耕作方式對(duì)成都平原稻麥輪作系統(tǒng)吸收累積鎘的影響

張 奇，劉海濤，田 靜，姚 莉，王 宏，林超文

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，成都 610066）

0 引言

耕地是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，同時(shí)承擔(dān)著國(guó)家糧食安全、生態(tài)安全和社會(huì)穩(wěn)定的責(zé)任。隨著中國(guó)工業(yè)化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)和生活廢水排放、污水灌溉、汽車(chē)廢氣排放、含重金屬農(nóng)藥和化肥的不合理使用等造成的土壤環(huán)境重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-2]。重金屬在環(huán)境中具有不可降解和生物累積的特性，可通過(guò)土壤和大氣進(jìn)入農(nóng)作物，再經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，給人體健康帶來(lái)潛在威脅[3]。根據(jù)2014年國(guó)家公布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，全國(guó)耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，Cd污染比例遠(yuǎn)超過(guò)其他幾種土壤重金屬元素。重金屬污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)生態(tài)文明、糧食安全戰(zhàn)略的基本要求。成都處于四川盆地的核心地帶，是西南地區(qū)最大的糧油生產(chǎn)基地，但重金屬Cd污染形勢(shì)不容樂(lè)觀。德陽(yáng)市作為成都平原區(qū)重要的工業(yè)基地，耕地土壤Cd含量超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重[4]。因此，對(duì)成都平原Cd污染農(nóng)田的污染防控和安全生產(chǎn)利用技術(shù)開(kāi)展研究具有重要意義。

目前，對(duì)土壤重金屬污染的防控技術(shù)主要集中在控制土壤污染源、改良劑的應(yīng)用、篩選和培育低積累作物或作物品種、優(yōu)化施肥和灌溉方式等農(nóng)業(yè)管理措施方面[5-10]。糧食生產(chǎn)過(guò)程中，耕作是重要的農(nóng)田管理措施，主要包括翻耕、旋耕、免耕、秸稈還田等方式。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同耕作方式下土壤理化性質(zhì)、作物的養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量作了大量研究，但對(duì)不同耕作方式下土壤重金屬累積效應(yīng)的研究相對(duì)較少[11-13]。在成都平原多為一年兩季的輪作模式，小麥與水稻輪作是常見(jiàn)的一種種植方式，不同耕作方式對(duì)小麥-水稻輪作系統(tǒng)吸收累積重金屬Cd的影響也需要進(jìn)一步研究。

基于此，筆者在輕度污染農(nóng)田開(kāi)展了2年定位試驗(yàn)，研究不同耕作方式對(duì)水稻-小麥輪作系統(tǒng)吸收累積重金屬Cd的影響，進(jìn)一步闡明不同耕作方式對(duì)重金屬Cd富集的影響機(jī)制，旨在為重金屬Cd污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

本研究試驗(yàn)區(qū)位于四川省德陽(yáng)市綿竹市文鳳村。試驗(yàn)區(qū)氣候類(lèi)型為亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量為1053.2 mm，年最大降水量為1421.4 mm，最少降水量為608.7 mm，降水的季節(jié)分配極不均勻，主要集中在7—9月。種植制度主要為小麥-水稻輪作。

本研究選取一塊水田為試驗(yàn)地。該試驗(yàn)地的土壤類(lèi)型為水稻土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。該水田試驗(yàn)地的土壤pH 6.49，總Cd含量為0.61 mg/kg，總Cd含量超過(guò)了農(nóng)業(yè)用地國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2018)的限定值0.4 mg/kg(5.5＜pH≤6.5)，屬于輕度污染農(nóng)田。

