不同土壤改良劑對水稻吸收和積累鎘的影響

陳國安，宋肖琴，劉文彬，柳丹，葉正錢

（1義烏市農技推廣服務中心，浙江義烏 322000；2義烏市種子和植物檢疫站，浙江義烏 322000；3浙江農林大學/浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，杭州 311300）

0 引言

水稻是中國主要糧食作物，保障水稻的安全對人體健康有著重要的意義[1]。當前中國的土壤重金屬污染形勢較嚴峻，農業(yè)上化肥和農藥的不合理使用，導致了土壤重金屬污染的問題日益加劇[2]。Cd是人體非必需元素，是土壤中流動性最強的重金屬之一，土壤Cd污染會通過食物鏈富集進入人體對人體健康造成危害[3]。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示目前中國82.8%的超標點位為Cd、Pb、As 等污染[4]。據統(tǒng)計，每年由耕地重金屬污染導致約1000 多萬t 糧食受到Cd污染[5]。與其他糧食作物相比，水稻對土壤中重金屬Cd的富集能力更強，而水稻籽粒重金屬含量的高低直接決定著農產品是否達到安全標準，水稻品種、土壤環(huán)境、土壤重金屬污染程度及農藝措施都會影響水稻對重金屬的吸收轉運，進而影響水稻籽粒中的重金屬含量[6]。

為了保障水稻安全生產，近些年已經開發(fā)出幾種安全利用技術，例如施用化學改良劑、葉面阻控、植物修復等，以降低水稻籽粒中Cd 含量，從而實現農產品的質量安全[7]。但這些方式都存在一定的弊端和風險性，長期施用堿性物質，容易造成土壤板結，破壞土壤結構，導致土壤環(huán)境惡化[8]；葉面肥則受到環(huán)境、氣候等多重因素的影響，使其作用效果不佳[9]?？紤]到修復效果和經濟成本，土壤改良劑鈍化修復已經成為普遍使用的有效技術手段。研究發(fā)現，有機物料作為有機改良劑施入Cd 污染土壤，可降低土壤中Cd 的生物有效性，同時還可以提升土壤肥力，如稻草、腐殖酸、生物質炭等有機物料[10]，以及混合有機肥等[11]。吳多基等[12]發(fā)現施用炭基微生物菌劑主要是通過提高土壤有機碳和CEC 達到削減Cd 生物有效性的效果，進而減少了水稻植株對Cd 的吸收，降低了Cd 從水稻根系向地上部的轉移。

不同土壤改良劑在水稻中的運用效果不同，而目前市售的土壤改良劑種類良多，對水稻吸收和積累Cd含量的影響效果參差不齊。因此迫切需要篩選出修復效果最佳、土壤質量提升明顯、環(huán)境適應性更強的土壤改良劑，從而實現水稻安全生產。因此，本研究在基于前人的研究基礎，選擇6 種不同土壤改良劑，在Cd 中度污染水稻田中開展田間試驗，來探究其對土壤肥力、土壤Cd 生物有效性及水稻籽粒Cd 含量的影響，以期為Cd污染耕地的安全生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于浙江省義烏市某農田，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫在17℃左右，無霜期為243 d左右，年平均降水量為1250 mm。試驗區(qū)土壤類型為潴育性水稻土，土壤基礎理化性質見表1。按照《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》(GB 15618—2018)該試驗地土壤屬于Cd中度污染。

表1 試驗地基礎理化性質

1.2 供試材料

水稻種子：選擇當地主栽品種連作晚稻‘甬優(yōu)1540’，水稻種子來源于義烏市種子公司。供試肥料：水稻專用配方肥N:P2O5:K2O=20:10:15，來源于湖北新洋豐肥業(yè)有限公司。供試土壤改良劑：（1）“特貝鈣”：來自于福建瑪塔生物科技有限公司，原材料為牡蠣殼粉，pH 9.26，CaO 41.14%，Hg 0.06 mg/kg，As 1.72 mg/kg，Cd 0.37 mg/kg，Pb 10.80 mg/kg，Cr 3.33 mg/kg。（2）“土沃寶”：來自于浙江豐瑜生態(tài)股份有限公司，原材料為堿性物料和礦源腐殖酸，pH 9.26，有機質CaO 41.14%，MgO 11%，Hg 0.06 mg/kg，As 1.72 mg/kg，Cd 0.37 mg/kg，Pb 10.80 mg/kg，Cr 3.33 mg/kg。（3）“魯西”：來自于山東魯西化工集團股份有限公司，pH 9.86，CaO 9.5%，MgO 2.56%，硝態(tài)氮4.16%。（4）“康源邦爾”：來自于湖南岳陽康源邦爾生物技術有限責任公司，pH 10.68，CaO 42.79%，SiO212.13%，MgO 4.86%。（5）“育壤康”來自于中化（煙臺）作物營養(yǎng)有限公司，原材料為白云石，pH 8.64，CaO 19.64%，MgO 13.78%，有機質6.26%。（6）“初養(yǎng)”來自于浙江瑞玨生物技術有限公司，pH 9.82，CaO 10.26%，MgO 4.55%，有機質35.26%，N+P2O5+K2O=5%。

