不同粒徑貝殼粉對水稻吸收鎘與硒的影響

潘麗萍，譚駿，劉斌，邢穎，黃雁飛，陳錦平，劉永賢*

（1.廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所，南寧 530007；2.南寧市農業科學研究所，南寧 530009；3.廣西富硒農業研究中心，南寧 530007）

硒是人體必需的生命元素，開發富硒農產品是提升人體硒攝入水平的安全有效途徑，而富硒土地資源是開發富硒農產品的基礎。然而，近年來全國開展的多目標地球化學調查發現，受區域地質背景及其巖性建造的控制，鎘、砷、汞等重金屬與硒之間存在伴生現象，多數富硒區鎘表現為明顯富集[1?4]，致使富硒農產品開發存在一定的生態風險。在土壤鎘污染防治方面已有大量的研究成果，有研究表明，基于硒與鎘不同的地球化學特性，用于鈍化鎘的材料（如：磷灰石、石灰、生物炭等）能有效提高土壤硒的有效性[5?6]，可將其應用于硒鎘共生富硒土壤資源的開發利用。貝殼是一種天然吸附材料，相對于上述鈍化材料，因其低成本、易得、無二次污染的優點而被研究者關注，現階段研究表明，施用貝殼粉可降低土壤中鎘的生物有效性[7?10]，其鈍化機理主要是通過提高土壤pH 和物理吸附、離子交換吸附等作用降低鎘的活性，且粒徑越小吸附能力越強。然而貝殼粉對土壤硒的影響研究仍缺乏，尤其是在硒鎘共生的田間環境下，兩者之間的生物有效性以及不同貝殼粉粒徑對其影響差異還有待進一步研究。另外，貝殼中含有豐富的硒等微量元素[11]，對其的挖掘利用也仍較缺乏。因此，本研究選取中輕度鎘污染的鎘硒伴生農田為研究對象，通過田間小區試驗，對比研究施用不同粒徑貝殼粉對土壤鎘、硒有效性及水稻吸收累積鎘與硒的影響，以期為貝殼的資源化高效利用及稻米的降鎘富硒提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

小區試驗位于廣西桂平市某中輕度鎘污染農田。貝殼粉購買于北海市某公司，采用萬能粉碎機將貝殼粉粉碎后分別過10、60、200 目尼龍篩備用。供試水稻品種為百香139，由廣西桂平市某育秧廠提供。供試土壤和貝殼粉基本性質見表1。

表1 供試土壤和貝殼粉基本性質Table 1 Basic properties of tested soil and oyster shell

1.2 試驗設計

前期盆栽試驗發現，10 目貝殼粉1%的添加量對鎘的鈍化效果最佳。因此本試驗在前期試驗的基礎上設置4個處理：（1）對照組（CK），常規種植；（2）施用10目貝殼粉3 000 kg·hm?2（BK10）；（3）施用60目貝殼粉3 000 kg·hm?2（BK60）；（4）施用200 目貝殼粉3 000 kg·hm?2（BK200）。每個處理重復3 次，每個小區150 m2，設置單獨的進、排水口。小區四周起壟并用聚乙烯薄膜相互間隔，以防止小區之間水、肥相互滲透。機器翻耕后，均勻撒施不同粒徑貝殼粉，待貝殼粉與土壤混合一周后插秧。水稻生長過程中的水肥管理均根據當地常規標準進行。

1.3 樣品采集與處理

水稻成熟后，每個小區隨機選取6 個采樣點，每個點采集3 株水稻及根區土壤。將植株樣分成根、秸稈、稻殼、籽粒4 部分，分別用去離子水沖洗后于烘箱內105 ℃殺青30 min，然后70 ℃烘至恒質量，最后粉碎過60 目篩裝袋備用。土壤樣品于陰涼處風干后研磨過20目和100目尼龍篩備用。

