生物炭與水分管理耦合對晚稻鎘遷移與積累的影響

王 義，王勃然，周文濤，祝志娟，劉 莉，祝博文，傅志強*

（1.湖南農業大學農學院，長沙410128；2.農業農村部華中地區作物栽培科學觀測實驗站，長沙410128）

鎘是自然界中廣泛存在的一種人體非必需重金屬元素，在環境中具有化學活性強、移動性大、毒性持久（半衰期超過20 a）、隱秘性強等特點[1]。相關研究表明，在土壤可溶性鎘含量達到0.43 mg·kg-1時，水稻減產10%，當含量為8.1 mg·kg-1時，水稻減產達25%，并且，稻米的氨基酸、支鏈淀粉和直鏈淀粉比例發生改變，水稻品質變差；當鎘元素通過食物鏈的富集作用進入人體，會對人類自身的健康造成傷害[2-4]。因此，如何安全有效地修復鎘污染農田、降低鎘污染地區稻米鎘含量，成為了一個亟須解決的技術難題[5]。

已有研究表明，水稻全生育期淹水是一種低成本、操作便利的降鎘手段，淹水條件下水稻籽粒中鎘含量能夠大幅降低[6]。有研究認為，長期淹水能夠更好地改善土壤氧化還原環境，改變土壤中變價元素如鐵、錳、硫的價位及存在形式，進而改變鎘的存在形式，影響其生物有效性[7-8]；生物炭是指生物有機質在缺氧或低氧環境下經過裂解形成的固體產物[9]。常用的生物炭有稻殼炭、竹炭等，其具有較大的孔隙度和比表面積，具有負電荷多、離子交換能力強、吸附性能優異等特點，其表現出對重金屬陽離子較強的吸附能力，在提高重金屬穩定性、控制污染和修復土壤等方面具有非常廣闊的應用前景[10-13]。在中重度污染區域，采用單一技術很難達到理想的效果，因此，需要采用聯合修復技術。有研究表明，優化水分管理方式與施用生石灰相結合一方面能夠降低土壤有效鎘含量，另一方面能夠顯著降低鎘活性，進而達到降低稻谷鎘總積累量的目的[14]。李劍睿[15]研究發現，通過長期淹水聯合生物炭復配有機肥對水稻土鎘污染進行修復，能夠有效提高土壤pH，促使土壤鎘形態由交換態向鐵錳氧化物結合態轉化，同時能夠降低土壤氧化還原電位，降低水稻根系鎘含量，減少糙米鎘含量。目前，針對聯合修復技術的研究基礎較為薄弱，考慮到實際生產過程中外界條件的多變性，大多研究采用盆栽的方式進行，著重探索其作用機制，而實際用于田間生產不多。以探索實際操作中的降鎘效果為目的，本研究選擇湖南中度鎘污染稻田為試驗地點，將施用生物炭與水分管理兩種措施相結合，研究兩種技術聯合對水稻鎘吸收、遷移與積累的影響，以期為降低稻米鎘含量提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018 年7—11 月在湖南省長沙縣北山鎮榮合橋社區鎘污染稻田區進行。試驗田塊地處湖南省東部偏北，東經112°56′15″，北緯27°54′55″。該地位于東亞季風區，屬于亞熱帶季風濕潤氣候。春季15～25 ℃，夏季18～36 ℃，冬季5～15 ℃。常年降雨量1 000～1 200 mm。供試土壤為花崗巖發育的麻砂泥水稻土，其基本理化性質為：pH 5.3，全氮3.08 g·kg-1，全磷0.92 g·kg-1，全鉀29.8 g·kg-1，堿解氮107 mg·kg-1，有效磷30.8 mg·kg-1，速效鉀125 mg·kg-1，有機質30.7 g·kg-1，陽離子交換量10.8 cmol·kg-1，全鎘0.43 mg·kg-1，有效鎘0.22 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗地前茬為空閑。供試材料為H 優518，該品種屬秈型三系雜交水稻，全生育期平均112.9 d，重金屬吸收能力較強。試驗采用裂區設計，以水分管理模式為主處理（W），設4 個水平：W1 為水稻灌漿期前干后淹，開花前與常規水分管理相同，開花后3～5 d，田間排水，保持7 d，然后再灌水深3 cm，直至成熟；W2為灌漿期前淹后干，開花前與常規水分管理相同，開花后3～5 d，田間水深3 cm，保持7 d，然后排水落干，直至成熟；W3為全生育期淹水灌溉，田間一直保持水深3 cm；W4 為常規管理，前期淺水分蘗，水深3 cm，分蘗盛期排水曬田，孕穗抽穗期灌淺水，灌漿后期干濕交替直到蠟熟期，黃熟期排水，直至收獲。施生物炭為副處理（C），設4個水平，分別為C1：5 t·hm-2、C2：7.5 t·hm-2、C3：10 t·hm-2、C4：0 t·hm-2。主副處理兩兩組合，共16 個處理，按隨機區組排列，3 次重復，副區面積35 m2（5 m×7 m），小區間用鋪塑料薄膜的田埂隔開。