1.3 試驗設計

試驗開始于2022年7月，2022年11月收獲。試驗共設置7個處理分別為不施用土壤改良劑(CK)，“特貝鈣”(T1)，“土沃寶”(T2)，“魯西”(T3)，“康源邦爾”(T4)，“育壤康”(T5)，“初養(yǎng)”(T6)。試驗小區(qū)面積為120 m2（長20 m。寬6 m），每個處理3次重復，共21個小區(qū)，各小區(qū)之間建立田埂并敷農膜，每個小區(qū)均設置單獨的進出水口。采用人工移栽的插秧方式，25 cm×10 cm 的株行距種植，每穴2～3 株，淺插勻植。土壤改良劑于2022年早稻收獲后進行施用，各種土壤改良劑用量均為2250 kg/hm2，施用后立即翻耕，翻耕深度為20 cm。同時在種植前按照375 kg/hm2的水稻專用復合肥(20-10-15)作為基肥，在秧苗移栽大田后10 d進行追肥，追肥采用150 kg/hm2尿素。其他水肥管理與當地常規(guī)管理模式保持一致。

1.4 樣品采集

土壤樣品：在水稻成熟時按照5點取樣法，在每個小區(qū)利用不銹鋼土鉆進行取土，每份樣品1 kg，充分混勻后剔除雜物，土壤樣品帶至實驗室進行自然風干，磨碎分別過2 mm 和0.15 mm 標準篩用于測定土壤基本理化性質和有效態(tài)Cd。

水稻樣品：在收獲時每個小區(qū)取3 株水稻整株樣品，根部洗凈后將水稻放入烘箱105℃殺青30 min后，轉至80℃烘干至恒重。糙米樣品采用小型水稻脫殼機進行脫殼，磨碎，放置于4℃冰箱保存待測。

1.5 樣品測定

土壤pH 采用使用pH 計(Orion 3 Star，Thermo Ltd.，USA)測定（土:水=1:2.5），土壤有效磷鉬藍比色法測定，堿解氮采用堿解擴散法，速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計法，有機碳采用重鉻酸鉀氧化容量法—外加熱法，土壤有機質=土壤有機碳×1.724[13]。土壤有效態(tài)Cd 含量參考《土壤質量有效態(tài)鉛和鎘的測定原子吸收法》(GB/T 23739—2009)[14]。土壤Cd 全量參考《土壤質量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)[15]。水稻株高采用2 m 卷尺進行測量，穗重，千粒重采用百分之一天平進行稱重，小區(qū)產量采取全小區(qū)收割后換算每公頃產量。糙米Cd 含量參考《食品安全國家標準食品中鎘的測定》(GB 5009.15—2014)[16]。

1.6 數據處理

使用SPSS 22.0 驗證數據分布的正態(tài)性和方差齊性檢驗后進行單因素方差分析(ANOVA)，且在P＜0.05 下進行。差異性柱狀圖通過Excel 2016 進行制作。水稻轉運系數和富集系數計算方式如下：TF莖-根=Cd根/Cd莖，TF葉-莖=Cd葉/Cd莖，TF糙米-葉=Cd糙米/Cd葉，BF=Ci/Cs，Ci指根、莖、葉和糙米中Cd 含量，Cs指土壤中Cd含量。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對土壤肥力的影響

