增施有機(jī)肥對水稻生長及硒、鎘富集的影響

馮時欽 韋鴻雁 黃業(yè)葵 張真建

摘 要 隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，土壤鎘污染現(xiàn)象時有發(fā)生。土壤中的鎘移動性強(qiáng)、毒性高，易被植物吸收，危害人體健康。為了研究施用有機(jī)肥對水稻籽粒產(chǎn)量及硒、鎘含量的影響，在晚造水稻按0、3 000、4 500、6 000、7 500 kg·hm-2的梯度用量開展有機(jī)肥肥效試驗。結(jié)果表明：增施有機(jī)肥能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，緩解土壤酸化；明顯提高水稻單穗實粒數(shù)和水稻籽粒產(chǎn)量；增強(qiáng)水稻籽粒對土壤硒的富集能力，降低鎘對水稻籽粒的污染。

關(guān)鍵詞 有機(jī)肥；水稻；籽粒；硒；鎘

中圖分類號：S511；S963.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.09.009

土壤重金屬污染已成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上不可忽視的環(huán)境問題，由于重金屬污染具有隱秘性、潛伏性和長期性等特征，因而，受到越來越多的關(guān)注，在南方酸性土壤上種植的水稻，鎘污染最為嚴(yán)重[1]。水稻是我國第一大糧食作物，也是對鎘吸收最強(qiáng)的大宗谷類作物[2]，近年來頻頻曝光的“鎘米”表明了水稻的安全問題也越來越突出，稻米產(chǎn)量高低和品質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)系到國家糧食安全和人民健康。因此，降低稻米中鎘含量是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上急需解決的問題之一。研究證明硒能夠與多種重金屬元素產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，降低作物對多種重金屬的吸收和拮抗其引起的毒性[3-4]，同時，硒還是一種天然的解毒劑，它能夠與鎘、汞、砷等有毒重金屬元素形成金屬硒蛋白復(fù)合體，從而達(dá)到抵消毒性的效果[5]。外源有機(jī)物可用作重金屬污染土壤的鈍化修復(fù)材料[6]，有機(jī)質(zhì)的腐解過程會產(chǎn)生大量腐植酸。目前，已有大量的研究表明，腐植酸可以與土壤中包含鎘離子在內(nèi)的重金屬離子形成金屬絡(luò)合物[7-8]，從而改變土壤中重金屬的形態(tài)，降低土壤中可溶性鎘的含量。為此，本研究擬通過探討增施有機(jī)肥對水稻籽粒產(chǎn)量及硒、鎘含量的影響，從而為降低水稻鎘污染提供理論基礎(chǔ)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗地點(diǎn)與材料

1.1.1 ?試驗地點(diǎn)

位于欽州市浦北縣福旺鎮(zhèn)北蘭村，供試土壤為水稻土，質(zhì)地為壤土，中等肥力，排灌方便。試驗前取耕層土壤進(jìn)行理化性質(zhì)分析，pH值4.8，有機(jī)質(zhì)52.4 g·kg-1，全氮2.69 g·kg-1，有效鉀62.5 mg·kg-1，有效磷42.7 mg·kg-1，全硒0.39 mg·kg-1，鎘0.29 mg·kg-1。

1.1.2 ?試驗材料

1）水稻。品種為晶兩優(yōu)8612。2）參試肥料。“標(biāo)優(yōu)美”有機(jī)肥，N、P、K含量分別為1.45%、1.34%、3.75%，硒含量為0.006 mg·kg-1，鎘含量為0.7 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為49.98%，腐植酸含量為15.47%，水分含量28.38%；尿素（N含量為46%）；過磷酸鈣（P2O5含量為14%）；氯化鉀（K2O含量為60%）。

1.2 ?試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個處理，3次重復(fù)，處理小區(qū)面積為33.3 m2，隨機(jī)排列。

處理1（CK）：常規(guī)施肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=12∶4∶8，T1]；處理2：常規(guī)施肥+3 000 kg·hm-2有機(jī)肥（T2）；處理3：常規(guī)施肥+4 500kg·hm-2有機(jī)肥（T3）；處理4：常規(guī)施肥+6 000 kg·hm-2有機(jī)肥（T4）；處理5：常規(guī)施肥+7 500 kg·hm-2有機(jī)肥（T5）。

