不同來源有機物料降低水稻鎘積累的效果

朱靖 孫星星 張曉緒 陶潤萍 張嘉偉 徐軼群

（揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225000；第一作者：zj17857026165@163.com；*通訊作者：qunxyq@163.com）

根據2014年發布的中華人民共和國土壤調查報告顯示，重金屬鎘（Cd）是我國農田重金屬污染中的首要污染物，約7%的土壤被Cd 污染[1]。水稻是世界上最重要的糧食作物之一，與經濟發展和人類健康密切相關，但因其具有易積累Cd 的特性，需要制定有效措施減少Cd 的生物利用度和在水稻中的積累，以遏制Cd對生物體的威脅[2]。

化肥的施用對我國糧食增產增收發揮了重要作用，然而長期過量使用化肥也帶來了嚴重的環境問題[3]。一方面，過量使用化肥使畜禽養殖廢棄物和作物秸稈等有機物減少了還田利用的可能，未被利用的畜禽養殖廢棄物和作物秸稈等有機物進入環境，會污染水體，導致水體富營養化；另一方面，土壤性狀因此退化（如土壤酸化、板結），使Cd 等有毒重金屬活化，更易在水稻等作物中積累。已有研究表明，施用有機物料可顯著降低Cd 在水稻籽粒中的積累[4-5]。但有機物料來源廣泛，施用后對土壤Cd 的影響效果不一致，進而對水稻Cd 積累也產生不同影響。蚓糞是一種良好的腐熟有機物料；紫花苜蓿常用于畜牧養殖中，具有一定的經濟價值和環境價值[6]。目前對蚓糞和紫花苜蓿降低重金屬Cd 在水稻中積累的研究鮮有報道。基于此，本研究采用盆栽試驗，探究在同等有機質含量下蚯蚓糞和紫花苜蓿對水稻不同部位Cd 積累的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

參試水稻品種為南粳5505，屬早熟晚粳類型。試驗土壤采自江蘇省揚州市某稻田0~20 cm 耕作層土壤。土樣風干后去除雜物，研磨過10 目篩混勻備用。土壤基本理化性質：pH 值7.42，有機質8.70 g/kg，有效磷61.10 mg/kg，速效鉀 223.81 mg/kg，堿解氮 85.70 mg/kg，總鎘0.73 mg/kg。

選用蚓糞和紫花苜蓿作為兩種外源有機物料。蚓糞有機質含量為432.50 g/kg，全N 含量為24.73 mg/kg，全Cd 含量為0.41 mg/kg；紫花苜蓿有機質含量為143.45 g/kg，全 N 含量為31.95 mg/kg，全Cd 含量為0.17 mg/kg。

1.2 試驗設計

稱取適量土壤，添加CdCl2溶液，使土壤Cd 含量達到5.0 mg/kg 的重度污染水平，室溫下陳化60 d 后備用。盆栽試驗中每個盆裝制備好的土壤5.0 kg（以干質量計），有機物料添加量以有機質含量計，具體施用量如表1 所示。秧苗于2019年6月移栽，每盆3 叢，每叢3 株，各處理組重復3 次，全生育期淹水（淹水高度3~5 cm）。

表1 試驗處理

1.3 樣品采集與指標測定

分別于水稻分蘗期、抽穗揚花期、完熟期采集土壤，自然風干后研磨，過100 目篩用于Cd 形態的測定。水稻植株洗凈后置于105 ℃的烘箱中殺青2 h 后，60 ℃烘干至恒質量，隨后用粉碎機粉碎后過100 目篩用于Cd 含量的測定。

土壤酸堿度（pH 值）、氧化還原電位（Eh 值）使用雷磁PHS-3C 型精密pH 計原位測定；土壤Cd 形態采用BCR 四步浸提后用火焰原子吸收分光光度計（AAS,Solaar MK 2-M 6）測定；水稻根、莖葉及籽粒中Cd 含量采用干法灰化消解完全后用1% HNO3定容、過濾，用 ICP-MS（Elan DRC-e）測定。

1.4 數據處理與質量控制

分析過程以土壤成分分析標準物質GBW07431、莖葉成分分析標準物質GBW10020（GSB-11）和大米成分分析標準物質 GBW10043（GSB-21）和加標回收試驗進行質量控制。

Cd 富集系數（Bioconcentration Factor，BCF）=植株根部重金屬含量/土壤中重金屬含量；Cd 轉運系數（Translocation Factor，TF）=植株上面部分重金屬含量/下面部分重金屬含量。采用SPSS 23.0 進行單因素ANOVA 分析（差異水平 P<0.05 和 P<0.01），用 Origin 2018 繪圖。

