海泡石施加深度對水稻吸收鎘的影響

王雪，張麗，宋寧寧，王芳麗，林大松*，杜兆林*

（1.東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150038；2.農業(yè)農村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；3.青島農業(yè)大學資源與環(huán)境學院青島市農村環(huán)境工程研究中心，山東 青島 266109）

2014 年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國耕地污染以鎘（Cd）污染最為突出，《2019 年全國生態(tài)環(huán)境質量簡況》也指出，Cd 為農地土壤主要污染物。Cd 具有毒性高、遷移性強和易富集等特點，是食品安全中最受關注的重金屬元素[1-2]。Cd是我國水稻主產區(qū)的主要污染物之一，由于水稻從土壤中吸收Cd 的能力較強，且Cd 易在谷物中積累[3-4]，因此解決Cd 污染土壤問題、生產安全水稻、保障人類健康是一項緊迫的任務[5-6]。

作為一種操作簡單、見效快、成本低的原位鈍化劑，海泡石已被應用在重金屬污染農田修復治理實踐中且取得了較好的效果[7]。海泡石是一種含鎂硅酸鹽的纖維狀物質，其化學式為Mg8（H2O）4[Si6O15]2（OH）4·8H2O[8]，其具有獨特的鏈式層狀結構、巨大的比表面積、高陽離子交換量（如K+、Na+和Ca2+）和大量的硅烷醇（Si—OH）基團，可以提高土壤pH 值[9]，同時通過表面絡合和（共）沉淀作用將有機基團和無機離子摻入結構中，從而降低土壤中重金屬的轉移性及生物可利用性[10-12]。國內外開展的海泡石修復重金屬污染土壤研究多通過盆栽和大田試驗研究其對土壤中Cd有效性及植物對重金屬的富集作用[13-14]，而鮮有研究關注耕層深度對海泡石修復重金屬污染土壤效果的影響。

耕作深度是影響土壤理化性質的重要因素，施加海泡石構建土壤重金屬鈍化層能夠改善土壤結構且影響重金屬的生物有效性。為明確在不同耕層深度施加海泡石對Cd 污染土壤作物生長和吸收Cd 的影響，本研究選取湖南湘潭土壤和當?shù)厮酒贩N，通過根際箱試驗測定在不同耕層深度施加海泡石對生物有效態(tài)Cd 及作物不同部位吸收Cd 的影響，以明確海泡石調控作物Cd吸收的耕層深度。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試水稻

供試水稻品種為湖南當?shù)氐聂~鱗稻欣榮優(yōu)華占，由湖南湘潭種子公司提供。

1.1.2 鈍化材料

海泡石：主要組分為CaO 41.7%、MgO 16.8%、Al2O37.4%、SiO232.5%，pH 值為10.1，陽離子交換量為18.0 cmol·kg-1，比表面積為22.3 m2·kg-1，孔徑為1.4 nm，未檢出Cd。

1.1.3 供試土壤

于湖南湘潭某農用地采集Cd 污染土壤，自然風干，備用。土壤基本理化性質見表1。根據(jù)《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018），所取土壤Cd 含量高于風險篩選值，低于風險管制值，可能存在水稻不符合質量安全標準等土壤污染風險。

表1 試驗土壤基本理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 試驗設計

試驗采用多隔層根際箱水稻盆栽裝置（圖1）。根際箱采用有機玻璃制成，規(guī)格20 cm×20 cm×20 cm，內部分為根系生長室（2 cm 寬）和根際土室（0.3 cm寬），兩側各使用5 張300 目尼龍網隔開，分為非根際第1 至第5 層（N1、N2、N3、N4 和N5），尼龍網可以避免水稻根系向下延伸進入下邊的隔層，阻止根系的自由穿入與穿出，并且將根際與非根際土壤隔開，保證植物根系不進入非根際土壤，但水分、肥料以及土壤重金屬等物質可以通過。

