礦物源調(diào)理劑對(duì)南方酸性鎘污染水稻農(nóng)田的修復(fù)作用

林小兵 ，郭乃嘉 ，雷禮文 ，陳國鈞 ，胡秋萍 ，萬長(zhǎng)艷 ，周琦娜 ，肖秋云 ，武琳 ，周利軍

（1.江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所, 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心, 江西 南昌 331717； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院, 江西 南昌 330045； 3.江西省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)站, 江西 南昌 330046；4.樟樹市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 江西 樟樹 331200）

0 引言

大氣沉降、灌溉水、畜禽糞便、化肥施用和市政污泥等導(dǎo)致土壤重金屬污染問題日益突出，尤其是農(nóng)田鎘（Cd）污染[1]。據(jù)報(bào)道，我國有19.4%的耕地重金屬超標(biāo)，其中主要重金屬污染元素為Cd[2]。水稻（Oryza sativa）作為我國主要糧食作物之一，同時(shí)也是重金屬Cd 富集作物，很容易通過食物鏈進(jìn)入人體，影響身體健康[3-4]。目前，重金屬Cd 污染土壤修復(fù)主要是改變Cd 在土壤中的形態(tài)，降低其活性和遷移性[5]。土壤鈍化技術(shù)因操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)，適合于大面積Cd 污染的土壤修復(fù)[6-7]。鈍化材料可以通過吸附、絡(luò)合、沉淀、氧化還原及離子交換等來降低土壤中Cd 的有效性，從而降低水稻對(duì)Cd 的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集[8-10]。

常用的土壤調(diào)理劑主要為生石灰，但長(zhǎng)期大量施用生石灰會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)，土壤養(yǎng)分元素失衡，進(jìn)而造成作物減產(chǎn)[11-12]。我國農(nóng)業(yè)廢棄物和天然環(huán)境礦物材料資源豐富，種類繁多，為尋找原位、高效和低價(jià)的土壤環(huán)境修復(fù)技術(shù)提供了有利條件。礦物類材料如牡蠣殼、沸石、石灰石、海泡石等能有效提高土壤pH，改善土壤性質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分，并有效降低土壤重金屬Cd 有效性和水稻中重金屬Cd 含量[13-14]。本文選用的礦物源調(diào)理劑均為分布廣泛、成本低廉的常見材料，如牡蠣殼、石灰石、白云石等，含大量鈣、硅、磷、鎂、錳、鉀、鋅及其他微量元素等，有利于促進(jìn)作物生長(zhǎng)，并在一定程度上能夠提高土壤pH，降低土壤重金屬Cd 活性[6]。本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，篩選出南方地區(qū)廣泛使用的5 種礦物源調(diào)理劑，在江西新余酸性鎘污染農(nóng)田進(jìn)行異地驗(yàn)證試驗(yàn)，研究了礦物源調(diào)理劑對(duì)土壤Cd 有效性及水稻吸收Cd 的影響，為Cd 污染水稻農(nóng)田安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

大田試驗(yàn)位于江西省新余市珠珊鎮(zhèn)內(nèi)（27°46′N，114°58′E）。試驗(yàn)前土壤（0 ～ 20 cm）檢測(cè)結(jié)果表明：有機(jī)質(zhì)含量22.2 g·kg-1，pH 5.16，有效磷11.1 mg·kg-1，速效鉀67.9 mg·kg-1，堿解氮22.1 mg·kg-1，陽離子交換量5.11 cmol·kg-1，土壤全Cd 含量0.45 mg·kg-1，有效態(tài)Cd 含量0.22 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選用土壤調(diào)理劑均在南方地區(qū)廣泛施用且對(duì)糙米降Cd 效果較好，主要成分為生物源鈣（牡蠣殼粉）、鎂、硅等[6]。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6 個(gè)處理：對(duì)照（CK：未添加土壤調(diào)理劑）、維地康（WDK）、寧糧（NL）、天象一號(hào)（TXN.1）、修復(fù)龍（XFL） 和植寶（ZB）土壤調(diào)理劑，5 種土壤調(diào)理劑的代號(hào)、推薦用量及主要成分見表1。每處理重復(fù)3 次，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積25.2 m2（4.2 m × 6 m）。

表1 供試土壤調(diào)理劑性質(zhì)Table 1 Properties of tested conditioners

土壤調(diào)理劑于水稻種植前7 d 結(jié)合整地翻耕一次性撒施，使產(chǎn)品與土壤混合均勻。底肥施48%復(fù)合肥375 kg·hm-2，第一次追肥尿素150 kg·hm-2，第二次追肥48%復(fù)合肥187.5 kg·hm-2和尿素112.5 kg·hm-2。分別于2021 年7 月20 日和8 月15 日用甲蟲片、蚜酮、水胺硫磷、井崗霉素、水胺等打藥2 次。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

