菜籽餅對土壤可溶性鎘含量和水稻鎘累積的影響

張 佳， 楊文弢,,3*， 廖柏寒， 吳 攀,3

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025； 2.中南林業(yè)科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 3.貴州大學(xué) 地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室， 貴州 貴陽 550025)

由于20世紀80-90年代采礦或冶金業(yè)廢棄物的不當處置、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥過度施用、污水污泥的利用和灌溉等原因，導(dǎo)致我國超過7%的耕地存在不同程度的鎘(Cd)污染[1]。水稻是我國乃至整個亞洲重要的糧食作物，近50%的人口以稻米為主食。在一定鎘污染稻田中種植水稻，其籽粒中的鎘含量容易超出國家食品中污染物限量標準，進而危害人體健康[2-4]。

研究表明[5-9]，有機物與土壤中鎘存在顯著的親和力，能吸附、絡(luò)合土壤中游離的Cd2+，形成有機-重金屬結(jié)合物，從而顯著改變鎘在土壤中的有效性。此外，土壤有機物也是水稻生長所需營養(yǎng)物質(zhì)的主要來源，水稻根系的生長也會對根際土壤中重金屬的賦存形態(tài)產(chǎn)生影響[10]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，堆肥后的菜籽餅[rapeseed cake(residue)]常作為有機肥施用于稻田中，以保持土壤肥力，提高作物產(chǎn)量。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)[11-12]，施用菜籽餅?zāi)茉谒旧捌陲@著降低土壤中有效態(tài)鎘的含量，但隨著水稻生育期的延長土壤中鎘的有效性逐漸上升，同時顯著增加水稻成熟期糙米中鎘的累積，且影響過程尚不清晰。有研究指出[13-17]，外源有機物在進入土壤后分解形成小分子有機碳氮等，能與土壤中Cd2+結(jié)合并游離于土壤孔隙間，具有較強的生物利用度，易被水稻根系吸收，故推測施用菜籽餅后，土壤中鎘活性在不同水稻生育期的變化可能與菜籽餅分解釋放出來的可溶性有機物有關(guān)，同時在不同的水稻生育期可能呈不同規(guī)律。為此，試驗以菜籽餅為有機質(zhì)添加物，在鎘污染程度為1.33 mg/kg的土壤條件下進行水稻盆栽試驗，通過土壤溶液采集器提取水稻分蘗期、孕穗期、灌漿期、蠟熟期和成熟期5個時期的土壤孔隙水并對各時期水稻各部位的生物量和鎘含量進行測定，研究施用菜籽餅對水稻根系土壤孔隙水中可溶性有機碳(DOC)、氮(DON)和可溶性鎘含量的變化以及鎘在水稻體內(nèi)累積的變化，旨在明確施用菜籽餅對土壤孔隙水中鎘含量和水稻各部位鎘累積的動態(tài)影響，以期為鎘污染地區(qū)菜籽餅肥的安全利用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤：紅黃壤，來源于湖南省寧鄉(xiāng)縣雙江口鎮(zhèn)某地區(qū)稻田耕作層0～30 cm土壤(113°3.36′ E，28°26.21′ N)，該土壤pH為5.6，有機質(zhì)含量3.2%，陽離子交換量313.0 mmol/kg，總鎘含量1.33 mg/kg，有效氮103.3 mg/kg，有效鉀20.4 mg/kg，有效鉀77.4 mg/kg。菜籽餅(菜籽餅)，由湖南婁底市天之源榨油坊提供，其pH為7.1，有機質(zhì)含量45.2%，有效氮2 962 mg/kg，有效磷5 260 mg/kg，有效鉀3 512 mg/kg。水稻品種：選用湖南地區(qū)常見水稻品種威優(yōu)46號(雜交稻)和湘晚秈12號(常規(guī)稻)，分別由湖南湘潭市興農(nóng)種業(yè)公司和湖南亞華種業(yè)有限公司提供。

