土壤調控劑與硅肥配施對鎘污染土壤的改良效果及水稻吸收鎘的影響

鄧曉霞，黎其萬，李茂萱，陳 璐，張文波，杜麗娟，劉賢金，盧海燕，米艷華*

(1.云南省農業科學院質量標準與檢測技術研究所，云南 昆明 650223；2.云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650223；3.個舊市大屯鎮農業綜合服務中心，云南 個舊 661077；4.江蘇省食品質量安全重點實驗室，江蘇 南京 210000)

【研究意義】鎘(Cd)是一種非必需元素，易溶于水、易被植物吸收累積而進入食物鏈，具有較強的致癌、致畸及致突變等作用，過量食用Cd污染的農產品有害人們的身體健康。水稻是中國重要的糧食作物，超過60 %的人口是以大米為主食，但超過1.3×105km2的農田受到Cd污染[1]。云南省個舊市素有“錫都”美譽，但是在礦產開采和冶煉中三廢沒有得到處理，直接進入環境中，造成土壤重金屬超標。喬鵬煒等[2]對個舊市大屯盆地土壤重金屬污染評價發現Cd對農田土壤的污染率為68 %。因此，研究個舊礦區水稻Cd調控技術具有重要的意義。【前人研究進展】目前，土壤重金屬污染的調控機理主要有植物修復、微生物修復、沉淀固定、吸附作用和有機絡合及螯合以及離子拮抗等。添加調控劑可以與重金屬發生吸附、絡合、沉淀、離子交換和氧化還原等一系列反應，降低重金屬有效性，從而降低重金屬的毒性[3]。該方法因投入低、效率高和操作方便的特點得到廣泛的應用[4]。研究發現向土壤中施加硅肥不僅可以促進水稻生長發育，還能緩解重金屬的毒害作用[5]。但硅肥進入土壤后溶解性差，容易被土壤膠體吸收固定，不易為植物利用[6]。葉面肥早在20世紀30年代就在其他國家被用來作為土壤施肥的補充，在日本，因硅肥可以增加水稻產量而被廣泛施用到農田中[7]。同時，葉面硅肥不僅可以緩解重金屬對作物的毒害作用[8]，而且葉面施肥具有肥效好、養分利用率高、針對性強、施用方便等特點[9]。然而，由于生產過程中條件的限制，單一調控劑措施難以滿足生產的需要，相關研究表明，與基施硅肥和噴施硅肥等單項措施相比，硅肥基施與葉面噴施硅肥聯合處理可以有效降低水稻籽粒Cd的含量[10]。【本研究切入點】本文選取云南省個舊市Cd污染稻田，采用大田試驗的方法，對基施土壤調控劑、噴施葉面硅肥等調控措施以及不同聯合調控措施對土壤Cd形態影響以及稻米Cd的阻控效果開展了研究，【擬解決的關鍵問題】以期為云南省稻米Cd污染阻控技術提供基礎理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點選取云南省個舊市大屯鎮水稻種植區，土壤類型為紅壤性水稻土，基本理化性質如下：陽離子交換量(CEC)21.3 cmol/kg，有機質含量52.3 g/kg，速效磷含量16.7 mg/kg，速效鉀含量77 mg/kg；總 Cd含量2.14 mg/kg，pH值5.5。

供試作物為水稻(OryzasativaL.)，品種為紅優4號，由云南省紅河州個舊市大屯鎮農業綜合服務中心提供。

供試的調控材料為：T1(66.7 %納米活性碳+33.3 %硅鉀鈣鎂肥)、T2(23.8 %火山石+71.4 %有機肥+4.8 %鈣鎂磷肥)，Si(葉面硅肥，SiO2≥25 %)。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理，分別為對照(CK)：不添加調控劑；納米活性碳+硅鉀鈣鎂肥單一處理(T1)：添加量為1125 kg/hm2；火山石+有機肥+鈣鎂磷肥單一處理(T2)：添加量為3150 kg/hm2；葉面硅肥單一處理(Si)：添加量為3750 mL/hm2；T1+Si聯合處理：添加量為T1(1125 kg/hm2)+Si(3750 mL/hm2)；T2+Si聯合處理：添加量為T2(3150 kg/hm2)+Si(3750 mL/hm2)，每個處理設3次重復，小區面積為40 m2。

