不同改良劑對土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果

柳開樓，萬國湲，葉會財，李大明，余喜初

（1.江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 331717；2.江西省養蜂研究所，江西 南昌 330052）

鎘（Cd）屬于有毒有害元素，其進入食物鏈后會嚴重危害人類健康[1-2]。近年來，稻米Cd 超標事件頻發，如何阻控和降低稻米Cd 污染已經成為社會關注的重點[3-4]。大量研究表明，土壤中Cd 含量是導致稻米Cd 累積的主要原因[5-6]。特別是在土壤酸化加劇背景下，土壤中有效Cd 的增加對稻米Cd 累積影響巨大[7-8]。

在水稻種植過程中，除了篩選品種和優化水分管理之外[9-10]，通過添加外源改良劑提高土壤有機質和pH 值等是鈍化土壤有效Cd 和阻控稻米Cd 吸收的關鍵措施[5,10-11]。有研究表明，施用腐熟的畜禽糞便有機肥可以顯著降低水稻土中有效Cd 含量[12-13]。同時，通過施用石灰等堿性物質也可以顯著降低水稻土的有效Cd 含量，從而抑制Cd 在稻米中累積[14]。但是，由于傳統的畜禽糞便有機肥腐熟過程較長、腐熟程度不易控制，再加上石灰撒施容易傷手、且用量過大容易造成土壤板結等問題，因此開發新型有機肥和堿性改良劑成為學者們重點關注的課題。前人研究已經初步證實，生物黑炭可以替代傳統的畜禽糞便有機肥，且其對土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收均有阻控效果[10-11]。此外，牡蠣殼粉也可以在一定程度上改良酸性土壤，起到鈍化土壤重金屬活性的效果[15-16]。然而，與傳統畜禽有機肥和石灰相比，生物黑炭和牡蠣殼粉等改良劑對水稻土Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果到底如何，尚未見相關報道。因此，筆者采用盆栽試驗，比較了有機肥（豬糞、生物黑炭）單施以及與堿性改良劑（石灰、牡蠣殼粉）配施對土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果，以期為南方水稻土的Cd污染修復技術提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在江西省進賢縣張公鎮老王村（116°17'60''E、28°35'24''N）進行，該地處于中亞熱帶，年均氣溫18.1℃，≥10℃積溫6 480℃，年降雨量1 537 mm，年蒸發量1 150 mm，無霜期約為289 d，年日照時數1 950 h。供試土壤為紅壤性水稻土，有機質含量11.2 g/kg，全氮1.45 g/kg，全磷含量0.73 g/kg，全鉀含量13.59 g/kg，有效磷含量44.55 mg/kg，速效鉀含量200.80 mg/kg，土壤pH 值為5.33，全量Cd 和有效Cd含量分別為0.224 和0.105 mg/kg。于2017 年1 月采集土壤，風干過篩后裝入塑料桶內備用。塑料桶規格為上口直徑30 cm，下底直徑25 cm，盆高35 cm。每盆裝土7.5 kg。加入3 mg/L 的CdCl2溶液2.50 L，使得每個桶內土壤的Cd 含量為1.0 mg/kg，靜置3 個月備用。

供試有機肥為豬糞和生物黑炭，供試堿性改良劑為石灰和牡蠣殼粉，供試水稻品種為早稻優Ⅰ156 和晚稻正成456。

1.2 試驗設計

試驗設7 個處理，分別為空白對照（CK）、豬糞（PM）、豬糞+石灰（PM+L）、豬糞+牡蠣殼粉（PM+OSP）、生物黑炭（BC）、生物黑炭+石灰（BC+L）、生物黑炭+牡蠣殼粉（BC+OSP），每個處理6 次重復。其中豬糞和生物黑炭均為等碳量（有機碳添加量為10.0 g/盆）、石灰和牡蠣殼為等氧化鈣含量（氧化鈣添加量為10.0 g/盆）。

