修復(fù)肥料和紫云英對(duì)水稻吸收積累鎘的影響

陶榮浩，袁旭峰，吳新德，王垚，魯洪娟，葉文玲，陳勇，馬友華*

（1.農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2.青陽(yáng)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽青陽(yáng) 242800；3.池州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽 池州 247100；4.中鹽安徽紅四方肥業(yè)股份有限公司，合肥 231602）

隨著我國(guó)重金屬采礦、冶煉行業(yè)的迅速發(fā)展，化肥農(nóng)藥、工業(yè)廢水和礦業(yè)過(guò)程等含有的重金屬不斷被釋放到農(nóng)田環(huán)境，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)耕地面積大幅縮減[1-5]。鎘是一種有毒的重金屬，在環(huán)境中具有高度的累積性和持久性[6-7]。水稻是中國(guó)乃至全世界最重要的糧食作物，具有較強(qiáng)的鎘吸收積累特性[8]，當(dāng)?shù)咎锿寥乐墟k濃度超標(biāo)時(shí)，不僅會(huì)使稻米中鎘含量超標(biāo)，危害人體健康，還會(huì)對(duì)水稻產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響[9-10]。此外，重金屬污染還會(huì)抑制土壤酶活性，降低土壤中活性菌落的數(shù)量和土壤微生物生物量，對(duì)土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[11-12]。土壤pH 是控制土壤養(yǎng)分有效性、土壤微生物活動(dòng)以及作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素，相關(guān)研究證實(shí)，土壤pH值降低會(huì)提高土壤中鎘的活性，增加水稻對(duì)鎘的吸收和累積[13]。因此，開展鎘污染稻田土壤治理與水稻鎘吸收積累控制研究，對(duì)于保障食品安全和改善土壤環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

施肥是滿足作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的重要途徑，同時(shí)對(duì)重金屬活性產(chǎn)生較大影響。相關(guān)研究表明，氮肥施用時(shí)，優(yōu)化銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的施用比例，可以提高稻田土壤pH 值，降低重金屬活性[14]；曹巧瀅等[15]的研究表明，在鎘污染農(nóng)田土壤中施用堿性肥料（含氮20%）能夠降低土壤有效鎘含量。而鈣鎂磷肥和硫酸鉀的添加不僅可以提升作物產(chǎn)量，還能夠抑制土壤中重金屬的有效性[16-17]。綠肥還田是土壤重金屬改良的一項(xiàng)重要的農(nóng)藝措施，不僅可以降低水稻糙米中鎘的含量，還可改變土壤中鎘的賦存形態(tài)，并降低土壤中鎘有效性[18-19]。紫云英（Astragalus sinicusL.）是當(dāng)前長(zhǎng)江流域乃至南方地區(qū)大力發(fā)展的一種提升耕地質(zhì)量和改善稻田生態(tài)環(huán)境的一種綠肥[20]。紫云英還田可為土壤微生物提供碳源，增強(qiáng)土壤酶活性以及鐵錳氧化物還原過(guò)程，促進(jìn)根表鐵膜形成，進(jìn)而影響水稻對(duì)鎘的吸收[21]。也有研究表明，紫云英還田提高了土壤鎘活性[22]。紫云英還田對(duì)水稻土鎘有效性影響存在差異的原因，以及與其他修復(fù)材料配合施用的效果還需要進(jìn)一步研究。

