石灰降低稻米鎘含量的效果及其影響因素

胡召華，靳 磊，朱捍華

（1.湘潭市農業委員會，湖南 湘潭 411100；2. 湖南省微生物研究院，湖南 長沙 410009；3.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南 長沙 410125）

石灰降低稻米鎘含量的效果及其影響因素

胡召華1，靳 磊2，朱捍華3

（1.湘潭市農業委員會，湖南 湘潭 411100；2. 湖南省微生物研究院，湖南 長沙 410009；3.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南 長沙 410125）

為探明施石灰降低鎘污染酸性稻田米鎘含量的效果及其影響因素，在湘潭市16個不同地點，開展石灰施用試驗。以稻米鎘含量的降幅為主要評價指標，分析了管理措施和土壤環境條件對施石灰降低稻米鎘含量效果的影響。試驗結果顯示，施用生石灰750～1 800 kg/hm2，土壤pH值平均提升0.16個單位，稻米鎘平均含量由對照的0.29 mg/kg降至0.13 mg/kg。石灰施用量以1 800 kg/hm2最佳，其稻米平均降幅可達58.3%。土壤本底pH值低于6.5時，隨pH值的升高，施石灰降低稻米鎘含量的效果增強。而隨著土壤有機質含量和CEC的升高，施石灰降低稻米鎘含量的效果呈明顯的減弱趨勢。

石灰；土壤；鎘污染；水稻；管理措施；土壤環境條件

根據國家環境保護部和國土資源部2014年公布的調查結果顯示，我國農田土壤最主要的重金屬污染元素是鎘，其點位超標率高達7.0%[1]。而近年來我國農田土壤酸化趨勢明顯，加劇了土壤鎘污染的危害，全國年產鎘超標農產品約為150萬t，稻米鎘含量超過國家食品衛生標準限值的比例高達10%[2-3]。農田土壤鎘污染已威脅到我國農產品質量安全和糧食安全，成為制約我國農業可持續發展的重要環境問題。

施用鈍化劑降低土壤中鎘的有效性，進而實現農產品的安全生產，被認為是較為經濟有效的一項技術措施，石灰是其中應用最為廣泛、成本較為低廉的一種鈍化材料。國內外的大量研究結果顯示，在酸性土壤上施用石灰后，顯著提高了土壤pH值，降低了土壤有效態鎘含量和植物的鎘吸收量[1,4-6]。然而，也有部分研究得到不同的結果，Bolan等[7]發現，在以可變電荷為主的土壤上施用高量石灰，使土壤溶液中Cd2+的濃度提高，并導致植物對鎘的吸收量增加；Brown等[8]研究結果表明，施用石灰僅能降低土壤NH4NO3提取Cd含量，對作物吸收鎘無明顯效果影響。由此可知，鎘污染土壤施用石灰的效果，受到石灰用量、土壤狀況和管理措施等的影響。為此，筆者利用多點田間試驗，擬探討在鎘污染酸性稻田，施用石灰降低稻米鎘積累的效果，并分析其與管理措施、石灰用量及土壤環境狀況的關系，以期為鎘污染酸性稻田的安全生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2015年晚稻季在湘潭市的湘潭縣、雨湖區和湘鄉市開展，設置了16個試驗點，每個點種植2個水稻品種，每個品種重復3次，共計96組試驗，每組試驗設對照（CK）和施石灰處理（L），小區面積30 m2，供試土壤基本性質如表1所示。對照處理按照當地常規種植習慣進行管理，施石灰處理在水稻分蘗期（8月中旬）撒施750～1 800 kg/hm2的生石灰，其他管理方式與對照一致。參試水稻品種有湘晚秈13號、湘晚秈12號、天優華占、金優59、岳優27、里優6602、農豐優2號、H優207、T優259和欣榮優華占。

表1供試稻田土壤基本性質

1.2 樣品采集與檢測

在試驗開始前，采集每個小區耕層土壤樣品，風干過20目和100目篩，備用；在水稻成熟期采集稻谷樣品，分離出糙米后，粉碎，過100目篩，備用；同時采集耕層土壤樣品，風干過20目篩，備用。試驗基礎土壤樣品，主要檢測土壤pH值、全鎘、有效態鎘、有機質和CEC等指標，稻米樣品主要檢測全鎘含量，水稻成熟土壤樣品主要檢測pH值和有效態鎘含量。全部樣品均委托具有檢測資質的第三方檢測機構分析，所有指標測定按照《土壤農化分析》進行[9]。

