鎘污染稻田土壤調理劑研究進展與展望

田云鶴，易鎮邪

（湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128）

目前，土壤污染問題日趨嚴重，其中土壤重金屬污染由于較難察覺，在物質循環和能量循環中難以分解，容易蓄積在土壤中，導致作物減產，并通過植物的根系吸收進入植物體內，再經過食物鏈的傳遞和富集而危害人體健康。土壤重金屬污染以鉛和鎘為主，鎘是生物生長發育過程的非必需元素，是自然界中對動植物和人體危害性最大的重金屬種類之一。土壤鎘污染已成為了當前南方稻田面臨的一大難題，人們開始廣泛研究有關稻米鎘污染的問題，例如篩選和培育低鎘品種，探究水稻對鎘元素的吸收和累積規律以及其他防控水稻鎘污染的技術等，并且取得了一定的成果。湖南省著重關注水稻控鎘技術研究，很多專家認為解決稻米鎘污染的有效途徑之一是采用相關土壤調理劑來降低土壤中鎘的生物有效性。筆者從介紹鎘脅迫對水稻的影響入手，總結了目前報道的土壤調節劑種類、土壤調理劑對水稻產量及水稻鎘積累的影響及機制、不同土壤調理劑的效果比較等方面的研究進展，并展望了未來的研究方向，以期為土壤調節劑的推廣應用提供依據。

1 鎘脅迫對水稻的影響

1.1 鎘脅迫對水稻生理特性的影響

植物進行光合作用的場所是葉綠體，植物進行呼吸作用的主要場所是線粒體，鎘濃度過高會對葉綠體和線粒體造成毒害效應，從而影響光合作用與呼吸作用。林舜華等[1]研究表明，在鎘濃度0.01~5 mg/kg條件下水稻光合速率均降低；張杰等[2]也發現鎘脅迫下水稻幼苗的光合作用受到顯著抑制。陳圣安等[3]發現，蛋白質中的或者酶活性中心的琉基可以與鎘結合，將酶活性中心的Mg2+等元素取代，造成生物大分子的構象發生變化，并因缺乏必需元素而使酶活性降低。葛才林等[4]發現，鎘可以抑制呼吸作用，原理是鎘會抑制細胞色素氧化酶同功酶、蘋果酸脫氫酶以及水稻淀粉酶的表達。

1.2 鎘脅迫對水稻產量構成與農藝性狀的影響

袁珍貴等[5]研究表明，水稻的產量隨土壤鎘含量升高而下降，在添加1.0 mg/kg Cd時各品種產量均顯著降低；當土壤中的鎘離子含量升高時，由于品種不同，所造成的水稻產量構成因素的影響也有所不同，但減產的原因主要是結實率、穎花數和收獲指數降低。白嵩等[6]研究表明，鎘離子會嚴重抑制水稻幼苗、根系的生長，Cd2+濃度100 mg/L時會導致水稻的幼株根尖顏色變褐，表現出中毒反應。鄒繼穎等[7]研究表明，高濃度的鎘對水稻生長起抑制作用，在達到濃度拐點后，水稻株高會變矮。龍應霞等[8]研究表明，隨著鎘脅迫時間的延長和鎘離子濃度的增加，水稻株高變矮、根長縮短、根量和葉數減少。

2 土壤調理劑的種類

為解決土壤鎘及其他重金屬污染問題，除了用天然礦物質對土壤進行治理外，農業生產所產生的廢棄物（植物秸稈、糞便等）、工業生產所產生的廢棄物（例如煤灰粉、爐渣等）、人工高分子聚合物（PAM、PAN等）經過高溫煅燒、萃取加工、化學反應等處理后施入農田，土壤中的重金屬有效性會受到影響，水稻產量也會得到提高[9]。

土壤調理劑暫時沒有固定的分類標準，大體上可以按照用途和原料來源進行分類。根據原料來源，土壤調理劑可以被分為人工合成類、生物類、天然類和天然-合成共聚物類等[10]，也可以被分為礦物質類、有機物質類、高分子化合物類和其他類[11]。根據用途，土壤調理劑可分為酸性土壤改良類、鹽堿地改良類、通用類、沙土改良類等[12]。