利用修復(fù)材料降低重金屬活性是目前修復(fù)鎘污染農(nóng)田土壤的一種較為合理且經(jīng)濟(jì)的方法，它主要是通過(guò)對(duì)重金屬鎘的吸附、沉淀或共沉淀等作用，改變鎘在土壤中的存在形態(tài)，從而降低其生物有效性和遷移性[23]。但土壤調(diào)理劑在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較高，不利于普通農(nóng)戶大面積推廣應(yīng)用。修復(fù)肥料是一種修復(fù)土壤重金屬鎘功能的肥料，主要以能夠鈍化土壤重金屬活性的大顆粒尿素、顆粒磷銨、硫酸鉀和調(diào)理劑等按照當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境狀況與種植作物特征，并結(jié)合耕作制度、氣候、土壤等情況進(jìn)行配比而成，在增產(chǎn)的同時(shí)能夠降低土壤中重金屬活性，減少作物對(duì)土壤中重金屬的吸收，使作物重金屬含量達(dá)到限量值標(biāo)準(zhǔn)以下，達(dá)到安全生產(chǎn)的效果，并具備一定的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前，修復(fù)肥料這個(gè)概念在農(nóng)田土壤重金屬修復(fù)中尚未提出，在田間試驗(yàn)條件下也缺乏深入研究，與其他農(nóng)藝措施結(jié)合效果也未見報(bào)道。因此，本研究選取池州市青陽(yáng)縣某安全利用類鎘污染稻田作為試驗(yàn)田，開展修復(fù)肥料和紫云英單施以及二者聯(lián)合施用下對(duì)農(nóng)田土壤鎘污染修復(fù)試驗(yàn)效果的研究，并與石灰處理進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)比較水稻產(chǎn)量、水稻鎘含量、土壤pH 值、有效態(tài)鎘含量、鎘形態(tài)變化及酶活性的差異，以期為青陽(yáng)縣乃至長(zhǎng)江中下游流域鎘污染稻田的安全生產(chǎn)提供理論與實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的水稻品種為在當(dāng)?shù)剡m宜種植的特糯2072。

土壤調(diào)理材料：修復(fù)肥料由安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)和中鹽安徽紅四方肥業(yè)股份有限公司聯(lián)合研發(fā)，主要成分為大顆粒尿素、顆粒磷銨、硫酸鉀和調(diào)理劑等，N-P2O5-K2O：20-10-15，Cl-：0.43%，S：8.84%。紫云英品種為弋江籽，石灰購(gòu)自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。

其他肥料：含氮磷鉀45%（15-15-15）的復(fù)合肥、含純氮量（N）46%的尿素、含純鉀量（K2O）60%的氯化鉀。如表1 所示，本試驗(yàn)土壤調(diào)理材料重金屬含量均符合《農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 有機(jī)肥料》（NYT525—2021）規(guī)定的限值（Cd≤3 mg·kg-1；Hg≤2 mg·kg-1；As≤15 mg·kg-1；Pb≤50 mg·kg-1；Cr≤150 mg·kg-1）。

表1 土壤調(diào)理材料重金屬含量（mg·kg-1）Table1 Heavymetalscontentofsoilconditioningmaterials（mg·kg-1）

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)田所在的區(qū)域位于118°02′33″E，30°42′34″N，土壤亞類為潛育性水稻土，成土母質(zhì)為河流沖積物。該區(qū)域范圍內(nèi)耕地土壤重金屬鎘含量在0.19～0.34 mg·kg-1之間，試驗(yàn)前一季區(qū)域內(nèi)收獲后稻米鎘含量在0.17～0.42 mg·kg-1之間，存在稻米鎘超標(biāo)情況。如表2 所示，參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）要求，本次試驗(yàn)田耕地土壤重金屬鎘含量為0.31 mg·kg-1，高于篩選值（0.30 mg·kg-1），但低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控值（1.50 mg·kg-1），土壤有效態(tài)鎘含量為0.206 mg·kg-1。

試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)：土壤pH 值5.41、有機(jī)質(zhì)23.94 mg·kg-1、全氮1.16 g·kg-1、有效磷13.71 mg·kg-1、速效鉀95.48 mg·kg-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品處理

小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用區(qū)組隨機(jī)分布，共5 個(gè)處理，每個(gè)處理小區(qū)設(shè)置3 次重復(fù)，共計(jì)15 個(gè)處理小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為20 m2，各小區(qū)間用薄膜護(hù)埂，清潔水灌溉，截?cái)辔廴驹础?/p>

