秸稈還田下改良劑對水稻生長和Cd吸收積累的影響

林鸞芳，王昌全，李 冰，鄭順強，陳佳娜，李 洲

四川農業大學資源環境學院，四川 成都 611130

秸稈還田下改良劑對水稻生長和Cd吸收積累的影響

林鸞芳，王昌全*，李 冰，鄭順強，陳佳娜，李 洲

四川農業大學資源環境學院，四川 成都 611130

土壤中的鎘（Cd）易在水稻中積累而威脅人體健康，秸稈還田下不同化學改良劑對水稻Cd吸收累積特性的影響效應值得關注。選取成都平原德陽市旌陽區Cd污染稻田為研究對象，開展小區試驗，研究秸稈（油菜、小麥）直接還田下添加石灰、鈣鎂磷肥、海泡石3種改良劑對水稻生長和Cd吸收累積的影響。結果表明：與對照相比，油菜秸稈+鈣鎂磷肥和小麥秸稈+海泡石處理均能增加水稻株高、分蘗數和產量，其中產量提高了6.34%和12.64%，達顯著水平（P＜0.05）。秸稈還田下，配施改良劑（石灰、鈣鎂磷肥、海泡石）均能顯著降低（P＜0.05）水稻糙米Cd含量，較對照降幅分別為21.65%～36.75%（油菜秸稈還田）和21.11%～33.87%（小麥秸稈還田）。油菜秸稈+改良劑（石灰、鈣鎂磷肥、海泡石）促進了土壤Cd向莖葉的累積，較對照增加1.31～2.41倍，這對水稻秸稈（莖葉）還田利用有不利影響。小麥秸稈+石灰或海泡石處理均顯著降低了莖稈、谷殼Cd積累，較對照降幅為6.28%～19.63%和70.16%～78.68%。綜合水稻產量及其對土壤Cd吸收累積效應，油菜秸稈配合改良劑（海泡石、石灰和鈣鎂磷肥）、小麥秸稈+海泡石是較為理想的秸稈還田與改良劑配合處理技術。

秸稈還田；改良劑；水稻；鎘

社會經濟的快速發展和城鎮化的加速擴張已導致重金屬污染問題愈發嚴重，重金屬污染具有隱蔽性、不可逆性和長期性等特點，土壤一旦被污染，短期內很難消除（楊國棟和孫立宏, 2001）。鎘（Cd）是生物中毒性最強的重金屬之一，它在生物圈中的移動性很大、毒性強（Moreno等, 2000），非常容易被植物吸收并累積，并通過食物鏈的富集危害人體的健康（Zheng等, 2007; Grant和Sheppard, 2008），被視為重金屬中比較突出并且十分具有危害性的一種污染元素（Zhang等, 2012）。水稻是我國主要消費的糧食作物（唐海明等, 2012），65%以上的人口是以稻米為主食，Cd易在水稻中累積，直接威脅著稻米安全生產問題（Hu等, 2006; Ding等, 2012）。重金屬在土壤中具有移動性差、積累性及不易被微生物降解等特點，其治理和修復難度大（Basta等, 2008）。由于大量的污染土壤不能采取直接清除方法有效解決，則施用化學改良劑改變土壤重金屬行為的原位穩定化技術對控制作物吸收重金屬具有重要的現實意義（秦文淑等, 2011; 劉維濤和周啟, 2010）。這種重金屬污染的治理方法因其經濟可行且不破壞土壤結構等優勢被廣泛應用（Chen等, 2000）。研究表明，石灰、鈣鎂磷肥等能提高土壤pH，海泡石因具有較強的表面吸附和離子交換能力，均能降低土壤重金屬有效性，減少作物對重金屬的吸收（錢海燕等, 2007; Li等, 2008; 徐明崗等, 2007）。

目前，改良劑對作物生長、土壤重金屬形態和作物籽粒重金屬累積等方面研究較多（李麗君等, 2014; 南江寬等, 2013），但是針對成都平原典型Cd污染區域，在秸稈還田技術應用的基礎上，不同改良劑的原位修復效應方面尚無相關報道。本研究采用野外原位修復技術，在秸稈（油菜、小麥）直接還田下，開展小區試驗，比較了石灰、鈣鎂磷肥、海泡石3種改良劑對水稻生長和Cd吸收累積的影響，探討秸稈還田條件下，不同改良劑對重金屬Cd污染區域的作物效應差異，為重金屬污染農田土壤修復治理和可持續利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點選在沱江流域的重要支流—石亭江沿岸，德陽市旌陽區天元鎮(30°6′N，104°16′E)，該地屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年降水量為893 mm，年均日照1251.5 h，年均溫為16.1 ℃。

