生石灰和鈣鎂磷肥對晚稻生長及稻米鎘含量的影響

文 炯，李祖勝，許望龍，陳 鴿，白玲玉，曾希柏，*，吳家梅

（1.農業部岳陽農業環境科學觀測實驗站∕岳陽市農業科學研究院，湖南 岳陽414000；2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081；3.湖南省農業環境生態研究所，長沙410000）

近年來，受污染物排放量增加、部分地區超標排放等因素的影響，我國農田污染呈加劇的趨勢，局部治理、整體下降的態勢較嚴重，其中重金屬污染尤為嚴峻[1-2]。據2014 年發布的“全國土壤污染狀況調查公報”顯示，我國有16.1%的土壤存在不同程度污染，其中輕微、輕度、中度和重度污染分別占11.2%、2.3%、1.5% 和1.1%[3-4]，受鎘污染的土壤即達到7.0%。重金屬污染是土壤無機污染最主要的形式，而湖南又是受鎘污染較嚴重、報道較多的省份，且其中又以水稻所受的影響最大，因此，鎘污染稻田安全利用也受到了更多關注[5]。據報道，近年來亞洲地區稻田重金屬、尤其是鎘污染面積不斷擴大[6]，已成為制約水稻可持續發展的重要因素。有研究認為，土壤pH 和有機質含量決定了鎘的活性和生物有效性[7]，土壤中微量元素的含量也直接或間接影響鎘的活性和生物有效性[8]。因此，常用堿性物質（如石灰、鈣鎂磷肥等）或有機物（如腐植酸等）作為鈍化劑來降低土壤中鎘的活性和生物有效性。石灰作為最常用的化學改良劑，它能提高土壤pH，促進重金屬形成碳酸鹽、氫氧化物沉淀等，從而降低土壤中鎘的有效性、減少植物對鎘的吸收[9]。鈣鎂磷肥中的磷可通過溶解、沉淀等過程與污染土壤中的鎘相互作用，降低土壤鎘的生物有效性[10]，并改變土壤中鎘的形態分布，促使鎘從交換態向碳酸鹽結合態和氧化錳結合態轉化[11]。有機質對重金屬離子的吸附和絡合作用，可在一定程度上促進重金屬由高活性態向低活性態轉化[12]。目前，在上述物質單獨利用及其效果研究方面已進行過相關研究，并得出了有價值的結論，本研究在已有研究的基礎上，針對鎘污染稻田晚稻調控難度大等問題，應用大田試驗的方法，研究了上述物質配合施用對土壤鎘有效性及晚稻吸收鎘的影響，為鎘污染稻田安全利用和水稻（特別是晚稻）安全生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種為盛泰優018，它是一種廣泛種植于我國南方的雜交稻品種，購自中化集團洞庭高科股份有限公司；有機肥為菜餅有機肥，購自湖南金葉肥料有限公司；生石灰、鈣鎂磷肥等改良劑均為購自市場的成品，其中鈣鎂磷肥主要成分為Ca3（PO4）2、CaSiO3、MgSiO3。試驗用化學肥料還包括尿素（N≥46.0%）和氯化鉀（K2O≥60.0%）。

1.2 試驗方法

1.2.1 研究區概況

試驗地點位于地處長江中游亞熱帶地區的湖南省湘陰縣原種場，年平均氣溫17 ℃，年平均降雨量1393 mm，全年日照時數1399～2050 h。供試土壤為河湖沉積物發育的水稻土，土壤有機質28.4 g·kg-1，總鎘和有效鎘分別為0.85 mg·kg-1和0.40 mg·kg-1，速效磷、速效鉀和總氮分別為4.35、92.57 mg·kg-1和0.81g·kg-1，pH 5.5。

1.2.2 試驗設計

試驗共設6 個處理，分別為CK（不施肥料）、NPK（施用尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀）、NPKL（NPK+生石灰）、M（施用有機肥）、ML（有機肥+生石灰）、NPKML（NPK+有機肥+生石灰），每個處理3 次重復，小區隨機區組排列（圖1）。試驗小區長6 m、寬5 m，面積30 m2，為防止肥水等的串聯，小區間田埂用塑料薄膜覆蓋，高度30 cm，各小區分別排灌。