3 土壤調理劑對水稻產量與鎘積累的影響

3.1 土壤調理劑對水稻產量的影響

李龍等[13]研究表明，當“潤邦牌”土壤調理劑施用量達到1500~2100 kg/hm2時，水稻增產2%~5%。胡仁健[14]研究表明，有機硅土壤調理劑能促進水稻分蘗，可比對照增產11%~19%。廖雄輝等[15]研究表明，南荻炭基土壤調理劑可通過促使水稻提前抽穗、增強葉片光合效率的途徑提高產量。唐八生[16]研究發現，施用BRA土壤調理劑可促進水稻植株的生長發育，同時幫助水稻植株增強抗逆能力，增產極顯著。解秋等[17]發現，施用土壤調理劑后，水稻千粒重增加0.8~1.1 g、穗粒數增加20~30粒、有效穗數提高7.0%~12.6%，增產達10%以上。廖雄輝等[18]研究表明，施加南荻炭基土壤調理劑后，水稻有效穗數、結實率和千粒重顯著提升，增產幅度最高可達35.0%。由此可見，土壤調理劑可促進水稻分蘗，并通過提高光合效率來增加千粒重、有穗數和穗粒數，進而達到增產目的。

3.2 土壤調理劑對水稻鎘積累的影響

張劍鋒等[19]研究表明，土壤調理劑顯著降低了水稻糙米、稻殼、莖葉和根系中的鎘含量。陳立偉等[20]發現，通過施加土壤改良劑，早稻各器官鎘含量降低明顯，其中糙米鎘含量降低了29.6%~56.1%。HE等[21]研究表明，添加凹凸棒土和加工牡蠣殼粉能顯著降低稻谷鎘含量，添加凹凸棒土后稻谷鎘含量從0.26 mg/kg降低到0.14 mg/kg，添加加工牡蠣殼粉后稻谷鎘含量從0.26 mg/kg降低到0.19 mg/kg，均達到國家稻谷安全標準（＜0.20 mg/kg）。李龍等[13]發現，“潤邦牌”土壤調理劑可使稻米鎘含量顯著下降，降幅達到35.6%~51.1%。彭林權等[22]研究表明，土壤調理劑可使雙季稻糙米鎘含量顯著降低，與對照相比可降低0.011~0.33 mg/kg，降幅達24.1%~63.5%。余洪章[23]發現，施用“稻糧香”牌復合降鎘土壤調理劑（粉劑）可使稻米鎘含量下降0.152~0.167 mg/kg，降幅達47.06%~51.70%。劉曉月等[24]發現，施用鐵基復合土壤調理劑后，糙米鎘含量顯著降低。陳海艷等[25]發現，施用湖南省微生物研究院研制的高活性土壤調理劑，精米鎘含量下降34.8%~39.2%。

由此可見，施加土壤調理劑可以使水稻糙米、籽粒以及各器官的鎘含量顯著降低，且有研究表明，土壤調理劑施用量越大效果越好。張蘭等[26]研究表明，施用含 K2O≥6.0%、SiO2≥20.0%、CaO≥20.0%、MgO≥5%的土壤調節劑后，稻谷鎘含量可以得到有效降低；施用量越高，降幅越明顯，施用量為750 kg/hm2時，降幅為42.4%，施用量為1500 kg/hm2時，降幅達56.8%。

4 土壤調理劑對水稻產量與鎘積累的影響 機制

水稻生長發育、物質合成與產量形成受光合速 率[27]、溫度[28]、水分、養分[29-30]、土壤特性等因素的影響，從土壤調理劑與水稻產量構成因素、光合速率、土壤特性等的關系入手，研究土壤調理劑是如何影響水稻產量與鎘含量的具有重要的現實意義。

4.1 土壤調理劑對水稻產量的影響機制

（1）改善生理特性。施用土壤調理劑可以使水稻生理特性得到有效改善，產量構成因素也得到提升。宋如荻等[31]發現土壤調理劑可以使水稻抗逆能力、水稻根系活力得以提升，為提高水稻產量奠定了基礎。廖雄輝等[18]研究表明，施加南荻炭基土壤調理劑后，水稻光合速率和產量均有所提高，穗數、結實率和粒重顯著提高。

（2）改善土壤結構，提高土壤肥力。粉煤灰等無機類土壤調理劑施入黏土后，可有效改變土壤的孔隙度，提高土壤的通透性[19]。某些有機類土壤調理劑能促進形成水穩性土壤團粒結構，增強土壤持水能力，降低土壤容重[32-33]。有機類土壤調理劑本身就富含有機質，可以作為有機肥，如蚯蚓糞就有提高土壤養分含量的效果[34]。這表明土壤調理劑對土壤理化性質的改良是提高水稻產量的重要原因。