全部有機(jī)肥和磷肥、40%氮肥、50%鉀肥作基肥，于移栽前2 d施下。40%氮肥、40%鉀肥作追肥，于水稻回青時撒施。20%氮肥、10%鉀肥作追肥，于水稻幼穗分化期時撒施。其他措施按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)田間管理進(jìn)行。

1.3 ?樣品采集與測試指標(biāo)

1.3.1 ?樣品采集

在收獲時，分別取各處理植株（稻稈、稻谷）和耕層土壤樣。采集后的植株樣品及時曬干、除雜，裝入自封袋。采集后的土壤樣品在室內(nèi)陰涼處自然風(fēng)干、粉碎、除雜，裝入自封袋。將處理好樣品送至第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測。

1.3.2 ?測試指標(biāo)與方法

植物硒含量用GB 5009.93—2017第一法檢測，鎘含量用GB 5009.15—2014檢測。土壤硒含量用GB/T 1104—2006檢測、鎘含量用GB/T 17141—1997檢測。土壤pH值，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量參照2006年4月《測土配方施肥管理與技術(shù)培訓(xùn)教材》檢測。

1.4 ?數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，采用Excel 2007和SPSS進(jìn)行方差分析、LSD多重比較和繪制圖表。

富集系數(shù)是指某種元素或污染物在生物體內(nèi)的濃度與其生長環(huán)境中該物質(zhì)或元素的濃度之比[9]，能夠很好地表征作物從土壤中富集某種物質(zhì)的能力。本次試驗中富集系數(shù)的計算見公式（1）。

富集系數(shù)=水稻體內(nèi)某元素含量/土壤中某元素含量 ? ? ? （1）

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?增施有機(jī)肥對水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.1.1 ?增施有機(jī)肥對水稻籽粒實粒數(shù)、總粒數(shù)和產(chǎn)量的影響

從表1可知，增施有機(jī)肥T2、T3、T4三個處理的水稻產(chǎn)量分別比T1（CK）增3.4%、11.5%、4.9%，而T5下降0.9%；5個處理下，T1（CK）、T2、T3、T4、T5的結(jié)實率分別67.5%、67.2%、72.4%、67.6%、64.2%，水稻平均每穗總粒數(shù)T3＞T2＞T1（CK）＞T4＞T5，T3、T2總粒數(shù)分別比T1（CK）增1.2%、1.5%，而T4、T5分別下降0.8%、1.8%；水稻平均每穗實粒數(shù)T3＞T2＞T1（CK）＞T4＞T5，T3、T2實粒數(shù)分別比T1（CK）增8.4%、0.9%，而T4、T5分別下降0.7%、6.7%。方差分析結(jié)果顯示（總粒數(shù)p=0.001＜0.05，實粒數(shù)p=0.000＜0.05、產(chǎn)量p=0.000＜0.05），差異顯著；采用LSD法進(jìn)行多重比較，T2、T3水稻總粒數(shù)之間差異不明顯，但顯著高于T1（CK）、T4、T5；T3水稻實粒數(shù)顯著高于其他處理，T2、T1（CK）、T4水稻實粒數(shù)次之，T5實粒數(shù)最低；T3水稻產(chǎn)量顯著高于其他處理產(chǎn)量，T2、T4水稻產(chǎn)量次之，均較T1（CK）、T5增產(chǎn)明顯。

2.1.2 ?增施有機(jī)肥對水稻平均穗長、千粒重和總穗數(shù)的影響

從圖1可以看出，隨有機(jī)肥用量的增加，水稻平均穗長呈先增后降態(tài)勢，T4＞T3＞T2＞T1（CK）＞T5，T4、T3、T2平均穗長分別比T1（CK）提高11.7%、3.0%、1.7%，而T5下降3.0%；T1（CK）水稻籽粒千粒重為22.9g，其他處理水稻籽粒千粒重均為23.1 g；T2、T3、T4、T5處理下，水稻每667 m2總穗數(shù)分別比T1（CK）多1.8%、1.4%、2.5%、2.7%。