圖1 根際箱試驗裝置Figure 1 Experiment device of rhizosphere box

試驗共設6 個耕層深度處理（表2），每個處理6次重復。海泡石以8%比例添加至土壤中，每個根際箱裝土10 kg，種植方式為直播。根際箱內放置不同耕層深度處理的土壤，將水稻種子直播于根際箱中間，每個處理4 粒，保持水分充足，研究耕層不同深度處理下水稻根系富集重金屬Cd 的情況。除耕層外，試驗期間各處理的管理措施均一致。

表2 耕層深度處理Table 2 Different tillage depth treatments

1.3 樣品采集與處理

土壤樣品：用竹質采樣器分別采集水稻根際土壤（R0）和非根際層土壤（N1、N2、N3、N4、N5），按均勻分布的5個點位采集。采集的土壤風干后，分別過10目和100目篩，待測。

水稻樣品：種植方式為直播，5月播種，11月黃熟期后采樣。先割取地上部分，測產量和株高。將水稻根系從根際箱中小心挖出，使泥土和根系分離，用水漂洗干凈，用紙吸干根系表面水分。分根、莖、稻穗剪取，用清水沖洗，確保無灰塵、雜質殘留后，再用蒸餾水少量多次沖洗。于烘箱105 ℃殺青0.5 h、85 ℃烘干至恒質量后測定干物質量。分裝在食品級保鮮袋中保存，測定水稻產量，莖葉部、根部Cd含量，以及稻米中Cd含量。

1.4 測定方法

（1）土壤樣品

習近平總書記曾強調：國無德不興，人無德不立。文化育人的最終目標便是提高學生的人文精神，幫助學生學會為人處世之道，成為“正能量”的繼承者與傳播者?，F(xiàn)今，拜金主義、享樂主義、極端個人主義等不良風氣盛行，摧殘著青年大學生的身心健康，這時候便更需要發(fā)揮優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的巨大作用，來提高學生的道德素質和職業(yè)素質。正處于社會轉型關鍵時期的中國，不僅需要技能水平高超的人才，更需要德才兼?zhèn)涞娜苄腿瞬?，將?yōu)秀傳統(tǒng)文化植根于學生心中，有利于提高學生的綜合素質，加強學生道德意識，深入貫徹落實立德樹人的根本原則。

土壤pH 測定：土壤溶液采集后，立刻使用pH 計測得pH值，并置于4 ℃冰箱中保存待分析。

土壤Cd 有效態(tài)測定：稱取過2 mm 孔徑尼龍篩的風干試樣2.00 g 于50 mL 離心管中，加入0.1 mol·L-1HCl 提取劑10.0 mL，在（25±1）℃條件下，放入水平回旋恒溫振蕩機上，以180 r·min-1的速度振蕩1 h，立即過濾于15 mL測樣管中，采用ICP-MS儀測定。

（2）農作物樣品

水稻產量和株高：收樣后測定作物產量和株高。于水稻成熟期收獲每盆中所有水稻，并以曬干稻谷質量計算產量。株高用刻度尺測量各個試驗桶中隨機抽取的3株水稻并求其平均值。

稻米Cd含量采用ICP-MS進行測定，稻米樣處理方法參見文獻[15]。

莖葉部、根部Cd含量測定：取作物干樣0.25 g，加入8 mL HNO3浸泡12 h 后進行消煮，消煮至剩余1～2 mL，加去離子水轉移定容至50 mL 容量瓶，過濾后待測。

（3）海泡石對Cd2+等溫吸附試驗

稱取1.000 g 海泡石置于50 mL 離心管中，加入20 mL 已調節(jié)好pH 值的分析純CdCl2·2.5H2O 配成的含Cd2+溶液（50、100、200、300、400、500、600 mg·L-1），25 ℃下恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩24 h，然后靜置24 h。將上清液倒入20 mL離心管中，在4 000 r·min-1轉速下離心30 min，過濾上清液，用火焰原子吸收光譜儀測定Cd2+質量濃度，計算吸附量。

測試過程中利用國家標準物質進行全程質量控制，各元素的回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)通過Excel 和SPSS 進行處理，采用Turkey 法進行統(tǒng)計分析，顯著性檢驗設α=0.05，多重比較結果以小寫英文字母表示，并利用軟件Origin 8.6制圖。

