不同水分管理條件下蚓糞對水稻鎘積累的影響

張嘉偉 張曉緒 朱靖 陶潤萍 徐軼群 許健

（揚州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225100；第一作者：zjw19960729@163.com；*通訊作者：xujian_yz@163.com）

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國農(nóng)田土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，其中以鎘（Cd）污染最為嚴(yán)重[1]。在南方地區(qū)，土壤Cd 的污染導(dǎo)致一定比例的稻米Cd 含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值0.2 mg/kg[2]。因此，對Cd 污染農(nóng)田的治理修復(fù)并有效減少Cd 在水稻中的積累，是當(dāng)下亟待解決的難題。

由于增產(chǎn)增收作用，化肥在我國被大量使用，這是我國土壤Cd 污染甚至水稻Cd 超標(biāo)的重要原因[3]。一方面，化肥的施用帶來Cd 進(jìn)入土壤，進(jìn)而增加了農(nóng)作物Cd 積累的風(fēng)險。另一方面，土壤因化肥長期大量施用而酸化，而土壤的酸化又導(dǎo)致了重金屬Cd 活性顯著增強，易于被水稻吸收而積累[4-5]。因此，減少化肥的使用或許可以改變我國南方地區(qū)水稻Cd 超標(biāo)的現(xiàn)狀。蚓糞是有機質(zhì)經(jīng)蚯蚓過腹后的產(chǎn)物。研究表明，蚯蚓可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提供植物生長大量營養(yǎng)成分[6]。相較于傳統(tǒng)有機肥，經(jīng)蚯蚓堆肥后產(chǎn)生的有機肥（蚓糞），有機物中的重金屬被蚯蚓富集而顯著降低，營養(yǎng)元素的有效性也有所提高[7]。

研究表明，有機質(zhì)施用于稻田后，可降低水稻對Cd 的積累[8-9]。然而，水稻對Cd 的吸收積累同時受到水分管理的影響。在我國南方地區(qū)，普遍采用的是淹水灌溉和濕潤灌溉。那么，在這兩種水分管理條件下，蚓糞施用于Cd 污染土壤后，對水稻Cd 積累將產(chǎn)生什么樣的影響值得研究，這對保障我國南方地區(qū)的糧食安全生產(chǎn)也具有重要意義。

基于此，本研究選取Cd 污染土壤，采用淹水灌溉及濕潤灌溉兩種水分管理方式，探究不同蚓糞施用量對水稻Cd 積累的阻控效果及其對土壤理化性質(zhì)的影響，以期為Cd 污染稻田的合理利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種為南粳5505。試驗土壤取自揚州市廣陵區(qū)某稻田耕作層土壤，去除石塊、動植物殘體等雜質(zhì)，自然風(fēng)干后研磨，過10 目尼龍篩后用于盆栽試驗。土壤基本理化性質(zhì)：pH值7.42，有機質(zhì)9.20 g/kg，有效磷53.70 mg/kg，速效鉀219.63 mg/kg，堿解氮85.50 mg/kg，總Cd 0.75 mg/kg。蚓糞由揚州大學(xué)試驗農(nóng)牧場蚯蚓養(yǎng)殖基地提供，其pH值為6.90、有機質(zhì)含量440.20 g/kg、總Cd 含量0.46 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 鎘污染土壤的制備

根據(jù)我國《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 5618-2018），土壤Cd 的風(fēng)險管制值為3.0 mg/kg，據(jù)此設(shè)置Cd 濃度為重度污染5.0 mg/kg。取風(fēng)干試驗土壤并加入CdCl2·2.5H2O 充分混勻，于室溫下陳化60 d后備用。