儀器與試劑：盆栽用盆為無蓋圓柱形桶，直徑160 mm(內(nèi)徑)，高180 mm(南京力寧塑料容器公司)，土壤溶液采集器(型號MOM，荷蘭Rhizosphere公司)，酸度計(PHS-3C，雷磁)，電子天平(AUW320，島津)，有機碳分析儀(Multi N/C 3000，Analytik Jena AG，Germany)，連續(xù)流動分析儀(San++，Skalar，Netherlands)，紫外可見分光光度計(UV-5100B)，石墨爐原子吸收分光光度計(iCE-3500，Thermo)。

1.2方法

1.2.1試驗設(shè)計試驗設(shè)3個菜籽餅添加濃度梯度，分別為處理1，0(CK)；處理2，0.5%；處理3，1.0%。各處理3次重復(fù)。

1.2.2試驗過程盆栽試驗在中南林業(yè)科技大學(xué)戶外種植基地進行，2016年5月，將供試土壤自然風(fēng)干、碾碎，去除石頭、根莖等雜物，并裝入盆栽試驗用桶中，每盆裝土2.50 ± 0.05 kg。按照土壤的70%最大田間持水量加入自來水。7月中旬，將不同添加量菜籽餅與鎘污染土壤(鎘含量1.33 mg/kg)充分混合，將水稻種子在0.5%的H2O2溶液中浸泡24 h，覆上濕潤紗布在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)發(fā)芽，然后在未受污染的土壤中育秧。選取長勢一致、健康的水稻幼苗進行盆栽試驗，每盆插秧2株。整個水稻生長期間水分控制與傳統(tǒng)種植方式一致，并噴灑農(nóng)藥防止病蟲害。分別在水稻分蘗期(8月8日)、孕穗期(8月25日)、灌漿期(9月20日)、蠟熟期(10月10日)和成熟期(10月27日)采集土壤孔隙水和水稻樣品，測定土壤孔隙水中可溶性有機碳(DOC)和可溶性有機氮(DON)及可溶性鎘含量，將不同生育期水稻分為2～3個部分(根系、莖葉、谷粒)，測定各部位的生物量(干重)及鎘含量。

1.2.3樣品采集與指標測定

1) 土壤孔隙水和水稻樣品采集。土壤孔隙水采用土壤溶液采集器采集。在添加菜籽餅并完成土壤培育后，將土壤溶液采集器的采集針頭插入盆栽土壤中心(深約8 cm)，之后移栽水稻。采集土壤孔隙水時，打開閥門采集土壤溶液，采集完畢后用針頭過濾器將土壤溶液過濾到干凈聚乙烯瓶中，4℃下保存，待測。水稻樣品采集為破壞式采集，用自來水除去水稻根系上大部分泥土，將水稻分為2～3個部分(根系、莖葉、谷粒)，各個部分用去離子水洗凈，晾干后放入105℃烘箱殺青30 min，之后將烘箱溫度調(diào)為70℃烘干至恒重。用電子天平稱取水稻各個部位生物量后用小型粉碎機粉碎，過100目尼龍篩，塑料封口袋保存待測。

2) 土壤孔隙水中DOC、DON和可溶性鎘含量的測定。將采集的土壤孔隙水均勻地分為3份(每份約8 mL)，分別用于DOC、DON和可溶性Cd含量的測定。土壤DOC含量通過總有機碳分析儀測定。土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮采用連續(xù)流動分析儀測定，土壤DON含量，通過總氮減去銨態(tài)氮、硝態(tài)氮得出。將土壤溶液中Cd含量定義為土壤可溶性Cd，采用石墨爐原子吸收分光光度計進行測定，其檢測限為0.01 μg/L。

3) 水稻各部位Cd含量測定。水稻各部位Cd含量采用干灰化法測定。所有水稻樣品分析過程中以國家標準物質(zhì)湖南大米(GBW 10045)進行質(zhì)量控制，樣品Cd回收率為91%～103%，同時進行試劑空白試驗。

4) 水稻Cd累積量計算。按公式計算：

式中，TAQ為水稻Cd總累積量(μg/株)，Bi為水稻i部位生物量(g/株)，Ci為水稻i部位鎘含量(mg/kg)。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、顯著性F測驗和Duncan多重比較，采用OriginPro 2015 繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1水稻各部位生物量及鎘含量

