水分管理、鐵硅材料與生物炭對不同水稻品種吸收鎘的影響及其機制

羅小麗，鞠 琳，姚愛軍，*，劉 沖，楊燕花，3，曹 健，湯葉濤，3，，仇榮亮，3，

（1.中山大學地理科學與規劃學院，廣州 510275；2.中山大學環境科學與工程學院，廣州 510275；3.中山大學廣東省環境污染控制與修復重點實驗室，廣州 510275；4.中山大學-致勝土壤環境修復研究中心，廣州 510275）

根據《全國土壤污染狀況調查公報》（2014年4月）[1]，全國耕地土壤的點位超標率達19.4%，其中鎘（Cd）點位超標率為7.0%，在污染元素中排第一位。Cd在土壤中生物活性較高，且容易被水稻吸收并轉運至籽粒[2]。Cd通過土壤-農作物進入到食物鏈將危及人體健康[3]。

為修復中輕度Cd污染農田，亟需尋找高效、低成本、易于推廣的修復技術與模式。已有研究發現，農藝調控如全生育期淹水，可大幅降低水稻籽粒中Cd含量，且其操作簡單，具有可持續性[4]。有研究認為淹水條件有利于Cd2+向CdS轉化[5]，從而降低植物對Cd的吸收。同時也有研究發現水稻等濕地植物在淹水的作用下，根系通過釋放氧氣從而使根表形成一種紅褐色的鐵膜[6]，能促進[5]或抑制[7]糙米中某些元素的積累。不同水稻品種對Cd的吸收能力有顯著差異[8]，相較于常規水稻，在Cd脅迫下雜交稻的籽粒表現出優于常規稻的Cd低積累性[9]，通過品種選擇可以降低水稻Cd的含量[10]，但其在不同水分條件下的表現尚不明確。近年各類鈍化劑已被證實可以不同程度調控重金屬有效性。鐵硅材料是一類新型的堿性富鐵硅型的鈍化重金屬材料，可以提高酸性土壤中的pH，對重金屬的修復機制以化學沉淀為主[11]。生物炭是生物質在完全或部分缺氧情況下經熱解產生的高度芳構化的碳質材料[12]，主要呈堿性，具有多孔性結構和巨大的比表面積，對重金屬有吸附作用[13]。

在中輕度Cd污染條件下，采用單一技術在很多時候不能將農作物可食部位中Cd的含量降低至安全水平之下，因此，需要采用聯合修復技術模式。目前，關于水分管理聯合低積累水稻品種技術模式和水分管理聯合鈍化劑（鐵硅材料及生物炭）技術模式的研究較少，其可能機制仍不明確。本研究利用田間微區試驗，采用三種水分管理模式聯合低累積水稻品種以及水分管理+鈍化劑（鐵硅材料與生物炭）+低累積水稻品種聯合修復模式，比較研究了不同模式下水稻對Cd吸收的差異，并探討其可能的機理，以期為Cd污染農田土壤修復提供依據。

1 材料與方法

選擇廣東省某礦區周邊Cd污染農田開展雙季稻早稻大田微區試驗（2017年4月5日種植，2017月8月8日收獲）。供試土壤pH 5.64，為酸性土壤，有機質含量1.04%，堿解氮含量203.76 mg·kg-1，速效鉀含量為98 mg·kg-1，全磷含量為0.162%，Cd含量（見表1）是農用地土壤污染風險篩選值（GB 15618—2018）的2.5倍，具有較高的環境風險和農產品超標風險，有必要采取修復措施。

表1 試驗農田土壤和鈍化劑基本性質Table 1 Properties of the paddy soil and amendments

1.1 供試作物

供試作物為水稻（Oryza sativa L.），供試水稻品種共3種：常規品種G5（G8優165）、低吸收品種G8（G8優2168）、低吸收品種T6（T優816）。

1.2 鈍化材料

供試鈍化材料：鐵硅材料（IS）（專利號：ZL201510602213.6）和生物炭（B）基本理化性質見表1。生物質炭和鐵硅材料中鎘的含量約為《肥料中砷鎘鉛鉻汞生態指標（GB/T 23349—2009）》[14]中肥料允許標準的1/50～1/80，當每年每單位面積施用量不超過肥料用量的50～80倍時，生態風險可控。

