不同混施鈍化劑對水稻吸收累積Cd的影響

李 陽，尹英杰，朱司航，2，3，張 新，黃益宗，王 喆，商建英，2，3*

湖南省礦產資源豐富，被稱為“有色金屬之鄉”，隨著人類不合理的采礦活動加劇，當地農田土壤正受到日益嚴重的污染。據第二次全國土壤普查統計，湖南省礦毒污染型稻田面積達到6.7×103hm2，1998年增加到1.13×104hm2（湖南省水田面積的0.45%）[1]。劉小詩[2]測得湖南石門地區及株洲地區土壤中Cd平均含量均高于土壤環境質量農用地土壤污染風險篩選值（GB 15618—2018）[3]，雷鳴等[4]研究發現湖南郴州柿竹園礦區的水稻土中Cd的污染指數達到重污染指標。水稻作為湖南地區的主要糧食作物，農田中的Cd通過在水稻中的累積會直接威脅農產品質量以及人類健康安全。相關研究表明，由于水稻田的淹水條件以及水稻自身的性質，重金屬Cd在水稻體內的富集較多[5-6]。長期食用重金屬超標的稻米易引起健康問題。

降低水稻對重金屬Cd的富集成為一個亟需解決的問題。周莉等[7]總結出幾種農田污染Cd防控措施：污染源源頭防控；水分管理抑制作物Cd吸收；原位鈍化修復抑制作物Cd吸收；葉面調理抑制Cd吸收等。本試驗采用的原位鈍化修復技術成本低、見效快、對土壤破壞小。該方法是指向土壤中添加化學物質，通過改變土壤理化性質和重金屬污染物化學形態，降低重金屬污染物在土壤中的有效性和遷移性，從而抑制作物對重金屬污染物的吸收[8]。目前的原位鈍化修復研究一般使用單一鈍化材料修復受污染的土壤，但單一鈍化材料易破壞土壤結構，可能造成土壤二次污染[9]。例如，施用石灰可以提高土壤pH從而降低土壤Cd的有效性[10]，但石灰的持效性較短，寧皎瑩等[11]研究表明施用石灰對降低玉米籽粒中Cd含量的效應只能持續一年半左右，且大量施用易造成土壤板結。赤泥中的鐵鋁氧化物可以與土壤Cd結合，通過其多孔結構吸附Cd以及提高土壤pH值來降低土壤Cd的有效性[12-13]，但赤泥中可能含有少量重金屬和放射性元素，大量施用會引起環境污染風險[14]。高嶺土屬于黏土礦物類鈍化材料，對土壤中Cd具有一定的吸附作用，效果并非十分顯著，但其價格低廉，在環境中具有較好的自凈能力[15-16]。單一鈍化劑會存在不足之處，將其混合施用可以彌補這一缺點，研究表明，合理混施鈍化劑對于治理土壤重金屬污染效果顯著。顧巧濃等[17]發現腐殖質和石灰復配處理對土壤重金屬的處理效果較好。郭曉方等[18]選用石灰與過磷酸鈣混施處理顯著降低了玉米籽粒Cd、Zn和Cu的含量。

因此，本文本著固廢資源利用、價格低廉的原則，選取了石灰、赤泥和高嶺土3種常用鈍化材料，通過土壤培養試驗和大田試驗，研究不同鈍化材料混施對南方酸性土壤Cd有效性的影響，并在大田試驗中探究不同混施處理下水稻各部位對Cd的吸收累積特征。通過田間試驗篩選出降低土壤Cd有效性和植物Cd含量的混施鈍化劑，為我國農田Cd污染防治提供實際田間驗證。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與水稻

試驗田位于湖南省株洲市株洲縣馬洲村（27°55'N，113°08'E），屬亞熱帶季風濕潤氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤，年平均降水1389 mm，降水多集中在每年的4—7月，適合水稻等喜熱喜水的作物生長。當地土壤基本性質詳見表1，其中土壤總Cd含量1.28 mg·kg-1，超過土壤環境質量農用地土壤污染風險篩選值（GB 15618—2018）[3]，屬于Cd污染土壤。