水稻品種甬優(yōu)1 538 于2021 年5 月24 日播種，6 月21 日手工移栽，9 月20 日進(jìn)行水稻植株和土壤采樣。用HNO3- H2O2消解-電感耦合等離子體光譜儀（品牌：美國Thermo Scientific，型號(hào)：iCAP-QC）測(cè)定水稻各部位中Cd 含量，檢出限0.002 mg·kg-1。土壤總Cd 含量通過王水提取，有效態(tài)Cd 含量通過DTPA 浸提[15]，提取液均采用電感耦合等離子體光譜儀（品牌：美國Thermo Scientific，型號(hào)：iCAP-RQ）測(cè)定，檢出限0.007 mg·kg-1。

土壤pH、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量、速效鉀、有效磷和堿解氮等理化性質(zhì)的測(cè)定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]。水稻產(chǎn)量：成熟期將試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)所有水稻進(jìn)行收割、烘干和稱重。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)分析通過R 語言（www.r-project 4.1.3）軟件，所有制圖通過R 語言程序包ggplot2。采用Tukey HSD 法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析（P＜ 0.05），圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。生物富集系數(shù)（BCF）用水稻根系、莖稈、葉片、谷殼和糙米中Cd 元素與土壤中Cd 元素比值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

本試驗(yàn)中選用的礦物源調(diào)理劑均能顯著提高土壤pH 值（P＜ 0.05，圖1a）。與CK 相比，各處理土壤pH 值增加了1.17 ～ 1.69 個(gè)單位，其增幅為21.4% ～ 30.8%。TXN.1、XFL 和ZB 礦物源調(diào)理劑較CK 比土壤有機(jī)質(zhì)分別增加了16.5%、16.2%和15.7%；與CK 相比，礦物源調(diào)理劑處理均能使土壤陽離子交換量提高13.1% ～ 41.2%；僅有XFL 調(diào)理劑的土壤速效鉀含量較CK 增加了1.86%；WDK、XFL 和ZB 調(diào)理劑土壤有效磷含量分別增加了0.25%、10.9%和35.6%；WDK、NL、TXN.1 和XFL 調(diào)理劑土壤堿解氮含量分別增加了35.4%、27.3%、30.1%和1.57%。

2.2 土壤調(diào)理劑對(duì)水稻不同部位Cd 含量的影響

施用礦物類材料在一定程度上顯著降低了水稻植株中Cd 含量（P＜ 0.05）。與CK 相比，各處理根系中Cd 含量顯著降低了4.81% ～ 48.0%（P＜ 0.05，圖2a），以TXN.1 處理根系中Cd 含量最低，為1.84 mg·kg-1；各處理莖稈中Cd 含量顯著降低了44.7% ～ 84.9%（P＜ 0.05，圖2b），以TXN.1 處理最低，為0.46 mg·kg-1；各處理葉片中Cd 含量顯著降低了38.5% ～ 76.9% （P＜ 0.05，圖2c），以TXN.1 處理最低，為0.15 mg·kg-1；各處理谷殼中Cd 含量顯著降低了45.8% ～ 79.2%（P＜ 0.05，圖2d），以TXN.1 處理最低，為0.05 mg·kg-1；各處理糙米中Cd 含量顯著降低了43.4% ～ 75.5% （P ＜0.05，圖2f），以TXN.1 處理最低，為0.12 mg·kg-1；其中WDK、TXN.1 和ZB 處理糙米中Cd 含量均低于限量標(biāo)準(zhǔn)[17]（GB 2762-2017 糙米中Cd 含量≤ 0.20 mg·kg-1）。水稻不同部位中Cd 含量表現(xiàn)為：根系＞莖稈＞葉片＞谷殼＞糙米，均值分別為2.65、1.23、0.29、0.23 和0.11 mg·kg-1。

圖2 土壤調(diào)理劑對(duì)水稻不同部位Cd 含量的影響Fig. 2 Effects of soil conditioners on Cd contents in different organs of rice

