?生物質(zhì)電廠灰與硅肥組配對水稻Cd吸收的影響

摘 要：以生物質(zhì)電廠灰和硅肥為供試肥料，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上研究了單施生物質(zhì)電廠灰（BFA）、單施硅肥（Si）、生物質(zhì)電廠灰與硅肥組配施用（A–Si）對水稻各部位鎘（Cd）含量以及各部位對重金屬Cd的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。結(jié)果表明：與空白對照（常規(guī)施肥，不施生物質(zhì)電廠灰和硅肥）相比，A–Si處理的稻米Cd含量下降了59.5%；同時，A–Si處理下稻米和葉片對Cd的富集系數(shù)最低，根對Cd的富集系數(shù)最高；而且，該組配處理能有效降低Cd從莖稈向稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而有效減少Cd在稻米中的累積；而單獨(dú)施用生物質(zhì)電廠灰不利于稻米Cd的降低和稻草Cd的富集，對Cd的阻控效果不佳。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)電廠灰；硅；鎘污染；水稻

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 1006-060X（2023）03-0046-04

Abstract：In this paper， biofuel ash discharged by the power plant and silicon fertilizer were used as test materials to compare effects of three treatments （BFA： biofuel ash; Si： silicon fertilizer; A-Si： biofuel ash + silicon fertilizer） on cadmium （Cd） content， and bioaccumulation coefficient and transfer coefficient of Cd in various parts of rice. The results showed that compared with CK （rountine fertilization without biofuel ash and silicon fertilizer），" in A-Si treatment， rice Cd content reduced by 59.5%; the bioaccumulation coefficients of Cd in rice grains and leaves were the lowest， while the bioaccumulation coefficient of Cd in roots was the highest; at the same time， A-Si treatment effectively reduced the transfer of Cd from rice straw to rice grain， thus effectively reducing the accumulation of Cd in rice grain. Conversely， applying biofuel ash alone was not conducive to Cd reduction in rice grain and Cd enrichment in rice straw， which was not ideal in blocking Cd.

Key words：biofuel ash; silicon; Cd pollution; rice

近年來，由于污水灌溉、大氣沉降以及化肥農(nóng)藥的大量使用，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重[1]。根據(jù)2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤總的超標(biāo)率為16.1%，其中鎘（Cd）的超標(biāo)率為7.0%，問題尤為突出[2]。Cd是一種毒性極強(qiáng)的重金屬，不但對土壤環(huán)境本身和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量造成威脅，還會通過食物鏈進(jìn)入人體累積，危害人類健康[3]。水稻（Oryza sativa L.）是我國最主要的糧食作物，在保障糧食安全中起到重要作用[4]。因此，如何減少作物對Cd的吸收，特別是如何減少Cd在水稻中的積累意義重大。

草木灰是指草本或木本植物燃燒后的殘余物，富含礦質(zhì)元素，主要成分是碳酸鉀[5]，因其來源廣泛、成本低廉、養(yǎng)分齊全，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛。生物質(zhì)電廠灰（Biofuel Ash，BFA）是生物質(zhì)電廠通過燃燒生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)生的灰，是草木灰中的一種，通過合理技術(shù)加以回收利用就可以變廢為寶。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，草木灰與污泥混合施用可讓土壤中的Cd形態(tài)重新分配，特別是有效態(tài)Cd 含量明顯降低，土壤水溶態(tài)Cd和交換態(tài)Cd 含量較對照分別降低56.60%和68.38%[6]；鋼渣和生物質(zhì)炭配合施用可以中和紅壤酸度，提高土壤pH值，增加土壤交換性鹽基陽離子含量，降低土壤交換性鋁含量[7]；生物質(zhì)電廠灰經(jīng)過改性加工就可制成安全高效的重金屬鈍化劑，在水中對Cd 的吸附量可達(dá)16 mg/g以上[8]；將生物質(zhì)熱電廠焚燒廢棄物與聚天冬氨酸（30%水溶劑）按6 g∶1 mL復(fù)配，可有效解決生物質(zhì)熱電廠焚燒廢棄物制作復(fù)合肥過程中出現(xiàn)的元素循環(huán)中斷、草木灰環(huán)境污染、運(yùn)輸過程中復(fù)合肥易碎、純草木灰肥效低等問題[9]。