田間試驗于2012年5～9月進行，土壤類型為典型的潴育型水稻土（系統分類：普通鐵聚水耕人為土（龔子同, 1999）），灰棕潮泥田土種，土壤質地為中壤土，水旱輪作模式為稻麥輪作或稻油輪作，前期采樣監測表明該區域稻田土壤處于中度—重度Cd污染。試驗選取相鄰2塊試驗田，面積約0.33 hm2，基本理化性質如表1所示。

1.2 供試材料

本研究所采用的無機改良劑主要是海泡石、石灰、鈣鎂磷肥，秸稈直接還田材料分別為小麥秸稈、油菜秸稈，常規化肥選取尿素和復合肥。

供試材料Cd含量分別為：尿素（0.004±0.002）mg·kg-1，復合肥（40%）（0.324±0.127）mg·kg-1，油菜秸稈（0.290±0.013）mg·kg-1，小麥秸稈（0.179±0.024）mg·kg-1，海泡石（0.082±0.012）mg·kg-1，鈣鎂磷肥（1.344±0.251）mg·kg-1，石灰未檢出。

1.3 試驗設計

試驗設計為5個處理，每個小區面積為30 m2，3次重復。稻麥輪作和稻油輪作2塊試驗田，共計30個試驗小區。試驗設計方案見表2。

改良劑在水稻種植前與秸稈（小麥或油菜）一起翻耕（0～15 cm）壓入各試驗田內，秸稈為全量破碎翻埋入田，秧苗移栽時施入詠田（40%）復合肥（氮磷鉀肥比例為28:6:6）做底肥，尿素（46%）分2次施入，一次做底肥，一次在分蘗期做追肥施用。

秸稈直接還田折算用量為：小麥秸稈9000 kg·hm-2，油菜秸稈9600 kg·hm-2；改良劑折算用量分別為：海泡石20000 kg·hm-2，石灰6300 kg·hm-2，鈣鎂磷肥22500 kg·hm-2；化學肥料用量為，復合肥375 kg·hm-2，尿素300 kg·hm-2。

1.4 樣品采集與分析

（1）土壤樣品采集與分析

田間試驗開始之前，分別在稻麥輪作、稻油輪作試驗區采用“間試形法布點土壤樣點，混合均勻取1.0 kg濕土帶回實驗室，自然風干后，分別磨細過尼龍篩（20目，100目），裝瓶備用。土壤堿解氮含量測定采用堿解擴散法；有效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1 mol·L-1NH4Ac浸提，火焰光度法測定含量；土壤pH采用Mettler Toledo 320 pH計測定，土水質量比為1:2.5；土壤中Cd采用王水-高氯酸消化，原子吸收分光光度法測定（鮑士旦, 2005）。

（2）水稻農藝性狀觀察與測定

種植期間，每個小區水稻田間管理措施完全一致，水稻農藝性狀主要測定其營養生長期（移栽后30 d）、生殖生長期（移栽后60 d）株高，植株分蘗數；水稻成熟期（移栽后90 d）隨機在每個小區內選取5穴水稻樣品進行考種分析，主要測定稻谷干重，生物量。

（3）水稻樣品采集及Cd含量測定

水稻成熟期隨機在每個小區內選取5穴水稻樣品，按照根系、秸稈、籽粒分離后，先用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗2遍，裝袋放至烘箱，先在105 ℃殺青15～20 min，再在70～80 ℃下烘干至恒重(48 h)，然后磨碎、過篩(40目)處理，用HNO3-HClO4消解法進行分析測定，同時添加消煮空白和標準樣品進行質量控制和回收率校正，石墨爐-火焰原子吸收光譜法測定水稻根系、秸稈、籽粒中Cd的含量。

1.5 數據處理方法

數據統計均采用Excel 2007，數據處理采用SPSS 13.0中LSD方法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 The properties of tested soil

