綜合降鎘技術(shù)在不同污染程度稻田土壤下的應(yīng)用效果研究

楊小粉 劉欽云 袁向紅 吳勇俊 鄭海飄 聶凌利 李翊君 張文 敖和軍*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/南方糧油協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙410128；2湖南省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境保護(hù)工作站，長(zhǎng)沙410125；3湖南省長(zhǎng)沙縣農(nóng)業(yè)和林業(yè)局，湖南長(zhǎng)沙410100；第一作者：2285316669@qq.com；*通訊作者：aohejun@126.com）

鎘（Cd）是對(duì)人體毒性極強(qiáng)，極易被吸收的有毒元素，也是對(duì)人和動(dòng)植物毒性大的重金屬元素之一[1]。水稻是我國重要的糧食作物，其產(chǎn)量高低和品質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)和人們的生活[2]，同時(shí)，水稻也是一種鎘積累能力較強(qiáng)的農(nóng)作物。研究表明，進(jìn)入人體的鎘食物來源中，大米占到40%，鎘可通過水稻進(jìn)入食物鏈進(jìn)而進(jìn)入人體并且具有可積累性，達(dá)到一定劑量會(huì)危害人體健康[3]。因此，水稻鎘污染問題不容忽視。據(jù)調(diào)查，稻米鎘超標(biāo)現(xiàn)象在我國各地均有發(fā)生，尤其是在湖南、廣東、廣西、福建、浙江等省份，超標(biāo)率約在5%～15%[4]。如何控制水稻鎘污染并實(shí)現(xiàn)其安全生產(chǎn)已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的課題。

目前國內(nèi)外關(guān)于水稻鎘污染研究主要集中在品種、品質(zhì)和產(chǎn)量、土壤類型、土壤改良、pH、灌溉方式、施肥、栽培模式、鎘在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配、鎘耐性及其分子機(jī)制、水稻鎘脅迫條件下的水稻生理性狀及農(nóng)藝學(xué)性狀和耐性機(jī)理等方面[5-9]。對(duì)于土壤鎘污染治理采取的方法主要集中在以客土法、換土法、深耕翻土法、電動(dòng)力修復(fù)法等為主的工程措施[10]，但這些措施需花費(fèi)大量的人力與財(cái)力，并且存在客土來源和污土去向這一難以解決的問題，因此不是理想的土壤鎘污染治理方法；以淋溶法、施用改良劑等方法為主的化學(xué)治理措施[11]，短時(shí)期內(nèi)雖能起到降鎘的效果，但容易造成土壤二次污染，限制了該技術(shù)的推廣；以通過調(diào)節(jié)諸如土壤水分、土壤pH、氣溫、濕度等因素來改變土壤中Cd的活性，是降低其生物有效性，減弱鎘對(duì)植物的毒害作用的農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施[8-9]，但該技術(shù)存在著不可操控，且單一改良技術(shù)對(duì)于不同污染程度土壤效果不一，導(dǎo)致該技術(shù)實(shí)施范圍受阻。而對(duì)于多種措施綜合治理鎘污染土壤方面的研究較少。為此，本課題組提出了VIP綜合降鎘技術(shù)[12]。為探究VIP降鎘技術(shù)在不同土壤污染程度下的適應(yīng)性，在湖南省38個(gè)鎘污染區(qū)進(jìn)行了大田小區(qū)試驗(yàn)，以為重金屬鎘污染稻田的修復(fù)治理以及有效降低大米鎘含量提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2014年在湖南省38丘不同污染程度的稻田進(jìn)行，將諸多田塊按整地前土壤鎘含量進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：輕微（土壤全鎘≤0.3 mg/kg）、輕度（土壤全鎘0.3～0.6 mg/kg）、中度（土壤全鎘0.6～0.9 mg/kg）和重度（土壤全鎘＞0.9 mg/kg）。

表1 不同處理技術(shù)對(duì)米鎘含量及米鎘富集系數(shù)的影響

1.2 試驗(yàn)材料

選用低鎘型水稻品種為試驗(yàn)材料，早稻為株兩優(yōu)819或湘早秈32號(hào)，晚稻為湘晚秈13號(hào)或株兩優(yōu)996，以當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣種植的品種為對(duì)照。

