不同鈍化劑對水稻Cd吸收的影響

朱真令， 徐有祥， 陳德， 肖文丹， 葉雪珠*

(1.龍游縣耕地質(zhì)量與肥料管理站，浙江 龍游 324400； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營養(yǎng)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品信息溯源重點實驗室，浙江 杭州 310021)

當(dāng)前，我國面臨較為嚴峻的土壤重金屬污染。2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》指出，無機污染是我國土壤的主要污染類型，而鎘(Cd)是超標(biāo)率最高的重金屬元素，其點位超標(biāo)率達7.0%。土壤中的Cd有著相對于其他重金屬元素更高的生物有效性，很容易被作物吸收，而后通過食物鏈途徑被人體吸收，長期食用Cd嚴重超標(biāo)的食品極大地威脅人體健康[1]。與其他谷類作物相比，水稻通常有著更強的Cd吸收能力[2]。作為我國水稻主產(chǎn)區(qū)，南方地區(qū)土壤以酸性為主，同時土壤重金屬Cd污染也較為突出，極大地促進了水稻對Cd的吸收，導(dǎo)致稻米Cd超標(biāo)問題突出[3]。我國《土壤污染防治行動計劃》要求受污染耕地安全利用率到2020年和2030年要分別達到90%和95%左右。對Cd污染耕地土壤進行治理，實現(xiàn)稻米安全生產(chǎn)，是我國農(nóng)業(yè)當(dāng)前面臨的重要任務(wù)。

原位鈍化技術(shù)操作簡便、成本相對較低，可以邊治理邊生產(chǎn)，因而是我國受污染耕地安全利用過程的主要技術(shù)措施。石灰、黏土礦物等是治理過程中常用的原位鈍化材料，但是隨著土壤pH、Cd含量等條件的變化，鈍化劑的施用對土壤Cd等重金屬的有效性和作物吸收的影響有較大差異，需要根據(jù)土壤條件的變化對鈍化劑的種類、用量做出靈活調(diào)整。而且不同的水稻品種對Cd的吸收能力差異較大，這些因素對基層治理土壤重金屬污染提出了較高要求。因而，針對特定的土壤類型和Cd污染條件，研究不同鈍化劑的施用對特定品種Cd吸收積累的影響，具有重要意義。

本研究通過田間試驗，在浙江省龍游縣開展了常用不同鈍化劑的施用對特定水稻品種Cd等重金屬吸收的影響，同時結(jié)合土壤主要性質(zhì)的變化，以期篩選出適合當(dāng)?shù)匚廴緱l件和主栽品種的鈍化劑種類及用量，為當(dāng)?shù)匾?guī)?；_展受污染耕地的安全利用和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供技術(shù)和案例支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

在浙江省龍游縣某Cd污染農(nóng)田開展田間小區(qū)試驗，供試水稻為早稻品種中嘉早17。土壤類型為水稻土，pH 5.0，總Cd含量為1.2 mg·kg-1，有機質(zhì)、全氮、全磷含量分別為41.4、2.1、0.9 g·kg-1，堿解氮、有效磷含量分別為194.7、9.7 mg·kg-1。本研究所用生石灰pH為12.7、總Cd含量0.08 mg·kg-1，海泡石pH為9.6、總Cd含量0.04 mg·kg-1。

1.2 方法

選擇地勢平坦、重金屬污染變異小的地塊布置田間試驗。設(shè)置4個鈍化劑處理。T1、T2分別為3.00、3.75 t·hm-2生石灰處理，T3、T4分別為12.00 t·hm-2海泡石和6.00 t·hm-2石灰-海泡石等比例復(fù)合鈍化劑處理，以不施鈍化劑為對照處理(CK)。在水稻播種前15 d翻耕并劃定小區(qū)，每小區(qū)面積為100 m2，隨機排列。采樣時隨機采集3個重復(fù)。試驗于4月9日播種，播種方式為直播，7月22日收獲。水肥藥等田間管理與農(nóng)戶習(xí)慣保持一致。

1.3 樣品處理與分析

水稻成熟后采集植株樣品，每個小區(qū)隨機采集8株水稻，帶回實驗室后沖洗干凈，晾干水分，置于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在70 ℃下烘干。稻穗脫粒后用不銹鋼檢驗礱谷機脫殼保留糙米。用不銹鋼粉碎機將糙米粉碎，于自封袋中保存?zhèn)溆?。同時采集對應(yīng)的土壤樣品，帶回實驗室后風(fēng)干，用瑪瑙研缽研磨后依次過2.00、0.25、0.15 mm的尼龍篩，置于自封袋備用。

水稻不同部位樣品中Cd含量的測定。用HNO3-HClO3(V/V為5∶1)浸泡過夜后經(jīng)微波消解，轉(zhuǎn)移定容過濾后用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測定(X-series 2，Thermo Fisher Scientifc Inc.，USA)。每批樣品包括3個空白和標(biāo)準樣品進行質(zhì)控。土壤性質(zhì)的測定根據(jù)魯如坤《土壤農(nóng)化分析》的方法進行。酸堿度采用pH計測定，固液比為1∶2.5 (m/V)；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；全磷采用H2SO4-HClO4消解-比色法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用NH4F-HCl浸提-磷鉬藍比色法測定。土壤中Cd的總量用微波消解-ICP-MS測定，有效態(tài)Cd含量用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液浸提，經(jīng)ICP-MS測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計

采用Excel 2016進行試驗數(shù)據(jù)整理并作圖，用SPSS 20軟件進行處理間方差分析(P<0.05)，所有數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準差(n=3)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈍化劑處理水稻籽粒Cd含量