從表2 可知，施用礦物類材料能有效降低水稻各部位Cd 富集系數(shù)，施用5 種礦物源調(diào)理劑的水稻根系、莖桿、葉片、谷殼和糙米Cd 生物富集系數(shù)范圍分別為7.57 ～ 12.5、2.04 ～ 6.13、0.61 ～ 1.51、0.23 ～0.48 和0.47 ～ 1.01。與CK 相比，各處理水稻根系中Cd 的生物富集系數(shù)降低了17.9% ～ 50.4%，其中TXN.1 顯著低于CK（P＜ 0.05）；各處理莖桿中Cd 的生物富集系數(shù)顯著降低了53.5% ～ 85.3%（P＜ 0.05）；各處理葉片中Cd 的生物富集系數(shù)降低了46.8% ～ 78.5%，除XFL 外，各處理均顯著低于CK（P＜ 0.05）；各處理谷殼中Cd 的生物富集系數(shù)降低了53.9% ～ 77.9%（P＜ 0.05）；各處理糙米中Cd 的生物富集系數(shù)降低了51.2% ～ 77.3%（P＜ 0.05），其中TXN.1 處理糙米中Cd 的生物富集系數(shù)最低，其次為ZB 和WDK 處理。水稻不同部位中Cd 富集系數(shù)表現(xiàn)為：根系＞莖桿＞葉片＞糙米＞谷殼。富集系數(shù)說明施用礦物類材料阻止土壤重金屬Cd 進(jìn)入水稻體內(nèi)，進(jìn)入水稻中的Cd 主要富集在根系、莖桿和葉片部位，減少了其進(jìn)入糙米中。

表2 不同處理下水稻各部分的生物富集系數(shù)（BCF）Table 2 Biological concentration factors (BCF) of rice organs under different treatments

如圖3a 所示，與CK 處理相比，各處理土壤有效態(tài)Cd 含量降低了0.25% ～ 18.8%，以TXN.1 處理平均含量最低，為0.14 mg·kg-1。為進(jìn)一步探討土壤有效態(tài)Cd 對(duì)糙米Cd 的影響，分析了糙米Cd 對(duì)土壤有效態(tài)Cd 的富集系數(shù)，結(jié)果表明除NL 和XFL 處理外，其余各處理糙米Cd 有效富集系數(shù)均顯著低于CK（P＜ 0.05，圖3b），其降幅為56.2% ～ 72.6%。

圖3 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤有效態(tài)鎘含量和糙米鎘有效富集系數(shù)的影響Fig. 3 Effects of soil conditioners on soil available cadmium contents and effective cadmium concentration factors of brown rice

2.3 土壤調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

如圖4 所示，水稻籽粒產(chǎn)量為12 700 ～ 14 966 kg·hm-2，施用礦物源調(diào)理劑后水稻籽粒產(chǎn)量均有不同程度的提高，其增幅為0.81% ～ 17.9%。本試驗(yàn)條件下，產(chǎn)量最高是XFL 調(diào)理劑，較CK 增產(chǎn)17.9%，其次是WDK 調(diào)理劑，較對(duì)照增產(chǎn)4.91%。不同處理對(duì)水稻籽粒產(chǎn)量提升順序?yàn)閄FL＞W(wǎng)DK＞ZB＞TXN.1＞NL＞CK。

圖4 土壤調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響Fig. 4 Effects of soil conditioners on rice yields

2.4 相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探討土壤有效態(tài)Cd、土壤化學(xué)性質(zhì)與水稻各部位中Cd 含量的關(guān)系，分別進(jìn)行相關(guān)性分析（圖5），結(jié)果表明，土壤有效態(tài)Cd 含量與水稻根系中Cd 含量（R=0.73，P＜ 0.01）、莖稈中Cd 含量（R=0.80，P＜ 0.01）、葉片中Cd 含量（R=0.79，P＜ 0.01）、谷殼中Cd 含量 （R=0.79，P＜ 0.01）和糙米中Cd 含量（R=0.80，P＜ 0.01）均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。而土壤pH 與水稻根系中Cd 含量（R=-0.60，P＜ 0.01）、莖稈中Cd 含量（R=-0.80，P＜ 0.01）、葉片中Cd 含量（R=-0.83，P＜ 0.01）、谷殼中Cd含量（R=-0.68，P＜ 0.01）和糙米中Cd 含量（R=-0.85，P＜ 0.01）均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。而土壤有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量、速效鉀、有效磷和堿解氮與水稻各部位中Cd 含量無顯著相關(guān)性（圖5）。

圖5 土壤有效態(tài)Cd、化學(xué)性質(zhì)與水稻各部位中Cd 含量相關(guān)性分析Fig. 5 Correlation analysis of soil available Cd, chemical properties and Cd contents in different organs of rice