表2 秸稈+改良劑試驗方案設計Table 2 Experiment design of amendments based on straw returning

2 結果與分析

2.1 秸稈還田下不同改良劑對水稻生長發育的影響

2.1.1 水稻株高和分蘗數

本文主要對比營養生長期（30 d）和生殖生長期（60 d）水稻在株高、分蘗數之間的差異（表3和表4）。

油菜秸稈還田下，水稻營養生長期（30 d）和生殖生長期（60 d）的平均株高均以添加鈣鎂磷肥的最高，分別達到61.55和102.55 cm，比對照增加15.91%和11.35%（P＜0.05）。分蘗數在營養生長期30 d和60 d時均以添加石灰的處理最多，比對照增加了57.83%和69.63%（P＜0.05）。與油菜秸稈單獨還田處理相比，添加改良劑處理其株高和有效分蘗數在營養生長期（30 d）和生殖生長期（60 d）均表現較優。

小麥秸稈還田下，水稻營養生長期（30 d）和生殖生長期（60 d）的平均株高均以添加海泡石的處理最高，分別達到58.79和99.79 cm，較對照增加了3.14%和3.95%（P＜0.05），較小麥秸稈單獨還田處理增加了6.54%和4.84%（P＜0.05）。有效分蘗數方面，添加改良劑的處理較小麥秸稈單獨還田處理略有增加，但與對照相比均下降，這說明小麥秸稈還田下，添加改良劑對水稻的生長發育影響效果不明顯，甚至還有一定的抑制作用。總的來說，在油菜秸稈還田下，可以添加石灰，有助于水稻分蘗，促進生長；而小麥秸稈還田下，適當添加海泡石有助于水稻生長發育。

2.1.2 稻谷產量和水稻生物量

生物量是反映植物生長狀況的最直接指標，從表5可以看出，在油菜秸稈還田下，稻谷的干重和生物量以添加鈣鎂磷肥的處理最大，分別達到9690和19380 kg·hm-2，較對照處理（常規施肥）均增加了6.34%，且均達到顯著水平（P＜0.05）。與油菜秸稈單獨還田處理相比，添加改良劑的處理其稻谷干重和生物量均顯著增加。小麥秸稈還田下，添加海泡石的處理后，稻谷的干重和生物量均最大，分別達9134.67和18269.33 kg·hm-2，較對照處理（常規施肥）均增加了12.64%，達到顯著水平（P＜0.05）。與小麥秸稈單獨還田相比，添加石灰的處理其稻谷的干重和生物量均顯著下降，而添加海泡石和鈣鎂磷肥的處理則表現為顯著增加。總的來看，油菜秸稈還田下，添加石灰和鈣鎂磷肥，有利于增產和增加生物量；小麥秸稈還田下，施用鈣鎂磷肥和海泡石處理水稻的生物量較高，能改善作物生長。

表3 秸稈還田+改良劑處理下水稻營養生長期（30 d）的農藝性狀Table 3 Effect of different amendments on the agronomic traits of rice in vegetative growth stage (30 d) based on straw returning

表4 秸稈還田+改良劑處理下水稻生殖生長期（60 d）的農藝性狀Table 4 Effect of different amendments on the agronomic traits of rice in reproductive growth stage (60 d) based on straw returning

表5 秸稈還田+改良劑處理下收獲期稻谷產量和水稻生物量Table 5 Effect of different amendments on the output and dry biomass in harvest of rice based on straw returning

2.2 秸稈還田下不同改良劑對水稻Cd吸收累積的影響

秸稈還田+改良劑處理下水稻各部位Cd吸收累積與轉運的影響見表6、表7。在油菜秸稈還田下，添加化學改良劑處理均能降低根系Cd含量，較對照處理（常規施肥）降低幅度為35.43%～40.95%（P＜0.05），較油菜秸稈單獨還田處理降低幅度為38.65%～44.74%（P＜0.05），但均顯著促進了莖葉和谷殼Cd積累。小麥秸稈還田下，添加改良劑處理效應各不相同，僅有添加海泡石處理較對照（常規施肥）處理，根系Cd含量降低了22.95%（P＜0.05），而莖葉中Cd含量則以添加石灰處理較對照降低了，其比例為19.63%，達顯著水平（P＜0.05），小麥秸稈單獨還田處理較對照處理顯著降低了根系、莖葉和谷殼Cd含量，添加改良劑均顯著降低了谷殼Cd含量，且降低效應尤其明顯。