圖1 小區試驗分布圖Figure 1 The layout of field plot experiment

水稻于2016 年6 月中旬播種，7 月中旬移栽，各處理晚稻季施用肥料總量見表1。石灰于水稻移栽前4 d 旋耕時撒施，基肥于水稻移栽前2 d 撒施，基追肥比列為氮肥5∶5、磷肥1∶0、鉀肥5∶5，7 月下旬追施尿素，8 月上旬追施鉀肥。為了驗證不同處理年際效應，2017 年連續種植，各處理設置與2016 年相同。

1.3 測定內容與方法

水稻收割后（田塊落干）利用土鉆（賽亞斯，SYKCY1）采集0～20 cm土壤樣品，經風干后取適量土壤磨細過1 mm 和0.25 mm 篩，留存備用。晚稻生長期間按相關方法記錄生長數據，收割后采集植株樣用超純水清洗，105 ℃殺青30 min，70 ℃下烘干至恒質量；同時采集稻谷樣，經風干后脫殼研磨過1 mm篩，留存備用。

土壤pH 用pH 計測定（水土比5∶1），有機質用重鉻酸鉀氧化還原滴定法測定[13]，全鎘采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮、有效鎘用DTPA 浸提，消煮液和浸提液中的鎘用原子吸收分光光度法測定[13]。稻米和植株總鎘含量用微波消解-原子吸收分光光度法測定[9]。為了保證消煮和測定過程的準確性，加入土壤標準物質GBW07404（GSS-4）進行質量控制，植株則加入已知濃度的硝酸鎘并設置樣品重復，回收率在93.7%～99.12%之間。

表1 試驗各處理肥料施用量（kg·hm-2）Table 1 Fertilizers application quantity in different treatments（kg·hm-2）

1.4 數據分析

所得數據用Excel 2010 進行試驗數據整理，采用SPSS 19.0 進行方差分析（ANOVA）和Pearson 相關性分析，用Sigma Plot 12.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻產量及稻谷品質的影響

不同處理之間由于生石灰、有機肥等施用的差異，導致水稻生長具有相應的差別，并對水稻產量構成了相應的影響（圖2），其中ML 和NPKML 處理2017年水稻產量相比于2016 年均顯著提高，分別增加了9.2%和6.3%，而其他處理2017 年產量接近或低于2016年。

不同處理對稻谷主要品質指標亦具有一定影響（表2）。與CK 相比，其他處理稻谷的出糙率和精米率均有所增加，其比例分別為1.0%～1.7%和0.7%～1.9%，但僅M 處理下稻谷的出糙率與CK 之間差異顯著（P＜0.05）。不同處理對稻米透明度無影響，但顯著影響稻米的整精米率、堊白粒率、堊白度，其中整精米率以M 最高，達68.4%；堊白粒率以NPKL 最高，達18%，NPKML 最小，僅8%，這兩種處理與CK 均具有顯著差異（P＜0.05），而其他處理與CK 差異均不顯著；各處理米粒的堊白度均顯著低于CK（P＜0.05），NPKML 最低，M 和NPK 次之。除NPK 處理外，其他處理稻米直鏈淀粉含量均較CK 顯著增加（P＜0.05）。不同處理下稻米膠稠度的變化不一，M 和NPKML 處理增加，其他處理則均顯著降低（P＜0.05）。可以看出，由于不同處理物質投入等的差別，導致稻米相關品質特性也出現了相應變化。

圖2 不同處理的水稻產量Figure 2 Yield of late-rice of different treatments

2.2 不同處理對土壤理化性質的影響

土壤pH 是土壤重要的理化性質，由表3 可知，不同處理下土壤pH 年際變化存在差異性，2016 年各處理之間的pH無顯著差異，經過兩年的連續種植、施肥和調理劑的耦合作用，2017年不加生石灰的CK、NPK和M 處理的pH 年際和處理間均顯著降低，其余處理的pH 無顯著變化。2016 年有機質含量除M 與NPKML 之間有顯著差異外，其余各處理間并沒有顯著性的差異，2017 年各處理間同樣沒有顯著性的差異，但是較2016 年NPKL、M 和ML 處理有機質含量有顯著提高。土壤總氮與速效磷的含量變化與有機質的變化相類似，2017年較2016年都有增加的趨勢，2017年所有處理的總氮含量較CK 處理都有增加；土壤速效磷各處理較CK 均有所增加，但只有ML 處理最為顯著。土壤速效鉀含量的變化規律與上述營養元素并不一致，其中有機肥加石灰即ML 處理較2016年顯著降低，其他處理年際間沒有顯著差異。