2 結果與分析

2.1 不同耕層深度處理下海泡石對根際與非根際土壤中pH的影響

海泡石在不同耕層深度處理下對土壤pH值的影響見圖2。從圖2 可以看出，污染土壤在T1、T2、T3、T4和T5耕層深度處理下，與CK相比，根際土壤pH值分別提升了1.16、1.06、0.89、0.70 和1.00 個單位，且在耕層深度T1、T2 和T5 顯著增加（P<0.05）。在耕層不同深度處理下非根際層土壤pH 值均有上升，非根際第1層至第5層土壤pH值在T1、T2、T3、T4、T5處理下升高范圍分別為0.75～1.10、0.66～1.21、0.68～1.21、0.66～1.13、0.59～0.89 個單位。其中，非根際第1、5 層在耕層深度T1 處理下pH 值上升幅度最大，非根際第3、4 層在耕層深度T3 處理下pH 值上升幅度最大，非根際第2 層在耕層深度T2 處理下pH 值上升幅度最大，且非根際第1、2、3、4層土壤pH 值在T1和T2處理與對照處理差異顯著（P<0.05）。

圖2 不同耕層深度處理下海泡石對土壤pH的影響Figure 2 Effects of sepiolite on soil pH under different tillage depth treatments

2.2 海泡石對Cd2+的等溫吸附性能

在25 ℃下檢測了海泡石對50～500 mg·L-1濃度Cd2+的吸附量，并以平衡時溶液中Cd2+的濃度（Ce）為橫坐標，平衡時海泡石對Cd2+的吸附量（Qe）為縱坐標，得到海泡石對Cd2+的等溫吸附曲線（圖3）。從圖3 可看出，隨著初始濃度C0由50 mg·L-1增加到500 mg·L-1，平衡液Cd2+濃度逐漸增大，平衡吸附量也逐漸增大。海泡石的吸附曲線符合Langmuir方程，海泡石的飽和吸附量為7.15。因此，海泡石對Cd2+具有很強的吸附性，利用海泡石鈍化污染土壤中的Cd 是很有效的。

圖3 海泡石對Cd2+的等溫吸附曲線Figure 3 Sepiolite adsorption isotherm curve for Cd2+

2.3 不同耕層深度處理下海泡石對根際與非根際土壤中有效態(tài)Cd含量的影響

海泡石在耕層不同深度處理下對土壤有效態(tài)Cd含量的影響見圖4。污染土壤在T1、T2、T3、T4 和T5耕層深度處理下，與CK 相比，根際土壤有效態(tài)Cd 含量均有降低，在T1、T2、T3、T4 和T5 處理下降幅分別為2.70%、3.40%、0.02%、3.10%和0.90%?？梢姼H土壤有效態(tài)Cd 含量在T2 處理降低效果最明顯，但與CK差異不顯著（P>0.05）。

圖4 不同耕層深度處理下海泡石對土壤Cd有效態(tài)含量的影響Figure 4 Effects of sepiolite on the soil available Cd content under different tillage depth treatments

與CK 相比，非根際層土壤有效態(tài)Cd含量均有不同程度下降，非根際第1層至第5層土壤有效態(tài)Cd含量降幅在T1、T2、T3、T4 和T5 處理下分別為1.00%～3.90%、1.41%～4.80%、1.70%～4.91%、1.31%～4.02%和3.20%～7.80%。非根際第1、3 層在耕層深度T4 處理下土壤有效態(tài)Cd 含量降幅最大，且在非根際第3 層與CK 具有顯著差異（P<0.05）；非根際第2、4、5 層在耕層深度T2 處理下降Cd 效果最佳，且均與CK 差異顯著（P<0.05）。