供試水稻品種為湘菲優8118，該品種屬秈型三系雜交水稻，作雙季晚稻種植，由株洲縣當地農民提供。

表1 供試土壤基本理化性質及重金屬含量Table 1 Physical，chemical properties and heavy metal content of the tested soil

1.2 鈍化材料的土壤培養試驗

為比較混施鈍化劑和單一鈍化材料對土壤鈍化效果的差異，分別對4種混施鈍化劑（T1、T2、T3和T4）和3種單一鈍化材料（石灰L、赤泥R、高嶺土K）進行土壤培養試驗。將大田試驗前采回的土壤樣品自然風干，混勻，過2 mm篩。準確稱取20 g土壤樣品于50 mL玻璃瓶中，每個玻璃瓶中添加一種鈍化材料，添加量為土壤質量的0.16%，充分混勻后按土水比1∶1加入去離子水，使得土壤達到淹水狀態，模擬水稻土田間水分情況。室溫下培養7 d，測定土壤有效態Cd含量。每種鈍化材料土壤培養試驗重復3次。

1.3 大田試驗布置與管理

試驗共設5個處理：CK為常規種植處理；T1、T2、T3和T4為混施處理，4種混施處理均由石灰（醴陵市馬戀永紅石灰廠）、赤泥（山東魏橋創業集團）和高嶺土（長沙有信化工貿易有限公司）3種材料（單一鈍化劑）混合而成，其混合比例見表2。每個處理設3個重復，共15個小區，小區面積為5 m×6 m=30 m2。單一鈍化劑采用HNO3-HCl-HF完全消解，ICP-OES（Avio 200，珀金埃爾默儀器有限公司，美國）測定，成分詳見表3，3種材料幾乎不含Cd元素。如圖1所示，通過粉末X射線衍射儀（X-Pert3 Powder，荷蘭帕納科公司，荷蘭）分析所得，石灰主要由Ca（OH）2和CaCO3組成，赤泥主要由 CaAl2Si2O7（OH）2·H2O、Fe2O3和 Ca3Al2O6組成，高嶺土主要由 Ca3Al2O6、SiO2、CaMg（CO3）2和Al（OH）3組成。4種鈍化材料于2018年7月施入土壤，與土壤表層均勻混合，熟化7 d后，將提前培育的秧苗進行移栽。水稻整個生育期的田間管理與當地農業生產保持一致。2018年11月水稻收獲，經脫粒機脫粒，實測產量。

表2 鈍化劑混合比例Table 2 Mixing ratios of amendments

1.4 大田試驗樣品采集和測定

土壤樣品的采集與測定：每個小區按照五點取樣法，采集0～20 cm非根際土壤樣品，并均勻混合成混合樣品，根際土壤樣品從水稻根系上抖落獲得。將土壤樣品自然風干，除去石塊、根系和凋落物等，研磨，分別過20目和100目尼龍網篩，保存待測。土壤pH值、土壤有機質等測定參照《土壤農業化學分析方法》[19]，全Cd采用HNO3-HCl-HF微波消解-原子吸收光譜儀（PinAAcle 900T，珀金埃爾默儀器有限公司，美國）測定（HJ 832—2017）[20]，土壤有效態 Cd用 1 mol·L-1的醋酸銨在室溫下浸提，土水比1∶10，提取時間為2 h，原子吸收光譜儀測定，以國家標準物質土壤（GBW-07404）進行質量控制，保證分析誤差在允許范圍內。