2.1.1生長量從表1看出，不同添加量菜籽餅處理，在水稻5個生長時期，除成熟期威優(yōu)46號莖葉的生物量較對照呈現(xiàn)顯著上升外，其余生長期2個水稻品種根和莖葉的生物量與對照間均無顯著差異；不同添加量菜籽餅處理在水稻灌漿期、蠟熟期和成熟期不同程度地增加了水稻谷粒的生物量。與對照相比，施用0.5%～1.0% 菜籽餅，在水稻灌漿期、蠟熟期和成熟期，湘晚秈12號谷粒的生物量分別上升58.71%～69.15%、13.26%～17.52%和13.96%～18.84%；威優(yōu)46號分別上升50.07%～56.67%、30.72%～45.67%和18.54%～26.34%。

注：同一水稻生育期同列不同小寫字母表示差異顯著(P< 0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column of the same rice growth period indicate significant difference atP< 0.05 level.The same below.

2.1.2鎘含量從表2可知，不同添加量菜籽餅的施用下，在水稻5個生長時期，2個水稻品種各部位的鎘含量與對照間均無顯著差異，但在水稻灌漿期、蠟熟期和成熟期，水稻谷粒中的鎘含量隨菜籽餅添加量的增大呈上升趨勢。與對照相比，施用0.5%～1.0%的菜籽餅，湘晚秈12號和威優(yōu)46號成熟期谷粒中Cd含量分別上升6.09%～53.70%和9.83%～66.24%。

表2施用不同添加量菜籽餅2個水稻品種各部位的鎘含量

2.2土壤孔隙水中DOC和DON含量

從圖1可知，施用菜籽餅顯著增加2個水稻品種水稻分蘗期土壤DOC、DON的含量。與對照相比，施用0.5%～1.0%的菜籽餅，湘晚秈12號種植土壤孔隙水中DOC和DON含量分別上升79.19%～102.21%和78.26%～117.74%；威優(yōu)46號種植土壤孔隙水中DOC和DON含量分別上升123.49%～170.42%和88.96%～96.80%。2個水稻品種在水稻分蘗期和孕穗期，施用菜籽餅處理土壤孔隙水中的DOC、DON含量顯著下降，并隨水稻生育期的延長趨于穩(wěn)定。

注：圖中*表示處理與對照(CK)存在顯著差異，下同。

Note:* indicates significant difference of the treatment with CK. The same below.

圖1施用不同添加量菜籽餅水稻種植土壤孔隙水中的有機質(zhì)碳和有機質(zhì)氮含量

Fig.1 Concentration of DOC and DON in soil pore water of rice planting soils with different RSC adding amounts

2.3土壤可溶性鎘含量

從圖2可知，在水稻生育初期(分蘗期和孕穗期)，施用菜籽餅的土壤可溶性鎘含量顯著上升。與對照相比，施用0.5%～1.0%的菜籽餅，在水稻分蘗期和孕穗期，湘晚秈12號種植土壤中可溶性鎘含量分別上升700.92%～789.95%和185.34%～426.47%；威優(yōu)46號種植土壤中可溶性鎘含量分別上升435.18%～639.95%和524.84%～733.22%。在之后的水稻灌漿期和蠟熟期，2個菜籽餅處理土壤中可溶性鎘含量逐漸下降，并在水稻成熟期與對照(CK)相當。

圖2施用不同添加量菜籽餅水稻種植土壤中可溶性鎘的含量

2.4土壤孔隙水中DOC、DON與土壤可溶性鎘含量的相關(guān)性

從圖3可知，土壤孔隙水中DOC和DON含量分別與可溶性鎘含量存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。說明，土壤可溶性鎘含量的上升可能是施用菜籽餅后土壤孔隙水中DOC和DON上升的結(jié)果，尤其是在水稻分蘗期。施用菜籽餅后，在土壤微生物、酶和水稻根系作用下，菜籽餅迅速分解并顯著增加土壤孔隙水中DOC和DON的含量，土壤DOC和DON含量的增加促進土壤中鎘的溶解，增加了土壤中鎘的生物有效性。