表1 供試土壤(0～20 cm)基本理化性狀

2周年田間試驗(yàn)于2015年11月—2017年10月進(jìn)行。共設(shè)置5個(gè)耕作方式處理，處理1為翻耕（機(jī)械耕作，深度25 cm），秸稈還田覆蓋；處理2為翻耕，無(wú)秸稈覆蓋；處理3為旋耕（耕作深度10 cm），秸稈還田覆蓋；處理4為旋耕，無(wú)秸稈覆蓋；處理5為免耕，秸稈還田覆蓋；處理6為免耕，無(wú)秸稈覆蓋。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，小區(qū)長(zhǎng)7 m、寬3 m，按照隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)排列進(jìn)行。

冬小麥于11月初播種，次年5月初收獲。小麥品種為‘川麥104’，播種量為195 kg/hm2。化肥施用量根據(jù)當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥量確定，在播種前施用基肥，施肥量為75 kg/hm2N、75 kg/hm2P2O5和75 kg/hm2K2O。在小麥三葉期追肥75 kg/hm2N。

小麥?zhǔn)斋@后于5月初種植水稻，水稻品種為‘川優(yōu)6203’，水稻栽秧規(guī)格為25 cm×20 cm。在播種前施肥90 kg/hm2N、90 kg/hm2P2O5、90 kg/hm2K2O。在7月初追施氮肥105 kg/hm2N。

1.2 樣品采集與分析

在作物成熟后，將小區(qū)內(nèi)小麥的籽粒部分及水稻的稻谷部分收獲并風(fēng)干測(cè)定質(zhì)量，并根據(jù)小區(qū)面積換算出對(duì)應(yīng)公頃產(chǎn)量。將小麥的風(fēng)干籽粒及水稻的風(fēng)干稻谷磨碎用于測(cè)定總Cd含量。每個(gè)小區(qū)分別取3株作物的地上部分樣品，去除籽粒部分，樣品在80℃烘干后粉碎測(cè)定秸稈的總Cd含量。2017年水稻試驗(yàn)開(kāi)始前，采集所有小區(qū)0～20 cm土壤樣品。將土樣自然風(fēng)干，過(guò)2 mm篩后測(cè)定土壤pH、總Cd和有效Cd。

土壤總Cd的測(cè)定方法為石墨爐原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)，有效Cd的測(cè)定方法為DTPA提取原子吸收法(GB/T 23739—2009)。土壤基礎(chǔ)性質(zhì)采用常規(guī)分析方法。籽粒和秸稈的總Cd含量測(cè)定方法為石墨爐原子吸收光譜法(GB 5009.15—2014)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用方差分析的LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)P<0.05時(shí)，表示處理間存在顯著性差異。采用Excel 2010和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下作物的產(chǎn)量

本研究中6種耕作方式下小麥和水稻的產(chǎn)量如圖1所示。對(duì)于小麥，各耕作方式下年平均產(chǎn)量由小到大依次為免耕秸稈還田＜旋耕無(wú)秸稈＜免耕無(wú)秸稈＜旋耕秸稈還田＜翻耕無(wú)秸稈＜翻耕秸稈還田。對(duì)于水稻，各耕作方式下年平均產(chǎn)量由小到大依次為免耕秸稈還田＜旋耕秸稈還田＜免耕無(wú)秸稈＜旋耕無(wú)秸稈＜翻耕秸稈還田＜翻耕無(wú)秸稈。對(duì)于小麥，翻耕秸稈還田處理產(chǎn)量最高，達(dá)到7560 kg/hm2；對(duì)于水稻，旋耕無(wú)秸稈處理產(chǎn)量最高，達(dá)到11031 kg/hm2。免耕秸稈還田處理下，小麥和水稻的產(chǎn)量均最低，分別為6949、9242 kg/hm2。這可能與免耕條件下，秸稈覆蓋會(huì)影響小麥和水稻的出苗和分蘗，同時(shí)免耕條件下土壤緊實(shí)度過(guò)高影響水稻小麥根系下扎生長(zhǎng)有關(guān)[14]。在該試驗(yàn)區(qū)，同一作物在各耕作模式下產(chǎn)量之間的差異不顯著。