4.2 土壤調理劑對水稻鎘積累的影響機制

（1）降低水稻鎘轉運系數。研究表明，根系和地上部的代謝過程以及體內重金屬的運轉受土壤調節劑的影響，從而間接對重金屬的吸收產生影響[35-40]。周利軍等[41]研究表明，施用森美思、CCT01、礦物質和特貝鈣土壤調理劑能夠降低土壤鎘含量和水稻鎘含量，能夠阻礙重金屬鎘在土壤-水稻系統的遷移與再分配。張劍鋒等[19]研究表明，施加土壤調理劑后，重金屬由水稻根部轉向莖葉、由莖葉轉向稻殼和由稻殼轉向糙米的轉運系數均顯著下降。宋如荻等[31]發現，施用土壤調理劑使水稻籽粒鎘含量降低的原因是降低了鎘從莖稈到籽粒的轉運系數。

（2）降低土壤鎘有效性。研究表明，施加土壤調理劑可以降低土壤鎘的有效性。李龍等[13]研究表明，施用“潤邦牌”土壤調理劑可明顯降低土壤有效鎘含量，降幅為23.7%~44.8%；陳海艷等[25]發現，高活性土壤調理劑可以顯著降低土壤中的有效態鎘含量，與對照相比降低了0.114~0.127 mg/kg；胡仁健[14]研究表明，有機硅土壤調理劑可以顯著降低土壤鎘含量，降幅為9%~11%。

前人研究了土壤調節劑對土壤有效鎘含量和土壤pH值的影響，結果表明，土壤pH值在施用土壤調理劑后有所提高，但前人研究中pH值的提高幅度有所差異，有的提高了0.9~1.1[13]，有的提高了0.2~1.4[22]，還有的提高了0.47[25]。盡管提高幅度不同，但結論一致，即：土壤調理劑降低土壤鎘有效性的重要途徑之一是提高土壤pH值[19,24,42]。

研究表明，某些微生物可通過絡合等方式吸附重金屬離子，從而使土壤中重金屬含量轉化為低毒狀 態[12]。奉啟云等[43]研究表明，在陶瓷納米材料表面上，單層分子多孔陶瓷功能納米材料“森美思”能引入官能團，從而有效去除土壤中的鎘，“森美思”單獨施用以及其與石灰配合施用均能有效降低糙米鎘含量。劉藝蕓等[44]研究表明，土壤調理劑、巰基改性海泡石、鈣鎂磷肥可通過離子交換吸附固定土壤重金屬，而巰基修飾海泡石固定土壤重金屬的方法主要為物理吸附和提高土壤陽離子交換量。由此可見，絡合、吸附或交換吸附也是土壤調理劑降低土壤有效態鎘含量的重要途徑。

（3）發揮離子拮抗作用。張宇鵬等[45]研究表明，無機硅土壤調理劑可將鎘固定于土壤中，同時阻礙鎘被根系吸收，因此水稻根、莖、葉、稻殼、稻米中的鎘含量顯著降低；但若以葉面噴施方式施用，無機硅經葉面吸收后可降低葉片鎘聚集，但根系對鎘的吸收并未減少，因此不能降低根和莖中的鎘含量。文典等[46]研究表明，施用調理劑可以增加Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn在稻米中的積累量，稻米鎘含量隨著礦質元素含量升高而降低，由此可見，可以采用提高稻米中礦物質元素含量的方法來降低稻米鎘含量。但對于這種方法的降鎘效果，有學者有不同看法。謝運河等[47]研究發現土壤調節劑可以通過相關元素與鎘的拮抗作用抑制莖稈鎘向稻米的遷移和再分配，但降鎘效果 一般。

5 不同土壤調理劑比較研究

前人針對各類土壤調理劑開展了大量研究，并在不同地方、不同土壤條件下得到了不同的結果。在對水稻產量的影響上，張永宏等[48]發現不同土壤調理劑均對水稻有增產效果，但以ORYKTA、丹路菌劑、丹路菌肥的增產效果較為顯著。

在對水稻鎘積累的影響上，大量研究認為，不同土壤調理劑對稻米的降鎘效果存在較大差異[19,47,49]。廖雄輝等[18]研究表明，南荻炭、腐植酸、硫酸鋅、硅酸鉀、鈣鎂磷和熟石灰對水稻莖葉鎘含量均有極顯著影響。劉藝蕓等[44]研究表明，土壤調理劑、巰基改性海泡石、鈣鎂磷肥均能使土壤DTPA提取態鎘的含量降低，對鎘的鈍化效果表現為巰基改性海泡石＞土壤調理劑＞鈣鎂磷肥＞鎂基礦物材料。武琳等[50]研究表明，從鎘修復效果以及對土壤微生物數量和酶活性影響的角度考慮，特貝鈣調理劑效果最好，其次是礦物質和森美思調理劑。彭鷗等[51]發現，不同處理對土壤有效態鎘和水稻各器官鎘含量的降低效果表現為綜合處理＞基施石膏粉＞基施湘潤邦土壤調理 劑＞礦物硅肥+噴施葉面肥＞淹水處理。馮光輝等[52]研究發現，在提高土壤pH值以及降低土壤有效鎘和稻米、稻草中鎘含量等方面，土壤調理劑與石灰效果優于復合微生物肥。但何鳳鵬等[53]研究表明，施用復合微生物肥，可以更加有效地降低稻米總鎘含量，效果比天然礦物類土壤調理劑更好。

