤和農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上不可忽視的環(huán)境問題，中國耕地土壤點位超標(biāo)率達(dá)19.4%，污染類型以無機(jī)型為主，尤以鎘污染最為嚴(yán)重，點位超標(biāo)率達(dá)7%[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國每年因重金屬污染導(dǎo)致糧食減產(chǎn)高達(dá)1000萬t，污染糧食多達(dá)1200萬t，造成經(jīng)濟(jì)損失至少200億元[2]，其中“鎘米”食品安全問題最為突出。水稻是中國第一大糧食作物，也是對鎘吸收最強(qiáng)的大宗谷類作物[3]，通過進(jìn)食鎘污染稻米而產(chǎn)生的長期低劑量暴露，將會威脅食用人群健康[4]。

土壤鎘是水稻吸收鎘的主要來源[5]，水稻吸收土壤鎘與土壤中有效鎘含量相關(guān)，而土壤有效鎘受pH、有機(jī)質(zhì)及陽離子交換量等影響[6]。向土壤中施用堿性材料、粘土礦物等鈍化藥劑，調(diào)控土壤pH、有機(jī)質(zhì)及陽離子交換量等，降低土壤鎘有效態(tài)含量[8-9]，是目前鎘污染耕地安全利用的措施之一。施用硒等重金屬拮抗元素阻隔稻米對鎘的吸收，也是目前消減稻米鎘含量的有效措施之一[6,10]。有研究表明，在植物體內(nèi)，硒雖然不是作物生長必需的營養(yǎng)元素，但其有助于促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高作物對逆境脅迫的抵抗能力[11-12]，并且與鎘等重金屬元素具有一定的拮抗作用，可減少鎘等重金屬在稻米中的積累,但不同用量的硒肥對不同品種的水稻作用效果存在差異[13]，并且也鮮見關(guān)于硒肥施用方式對稻米鎘消減效果比較的相關(guān)報道。

在鎘污染較為嚴(yán)重的稻田，要使稻米鎘含量符合《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762—2017)，往往單一技術(shù)難以達(dá)到要求，而聯(lián)合修復(fù)技術(shù)更受青睞[6-7]。本研究采用盆栽試驗方法，選用鈣鎂磷肥（堿性）、硅藻土（粘土礦物）、硒肥（拮抗元素）3種材料按一定比例進(jìn)行組配，研究其不同用量及硒肥施用方式對鎘污染酸性稻田土壤修復(fù)與安全利用的影響，以期為保障當(dāng)?shù)氐久装踩a(chǎn)和鎘污染稻田土壤的修復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自貴陽市某郊區(qū)的稻田耕作土壤，其基本理化性質(zhì)見表1。供試水稻品種為采自貴州省水稻研究所育苗基地的‘F優(yōu)498’。該試驗的鈣鎂磷肥與硅藻土分別購置于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)資店與河北鑫旭礦產(chǎn)品有限公司，其Cd含量分別為0.008、0.012 mg/kg，硒肥采用分析純亞硒酸鈉進(jìn)行配制，其Cd含量未檢出。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

本試驗將鈣鎂磷肥（堿性）、硅藻土（粘土礦物）、硒肥（拮抗元素）3種材料按比例(700:300:1)進(jìn)行組配，研究其不同用量對中度鎘污染酸性稻田土壤修復(fù)與安全利用的影響。該試驗共設(shè)置11個處理，每個處理5盆作為重復(fù)，每盆土壤重量為20 kg，每個處理鈣鎂磷肥、硅藻土、硒肥用量及硒肥施用方式見表2。試驗在貴州省土壤肥料研究所溫室大棚，于2019年5月—10月進(jìn)行。

表2 各處理材料添加量與施用方式

1.3 樣品采集與分析方法

1.3.1 樣品采集與制備

（1）稻米樣品采集與制備。水稻完全成熟后，用不銹鋼剪刀采集稻穗，用去離子水清洗，并用吸水紙吸干，放入105℃烘箱殺青30 min，65℃烘干至恒重，用小型脫粒機(jī)脫粒，并研磨過60目尼龍篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

（2）土壤樣品采集與制備。采集稻穗的同時，采集土壤樣品約1 kg，將其均勻鋪在清潔的牛皮紙上，自然風(fēng)干。風(fēng)干后的土壤磨細(xì)分別過10目與100目尼龍篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 分析方法

（1）土壤指標(biāo)檢測。pH采用電位法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用Olsen法，速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度法測定，CEC采用乙酸銨交換法[14]。

（2）稻米與土壤Cd含量檢測。稻米樣品采用混合酸(HNO3:HClO4=4:1)濕法消解，稀HCl定容；土壤樣品采用HNO3-HClO4-HF-HCl消解，稀HCl定容；土壤有效Cd用DTPA溶液浸提，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定Cd含量[15]。所有試驗用品均經(jīng)稀酸浸泡，減少器皿對重金屬的吸附，試驗用水均為去離子超純水。同時檢測3個空白樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07403和GBW10014）控制試驗準(zhǔn)確度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理、分析和制圖采用軟件SPSS20.0與Sigmaplot12.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對稻米產(chǎn)量的影響

從圖1可知，與對照(CK)相比，基施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理與葉面噴施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理均能夠增加稻米產(chǎn)量，且隨著施用量的增加，稻米產(chǎn)量增加；整體比較兩種硒肥施用方式稻米平均產(chǎn)量差異可知，基施硒肥略高于葉面噴施硒肥，產(chǎn)量差為2.115 g/pot，T3，T4，T5 稻米產(chǎn)量差異不顯著，與對照(CK)相比，基施0.28%鈣鎂磷肥+0.12%硅藻土+0.004‰硒(T3)能夠提高1.68倍的稻米產(chǎn)量。

