秸稈還田對水稻鎘吸收影響的整合分析

聶新星，馮敬云，段小麗，張敏敏，劉 波，張 斌，楊 利*

(1.湖北省農業科學院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064; 2.農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室, 湖北 武漢 430064; 3.長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023; 4.宜昌市夷陵區耕地質量與肥料工作站，湖北 宜昌 443002)

【研究意義】由于大氣沉降、污水灌溉、不合格農用化學品投入等原因，我國農田土壤環境質量現狀不容樂觀[1]。2014 年環境保護部和國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，鎘(Cd)的點位超標率達7%，是我國耕地土壤排在首位的無機污染物[2]。Cd生物毒性強及不易被生物降解，是國家癌癥研究機構確認的人類第一級致癌物，可通過食物鏈富集到人體，危害人體健康[3-4]。我國秸稈資源豐富[5]，堅持“農用優先，直接還田”為主的秸稈利用模式是改善土壤團粒結構、培肥地力、增加土壤碳匯、避免秸稈焚燒造成大氣污染的最簡便且行之有效的措施[6-7]。研究表明，秸稈是作物富集Cd的主要部位，秸稈還田雖然能促進養分的循環從而減少化肥的投入[8]，但在中輕度Cd污染農田上，秸稈移除是土壤重金屬Cd的主要輸出方式[9]，還田秸稈也將其富集的Cd重新歸還到稻田中[10]。同時，秸稈分解過程中對土壤理化性質的改變也影響著土壤Cd的賦存形態[11-13]，從而影響Cd的生物有效性。水稻是我國主要的糧食作物，而水稻對土壤Cd具有較強的富集與轉運能力，超標鎘大米事件時有發生。因此，探究稻田秸稈還田對土壤重金屬Cd的生物有效性的影響具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】有關秸稈還田對土壤-水稻系統Cd遷移富集的影響已開展大量研究[14-15]。還田秸稈在土壤微生物作用下通過礦化和腐殖質化等過程釋放秸稈中的礦質元素，并形成溶解性有機物(DOM)和固相有機物(如腐殖質)等。但受土壤理化和還田秸稈性質等因素影響，秸稈還田對土壤Cd的遷移轉化和生物有效性影響不盡相同[14-17]。倪中應[11]和Bai[16]等研究發現秸稈還田腐解產生DOM含有豐富表面官能團，能通過絡合作用提高土壤孔隙水中Cd的濃度，增加其活性和環境風險；然而，研究還發現秸稈還田也能提高土壤固相有機物含量和土壤pH值，進而通過表面絡合與離子交換等方式吸附固定Cd，降低其移動性和生物有效性[13]。這兩個相反的作用過程同時存在，共同決定秸稈還田條件下土壤Cd的生物有效性變化[17]。同時，還田秸稈自身Cd含量也影響著水稻對Cd的吸收[18]?！颈狙芯壳腥朦c】整合分析(Meta-analysis)是對具有共同研究對象且相互獨立的多個研究結果進行系統整合，定量評價研究結果的一種統計方法[19]?！緮M解決的關鍵問題】有關稻田秸稈還田對土壤重金屬Cd的生物有效性的研究已往均基于某一特定區域或條件，其結果往往受到土壤性質或秸稈特性的影響。為了整體認識不同性質的土壤和還田秸稈對水稻Cd吸收的影響程度，本研究通過對已發表文獻數據進行收集，采用Meta-analysis定量分析不同土壤性質、秸稈特性條件下秸稈還田對水稻Cd吸收的影響程度，以期為安全的秸稈還田技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

以“秸稈還田(straw return)”、“秸稈(straw)”、“重金屬(heavy metal)”、“鎘(Cd)”為關鍵詞，在中國知網、萬方數據庫、Web of Science、Science Direct、Google scholar分別檢索1998年1月至2020年6月國內外公開發表的研究論文。對所檢索到的文獻按以下條件進行篩選：①研究對象為水稻，不包括小麥、油菜等作物和蘿卜、白菜、生菜等蔬菜以及超富集植物；②文獻必須報道對照與處理的稻米Cd含量，對照為秸稈不還田，處理為秸稈還田。按以上標準，共篩選出15篇已發表文獻納入分析(表1)。分別提取了對照和秸稈還田處理下稻米Cd含量的平均值、標準差/誤和樣本量(處理重復數)，共獲得54組配對試驗，183個試驗觀測數。同時，對符合標準的文獻能夠提取到水稻秸稈和根系Cd含量數據的也進行提取，秸稈共獲得36組配對試驗，129個試驗觀測數；根系共獲得11組配對試驗，38個試驗觀測數。此外，還提取的數據或信息包括土壤性質(pH值、有機碳含量、總Cd含量)，秸稈特性(類型、還田量、自身Cd含量、還田年限)和試驗類型。相關數據以圖呈現的，用OriginPro 9.0軟件Digitizer工具進行數據提??；對于只給出標準誤，通過公式SD=SE*N1/2獲得標準差。對于標準差 (誤) 缺失的數據，按照朱冰瑩等[20]的方法進行估計。