6 研究展望

土壤鎘污染嚴重影響我國糧食的產量與質量安全。近年來，我國已開展了較多土壤鎘污染防控研究，在土壤調理劑方面也取得了較大進展，但是還有很多問題需要深入研究。例如：土壤調理劑的種類過多，人們不知道如何選擇；不同土壤調理劑的效果缺乏系統比較；土壤調理劑的降鎘機制還有待深入研究，等。基于此，筆者認為土壤調理劑的后續研究可從以下5個方面著手。

第一，大力開展新型土壤調節劑研究，爭取做到低成本、低污染、高效率。當前，盡管土壤調理劑種類繁多，但仍然需要大力研制新型土壤調節劑。要密切關注當前的熱門材料，如生物炭等。據有關資料，我國農林業的廢棄資源量巨大，如果將這一類資源進行炭化開發成生物炭土壤調理劑，既可以有效利用這些資源，又可以減少農林廢棄物對環境的破壞。將廢棄資源以發展土壤調理劑的途徑充分循環利用，將是今后協調資源與環境矛盾的有效途徑之一。

第二，降低土壤調節劑的生產成本與價格。胡仁健[14]研究表明，施用有機硅土壤調理劑可使水稻增產11%~19%，但成本增加了約9000元/hm2。當前某些土壤調節劑效果好，但售價過高，阻礙了其推廣應用。目前，湖南等省在治理土壤鎘污染方面，主要采取省財政出資、縣級政府采購、企業承包的形式進行，企業是以獲得高效益為原則的，必然選擇價格低廉、但效果不一定很好的土壤調節劑。這必定會影響土壤的改良效果。因此，降低土壤調節劑的生產成本與價格是當前迫切需要解決的問題之一。

第三，應因地制宜篩選土壤調理劑，明確土壤調節劑的適宜用量。各地區土壤、氣候、灌溉水與水稻品種各不相同，土壤調節劑種類繁多，同時有研究表明不同用量調理劑條件下的改良效果差別較大[54]。因此，不同地區情況不同，應因地制宜進行不同種類、不同用量土壤調理劑下的水稻產量、米質與鎘積累、運轉途徑及其機制研究，篩選出合適的土壤調理劑，并確定其適宜用量，以實現水稻安全高效生產。

第四，應加強復合調理劑以及土壤調理劑與農藝措施的結合應用研究。吳云[55]研究表明，復合調理劑（生物碳、膨潤土和鈣鎂磷肥）控制土壤中有效鎘的效果更好。張昊[56]研究表明，土壤調節劑配施處理（赤泥100 kg/667m2、硅肥60 kg/667m2、鈣鎂磷肥24 kg/667m2、鋅肥2.4 kg/667m2）對水稻根和米鎘吸收系數有顯著影響。廖雄輝[57]的研究表明，南荻炭與5種鎘鈍化劑互作水稻莖葉和稻谷籽粒的鎘含量顯著降低，以“南荻炭∶腐殖酸∶硅酸鉀∶鈣鎂磷∶硫酸鋅∶熟石灰=200∶60∶3∶30∶4∶120”的比例配施效果最顯著。彭鷗等[58]研究表明，組合措施可使稻米降鎘幅度達到78.46%，明顯優于單一水分管理和單一土壤調理劑處理。唐金花[59]研究發現，降低農田重金屬污染稻米鎘含量的最佳推廣模式是“低鎘水稻品種+優化水分管理+撒施石灰修復技術”組合。由此可見，將土壤調節劑與農藝措施結合，可發揮更好的土壤修復與稻米降鎘效果。當然，還有很多降低土壤鎘污染的技術，也沒有必要全部采用。因此，針對不同土壤調理劑合理選擇組合技術措施，需因地制宜開展研究。

第五，加強土壤調理劑的周年及長期應用效果研究。陳立偉等[20]發現，在早稻季施加復合改良劑，早稻各器官的鎘含量顯著降低，其中糙米鎘含量降低29.6%~56.1%，但不能有效抑制晚稻對重金屬鎘的吸收。土壤調理劑的周年及長期應用效果，與土壤調理劑施用技術、施用量有關，與使用成本與經濟效益有關，但目前有關土壤調理劑的周年及長期應用效果的研究極少，有待加強。