2 結果與分析

2.1 對土壤pH、Eh 值的影響

如圖1 所示，各處理土壤pH 值隨淹水時間先大幅度下降，而后波動變化且趨近于7；在淹水前期，添加紫花苜蓿的處理較添加蚓糞的處理土壤pH 值下降更為顯著，隨后兩者變化趨勢相近，差異變小。

圖1 各處理土壤pH 值變化

從圖2 可以看出，所有處理土壤Eh 值隨淹水時間延長呈波動下降趨勢，添加有機物料處理土壤Eh 值均顯著低于CK。V 處理組土壤Eh 值隨有機物料添加量的升高而降低，至分蘗期（第 28 天），V3 處理 Eh 值降至-150 mV，V1 和 V2 處理 Eh 值則處于-100~-150 mV之間；分蘗結束后，所有處理Eh 值均降至-150 mV 以下。與CK 相比，M 處理組土壤Eh 均顯著降低，且在水稻整個生育期，土壤Eh 值均低于-150 mV。結果表明，植物性有機質（紫花苜蓿）較動物源有機質（蚓糞）對土壤Eh 值的降低效果更加顯著。

圖2 各處理土壤Eh 值變化

2.2 對土壤不同形態Cd 的影響

如圖3 所示。在水稻3個生育期內，土壤中各形態Cd 含量高低總體表現為可交換態Cd>可還原態Cd>可氧化態Cd>殘渣態Cd。CK 的可還原態Cd 和可氧化態Cd 含量均呈現下降趨勢，下降幅度分別為43.03%和33.20%；可交換態Cd 先下降后上升，上升幅度為35.68%；殘渣態Cd 呈上升趨勢，上升幅度為138.3%。V處理組可還原態Cd 含量逐漸下降，下降幅度為47.97%~50.12%；可氧化態Cd 含量逐漸上升，上升幅度為40.35%~65.23%。M 處理組變化趨勢與V 處理組相同，但其變化幅度較V 處理組小。

圖3 水稻不同生育期土壤Cd 形態及含量

與CK 比，在水稻分蘗期，各處理土壤交換態Cd和可還原態Cd 含量顯著升高，M 處理組可還原態Cd含量隨著有機物料添加量增加而下降；在水稻抽穗揚花期，兩種有機物料對土壤中可交換態Cd 和可還原態Cd 影響相似，均隨著有機物料添加量的增加呈顯著下降趨勢。在同等添加量下，蚓糞處理可還原態Cd 含量高于紫花苜蓿處理。兩種有機物料處理土壤殘渣態Cd含量均較CK 顯著增加。在水稻完熟期，兩種有機物料處理可交換態Cd 含量較CK 降低9.46%~15.31%；可氧化態Cd 和殘渣態Cd 含量較CK 均顯著上升，上升幅度分別為3.17%~28.22% 和25.87%~104.28%，且殘渣態Cd 的含量隨著有機物料添加量的增加而增加。

2.3 對水稻各部位Cd 含量的影響

如圖4 所示，水稻各部位Cd 含量表現為籽粒<莖葉<根。與CK 相比，施用兩種外源有機物料的處理均顯著降低了水稻根部和莖葉Cd 含量。其中，V 處理組根部Cd 含量下降12.71%~26.40%，莖葉Cd 含量下降23.00%~68.69%；M 處理組根部Cd 含量下降66.27%~71.42%，莖葉Cd 含量下降80%以上。同一有機物料處理，水稻各部位Cd 含量隨著施用量的增加而降低；當施用的有機質含量相同時，M 處理組水稻各部位Cd 含量均低于V 處理組。與CK 相比，V1 處理糙米Cd 含量差異不顯著，其他處理糙米Cd 含量均顯著降低。當施用的有機質含量相同時，紫花苜蓿處理較蚓糞處理更能降低水稻Cd 積累量。本研究中，M3 處理使水稻糙米Cd 含量降低至0.17 mg/kg，已低于國家標準限值（0.20 mg/kg），M1、M2 處理糙米 Cd 含量接近國家標準限值，約為0.21 mg/kg。

圖4 水稻植株各部位Cd 含量

2.4 對Cd 在水稻中富集系數（BCF）和轉運系數（TF）的影響

如表2 所示，添加兩種有機物料均降低了Cd 從水稻根部向莖葉轉運，促進了Cd 從莖葉向水稻籽粒中的轉運，并且M 處理組較V 處理組莖葉/根轉運系數更小，籽粒/莖葉轉運系數更大。根/土富集系數均隨著有機物料添加量的增加而降低，V1、V2 處理組富集系數較CK 高。