1.4 指標測定方法

土壤pH采用電位法測定，土壤有機質含量、陽離子交換量指標測定參照《土壤農化分析》[12]。土壤全鎘含量采用HNO3、HF、HClO3消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定（GB/T 17141—1997）；土壤中有效態鎘用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取，石墨爐原子吸收分光光度法測定[13]。土壤全硒采用氫化物?原子熒光光譜法測定（NY/T 1104—2006）；土壤有效硒含量的測定，用 0.1 mol·L?1的磷酸二氫鉀溶液浸提，HNO3+H2O2（V∶V=7∶1）混酸進行微波消解后，用氫化物?原子熒光光譜法測定（NY/T 3420—2019）；土壤硒形態及價態測定參考瞿建國等[14]的分級處理方法。

水稻植株樣中鎘和硒的測定：采用HNO3、HClO3消解，用石墨爐原子吸收分光光度法測定鎘含量（GB/T 5009.15—2014），用氫化物?原子熒光光譜法測定硒含量（GB/T 5009.93—2017）。

1.5 數據統計與分析

采用 Excel 2017、Origin 9.1、SPSS 17.0 軟件進行數據處理、相關性分析、方差分析和圖表制作。

2 結果與分析

2.1 對土壤pH的影響

如圖1 所示，與CK 相比，施用不同粒徑貝殼粉均顯著提高了土壤pH，且添加貝殼粉的粒徑越小，效果越顯著。其中粒徑最大的BK10 處理土壤pH 上升0.4 個單位，粒徑最小的BK200 處理土壤pH 上升0.8 個單位。

2.2 對土壤有效態鎘含量和有效態硒含量的影響

由圖2 可知，添加不同粒徑貝殼粉后，土壤中有效態鎘與有效態硒含量呈現出相反的變化趨勢。BK10、BK60、BK200處理的土壤有效態鎘含量均低于CK，分別比CK 降低8.68%、10.84%和17.50%；而磷酸二氫鉀溶液浸提的土壤有效態硒含量分別提高56.39%、70.48%和84.19%，但有效態硒含量處理間差異不顯著。

土壤有效態硒一般主要包括可溶態硒和交換態硒，進一步測定分析各處理可溶態硒和交換態硒中的不同價態硒（圖3）發現，可溶態硒中的+4 價占比較大，而?2 價與+6 價占比相當。與 CK 相比，添加貝殼粉土壤可溶態硒中的+4價和+6價硒含量總和占比有所升高，但升高不明顯。而在交換態硒中，BK60 和BK200 處理的+4 價和+6 價硒含量占比均有所升高，且+6 價占比較高。可見，貝殼粉處理對土壤有效態硒的影響以交換態硒為主，并推斷交換態中硒價態的變化主要是亞硒酸鹽向硒酸鹽轉化。

2.3 不同粒徑貝殼粉對水稻吸收累積鎘和硒的影響

2.3.1 水稻體內鎘含量及分布

水稻對土壤中的鎘有較強的富集能力，圖4 顯示，CK 處理水稻根、秸稈、稻殼和糙米中鎘含量分別達到3.606、0.731、0.499、0.234 mg·kg?1。施加不同粒徑貝殼粉不同程度降低了水稻對鎘的吸收，各組織鎘含量基本表現為根>秸稈>稻殼>糙米，各部位鎘含量隨貝殼粉粒徑減小而降低。其中，貝殼粉粒徑最小的BK200 處理水稻根、秸稈、稻殼和糙米鎘含量分別比CK 降低 39.76%、25.28%、62.80% 和 49.02%，并且BK60 和BK200 的糙米鎘含量分別下降至0.16 mg·kg?1和0.12 mg·kg?1，均符合《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中大米鎘限量值0.2 mg·kg?1的要求。