表2 不同處理對稻谷主要品質的影響Table 2 Effects of different treatments on the quality of rice

表3 2年中不同處理對土壤理化性質的影響Table 3 Effect of different treatments on the chemical properties of the soil after two years

2.3 不同處理對土壤有效鎘和稻米鎘含量的影響

如表4 所示，2017 年施用石灰的NPKL、ML 和NPKML 處理中土壤有效鎘含量較上一年分別下降了19%、18%和17%，差異顯著（P＜0.05）。對于稻米籽粒中鎘含量，2017年施用石灰的NPKL、ML和NPKML處理與2016 年相比分別下降了42%、35%和48%，差異顯著（P＜0.05），其中NPKML 處理2017 年稻米籽粒鎘含量接近國家限定稻米鎘含量0.2 mg·kg-1標準，但其他處理均高于或顯著高于該標準。

由表5可知，稻米鎘含量變化與土壤有效鎘顯著正相關（r=0.787**），與土壤pH呈顯著負相關（r=-0.446**）。表明稻米鎘含量受土壤中鎘的活性及其生物有效性的影響，而根據2017 年對土壤有效鎘含量與pH 的分析結果并求其相互關系，發現兩者間呈極顯著負相關，Y=-0.39X+2.67（R2=0.57，P＜0.01）。

3 討論

3.1 土壤有機質、pH和鈣對土壤鎘有效性的影響

土壤pH的升高會改變土壤膠體顆粒表面可變電荷性質，增加土壤膠體表面吸附點位，有利于重金屬的吸附[14]；同時，有利于土壤中重金屬離子與OH-、CO2-3等陰離子形成氫氧化物或碳酸鹽沉淀，從而進一步降低重金屬的生物有效性[15-16]。Lombi 等[17]研究石灰對重金屬形態的影響發現，向土壤中添加石灰會顯著降低可交換態鎘、鋅含量，碳酸鹽結合態含量分別升高2.8倍和2.1 倍，顯著降低了土壤中鎘、鋅的生物有效性。本研究結果顯示，添加鈣鎂磷肥、生石灰與有機肥處理的土壤pH 均有不同程度升高，其中添加生石灰的處理pH 上升明顯，鈣鎂磷肥與有機肥次之。有研究指出，土壤中添加堿性物質能夠增加土壤pH，從而降低重金屬的活性及生物有效性[15]。本研究表明，經過兩年培肥后添加石灰處理的有效鎘含量有所下降，且均低于其他處理，說明土壤pH 高低可以間接作為判斷重金屬有效性的基本指標，可以通過提高土壤pH阻控重金屬的生物有效性。這與前人研究結果一致。

表4 不同處理對土壤有效鎘和稻米鎘含量的影響（mg·kg-1）Table 4 Effect of different treatments on soil available cadmium content and rice cadmium content during two years（mg·kg-1）

表5 稻米鎘含量與土壤理化性質的Pearson相關性系數Table 5 Pearson′s correlation coefficients of rice cadmium content and the chemical properties of soil

土壤有機質是土壤固體的重要組成部分，是作為土壤肥力的重要指標，增加土壤有機質有利于提高土壤的緩沖能力和自凈能力，為植物生長提供養分并降低污染物的生物毒性[18]。Pardo 等[19]研究表明，豬糞堆肥與熟石灰聯合施用能夠顯著降低表土層與土壤孔隙中鎘的含量，且適度降低了5～12 cm 之間土層的鎘含量。本研究結果表明，添加有機肥能夠顯著提高土壤有機質含量，且有機質含量與有機肥添加量變化一致；單施有機肥、有機肥與生石灰或有機肥與化肥、生石灰配施均不同程度降低了土壤中有效鎘的含量，但是差異并不顯著，說明有機肥添加對土壤有效鎘含量影響不大，這可能與有機肥添加量或有機肥本身的性質有關。