1.3 數據處理

首先以稻米鎘含量降低幅度為依據對數據進行篩選，每個試點單個品種3對數據，變異較大的（標準誤差/均值）超過50%的點，采用其中較為一致的2對數據，如2對數據間重復較差，則該點數據舍棄。實際采用的數據為77組。

數據采用Excel 2010和Origin 7.5進行分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 施石灰對稻米鎘含量、土壤有效態鎘含量和pH值的影響

從整體來看（表2），對照處理稻米鎘平均含量為0.29 mg/kg，分布區間為0.02～1.30 mg/kg；施用石灰處理后，稻米鎘含量有明顯的降低，平均含量降低至0.13 mg/kg，降低幅度達到55.2%，稻米鎘的最高含量也由1.30 mg/kg降低至0.53 mg/kg。稻米鎘含量符合國家食品衛生標準限值（＜0.20 mg/kg，GB 2762—2012）的比例也由對照的45.5%提升至77.9%。此外，土壤有效態鎘含量和土壤pH值也均有所變化，對照處理的土壤有效態鎘含量為0.68 mg/kg，施用石灰后略有降低，為0.66 mg/kg；土壤pH值在施用石灰后有明顯提高，平均提高幅度為0.16個單位。

表2稻米鎘含量、土壤有效態鎘含量和pH值變化（n=77）

2.2 管理措施對施石灰降低稻米鎘含量效果的影響

試驗共采用了10個水稻品種，在篩選出的77對數據中，有5對以上數據的水稻品種包括H37優207（H207）、金優259（JY259）、天優華占（TYHZ）、湘晚秈12號（XW12）和湘晚秈13號（XW13）等，對其影響進行單獨分析，其他水稻品種僅2～3對數據，不做單獨分析。結果顯示（圖1），種植不同水稻品種條件下，施用石灰后稻米鎘含量均有明顯降低，米鎘降幅最大的品種是H37優207，達到55.8%；其次為湘晚秈13號，降幅為48.7%；金優59與天優華占較為接近，分別為39.1%和38.1%；湘晚秈12號降幅最小，僅為32.1%，雖然不同品種間稻米鎘含量降低幅度存在差異，但由于數據變異較大，統計結果顯示，其差異并未達到顯著水平（P＞0.05）。

圖1不同水稻品種的石灰降低稻米鎘含量效果（n表示樣本數，下同）

試驗共設置750、900、1 500和1 800 kg/hm2這4個石灰施用量（圖2）。稻米鎘含量降幅最大的是施用石灰1 800 kg/hm2，降幅達到58.3%，其次為施用量900 kg/hm2，降幅55.9%，施用量1 500和750 kg/hm2的降幅分別為40.7%和36.8%，基本呈現出隨石灰施用量增大，稻米鎘含量降幅提升的趨勢。統計分析表明，僅施用量1 800 kg/hm2和施用量750 kg/hm2之間的差異達到顯著水平（P＜0.05）。

2.3 土壤環境條件對施石灰降低稻米鎘含量效果的影響

在不考慮其他外源污染的前提下，植物吸收和積累的鎘主要來源于土壤，而土壤全鎘含量是衡量土壤鎘污染程度的重要指標。根據土壤環境質量標準，將供試土壤按照全鎘含量的差異分為4個區間段，分別為＜0.3、0.3～0.6、0.6～0.9和＞0.9 mg/kg。不同鎘污染程度稻田土壤施用石灰后均能明顯降低稻米鎘含量（圖3），但并未呈現出明顯的規律性變化。其中＜0.3、0.3～0.6和＞1.2 mg/kg這3個區間段土壤，在施用石灰后稻米鎘含量的降低幅度均在50%以上，顯著高于0.6～0.9 mg/kg的27.9%的降幅。