1.3 試驗設計

隨機區組試驗：

（1）水分管理+水稻品種：3種水分處理前期管理一致，即從幼苗到分孽初期保持3 cm淺層淹水，水分管理從分孽初期到成熟期進行，設置（1）干旱處理（D）：保持土壤水分為飽和不淹水狀態，土壤含水量約為68%～80%。（2）間歇淹水水分處理（IF）：淹水3～5 cm，自然落干至飽和不淹水狀態后重新淹水3～5 cm。（3）持續淹水水分處理（CF）：持續保持3～5 cm淹水層。每種水分管理模式均種植3種水稻品種G5、G8、T6。所有處理在收獲前15 d左右讓水分自然落干。

（2）水分管理+鈍化劑（鐵硅材料和生物炭）處理：鈍化劑處理包括鐵硅材料（IS）和鐵硅材料（IS）+生物炭（B）（ISB）兩種處理，每種鈍化劑處理均在水稻插秧前3～7 d施入土壤并耙田混勻。每種鈍化劑處理在水稻分蘗初期到成熟期分別設置干旱（D），間歇淹水（IF），持續淹水（CF）3種水分管理模式，各鈍化處理均種植低吸收水稻品種G8。鈍化劑添加量為：鐵硅材料+生物炭復合處理：鐵硅材料675 g·m-2+生物炭225 g·m-2，鐵硅材料處理：675 g·m-2。

由于試驗處理較多，按常規設計，大田面積過大，為盡量減少大田污染狀況分布變異給試驗結果帶來的影響，使各個處理之間具有可比性，采用田間微區試驗的方法，3種水分管理模式+水稻品種處理每個微區的面積為1 m×6 m（每個水分處理微區均種植3種水稻品種，每個水稻品種面積為2 m2，品種之間間隔一行，為保證水分條件一致性，同一水分管理模式微區內不同水稻品種間不用田埂間隔），3種水分處理各重復3次，共9個微區。水分管理+鈍化劑處理每個微區的面積為1 m×2 m，均種植低累積水稻G8，兩種鈍化劑處理均分別設置3種水分管理模式，共6個處理，重復3次，共18個微區。相鄰微區間隔為1.0 m（兩個0.3 m寬、0.2 m高的田埂，一條0.4 m寬、0.2 m深的溝）。各小區獨立灌排。隨機區組排列。各處理按常規施肥，在秧苗移栽后7 d和14 d分別施用NPK復合肥（15∶15∶15）11.25 g·m-2和22.5 g·m-2。從幼苗到分孽初期保持3 cm淺層淹水，從分孽初期到成熟期進行3種水分管理，在收獲前15 d左右讓水分自然落干。在水稻分蘗前期和孕穗中期分別測定各處理田間土壤pH和Eh（pH300 pH/Eh儀）。水稻成熟后收獲，于每個1 m×2 m微區使用五點采樣法采集5株水稻植株包括根系及根系周圍0～20 cm土壤，每1微區采集1個土壤和植物混合樣。在每個1 m×6 m微區不同水稻品種分別以五點采樣法采集5株水稻植株包括根系及根系周圍0～20 cm土壤，每一微區每個水稻品種采集一個土壤和植物混合樣。保持每個處理收集的水稻根系及土壤的一致性。土壤樣品自然風干后以四分法取500 g研磨并過20、60目和100目尼龍篩，備用。水稻新鮮根系用自來水沖洗干凈后再用去離子水沖洗，吸干水分備用。稻穗脫粒后烘干，稱質量，脫殼。分別測定新鮮根表鐵膜、根系、糙米中Cd的含量。土壤測定有效態和全量Cd。

1.4 樣品分析

1.4.1 土壤理化性質測定

田間土壤Eh、pH測定：分別在水稻分蘗前期和孕穗中期用手持式Eh計在田間實地測試土壤Eh和pH，測試時先將Eh計探頭用去離子水沖洗干凈，垂直插入田間5 cm深度處，待讀數穩定后記錄數據。

風干土pH測定：電位法測定（土∶水為1∶2.5）。

土壤有機質、堿解N、全P、速效K采用常規法測定[15]。

1.4.2 土壤和植物重金屬Cd全量分析

土壤Cd全量以王水-HClO4法消解（GB/T 17141—1997）[16]；水稻根及糙米樣品Cd含量以HNO3-HClO4法消解（NY/T 1100—2006）[17]。