1.2.2 盆栽試驗

盆栽試驗使用普通聚乙烯塑料盆。在水稻秧苗移栽前30 d，每盆裝土5 kg 并施入基肥（1.0 gCH4N2O、0.815 gKH2PO4、0.275 gKCl）。2019年6月統(tǒng)一移栽秧苗，每盆3 叢，每叢3株。為保證水稻正常生長，所有試驗處理組均采用淺水返青的水分管理模式，進(jìn)入分蘗期后開始水分管理。淹水模式水分管理條件為淹水深度保持高于土壤界面3～5 cm狀態(tài)，濕潤灌溉模式水分管理為水稻盆栽內(nèi)表層土以上無明顯水層。蚓糞量以其有機質(zhì)添加量計。試驗設(shè)6個處理：YCK，淹水灌溉模式，不添加有機質(zhì)；YT1，淹水灌溉模式，每1 kg 土壤有機質(zhì)添加量15.8 g；YT2，淹水灌溉模式，每1 kg 土壤有機質(zhì)添加量40.8 g；SCK，濕潤灌溉模式，不添加有機質(zhì)；ST1，濕潤灌溉模式，每1 kg 土壤有機質(zhì)添加量15.8 g；ST2，濕潤灌溉模式，每1 kg 土壤有機質(zhì)添加量40.8 g。每個處理重復(fù)3次，根據(jù)其生長情況適時防治病蟲草害，水稻于11月初收獲。

1.2.3 樣品采集與預(yù)處理

分別于水稻分蘗期、抽穗揚花期和完熟期采集水稻根部土壤，一部分新鮮樣品用于Fe2+測定，另外一部分風(fēng)干后磨細(xì)過100 目尼龍篩，用于土壤基本理化性質(zhì)及重金屬分析。水稻完熟期收獲并采集植株樣品用去離子水洗凈，后放入烘箱于105℃殺青30 min，再60℃烘干至恒質(zhì)量。將水稻根、莖葉以及糙米用萬能粉碎機粉碎后過100 目尼龍篩，密封保存于干燥器中用于化學(xué)分析。

1.3 測定項目及方法

土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。土壤pH值采用電位法測定，Eh值采用雷磁PHS－3C 型精密ORP 計原位測定。土壤有效態(tài)Cd 采用DTPA（二乙基三胺五乙酸）提取劑浸提后使用火焰原子吸收分光光度法（AAS, Solaar MK 2－M 6）測定。土壤Fe2+含量采用硫酸鋁浸提法測定。水稻根、莖葉及籽粒中Cd 含量采用干灰化法消解后用1%HNO3定容、過濾。水稻植株消解液中的Cd 含量均使用ICP－MS（Elan DRC－e）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 19.0 進(jìn)行單因素ANOVA 分析，Duncan 法進(jìn)行多重比較（p＜0.05和p ＜0.01），Origin 2017繪圖。采用標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品GBW07431、標(biāo)準(zhǔn)植物樣品GBW10020（GSB－11）和標(biāo)準(zhǔn)大米樣品GBW10043（GSB－21）進(jìn)行質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤pH、Eh值和Fe2+含量的影響

從圖1可見，無論淹水灌溉還是濕潤灌溉，土壤pH值總體呈先下降而后波動上升的趨勢，且在第28 dpH值下降至低點。對于濕潤灌溉，所有的處理pH值波動變化，總體pH值高于7.2，且pH值隨蚓糞施用量增加而稍有升高。對于淹水灌溉，所有的處理pH值波動變化且隨淹水時間變長趨近于7.0。

圖1 各處理土壤pH值

從圖2可以看出，無論淹水灌溉還是濕潤灌溉，在水稻生長前期（約前28 d）土壤Eh值快速下降，且施用蚓糞后土壤Eh值下降更為迅速。對于淹水灌溉，土壤Eh值隨淹水時間持續(xù)下降而后趨于穩(wěn)定，與YCK 相比，蚓糞施用可顯著降低土壤Eh值，在水稻生長前期，土壤Eh值隨蚓糞施用量增加而下降，生長后期（28 d后）各處理則無明顯差異。對于濕潤灌溉，土壤Eh值下降至第28 d低點后持續(xù)上升，且土壤有機質(zhì)含量越低，Eh值上升越顯著。