田間小區(qū)修復(fù)材料施用量如表2 所示，在施用基肥前7 d 施用土壤調(diào)理材料，紫云英按一定量鮮樣翻耕施入土壤，然后用旋耕機(jī)混勻，翻耕期間直至種植作物前，田中水不外排。按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培技術(shù)施肥量施肥，基肥采用45%氮磷鉀（15-15-15）復(fù)合肥，用量為0.6 t·hm-2，在插秧前1～2 d 施入，水稻直播密度為13 cm×30 cm；20 d 后施尿素0.15 t·hm-2作返青分蘗肥，施用0.11 t·hm-2的鉀肥，水稻孕穗期追施尿素0.10 t·hm-2作孕穗肥。根據(jù)當(dāng)?shù)厮緝?yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培方式，采用關(guān)鍵期（抽穗期前后三周、孕穗期至灌漿期）進(jìn)行淹水灌溉（維持3～5 cm水層）。

表2 田間小區(qū)試驗(yàn)處理及材料用量Table 2 Field plot test treatments and material consumption

樣品于2021 年9 月15 日水稻成熟期采集。水稻成熟期進(jìn)行實(shí)際測(cè)產(chǎn)，同時(shí)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)每個(gè)小區(qū)1 m2調(diào)查框內(nèi)的水稻有效穗數(shù)和總共結(jié)實(shí)的穗粒數(shù)，并計(jì)算平均每株有效穗粒數(shù)（總共結(jié)實(shí)的穗粒數(shù)/有效穗數(shù)），稱量1 000粒穗粒的質(zhì)量計(jì)為千粒質(zhì)量。水稻樣品按梅花形取樣法每個(gè)小區(qū)采取水稻5株，采集后先后用自來(lái)水和去離子水清洗干凈，再將整株分為根部、莖葉和稻谷。植株部于105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒質(zhì)量；稻谷曬干后按《農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)米質(zhì)測(cè)定方法》（NY/T83—2017）出糙，分離出糙米和殼。稱量各部位干質(zhì)量，利用不銹鋼粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。土壤樣品在采集水稻樣品當(dāng)日采集，根際土壤樣品（0～20 cm）用抖落法收集水稻根部附近的土壤，并組成混合樣[24]；非根際土壤樣品（0～20 cm）按照五點(diǎn)采樣法在小區(qū)內(nèi)用木鏟進(jìn)行采集并組成混合土樣。在陰涼處風(fēng)干后，粉碎研磨10目篩和100目篩裝入自封袋備用。

1.4 樣品測(cè)定

水稻各部位中重金屬鎘含量的測(cè)定根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測(cè)定》（GB 5009.268—2016），稱取0.3 g 樣品（精確到0.001 g）于微波消解罐內(nèi)，加入5 mL硝酸，加蓋放置1 h后用CEM MRAS6進(jìn)行微波消解，冷卻后取出，緩慢打開罐蓋排氣，用少量水沖洗內(nèi)蓋，將消解罐放在控溫電熱板上，于100 ℃加熱30 min 后用超純水定容至25 mL，使用iCAP 7000 Series 電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)定。土壤有效態(tài)鎘（DTPA-Cd）的測(cè)定根據(jù)《土壤質(zhì)量有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定》（GB/T 23739—2009），用德國(guó)耶拿Z700P 原子吸收分光光度計(jì)火焰法測(cè)定。土壤鎘不同形態(tài)的測(cè)定采用改進(jìn)后的BCR三步連續(xù)提取法[25]，將三步提取態(tài)之和加上殘?jiān)鼞B(tài)含量與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤物質(zhì)中重金屬總量進(jìn)行了比較，回收率在93.9%～104%之間，分析結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)。土壤酶的分析主要按照《土壤酶及其研究方法》中規(guī)定方法檢測(cè)。土壤pH 采用去CO2蒸餾水浸提（土水比1∶2.5），精密pH 計(jì)（TARTER2100）測(cè)定。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)土壤樣品（GBW07461）和植物樣品（GBW10045）進(jìn)行質(zhì)量控制，分析結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)。