圖1 石灰、赤泥和高嶺土XRD圖Figure 1 XRDpatterns of lime，red mud and kaolin

表3 鈍化劑成分Table 3 Amendment composition

植物樣品的采集與測定：每個小區按S型取樣法采集5蔸水稻，按部位分為根、莖、葉和籽粒，將各部位均勻混合成混合樣品。水稻植株用自來水沖洗，去離子水潤洗后擦干。植株105℃殺青30 min，65℃烘至恒質量，籽粒脫殼成糙米。根、莖、葉和籽粒用萬能粉碎機磨細，過60目尼龍網篩。籽粒營養元素用ICP-OES測定。植物Cd采用HNO3-H2O2微波消解-原子吸收光譜儀測定（GB 5009.15—2014）[21]。以國家標準物質植物（GBW-07603）進行質量控制，保證分析誤差在允許范圍內。

1.5 數據處理與分析

為研究不同鈍化處理下Cd在水稻體內的富集和轉運，采用生物富集系數（Bioaccumulation factor，BAF）和轉運系數（Translocation factor，TF）兩個指標[22]。

式中：C1為水稻根系中重金屬含量，mg·kg-1；C2為土壤中重金屬含量，mg·kg-1；C3為水稻后一部位重金屬含量，mg·kg-1；C4為水稻前一部位重金屬含量，mg·kg-1。

利用Microsoft Excel 2016處理數據，SPSS 24進行Duncan差異顯著性檢驗和Pearson相關性分析，Sigmaplot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有效態Cd含量、pH值和有機質含量

圖2為鈍化材料土壤培養試驗中土壤有效態Cd含量，其范圍是0.51～1.05 mg·kg-1，從大到小依次為CK＞K＞R＞T1＞T2＞T3＞L＞T4。僅石灰（L）、T2、T3和T4混施鈍化劑處理的土壤有效態Cd含量與CK處理存在顯著差異（P＜0.05），分別降低了 50.5%、29.1%、32.8%和51.7%。

圖3為大田試驗下不同混施處理土壤有效態Cd含量，4種混施鈍化劑處理均能不同程度地固定土壤介質中的Cd元素。與常規種植處理CK相比，T1、T2、T3和T4處理根際土壤有效態Cd含量分別降低了23.7%、35.8%、40.4%和54.7%，非根際土壤有效態Cd含量分別降低了28.0%、40.9%、43.4%和57.4%，T4處理土壤有效態Cd含量降幅最大。無論是根際土壤還是非根際土壤，4種混施處理隨著鈍化劑中石灰比重的增加、赤泥比重的減小，土壤有效態Cd含量均呈現降低的趨勢。CK處理的土壤有效態Cd含量與其他處理相比均存在顯著差異（P＜0.05），說明4種混施鈍化劑對降低土壤有效態Cd含量效果均顯著。

表4為水稻收獲后非根際土壤樣品的pH值和有機質含量。從CK到T4處理，土壤pH值從5.48依次增加到6.39。T1和T2處理土壤pH值與CK處理差異不顯著，T3和T4處理土壤pH值與CK處理差異顯著（P＜0.05）。不同處理土壤有機質含量范圍為31.26～33.96 g·kg-1，施用鈍化劑后土壤有機質含量并沒有顯著變化。

2.2 植物各部分Cd含量

圖2 鈍化材料培養土壤有效態Cd含量Figure 2 Available Cd contents in cultivated soils with amendment material

圖3不同處理土壤有效態Cd含量Figure 3 Available Cd contents in soils under different treatments

圖4 表明，各處理根部的Cd含量與CK相比依次降低63.6%、55.8%、73.8%和82.1%，莖部的Cd含量依次降低73.4%、61.5%、78.0%和64.9%，籽粒的Cd含量依次降低47.1%、49.2%、55.5%和81.6%。除了葉部之外，混施處理水稻其余各部位Cd含量與CK處理均存在顯著差異（P＜0.05），T2和T4處理葉部的Cd含量與CK處理也存在顯著差異（P＜0.05），較CK處理分別下降了43.8%和59.9%。綜合比較發現，各混施處理均能不同程度地抑制水稻各部位對Cd的吸收累積，且T4處理抑制效果最為顯著。籽粒作為水稻的食用部分，其安全問題受到廣泛關注。圖4中的虛線是食品安全國家標準（GB 2762—2017）[23]中規定的糙米中Cd元素限量0.2 mg·kg-1，限量指污染物在食物可食用部分允許存在的最大含量水平，5個處理籽粒的Cd含量依次是限量值的197%、103%、99%、88%和36%。CK和T1處理籽粒中Cd含量超過國家標準；T2、T3和T4處理Cd含量均低于限量值，達到國家標準。

