一種土壤改良劑對土壤有效態鎘及糙米鎘含量的影響初探

張玉盛蔣承琮 肖歡 吳勇俊楊小粉 汪澤錢 鄭海飄 敖和軍*

（1湖南農業大學農學院/南方糧油作物協同創新中心，長沙410128；2湖南科陸普有限責任公司，長沙410128；第一作者：877615305＠qq.com；*通訊作者：aohejun＠126.com）

鎘是一種毒性強且遷移性較強的重金屬元素。土壤中的鎘不僅會對植物產生毒害作用，也可通過食物鏈進入人體內，對人體健康造成危害。水稻對鎘的吸收能力強，長期食用鎘超標的大米會損壞人體的骨骼系統、腎臟系統、中樞神經等，引起各種病變[1-5]。隨著工業的發展，我國被重金屬污染的耕地面積日益增加,而清除土壤鎘污染的修復技術很難在短時間內實現。如何防止水稻被鎘污染并實現糧食的安全生產已成為環境科學領域的研究熱點[6]。研究發現，施用石灰等堿性改良劑能提高土壤pH值，使土壤有效態鎘含量降低，最終降低水稻對土壤中鎘的吸收積累，改善稻米的衛生品質[7-12]。有報道認為，施用復合改良劑HZB（羥基磷灰石+沸石+改性秸稈炭）可以提高土壤pH值，為重金屬離子提供更多的吸附位點，羧基和酚羥基可通過絡合或螯合作用與土壤溶液中的Cd2+反應，形成難溶性絡合物，進而鈍化土壤中游離的Cd，降低了重金屬的生物有效性[15]。羅子瑞等[16]研究發現，在黃泥田土壤中施用適量的改良劑可促進水稻的生長，有效降低糙米中Cd含量，降低水稻對Cd的富集系數。本試驗旨在探索一種新的土壤改良劑對抑制水稻吸收土壤鎘及土壤鎘有效性的影響，以期為修復鎘污染稻田和糧食的安全生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于湖南省長沙縣福臨鎮同心村，為鎘輕度污染區，土壤為花崗巖成土母質發育的沙壤土。土壤基本理化性質：pH值 5.66，水解氮295.33 mg/kg，有效磷 33.90 mg/kg，速效鉀 211.33 mg/kg，全氮 3.32 g/kg，全鉀 34.87 g/kg，全磷 0.61 g/kg，有機質 49.57 mg/kg，陽離子交換量123.0 mmol/kg，有效鎘0.244 mg/kg，全鎘0.379 mg/kg。試驗地農田排灌、機耕道等基礎設施較好。水源充足，可保證全生育期淹灌需要，灌溉水質符合國家農田灌溉水質標準。

1.2 供試材料

試驗用改良劑為紐翠綠良田寶C系列生態基肥（水劑），購于葛林美（蘇州）農業科技有限公司。其成分含量：pH 值（1：250倍稀釋）4.0～10.0，腐植酸≥40 g/L，大量元素含量≥200 g/L，N≥70 g/L，P2O2≥60 g/L，K2O≥70 g/L，Cd≤10 mg/kg。石灰購于當地。供試水稻品種為玉針香。

1.3 試驗設計

根據改良劑用量的不同，盆栽試驗設6個處理（以大田試驗施用1 200 kg/hm2的改良劑用量換算為1 kg土加入 0.533 g≈0.46 mL 改良劑）：CK，0 mL；M5，5 mL；M10，10 mL；M15，15 mL；M20，20 mL；M25，25 mL。每個處理5次重復。

表1 盆栽試驗中不同處理土樣pH值及有效Cd含量

表2 齊穗期不同處理對水稻不同器官Cd含量的影響

表3 不同處理對水稻產量及產量構成因子的影響

大田試驗設6個處理：CK，不施任何改良劑；F1，施用石灰1 125 kg/hm2；F2，紐翠綠良田寶C系列生態基肥（水劑）用量600 kg/hm2；F3，紐翠綠良田寶C系列生態基肥（水劑）用量 900 kg/hm2；F4，1 200 kg/hm2；F5，紐翠綠良田寶C系列生態基肥（水劑）用量600 kg/hm2+石灰1 125 kg/hm2。每個處理3次重復，隨機區組排列。小區面積60 m2，設排水溝，小區田埂用塑料包膜，防止處理間交叉污染。水稻栽插規格為20 cm×20 cm，每叢插2～3株苗。