表2 Cd 在土壤-水稻系統中的遷移轉運率（單位：%）

3 討論

有機物料的應用對改善農村環境、提高土壤肥力、調控土壤中重金屬的活性具有重要意義[8]。在本研究中，蚓糞和紫花苜蓿進入土壤易被微生物分解，產生有機酸和CO2并且產生質子，引起淹水前期pH 值下降[9]。在淹水前期，紫花苜蓿降低土壤pH 值的效果較蚓糞更為顯著，這可能是由于這兩種有機質的腐化速率不同造成。當外源有機物料中易分解的有機質較高時，其分解產生的有機酸等物質的種類和數量也會增多，對土壤理化性質的影響也越大。時向東等[10]研究指出，紫云英礦化分解速率顯著高于雞糞和菜籽餅，是因為紫云英等綠肥C/N 低，易于被微生物分解。紫花苜蓿作為綠肥，其C/N 較蚓糞低，因此紫花苜蓿中的有機質較蚓糞更易于被微生物分解，從而對土壤pH 值影響更大。土壤淹水后Eh 值降低，有機物料進入土壤后被分解加劇了土壤中溶解氧的消耗，使Eh 值進一步降低，紫花苜蓿因其分解速率較快，對土壤中氧氣的消耗速率大于蚓糞，從而導致土壤Eh 值在同等有機物質添加量下低于蚓糞處理[11]。

土壤pH 值和Eh 值可以直接或間接影響重金屬Cd 的有效性[12]。有研究表明，土壤酸堿性直接或間接影響土壤中陰陽離子的變化，從而影響重金屬氫氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽的溶解度，通常當土壤pH 值升高，土壤溶液中的OH-1的濃度升高，更易與Cd2+結合產生Cd（OH）2沉淀，并且產生的氫氧化物沉淀又可以吸附Cd2+[13]。本研究中，添加蚓糞和紫花苜蓿在水稻分蘗期顯著增加了土壤可還原態Cd 含量，這是因為微生物將土壤中氨基酸降解產生氨導致土壤pH 值升高[14]，進而增加了土壤還原態Cd 含量。Eh 值也是影響土壤Cd 形態的重要因子。在淹水狀況下，Cd2+向難溶性的CdS 轉化，從而使土壤溶液中Cd2+的濃度大大降低[15]。本研究中，在兩種有機物料添加下，可氧化態Cd 含量隨著水稻生育期的延長而增加。研究表明，隨著土壤有機質含量升高，土壤中可交換態Cd 和可還原態Cd 含量下降，可氧化態Cd 含量升高[16]，這與本研究結果基本一致。另外，大量研究表明，土壤中水溶性有機物（DOM）與Cd 存在吸附位的競爭關系，并且DOM 的組成及性質對土壤重金屬的有效性有較大影響。親水性的DOM 多存在于土壤溶液中，不易被土壤吸附，可以促進土壤重金屬的活化，疏水性的DOM 則更易被土壤吸附，可以降低重金屬的活性[17]。占新華等[18]用光譜法研究發現，綠肥DOM 分子極性高于豬糞，因此易于被土壤吸附，這可能是因為紫花苜蓿較蚓糞有機物料更能分解出含疏水性組分較多的DOM，從而增加了土壤對Cd 的吸附，降低了Cd 的活性。

降低土壤中Cd 的遷移轉換能力是降低植物對Cd富集積累的有效方法[19]。本研究中，添加兩種有機物料均顯著降低了水稻根、莖葉、糙米中的Cd 含量。與對照相比，添加蚓糞使籽粒Cd 含量降低13.81%~39.45%，同等有機質添加量下紫花苜蓿對籽粒Cd 含量的降低效果達到64.26%~72.41%。因此，紫花苜蓿對土壤中Cd 活性比蚓糞有更好的抑制作用，從而更好降低了水稻對Cd 的吸收，并且有機物料添加對土壤-水稻系統中Cd 的遷移轉運存在一定影響[19]。

4 結論

與對照相比，在水稻生長前期，兩種有機物料的添加均顯著降低了土壤pH 值，蚓糞處理組pH 值高于紫花苜蓿處理組，隨后兩者差異變小且趨近于7。在水稻全生育期內，與對照相比，兩種有機物料的添加顯著降低土壤Eh 值，添加紫花苜蓿降低土壤Eh 值的效果較添加蚓糞更為顯著。

添加蚓糞和紫花苜蓿均不同程度影響了土壤中Cd 的存在形式，均使土壤中高活性態Cd 向低活性態Cd 轉化。當有機質添加量相同時，紫花苜蓿處理組土壤有效態Cd 含量總體上低于添加蚓糞處理組。

與對照相比，兩種有機物料均能顯著降低水稻根、莖葉、糙米中Cd 的含量，且隨著有機物料添加量的增加各部位Cd 含量逐漸下降；當有機質添加量相同時，紫花苜蓿處理組水稻各部位Cd 含量較蚓糞處理組更低。