鋅與有機物料配施對水稻吸收轉(zhuǎn)運鎘的影響

陶潤萍 張嘉偉 曹珊 朱靖 徐軼群

（揚州大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 揚州 225100；第一作者：15099126480@163.com；*通訊作者：qunxyq@163.com）

由于大氣沉降、施肥不當、污水灌溉和礦山酸性廢水污染等不當行為[1-2]，我國重金屬污染的耕地點位超標率達19.4%，其中鎘（Cd）點位超標率為7.0%，成為主要污染元素[3]。水稻是我國居民的主要糧食作物，易吸收土壤中的Cd，使籽粒Cd含量超過食品污染物限量標準（GB2762-2017）。Cd作為人體非必需元素，可先通過植物蓄積，經(jīng)食物鏈傳遞，最終在人體內(nèi)蓄積使人產(chǎn)生病變[4]。如何降低污染稻米中的Cd含量，既是研究熱點又是難點。

施用有機物料符合當代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念，同時也可以管控土壤有機質(zhì)含量影響重金屬Cd在作物中的遷移轉(zhuǎn)運[5]。大量研究表明，單施有機物料降Cd效果不如配施[6-9]。LI等[10]研究發(fā)現(xiàn)，3%蠶沙+1%赤泥促進了弱酸提取態(tài)Cd向殘渣態(tài)Cd轉(zhuǎn)化。徐蒙蒙等[11]通過室內(nèi)淹水土培試驗發(fā)現(xiàn)，蠶沙＋蠶沙炭配施使土壤有效態(tài)Cd降低16.1%。YONG等[12]研究發(fā)現(xiàn)，施用菜枯能使土壤Cd和Pb有效態(tài)含量分別降低5.0%～14.0%和30.0%～39.0%。尹炳奎等[13]通過模擬水田發(fā)現(xiàn)，施用菜籽餅使植物有效態(tài)DTPA-Cd約下降45.2%，并促進Cd向可還原態(tài)轉(zhuǎn)化。

鋅（Zn）作為植物的必需元素，在眾多生長環(huán)節(jié)中不可或缺。Cd和Zn為同族元素，相同的離子半徑和類似的化學性質(zhì)極易在植物體內(nèi)競爭同一吸附位點[14]，Cd和Zn之間存在何種交互作用是眾多研究者關注的方向。YANG等[15]發(fā)現(xiàn)，噴施鋅肥可以降低種植在Cd污染土壤上黃瓜莖部的Cd含量。李虹呈等[16]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，在兩種Cd污染水平（Cd含量為0.50和1.50 mg/kg）土壤下，水稻糙米、莖葉Cd-Zn拮抗作用顯著。辜嬌峰等[17]在重Cd污染（Cd含量5.26 mg/kg）的土壤中進行研究，發(fā)現(xiàn)施Zn可以降低2種水稻各器官的Cd含量，Cd和Zn間表現(xiàn)出拮抗作用。同時也有研究表明，Cd和Zn之間呈協(xié)同作用[18-19]。由此可見，Cd和Zn之間存在何種交互作用受制于作物類別、土壤環(huán)境及存在形態(tài)等因素。

目前，有關Zn與有機物料對水稻Cd吸收積累的影響研究主要集中在Zn劑量、施用方式及有機物料單施作用等方面，對有機物料和Zn配施的作用效果研究鮮有報道。基于此，本研究采用盆栽試驗，在模擬Cd污染土壤上，研究2種鋅源（ZnSO4、ZnO-NPs）分別配施3種有機物料（蠶砂、菜籽餅、豆餅）對水稻生長和重金屬吸收積累的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻：南粳9108。供試土壤：揚州市廣陵區(qū)某稻田耕作層，自然風干、粉碎后過5 mm篩備用，土壤基本理化性質(zhì)為：pH 7.68，有機質(zhì)23.00 g/kg，堿解氮173.60 mg/kg，速效磷30.50 mg/kg，速效鉀178.91 mg/kg，總鋅5.12 mg/kg，總鎘0.027 mg/kg，DTPA-Zn 1.73 mg/kg，DTPA-Cd 0.011 mg/kg。供試蠶沙（OM1）、菜籽餅（OM2）和豆餅（OM3）購于市場，自然風干、粉碎后過5 mm篩，備用，基本數(shù)據(jù)見表1。所用外源鋅為ZnSO4·7H2O（Zn1）和ZnO-NPs（Zn2），均為分析純。