1.4 試驗方法

1.4.1 盆栽試驗

供試土壤取自試驗大田，經風干粉碎后裝入內長34 cm、寬19.4 cm、高8 cm的塑料盆，每盆裝土11 kg。按處理設計添加土壤改良劑，隨后每盆加入6 kg水并按處理設計浸泡后栽植水稻。品種為玉針香，每盆4叢，每叢2株基本苗。全生育期每盆加水量及時間一致。

1.4.2 大田試驗

在移栽前用改良劑對各小區進行處理，先將稻田中的水全部排干，后將改良劑潑灑在試驗小區內，翻耕土壤，灌水泡田，保持水層5～8 cm。F1處理和F5處理所用石灰在分蘗盛期施下，石灰中未檢出鎘。只施基肥，不施追肥。水分等田間管理措施參照當地水稻高產栽培技術進行。

1.5 測定項目及方法

盆栽基礎土樣于裝土前采集，施用改良劑并灌水泡田36 h后采集水樣，排干水，采集土壤樣品。大田小區基礎土樣于施用改良劑前采集，為0～20 cm耕層混合樣；成熟期土樣在水稻收獲前1 d取0～20 cm耕層混合樣。大田土樣采取“梅花五點法”采集。土壤樣品經自然風干、磨細過100目尼龍篩后待用。水稻收獲前1 d取稻谷和植株樣，植株洗凈泥土后晾干，再以去離子水潤洗2遍后分根、莖、葉于105℃殺青30 min，再以恒溫70℃烘干后粉碎；稻谷經曬干后去糙粉碎，植株樣品粉碎后過100目尼龍篩待用。

土壤pH值的測定采用酸度計法（土水比 1∶2.5）。土壤全鎘用王水-硝酸-高氯酸消解，土壤有效態鎘用DTPA法提取[12]，水稻不同器官及糙米重金屬用硝酸-高氯酸濕法硝解。試驗分析所用均為優級純。消解液及浸提液稀釋定容過濾后用電感耦合等離子體質譜法測定（ICP-MS Autosampler，Agilent Techologies）Cd 含量。其他指標的測定采用常規方法[13]。

1.6 數據處理

運用Excel 2007和SAS 9.4軟件進行數據整理與統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤pH值、有效鎘含量的影響

由表1可知，土壤pH值對照為5.89，各施用了改良劑的處理均比CK顯著提高，且改良劑用量越大增幅越大；隨著改良劑用量的增加，各處理土壤有效Cd含量的降幅也隨之增加，與CK相比差異達顯著水平。

2.2 齊穗期不同處理對水稻不同器官鎘含量的影響

由表2可知，加施改良劑的處理均能抑制水稻對土壤中Cd的吸收，與對照相比，根、穗和莖葉中的Cd含量均有不同程度的降低。其中，穗和莖葉中的Cd含量以M25處理最低，而根中的Cd含量以M15處理最低。

2.3 不同處理對水稻產量及產量構成因子的影響

表4 成熟期不同處理對水稻各器官干物質量的影響（g/m2）

表5 成熟期不同處理對水稻不同器官Cd含量（mg/kg）

圖1 各處理糙米Cd含量

從表3可見，各處理的產量在4 114.58～5 364.58 kg/hm2之間，處理間差異均不顯著；各處理的有效穗數、每穗總粒數和結實率無顯著差異；F5處理的千粒重顯著高于F1處理。

2.4 不同處理對水稻成熟期干物質的影響

由表4可知，施用改良劑均可提高水稻的物質積累，紐翠綠良田寶C系列生態基肥施用量由600 kg/hm2（F2）提高到1 200 kg/hm2（F4），根系干物質量從23.44 g/m2提高到了36.79 g/m2，莖干物質量從30.06 g/m2提高到了112.06 g/m2，葉干物質量從19.72 g/m2提高到了31.55 g/m2。施用了土壤改良劑的處理其根、莖干質量與CK相比無顯著差異；F3處理的葉干物質量最大，為92.85 g/m2，顯著高于CK。