2.3.2 水稻體內硒含量及分布

與鎘類似，水稻根部硒含量最高，糙米中的含量相對較少。添加貝殼粉處理對水稻吸收硒的影響與鎘相反，與CK相比，施用貝殼粉顯著提高了水稻各部位硒含量，且糙米、稻殼和根中硒含量隨貝殼粉粒徑減小而增加，BK10、BK60、BK200 處理糙米硒含量分別達 到 0.086、0.103、0.111 mg·kg?1，分 別是 CK 的4.31、5.17、5.58倍。雖然水稻根和秸稈中的硒含量分別 是 CK 的 1.8~2.5 倍 和 14~16 倍 ，但 除 BK10 與BK200根中硒含量差異顯著外，其他不同粒徑貝殼粉處理間差異并不顯著。

2.4 水稻累積鎘與硒的相關性

進一步分析水稻各部位鎘和硒含量的相關性發現（表2），糙米中的鎘含量與水稻各部位鎘含量均呈極顯著正相關（P<0.01），與硒含量呈顯著負相關。其中，糙米和稻殼中的鎘與硒含量相關性較高，而秸稈中鎘和硒含量的相關性相對較弱。

表2 不同處理下水稻糙米、稻殼、秸稈、根中鎘與硒含量的相關性Table 2 Correlation between cadmium and selenium content in brown rice，husk，straw and root

3 討論

土壤pH是影響鎘賦存形態最為關鍵的環境因子之一，在土壤重金屬原位鈍化修復過程中具有至關重要的作用[15?17]。貝殼粉主要成分為碳酸鈣，且含有鉀、鎂等堿性化合物，是一種堿性鈍化劑，具有較高的pH。本研究結果顯示，添加貝殼粉顯著提高了土壤pH，這與多人的研究結論一致[18?19]。貝殼粉粒徑越小，土壤pH上升越明顯，可能是因為粒徑越小的貝殼粉比表面積越大，羥基暴露量越多[20]。

土壤有效態鎘和有效態硒含量通常是反映其生物有效性的關鍵指標。土壤pH 的升高，可增強土壤膠體和黏粒對重金屬離子的吸附，黏土礦物表面及溶液中的羥基與重金屬形成氫氧化物沉淀，促進鎘由不穩定態向穩定態轉化，進而降低土壤中鎘的有效性和遷移能力[21]。本試驗中，同等用量的貝殼粉處理均顯著提高了土壤pH，但只有當粒徑小于60 目時土壤有效態鎘含量才顯著低于CK，由此推斷，引起有效態鎘含量降低的原因除了土壤pH 的升高外，主要還與貝殼粉本身的吸附特性有關。因為通過生物礦化形成的貝殼具有多孔結構，其粉碎后吸附性、分散性及化學活性等均會提升[22]，有研究發現貝殼粉粒徑從60目減小到100 目時，其對溶液中鎘離子的吸附量可增加34%[23]，并且貝殼粉對鎘的吸附不僅存在物理吸附，還存在化學吸附，且主要發生在貝殼粉表面[24]，因此當貝殼粉粒徑足夠小時，其比表面積大幅度提高，進而促進了貝殼粉對鎘的吸附，同時有更多的鈣與鎘絡合形成螯合物，進一步降低了土壤有效態鎘含量[25]。與鎘相反，堿性環境下土壤硒活性更高。土壤溶液中鎘常以陽離子形式存在，具有失電子趨勢，而硒主要以硒酸鹽或亞硒酸鹽的陰離子形式存在，有得電子趨勢，兩者受土壤條件的影響可在不同形態之間轉化。土壤中的硒極易被鐵氧化物吸附[26]，導致有效性降低。可能在土壤pH 升高時，土壤溶液中的鎘離子更多地被鐵鋁氧化物吸附，從而削弱對硒的吸附作用，使更多的硒得以釋放[27]，但本試驗不同粒徑貝殼粉處理后，土壤pH上升顯著，而土壤有效態硒含量在處理間差異并不顯著，這有可能是多方面的綜合影響。首先貝殼粉含有與土壤相當濃度的硒，雖然施入量相對很小，對土壤總硒影響較小，但土壤有效態硒含量占比很小，不足土壤總硒的10%，由貝殼粉引入的硒的微小變化，也可顯著提高有效態硒含量，這可能是提高土壤有效態硒的原因之一。土壤環境十分復雜，土壤pH 引起的硒的活化效應可能存在一定的局限性，并不是單一遞進的關系，有研究發現pH對有效態硒中的水溶態硒影響較小，但對交換態硒影響顯著[28]。進一步分析可溶態和交換態硒的價態發現，添加貝殼粉后土壤中交換態硒+6 價占比提高，?2 價占比下降，由此推測，交換態硒是造成有效態硒差異的主要原因，貝殼粉粒徑越小，越會使更多的交換態硒釋放到土壤中，即更多地向植物最易吸收的硒酸鹽（+6 價硒）轉化，同時有機硒里的硒元素（?2 價）可能被離子態的鎘取代進而降低鎘的有效態含量[29]。另外，本試驗測定的是水稻成熟期土壤有效態硒含量，水稻生長過程中經歷淹水和非淹水過程，土壤氧化還原電位的變化對硒酸鹽和亞硒酸鹽以及鎘的固液分配影響機制尚不明確，仍需進一步研究。