1.4.3 根表鐵膜提取

采 用 Na3C6H5O7· 2H2O-NaHCO3-Na2S2O4（DCB）法[18]提取根表鐵膜，將經自來水和去離子水清洗過的根，用濾紙吸干水分，剪斷成約1 cm長，稱根重約1.0 g，將根裝入100 mL離心管中，然后依次加入0.3 mol·L-1Na3C6H5O7·2H2O 40 mL，1 mol·L-1的NaHCO35 mL，最后加入3 g Na2S2O4，搖勻后在室溫（25℃）下振蕩3 h，然后將根取出并用蒸餾水淋洗3次以上，將淋洗液和提取液轉入100 mL容量瓶中，最后定容到刻度，過濾后濾液測Cd。

1.4.4 土壤有效態Cd提取（0.01 mol·L-1CaCl2提取態）

準確稱取過20目的風干土2.000 g樣品于100 mL離心管中，加入20 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液，在150 r·min-1下室溫振蕩 1.5 h，離心機離心（4000 r·min-1）5 min，上清液過濾測Cd[19]。

所有溶液中Cd用石墨爐原子吸收分光光度計（HITACHI，Z-5000，JAPAN）測定。溶液中其他離子用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，PE 5300DV，USA）測定。

1.5 分析質量控制

所有樣品測定均設置兩個平行樣，平行相對誤差≤20%；測定植物、土樣中的重金屬時，以標準樣品[土壤標準物質GBW07443（GSF-3），植物標準物質GBW10052（GSB-30）]進行質量控制，標樣回收率在85%～110%。樣品測定同時設置空白實驗確定試劑背景含量。實驗過程中使用的玻璃儀器全部經10%的硝酸溶液浸泡過夜，用自來水和去離子水清洗后干燥備用。

1.6 數據處理

本論文所有結果均以平均值±標準差表示，統計分析由Microsoft Excel 2013以及SPSS 20軟件完成，處理間差異用Duncan多重比較法進行檢驗，當P＜0.05時為差異顯著。使用Origin 9.0作圖。

2 結果與討論

2.1 水分管理和鈍化劑處理對稻田pH、Eh的影響

由圖1可知，未施鈍化劑的情況下，孕穗期三種水分管理模式D、IF、CF隨著土壤水分含量的增加，土壤pH在逐步下降，這可能是淹水條件下土壤中有機物厭氧分解生成有機酸導致。施加鈍化劑后，土壤pH比對照增加0.12～0.72個單位，且在持續淹水條件下，具有顯著性差異。不同鈍化劑、不同時期表現不一致。

圖1 不同生育時期水分管理和鈍化劑對土壤pH的影響Figure 1 Effects of water management and amendments on soil pH in two different growth stages

由圖2可知，在水稻不同生長時期，土壤Eh總體上分蘗初期Eh＞0，孕穗期Eh＜0。持續淹水處理土壤Eh均比其他兩種水分狀況Eh降低。分蘗前期鈍化劑對Eh未見顯著影響（除淹水條件下IS處理有顯著降低），孕穗期無論是單施鐵硅鈍化劑（IS）還是鐵硅材料+生物炭復合鈍化劑（ISB），均促使土壤的氧化還原電位顯著下降。

2.2 水分管理對糙米Cd、根表鐵膜Cd、根系Cd的影響

2.2.1 水分管理對糙米Cd的影響

不同水分管理方式糙米Cd含量見圖3。供試農田是某礦區中下游受污染農田，Cd污染水平達到1.0 mg·kg-1，是農用地土壤污染風險篩選值的2.5倍，具有較高的環境風險。試驗中糙米中Cd的含量均未超過國家食品安全限量標準，這可能與試驗地區早稻季節降雨非常多，以及供試地塊全P含量高達0.162%有利于Cd的固定有關[20]。受很多因素如水稻品種、季節性降水及土壤性質影響，中低污染稻田稻米Cd是否超標有很大不確定性。所以在較高污染風險條件下采取安全、低成本、易于推廣的修復措施是必要的。在三種水分管理方式下所有水稻品種糙米中Cd的含量順序均為：干旱（D）＞間歇淹水（IF）＞持續淹水（CF），持續淹水比間歇水分和干旱水分管理方式糙米中Cd的含量分別下降0.20%～45.43%和37.67%～62.11%，表明關鍵生育期持續淹水能夠顯著降低水稻糙米中Cd的含量。在相同水分管理方式下，低累積水稻品種糙米中Cd含量與常規品種存在顯著性差異（P＜0.05）。三種水分條件下低累積水稻品種G8糙米中Cd的含量比常規品種G5糙米中Cd的含量低35.03%～54.61%，表明水稻品種對糙米Cd的吸收影響顯著，低累積水稻品種有利于阻控Cd的吸收。