由表2可知，與CK相比，添加土壤改良劑能不同程度地提高土壤肥力。添加土壤改良劑處理土壤有機質含量有一定提高，表現出T2(18.32 g/kg)＞T6(17.77 g/kg)＞T3(17.66 g/kg)＞T1(17.59 g/kg)＞T4(17.51 g/kg)＞T5(17.37 g/kg)＞CK (17.19 g/kg)，但各處理間差異均未達到顯著水平(P＞0.05)。與CK 處理相比，添加土壤改良劑后土壤有機質含量增加1.05%～6.57%。T2處理土壤堿解氮含量最高為185.97 mg/kg，其次是T1處理為176.71 mg/kg，顯著高于CK處理(160.42 mg/kg)，分別增加10.15%、15.93%(P＜0.05)。T2處理土壤有效磷含量顯著高于其他處理，最高為29.71 mg/kg，較CK處理增幅為29.29%(P＜0.05)。與CK處理相比，添加土壤改良劑能夠顯著提高土壤速效鉀含量，其中T3處理含量最高為77.19 mg/kg，其次為T6處理(75.51 mg/kg)和T3處理(73.87 mg/kg)，與CK 處理相比分別增加4.82、6.46、8.14 mg/kg，增幅為6.98%、9.36%、11.79%(P＜0.05)。

表2 不同改良劑對土壤肥力的影響

2.2 不同改良劑對土壤pH和有效態(tài)Cd含量的影響

由圖1A 可知，較CK 處理，添加土壤改良劑能夠提高土壤pH，其中T1、T2、T3、T4、T5和T6處理土壤pH分別提高0.15、0.39、0.12、0.31、0.18、0.19個單位，且T2和T3處理土壤pH 顯著高于CK 處理(P＜0.05)，增幅分別為7.45%和5.93%。由圖1B 可知，與CK 處理相比較，土壤改良劑處理土壤有效態(tài)Cd含量明顯降低，其中T2和T3處理土壤有效態(tài)Cd含量顯著下降0.29、0.20 mg/kg，降幅為63.04%和43.48%，顯著低于CK 處理(P＜0.05)，降幅分別為63.04%和43.48%(P＜0.05)；T1、T4、T5和T6處理分別下降32.61%、22.46%、23.19%和34.78%。

圖1 不同改良劑對土壤pH和有效態(tài)Cd含量的影響

2.3 不同改良劑對水稻生長和產量的影響

由表3 可以看出，不同改良劑處理水稻株高表現出較大的差異性，其中T2處理最高(109.78 cm)，其次是T4(107.93 cm)和T3處理(106.39 cm)，T2處理顯著高于CK處理，增幅為9.06%(P＜0.05)。對不同處理產量指標進行分析發(fā)現，添加改良劑能夠增加水稻穗重和千粒重從而提高水稻產量。各處理水稻穗重在27.91～30.82 g，T2處理最重，與CK處理相比增加2.91 g，增幅為10.43%；水稻千粒重各處理間差異均未達到顯著水平(P＞0.05)，以T2處理最大為25.63 g，其次是T1處理為24.78 g，與CK 處理相比分別增加2.37、1.52 g。與CK 處理相比，添加改良劑處理水稻產量均有不同程度提高，其中T1處理、T2處理和T4處理顯著高于CK處理(P＜0.05)，分別增加339.30、546.75、389.85 kg/hm2，T2處理水稻產量最多為8120.25 kg/hm2，與CK 相比增幅為7.22%。

表3 不同改良劑對水稻生長和產量的影響

2.4 不同改良劑對水稻各部位中Cd含量的影響

由圖2可知，在水稻成熟期中，植株各部位中根系Cd 含量最高，各處理水稻不同部位Cd 含量大小均呈現為根＞莖＞葉＞糙米。在各處理中，CK處理根、莖、葉和糙米中Cd含量均最高。與CK處理相比，添加土壤改良劑能夠有效降低水稻各部位的Cd 含量。由圖2A可以看出，添加土壤改良劑后在一定程度上能降低根系中Cd含量，降幅為3.98%～53.14%，其中T4處理下根系Cd含量顯著低于CK處理(P＜0.05)；從圖2B可以看出，水稻莖部中T4處理Cd 含量相比CK 處理、T5和T6處理顯著降低，降幅分別為69.71%、70.23%和67.8%(P＜0.05)；與CK 相比，添加土壤改良劑能夠降低水稻葉片中Cd 含量，降幅為19.22%～73.37%，其中T2和T5處理水稻葉片中Cd含量與CK處理相比，顯著降低60.06%、73.37%(P＜0.05)；由圖2D可知，與CK處理相比，添加土壤改良劑后能夠顯著降低水稻糙米中Cd 含量，降幅為37.09%～90.31%(P＜0.05)，其中T2處理水稻糙米中Cd含量最低，為0.18 mg/kg。