根據(jù)以下公式計(jì)算相關(guān)指標(biāo)：

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 23.0進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，采用Origin 2017制圖。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，用Duncan’s 法檢驗(yàn)顯著性差異（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻農(nóng)藝性狀的影響

由表3可知，不同處理下水稻產(chǎn)量在7.21～7.53 t·hm-2之間，與CK 處理相比，F(xiàn)L、ZYY 和FZ處理下水稻增產(chǎn)率分別達(dá)到了7.07%、6.86%和9.01%，F(xiàn)Z 處理下水稻增產(chǎn)效果最好。FL、ZYY 和FZ 處理下稻谷產(chǎn)量與SH 處理間存在差異，但不顯著（P＞0.05）。各處理對(duì)水稻千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率和有效分蘗數(shù)無(wú)顯著影響。

表3 不同處理對(duì)田間小區(qū)水稻農(nóng)藝性狀影響Table 3 Effects of different treatments on agronomic characters of rice in field plot

2.2 不同處理對(duì)水稻重金屬吸收、富集和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.2.1 水稻糙米重金屬鎘含量的差異

由圖1 可知，不同處理下糙米中重金屬鎘含量在0.156～0.219 mg·kg-1之間，各處理除CK 處理外均低于《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）規(guī)定的限量值。FL、ZYY 和FZ 處理下，糙米中鎘含量分別為0.166、0.195 mg·kg-1和0.156 mg·kg-1，其中FZ 處理的降低效果顯著高于其他處理，較CK 處理降低了28.65%，與SH 處理相比降低了13.80%，而ZYY 處理的降低率為11.02%，與FZ 處理相比具有顯著差異（P＜0.05）。

圖1 不同處理對(duì)水稻糙米重金屬鎘含量的影響（mg·kg-1）Figure 1 Effects of different treatments on Cd content in brown rice（mg·kg-1）

2.2.2 水稻各部位重金屬鎘含量的差異

由圖2 可知，不同處理下水稻各部位重金屬鎘含量存在差異性，水稻根、秸稈和稻殼鎘含量分別在0.461～0.566、0.223～0.337 mg·kg-1和0.113～0.156 mg·kg-1之間。相較于CK 處理，F(xiàn)L 處理下水稻秸稈和稻殼鎘含量分別降低了30.67%和16.61%；ZYY 處理下水稻根、秸稈和稻殼鎘含量分別降低14.26%、18.65%和14.75%；FZ 處理下水稻秸稈和稻殼鎘含量分別降低33.79%和27.52%，水稻根中鎘含量雖較CK 處理增加了5.15%，但差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 不同處理對(duì)水稻各部位重金屬鎘含量的影響（mg·kg-1）Figure 2 Effects of different treatments on the content of Cd in various parts of rice（mg·kg-1）

2.2.3 水稻各部位鎘的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的差異

由表4 可知，相較于CK 處理，F(xiàn)L 和FZ 處理均能顯著降低糙米對(duì)重金屬鎘的富集系數(shù)，降低率分別為25.42% 和28.84%，ZYY 處理雖較CK 處理下降了13.18%，但差異不顯著（P＞0.05），F(xiàn)L 和FZ 處理的降低效果優(yōu)于SH 處理，但ZYY 處理對(duì)降低水稻糙米中的富集鎘的能力則弱于SH 處理。與CK 處理相比，F(xiàn)L 處理降低了水稻秸稈-根和糙米-根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，分別為29.23%和23.16%，糙米-秸稈的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則提高了8.49%；ZYY 處理降低了秸稈-根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，降低率為4.76%，而糙米-秸稈和糙米-根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則分別提高了8.11%和3.21%；FZ 處理對(duì)水稻秸稈-根和糙米-根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別降低了36.72% 和32.00%，與CK處理相比具有顯著差異性（P＜0.05），對(duì)降低水稻鎘轉(zhuǎn)運(yùn)能力效果最好。

表4 不同處理對(duì)水稻各部位鎘富集和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響Table 4 Effects of different treatments on Cd enrichment and transport coefficients in various parts of rice