2.3 根際土壤有效態Cd含量與水稻各部位Cd含量相關性分析

15個小區水稻各部位Cd含量與根際土壤中有效態Cd含量的相關分析見圖5。水稻各部位Cd含量與根際土壤有效態Cd含量均顯著相關，其中根部、莖部和籽粒3個部位Cd含量與根際土壤有效態Cd含量極顯著相關（P＜0.01），相關系數依次為0.826、0.709和-10.778，葉部Cd含量與根際土壤有效態Cd含量顯著相關（P＜0.05），相關系數為0.532。

表4 不同處理下土壤pH值和有機質含量Table 4 Soil pH values and SOMcontents under different treatments

圖4 不同處理下植物Cd含量Figure 4 Cd contents in plants under different treatments

2.4 水稻Cd富集系數和轉運系數

表5中顯示，水稻根系對Cd的富集系數為0.90～5.03，與CK處理相比，施用鈍化劑能夠顯著降低根系對Cd的富集系數，且T4處理最低，為0.90。分析Cd的轉運系數可知，水稻對Cd的轉運系數大小順序為TF根-莖＞TF葉-籽粒＞TF莖-籽粒，施用鈍化劑處理中，T4處理顯著增加了根到莖的轉運系數，T1和T3處理顯著增加了莖到籽粒的轉運系數，T1、T3和T4處理顯著降低了葉到籽粒的轉運系數，降幅依次為28.3%、47.8%和53.4%。

2.5 不同混施處理下水稻籽粒產量及其部分營養元素含量

由表6可知，不同處理水稻籽粒產量間均不存在顯著差異（P＞0.05），其產量約9000 kg·hm-2。對于部分營養元素，不同處理水稻籽粒K和Mg含量差異不顯著（P＞0.05）。對于籽粒Ca含量，混施處理T1、T2、T3和T4與常規種植CK處理相比均存在顯著差異（P＜0.05），其含量為CK＜T1＜T2＜T3＜T4。

圖5 植物Cd含量與土壤有效態Cd含量的相關性分析Figure 5 Correlation analysisbetween Cd contentsin plants and available Cd contents in soils

表5 Cd在水稻中的富集系數和轉運系數Table 5 The bioaccumulation factors and translocation factors of Cd in rice plant

3 討論

3.1 混施鈍化劑對土壤Cd有效性的影響

土壤培養試驗表明單一鈍化材料對降低土壤有效態Cd的能力為石灰＞赤泥＞高嶺土。混施鈍化劑土壤培養試驗有效態Cd含量高低為T1＞T2＞T3＞T4。這可能由于T1～T4處理鈍化劑中石灰比重的增加，赤泥比重的減小。T4在所有鈍化劑中降低土壤有效態Cd效果最佳，優于所有單一鈍化材料；T1在所有混施鈍化劑中降低土壤有效態Cd效果最差，但仍優于單一鈍化材料赤泥和高嶺土。由此可見，混施鈍化劑在一定配比下對降低有效態Cd的效果會優于單一鈍化材料，因此在本研究大田試驗中僅針對混施鈍化劑，研究其不同配比對土壤有效態Cd的影響。