3 討論

本試驗(yàn)表明施用礦物源材料后，通過提高土壤pH、陽離子交換量和土壤養(yǎng)分等，從而降低了土壤有效態(tài)Cd 和水稻植株中Cd 含量。李心等[18]研究表明：施用土壤調(diào)理劑可有效降低稻米中Cd 含量；范貝貝等[19]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：表施用礦物調(diào)理劑能顯著提高土壤pH 和降低交換性Al3+，抑制菠菜對(duì)Cd 的累積，與本研究結(jié)果類似。也有研究表明礦物類調(diào)理劑可促進(jìn)土壤中高活性Cd 向低活性轉(zhuǎn)化，能有效降低土壤Cd有效性，從而減少重金屬Cd 向農(nóng)作物地上部轉(zhuǎn)移[20-22]。試驗(yàn)中5 種礦物源調(diào)理劑主要組分為CaO、SiO2、MgO 等，這些材料均呈堿性，通過增加Ca、Si、Mg 調(diào)節(jié)土壤酸堿度，有效抑制了土壤中重金屬Cd 的活性和遷移性。礦物源材料含有豐富的Ca、Mg、K、Si、Fe 等礦物質(zhì)養(yǎng)分，有利于降低植株對(duì)Cd 的吸收與利用。本研究中施用的礦物源材料包含石灰石、白云石等，會(huì)向稻田中帶入大量的鈣，Ca 與Cd 在進(jìn)入作物根表細(xì)胞時(shí)存在競(jìng)爭(zhēng)作用，從而抑制農(nóng)作物對(duì)重金屬Cd 的吸收和富集[23]；牡蠣殼粉還具有較大的比表面積（孔徑為2 ～ 10 μm），吸附能力強(qiáng)，牡蠣殼粉可以吸附土壤中大量的重金屬Cd[24]。

相關(guān)性分析表明，水稻中Cd 含量與土壤有效Cd 呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與土壤pH 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明pH 可以通過鈍化土壤Cd 活性顯著抑制水稻對(duì)Cd 的吸收[25-27]。水稻各部位吸收累積Cd 能力為根系＞莖稈＞葉片＞糙米，根系是水稻各部位中最容易積累Cd 的部位[28]，本試驗(yàn)中施用礦物類材料能有效降低水稻各部位Cd 富集系數(shù)，各處理水稻根系中Cd 的富集系數(shù)較CK 降低了17.9% ～ 50.4%，說明礦物類材料抑制了土壤中Cd 的吸收和富集?？傮w上，本試驗(yàn)糙米Cd 含量降低主要通過提高土壤pH，降低土壤中Cd 的有效性，抑制了重金屬Cd 向莖葉的遷移、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配。施用礦物源調(diào)理劑后水稻籽粒產(chǎn)量均有不同程度的提高，其增幅為0.81% ～ 17.9%，主要原因是調(diào)理劑含有豐富的堿性物質(zhì)，可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度，降低或減少重金屬Cd 危害；其次含有豐富的Ca、Mg、K、Si、Fe 等營(yíng)養(yǎng)元素，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)和發(fā)育。

礦物源調(diào)理劑對(duì)Cd 污染農(nóng)田的鈍化效果，特別是對(duì)土壤環(huán)境的影響，還需建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，如建立調(diào)理劑老化試驗(yàn)[29]，施用一次土壤調(diào)理劑能降低幾季作物中Cd 含量。針對(duì)不同地區(qū)、污染程度、土壤類型等建立起礦物源調(diào)理劑與農(nóng)藝措施組合[30]，特別是水分調(diào)控[31]和葉面阻控技術(shù)[32-33]，降低礦物源調(diào)理劑的施用量和修復(fù)成本，充分利用天然環(huán)境礦物材料和農(nóng)業(yè)廢棄物等開發(fā)施用效果好、價(jià)格低廉的產(chǎn)品，進(jìn)一步室內(nèi)室外試驗(yàn)需要探討礦物源調(diào)理劑對(duì)污染土壤和水稻降Cd 機(jī)制。

4 結(jié)論

5 種礦物源調(diào)理劑對(duì)重金屬Cd 在酸性土壤-水稻體系的轉(zhuǎn)運(yùn)和富集具有較好的抑制作用，能夠較好地保障水稻安全生產(chǎn)。其主要功能是通過提升土壤pH，抑制土壤Cd 活性，減少重金屬Cd 向莖葉的遷移、轉(zhuǎn)運(yùn)與再分配。此外，含有豐富的鈣鎂硅等離子在水稻植株體內(nèi)產(chǎn)生拮抗或沉淀作用，也能抑制水稻莖稈中重金屬Cd 向糙米的遷移和再分配。