2015年4月開始水稻育秧，土壤調控劑T1、T2

表1 試驗材料來源及其基本理化性質

于稻田灌水時作為基肥分處理撒施并使其與土壤充分均勻，2015年5月16日進行水稻秧苗移栽。于水稻抽穗期和灌漿期選擇無風天晴的下午噴施葉面硅肥。

1.3 樣品處理

水稻成熟后分處理采集水稻樣品及其根際土壤樣品，編號分裝后帶回實驗室進行樣品處理，水稻植株分為根、莖葉、稻谷3個部分，清洗干凈后于105 ℃下殺青30 min，再在70 ℃下烘至恒重。取烘干的稻谷用壟谷機脫殼后得到糙米；根、莖葉、糙米等樣品粉碎后保存待測。土壤樣品自然條件風干、研磨、然后過100 目尼龍篩保存待測。

1.4 樣品分析測試方法

植物樣品采用HNO3-HClO4法(3∶1，V/V)消解，土壤重金屬全量采用HClO4+HF+HNO3法消解，土壤重金屬形態分析采用改進BCR 分級提取方法提取，共分為4個形態：酸可提取態(AE)、可還原態(Red)、可氧化態(Oxi)以及渣態(Res)。上述待測液中的Cd含量的分析測定采用美國Perkin Elmer公司生產的ICP-MS(ELAN DRC-e型)。土壤pH值用酸度計(STARTER 3100，奧豪斯儀器(上海)有限公司)測定，土水比值為1∶2.5。

1.5 數據統計分析方法

數據采用Excel 2010、SPSS 22.0軟件進行統計分析和圖形處理。各處理之間的差異顯著性分析采用新復極差法(Duncan 法)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同調控處理對土壤pH值的影響

施加調控劑后，土壤pH變化如圖1所示。不同調控劑處理后，均在不同程度上增加土壤pH值。與CK相比，添加T1和T2調控劑土壤pH分別升高0.56和0.80個單位；噴施葉面硅肥，對土壤pH的影響較小。與CK相比，添加T1+Si和T2+Si聯合調控劑土壤pH值分別升高0.34和0.48個單位。統計分析表明，不同調控劑處理土壤pH值與CK存在顯著性差異(P<0.05)，單一處理對土壤pH提升效果優于聯合處理，其中，T2對pH值調控效果最好。

圖1 不同處理對土壤pH值的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil pH values

2.2 不同調控處理對鎘形態的影響

圖2為添加不同調控劑處理后Cd賦存形態分布圖。可以看出，不加調控劑時，Cd主要以殘渣態(49.4 %)形式存在，其次是酸可提取態(31.4 %)，其余為可還原態(13.5 %)和可氧化態(5.7 %)。調控劑處理后，酸可提取態Cd含量均有不同程度的降低，殘渣態均有增加。與CK相比，T1和T2單一調控劑處理土壤酸可提取態Cd分別降低了6.3 %和12.0 %，殘渣態Cd分別增加了7.5 %和9.5 %。T2對土壤酸可提取態Cd的調控效果優于T1。T1+Si和T2+Si聯合調控劑的處理酸可提取態Cd含量與CK相比分別降低了31.6 %和23.6 %，而殘渣態Cd分別增加了18.7 %和11.0 %。綜合來看，土壤中酸可提取態Cd含量的降低幅度表現為聯合處理好于單一處理，且降低幅度最大的處理是T1+Si。

圖2 不同調控劑對Cd形態分布的影響Fig.2 Effects of different control agent on distribution of Cd fraction in soil

圖3 不同試驗處理對水稻產量的影響Fig.3 Effects of different treatments on rice yield

不同的調控劑Different regulatorsCd含量(mg/kg) Contents of Cd根系Root莖葉Stem and leaves糙米Brown riceCK2.84±0.15a1.15±0.07d0.20±0.02aT12.43±0.09b1.90±0.27b0.16±0.02aT22.63±0.08ab2.36±0.20a0.18±0.03aSi2.49±0.17b2.48±0.15a0.19±0.02aT1+Si2.65±0.16ab2.03±0.10b0.11±0.01bT2+Si2.04±0.06c1.60±0.14c0.19±0.01a

注：同列不同字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters within a column indicate significant differences(P<0.05)among treatments. The same as below.