表1 納入分析文獻信息

1.2 數據分類

由于土壤理化性質和秸稈特性等諸多因素均能影響秸稈還田條件下水稻對土壤Cd的吸收，為進一步探討異質性來源，本研究對提取的數據或信息進行分組(表2)，以檢驗秸稈還田條件下某一特定因素對水稻Cd吸收的影響。土壤總Cd含量劃分按照GB15618-2018規定的酸性土壤(pH≤5.5)的風險篩選值(0.3 mg/kg)、堿性土壤(pH>7.5)的風險篩選值(0.8 mg/kg)和嚴格管制值(4 mg/kg)進行分類。同時，由于根系和秸稈數據量較小，只按表2所示分組方式對稻米數據進行整合分析。

表2 數據分組情況

土壤有機質乘以轉換系數(0.58)全部轉化為有機碳數據；還田秸稈Cd含量若文中表述為清潔秸稈，或未明確指出還田秸稈為Cd污染秸稈，則認為還田秸稈Cd含量在0.3 mg/kg以下。盆栽試驗秸稈還田量按秸稈還田比例乘以每公頃土壤重量(2.25×106kg)換算。

1.3 數據分析

使用R軟件(http://www.r-project.org/)中meta包進行分析，以秸稈還田處理下水稻器官Cd含量的平均值(X2i)與秸稈不還田處理下水稻器官Cd含量的平均值(X1i)的比值為響應比(R)，以響應比的自然對數(lnR)為效應值(M)，計算公式為

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對水稻不同器官Cd吸收的影響

由圖1可知，秸稈還田后稻米和秸稈中Cd含量的效應值均小于0，而根系中Cd含量的效應值大于0，表明秸稈還田能一定程度上促進水稻根系對土壤Cd吸收，但降低了稻米和秸稈中Cd的含量。此外，秸稈還田后稻米、秸稈和根系Cd含量效應值的95%置信區間均包含了0，表明秸稈還田對稻米、秸稈和根系Cd含量的影響均未達到顯著水平。

2.2 土壤條件對秸稈還田后稻米Cd吸收的影響

不同土壤條件下，秸稈還田對稻米Cd吸收的影響程度不同(圖2)。在酸性土壤(pH<5.5)上秸稈還田，稻米Cd含量的效應值和95%置信區間均小于0，表明在酸性土壤上秸稈還田能顯著降低稻米Cd含量；但無論是偏酸性(5.57.5)，稻米Cd含量效應值的95%置信區間均包含0，表明在非強酸性土壤上秸稈還田對稻米中Cd的吸收影響不顯著。土壤有機碳含量對稻米Cd含量影響也不顯著，但當有機碳含量小于10 g/kg時，秸稈還田能增加稻米對Cd的吸收。土壤總Cd含量也顯著影響著稻米Cd含量對秸稈還田的響應，當土壤總Cd含量小于0.8 mg/kg時，秸稈還田能降低稻米對Cd的吸收，且在總Cd含量0.3～0.8 mg/kg的土壤中達到顯著水平；當土壤總Cd含量高于0.8 mg/kg時，秸稈還田能促進稻米對Cd的吸收，且在總Cd含量0.8～3 mg/kg土壤中達到顯著水平。此外，與田間試驗相比，盆栽試驗中秸稈還田對稻米Cd吸收抑制作用更明顯，但兩者均未對稻米Cd含量產生顯著影響。

2.3 不同性質秸稈還田對稻米Cd吸收的影響

還田秸稈類型、秸稈還田量、秸稈Cd含量以及還田年限對稻米Cd吸收均有不同的影響(圖3)。還田秸稈類型對稻米Cd吸收的影響均不顯著。秸稈還田量僅在小于3500 kg/hm2時，秸稈還田能顯著降低稻米Cd吸收，隨著秸稈還田量的增加，這種抑制效應未達到顯著水平。還田秸稈自身Cd含量在小于0.8 mg/kg時，秸稈還田能夠降低稻米Cd含量；但高于0.8 mg/kg時，秸稈還田能增加稻Cd含量，但均未達到顯著差異水平。此外，短期內秸稈還田(≤1年)對稻米Cd吸收具有抑制作用，當還田年限大于1年，秸稈還田能促進稻米Cd吸收。