圖32個水稻品種種植土壤孔隙水中DOC、DON與土壤可溶性鎘含量的相關(guān)關(guān)系

Fig.3 Correlation of soil DOC and DON concentrations in soil pore water with soil dissolved Cd concentration for XWX-12 and WY-46

2.5水稻不同生育期鎘的累積

從表3可知，施用菜籽餅均能不同程度地促進水稻對鎘的吸收和鎘在水稻中的累積。與對照相比，施用0.5%～1.0%的菜籽餅，湘晚秈12號和威優(yōu)46號水稻在分蘗期、孕穗期、灌漿期、蠟熟期、成熟期，植株體內(nèi)鎘累積量分別增加0.09～1.94 μg/株和0.71～0.44 μg/株、0.86～2.53 μg/株和1.16～1.12 μg/株、3.54～4.65 μg/株和2.19～0.49 μg/株、2.30～3.26 μg/株和0.70～1.08 μg/株、3.07～8.72 μg/株和1.01～7.54 μg/株。

表3不同菜籽餅添加量湘晚秈12號和威優(yōu)46號水稻各生長期鎘的累積量

3結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，在有鎘污染的水稻種植土壤中施用菜籽餅后，土壤孔隙水中DOC、DON和土壤可溶性鎘含量均迅速顯著上升，在水稻分蘗期達最大值，之后在分蘗期到孕穗期顯著下降，并隨著水稻生育期的延長趨于穩(wěn)定。施用菜籽餅均能不同程度地促進水稻生長并增加水稻對鎘的吸收和累積。與對照(不施菜籽餅)相比，施用0.5%～1.0%的菜籽餅， 湘晚秈12號和威優(yōu)46號兩個水稻品種體內(nèi)鎘累積量在水稻分蘗期、孕穗期、灌漿期、蠟熟期和成熟期分別增加0.09～1.94 μg/株和0.71～0.44 μg/株、0.86～2.53 μg/株和1.16～1.12 μg/株、3.54～4.65 μg/株和2.19～0.49 μg/株、2.30～3.26 μg/株和0.70～1.08 μg/株、3.07～8.72 μg/株和1.01～7.54 μg/株。3)土壤孔隙水中DOC、DON與可溶性鎘含量之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

有研究發(fā)現(xiàn)[11-13]，在水稻根際環(huán)境中DOC和DON能促進重金屬陽離子的溶解，并與其結(jié)合，形成DOC/DON-重金屬的絡(luò)合物，這部分重金屬在水稻根系對有機物吸收利用的過程中，容易被水稻根系所攝取，并向水稻的地上部分轉(zhuǎn)運。相關(guān)性分析結(jié)果也證實，土壤孔隙水中的DOC、DON與土壤中可溶性鎘含量存在顯著的相關(guān)關(guān)系，對鎘在孔隙水中溶解發(fā)揮了積極的作用。到目前為止，有機物對鎘在水稻體內(nèi)的累積沒有一致的結(jié)論[18]。一方面，有機質(zhì)進入土壤后分解形成的羥基、羧基、酚羥基等活性基團，可以和土壤中的重金屬形成螯合物，并增強了鎘的可利用度[16]。劉景[19-20]等研究顯示，土壤中有機質(zhì)含量的增加會提高土壤中鎘的生物有效性和鎘在水稻體內(nèi)的累積。另一方面，施用有機物(如堆肥、糞便、有機廢物、秸稈等)能通過吸附或形成穩(wěn)定的絡(luò)合物腐殖質(zhì)[11]，使土壤中重金屬的活性降低，并降低種植水稻對重金屬的累積。從研究結(jié)果來看，菜籽餅的施用促進了水稻對鎘的累積，增加了土壤鎘污染暴露風(fēng)險。總體看，在一定程度的鎘污染稻田土壤中種植水稻，施用菜籽餅可能會通過增加土壤孔隙水中可溶性鎘的含量，促進水稻對鎘的累積，增加稻田中鎘對人體健康的風(fēng)險。