2018年6月22日播種，7月26日移栽，移栽規格為17 cm×23 cm，10月20日收獲。N、P2O5、K2O 施肥量分別為150、75、120 kg·hm-2。施肥時期及比例為：移栽前基肥，N-60%、P2O5-100%、K2O-60%；分蘗肥N-30%；穗肥，N-10%、K2O-40%。其余病蟲害管理按當地高產栽培技術措施進行。

1.3 觀測指標與方法

水稻收獲后取樣，采用水浸提法測定土壤pH[16]，水稻糙米及植株鎘含量采用微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定[17]。

水稻成熟期取植株樣品，分離各部位，置于80 ℃烘干箱中烘干，稱質量測定其生物量。

1.4 數據處理

植株鎘積累量=植株鎘含量×每平方米植株生物量；鎘從根系向莖葉的轉運系數（TF莖葉/根）=水稻莖葉鎘含量/水稻根系鎘含量×100%；鎘從根系向糙米的轉運系數（TF糙米/根）=水稻糙米鎘含量/水稻根系鎘含量×100%；鎘從莖葉向糙米的轉運系數（TF糙米/莖葉）=水稻糙米鎘含量/水稻莖葉鎘含量×100%[18]。

試驗數據采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 22.0統計軟件進行差異顯著性分析和相關分析。

2 結果與分析

2.1 水炭耦合對土壤pH的影響

由圖1 可知，不同水分管理方式與生物炭結合處理對土壤的pH 具有顯著影響，較試驗前土壤pH，經各組合處理之后的土壤pH 均有明顯增高，差值在0.65～1.37。在未施用生物炭（C4）的情況下，W4 增長幅度最小，其他3 種模式排序為W2＞W3＞W1。在施用生物炭的情況下，W1水分管理模式中，施炭量不同的4 個小區pH 差異顯著，表現為W3＞W1＞W2＞W4；W2 水分管理模式下，C2 與C3、C1 差異不顯著，其他各小區有顯著差異，具體表現為C3＞C2＞C1＞C4；在W3 控水模式下，C2 與C3 沒有顯著差異，其他各小區差異顯著，具體為C3＞C2＞C1＞C4；在W4 常規控水情況下，C2 與C3 沒有顯著差異，其他各小區差異顯著，具體為C2＞C3＞C1＞C4；總體來說，在4 種水分管理模式下，pH 增長幅度大致排序為C3＞C2＞C1＞C4，在16個處理中，增幅最高的處理為W3-C3，增幅達到1.37個單位。

2.2 水炭耦合對水稻各部位鎘含量的影響

圖1 相同水分管理模式下不同施炭量對土壤pH的影響Figure 1 Effects of different carbon application rates on soil pH under the same water management model

由表1 可知，水分管理和生物炭均對水稻成熟期根系、莖葉、糙米的鎘含量影響達到極顯著水平，水分管理與生物炭耦合對根系、糙米鎘含量的影響達到極顯著水平，對莖葉鎘含量的影響未達到顯著水平。由表中根系鎘含量可知，在未施用生物炭（副處理為C4）的情況下，W4 根部鎘含量最高，W3 含量最低，與CK（W4-C4）相比，W1、W2、W3 鎘含量分別降低了12.83%、24.46%、28.09%。在施用生物炭的情況下，根系鎘含量最低的處理為W3-C1，與CK 相比其下降了48.67%。由表中莖葉鎘含量可知，在未施用生物炭的情況下，W4 莖葉部分鎘含量最高，W3含量最低，4 種模式對比，莖葉部鎘含量由高到低依次為W4＞W2＞W1＞W3，與CK 相比，W1、W2、W3 分別降低了21.51%、18.82%、43.01%。在施用生物炭的情況下，莖葉鎘含量最低的處理為W3-C3，其含量較CK 下降了51.63%。由表中糙米鎘含量可知，在未施用生物炭的情況下，糙米鎘含量最高的為W4，W3 鎘含量最低，與CK 對比，W1、W2、W3 分別降低了18.18%、6.82%、38.64%。在施用生物炭的情況下，糙米鎘含量最低的處理為W3-C3，其含量低于國家稻米鎘含量標準，較CK 降低了59.10%。