圖2 各處理土壤Eh值

如圖3 所示，在水稻全生育期采用淹水灌溉或濕潤灌溉，土壤Fe2+含量在施用蚓糞后均顯著升高，但除了分蘗期ST1與ST2 處理間存在顯著差異外，其余時期兩種水分管理方式下不同蚓糞施用量間均無顯著差異。淹水灌溉條件下蚓糞在分蘗期、抽穗揚花期及完熟期使土壤Fe2+含量分別升高了4.88%～12.53%、10.97%～14.12%和8.36%～9.19%。濕潤灌溉條件下蚓糞在分蘗期、抽穗揚花期及完熟期使土壤Fe2+含量分別升高72.91%～100.54%、45.73%～53.69%和11.25%～17.21%。水稻全生育期內(nèi)，在同等蚓糞施用量下淹水灌溉土壤Fe2+含量均顯著高于濕潤灌溉土壤。

圖3 不同生育期水稻土壤Fe2+含量

2.2 對土壤DTPA-Cd含量的影響

如圖4 所示，與對照相比，在水稻生長的分蘗期和抽穗揚花期，蚓糞的添加總體降低了土壤DTPA-Cd 的含量。在這兩個生長階段，當(dāng)蚓糞的施用量相同時，土壤DTPA-Cd 含量在淹水狀態(tài)總體低于濕潤灌溉水分管理方式，且總體上呈現(xiàn)蚓糞添加量越大，土壤DTPACd 含量越低。在完熟期，淹水灌溉下的土壤DTPA-Cd含量，YT1、YT2 顯著低于YCK。而濕潤灌溉條件下，與SCK 相比，ST1、ST2 土壤DTPA-Cd 含量顯著增加。

圖4 水稻各生育期土壤DTPA-Cd 含量

2.3 對水稻各部位鎘積累的影響

如圖5 所示，不同處理水稻各部分Cd 含量大小依次為根＞莖葉＞糙米。與對照相比，蚓糞的添加顯著降低了Cd 在根、莖葉和糙米中的含量。本研究中，在兩種水分管理方式下，蚓糞施用均顯著降低糙米Cd 含量，YT1、YT2 較YCK 糙米Cd 含量分別降低74.58%和78.69%，達(dá)到了國家規(guī)定的大米中Cd 的限量指標(biāo)（0.2 mg/kg），而ST1、ST2 較SCK分別降低41.83%和50.08%，但仍未達(dá)到國家規(guī)定的限值，其糙米Cd 含量分別為0.24 mg/kg和0.21 mg/kg。

圖5 各處理組水稻植株Cd 含量

3 討論

不同水分管理條件下，土壤的物理、化學(xué)及生物性質(zhì)都會發(fā)生改變，從而造成土壤各組分的化學(xué)行為發(fā)生顯著變化，最終影響土壤中重金屬等元素的活化、遷移及沉積。水分條件作為貫穿水稻完整生育期的影響因子，其對水稻的作用不僅體現(xiàn)在影響水稻營養(yǎng)吸收及生長代謝活動上，也影響著水稻對于重金屬脅迫等逆境的抗逆反應(yīng)[10]。黃爽等[11]指出，一定范圍內(nèi)隨著土壤pH值的升高，Cd 的有效性會大大降低。本研究中，不施用蚓糞條件下，濕潤灌溉處理土壤pH值高于淹水灌溉處理，而在完熟期土壤DTPA-Cd 含量顯著低于淹水灌溉處理，符合此規(guī)律。此時，土壤pH值對水稻土壤DTPA-Cd 含量的影響占主導(dǎo)，pH 升高使得土壤膠體表面負(fù)電荷數(shù)量增加，對Cd 的吸附固定能力增強[12]，因此，土壤中環(huán)境活性態(tài)Cd 含量隨之降低。