2.3 不同調控處理對水稻產量及各部位吸收積累Cd含量的影響

圖3為不同處理對水稻產量的影響，不同處理水稻產量差異顯著(P<0.05)。T1、T2和Si單一調控劑處理后水稻增加幅度分別為9 %、12.4 %和12.3 %，其中T2處理的增產幅度最大。T1+Si和T2+Si聯合調控處理水稻產量分別增加了27.2 %和29.7 %，T2+Si處理增產效果優于T1+Si處理。綜合分析表明，聯合調控處理水稻增產效果優于單一調控處理，T2+Si處理增產效果最好。

表2為調控劑處理后對水稻根系、莖葉和糙米中Pb 含量的影響。總體表現為：根系>莖葉>糙米。與對照相比，T1、T2 和Si三個單一調控劑處理后根系中Cd含量分別降低了14.5 %、7.4 %和12.2 %，莖葉中Cd含量都有不同程度的增加，糙米中Cd含量分別降低了17.1 %、6.6 %和5.0 %。與CK相比，T1+Si和T2+Si聯合調控處理后根系中Cd含量分別降低了7.0 %和28.2 %，莖葉中Cd含量均有不同程度的增加，糙米中Cd含量分別降低了45.3 %和4.4 %。綜合分析表明，調控劑處理后水稻根系和糙米中Cd含量都有不同程度的降低，但莖葉中Cd含量都有不同程度的上升，T2+Si對水稻根系吸收積累Cd抑制效果優于其他處理(P<0.05)，T1+Si對水稻糙米吸收累積Cd調控效果低于其他處理(P<0.05)，且所有調控劑處理后糙米中Cd含量都低于國家食品中污染物限量標準(GB 2762-2012) 。

2.4 不同調控處理對水稻各器官Cd轉運能力的影響

統計分析水稻到莖葉、莖葉到糙米和根系到糙米的轉運系數，結果見表3。Cd在水稻各器官轉運能力大小順序為：根系到莖葉>莖葉到糙米>根系到糙米。Cd從水稻到莖葉的轉運系數均高于對照，莖葉到糙米的轉運系數在0.053～0.173，根系到糙米的轉運系數在0.092～0.041。與對照相比，調控劑處理均顯著降低Cd從莖葉到糙米的轉運能力，T1+Si顯著降低Cd從根系到糙米的轉運系數。T1+Si處理莖葉到糙米、根系到糙米的轉運系數低于其他調控處理，表明T1+Si組配調控處理對抑制Cd在水稻中的吸收轉運效果最好。

表3 不同處理對Cd在水稻部位間轉移系數的影響

表4 土壤pH值、Cd形態含量、水稻Cd含量的相關性

注：* 表示P<0.05顯著相關，**表示P<0.01 極顯著相關。

Note：* and ** represent significant correlation atP<0.05 andP<0.01, respectively.

2.5 土壤pH值、各形態Cd含量和水稻中Cd含量的相關性分析

通過對不同處理土壤pH值、各形態Cd含量以及水稻Cd含量進行相關性分析，結果見表4。土壤pH值與莖葉中Cd含量呈極顯著正相關(0.751，P<0.01)。酸可提取態Cd含量與殘渣態Cd含量呈極顯著負相關(-0.624，P<0.01)，與莖葉中Cd含量呈顯著負相關(-0.489，P<0.05)，與糙米中Cd含量呈顯著正相關(0.490，P<0.05)。可還原態Cd含量與根系中Cd含量呈極顯著正相關(0.628，P<0.01)。以上分析看出，土壤中酸可提取態Cd含量的降低可能會導致糙米中Cd含量的減少。