圖2 不同生育時期水分管理和鈍化劑對土壤Eh的影響Figure 2 Effects of water management and amendments on soil Eh in two different growth stages

圖3 不同水分管理和鈍化劑對稻米Cd含量的影響Figure 3 Cd content in brown rice treated with different water management patterns and amendments

2.2.2 水分管理對根表鐵膜Cd含量的影響

由圖4可知，所有水稻品種根表鐵膜中Cd的含量在干旱、間歇淹水、持續淹水三種水分處理中均依次逐漸增加，持續淹水條件下水稻根表鐵膜中Cd的含量比干旱、間歇淹水水分管理方式分別升高91.11%～94.85%和66.80%～93.30%，達到顯著差異水平（P＜0.05）。

圖4 不同水分管理和鈍化劑處理水稻根系鐵膜Cd的含量Figure 4 Cd content in rice root iron plaque treated with different water management patterns and amendments

2.2.3 水分管理對根系Cd含量的影響

三種水分管理方式根系Cd含量見圖5。對低累積品種T6總體上表現為干旱＞間歇淹水＞持續淹水，常規品種G5和低累積品種G8則未表現顯著差異。鈍化劑處理在干旱水分管理條件下水稻根系Cd含量比間歇和持續性淹水處理有顯著提高。

2.2.4 根表鐵膜、根系、糙米Cd的富集系數

富集系數是指作物某一部位元素含量與土壤中相應元素含量（指實際測量值）之比，它在一定程度上標志著土壤-植物系統中元素遷移的難易程度[21]。圖6中，三個水稻品種鐵膜Cd的富集系數均按干旱、間歇淹水、持續淹水依次出現顯著上升，根系（G5除外）和糙米富集系數則出現降低的變化趨勢，與Honma等[22]的研究結果相同。結果表明，持續淹水條件下促進水稻根表鐵膜富集了大量Cd，僅有少部分通過根表鐵膜進入水稻根系和籽粒，根系根表鐵膜對水稻吸收土壤Cd轉運至籽粒起到屏障作用。推測持續淹水條件促進土壤鐵還原形成Fe2+，由于根表泌氧作用，Fe2+在根表氧化形成新鮮的活性較高的無定形鐵，有利于對Cd的專性吸附固定，起到阻礙Cd進入植物體的屏障作用，降低進入根系和籽粒的Cd含量。紀雄輝等[5]、Liu等[23]研究結果表明糙米中Cd含量與根表鐵膜Cd含量呈極顯著正相關，根表面的鐵膜對于Cd在植物體內的吸收和轉移不是阻礙。Wang等[24]則發現較高的根系泌氧量促進了水稻根部鐵膜的形成，根表鐵膜固定大量重金屬離子，抑制了重金屬向上運輸，從而降低了植株地上部的重金屬濃度[24-25]，本文中，持續淹水促進根表鐵膜對Cd的富集，抑制了Cd向籽粒的轉移，與該結果一致。有研究表明[26]當根表鐵膜較薄時，促進水稻對Cd的吸收，當鐵膜數量達到一定程度時促進作用達到最大，之后抑制水稻根系對Cd的吸收。本文中鐵膜數量最大為6433 mg·kg-1，遠小于報道臨界值20 825 mg·kg-1，鐵膜仍表現為抑制水稻組織對Cd的吸收。

圖5 不同水分管理和鈍化處理水稻根系Cd的含量Figure 5 Cd content in root treated with different water management patterns and amendments

圖6 不同水分管理糙米、根系、鐵膜中Cd的富集系數Figure 6 Cd enrichment factors of brown rice，rice root and root iron plaque with different water management patterns

2.2.5 不同水分管理對土壤有效態Cd含量的影響

有研究認為，淹水形成了還原條件，土壤中的SO42-還原為S2-，形成了CdS沉淀，降低了土壤Cd的有效性，從而使籽粒中Cd的含量降低[27]。本文研究結果表明持續淹水水分管理使土壤有效態Cd比干旱處理降低29.71%～63.13%，達到顯著性差異水平（P＜0.05），如圖7。與史磊等[28]研究結果相似，持續淹水可以有效降低土壤有效態Cd的含量。