2.3 不同處理對(duì)土壤pH、有效態(tài)鎘和鎘形態(tài)的影響

2.3.1 不同處理對(duì)土壤pH和有效態(tài)鎘的影響

由表5 可知，與CK 處理相比，F(xiàn)L、ZYY 和FZ 處理均能提高成熟期土壤的pH 值，其中根際土壤分別提升了0.23、0.10 個(gè)和0.20 個(gè)單位，非根際土壤分別提升了0.32、0.26 個(gè)和0.32 個(gè)單位，均顯著差異（P＜0.05），ZYY 處理對(duì)根際土壤pH 值提升幅度低于其他處理，且顯著差異（P＜0.05），SH 處理下根際和非根際土壤pH值分別提高0.08個(gè)和0.23個(gè)單位。各處理對(duì)非根際土壤pH值的提升效果均要好于根際土壤。相較于CK 處理，F(xiàn)L、ZYY 和FZ 處理均能降低成熟期土壤有效態(tài)鎘含量，其中對(duì)根際土壤有效態(tài)鎘降低幅度分別為31.07%、24.82%和32.25%，對(duì)非根際土壤有效態(tài)鎘降低幅度分別達(dá)到了35.98%、37.37%和40.54%，SH 處理下根際和非根際土壤有效態(tài)鎘分別降低27.87%和42.85%，F(xiàn)Z 處理降低對(duì)根際土壤有效態(tài)鎘的效果最好，且與其他處理差異顯著（P＜0.05），各處理對(duì)非根際土壤中有效態(tài)鎘的降低效果好于根際土壤。

表5 不同處理對(duì)成熟期土壤pH和有效態(tài)鎘含量的影響Table 5 Effects of different treatments on soil pH and DTPA-Cd content at ripening stage

2.3.2 不同處理對(duì)土壤鎘形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

由圖3 可知，相較于CK 處理，F(xiàn)L、ZYY 和FZ 處理均能使根際土壤中土壤弱酸提取態(tài)鎘和可還原態(tài)鎘含量降低，降幅在19.97%～31.97%和3.76%～14.08%之間，F(xiàn)Z 處理降幅最明顯；FL 和ZYY 處理均能夠提高根際土壤中的可氧化態(tài)，但提升效果低于SH處理；FZ 處理對(duì)根際土壤殘?jiān)鼞B(tài)含量提升效果最佳，達(dá)到了39.63%。非根際土壤中，F(xiàn)Z處理可以顯著降低土壤弱酸提取態(tài)，達(dá)到了28.78%，但FL和ZYY處理的效果低于SH處理；FL處理可以使非根際土壤中可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的含量分別提高21.60%和11.98%，F(xiàn)Z 處理非根際土壤中殘?jiān)鼞B(tài)的含量提升最明顯，達(dá)到了25.00%。

圖3 不同處理對(duì)成熟期土壤鎘形態(tài)及分布比例的影響Figure 3 Effects of different treatments on the form and distribution proportion of Cd in soil at maturity

2.3.3 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

由圖4 可知，不同處理對(duì)土壤中酶活性的影響具有差異性。相較于CK 處理，F(xiàn)L、ZYY 和FZ 處理均能有效提高土壤中酶活性，其中，ZYY 處理對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶提高了21.73%，與SH 處理相比差異顯著（P＜0.05）。FZ 處理提高了土壤脲酶和蔗糖酶的活性，分別達(dá)到了54.26%和65.79%，顯著高于SH 處理（P＜0.05）。FL、ZYY 和FZ 處理對(duì)土壤蛋白酶的提升率在0.01%～7.84%之間，低于SH處理的效果。

圖4 不同處理對(duì)成熟期根際土壤酶活性的影響Figure 4 Effects of different treatments on enzyme activities in rhizosphere soil at maturity