由此可見，海泡石在淺耕層5 cm 處理下，根際土壤與非根際土壤中有效態(tài)Cd含量降幅最明顯。

2.4 不同耕層深度處理下海泡石對水稻各部位Cd含量的影響

如圖5 所示，不同耕層深度處理下水稻各部位的Cd 含量均有下降。水稻根、莖、葉和糙米Cd 含量降幅在T1、T2、T3、T4 和T5 耕層深度處理下分別為3.01%～19.00%、1.00%～6.01%、3.02%～6.01%、1.01%～2.00%，根部Cd含量在不同耕層深度處理下與對照相比均差異顯著（P<0.05），而莖、葉和糙米中Cd 含量降幅均不顯著（P>0.05）。水稻根、莖、葉和糙米Cd 含量均在T4 處理下降幅最高。水稻各部位Cd 含量表現(xiàn)為根>莖>葉>糙米。

圖5 不同耕層深度處理下海泡石對水稻各部位Cd含量的影響Figure 5 Effects of sepiolite on Cd contents in various parts of rice under different tillage depth treatments

2.5 不同耕層深度處理下海泡石對水稻Cd 富集轉運的影響

如表3 所示，不同耕層深度處理下水稻根系Cd的富集系數(shù)均顯著低于CK 處理（P<0.05），其中T2 和T4 處理根系Cd 富集系數(shù)分別為1.04 和0.97，相對于其他處理更有效地抑制了水稻根系對土壤中Cd的吸收。根系-莖、根系-葉和根系-糙米的轉運系數(shù)均低于CK處理，但與CK差異不顯著（P>0.05）。

表3 水稻中Cd的富集與轉運系數(shù)Table 3 Bioaccumulation factor（BCF）and translocation factor（TF）of Cd in rice

2.6 不同耕層深度處理下海泡石對水稻株高及產量的影響

由圖6 可見，不同耕層深度處理下水稻株高和產量均有提高。施用海泡石后，在T1～T5耕層深度處理下水稻株高升幅分別為15.63%、19.70%、17.88%、17.45%和4.38%，除T5處理外，其他處理均與CK處理差異顯著（P<0.05）；相應地，水稻產量上升幅度分別為34.43%、85.29%、33.18%、87.32%和31.64%，且均與CK 差異顯著（P<0.05）。由此可見，水稻株高和產量分別在T2和T4處理下最優(yōu)。

圖6 不同耕層深度處理下海泡石對水稻株高和產量的影響Figure 6 Effects of sepiolite on rice plant height and yield under different tillage depth treatments

3 討論

施用海泡石均可提高根際和非根際土壤pH 值，根際與非根際層土壤有效態(tài)Cd 含量均呈下降趨勢，從而阻止部分Cd 從土壤進入水稻內，使得水稻各部位Cd 累積量均有下降，這與SUN 等[16]的研究結果一致?？赡苁且驗楹Ｅ菔且环N多孔的硅酸鹽黏土礦物材料，其具有巨大的比表面積、較高的孔隙度和陽離子交換量（CEC），可通過離子交換、專性吸附或共沉淀反應降低土壤中重金屬活性[17]。海泡石對Cd2+的吸附等溫試驗表明其對Cd2+具有很強的吸附性，能夠有效地將土壤中的Cd2+鈍化，這與孫慧等[18]的研究結果一致。進一步研究發(fā)現(xiàn)，根際土壤Cd 有效態(tài)含量普遍低于非根際土壤。根際土壤環(huán)境是聯(lián)系植物與土壤之間的紐帶，根際環(huán)境與非根際環(huán)境在物理化學和生物特性方面存在較大差異，可直接影響重金屬從土壤向植物的遷移及其對植物的有效性[19]。研究發(fā)現(xiàn)水稻能通過產生和釋放根系分泌物改善根際環(huán)境的pH 和Eh，減少根系Cd 吸收量及向地上部的轉運[20]。這些根系分泌物中某些金屬結合蛋白、黏膠物質和特殊的有機酸（如乳酸）可通過螯合、絡合、沉淀等作用將重金屬污染物滯留在根外，使得重金屬在根際沉淀物中主要以殘渣態(tài)存在，從而減少重金屬向植物體內遷移轉運[21-23]。根際分泌物可為微生物提供氮源和碳源，影響微生物的生態(tài)分布和活性，還會影響根際微生物的數(shù)量和種類[24]，微生物代謝活動中分泌的各種產物，如有機物、質子、酶等通過影響Cd 吸收和溶解降低重金屬的移動性[25]。