糙米是水稻的主要食用部分，在油菜秸稈還田的基礎上，施入改良劑均能顯著降低水稻籽粒中糙米Cd含量（表7），較對照處理降低了21.65%～36.75%，較油菜秸稈單獨還田處理降低了11.00%～28.15%。在小麥秸稈還田下，與常規對照相比，施入改良劑均能顯著降低水稻籽粒中糙米Cd含量，降低幅度為21.11%～33.87%（P＜0.05），而較小麥秸稈單獨還田處理，施入改良劑則增加了糙米Cd含量。

轉運系數是指糙米Cd含量與根系Cd含量的比值，可用來評價植物將重金屬從根系向地上部的遷移能力，轉運系數越大，表明重金屬在植物體內越容易向可食部分遷移（劉曉婷等, 2011），從表7可以看出，油菜秸稈還田下，只有油菜秸稈單獨還田和油菜秸稈+海泡石的處理較常規對照處理才略微有所下降，但整體轉運系數較低。而小麥秸稈+改良劑處理中，除了小麥秸稈+海泡石處理略有提高外，其余處理均較對照不同程度的降低了Cd的轉運系數。

總的來看，油菜秸稈還田下，添加改良劑處理均顯著降低了根系Cd含量，但提高了莖葉Cd含量，增加了谷殼Cd的積累，降低了糙米Cd含量，且轉運系數較低；小麥秸稈還田下，添加鈣鎂磷肥處理顯著增加了水稻根系和莖稈Cd含量，但降低了谷殼和糙米Cd含量，添加石灰處理則提高了根系Cd含量，降低了莖稈、谷殼和糙米Cd含量，添加海泡石處理則顯著降低了水稻各部位Cd含量，有效抑制了Cd向地上部分轉運，降低了水稻可食用部分Cd含量。

表6 秸稈還田+改良劑處理下水稻各部分Cd吸收累積的影響Table 6 Effect of different amendments on Cd content of the various parts of rice o based on straw returning

表7 秸稈還田+改良劑處理下水稻糙米Cd質量分數和轉運系數Table 7 Effect of different amendments on Cd content in brown rice and transfer coefficient based on straw returning

3 討論

在Cd污染的稻田中，進行秸稈還田，配合施用改良劑，能有效促進水稻生長發育。添加鈣鎂磷肥和海泡石處理能促進水稻株高和分蘗數，提高生物量。油菜秸稈還田下，水稻產量和生物量增加效應以鈣鎂磷肥＞石灰＞海泡石的規律呈現；小麥秸稈還田下，則以添加海泡石和鈣鎂磷肥的產量和生物量促進效應較為明顯，石灰處理呈現一定的負效應。這與相關研究報道（王林等, 2012; 張青等, 2010; 孫約兵等, 2012; 徐明崗等, 2009; 屠乃美等, 2000）的結果存在一定差異，這可能是因為，本研究是在秸稈直接還田基礎上添加石灰、鈣鎂磷肥和海泡石3種改良劑，2種物質配合施用后對水稻生長發育的影響，可能涉及有機物的降解與無機改良劑之間的相互作用，其具體機制有待進一步研究。

從Cd在水稻體內的分配來看，各個處理水稻Cd含量呈現出：根＞莖葉＞稻谷的特點，這與武淑華等（2002）的研究一致，說明根系和莖葉對Cd產生了明顯的截留作用。秸稈（油菜秸稈和小麥秸稈）還田的基礎上，施入改良劑均能顯著降低水稻糙米Cd含量，分別降低了21.65%～36.7%和21.11%～33.87%（P＜0.05）。與常規對照處理相比，秸稈還田下添加改良劑對水稻根系、莖稈和谷殼Cd含量的影響，則因還田秸稈類型不同有所差異。油菜秸稈還田下，添加改良劑處理均顯著增加了谷殼和莖稈Cd含量，降低了根系Cd含量，促進了土壤Cd由地下部分向地上部分遷移，可能對水稻秸稈的安全利用產生不利影響。小麥秸稈還田下添加改良劑處理的效應差異較大，小麥秸稈+石灰處理則促進了根系Cd的吸收，但顯著降低了莖稈、谷殼和糙米Cd的積累，抑制了地上部分Cd的積累；小麥秸稈+鈣鎂磷肥則表現為提高水稻根系和莖稈Cd含量，顯著降低了谷殼和糙米Cd含量，雖然促進了水稻體內Cd的積累，但主要積累在水稻根系和莖稈之中，降低了水稻可食部分的Cd積累；小麥秸稈+海泡石處理降低了水稻根系、莖稈、谷殼和糙米各個部位Cd的積累，有效抑制了Cd向地上部分轉運，降低了水稻可食用部分Cd含量，是一種較好的配合處理。