不同鈍化劑處理對早稻籽粒中Cd含量的影響如圖1所示。各處理早稻籽粒中Cd的含量范圍在0.11～0.40 mg·kg-1，各鈍化劑處理與對照相比籽粒中Cd的含量均顯著降低。其中黏土礦物海泡石效果最佳，降幅為72.5%；其次為生石灰，處理1和處理2水稻籽粒中Cd分別降低66.9%和62.5%；復(fù)合鈍化劑處理水稻籽粒中Cd的含量降低60.0%。與對照相比，各處理水稻籽粒中Cd含量均達到了國家限量標(biāo)準要求(<0.2 mg·kg-1)。

柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～3同。

2.2 不同鈍化劑處理土壤有效態(tài)Cd含量及pH

由圖2可知，不同處理土壤有效態(tài)Cd的含量在0.04～0.63 mg·kg-1。施用鈍化劑處理土壤有效態(tài)Cd的含量顯著降低，降低幅度在64.9%～93.2%，其中，海泡石處理土壤有效態(tài)Cd的降幅最高；其次為T2處理，降幅為74.2%。

圖2 不同鈍化劑處理對土壤有效態(tài)Cd含量的影響

圖3為不同鈍化劑處理對早稻土壤pH的影響?？梢姡g化劑處理均顯著提高了土壤pH。其中，海泡石處理效果最佳，pH增加1.7；其次為T2處理，pH增加1.1；復(fù)合鈍化劑和石灰1處理的土壤pH分別增加0.9和0.7。

圖3 不同鈍化劑處理對土壤pH的影響

2.3 不同鈍化劑處理土壤養(yǎng)分含量

表1為不同鈍化劑處理對土壤有機質(zhì)和主要養(yǎng)分含量的影響。各處理有機質(zhì)的含量在39.1～43.0 g·kg-1，鈍化劑處理對土壤有機質(zhì)含量無顯著影響。施用生石灰、海泡石等鈍化劑對土壤全氮含量無顯著影響，但T2處理顯著降低了土壤堿解氮的含量，降幅為20.7%。各鈍化劑處理對土壤全磷含量無顯著影響，但T2處理降低了土壤有效磷含量，降幅為21.0%。

表1 不同鈍化劑處理對土壤養(yǎng)分含量的影響

3 小結(jié)與討論

本研究表明，單一及復(fù)合施用生石灰、海泡石等鈍化劑均能有效降低水稻籽粒中Cd的含量，且能將籽粒中Cd的含量降到0.2 mg·kg-1之下，確保了稻米的安全生產(chǎn)。其主要原因是生石灰、海泡石等堿性鈍化劑的添加提高了酸性土壤的pH，從而提高了土壤顆粒表面負電荷，增加其對土壤中Cd2+的吸附、絡(luò)合，甚至形成沉淀，降低了土壤中Cd的有效性[4]。眾多研究表明，水稻籽粒中Cd的含量與土壤有效態(tài)Cd含量呈顯著相關(guān)關(guān)系，而土壤有效態(tài)Cd含量與土壤pH則呈顯著負相關(guān)關(guān)系[5-6]。本研究結(jié)果也表明，石灰用量并非越高越好，如3.75 t·hm-2的用量可能會造成土壤堿解氮、有效磷降低，而3.00 t·hm-2的用量則能在有效降低土壤中Cd生物有效性的同時，不對土壤養(yǎng)分造成太大的影響。袁興超等[7]研究表明，當(dāng)海泡石和石灰的用量分別為45.00、2.25 t·hm-2時，其對土壤Cd和Pb的修復(fù)效果最佳，說明對于不同鈍化劑而言，其最佳用量存在差異。雖然生石灰和海泡石均能有效降低水稻籽粒中Cd的含量，但有研究表明，石灰對土壤重金屬的鈍化效果持續(xù)性較差，而海泡石盡管用量通常多于石灰，但其對土壤中Cd等重金屬的鈍化持續(xù)性更好[8-9]。而石灰和海泡石復(fù)合也能很好地降低土壤Cd的有效性和水稻對Cd的吸收。有研究表明，不同鈍化劑配合施用能克服單一鈍化劑的缺陷，從而獲得更好的綜合效應(yīng)[10]。本研究中石灰和海泡石配合施用雖然未取得最佳的效果，但其持續(xù)性效果值得關(guān)注。值得注意的是，本研究所用的水稻品種中嘉早17屬于Cd吸收能力低的品種，因此，本研究取得的結(jié)果是鈍化劑配合低積累品種2種措施共同作用的結(jié)果，在實際生產(chǎn)中可能會因為品種的不同甚至氣候條件(如降雨、氣溫)等的改變而影響水稻籽粒中Cd的含量[11]，這值得進一步關(guān)注。

本研究結(jié)果表明，生石灰、海泡石及其混合鈍化劑添加能顯著有效降低水稻籽粒中Cd的含量，降幅在60.0%～72.5%，并使得水稻籽粒中Cd含量降至0.2 mg·kg-1以下，其中海泡石效果最佳，生石灰次之。生石灰、海泡石等鈍化劑的添加均顯著提高了土壤pH值，并有效降低了土壤有效態(tài)Cd的含量，降幅在64.9%～93.2%，其中海泡石處理土壤有效態(tài)Cd的降幅最高。各鈍化劑的施用對土壤有機質(zhì)和主要養(yǎng)分含量總體影響不大，但3.75 t·hm-2生石灰處理能降低土壤堿解氮和有效磷含量，降幅分別為20.7%和21.0%。原位鈍化結(jié)合低積累水稻品種的種植可有效降低土壤-水稻系統(tǒng)Cd的生物有效性，實現(xiàn)中輕度Cd污染耕地的安全利用及稻米的安全生產(chǎn)。