硅（Si）肥屬于微量元素肥料，既可為作物提供養(yǎng)分，又可用作土壤調(diào)理劑，改良土壤；此外，還兼有防病、防蟲和減毒的作用。近年來，硅肥以其無毒、無味、不變質(zhì)、不流失、無公害等突出優(yōu)點(diǎn)逐漸成為發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的高效優(yōu)質(zhì)肥料。

該試驗(yàn)以生物質(zhì)電廠灰和硅肥為供試肥料，研究了不同肥料對水稻Cd吸收的阻控效果，以期為生物質(zhì)電廠灰的回收利用和水稻Cd污染治理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及供試材料

試驗(yàn)在湖南省寧鄉(xiāng)市回龍鋪鎮(zhèn)水稻田進(jìn)行，供試土壤為第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅黃泥，土壤基本理化性質(zhì)如下：pH值5.64，有機(jī)質(zhì)35.2 g/kg，全氮1.94 g/kg，全磷0.70 g/kg，全鉀20.7 g/kg，堿解氮204 mg/kg，有效磷18.0 mg/kg，速效鉀134 mg/kg，總Cd 0.48 mg/kg。

試驗(yàn)所用生物質(zhì)電廠灰來自河北某發(fā)電廠（pH值7.92，K2O≥15.3 g/kg），硅肥來自湖南長沙某公司（pH值8.3，含硅量≥30%）。供試水稻品種為濟(jì)優(yōu)1127。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)共設(shè)4個處理，分別為：CK，空白對照，不施生物質(zhì)電廠灰和硅肥； BFA，施生物質(zhì)電廠灰1 500 kg/hm2；Si，施硅肥1 500 kg/hm2；A–Si，生物質(zhì)電廠灰和硅肥按1∶1比例混合施用，施用量為750+750 kg/hm2。各處理均在當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥基礎(chǔ)上應(yīng)用。每個處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為0.2 hm2，水稻種植規(guī)格為15 cm×20 cm。

1.2.2 樣品采集與檢測 水稻移栽30和60 d后，根據(jù)“S”形五點(diǎn)取樣法在各小區(qū)選取5株有代表性的水稻植株進(jìn)行取樣，樣品按根、莖、葉、谷部位分離，置于烘箱中先在105℃下殺青，然后60℃烘干至恒重，稱量后將樣品粉碎過篩。粉碎樣品用微波消解儀消解，然后用ICP–MS測定溶液中Cd含量。

1.2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算 Cd在水稻各器官中的生物富集系數(shù)（BCF，各部位Cd含量與土壤Cd含量的比值）和Cd在水稻不同器官間的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF，水稻不同器官間Cd含量的比值）可以用來評價Cd在水稻植株中的有效性和轉(zhuǎn)運(yùn)積累效率[10]，通過公式（1）和（2）計(jì)算。

BCF= C組織/C土" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

其中，C組織為水稻根、莖、葉、稻米中的Cd含量；C土為水稻土土壤Cd含量。

TF = C器官1/C器官2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

其中，C器官 為水稻不同器官中的Cd含量。研究中計(jì)算了TF地上部/根、TF莖/根、TF葉/莖和TF稻米/莖。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（Duncan，LSD與Pearson法，P＜0.05）對不同處理下各參數(shù)含量差異顯著性與相關(guān)性進(jìn)行分析，采用Origin 9.1軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料對水稻各器官Cd吸收效應(yīng)的影響

由圖1可知，相對于CK，其他處理的稻米Cd含量均有下降，降幅為21.2%～59.5%，以A–Si處理降鎘效果最好，Cd含量為0.183±0.008 mg/kg，滿足稻米安全使用標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017）；施用生物質(zhì)電廠灰和硅肥處理的莖Cd含量均高于CK，以A–Si處理累積的莖Cd含量最高，為2.75±0.053 mg/kg；A–Si處理的葉Cd含量最低，為0.511±0.031 mg/kg；根系Cd含量以A–Si處理最高，為7.98±0.13 mg/kg，Si處理次之，為7.08±0.18 mg/kg。上述結(jié)果表明，生物質(zhì)電廠灰與硅肥組配處理可以顯著降低稻米和葉片中的Cd含量，顯著增加Cd在莖和根部的富集，從而有效降低土壤中重金屬Cd的濃度，但又不影響稻米的安全食用。