2.3 鈍化劑對糙米Cd的影響及機制

施加鐵硅鈍化劑在三種水分（D、IF、CF）條件下，糙米中Cd含量比對應單一水分管理模式分別下降64.26%、55.75%、38.14%；施加鐵硅+生物炭鈍化劑在三種水分（D、IF、CF）條件下糙米中Cd依次分別比對應單一水分管理下降15.84%、19.84%、1.86%。

鈍化劑處理鐵硅材料（IS）、鐵硅材料＋生物炭（ISB）在不同水分條件下對土壤有效態Cd含量的影響見圖7。施加鐵硅鈍化劑在干旱、間歇淹水、持續淹水水分管理條件下，土壤有效態Cd與未施加處理相比降低43.12%～96.87%，達到顯著性差異水平（P＜0.05），與施加鈍化劑后糙米Cd變化趨勢相似。可見0.01 mol·L-1CaCl2提取有效態Cd可以有效反映修復劑對Cd生物有效性的影響，利用該關系，建立預測修復劑作用下稻米Cd吸收模型，鐵硅鈍化劑為y=0.536 8x+0.021 3，R2=0.996；鐵硅+生物炭鈍化劑為y=0.949 4x+0.038 4，R2=0.615（y為稻米中Cd的含量，x為土壤有效態Cd含量）。鈍化劑雖然能夠促進根系鐵膜的形成，但對鐵膜中Cd含量影響與對照相比并不顯著（圖4），其抑制稻米Cd吸收主要通過顯著降低土壤有效態Cd實現。可以看到，與鐵硅材料相比，鐵硅材料+生物炭鈍化劑處理未能進一步降低土壤有效態Cd，在干旱和間歇淹水條件下甚至高于鐵硅材料，表明兩種鈍化材料共存，不利于Cd的固定，這可能是鐵硅材料+生物炭鈍化劑抑制水稻吸收Cd效應下降的原因。

圖7 水分管理和鈍化劑對土壤有效態Cd含量的影響Figure 7 Effect of water management patterns and amendments on soil available Cd content

2.4 低累積水稻品種、水分管理和鈍化劑三種修復技術對糙米Cd影響比較

三種水分條件下低累積水稻品種G8糙米中Cd的含量比常規品種G5糙米中Cd的含量低35.03%～54.61%，表明水稻品種對糙米Cd的吸收影響顯著。

從分蘗初期到成熟期持續淹水處理（CF）糙米Cd的含量比間歇淹水（IF）處理降低0.20%～45.43%，比干旱處理（D）降低37.67%～62.11%。

施加鐵硅鈍化劑在三種水分（D、IF、CF）條件下，糙米中Cd含量比對應單一水分管理模式分別下降64.26%、55.75%、38.14%；施加鐵硅+生物炭鈍化劑在三種水分（D、IF、CF）條件下糙米中Cd依次分別比對應單一水分管理下降15.84%、19.84%、1.86%。持續淹水聯合鐵硅鈍化劑處理下糙米Cd含量最低。持續淹水水分管理一方面通過促進根表鐵膜對Cd專性吸附，起到阻礙Cd進入水稻根系及地上部籽粒的屏障作用，另一方面則有效降低有效態Cd，從而降低籽粒Cd含量。鐵硅鈍化劑則主要通過顯著降低土壤有效態Cd降低糙米Cd含量。種植低累積水稻+持續淹水+施加鐵硅鈍化劑聯合修復技術可使糙米Cd的下降量達到最大。種植低累積水稻品種聯合關鍵生育期持續淹水管理對抑制水稻重金屬吸收具有重要意義。在水稻缺水季節及缺水地區則更應重視低累積品種和鈍化劑的應用。

3 結論

（1）三種水分管理方式，糙米中的Cd含量依次為干旱＞間歇淹水＞持續淹水，關鍵生育期持續淹水可顯著降低糙米中Cd的含量。持續淹水抑Cd主要機制可能是一方面促進根表鐵膜對Cd專性吸附和固定，阻礙Cd進入水稻組織，另一方面可顯著降低土壤有效態Cd，從而減少土壤Cd向籽粒的轉運。施加鐵硅鈍化劑對根系鐵膜固定Cd無顯著影響，主要通過降低土壤有效態Cd使糙米中Cd含量下降。

（2）低累積水稻品種+水分管理+鐵硅鈍化劑聯合修復技術降低稻米Cd效應最為顯著。低累積水稻品種+關鍵生育期持續淹水水分管理對抑制水稻Cd吸收具有重要意義。在水稻缺水季節及缺水地區更應重視低累積品種和鈍化劑的應用。