2.5 成熟期不同處理對水稻不同器官Cd含量的影響

從表5可見，施用改良劑可降低水稻地上部分Cd的含量。各處理莖的Cd含量均低于CK，但差異不顯著；各處理葉的Cd含量顯著低于CK，其中，F2處理葉的Cd含量最低，為0.28 mg/kg。

2.6 不同處理對糙米鎘含量的影響

由圖1可知，對照糙米Cd含量為1.28 mg/kg，遠高于國家標準0.20 mg/kg的限量。施用石灰和紐翠綠良田寶C系列生態基肥后糙米Cd含量均有下降，降幅為28.02%～36.35%。其中，F1、F4和F5處理與CK相比差異顯著，施用紐翠綠良田寶C系列生態基肥的處理與施用石灰的處理間差異不顯著。由此可見，施用紐翠綠良田寶C系列生態基肥可顯著降低糙米Cd含量，但與施石灰相比無明顯優勢。

3 小結與討論

土壤酸堿度是影響水稻對土壤Cd吸收能力的主要因素之一[17-18]。本盆栽試驗結果表明，施用改良劑可以提高土壤pH值，有效地降低土壤有效Cd含量；土壤pH值隨改良劑施用量的增加而提高，土壤有效Cd的含量隨改良劑施用量的增加而降低，這與羅子瑞等[14，19]的研究結果一致。而浸泡時間的延長對水稻植株體內鎘含量影響不大。本盆栽試驗結果顯示，齊穗期水稻根系、穗及莖葉Cd含量均低于對照，且降低效果隨改良劑用量的增加而增強。可能是因土壤pH值的提高，Cd的活性降低，從而減少了土壤Cd向植物體內的遷移，但這種影響通常是有限的[3]。此外，龔海軍等[19]研究認為，土壤改良劑中存在的某些拮抗元素以及施入土壤后土壤理化性狀的改善均有可能降低作物對 Cd的吸收累積，而其作用機理還未明確。王蜜安等[20]研究表明，Cd在水稻植株體內的積累主要集中在營養器官，但不同品種之間存在較大的差異；也有研究認為，Cd在作物體內不同器官的分配不僅與作物的品種有關，同時與栽培管理措施也密切相關。本盆栽試驗中Cd在水稻體各器官的分配呈現根＞莖葉＞穗，這與李坤權等[21]的研究結果一致。

合理的施用石灰，可以增加水稻分蘗、有效穗數、每穗總粒數、實粒數，提高水稻產量；但對水稻株高，千粒重影響不大[22]。且施用石灰可以提高土壤pH值，降低土壤交換態Cd含量和土壤Cd的有效性，對水稻吸收Cd有一定的抑制作用，糙米Cd含量隨石灰用量的增加而降低，但石灰對水稻吸收Cd的抑制效果逐年降低[23-24]。本試驗中除施用紐翠綠良田寶C系列生態基肥600 kg/hm2處理外，其他處理均較對照增產，其中以F5處理（紐翠綠良田寶C系列生態基肥600 kg/hm2+石灰1 125 kg/hm2）的增產效果最佳，這與陸鵬等[22-23]的研究一致。表明施用適量的改良劑對水稻有一定增產作用。

土壤改良劑單施或配施均可抑制作物對土壤中Cd 的吸收[25-27]，其抑制效果根據改良劑的用量[19、28]、改良劑類型[22-23、26-30]及土壤類型[31]等因素而有所不同。本試驗中，施用了改良劑的處理糙米Cd含量均低于對照，這與朱奇宏等[26]的研究結果一致，其中以F5處理的降鎘效果最好。由此可知，不同改良劑配施的施用效果要優于單施。改良劑的作用機理往往不是單一的，而是有多種機理共同作用的[25]。大田試驗中改良劑處理后土壤以及成熟期土壤pH值和土壤有效態Cd含量兩者較對照差異不顯著，與盆栽試驗結果相反，由此推測本大田試驗所用改良劑紐翠綠良田寶C系列生態基肥的降鎘作用機理并非由直接改變土壤的pH值來直接起到降鎘作用[19]。影響土壤中Cd向作物植株轉移的因素較多，目前在改良作用機理方面報道較多的主要為以下幾種：沉淀固定作用、吸附及離子交換作用、離子拮抗作用和螯合作用。本試驗所用改良劑的作用機理還未探明。