施用貝殼粉促進土壤有效態鎘含量的降低和土壤有效態硒含量的升高，直接減少了水稻對鎘的吸收，同時增加了水稻硒的累積。成熟期水稻各部位鎘含量均顯著低于CK，而硒含量顯著高于CK。水稻根部鎘含量在不同貝殼粉粒徑之間差異不顯著，可能是因為成熟期根系內的鎘向上轉移相對減少，且多數累積在根部造成的。而對于根系硒，盡管土壤有效態硒總量差異不顯著，但根系硒的累積量卻存在差異，結合水溶態硒和交換態硒的價態分析發現，交換態硒是水稻根系吸收的主要形態，且以+6 價為主，這也驗證了硒酸鹽是植物最易吸收的形態。水稻糙米中鎘累積量與秸稈、稻殼中的累積量表現出一致性，而水稻秸稈硒含量差異不顯著，但在稻殼和糙米中卻顯現出差異性。結合鎘與硒的相關性分析可知，硒的存在抑制了水稻籽粒對鎘的吸收，且硒在抑制鎘轉移過程中也出現了自身的消耗，使稻殼和糙米中硒含量減少。因為籽粒中鎘與硒的來源主要是灌漿期莖葉中儲存的鎘與硒向籽粒轉運，僅有少部分是直接從土壤中吸收轉運至籽粒，硒可促進谷胱甘肽（GSH）和植物螯合肽（PCs）的合成，而GSH和PCs可與鎘進行螯合，從而降低了鎘在水稻中的移動性[30]。鎘在水稻體內的轉移受到抑制，進而使糙米鎘含量降低，硒含量增加，這種降鎘富硒效應又與貝殼粉粒徑差異有一定的一致性。因此可通過粉碎的方式，在中輕度鎘污染的硒鎘伴生稻田中選用粒徑小于60 目的貝殼粉，即可使糙米鎘含量符合《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的同時，提高糙米硒含量，增加稻米附加值。

4 結論

（1）施用貝殼粉可顯著提高稻田土壤pH，并在降低土壤有效態鎘含量的同時，提高土壤有效態硒含量。土壤有效態硒中以交換態硒為主，貝殼粉粒徑越小，越利于交換態硒向+6價硒轉化。

（2）施用貝殼粉可有效減少水稻各組織對鎘的吸收，并促進硒的累積。貝殼粉粒徑越小，其降鎘富硒效應越明顯。粒徑在60 目以上的貝殼粉處理可使糙米鎘含量符合《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）的要求。

（3）貝殼粉作為一種降鎘富硒的調理劑用于硒鎘伴生稻田修復及稻米提質增效具有一定的可行性，兼顧貝殼粉碎成本及其修復效果，可選用粒徑小于60目的貝殼粉。