圖1 不同處理對稻米產(chǎn)量的影響

2.2 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

從圖2(A)可知，與對照(CK)相比，基施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理與葉面噴施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理均提高土壤pH，且隨著施用量的增加，pH升高；整體比較兩種硒肥施用方式土壤pH差異可知，基施硒肥與葉面噴施硒肥處理，土壤pH無差異。從圖2(B)、(C)可知，與對照(CK)相比，基施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理與葉面噴施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理對土壤有機(jī)質(zhì)與CEC影響較小。因此推測，硒肥施用方式對土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC影響不大。從圖2(D)可知，基施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理與葉面噴施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理均能降低土壤有效Cd，且隨著施用量的增加，土壤有效Cd減少；整體比較兩種硒肥施用方式土壤有效Cd差異可知，基施硒肥處理土壤有效Cd含量略低于葉面噴施硒肥處理，T3、T4、T5對土壤Cd的鈍化效果差異不顯著，綜合考慮，基施0.28%鈣鎂磷肥+0.12%硅藻土+0.004‰硒(T3)對土壤Cd的鈍化效果較佳。

圖2 不同處理對土壤屬性的影響

2.3 不同處理對稻米Cd含量的影響

從圖3可知，與對照(CK)相比，基施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理與葉面噴施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理均能降低稻米Cd含量，且隨著施用量的增加，稻米Cd含量降低；整體比較兩種硒肥施用方式稻米Cd含量差異可知，基施硒肥處理對稻米Cd的消減程度強(qiáng)于葉面噴施硒肥處理，相差0.021 mg/kg。比較不同處理稻米Cd含量可知，T3、T4、T5稻米Cd差異不顯著，且遠(yuǎn)低于其他處理，與對照(CK)相比，基施0.28%鈣鎂磷肥+0.12%硅藻土+0.004‰硒(T3)處理稻米Cd降低0.063 mg/kg。

圖3 不同處理對稻米Cd含量的影響

3 結(jié)論

整體來看，基施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理與葉面噴施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理對土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC差異不大，均可增加稻米產(chǎn)量，鈍化土壤有效鎘，消減稻米鎘含量；基施硒肥的水稻產(chǎn)量略高于葉面噴施硒肥，產(chǎn)量差為2.115 g/pot，基施硒肥處理對稻米Cd的消減程度強(qiáng)于葉面噴施硒肥處理，相差達(dá)0.021 mg/kg?？梢姡鴮φ{(diào)控稻米鎘累積具有重要作用，且基施硒肥強(qiáng)于葉面噴施。綜合考慮，基施0.28%鈣鎂磷肥+0.12%硅藻土+0.004‰硒效果最佳。

4 討論

楊建軍等[16]研究發(fā)現(xiàn)基施硒肥與葉面噴施硒肥對水稻產(chǎn)量差異不顯著，陳雪等[17]通過土壤和葉面施用亞硒酸鈉對水稻生物量、產(chǎn)量及收獲指數(shù)均無顯著影響，而本研究中基施硒肥略高于葉面噴施硒肥，這可能是基施硒肥與鈣鎂磷肥和硅藻土互作的結(jié)果，有研究發(fā)現(xiàn)，在酸性土壤中亞硒酸鹽主要通過根中的磷酸鹽運載體吸收[18]，并且pH影響土壤中硒的賦存形態(tài)，進(jìn)而影響植物對硒的利用度[19]，施入鈣鎂磷肥與硅藻土，會增加土壤磷酸根，并提升土壤pH，從而影響Se的吸收，導(dǎo)致水稻增產(chǎn)。

農(nóng)作物對土壤元素的吸收程度，不僅取決于土壤中元素的含量，也會受到土壤中其他組份及理化性質(zhì)（如pH、有機(jī)質(zhì)、CEC等）的影響[20]。土壤pH升高可以改變土壤膠體顆粒表面可變電荷性質(zhì)，增加土壤膠體表面吸附位點，利于土壤膠體對鎘的吸附，同時，有利于OH-、CO32-與Cd2+形成氫氧化物或碳酸鹽沉淀，從而降低土壤鎘活性[21]。鈣鎂磷肥為堿性肥料，有研究指出，向土壤中添加堿性物質(zhì)可以降低鎘的活性，此外，鈣鎂磷肥主要成分為 Ca3(PO4)2、CaSiO3與 MgSiO3，鈣與鎘具有相似的化學(xué)性質(zhì)，可以與鎘競爭植物根系上的吸附位點，降低植物對鎘的吸收[22]，本研究中，隨著組配材料用量的增加，土壤pH升高，土壤有效鎘降低。豐富的黏土礦物組成是土壤具有較高CEC的主要原因[23]，然而本研究中隨著硅藻土用量的增加，土壤CEC并未發(fā)生較大變化，但隨著組配材料用量的增加，土壤有效鎘降低。

本研究中基施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理與葉面噴施硒肥+鈣鎂磷肥+硅藻土處理整體上對土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC差異不大，而基施硒肥處理土壤有效Cd含量略低于葉面噴施硒肥處理（圖2D），基施硒肥處理對稻米Cd的消減程度強(qiáng)于葉面噴施硒肥處理，相差達(dá)0.021 mg/kg（圖3），可能是因為亞硒酸鹽在土壤中被還原為Se2-，在根際形成CdSe沉淀，導(dǎo)致植物無法吸收[24]，也有可能是硒進(jìn)入根際需要能量代謝、蛋白質(zhì)代謝以及與其他元素的相互作用，從而減緩根系對鎘的吸收[25]，而噴施于葉面的硒需要被植物吸收后，才能與鎘結(jié)合形成金屬硒蛋白復(fù)合物，降低鎘的轉(zhuǎn)移[26]。