水肥管理對重金屬鎘在稻米中積累的影響

楊梢娜

(舟山市農業技術推廣中心，浙江 舟山 316021)

隨著城市化與工業化的快速發展，農田土壤污染日趨嚴重。根據2014年環境保護部和國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國農田土壤點位超標率為19.4%，其中最為嚴重的是鎘污染，其點位超標率為7.0%。重金屬鎘具有較強的毒性和可遷移性，易被植物吸收并通過食物鏈進入人體，危害人類健康。水稻是我國種植面積最大的糧食作物，也是對重金屬吸收最強的大宗谷類作物[1]。近年來由于工業生產、交通運輸、污水灌溉以及農藥化肥的施用，大量重金屬污染物進入土壤，造成稻米鎘含量超標事件頻發，水稻質量安全面臨嚴峻挑戰。因此，如何降低水稻中鎘的積累已經成為農業生產中亟待解決的問題。

目前，原位修復技術因其具有修復效率高，簡單易行，對土壤擾動較小等優點已成為國內外研究的熱點和重點[2]。對于水稻田，施肥和水分管理是常見的農藝措施，硅肥和有機肥是應用較為廣泛的2種材料。水稻是一種喜硅植物，施用硅肥可以促進植物生長并緩解重金屬對植物的毒害[2]。施用有機肥可以提高土壤肥力，并通過對重金屬的吸附，減少植物對重金屬的吸收[3-4]。此外，通過水分管理可以調節土壤氧化還原電位(Eh)以及土壤pH，從而改變重金屬在土壤中的活性，降低鎘在水稻中的積累[5]。顏惠君等[6]研究發現，淹水可以顯著降低糙米中的鎘含量。然而目前較多研究還是以盆栽實驗為主，缺乏相關的大田試驗驗證。本文以大田試驗來探究不同水肥調控技術對土壤中鎘的生物有效性變化以及鎘在水稻籽粒中積累的影響，為實現水稻的安全生產提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗點位于舟山市定海區某農田，屬亞熱帶季風氣候，四季分明、雨量充沛。土壤pH 6.44±0.19，堿解氮(127±4.58) mg·kg-1，有效磷(13.6±0.89) mg·kg-1，速效鉀(99.4±2.34) mg·kg-1，有機質(14.5±3.50) g·kg-1，鎘全量(0.43±0.09) mg·kg-1。水稻品種為秀水14，該品種在浙江省廣泛種植，采用育秧種植，秧苗于2019年6月2日移栽，10月30日收割。屬單季常規粳稻。

1.2 處理設計

試驗設9個處理：常規灌溉(即分蘗期曬田，后期干濕交替)增施硅肥(TS)；常規灌溉增施有機肥(TO)；抽穗后期持續淹水常規施肥(HT)；抽穗后期持續淹水增施硅肥(HS)；抽穗后期持續淹水增施有機肥(HO)；全生育期淹水常規施肥(CT)； 全生育期淹水增施硅肥(CS)；全生育期淹水增施有機肥(CO)；以常規灌溉常規施肥為對照(CK)。采用隨機區組設計，小區面積30 m2，重復3次。將試驗田翻耕整平，筑梗覆膜，劃分小區后分別施入不同的肥料。試驗除灌溉施肥各處理不同外，病蟲害防治、除草等田間管理與當地一致。

1.3 樣品采集與測定

在水稻的成熟期采集0～20 cm土壤樣品與水稻稻米樣品。土壤樣品經風干磨細后，過10目和200目篩。水稻樣品經清洗，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重后，稱量干重，用不銹鋼磨樣機粉碎。

土壤pH用電極法測定(土水比為1∶2.5)；土壤有機質含量使用重鉻酸鉀稀釋法測定；稻米鎘含量采用HNO3-H2O2消解，并用標準物質進行質量控制，用原子吸收光譜儀石墨爐法測定。

1.4 數據處理

應用SPSS 21.0進行單因素方差分析和多重比較，檢驗不同處理之間的差異程度，使用Origin 9.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 對稻米鎘含量的影響