2.4 不同處理對(duì)水稻各部位鎘含量、土壤pH、有效態(tài)鎘及酶活性相關(guān)性分析

對(duì)水稻不同部位鎘含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表6所示，糙米鎘含量與稻殼鎘含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與秸稈鎘含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），秸稈鎘含量與稻殼鎘含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。根部鎘含量與糙米鎘含量和秸稈鎘含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與稻米鎘含量呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性均不顯著。

表6 不同處理對(duì)水稻各部位鎘含量的相關(guān)性Table 6 Correlation of Cd content in different parts of rice under different treatments

對(duì)水稻土壤pH、有效態(tài)鎘含量及酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表7 所示，土壤pH 與有效態(tài)鎘含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），過(guò)氧化氫酶與脲酶之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）、與蔗糖酶之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），有效態(tài)鎘含量與脲酶之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），蔗糖酶與蛋白酶之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），其余指標(biāo)之間存在相關(guān)性，但不顯著。

表7 不同處理對(duì)根際土壤pH、有效態(tài)鎘及酶活性的相關(guān)性Table 7 Correlation of rhizosphere soil pH,available Cd and enzyme activity

2.5 不同處理經(jīng)濟(jì)效益分析

本試驗(yàn)所涉及的肥料和水稻價(jià)格以及種子、化肥、機(jī)械、人工等成本價(jià)格結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查得出，具體價(jià)格以市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格為準(zhǔn)。在其他管理水平一致的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比如表8 所示。投入產(chǎn)出比較高的是ZYY、FL 處理和FZ 處理，分別為1.76、1.73 和1.72，顯著高于SH處理（P＜0.05）。

表8 不同處理經(jīng)濟(jì)效益分析Table 8 Economic benefit analysis of different treatments

3 討論

3.1 不同處理對(duì)水稻各部位鎘富集、吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

植物對(duì)重金屬鎘的吸收和遷移受多個(gè)因素的影響，如土壤pH、有效態(tài)鎘以及離子間的作用等。添加土壤調(diào)理劑不僅影響了土壤有效態(tài)鎘，也改變了土壤的肥力和酶活性等，進(jìn)而影響植物對(duì)鎘的吸收、遷移和轉(zhuǎn)化[26-27]。本研究表明，鎘在水稻植株中分布情況表現(xiàn)為根＞秸稈＞糙米＞稻殼，這與Shi等[28]的研究結(jié)果一致，鎘從土壤溶液進(jìn)入根細(xì)胞，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白經(jīng)過(guò)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)角o葉部位，當(dāng)籽粒進(jìn)行灌漿時(shí)，再通過(guò)韌皮部將莖葉中的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒中；在灌漿階段，根系與秸稈部新陳代謝旺盛，鎘富集量大，使糙米部位的重金屬鎘含量相對(duì)較小。本研究表明，不同處理對(duì)水稻糙米鎘含量均有降低的效果，且均符合《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中規(guī)定的限量值，其中，降低效果最為顯著的為單施修復(fù)肥料和兩者聯(lián)合施用，這可能是由于修復(fù)肥料中富含硫酸鉀，而硫是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素之一，可以和重金屬形成有機(jī)化合物，減輕重金屬的生理毒害作用[29]。有關(guān)研究表明紫云英可以顯著降低水稻鎘有效性，抑制根系對(duì)鎘的吸收和籽粒中鎘積累[30]，本研究中，修復(fù)肥料和紫云英的施用能夠使根-秸稈和根-籽粒鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低，進(jìn)而降低水稻糙米中鎘的含量。單施紫云英雖能夠降低糙米中重金屬鎘含量，效果卻與其他處理相比不明顯，而紫云英與修復(fù)肥料聯(lián)合施用卻能夠顯著降低糙米中重金屬鎘含量，這可能是修復(fù)肥料中包含了磷酸鹽成分，其被吸附后能夠增加土壤的表面負(fù)電荷，使重金屬離子不斷以靜電吸附的方式吸附在土壤顆粒周圍，并通過(guò)改變重金屬在土壤-植物系統(tǒng)中的形態(tài)來(lái)降低重金屬的有效性，進(jìn)而降低糙米中鎘含量[31]。紫云英等有機(jī)物料施用對(duì)鎘在水稻植株體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響存在較大差異，這可能是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程受土壤pH 值、Eh、養(yǎng)分供應(yīng)狀況以及水稻品種等多種因素的共同影響[32]，因此紫云英施用促進(jìn)鎘由葉向稻米轉(zhuǎn)運(yùn)的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