2.2 ?增施有機(jī)肥對土壤主要理化性狀的影響

從圖2可以看出，各處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍在4.0%～5.0%，處理T4顯著高于其他處理，T3、T2、T5和T1（CK）之間無顯著變化。土壤pH值有所變化，在5.5～6.5，T3＞T2＞T4＞T5＞T1（CK），T3、T2、T4與T1（CK）差異顯著，說明增施有機(jī)肥能提高酸性土壤的pH值。土壤硒含量（0.1 mg·kg-1）總體變化范圍在0.45～0.49 mg·kg-1之間，處理T2為0.49 mg·kg-1最高，其次處理T4為0.48 mg·kg-1、處理T3和T5為0.47 mg·kg-1，CK最低為0.45 mg·kg-1。土壤鎘含量（0.1 mg·kg-1）變化為T2＞（CK=T3）＞T4＞T5，說明增施有機(jī)肥可以降低土壤鎘含量。

2.3 ?增施有機(jī)肥對水稻籽粒硒和鎘含量的影響

2.3.1 ?水稻籽粒硒含量及其富集系數(shù)

由表2可知，增施有機(jī)肥的各處理，土壤硒含量有所增加，T2、T3、T4、T5分別比T1（CK）增8.9%、4.4%、6.7%、4.4%，T2、T4的土壤硒含量顯著高于T1（CK），T3、T5次之，略高于對照，但未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)意義的顯著差異。各處理之間水稻籽粒的硒含量差異顯著，較T1（CK）增幅在19.4%～122.6%，其含量表現(xiàn)為T4＞T5＞T3＞T2，分別是T1（CK）的2.2、2.1、1.6、1.2倍，并隨施肥量增加出現(xiàn)先增后降的趨勢。其中，以常規(guī)施肥+4 500 kg·hm-2有機(jī)肥處理（T4）最佳。水稻籽粒對土壤硒的富集系數(shù)范圍在6.9%～14.4%，富集系數(shù)表現(xiàn)為T4＞T5＞T3＞T2，分別較T1（CK）增加108.7%、97.1%、55.1%、10.1%，說明增施有機(jī)肥能夠提高水稻籽粒對土壤硒的富集能力。

2.3.2 ?水稻籽粒鎘含量及其富集系數(shù)

從表3可知，處理T5、T4土壤鎘含量與T1（CK）之間差異顯著，比T1（CK）分別下降12.1%和6.1%，T2、T3和T1（CK）土壤鎘含量差異不顯著。施用有機(jī)肥的各處理（T2、T3、T4、T5）水稻籽粒的鎘含量與對照之間差異顯著，T3、T4與T2、T5差異顯著，但之間不顯著，并隨著有機(jī)肥施用量增加出現(xiàn)先降后升的趨勢。處理T2、T3、T4、T5水稻籽粒鎘含量分別為T1（CK）的50.1%、34.2%、39.5%和50.0%，降幅在49.2%～65.8%，T3降幅最大。水稻籽粒對土壤鎘的富集系數(shù)范圍在39.5%～115.4%，增施有機(jī)肥的各處理水稻籽粒鎘的富集系數(shù)為：T5＞T2＞T4＞T3，分別比T1（CK）下降43.2%、50.8%、58.1%和65.8%，說明隨著有機(jī)肥施用量增加，水稻籽粒對土壤鎘的富集能力先降后升，存在一定的用量范圍，并非施用有機(jī)肥越多越好。

2.4 ?增施有機(jī)肥處理影響水稻籽粒硒、鎘含量因素的相關(guān)性

增施有機(jī)肥處理對水稻籽粒硒、鎘含量與土壤理化參數(shù)的皮爾森 （pearson）相關(guān)性分析結(jié)果表明：水稻籽粒硒含量與土壤pH值呈弱正相關(guān)關(guān)系（p=0.243），與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)中度正相關(guān)關(guān)系（p=0.652**）。水稻籽粒鎘含量與土壤pH值呈現(xiàn)中度負(fù)相關(guān)關(guān)系（p=-0.785**），與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)中度負(fù)相關(guān)關(guān)系（p=-0.627*）。說明增施有機(jī)肥處理后，利于水稻籽粒對硒的吸收，而不利于水稻籽粒對鎘的吸收。