1.3 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：對(duì)照（CK），采用當(dāng)?shù)仄贩N，完全按照當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)栽培管理技術(shù)，即不施用任何土壤改良劑，水分管理為常規(guī)管理；種植低鎘積累品種（V），種植經(jīng)湖南省農(nóng)業(yè)委員會(huì)認(rèn)定的低鎘型水稻品種，栽培管理技術(shù)同對(duì)照；科學(xué)管理水分和撒施石灰（IP），前期保持田間有水層，分蘗盛期露田不曬田，之后立即復(fù)水，籽粒灌漿期田間必須有淺水層，直至收割前7 d左右開始自然落干，分蘗末期每667 m2施用石灰60 kg；采用綜合技術(shù)（VIP），種植低鎘品種，其余同IP處理。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2。早晚稻在同一試驗(yàn)田進(jìn)行，并保持小區(qū)排列不變。各小區(qū)單排單灌，小區(qū)間留走道和灌排水溝。播種及移栽時(shí)間參考當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)事季節(jié)，整個(gè)小區(qū)內(nèi)采用人工除草，病蟲害按當(dāng)?shù)夭∠x害情報(bào)進(jìn)行防治，不打高濃度的藥劑，比常規(guī)的大田多噴幾次藥；不施用過磷酸鈣，施肥量及其他栽培管理措施參考當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)。

1.5 觀察記載項(xiàng)目

在早稻整地前，早、晚稻收獲時(shí)按5點(diǎn)取樣法采集稻谷和土壤樣品。土壤自然風(fēng)干，稻谷烘干去糙后，粉碎，按GB/T5009.15-2003的方法測(cè)定土壤和大米鎘含量。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SAS 9.3統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)米鎘含量及米鎘富集系數(shù)的影響

由表1可知，在早、晚稻的4種處理中，CK的大米鎘含量最高，分別為0.268 mg/kg和0.451 mg/kg，VIP處理米鎘含量最低，分別為0.183 mg/kg和0.329 mg/kg，比CK分別降低31.9%和27.1%。早稻V、IP處理米鎘含量與CK相比分別降低了10.8%和21.1%，IP、VIP處理與CK相比，米鎘含量存在顯著差異；晚稻V、IP處理與CK相比分別降低了17.6%和15.4%，V、IP、VIP處理米鎘含量與CK差異顯著。可見，與CK相比，V、IP、VIP處理均有降低米鎘含量的作用，鎘在稻米中的富集系數(shù)明顯降低，其中VIP處理效果最好。早稻IP、VIP處理與CK處理均存在顯著差異；晚稻V、IP、VIP處理與CK處理均存在顯著差異。同一處理早稻米鎘含量低于晚稻，晚稻米鎘的富集高于早稻。

2.2 不同處理技術(shù)對(duì)土壤全鎘含量及土壤pH的影響

由表2可知，與CK相比，V、IP、VIP處理對(duì)早、晚稻土壤全鎘含量無明顯影響。對(duì)于土壤pH值，早、晚稻中IP、VIP處理均與CK、V處理差異顯著，在一定程度上提高了土壤pH值，而V處理對(duì)土壤pH值影響小。同一處理?xiàng)l件下，早稻土壤全鎘含量高于晚稻，而土壤pH值低于晚稻。

2.3 不同處理技術(shù)在不同土壤污染下對(duì)米鎘含量的影響

由表3可見，V、IP、VIP處理技術(shù)在不同土壤污染條件下對(duì)米鎘含量的降低作用存在差異性。在土壤輕微污染條件下，與CK相比，早稻IP、VIP處理顯著降低了米鎘含量，其中IP處理降低幅度最大，達(dá)48.7%；晚稻以VIP處理效果最好，相比CK降低了45.0%，差異達(dá)顯著水平。輕度污染條件下，早稻各處理與CK相比雖有降低糙米鎘含量的作用，但差異不顯著；晚稻VIP處理降低幅度最大，達(dá)32.6%，與CK相比差異顯著。中度污染條件下，早稻VIP處理的降低幅度最大為

表2 不同處理技術(shù)對(duì)土壤全鎘含量及土壤pH的影響

表3 不同處理技術(shù)在不同土壤污染下對(duì)米鎘含量的影響

表4 不同處理技術(shù)在不同土壤污染條件下對(duì)早、晚稻土壤pH的影響

46.8%，與CK相比差異顯著；晚稻3種處理與CK相比差異不顯著。重度污染條件下，早、晚稻4種處理均有降低米鎘含量的作用，但差異不顯著。同一污染程度同一處理?xiàng)l件下，晚稻米鎘含量均高于早稻。

2.4 不同處理技術(shù)在不同土壤污染條件下對(duì)早、晚稻土壤pH的影響

由表4可知，同一土壤污染條件下，早稻各處理間土壤pH值差異不顯著。晚稻中，與CK相比，V、IP、VIP處理均提高了同種污染程度土壤的pH值。在輕微和中度污染土壤中，IP、VIP處理與CK差異達(dá)顯著水平；輕度污染中，VIP處理與CK、V處理差異達(dá)顯著水平，與IP處理差異不顯著；重度污染下，V、IP、VIP處理與CK相比pH值均有提高，但差異不顯著。由此可見，各種處理技術(shù)對(duì)晚稻的土壤pH影響較大，在同一污染程度同一處理?xiàng)l件下，早稻土壤pH值小于晚稻。