3.2 不同處理對(duì)土壤pH、有效態(tài)鎘及鎘形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

土壤pH 值對(duì)重金屬形態(tài)有顯著影響，提高土壤pH 能夠降低土壤重金屬的有效性和遷移能力，其原因是pH影響著土壤重金屬的溶解-沉淀平衡。Zhang等[33]通過(guò)開展長(zhǎng)期的水稻-綠肥輪作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，種植并翻壓紫云英、油菜、黑麥草等綠肥相比于對(duì)照處理會(huì)使土壤中pH值從5.98上升至6.24～6.28。Mohamed等[34]研究發(fā)現(xiàn)施加綠肥后土壤pH 從6.04 增加到6.91，使得可交換態(tài)鎘從1.00 mg·kg-1降低至0.03～0.39 mg·kg-1。本研究中，在單施紫云英及與修復(fù)肥料聯(lián)合施用下，使土壤pH 增加了0.10～0.23 個(gè)單位，而Wang 等[35]研究發(fā)現(xiàn)施加綠肥后水稻根區(qū)土壤pH 高于非根區(qū)土壤，但水稻各部位重金屬鎘含量增加。土壤中有效態(tài)鎘含量是影響植物根系吸收鎘的重要因素。相關(guān)研究表明，通過(guò)肥料調(diào)控可改變土壤鎘的生物有效性，進(jìn)而影響植物對(duì)土壤鎘的吸收[36]。修復(fù)肥料中含有的磷酸根溶解后可與重金屬生成沉淀，使土壤中重金屬活性降低并向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。Qiu等[37]在植物亞細(xì)胞水平上研究磷與鎘的交互作用，發(fā)現(xiàn)在鎘污染土壤中外源添加磷會(huì)使鎘離子與磷酸鹽在菜心細(xì)胞壁上形成磷-鎘化合物，進(jìn)而對(duì)鎘起到固定作用。Wang 等[38]的研究顯示，磷酸二氫鈣使鎘的有效濃度降低98%。本研究中，單施修復(fù)肥料和修復(fù)肥料與紫云英聯(lián)合施用分別使土壤有效態(tài)鎘含量降低了31.07%和32.25%。添加紫云英等會(huì)改變土壤的理化性狀，并最終導(dǎo)致土壤重金屬生物有效性的變化[39]。Yin 等[40]的研究認(rèn)為有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)土壤對(duì)鎘的吸附，從而降低鎘的有效性。綠肥的施加提高了土壤中有機(jī)質(zhì)含量，由于土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附改變了土壤中重金屬的結(jié)合位點(diǎn)和黏土礦物表面的電荷，從而提高了土壤顆粒對(duì)重金屬鎘離子的吸附能力。大量研究表明，土壤有效態(tài)鎘含量與其總量呈顯著或極顯著正相關(guān)，與pH 呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)[41-43]。本試驗(yàn)中，土壤pH 與有效態(tài)鎘含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與前人研究結(jié)果一致。重金屬在土壤中經(jīng)過(guò)絡(luò)合、吸附、溶解、沉淀等化學(xué)反應(yīng)可形成各種具有不同生物有效性的賦存形態(tài)[44]。重金屬鎘極易被植物吸收利用，其在土壤中的賦存形態(tài)直接影響鎘的生物有效性，因此分析土壤中鎘不同形態(tài)具有重要意義。土壤中的可交換態(tài)鎘易被植物直接吸收，可還原態(tài)鎘和可氧化態(tài)鎘在一定條件下能轉(zhuǎn)變?yōu)榭山粨Q態(tài)鎘，能夠間接被植物吸收。Zhang 等[45]研究表明，施用紫云英可以促進(jìn)土壤中鎘的酸可提取態(tài)和可還