2.2 Cd在水稻不同器官中的分布比例

對Cd在水稻各器官的占比分析發(fā)現(xiàn)（圖2），各處理均以根系Cd占比最高，達(dá)到64.4%～69.8%；莖、葉次之；最低的是稻米Cd含量，僅占1.6%～4.6%。A–Si處理的根部Cd累積量最大，稻米Cd累積量最小。后續(xù)可以通過優(yōu)化該組配模式，調(diào)節(jié)生物質(zhì)電廠灰與硅肥的分配比例，促進(jìn)調(diào)理劑中的鈍化成分與重金屬Cd絡(luò)合、沉淀等，從而實(shí)現(xiàn)降低土壤有效態(tài)Cd濃度、抑制稻米積累重金屬的目的[11]。

2.3 不同肥料對水稻各器官富集和轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的影響

生物富集系數(shù)（BCF）能夠反映水稻各部位富集Cd的情況，系數(shù)越大說明富集Cd的能力越強(qiáng)[12]。由表1可知，各處理中以A–Si處理的稻米Cd和葉片Cd富集系數(shù)最低，根Cd富集系數(shù)最高；而BFA

處理的稻米Cd和葉片Cd富集系數(shù)較高，根Cd的富集系數(shù)最低，莖部Cd的富集系數(shù)與其他處理差異不顯著。這說明單獨(dú)施用生物質(zhì)電廠灰不利于稻米Cd的降低和稻草Cd的富集。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）可以反映出Cd在植株不同部位的富集趨勢，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越大，說明該器官對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)[13]。由此在治理時可以重點(diǎn)作用于此轉(zhuǎn)運(yùn)途徑，切斷Cd轉(zhuǎn)運(yùn)路徑。由表2可知，Cd從水稻根向地上部分的轉(zhuǎn)移能力以A–Si處理最低，A–Si處理下Cd從莖到葉、從莖到稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)能力也最低，說明該處理能有效降低Cd在水稻中由稻草向稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而有效降低Cd在稻米中的累積；BFA和Si處理中Cd從根到地上部分、從根到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，其中，Si處理對Cd從莖到葉、從莖到稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)阻控效果優(yōu)于BFA處理。

3 討論與結(jié)論

試驗(yàn)中，生物質(zhì)電廠灰和硅肥的施用降低了稻米Cd含量，主要原因是由于材料本身呈堿性，可以中和土壤酸性[14–15]，從而降低土壤中Cd的有效性；同時，生物質(zhì)電廠灰具有疏松多孔的物理特性，其中帶弱負(fù)電荷的羧基和羥基等化學(xué)官能團(tuán)對Cd2+有物理化學(xué)吸附作用，硅肥也可以吸附土壤溶液中的Cd，從而降低Cd的移動性；相似結(jié)論在Wang等[16]和Zhang等[17]的研究中也有報道。因此，將生物質(zhì)電廠灰和硅肥組配使用對降低土壤Cd的有效性具有協(xié)同增強(qiáng)效果。朱雅蘭等[18]的研究表明，使用生物質(zhì)電廠灰能增加土壤脲酶和過氧化氫酶的活性；胡瑞芝等[19]研究表明，Si可以與水稻中丙二醛結(jié)合形成絡(luò)合物，從而降低丙二醛含量，增強(qiáng)超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶的活性。二者組配使用能較大程度緩解重金屬對水稻的毒害作用。

生物質(zhì)電廠灰富含豐富的鉀素，能促進(jìn)水稻生長，提高水稻的生物量，促進(jìn)Cd從根往地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)[20]，而水稻吸收Si后會促進(jìn)根部質(zhì)外體和共質(zhì)體中的單硅酸濃度增加，進(jìn)而在細(xì)胞內(nèi)外形成不溶性Cd–硅酸鹽，增加Cd在根部的累積，減少Cd向稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)[21]。彭鷗等[22]和彭華等[15]也發(fā)現(xiàn)，施Si肥能顯著降低水稻各部位的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，有效阻控水稻根部對Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，降低稻米Cd含量；同時，施Si肥還能顯著增加莖稈、葉片和稻殼的Si含量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，各處理對Cd在水稻不同器官間的轉(zhuǎn)運(yùn)阻控效果整體表現(xiàn)為A–Si處理最好，Si次之，BFA表現(xiàn)最差。

綜上所述，不同處理以生物質(zhì)電廠灰與硅肥組配處理效果最好，稻米Cd含量為0.183 mg/kg，達(dá)到安全食用標(biāo)準(zhǔn)；同時，該處理增加了Cd在根部和莖部的富集。單獨(dú)施用生物質(zhì)電廠灰不利于稻米Cd的降低和稻草Cd的富集，對Cd的阻控效果不佳。

參考文獻(xiàn)：

[1] BABU T，NAGABOVANALLI P. Effect of silicon amendment on soil-cadmium availability and uptake in rice grown in different moisture regimes[J]. Journal of Plant Nutrition，2017，40（17）：2440-2457.