1.3 盆栽管理

于2017 年4 月25 日移栽早稻，7 月28 日收割；7 月30 日移栽晚稻，11 月5 日收割晚稻。由于土培作物根系養分吸收區域小，因此盆栽種植施肥量為田間種植時的3 倍。盆栽試驗所有處理的施肥量均為N 3.38 g/盆（含N 46%的尿素7.35 g）、P2O52.03 g/盆（含P2O512%的鈣鎂磷肥16.92 g）、K2O 3.04 g/盆（含K2O 60%的氯化鉀5.07 g）。其中，氮肥30%作基肥，30%在返青期施用，40%在分蘗盛期施用；鉀肥50%在返青期施用，50%在分蘗盛期施用；磷肥全部作基肥。鈣鎂磷肥在盆缽裝土前混入土壤，拌勻，以后則是在每季水稻移栽前將土壤松動，均勻施入鈣鎂磷肥，然后拌勻；尿素和氯化鉀則是將肥料溶解成液體后均勻施入土壤中。水分管理采取人工灌溉，在分蘗末期及時擱田，后期干濕交替。注意防治病蟲害和雜草。

1.4 測定指標及方法

早晚稻成熟期，每個處理選擇3 個重復按照實打實收的方法測定小區產量，另外3 個重復分別采集籽粒和土壤樣品，研磨處理后分析籽粒的Cd 含量以及土壤中的有效Cd 含量，具體測定方法參考魯如坤[17]的方法。采用線性擬合方程表征水稻籽粒Cd 含量與土壤有效Cd 含量的量化關系。

1.5 數據分析

采用Excel 2003 軟件進行數據分析，采用SPSS 16.0 軟件進行方差分析，采用Duncan 多重比較方法檢驗處理間的顯著性差異（P＜0.05），采用Origin 7.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對Cd 污染土壤中水稻籽粒產量的影響

如圖1 所示，與CK 相比，施用改良劑的處理水稻籽粒產量均顯著增加。早稻季，豬糞（PM）、豬糞+石灰（PM+L）、豬糞+牡蠣殼粉（PM+OSP）、生物黑炭（BC）、生物黑炭+石灰（BC+L）、生物黑炭+牡蠣殼粉（BC+OSP）處理的籽粒產量分別比CK 增加 了15.52%、21.68%、30.06%、26.13%、29.39% 和36.01%，晚稻季的籽粒產量分別比CK 增加了12.02%、17.07%、21.67%、17.12%、24.60% 和27.28%。但不同改良劑處理間早晚稻籽粒產量均無顯著差異。

圖1 不同改良劑處理下早晚稻籽粒產量的變化

2.2 不同改良劑對Cd 污染土壤中水稻籽粒Cd 含量與累積量的影響

由圖2A 可知，施用改良劑可以顯著降低水稻籽粒中的Cd 含量。與CK 相比，PM、PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 處理的早稻籽粒Cd 含量分別降低了24.76%、36.12%、60.07%、54.64%、62.65%和64.53%；晚稻籽粒Cd 含量降幅分別為4.93%、43.48%、53.47%、45.94%、55.74%和58.32%。其中單施生物黑炭的降Cd 效果顯著優于單施豬糞處理，但在豬糞或生物黑炭的基礎上，配施牡蠣殼粉的降Cd 效果則優于石灰處理。

從水稻籽粒Cd 的累積量（圖2B）來看，早稻的明顯低于晚稻的。與CK 相比，除了PM 處理早晚稻籽粒Cd 累積量均未顯著降低之外，PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 處理的早稻籽粒Cd 累積量分別降低了22.27%、48.07%、42.79%、51.67%和51.76%；晚稻籽粒Cd 累積量分別降低了33.84%、43.39%、37.95%、44.85%和46.95%。

圖2 不同改良劑處理早晚稻籽粒Cd 含量和累積量的變化

2.3 不同改良劑對土壤有效Cd 含量的影響

由圖3 可知，施用改良劑可以顯著降低土壤有效Cd 含量。與CK 相比，早稻收獲后，PM、PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 處理的土壤有效Cd含量分別降低了40.00%、35.00%、57.00%、44.60%、41.93%和65.88%；晚稻收獲后各處理土壤有效Cd含量分別降低了41.20%、30.93%、57.24%、36.60%、48.38%和68.57%。其中以生物黑炭+牡蠣殼粉的處理的降Cd 效果最顯著。