大田試驗表明4種混施鈍化劑均能降低土壤有效態Cd含量，且從T1～T4處理降低土壤有效態Cd效果依次增加，與土壤培養試驗趨勢一致。研究表明石灰和赤泥都能通過提高土壤pH來降低土壤Cd的有效性，石灰攜帶的碳酸鹽（CO2-3）、磷酸鹽（PO3-4）等與重金屬形成難溶性的化合物可以降低土壤Cd有效性[10]。高譯丹等[24]發現，石灰施用于農田耕作土中使交換態Cd含量降低17.8%～21.7%，碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘渣態Cd比例增加，致使土壤有效態Cd含量降低。赤泥富含鐵、鋁氧化物，其表面活性吸附位點易與水溶態和交換態的重金屬結合，使土壤中重金屬從有效性較高的水溶態和交換態向有效性較低的鐵錳氧化物結合態轉化，甚至可以進一步向殘渣態轉化，有利于重金屬的固定[25]。

謝運河等[26]在Cd污染稻田改制玉米的大田試驗中也發現石灰在降低土壤有效態Cd的能力上優于赤泥，這與本研究中土壤培養試驗結果一致，石灰和赤泥比重的變化會影響混施鈍化劑的鈍化效果。

3.2 混施鈍化劑對土壤pH值和有機質的影響

土壤pH值對土壤微生物的活性、植物生長等都具有重要的影響，本研究中混施處理均能夠提高土壤pH值，且隨著石灰比例增加，赤泥比例減小，土壤pH值依次增加。石灰和赤泥作為高堿性物質[27-28]，施入土壤中均能夠有效提高土壤pH值，石灰中含有的大量CaO，與土壤水作用也會產生大量的OH-。謝運河等[26]研究表明石灰增加土壤pH值的效果優于赤泥，這與本研究一致。土壤pH值還對土壤中重金屬的形態分布、遷移、轉化有重要影響[29-30]。土壤pH值升高可直接導致土壤Cd與OH-形成氫氧化物沉淀，降低土壤Cd的有效性。在本研究中土壤pH值的升高能夠較好地解釋土壤有效態Cd降低這一現象。土壤有機質是反映土壤肥力的一個重要指標，與土壤結構、土壤的保肥透水能力密切相關。本研究中混施鈍化劑處理并未顯著改變土壤有機質含量，因此土壤有機質對降低土壤Cd有效性影響不大。

3.3 混施鈍化劑對水稻吸收累積Cd的影響

水稻各部位吸收累積Cd的含量由高到低基本為根＞莖＞葉＞籽粒。大量研究表明，重金屬在新陳代謝旺盛的器官中積累較多，在營養器官中積累相對較少，其累積規律一般為根＞莖＞葉＞籽粒[31]，與本文研究結果一致。首先，重金屬通過根部進入植物，一部分重金屬在根部滯留，其余部分通過質外體和共質體途徑繼續向上運輸[32]。為避免重金屬的毒害作用，植物通過區域化作用和螯合作用兩個解毒機制將重金屬滯留在細胞質中，抑制重金屬向籽粒中轉移[33]，從而降低水稻地上部位重金屬含量[34]。

影響重金屬在植物體內累積的因素有很多，包括土壤pH值、CEC、離子間的相互作用和土壤中重金屬有效態含量等[35]，而土壤中重金屬有效態含量被認為是主要原因之一。劉維濤等[36]研究表明施用鈍化材料可以降低土壤中有效態Cd含量，從而降低大白菜中Cd的含量。杜彩艷等[35]也發現不同鈍化劑組合降低了土壤中有效態Pb、Cd和Zn含量，從而降低了玉米籽粒中Pb、Cd和Zn含量。Cheng等[37]通過回歸方程分析了土壤中多種有效態重金屬含量和水稻籽粒中重金屬含量的相關關系，結果均達到了顯著性水平。因此，本文對15個小區水稻各部位Cd含量與根際土壤中有效態Cd含量進行了相關分析。

表6 不同處理下籽粒產量及營養元素含量Table 6 Grain yield and nutrient element contents under different treatments