2.5 早、晚稻土壤鎘污染程度與米鎘含量的相關(guān)性

由圖1可知，早、晚稻米鎘含量與土壤鎘含量均呈顯著正相關(guān)，其決定系數(shù)分別為0.1822、0.3126。由此可見，米鎘含量與土壤的鎘污染程度有很大的關(guān)系。同時(shí)，當(dāng)早、晚稻土壤鎘含量相同時(shí)，晚稻米鎘含量高于早稻，即晚稻米鎘含量隨土壤鎘含量升高而增加的幅度大于早稻，說明同一土壤鎘污染程度下，晚稻米對(duì)鎘的富集能力更強(qiáng)。

2.6 不同土壤污染條件下對(duì)照處理大米鎘含量富集系數(shù)的差異性比較

圖1 早、晚稻土壤鎘污染程度與米鎘含量的相關(guān)性

表5 不同土壤污染條件下對(duì)照處理米鎘含量富集系數(shù)

由表5可見，在不使用任何控制技術(shù)的情況下，隨著土壤污染程度的加重，大米鎘的富集系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，早、晚稻規(guī)律表現(xiàn)一致。在輕微土壤污染條件下，早、晚稻米鎘富集系數(shù)最大，分別為0.78 mg/kg、1.26 mg/kg，早稻輕微污染土壤中米鎘的富集系數(shù)與輕度、中度、重度污染土壤的富集系數(shù)差異達(dá)顯著水平，晚稻輕微污染與輕、中度污染條件下，大米鎘富集系數(shù)差異不顯著，與重度污染下米鎘富集系數(shù)的差異達(dá)顯著水平。在不同污染程度的土壤中，晚稻米鎘富集系數(shù)高于早稻。

3 結(jié)論與討論

由本試驗(yàn)結(jié)果可知，早、晚稻V、IP、VIP處理都有降低米鎘含量的作用，其中以VIP處理效果較好，與CK相比分別降低了31.9%、27.1%，差異達(dá)顯著水平，這與沈欣等[13]的研究結(jié)果一致。同時(shí)，早稻米鎘含量低于晚稻，這是因?yàn)樵绲静诿讓?duì)鎘的富集能力弱于晚稻，因此從土壤轉(zhuǎn)運(yùn)到早稻植株體內(nèi)富集至糙米中的鎘較少。晚稻土壤pH值高于早稻，而土壤pH值與土壤中有效態(tài)鎘含量呈負(fù)相關(guān)[14]，所以同一處理晚稻土壤鎘含量低于早稻。在不使用任何控制技術(shù)時(shí)，土壤輕微污染條件下，早、晚稻米鎘富集系數(shù)最大，與輕度、中度、重度污染土壤差異達(dá)顯著水平。大米鎘的富集系數(shù)是隨著土壤鎘污染程度的增加而呈下降趨勢(shì)，早、晚稻表現(xiàn)一致。這說明水稻在低濃度范圍內(nèi)鎘富集能力更強(qiáng)，這與龍小林等[15]的研究結(jié)果一致。同時(shí)，在不同污染程度的土壤中，晚稻米鎘隨土壤鎘含量升高的增加幅度大于早稻，即晚稻米鎘富集系數(shù)高于早稻。

V、IP、VIP處理對(duì)早稻以及晚稻的重度污染土壤pH影響不大，而在晚稻輕微、輕度、中度污染條件下，IP、VIP處理效果與CK差異顯著。由此可見，各處理對(duì)晚稻的土壤pH影響效果更顯著。在同一污染程度同一處理?xiàng)l件下，早稻土壤鎘含量高于晚稻，這是由于晚稻土壤pH高于早稻，而土壤中有效態(tài)鎘含量隨著土壤pH的升高而降低。

各處理在不同土壤污染環(huán)境中進(jìn)行，米鎘的積累存在較大差異。由本試驗(yàn)結(jié)果可知，早、晚稻米鎘含量隨土鎘含量的增加而增加，重度污染條件下米鎘含量最高，輕微條件下均表現(xiàn)為最低，輕度和中度污染條件下米鎘含量介于兩者之間。即稻米對(duì)鎘的吸收跟土壤的鎘污染程度有很大的關(guān)系，水稻種植污染區(qū)土壤環(huán)境的改善是降低糙米鎘含量的一個(gè)主要途徑。從農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全方面考慮，在鎘污染嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)選擇避害策略，可以采用農(nóng)業(yè)生態(tài)工程技術(shù)，選用非食用作物代替水稻，從而控制食物鏈的污染危害。

綜合降鎘措施（VIP技術(shù)）對(duì)于不同程度鎘污染稻田的修復(fù)治理具有重要的意義，不同處理技術(shù)在不同的土壤污染程度下均有降低米鎘含量的作用。同時(shí)，也可使輕微、輕度稻田土壤污染條件下米鎘含量達(dá)到國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于中度、重度土壤污染區(qū)水稻米鎘含量降低的措施有待進(jìn)一步研究。

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