3 討 論

調控Cd 在水稻各器官積累的機制主要包括根系的吸收、木質部裝載、導管運輸和韌皮部向稻米轉運[30]。一般而言，水稻各器官中Cd含量表現為根系>秸稈>稻米[31]，水稻根系對土壤Cd的吸收與土壤性質密切相關，將Cd從根系轉運到地上部則與水稻對Cd的轉運效率、離子拮抗作用等因素有關[32]。本研究表明，秸稈還田雖然能在一定程度上增加根系對Cd的吸收，但降低了水稻秸稈和稻米Cd含量，三者均未達到顯著水平。這可能是因為秸稈還田提高了土壤Si、Zn等養分的含量或有效性，Si、Zn從水稻根系向地上部運輸時與Cd競爭離子通道，進而降低秸稈和稻米對Cd的富集[23]。雖然秸稈還田對水稻根系、秸稈和稻米Cd含量均有不同程度的影響，但稻米Cd含量是關注的焦點，從文獻中能夠提取到數據量最多。因此，對可能影響稻米Cd吸收的土壤性質和秸稈特性進行分組，并進行亞組分析，結果表明，不同類型秸稈還田對稻米Cd吸收沒有顯著影響，但隨著秸稈還田量的增加，秸稈還田對稻米Cd吸收的抑制作用減弱。此外，秸稈自身Cd含量在小于0.8 mg/kg時，秸稈還田對稻米Cd吸收表現出抑制效應，但當秸稈自身Cd含量在大于0.8 mg/kg時，秸稈還田增加了稻米Cd含量。表明，秸稈還田時應重點關注還田秸稈Cd含量，特別是Cd含量超過0.8 mg/kg的秸稈還田時有增加稻米Cd含量的風險。

田間試驗和盆栽試驗在小氣候、水肥管理、土壤條件等方面均存在差異，2種試驗條件下，秸稈還田對稻米Cd吸收均未產生顯著影響。朱維等[14]認為土壤pH值、有機質含量是秸稈還田影響土壤-水稻系統中Cd遷移富集的重要因素。本研究結果表明，在強酸性土壤(pH<5.5)中進行秸稈還田能夠顯著降低稻米Cd富集。這可能是因為秸稈在分解過程中本身要消耗一部分H+，鐵鋁等膠體氧化物可以與秸稈分解產生的腐殖質等物質絡合，釋放部分OH-[33]，從而提高土壤對Cd2+的吸附；且土壤有機質表面含有多種活性官能團，對Cd2+具有很強的吸附能力[14]；且秸稈還田能促進土壤有效態Cd向有機結合態Cd的轉移[12]，從而降低水稻對Cd的吸收。但柏彥超等[34]研究則指出，秸稈分解時釋放的可溶性有機碳(DOC)能促進土壤Cd的溶出，提高土壤Cd的生物有效性。有機碳含量低(<10 g/kg)的土壤秸稈還田可促進稻米對Cd的吸收?？赡苁且驗橥寥烙袡C碳含量較低的土壤往往質地偏砂，砂質土壤對有機碳的保護能力較弱[35]，因而對重金屬的吸附能力也弱[22]。還田秸稈分解釋放出的DOC更易提高Cd的生物有效性，進而提高稻米對Cd的吸收。此外，土壤的總Cd含量也影響著秸稈還田后稻米Cd吸收，特別是在土壤Cd含量超過GB15618-2018規定的堿性土壤風險篩選值(pH>7.5，0.8 mg/kg)的稻田應謹慎進行秸稈還田。

一些秸稈還田對重金屬Cd有效性的研究僅僅探討了土壤Cd形態轉化方面，而未涉及作物[12,14]，或供試作物為白菜[36]、蘿卜[37]、生菜[38-39]和黑麥草[40]等。因此，本文納入分析的有關秸稈還田對水稻Cd吸收影響的文獻數量不夠多，樣本量不夠大，在分析過程中結論易受到一篇文獻結果的影響。同時，雖然本文初步定量分析了秸稈還田條件下水稻Cd吸收響應秸稈還田措施的影響因素，為安全的秸稈還田措施提供了一定參考，但這些影響因素往往存在一定的交互作用，因此對影響機制還需進一步深入研究。

4 結 論

土壤pH值、有機碳含量、總Cd含量以及秸稈自身Cd含量、還田量和還田年限均能影響秸稈還田下水稻植株對Cd的吸收。我國耕地土壤環境質量趨緊的背景下，秸稈還田應綜合考慮稻田土壤性質和還田秸稈特性，同時應加強土壤Cd和稻米Cd含量的協同監測。