圖3 不同改良劑處理早晚稻收獲后土壤中有效Cd 含量的變化

2.4 水稻籽粒Cd 與土壤有效Cd 的量化關系

由圖4A 和表1 可知，早晚稻籽粒中Cd 含量與土壤有效Cd 含量存在密切關系，其線性方程的相關系數分別為0.793 5、0.706 1，相關性顯著（P＜0.05）；當土壤有效Cd 含量降低0.1 mg/kg 時，早稻和晚稻籽粒中的Cd 含量可分別降低0.057 和0.188 mg/kg，其中晚稻的降幅明顯高于早稻。然而，如圖4B 和表1所示，籽粒Cd 累積量與土壤中有效Cd 儲量之間存在正相關關系，但是相關性不顯著（P＞0.05）。

表1 土壤中有效Cd 與籽粒Cd 的擬合方程參數

圖4 水稻籽粒Cd(y)與土壤中有效Cd 含量(x)的量化關系

3 結論與討論

施用有機肥和石灰等改良劑可以提高土壤肥力、減緩土壤酸化，從而提高作物產量[18-19]。這一結論已經在南方雙季稻區得到充分驗證。筆者的盆栽試驗也表明施用有機肥和石灰等改良劑后，早稻和晚稻的產量可以提高15.52%～36.01%和12.02%～27.28%。同時，前人研究表明，施用有機肥，特別是生物黑炭，可以通過提升土壤pH 值來降低重金屬活性，且較高的有機質含量還可以與重金屬元素進行螯合，進而有效降低作物對重金屬的吸收[10-11]。羅華漢等[15]研究表明，單獨施用牡蠣殼粉可以使土壤有效Cd 含量下降了40.2%～49.0%。筆者的研究結果也表明，將生物黑炭與牡蠣殼粉復配施用可以大幅降低土壤中有效Cd 的含量，且效果優于單獨施用豬糞或石灰的處理，在所有處理中，生物黑炭+牡蠣殼粉處理的土壤有效Cd含量最低。這一方面與生物黑炭和牡蠣殼粉均偏堿性[10,15]，顯著提升了土壤pH 值，進而鈍化了大量活性Cd 有關，另一方面可能與兩者配施改變了水稻根際的微環境[20]，從而降低了作物對Cd 的吸收有關，但具體原因還有待進一步研究。

土壤有效Cd 的降低會進一步限制水稻籽粒中Cd的累積[5-6]。與CK 相比，生物黑炭+牡蠣殼粉處理的早晚稻收獲后土壤有效Cd 含量降低了65.88%～68.57%，而其水稻籽粒的Cd 含量和累積量分別降低了58.32%～64.53%和46.95%～51.76%。結合擬合方程發現，當土壤有效Cd 含量減少0.1 mg/kg 時，早稻和晚稻籽粒中的Cd 含量可分別降低0.057 和0.188 mg/kg，表明改良劑在晚稻上的降Cd 效果明顯高于早稻，這可能與水稻品種特性以及早晚稻季不同的溫光差異有關[21-22]。同時，由于改良劑可以顯著提高水稻產量[23-24]，因此土壤有效Cd 儲量與籽粒Cd 累積量不存在顯著的正相關關系。在今后的研究中，如何解決改良劑施用下水稻增產與重金屬累積的矛盾還有待進一步研究。

綜上所述，有機肥（豬糞、生物黑炭）與堿性改良劑（石灰、牡蠣殼粉）配施可以顯著降低土壤有效Cd 含量，進而降低水稻籽粒中Cd 的含量和累積量。其中以生物黑炭配施牡蠣殼粉的降Cd 效果最顯著。隨著土壤有效Cd 含量的降低，早晚稻籽粒的Cd 含量均呈現顯著降低趨勢，且晚稻的降幅明顯大于早稻。