值得注意的是，海泡石施用在耕層5 cm 范圍（T2和T4）內，土壤有效態(tài)Cd 含量降幅最大，水稻株高和產量顯著提高（P<0.05）。這可能是因為不同深度的耕層土壤理化性質對重金屬的有效性和作物生長發(fā)育影響差異較大，研究表明土壤有機質含量隨著土壤深度的增加而減少，而土壤有機質中存在著大量的低分子量有機酸，其可作為有機配體與重金屬結合，形成穩(wěn)定的有機絡合物，從而降低重金屬的遷移轉化能力[26]，這種作用隨著土壤深度的增加而減弱，使得有效態(tài)Cd含量降幅受施加深度的影響而有所差異。事實上，有研究表明海泡石本身可能會提高水稻根系活力，進而促進根系合成脫落酸和細胞分裂素等植物激素，對水稻的生長發(fā)育和產量有積極影響，可提高水稻在灌漿前期的灌漿速率和籽粒質量，有效提高灌漿質量及水稻產量[27-30]。而淺耕處理下土壤養(yǎng)分含量高于深耕處理，對土壤的擾動更小，水分散失更少，土壤容重更小，更適宜水稻生長[31-32]。本試驗雖表明海泡石在淺耕層降低土壤Cd有效態(tài)含量及提高水稻株高和產量上效果最佳，但需進行大田試驗進一步驗證。

另外，Cd 污染土壤施用海泡石后水稻各部位Cd累積量均有下降，降幅為根>葉>莖>糙米。通過海泡石鈍化表層5 cm 土壤，且用尼龍網將下層15 cm 受重金屬污染土壤用尼龍網隔開（T4 處理），水稻根、莖、葉和糙米中Cd 含量降幅最大。T5 處理下土壤中Cd有效態(tài)含量降幅高于T3 處理，這可能是因為受尼龍網的阻隔影響，大量根際分泌物在尼龍網處富集，通過水稻根系分泌物與海泡石的協(xié)同作用，鈍化土壤中Cd，進而阻止水稻根部對Cd 的吸收。海泡石自身為堿性材料，pH 值為10.1，其施用減輕了土壤酸化程度，改善了土壤理化性狀，降低了土壤中鎘的生物有效性，并且抑制了植物對Cd 的吸收，減輕了Cd 對水稻的毒害，從而提高了水稻的產量[33-34]。值得注意的是，本試驗結果表明海泡石的施用可使水稻產量提高31.64%～87.32%，從凈收益和產投比來看，施用海泡石有利于提高水稻種植的經濟效益。但本研究結果為室內根際箱試驗得出，今后仍需通過大田試驗進一步驗證海泡石的實際應用價值。

總體來看，海泡石在耕層不同深度處理下均可降低土壤Cd 有效性和水稻Cd 含量，提高水稻株高和產量，且海泡石在表層5 cm 土壤施用鈍化效果最佳，本研究對實際土壤治理修復中有效合理地施用鈍化材料具有一定指導意義。但由于根際箱試驗的局限性和大田環(huán)境的差異性，海泡石在耕層不同深度下對Cd 污染土壤的實際修復效果需進一步通過大田試驗進行驗證。

4 結論

（1）在耕層不同深度施用海泡石均提高了根際與非根際層土壤pH 值，分別增加1.00～1.16、0.59～1.21個單位。

（2）在耕層不同深度施用海泡石后，根際與非根際層土壤有效態(tài)Cd 含量均有降低，且在耕層5 cm 深度施用時與對照差異顯著（P<0.05），降幅分別為3.40%和7.80%。

（3）施加海泡石可降低水稻各部位Cd累積量，其中根部Cd 含量在耕層各深度處理下均顯著低于對照，且在鈍化耕層5 cm+隔離根系處理中降幅最大，達19.00%。

（4）海泡石在不同施加深度下均提高了水稻株高和產量，且水稻株高和產量分別在鈍化耕層5 cm 處理和鈍化耕層5 cm+隔離根系處理增幅最大，分別為19.70%和87.32%。