在淹水灌溉下施用蚓糞較在濕潤灌溉下施用蚓糞對降低糙米Cd 含量的效果更顯著。淹水條件使土壤環(huán)境與空氣隔絕，土壤中各種微生物的代謝活動消耗O2，有機質(zhì)作為主要的還原物質(zhì)，提供了大量電子供給淹水后土壤環(huán)境中的各種氧化物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)[13-15]。本研究中，淹水處理下土壤Eh值持續(xù)緩慢下降，添加蚓糞后，土壤Eh值在水稻生育前期急劇下降。蚓糞的施用提供了更多的有機質(zhì)作為碳來源，加速了土壤微生物的氧化還原反應(yīng)，從而造成土壤Eh值的加速下降。此時，土壤中高價態(tài)的Fe離子會被還原為低價態(tài)，水溶性Fe2+含量增加。有機質(zhì)的分解會釋放更多電子，蚓糞中含有大量腐殖質(zhì)，F(xiàn)e 還原微生物是利用腐殖質(zhì)作為電子受體[16]，微生物轉(zhuǎn)化有機化合物的同時會形成Fe 還原移動所必須的化合物[17]，使土壤中Fe氧化物進(jìn)一步還原溶解，對土壤中的Fe起到活化作用，且有機還原物質(zhì)越多反應(yīng)速度越快，這也證實了本研究中淹水處理下土壤Fe2+含量隨著蚓糞施加量的增大而增大。而Fe2+與Cd2+存在競爭關(guān)系，水稻對兩種金屬的吸收均通過運輸Fe 的轉(zhuǎn)運蛋白（ZIP、OsIRT1等）進(jìn)入水稻根部[18-20]，F(xiàn)e2+先與運輸?shù)鞍捉Y(jié)合，致使Cd 缺少結(jié)合位點，從而減少了Cd 向水稻地上部分的轉(zhuǎn)運。此外，水稻等耐漬水植物的根系具有較強的氧化能力，在長期處于還原環(huán)境下，水稻體內(nèi)的生理活動將植株從大氣中吸收的O2高效轉(zhuǎn)運至根尖，向根際釋放氧化性物質(zhì)，將部分低價態(tài)的Fe、Mn 氧化成高價態(tài)，這些Fe、Mn 氧化物形成沉淀附著在水稻根部表面，可觀察到紅棕色氧化物即為水稻根膜[21]。根膜的吸附能力和電化學(xué)特性使得重金屬元素可以被其吸附、共沉淀，同時根膜又是根系的保護(hù)屏障，土壤中的Cd 需要經(jīng)過根膜的吸附和解吸才能進(jìn)入根部，根膜通過此作用改變了植株對重金屬的吸收能力[22]。

4 結(jié)論

在濕潤灌溉和淹水灌溉下施用蚓糞對土壤理化性質(zhì)有著顯著不同的影響。濕潤灌溉下各處理土壤pH值高于淹水灌溉，且隨著蚓糞施用量的增大土壤pH值稍有上升；淹水灌溉下土壤Eh值持續(xù)下降，而濕潤灌溉下土壤Eh值在水稻移栽后28 d持續(xù)上升。

與對照相比，淹水灌溉下施加蚓糞顯著降低了土壤DTPA-Cd 含量，但總體上仍高于同期濕潤灌溉處理；淹水灌溉下水稻土壤Fe2+含量顯著高于濕潤灌溉下，蚓糞的施加進(jìn)一步提高了土壤Fe2+含量。

當(dāng)灌溉方式相同時，糙米中Cd 含量隨蚓糞施用量的增加而下降；同等蚓糞添加量下，淹水灌溉較濕潤灌溉更能有效降低Cd 在水稻根部和糙米中的積累，而水稻莖葉中Cd 含量不同處理間差異不顯著。