圖2不同石灰施用量的稻米降鎘效果

圖3土壤全鎘含量對石灰降低稻米鎘效果的影響

土壤pH值是反映土壤酸堿程度的重要指標，也是影響土壤中鎘賦存形態和植物有效性的一個關鍵因子。按照第二次土壤普查的土壤酸度等級劃分標準，供試土壤pH值均在5.00～6.50之間，僅能劃分為兩個區間段，考慮樣點的密集程度，在此將其分為4個區間段，分別為＜5.50、5.50～5.75、5.75～6.00和＞6.00（圖4）。試驗結果表明，不同pH值稻田土壤施用石灰后均能顯著降低稻米鎘的含量，平均降低幅度以土壤pH值＞6.00區間段最高，為51.2%，其次為5.75～6.00區間段，平均降幅49.0%，＜5.50和5.50～5.75區間段的稻米鎘含量平均降幅分別為46.0%和43.2%?；境尸F出隨pH值升高，稻米鎘含量降低效果增強的趨勢。

有機質是土壤最重要的成分之一，是決定土壤肥力的重要指標，其可通過與重金屬元素發生絡合、吸附等反應，影響土壤中重金屬的有效性。總體來看，供試土壤的有機質較為豐富，其含量區間在17.9～74.9 g/kg之間，但平均含量高達45.9 g/kg，低于30 g/kg的樣點數僅為3個，結合第二次土壤普查有機質豐缺程度劃分標準和供試土壤現狀，將其劃分為＜40、40～50、50～60和＞60 g/kg這4個區間段（圖5）。不同土壤有機質含量土壤，施用石灰后稻米鎘含量的降低幅度存在明顯的差異，總體上呈現出隨土壤有機質含量增加，施用石灰降低稻米鎘含量的效果減弱的趨勢。上述4個有機質含量區間段的土壤，施用石灰后稻米鎘含量的降低幅度依次為58.2%、41.2%、33.5%和44.5%。

圖4不同土壤pH值的石灰降低米鎘效果

圖5不同土壤有機質含量的石灰降低米鎘效果

土壤陽離子交換量（CEC）是土壤膠體所能吸附陽離子的總量，直接關系到土壤的緩沖能力，也是影響土壤中鎘等重金屬元素的賦存形態和植物有效性的重要指標。供試土壤CEC在9.1～23.8 cmol/kg之間，根據其變化情況，將其劃分為＜14.0、14.0～15.5、15.5～17.0和＞17.0 com/kg這4個區間（圖6）。土壤CEC在不同區間，施用石灰后稻米鎘含量的降低效果存在較為明顯的差異。稻米鎘含量降低幅度最大的是CEC在14.0～15.5 cmol/kg，達到58.2%，隨后依次為＜14.0 coml/kg （降幅49.1%）、15.5～17.0 coml/kg（降幅42.8%）和＞17.0 coml/kg（38.1%）。總體上呈現出隨CEC升高，施用石灰降低稻米鎘含量的效果減弱的趨勢。

3 討 論

圖6不同土壤CEC的石灰降低米鎘效果

施用石灰可以降低土壤中鎘的有效性和植物對鎘的吸收，其作用機理主要有2個方面：一是施用石灰后土壤pH值明顯提高，導致土壤中有效性相對較高的形態向有效性較低的形態轉化，進而降低土壤中鎘的植物有效性；二是施用石灰帶入大量的鈣離子，其對植物吸收鎘具有一定的拮抗作用[10]。該試驗的結果也證實了施用石灰能有效降低土壤中鎘的植物有效性，77個施用石灰的處理中，有73個稻米鎘含量低于對照，占95%。施用石灰后，土壤pH值有明顯提升，但土壤有效態鎘含量變化幅度較小。這可能是由于該試驗采取的有效態鎘提取方法是DTPA法有關。施用石灰后，土壤中有效性較高的交換態主要轉化為有效性相對較低的鐵錳氧化物結合態和碳酸鹽結合態，而DTPA提取法可以提取一定比例的鐵錳氧化結合態鎘[11]。