鈣離子是作物生長的必需元素之一，是多種酶的組分和激活劑，可以參與細胞的黏度、彈性和滲透性以及細胞壁的構建，維持細胞的正常生理活動，Andersson 等[20]認為鈣可以與鎘競爭植物根系上吸收位點，汪洪等[21]研究表明鈣離子可以在一定程度上緩解玉米受鎘的毒害。本試驗中，連續施用兩年的石灰和鈣鎂磷肥，均在不同程度上減少了水稻籽粒中鎘的含量。同時，鈣離子作為土壤的鹽基離子之一，可以與鎘離子競爭土壤中黏土礦物、氧化物以及有機質上的陽離子交換吸附位點[22]。宋正國等[23]認為鈣與鎘具有相似的化學性質，是土壤中鎘吸附位點的主要競爭者，當吸附體系中鈣、鎘共存時，鈣可明顯降低土壤礦物對鎘的吸附。Naidu 等[24]用鈉離子作為陽離子來研究鎘的吸附，與鈣相比，鈉離子對鎘的吸附是鈣離子的2 倍。本文中施用的生石灰會向稻田中帶入大量的鈣，一方面降低植物吸收鎘的能力，另一方面減少鎘在土壤中的有效性。

土壤-植物系統中鎘的轉運過程、植物體內鎘的再分配過程，以及稻米中鎘的累積過程都是控制鎘遷移轉化的可能機理[25]。水稻籽粒中鎘含量對不同處理條件下的變化響應不一致，本研究結果表明，單施有機肥增加了稻米中鎘含量，添加石灰的處理均顯著降低了稻米中鎘的含量。這可能是由于單施有機肥提高了土壤中有效鎘的含量，增加了水稻對鎘的吸收，從而增加了稻米中鎘的累積。由相關性分析可知（表5），稻米中鎘累積量與土壤有效鎘含量之間呈顯著正相關，說明提高土壤有效鎘含量對稻米中鎘的累積有促進作用。

3.2 不同施肥處理對土壤養分含量及水稻生長狀況的影響

化肥與有機肥施用對土壤養分平衡和作物生長均具有顯著影響，但不同性質肥料的養分輸入量對土壤養分狀況和作物產量及品質的影響效果不同[26]。張國榮等[27]研究有機肥與化肥氮磷鉀配合施用對水稻產量的影響，發現長期施用化肥、以及與有機肥配施均有利于提高土壤速效氮、磷、鉀以及有機質的含量，但施用化肥對土壤有機質的累積并沒有很明顯的促進作用。同樣，本文單施化學肥料（NPK 和NPKL）雖可提高土壤中速效養分含量，但是有機質含量并沒有顯著提高。劉曉卡等[28]研究表明黃腐酸有機肥能夠促進植株生長和分蘗發生，提高每穗總粒數和結實率，但對千粒重基本無影響，對產量貢獻不大。本研究結果顯示，施用化肥、有機肥和化肥與有機肥配施均增加了水稻產量，其中施用化肥對水稻增產效果最佳。這可能是由于化肥施用迅速提高了土壤中速效養分含量，從而增加水稻對養分的吸收；而有機肥中速效養分相對低，促進作用不顯著[29]。

有機肥處理（M、ML 和NPKML）可以有效改善稻米的品質（表2），這可能是由于施用有機肥提高了土壤供肥性能、中微量元素含量等，從而促進水稻生長和養分均衡等。王鵬等[30]研究表明，施用生物菌肥能夠提高稻米籽粒的長寬比，顯著降低堊白粒率和堊白度，增加稻米的膠稠度、粗脂肪含量和直鏈淀粉含量，提高了稻米的食味值，改善了稻米的食用品質。但是有機肥料中的生石灰與鈣鎂磷肥等不同改良劑施用對水稻生長和稻谷品質的影響不大。

4 結論

（1）單施有機肥提高了土壤有效鎘和稻米中鎘含量；有機肥配施生石灰、鈣鎂磷肥及單施生石灰與鈣鎂磷肥均降低了土壤有效鎘與稻米中鎘含量，且鈣鎂磷肥、生石灰、有機肥三者配施效果最佳。

（2）施用化肥、有機肥和化肥有機肥配施均增加了水稻產量，其中施用化肥對水稻增產效果最佳；生石灰與鈣鎂磷肥等不同改良劑施用對水稻生長和稻谷品質的影響不大。