圖1 不同耕作方式下小麥和水稻產(chǎn)量

2.2 不同處理下小麥籽粒和水稻稻谷中的Cd含量

不同耕作方式能夠顯著影響小麥籽粒和水稻稻谷中的重金屬Cd含量。如圖2所示，水稻稻谷的重金屬Cd含量要遠(yuǎn)高于冬小麥的籽粒。相同耕作方式下，是否秸稈還田對(duì)小麥籽粒和水稻籽粒重金屬含量影響不顯著。不同年份之間同一種作物籽粒的Cd含量也存在明顯差異。對(duì)于冬小麥，2017年籽粒中的Cd含量要高于2016年同處理的40%～83%，這與年際間的降雨量差異造成土壤含水量差異進(jìn)而影響土壤氧化還原電位有關(guān)[15]。翻耕秸稈還田處理下小麥籽粒中的Cd含量最低，平均值為0.12 mg/kg，低于其他處理的20%～40%。對(duì)于水稻，2017年稻谷中的Cd含量要低于2016年同處理的42%～67%，這與2017年水稻生長(zhǎng)季的降雨量高于2016年，土壤中的有效鎘含量降低有關(guān)[15]。翻耕無(wú)秸稈處理下水稻稻谷中的Cd含量最低，平均值為0.26 mg/kg，低于旋耕和免耕處理的66%～70%?？梢?jiàn)，翻耕處理能夠顯著降低冬小麥籽粒和水稻稻谷的重金屬Cd含量。

圖2 不同耕作方式下小麥籽粒和水稻稻谷的Cd含量

2.3 不同處理下作物秸稈的Cd含量

本研究對(duì)不同耕作方式下小麥、水稻秸稈的總Cd和農(nóng)田土壤樣品的pH、有效Cd和總Cd進(jìn)行了檢測(cè)，如表2所示。在相同耕作方式下，是否秸稈還田對(duì)小麥、水稻秸稈的總Cd和農(nóng)田土壤樣品的pH、有效Cd和總Cd的影響不顯著。耕作方式對(duì)土壤中有效Cd、總Cd含量以及秸稈中Cd含量有顯著影響。翻耕處理表層土壤的有效Cd(0.26 mg/kg)和總Cd含量(0.43 mg/kg)要顯著低于免耕和旋耕處理的。旋耕處理表層土壤的總Cd和有效Cd含量與免耕處理未存在顯著性差異。翻耕處理小麥和水稻秸稈中Cd含量顯著低于免耕和旋耕處理，但旋耕處理小麥和秸稈中Cd含量與免耕處理的未存在顯著性差異。

表2 2017年不同耕作方式下土壤和秸稈中的Cd含量

3 結(jié)論

筆者通過(guò)在輕度Cd污染農(nóng)田開(kāi)展2年的田間試驗(yàn)，研究成都平原常見(jiàn)耕作方式對(duì)水稻-小麥輪作系統(tǒng)吸收累積重金屬Cd的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與旋耕和免耕處理相比，翻耕措施能顯著降低小麥籽粒和水稻稻谷中的Cd含量，是否秸稈還田對(duì)小麥籽粒和水稻稻谷中的Cd含量影響不顯著。翻耕處理表層土壤重金屬總Cd和有效Cd含量顯著低于其他處理，這是翻耕處理對(duì)應(yīng)籽粒Cd含量較低的重要原因。綜合考慮作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品Cd含量，建議在成都平原地區(qū)輕中度Cd污染農(nóng)田將翻耕作為一項(xiàng)重要安全生產(chǎn)措施，同時(shí)可配合使用土壤調(diào)理劑種植水稻和小麥，保證糧食的安全生產(chǎn)。

4 討論

重金屬主要通過(guò)大氣沉降、污水灌溉、化肥和農(nóng)藥的施用等途徑進(jìn)入農(nóng)田并在土壤中積累。德陽(yáng)市作為成都平原區(qū)重要的工業(yè)基地，耕地土壤重金屬Cd含量超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，農(nóng)民最普遍采用的小麥-水稻輪作種植模式收獲的小麥籽粒和水稻稻谷中均存在重金屬Cd超標(biāo)的現(xiàn)象[15-16]。本研究試驗(yàn)點(diǎn)農(nóng)田的重金屬Cd含量超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2018)二級(jí)水平。