3 ?討論與小結(jié)

3.1 ?討論

本試驗研究結(jié)果與何松銀等試驗結(jié)果[10]有相似之處：增施有機(jī)肥，水稻籽粒產(chǎn)量先增后減，與單穗實粒數(shù)影響較大，水稻總穗數(shù)、千粒重影響不顯著，以處理3“常規(guī)施肥%+4 500 kg·hm-2有機(jī)肥”效果最好。

目前，針對土壤重金屬污染的治理主要是通過降低土壤中重金屬的活性和消減其總量來實現(xiàn)，前者主要通過向土壤中添加鈍化材料來改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，從而降低其生物利用程度，以達(dá)到降低農(nóng)作物中重金屬含量為目的；后者則主要通過物理手段人工移除污染土壤或在污染土壤上直接覆蓋未被污染的土壤來降低土壤中污染物總量。瞿建國等的研究結(jié)果說明，土壤中硒的存在形態(tài)與土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量是密切相關(guān)的[11]。

本試驗通過增施有機(jī)肥對水稻硒和鎘的效應(yīng)研究，一方面活化富硒土壤中的有機(jī)硒[12]，提高水稻籽粒對土壤硒的吸收。試驗中施用有機(jī)肥，能調(diào)節(jié)劑能活化土壤中的有機(jī)硒，提高土壤中有效硒含量，進(jìn)而促進(jìn)作物對硒的吸收，這與李圣男等[13]、安夢魚等[14]研究一致。在水稻吸收硒的過程中，土壤中的硒形態(tài)和土壤性質(zhì)又是制約其吸收效率的主要因素，表明為土壤硒含量與有機(jī)質(zhì)之間存在一定的正相關(guān)，而與土壤pH值的相關(guān)性卻要弱得多，這與胡艷華等[15]研究相符。另一方面以降低土壤重金屬鎘對水稻籽粒的污染，本試驗增施有機(jī)肥，由于有機(jī)質(zhì)在腐解過程中產(chǎn)生大量高分子芳香性腐殖酸，由于腐植酸帶有多種活性官能團(tuán)，如羧基、酚羥基、羰基等[16-17]有關(guān)，官能團(tuán)吸附土壤中的重金屬，降低重金屬的生物有效性，也可以通過物理吸附作用固定一部分土壤鎘[1]。

試驗研究也表明，增施有機(jī)肥能夠提高水稻籽粒對土壤硒的富集能力，而水稻籽粒對土壤鎘的富集能力下降。有關(guān)研究[18]表明，外源有機(jī)物的加入會對土壤中的重金屬產(chǎn)生2種作用：1）有機(jī)質(zhì)可提高土壤pH值，同時通過表面官能團(tuán)吸附土壤中的重金屬，降低重金屬的生物有效性；2）土壤中有機(jī)物的分解可能產(chǎn)生大量水溶性有機(jī)物，在一定程度上提高重金屬的有效性。究竟何種作用處于主導(dǎo)地位，還需要進(jìn)一步研究證明。而近些年來越來越多的研究也證明了硒能夠與多種重金屬元素產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，降低作物對多種重金屬的吸收和拮抗其引起的毒性，如Cd、Hg、Cu和As等[3-4，19]。例如胡居吾等的研究發(fā)現(xiàn)，作物在土壤高硒背景下重金屬鎘累積速率較低硒緩慢[3]，這些均與本文研究結(jié)果相似。

3.2 ?小結(jié)

綜上，增施有機(jī)肥能明顯提高水稻單穗實粒數(shù)和水稻籽粒產(chǎn)量，提高水稻籽粒對土壤硒的富集能力，降低土壤鎘對水稻籽粒的污染；同時增施有機(jī)肥能改善土壤酸堿性，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，為糧食安全生產(chǎn)和土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）