2.3 水炭耦合對水稻各部位鎘積累量的影響

由表2 可知，水分管理對水稻各部位鎘積累量都具有極顯著的影響，生物炭對成熟期水稻根與糙米鎘積累量的影響達到極顯著水平，對莖葉的積累量影響顯著，水分管理與生物炭耦合對水稻根與糙米的積累量影響水平達到極顯著，對莖葉的積累量影響未達到顯著水平。由表中成熟期根部鎘積累量可知，未施用生物炭時，W4積累量最高，W3積累量最低，相較于CK，W1、W2、W3 分別降低了3.10%、23.50%、26.53%。在施用生物炭的情況下，對比各控水模式中各處理的積累量，積累量最小的處理為W2-C3，積累量最大的處理為W4-C1，相較于CK其分別降低了56.12%、-5.10%。由表中水稻成熟期莖葉部位的鎘積累量可知，在未施用生物炭時，積累量最小的控水模式為W3，積累量最高的模式為W4，相較于CK，W1、W2、W3 分別降低了35.12%、3.68%、47.16%。在施用生物炭的情況下，控水模式中各處理相比，積累量最低的為W3-C3，積累量最高的處理為W4-C1。由表中糙米部位鎘積累量可知，在未施用生物炭的情況下，W3模式鎘積累量最低，最高的模式為W2，相較于CK，W1、W2、W3 分別降低了0.01%、-8.62%、17.24%。在施用生物炭的情況下，積累量最高的處理為W2-C2，積累量最低的處理為W3-C3，相較于CK 其分別降低了-8.62%、53.44%。

2.4 水炭耦合對水稻植株各部位鎘轉運系數的影響

由表3 可知，水分管理對TF莖葉/根、TF糙米/根的影響達到了極顯著水平，對TF糙米/莖葉影響顯著；生物炭處理 對TF莖葉/根的 影 響 達 到 顯 著 水 平，對TF糙米/根、TF糙米/莖葉的影響未達到顯著水平；水分管理與生物炭耦 合 對TF糙米/根達 到 了 極 顯 著 水 平，對TF莖葉/根、TF糙米/莖葉影響不顯著。由表中TF莖葉/根的數值可以看出，在未施用生物炭的情況下，TF莖葉/根由高到低為W2＞W4＞W1＞W3，在施用生物炭的情況下，4 種控水模式中各處理間差異大部分呈現不顯著水平，轉運系數最高的處理為W2-C2，最低的為W1-C3。由表中TF糙米/根可知，在未施用生物炭的情況下，TF糙米/根由高到低依次為W2＞W4＞W1＞W3。在施用生物炭的情況下，轉運系數最高的處理為W2-C2，最低的處理為W3-C3。由表中TF糙米/莖葉可以看出，在未施用生物炭的情況下，TF糙米/莖葉由高到低依次為W3＞W1＞W2＞W4。在施用生物炭的情況下，各處理差異大多呈不顯著水平，轉運系數最高的處理為W2-C3，最小的處理為W3-C2。

表1 植株各部位鎘含量（mg·kg-1）Table 1 Cadmium content in various parts during maturity（mg·kg-1）

表2 水稻植株各部位鎘積累量（mg·m-2）Table 2 Cadmium accumulation in various parts of rice at maturity stage（mg·m-2）

2.5 糙米鎘含量與相關指標間的關系

由表4 可知，水稻成熟期糙米的鎘含量與土壤的pH 呈顯著負相關關系，與根系鎘含量、TF莖葉/根呈顯著正相關關系，其相關系數分別為-0.52、0.56、0.70；糙米鎘含量與莖葉鎘含量、根系鎘積累量、莖葉鎘積累量、糙米鎘積累量、TF糙米/根、TF糙米/莖葉呈極顯著正相關關系，其相關系數分別為0.91、0.89、0.91、0.76、0.95、0.94。由此可知，隨著根系以及莖葉部位鎘含量及積累量的增加，糙米的鎘含量會增長，糙米鎘含量的增長對糙米鎘積累也具有極大的影響，同時也將對糙米與其他部位的轉運系數造成極大的影響。