重金屬在植株體內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)受多種因素的影響，如土壤理化性質(zhì)、耕作栽培措施等。常同舉等[12]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH、重金屬有效量的變化是耕作方式影響水稻對(duì)重金屬吸收的最主要因素。崔孝強(qiáng)等[17]研究發(fā)現(xiàn)，耕層土壤Cd、Cu和Zn有效量以壟作免耕處理最高，不同耕作方式下土壤有效Cd和Pb含量出現(xiàn)表聚現(xiàn)象。帥澤宇等[18]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期免耕處理相較于翻耕、旋耕處理顯著增加了0～10 cm耕層Cd的有效性，但免耕同時(shí)阻礙了Cd向穗遷移的能力，而翻耕、旋耕處理則促進(jìn)了Cd向穗中遷移。在本研究中，小麥-水稻輪作中翻耕處理的小麥籽粒和水稻稻谷中的Cd平均含量分別為0.12、0.27 mg/kg，遠(yuǎn)低于旋耕和免耕處理，相比于小麥和水稻的安全標(biāo)準(zhǔn)值0.1、0.2 mg/kg，僅超出0.02、0.07 mg/kg?？梢?jiàn)，翻耕是有效的重金屬安全防控措施，能夠顯著降低小麥和水稻籽粒中的Cd含量，可基本實(shí)現(xiàn)輕度Cd污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)。根據(jù)翻耕處理土壤總Cd和有效Cd偏低的結(jié)果，可見(jiàn)土壤中Cd含量高是造成試驗(yàn)點(diǎn)小麥籽粒和水稻稻谷中Cd超標(biāo)的重要原因。試驗(yàn)區(qū)域的重金屬污染以大氣沉降為主，因此土壤中的Cd污染主要集中在表層土壤。翻耕處理可將亞耕層低重金屬含量的土壤翻至表層，而原表層高重金屬含量的土壤則被深埋至較深土層，不利于根系吸收，從而緩解了土壤中的Cd對(duì)小麥和水稻的毒害，降低了小麥籽粒和水稻稻谷的重金屬含量。

秸稈還田是一項(xiàng)提升耕地地力的有效措施。一方面，秸稈對(duì)重金屬有一定的吸附作用，有研究認(rèn)為其可用作修復(fù)污染水體和污染土壤，并在重金屬污染的農(nóng)田中施用有機(jī)肥和秸稈可降低土壤中的有效態(tài)重金屬含量，減少作物對(duì)土壤重金屬的吸收[19]。另一方面，重金屬污染農(nóng)田生產(chǎn)的秸稈中的重金屬含量常常較高，秸稈還田會(huì)促進(jìn)污染土壤重金屬Cu、Cd的溶出，增加土壤溶液中重金屬的濃度[20-21]。湯文光等[22]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期翻耕和長(zhǎng)期旋耕的土壤Cd含量顯著偏高，水稻植株地上部分富集Cd能力相對(duì)較低，長(zhǎng)期免耕則促進(jìn)了水稻地上部分對(duì)Cd的富集。鄭順安等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與秸稈不還田比較，秸稈還田在短期內(nèi)對(duì)土壤、水稻秸稈和蔬菜重金屬積累的影響較小，但4～5年后秸稈不還田農(nóng)田土壤Cd、Hg積累及水稻秸稈和蔬菜中Cd、Pb、Hg積累明顯低于秸稈還田農(nóng)田。本試驗(yàn)中在相同耕作方式下是否秸稈還田對(duì)小麥籽粒和水稻稻谷、秸稈中的重金屬Cd含量以及農(nóng)田土壤樣品的有效Cd和總Cd含量沒(méi)有顯著影響，這可能與秸稈還田時(shí)間短有關(guān)。