相關性分析表明水稻各部位吸收累積Cd元素與土壤中有效態Cd含量顯著相關。4種混施處理隨著石灰成分的增加，土壤有效態Cd含量降低，水稻各部位吸收累積Cd含量大致呈現下降的趨勢，T4處理抑制水稻對Cd的吸收累積效果尤為顯著，T2、T3和T4處理水稻籽粒中Cd含量均降低到食品安全國家標準以下，這還可能與石灰中大量的Ca與Cd競爭根系位點，從而抑制植物根系對Cd的吸收累積[38]有關。

3.4 水稻富集系數和轉運系數的差異

富集系數是用來評價植物從土壤中吸收重金屬的能力，富集系數的大小表示植物富集重金屬能力的強弱[22]。轉運系數是用來評價植物某一部位對于重金屬轉移的能力，轉運系數越大，該部位轉移重金屬的能力越強[22]。從表5可得，施用鈍化劑處理均能顯著降低水稻根系對Cd的富集能力，從源頭減少了土壤中Cd向水稻植株中轉移。但對于轉運系數，僅有T1、T3和T4處理能夠降低水稻葉部到籽粒的轉運系數，其余各部位間轉運能力較常規種植CK相比均呈現持平或上升的趨勢。富集系數和轉運系數下降越多，表明鈍化劑對于抑制水稻各部位對Cd吸收累積起到的作用越大，本研究中，根系對Cd的富集能力的大幅度下降可能是鈍化劑處理能夠抑制水稻各部位對Cd吸收累積的原因之一。T4處理根的富集系數最低，導致水稻根部Cd含量最低，盡管T4處理根到莖的轉運系數顯著高于其他處理，但其莖部Cd含量仍在所有處理中排第三，T4處理莖到籽粒和葉到籽粒的轉運系數均為所有處理中最低，有效地減少了Cd向籽粒的轉移。富集系數和轉運系數的共同效應，使T4處理水稻籽粒Cd含量最低，達到了食品安全國家標準。

3.5 水稻產量和營養元素的差異

本文研究重點在于不同混施鈍化處理對于水稻Cd吸收累積的影響，但同時也要關注不同處理是否會降低水稻產量和稻米品質。水稻產量主要體現在單位面積土地上收獲籽粒的質量，由表6分析可得，4種混施鈍化處理并不能顯著提高水稻的產量，但也沒有顯著降低水稻的產量。稻米品質與籽粒中營養元素含量密切相關，本文針對性地選取了3種營養元素進行測定。相關研究表明，K元素能夠提高稻米的外觀品質和碾米品質[39]，Mg元素能夠降低稻米直鏈淀粉含量，提高稻米蛋白質含量[39]，Ca含量與籽粒的長、寬、厚呈極顯著或顯著相關，Ca含量高，籽粒大且米粒充實[40]。5個處理間水稻籽粒K和Mg含量均沒有顯著差異，CK到T4處理籽粒Ca含量的逐漸增加可能是由于混施處理中石灰用量的依次增加。綜上，4種混施鈍化處理沒有降低水稻產量以及與稻米品質密切相關的籽粒中K、Mg元素含量，反而能夠增加籽粒中Ca元素的含量。

4 結論

（1）4種混施鈍化劑均能顯著降低土壤有效態Cd含量，石灰含量越高，效果越好。

（2）水稻各部位吸收累積Cd能力的大致關系為根＞莖＞葉＞籽粒。4種混施鈍化劑均能不同程度地抑制水稻各部位對Cd的吸收累積，T4處理抑制Cd吸收效果最顯著。

（3）水稻各部位Cd含量與根際土壤有效態Cd含量相關性均顯著。

（4）施用鈍化劑處理均能顯著降低水稻根系對Cd的富集能力。

（5）4種混施鈍化劑處理下水稻產量、籽粒K含量、Mg含量沒有顯著差異，籽粒Ca含量顯著增加。