水稻對鎘吸收積累能力品種間差異已被廣泛證實[1]，但施石灰降低稻米鎘含量效果對品種的響應機理有待進一步研究。石灰施用量的差異，對鎘植物有效性有明顯影響。該試驗結果顯示，施用1 800 kg/hm2的石灰，降低稻米鎘含量的效果最好。屠乃美等[12]研究發現，在1 500、2 250和3 000 kg/hm2這3個用量下，以2 250 kg/hm2的石灰施用量降低稻米鎘含量的效果最佳，但水稻有所減產。因此，在供試土壤條件下，石灰的推薦用量為1 800 kg/hm2。

土壤環境條件是影響施用石灰降低稻米鎘含量效果的重要因子。土壤中鎘的有效性基本隨pH值升高而降低[13]，該試驗結果表明，在土壤pH值低于6.5的條件下，施用石灰是能有效降低稻米鎘含量，且降鎘效果在pH值介于6～6.5區間時，效果最佳。土壤有機質含量和CEC越高的土壤，其酸堿緩沖能力越強，調節其pH值時所需的石灰用量也越高[14-15]。該試驗的結果也顯示，隨著土壤有機質含量和CEC的提高，施用石灰降低稻米鎘含量的效果減弱。該試驗條件下，施用石灰后稻米鎘含量降低的絕對量（對照與石灰處理稻米含量的差值）與土壤全鎘含量呈極顯著正相關關系（r=0.425，P＜0.01），但不同污染程度土壤施用石灰后，米鎘含量降幅僅全鎘含量在0.6～0.9 mg/kg時顯著低于其他鎘含量區間，這可能與該區間土壤有機質含量（僅低于＞0.9 mg/kg區間）和CEC（較其他區間高1.4～3.1 cmol/kg）相對較高有關。

4 結 論

通過多點田間試驗研究發現，施用石灰可提高酸性土壤pH值，大幅度降低稻米鎘含量。而且施用石灰降低稻米鎘含量的效果受到管理措施和土壤環境條件的影響，在該區域的鎘污染酸性稻田，石灰的適宜用量為1 800 kg/hm2。在土壤本底pH值低于6.5的條件下，隨著pH值的升高，施石灰降低稻米鎘含量的效果增強。土壤有機質含量低于40 g/kg和土壤CEC在14～15.5 cmol/kg時，施石灰降低稻米鎘含量的效果較好，隨土壤有機質含量和CEC的升高，施用石灰降低稻米鎘含量的效果呈明顯的減弱趨勢。

[1] He Y B，Huang D Y，Zhu Q H，et al. A three-season field study on the in-situ remediation of Cd-contaminated paddy soil using lime，two industrial by-products，and a low-Cd-accumulation rice cultivar [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，2017，（136）：135-141.

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[15] 李學垣. 土壤化學[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

（責任編輯：肖彥資）

Effects of Lime on Reducing Cadmium Content in Rice and Its Influencing Factors

HU Zhao-hua1，JIN Lei2，ZHU Han-hua3
（1. Agriculture Commission of Xiangtan City, Xiangtan 411100, PRC; 2. Hunan Academy of Microbiology, Changsha 410009, PRC; 3. Institute of Subtropical Agriculture, the CAS, Changsha 410125, PRC）

In order to find out the effect of lime on reducing cadmium content in rice field polluted by acid cadmium pollution and its influencing factors, the lime test was carried out at 16 different sites in Xiangtan. Taking the decline of cadmium content of rice as the main evaluation index, the effects of management measures and soil environment conditions on the effect of lime on reducing cadmium content in rice were analyzed.The results showed that applying the lime 750-1 800 kg/hm2, the soil pH value increased by 0.16 units on average, and the average cadmium content of rice decreased from 0.29 mg/kg to 0.13 mg/kg. The optimum amount of lime was 1 800 kg/hm2, and the average decrease of cadmium content in rice was 58.3%. When soil background pH value was lower than 6.5, with the increase of pH value, the effect of lime on lower the cadmium content in rice was enhanced.With the increase of soil organic matter content and CEC, the effect of lime on lower the cadmium content of rice decreased obviously.

lime; soil; cadmium pollution; rice; management measures; soil environmental conditions

S511

：A

：1006-060X（2017）08-0020-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.006

2017-06-12

中國科學院STS項目（KFJ-STS-ZDTP-008）

胡召華（1984-），男，湖南湘潭市人，農藝師，主要從事土壤肥料和農業環境保護工作。

朱捍華