如圖1所示，在常規水分管理條件下，添加硅肥和有機肥都可以降低稻米中的鎘含量，常規灌溉增施硅肥(TS)處理與對照差異顯著，稻米鎘含量下降了30.8%。在抽穗后期持續淹水的水分管理條件下，添加硅肥和有機肥分別使稻米鎘含量降低了35.6%和15.6%，但并無顯著差異；但是抽穗后期持續淹水增施硅肥(HS)處理與對照有顯著差異，稻米鎘含量下降了44.2%。全生育期淹水可以顯著降低稻米鎘含量，與對照相比，全生育期淹水常規施肥(CT)處理中鎘含量降低了36.5%。在全生育期淹水常規施肥條件下，添加硅肥和有機肥可降低稻米鎘含量，分別降低了33.3%和45.4%。全生育期淹水增施硅肥(CS)和全生育期淹水增施有機肥(CO)處理與對照處理差異顯著，稻米鎘含量降低了57.7%和65.4%。

柱間無相同小寫字母分別表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2同.圖1 水肥調控處理對稻米鎘含量的影響

2.2 對水稻產量的影響

從圖2中可看出，水稻產量，TS與TO處理比對照分別提高了2.6%和3.6%；HS與HO處理比HT處理分別提高了1.1%和2.1%； CS和CO處理比CT處理分別提高了3.5%和5.0%。這表明在相同的水分條件下，增施硅肥和有機肥均能提高水稻產量，增施有機肥的效果比硅肥好。此外，CT處理相比對照產量下降了4.9%，這說明全生育期淹水會降低水稻的產量。在所有處理中，TO處理產量最高，達9 596 kg·hm-2，CT處理最低，為8 808 kg·hm-2。

圖2 水肥調控處理對水稻產量的影響

3 小結與討論

植物體內鎘含量與土壤中鎘的生物有效性密切相關，而土壤pH、Eh和有機質含量等其他因素也會影響鎘的生物有效性[7]。本試驗結果表明，持續淹水可以有效降低稻米中的鎘含量，這是由于在長期淹水條件下，土壤Eh會下降，導致土壤中鐵、錳等還原態陽離子和S2-等陰離子的含量增加；而土壤pH會升高，這促進了還原態陽離子與Cd2+的競爭吸附作用和還原態陰離子與Cd2+的共沉淀作用，從而導致了土壤中鎘的生物有效性下降[8]。

在所有處理中，全生育期淹水增施有機肥處理的稻米鎘含量最低，說明有機肥對降低稻米鎘含量的積累有較大影響。因為有機肥含有大量的有機質，其中的部分腐殖質可分解成腐殖酸，與土壤中的重金屬發生螯合或絡合反應，使鎘轉換為活性較低的有機結合態鎘。另外，有機質具有很大的比表面積以及大量的官能團，比如羧基和酚羥基可以有效地吸附土壤中的鎘、鋅等重金屬元素，從而降低了稻米中的鎘含量[4]。

有研究表明，硅對于促進植物生長，增加農作物產量起到了很重要的作用。此外，硅能通過增強光合作用等方式提升植物對重金屬的耐受性。本試驗中，施用硅肥顯著降低了稻米中鎘的積累，這一方面是由于硅肥含有CaO等多種堿性氧化物，水解后會增加土壤中的OH-含量，使土壤pH提高，從而降低了鎘的生物有效性[9]。另一方面，可能是因為水稻對硅的吸收增加，會促進硅與鎘形成在根部內皮細胞壁的復合物沉淀，減少了鎘向上轉運[10]。

施加硅肥、有機肥和使用水分管理措施均可以降低稻米中鎘含量的積累。降鎘效果最好的處理是全生育期淹水添加有機肥，稻米鎘含量降低了65.4%。硅肥和有機肥的施用增加了水稻產量，其中常規灌溉添加有機肥處理比對照產量提高了3.6%，在所有處理中效果最好。而全生育期淹水措施會在一定程度上降低水稻的產量。