我國食品衛生標準GB 2762-2012（中華人民共和國衛生部, 2012）規定，稻米Cd質量分數的限制值為0.2 mg·kg-1。本研究中糙米Cd含量均略大于0.2 mg·kg-1，這是因為試驗區稻田土壤Cd含量超標（秦魚生等, 2013），土壤Cd含量與水稻Cd吸收累積間有明顯的相關關系（張紅振等, 2010）。

4 結論

（1）油菜秸稈還田下，配合施用改良劑（海泡石、石灰和鈣鎂磷肥）均能有效促進水稻的生長發育，有效降低糙米Cd含量，但顯著增加了莖稈，谷殼的Cd含量，促進了土壤Cd由根系向莖葉、谷殼等部位的遷移，這可能對水稻地上部分（秸稈和谷殼等）的還田循環利用帶來不利影響。

（2）小麥秸稈還田下，添加海泡石和鈣鎂磷肥處理對水稻產量和生物量促進效應明顯，添加石灰處理呈現一定的負效應。添加海泡石處理顯著降低了莖稈、谷殼和糙米Cd的積累，既有利于水稻地上部分的還田循環利用，又可以有效降低水稻可食用部分Cd的積累，是較為理想的秸稈還田+改良劑配合處理措施。

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Effect of Amendments on Rice Growth and Cd Uptake Based on Straw Returning

LIN LuanFang, WANG ChangQuan*, LI Bing, ZHENG ShunQiang, CHEN JiaNa, LI Zhou
College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China

Soil cadmium (Cd) was easy to accumulate in rice and threat to human health. The effects of chemical amendments on Cd absorption characteristic in rice under the rice straw returning was worthy of attention. The cadmium (Cd) contaminated paddy field was selected as the experiment plots in Jingyang, Deyang city, Chengdu Plain. The effects of three chemical amendments (lime, calcium-magnesia phosphate fertilizer and sepiolite) on the rice growth, Cd uptake and accumulation in rice were studied under the straw (rape and wheat) returning directly in the plot experiment. The results showed, compare with the conventional treatment, the calcium-magnesia phosphate fertilizer addition based on the rape straw returning and the sepiolite addition based on the wheat straw returning, which could promote the rice height, tiller number and rice yield, increased the rice yield for 6.34% and 12.64% respectively, the promoting effects were significant (P＜0.05). The chemical amendments (lime, calcium-magnesia phosphate fertilizer and sepiolite) addition based on the straw returning reduced the content of Cd in brown rice effectively, reduced the ratio of 21.65%～36.75% (rape straw returned), and 21.11%～33.87% (wheat straw returned) respectively (P＜0.05). All the amendments (lime, calcium-magnesia phosphate fertilizer and sepiolite) treatments based on the rape straw returning, which promoted the Cd accumulation in rice stem and leaf, increased for 1.31～2.41 times compared to the conventional treatment (P＜0.05). This may be have an adverse impact on the rice aboveground (stem and leaf) recycling in paddy field directly. The lime or sepiolite addition based on the wheat straw returning reduced the accumulation of cadmium in the stalks, chaff, and brown rice significantly, which reduced the ratio of 6.28%～19.63% and 70.16%～78.68% respectively compared with the conventional treatment(P＜0.05). Comprehensive the rice yield and Cd absorption in rice, the chemical amendments (lime, calcium-magnesia phosphate fertilizer and sepiolite) addition based on the rape straw returning and the sepiolite addition based on the wheat straw returning were the ideal cooperation treatment of straw returning and chemical amendments.

straw returning; amendments; rice; cadmium (Cd)

X53

A

1674-5906（2014）09-1492-06

林鸞芳，王昌全，李冰，鄭順強，陳佳娜，李洲. 秸稈還田下改良劑對水稻生長和Cd吸收積累的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(9): 1492-1497.

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國家科技支撐計劃項目（2012BAD14B18）；四川省科技廳項目（2011NZ0063；2012JZ0003）；四川省教育廳項目（12ZA278）

林鸞芳（1988年生），女，碩士研究生，主要研究方向土壤與環境質量可持續。E-mail：linluanfang@126.com

*通信作者：王昌全（1962年生），男，教授，主要從事土壤與環境可持續研究。E-mail: w.changquan@163.com

2014-06-26