圖2 不同改良劑對水稻各部位中Cd含量的影響

2.5 不同改良劑處理對水稻Cd轉運和富集系數的影響

表4為不同改良劑處理Cd從根系到莖部、莖部到葉片、葉片到糙米的轉運系數，從表4 中可以看出，T6處理TF莖-根最高，且顯著高于其他處理，T1、T3和T4處理與CK 處理相比，TF莖-根有一定程度的降低，降幅分別為10.20%、26.53%和32.65%。T1、T4、T5和T6處理TF葉-莖與CK 處理相比分別降低17.58%、10.98%、48.35%、42.86%，其中T5和T6處理的TF葉-莖顯著低于T3處理(P＜0.05)。與CK 處理相比，T2、T3和T6處理TF糙米-葉有一定程度降低，其中T2處理TF糙米-葉最低，且顯著低于CK 處理，降幅為81.82%(P＜0.05)。表5 為不同改良劑處理水稻根、莖、葉和糙米中Cd 的富集系數，添加土壤改良劑后一定程度上均能夠降低水稻根中Cd 的富集，其中T4處理BF根、BF莖、BF葉最低，且顯著低于CK 處理，降幅分別為53.13%、69.76%、73.41%(P＜0.05)。對于水稻籽粒中Cd的富集系數，T2處理下BF籽粒最低，與CK 處理相比顯著下降90.26%(P＜0.05)。

3 結論

試驗結果表明，土壤改良劑的添加能夠提高土壤pH 并提升土壤肥力，促進水稻的生長發(fā)育，從而提高水稻產量，降低水稻籽粒中Cd 含量；其中T2（“土沃寶”）處理土壤有效態(tài)Cd 含量最低。添加土壤改良劑能有效降低水稻器官中Cd的富集，其中T4處理水稻根部和莖葉中Cd含量最低，T2（“土沃寶”）處理水稻籽粒中Cd含量最低，且達到國家食品安全國家標準的要求0.2 mg/kg以下。綜上所述，“土沃寶”土壤改良劑對降低土壤有效態(tài)Cd 含量及稻米中Cd 的積累效果最佳，可適用于Cd污染耕地的土壤修復和水稻安全生產。

4 討論

4.1 不同改良劑對土壤理化性質和有效態(tài)Cd 含量的影響

本試驗結果表明，通過添加土壤改良劑后，土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均有所提高。土壤改良劑作為大規(guī)模農田Cd 污染綜合治理項目的重要技術措施，加入土壤中可以改變土壤的物理、化學和生物學性狀。土壤改良劑中含有機物，施用到土壤中后經過土壤微生物分解后會產生各種腐殖酸物質，從而調節(jié)土壤pH[17]。有研究表明，土壤pH的提高會加速有機質的分解，增強硝化微生物活性，增強土壤硝化作用，從而提高土壤氮含量[18]。曾覺廷[19]等研究發(fā)現，土壤改良劑能有效改善土壤理化性質，提高土壤酶活性、增加土壤微量元素含量，最終達到提高土壤肥力的效果。本試驗中，T2處理（土沃寶）改良劑原材料為堿性物料和礦源腐殖酸，在添加到土壤中不僅增加了土壤中養(yǎng)分含量，改善土壤的物理性質，還能起到對重金屬離子絡合和富集作用，因此能夠在所有的改良劑中表現出優(yōu)異性。這與黎大榮[20]通過添加堿性物料從而提高土壤pH及養(yǎng)分結果一致。土壤pH是影響土壤Cd 形態(tài)變化的重要關鍵因子，土壤中pH 的改變會引起土壤電荷特性的改變、吸附解吸、沉淀溶解等多種化學平衡的變化，進而對Cd在土壤中的形態(tài)產生一定影響[21]。本試驗中，添加土壤改良劑均能一定程度提高土壤pH，能夠通過吸附、鈍化等作用降低土壤有效態(tài)Cd含量，而T2處理（土沃寶）具有一定的優(yōu)異性，這是因為其原料中含有大量有機質和腐殖物質，腐殖物質含有多種功能基團，這些功能基團對重金屬Cd離子有較強的絡合和富集能力。丁瓊等[22]研究發(fā)現，農業(yè)生產中廢棄的油菜和玉米秸稈對Cd 能夠有效的吸附與固定，主要是其中的有機官能團可以與重金屬Cd發(fā)生絡合作用，從而降低了重金屬Cd 的有效性。張宇等[23]研究表明腐殖酸具有較強的螯合和絡合能力，土壤中加入腐殖酸以后，可以有效增加重金屬的遷移能力，同時發(fā)現腐殖酸是一種環(huán)境友好型螯合劑，加入腐殖酸能明顯提高重金屬去除率[24]。