原態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，增加土壤中鎘的穩(wěn)定性，從而削弱土壤中鎘向植物中的轉(zhuǎn)化能力。Mohamed 等[34]發(fā)現(xiàn)施加綠肥顯著降低了土壤中可溶態(tài)/交換態(tài)鎘的含量，增加了土壤中有機(jī)結(jié)合態(tài)和無(wú)機(jī)沉淀態(tài)鎘的含量。本研究中，單施修復(fù)肥料和紫云英與修復(fù)肥料聯(lián)合施用均能使根際土壤中弱酸提取態(tài)鎘和可還原態(tài)鎘含量占比降低，提高根際土壤中的可氧化態(tài)鎘比例，對(duì)根際土壤中殘?jiān)鼞B(tài)鎘比例提高較為顯著。

3.3 不同處理對(duì)根際土壤酶活性的影響

土壤酶由土壤動(dòng)物、微生物和植物根系共同作用產(chǎn)生，是土壤生化反應(yīng)的催化劑，能夠直接或間接參與重金屬的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，其活性受環(huán)境因子等多種因素影響。相關(guān)研究表明，土壤酶活性可敏感地反映土壤理化性質(zhì)及重金屬污染程度[46]。本研究中，土壤有效態(tài)鎘與土壤酶活性之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤中重金屬鎘對(duì)土壤酶活性具有負(fù)面效應(yīng)，與前人研究結(jié)果一致。Stark 等[47]發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)初期，綠肥的添加顯著提高了土壤微生物生物量和活性，改變了土壤微生物群落。本研究發(fā)現(xiàn)，紫云英和修復(fù)肥料能夠顯著提高土壤中酶活性，這可能是由于該措施補(bǔ)充了土壤中有機(jī)碳源，改善了土壤化學(xué)性質(zhì)，提升了土壤養(yǎng)分含量和酶活性，利于土壤微生物活性的增加，活化土壤養(yǎng)分。土壤酶活性值的大小綜合反映了土壤理化性質(zhì)和重金屬濃度的高低，特別是脲酶的活性對(duì)于反映土壤重金屬污染具有重要的監(jiān)測(cè)價(jià)值，也可以作為土壤中重金屬污染的指標(biāo)[48]。本研究中，單施修復(fù)肥料和紫云英及兩者聯(lián)合施用對(duì)土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶和過(guò)氧化氫酶均有不同程度的提升作用。這可能是由于一方面施加修復(fù)肥料和紫云英顯著降低了土壤中有效態(tài)鎘含量，從而降低了重金屬對(duì)土壤微生物的脅迫；另一方面，修復(fù)肥料和紫云英能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)，使土壤微生物生長(zhǎng)環(huán)境得到改善，進(jìn)而提高土壤酶活性。土壤酶的活性與土壤肥力狀況有顯著的相關(guān)性，所以土壤酶活性可以較好地反映土壤的肥力狀況，用來(lái)指導(dǎo)集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

（1）修復(fù)肥料和紫云英單施及聯(lián)合施用均能夠使水稻產(chǎn)量較空白增產(chǎn)，聯(lián)合施用的增產(chǎn)效果最好，增產(chǎn)達(dá)到了9.01%。

（2）修復(fù)肥料和紫云英聯(lián)合施用對(duì)降低糙米中鎘含量的效果最好，達(dá)到了28.64%，且在《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）規(guī)定的限量值以下，二者單獨(dú)施用也能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)以下。

（3）修復(fù)肥料和紫云英單施及聯(lián)合施用能夠在提高土壤pH 值的同時(shí)降低土壤中有效態(tài)鎘的含量，提高土壤中殘?jiān)鼞B(tài)鎘的含量，也能提高土壤中蔗糖酶、脲酶、蛋白酶和過(guò)氧化氫酶的活性。

（4）投入產(chǎn)出比較高的處理是紫云英單施（1.76）、修復(fù)肥料單施（1.73）和二者聯(lián)合施用（1.72）。