[2] 環(huán)境保護(hù)部，國土資源部. 全國土壤污染狀況調(diào)查公報[R]. 北京：中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部和國土資源部，2014.

[3] QIN G W，NIU Z D，YU J D，et al. Soil heavy metal pollution and food safety in China：effects，sources and removing technology[J]. Chemosphere，2021，267：129205.

[4] 李義純，王艷紅，唐明燈，等. 改良劑對根際土壤-水稻系統(tǒng)中鎘運(yùn)移的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2019，40（7）：3331-3338.

[5] BOGUSH A A，STEGEMANN J A，WILLIAMS R，et al. Element speciation in UK biomass power plant residues based on composition，mineralogy，microstructure and leaching[J]. Fuel，2018，211：712-725.

[6] 朱雅蘭，李 明，黃巧云. 草木灰污泥聯(lián)合施用對Cd污染土壤中Cd形態(tài)變化的影響[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，29（4）：447-451.

[7] 盧再亮，李九玉，徐仁扣. 鋼渣與生物質(zhì)炭配合施用對紅壤酸度的改良效果[J]. 土壤，2013，45（4）：722-726.

[8] 宋 樂，韓占濤，張 威，等. 改性生物質(zhì)電廠灰鈍化修復(fù)南方鎘污染土壤及其長效性研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2019，39（1）：226-234.

[9] 梁星星，張永旺，王 斌，等. 生物質(zhì)電廠廢棄物草木灰成分分析及成形[J]. 化工進(jìn)展，2020，39（6）：2487-2494.

[10] ZHANG P B，WEI X，ZHANG Y Z，et al. Silicon-calcium synergetic alleviation of cadmium toxicity in the paddy soil-rice system：from plot experiment to field demonstration[J]. Water，Air，amp; Soil Pollution，2022，233（9）：357.

[11] 劉登彪，劉建華，苗雪雪，等. 不同土壤調(diào)理劑對土壤和稻米降鎘效果的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021（6）：26-29.

[12] 何 雪，劉 克，陸引罡. 基于農(nóng)作物富集系數(shù)的土壤重金屬安全閾值研究及環(huán)境風(fēng)險評價[J]. 西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，44（8）：146-157.

[13] 吳玉俊，周 航，朱 維，等. 碳酸鈣和海泡石組配對水稻中Pb和Cd遷移轉(zhuǎn)運(yùn)的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2015，9（8）：4047-4054.

[14] 李洪達(dá)，李 艷，周 薇，等. 稻殼生物炭對礦區(qū)重金屬復(fù)合污染土壤中Cd、Zn形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2018，37（9）：1856-1865.

[15] 彭 華，田發(fā)祥，魏 維，等. 不同生育期施用硅肥對水稻吸收積累鎘硅的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2017，36（6）：1027-1033.

[16] WANG H Y，WEN S L，CHEN P，et al. Mitigation of cadmium and arsenic in rice grain by applying different silicon fertilizers in contaminated fields[J]. Environmental Science and Pollution Research，2016，23（4）：3781-3788.

[17] ZHANG P B，ZHAO D D，LIU Y Q，et al.Cadmium phyto-extraction from contaminated paddy soil as influenced by EDTA and Si fertilizer[J]. Environmental Science and Pollution Research，2019，26（23）：23638-23644.

[18] 朱雅蘭，李新穎. 啤酒污泥和草木灰對鎘形態(tài)和土壤酶的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，49（5）：1053-1056.

[19] 胡瑞芝，方水嬌，陳桂秋. 硅對雜交水稻生理指標(biāo)及產(chǎn)量的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，27（5）：335-338.

[20] 祝延立，郗登寶，潘曉峰，等. 草木灰與化肥配施對玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（9）：42-43，152.

[21] 魏 曉，張鵬博，趙丹丹，等. 水稻土施硅對土壤-水稻系統(tǒng)中鎘的降低效果[J]. 生態(tài)學(xué)報，2018，38（5）：1600-1606.

[22] 彭 鷗，劉玉玲，鐵柏清，等. 施硅對鎘脅迫下水稻鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2019，38（4）：1049-1056.

（責(zé)任編輯：肖彥資）