4.2 不同改良劑對水稻生長和產量的影響

土壤改良劑的作用不僅能提高土壤肥力，同時還可以促進水稻生長并提高水稻的產量。本試驗結果表明，添加土壤改良劑后能夠提高水稻株高、穗重、千粒重和水稻產量。土壤改良劑中含有大量有機質，有機質分解會產生養(yǎng)分，同時能夠在增殖過程中合成生長素(IAA)、細胞分蘗素(CTK)、赤霉素(GA)和脫落酸等植物激素，從而促進細胞分蘗、生長分化[25]，這與本研究結果相似。有研究表明，土壤中添加一定量的調理劑，可以促進作物生長發(fā)育，提高作物產量[26]。劉慧敏等[27]的研究結果表明，土壤中添加生物炭材料類型的土壤改良劑能夠改善谷子葉面光合和根系對水分和礦質元素的吸收能力，從而提高谷子的產量。矯威[28]、周吉祥等[29]的研究結果表明，施用土壤調理劑可以提高水稻結實率，增加水稻株高、有效穗數、千粒重，從而促進水稻生長發(fā)育，提高水稻地上部生物量，增加其產量。本試驗研究結果也表明，土壤改良劑的添加對于水稻地上部生物量和產量的提高具有積極作用，這與前人的研究結果一致。

4.3 不同改良劑對水稻吸收和富集Cd的影響

重金屬Cd 在土壤-水稻系統(tǒng)中的移動性較強，極易引起水稻籽粒中Cd的積累[30]。降低水稻糙米中Cd含量主要有2種途徑，一是降低土壤中Cd的生物有效性，二是阻控水稻各器官向籽粒轉運Cd[31]。本試驗研究結果表明，通過添加土壤改良劑能夠提高土壤pH，土壤pH 的提高會降低土壤有效態(tài)Cd 含量，那么水稻根部從土壤中吸收Cd 含量就會下降。朱利楠[32]等研究結果發(fā)現，不同土壤改良劑能有效提高土壤pH，同時不同程度地降低土壤中Cd 的生物有效性和作物不同器官中Cd 的含量，從而緩解重金屬Cd 對植株的脅迫效應。本試驗也得到相似的結果。此外，本研究還發(fā)現，土壤改良劑弱化了Cd從水稻根部向莖部的縱向遷移，而效果較好的T2處理（“土沃寶”）則弱化了Cd從葉部到籽粒的縱向遷移。植物體內重金屬含量大小是反映鈍化材料修復效果的直接依據[33]。研究表明，鈍化劑能夠有效降低水稻對土壤重金屬Cd的富集作用，同時減少水稻中Cd由根系向莖部的遷移[34]，植物根系是吸收Cd 的關鍵部位也是植物體Cd 富集的主要器官[35]，Cd 由谷殼到糙米的轉運能力是糙米Cd 富集累積的關鍵過程。本研究結果表明，添加土壤改良劑減少了水稻根部、莖部、葉部及糙米中Cd的含量，同時降低Cd 由根部到莖部和葉部到糙米的轉運系數。本試驗中T2處理（“土沃寶”）鈣含量較高，也可能是其影響水稻吸收累積Cd的重要因素之一。Ca2+與Cd2+具有相似的化學性質，含鈣鈍化材料中富含Ca2+、Mg2+等鹽基離子，能與水稻根表面的Cd2+離子形成競爭吸收[36]，進而抑制水稻對Cd2+的吸收[37]。土壤改良劑料對水稻Cd吸收和轉運的影響具體途徑及三者之間協(xié)同作用的分子機制還有待進一步研究。