3 討 論

土壤中重金屬離子的吸附和解吸受土壤pH值影響，土壤pH值升高，土壤表面負電荷對重金屬的吸附作用會逐漸增強，重金屬在土壤中的遷移轉化能力也隨之降低。吳文成等[11]通過室內實驗得出，添加鈣鎂磷肥和硅肥后土壤pH有不同程度的提升，土壤重金屬可交換態則顯著降低，土壤中可交換態Cd、Pb和Zn含量與pH 值呈極顯著負相關(P<0.01)。本試驗中，供試硅鉀鈣鎂肥、鈣鎂磷肥、有機肥等為堿性肥，施用后可提高土壤pH，這可能是降低土壤酸可提取態Cd含量的作用機理之一。

水稻是一種富硅植物，硅可以促進水稻生長發育，提高水稻抗蟲性，降低重金屬的毒害作用。Liu 等[19]研究發現，水稻葉面噴施硅肥沉積后運輸到根系，可以增強根系細胞壁結合Cd的量，進而降低Cd對水稻的毒害作用。王世華等[20]發現水稻噴施硅肥，不僅能增加水稻百粒質量和單株穗質量還能降低籽粒中Cd含量。本研究噴施葉面硅肥后水稻產量明顯增加，莖葉和糙米中Cd含量有不同程度的降低，可能是因為噴施硅肥后，沉積于莖部和葉部細胞壁的Si可以與Cd2 +形成Si-Cd 的復合物，從而減輕Cd 在水稻穗部的遷移和積累[10]，降低糙米中Cd含量。也可能是Si 沉積在葉片中可以防止Cd對水稻籽粒的毒害效應，Cd主動分布于表皮細胞的液泡、附屬物毛狀體、維管束等生理活性較低的部位所致。本研究添加土壤調控劑與葉面硅肥聯合處理后，糙米中Cd含量降低，其作用機理可能有兩個方面，一是聯合處理顯著降低了酸可提取態Cd含量，減少水稻可利用Cd的來源，二是聯合處理抑制了Cd從莖葉到糙米以及根系到糙米的轉運。

4 結 論

(1)添加土壤調控劑后土壤pH 值均有不同程度的升高，葉面噴施硅肥對土壤pH調控效果不明顯。火山石+鈣鎂磷肥土壤調控劑處理對pH調控效果最好，與對照相比，土壤pH值提高了0.80個單位。

(2)調控劑處理后，酸可提取態Cd含量均有不同程度的降低，殘渣態均有增加，聯合調控劑對土壤Cd形態的調控效果優于單一調控劑。納米活性炭+硅鉀鈣鎂肥和葉面硅肥聯合調控對土壤Cd酸可提取態的降低效果最好，酸可提取態Cd含量較對照降低了31.6 %，殘渣態Cd增加了18.7 %。

(3)調控措施處理后水稻有一定的增產效果，納米活性炭+硅鉀鈣鎂肥和火山石+鈣鎂磷肥與葉面硅肥聯合調控處理后水稻產量分別增加27.2 %和29.7 %，增產效果明顯優于單一調控措施。不同處理水稻根系和糙米中Cd含量都有不同程度的降低，但莖葉中Cd含量有不同程度的上升，水稻根系和糙米中Cd含量有不同程度的降低，所有處理糙米中Cd含量低于國家食品中污染物限量標準( GB 2762-2012)，納米活性炭+硅鉀鈣鎂肥+葉面硅肥聯合調控處理糙米中Cd含量降低45.3 %，顯著低于其他處理(P<0.05)。

綜上所述，采用T1(納米活性碳+硅鉀鈣鎂肥)+Si(水稻生長后期噴施硅肥)的聯合處理，水稻產量增加27.2 %，酸可提取態Cd含量降低了31.6 %，殘渣態Cd含量增加了18.7 %，莖葉到糙米、根系到糙米的轉運系數低于其他調控處理，納米活性炭+硅鉀鈣鎂肥+葉面硅肥聯合調控劑可以顯著降低糙米對Cd的吸收累積。