3 討論

土壤pH是影響土壤中重金屬溶解度及生物有效性的主要因素之一，根本原因在于其影響土壤中鎘的吸附-解吸、溶解-沉淀，進而影響土壤中鎘的生物有效性，土壤pH 為4.5～7.2 時，介質中水溶性鎘含量與pH 呈顯著負相關，當pH 為4 時，鎘的溶出率為50%，pH 為7.5 時將很難溶出[19-20]。謝運河等[21]和王蜜安[22]研究發現，通常田間作物鎘含量與土壤的pH 呈負相關關系，即土壤pH 越低，鎘活性越強，越容易被作物吸收，糙米鎘含量就越高，這與本試驗結果一致。試驗中，在施用生物炭的情況下，土壤pH 提升幅度較大，且呈現出隨施炭量增加而趨向中性的趨勢，但未施用生物炭的情況下pH 變化較小，且與同一水分管理模式下其他施炭處理的差異顯著（圖1），這可能是由于生物炭原料中含有鈣、鎂、鉀、鈉等離子，其在熱解過程中轉化成金屬氧化物、氫氧化物或碳酸鹽等[23]，施加到土壤中后會中和土壤的酸度，從而使土壤pH 提高[24]，而在未施用生物炭的情況下，淹水造成土壤中有機物厭氧分解生成有機酸，從而導致pH 變化較小[25]。在未施用生物炭的情況下，單一的長期淹水處理、兩種濕潤灌溉處理下土壤pH 較試驗前仍有小幅度提升，可能是由于當地自然環境改善，自然雨水與灌溉用水較土壤本身酸堿度偏中性，日常降水以及灌溉用水下滲導致。

表3 水稻植株各部位的轉運系數Table 3 Transfer coefficients of various parts of rice at maturity stage

表4 糙米鎘含量與其他變量之間的相關性Table 4 Correlation between brown rice cadmium content and other variables

水稻各部位對鎘的吸收、積累與轉運是決定稻米中鎘含量的關鍵。鎘在水稻中的轉運是一個由下往上的過程，水稻根系、莖葉部分鎘濃度及積累量直接影響到稻米中鎘含量的多少。李園星露等[26]通過盆栽試驗研究了生物炭耦合水分管理對稻米鎘積累的影響，結果顯示添加生物炭與長期淹水管理能夠有效降低土壤中鎘的生物有效性，降低稻米鎘含量，減少糙米鎘積累量，這與本試驗結果一致。這可能是因為生物炭自身多孔徑的結構以及自身強大的吸附能力，能夠與土壤中重金屬結合形成沉淀，從而降低了土壤中鎘的生物有效性，減少土壤有效鎘含量。張振宇[27]認為，生物炭施入土中，也可以增加水稻鎘庫的相對容量，從而使籽粒鎘含量下降。同時長期淹水能夠降低土壤氧化還原電位，從而增加土壤中還原態鐵、錳等陽離子和硫等陰離子含量，而施入生物炭后，pH 上升，加劇了還原態陽離子與鎘離子的競爭吸附以及還原態陰離子的共沉淀作用，從而降低土壤中鎘的生物有效性[28]。谷學佳等[29]研究發現，隨著施炭量的增加，糙米鎘含量呈現降低的趨勢，這與本試驗結果相一致。試驗中，分別對比不施用生物炭時4 種水分管理模式以及常規水分管理模式下不同施炭量處理的糙米鎘含量（表1），單一水分管理中下降最多的處理為長期淹水，糙米鎘含量較常規水分管理下降38.64%，在常規水分管理中，僅考慮生物炭的影響情況下，單一生物炭處理中下降幅度最大的為施用量5 t·hm-2，相較于對照糙米鎘含量下降45.45%，將兩項單一處理與聯合處理中降幅最大的處理相比較，其下降幅度分別減少20.46%、13.65%。由此可知，復合處理較單一處理具有一定的優勢，通過試驗中單一處理之間的比較情況，長期淹水的下降幅度小于生物炭處理的下降幅度，但考慮到兩者作用機制不盡相同，以及水分管理受到外界影響的因素較多，所以很難在組合處理的情況下辨別兩種手段的主次地位。

水稻從土壤中吸收鎘總量不變的情況下，各器官間對鎘的轉運能力強弱是影響稻米中鎘含量的重要因素之一。通過比較不同處理下水稻各器官間轉運系數的差異表明，經過水分管理與生物炭耦合處理的水稻各器官間轉運能力較對照大致呈現減弱的趨勢（表3），此結果與楊定清等[30]的研究結果一致，轉運能力的減弱使鎘從根系、莖葉等部位向水稻籽粒的轉運減少。但總體看來，轉運能力的變化并無明顯規律，甚至出現增強的現象，這可能是因為水分管理與生物炭耦合不會阻礙水稻自下而上的鎘運輸過程，而只是通過減少水稻從土壤中攝取鎘的總量來影響水稻器官的鎘含量與積累量[31]。

4 結論

（1）聯合降鎘技術相對單一手段降鎘效果更加突出。聯合處理中，長期淹水與生物炭耦合對水稻鎘吸收、遷移及積累的抑制效果更強，對鎘污染地區種植水稻是一種值得推薦的降鎘方式。

（2）長期淹水模式降鎘效果顯著，水資源豐富地區，考慮到生物炭成本的情況下，選用長期淹水模式種植水稻對鎘污染地區水稻降鎘具有巨大的參考價值，在水資源缺乏地區，則應該重視生物炭等鈍化劑及其他降鎘措施的應用。