表1 供試有機物料的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2020年6—11月在揚州大學試驗大棚內(nèi)進行。將供試土壤裝入無蓋PVC桶（高24 cm，內(nèi)徑22 cm）內(nèi)，每桶裝土5 kg，配置CdCl2·2.5H2O溶液逐步分層拌入至混勻，使每桶Cd含量達5 mg/kg，再按最大田間持水量加入70%自來水平衡陳化60 d，并在水稻秧苗移栽前施入基肥。有機物料添加量以其含碳量計，均添加17 g/kg；外源鋅添加量為80 mg/kg。以不添加有機物料和鋅為對照（CK），單施2種鋅源、3種有機物料，鋅源與有機物料配施，共12個處理，每個處理重復3次，隨機排列，水稻全生育期淹水（淹水高度3～5 cm），適時防治病蟲草害。

1.3 樣品采集

在水稻分蘗期、抽穗揚花期和成熟期分別采集土壤樣品，風干，磨細，過100目篩，保存?zhèn)溆茫怀墒炱谑斋@水稻植株經(jīng)去離子水洗凈，105℃殺青后在75℃下烘干至恒質(zhì)量，粉碎過100目篩，備用。

1.4 樣品測定方法

土壤pH值用雷磁PHS-3C型酸度計，固液比m（固）∶V（液）=1 g∶2.5 mL測定；土壤陽離子交換量（CEC）用氯化鋇-硫酸強迫交換法測定；經(jīng)DTPA浸提，使用火焰原子吸收分光光度法測定土壤有效態(tài)Cd、Zn含量；水稻各器官Cd、Zn含量經(jīng)干灰化法消解，1%HNO3定容、過濾后用ICP-MS（ELAN DRC-e型）測定；土壤Cd形態(tài)測定采用TESSIER法[20]。所有樣品以標準物質(zhì)[標準土壤樣品GBW07431、標準植物樣品GBW10020（GSB-11）、標準大米樣品GBW10043（GSB-21）]進行質(zhì)量控制分析。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗結果以“平均值±標準偏差”（n=3）表示；用SPSS 25.0軟件，在P＜0.05和P＜0.01顯著水平下進行單因素方差分析、Duncan多重比較和Pearson相關性分析；用Origin 2017制圖。

2 結果與分析

2.1 不同配施處理對土壤pH、CEC的影響

如表2所示，除單施ZnSO4（Zn1）處理使土壤CEC值略低于CK外，其余單施和配施處理均顯著提高了CEC值，增幅分別為4.55%～33.06%、17.43%～33.92%，其中Zn2+OM2處理增加效果最好。但在水稻完熟期，不同配施處理對pH值影響較小，僅略微增加0.03～0.20個單位，pH在7.00附近波動。

表2 不同處理對土壤基本理化性質(zhì)的影響

2.2 不同配施處理對土壤DTPA-Cd和DTPA-Zn含量的影響

如表3所示，與CK相比，單施處理降低土壤DTPA-Cd含量，在水稻分蘗期、抽穗揚花期、完熟期降幅分 別 為3.08%～24.66%、5.07%～29.71%、5.83%～20.83%，其中，OM3處理在完熟期的降低作用最顯著（P＜0.05）；除OM1和OM3處理在抽穗揚花期降低土壤DTPA-Zn含量，其余處理在水稻三個時期均增加DTPA-Zn含量。與CK相比，在三個生長時期，各配施處理均降低土壤DTPA-Cd含量，降幅分別為21.23%～38.36%、9.78%～29.34%、5.00%～37.50%，其中，Zn1+OM2處理在水稻完熟期降低作用最佳；土壤DTPA-Zn含量隨生育期推進呈先上升后下降趨勢，其中，在水稻完熟期Zn2+OM3處理使其含量顯著增加84.68%～90.85%。

表3 不同處理對水稻不同時期土壤DTPA-Cd、DTPA-Zn含量的影響（單位：mg/kg）

2.3 不同配施處理對水稻各器官Cd、Zn含量的影響

如圖1所示，在水稻各器官Cd含量分布規(guī)律為：根＞莖葉＞糙米。與CK相比，Zn1處理增加了糙米Cd含量，Zn2、OM1、OM2、OM3使 糙 米Cd含 量 分 別 降 低29.21%、37.72%、61.50%、62.89%，OM3處理降低作用最佳，且糙米Cd含量與CK相比降低顯著（P＜0.05）；除Zn2、OM3處理外，其余處理均增加莖葉、根Cd含量。與CK相比，配施處理均可降低糙米Cd含量，使其達到《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762-2017）要求的0.2 mg/kg，Zn1+OM1、Zn1+OM2、Zn1+OM3、Zn2+OM1、Zn2+OM2、Zn2+OM3使糙米Cd含量分別降低39.89%、50.71%、51.59%、67.57%、78.23%、74.42%，其中Zn2+OM2處理效果最顯著；所有配施處理均增加了根部Cd含量；Zn1+OM1、Zn1+OM2、Zn2+OM1處理降低了莖葉Cd含量。

圖1 不同配施處理對水稻各部位Cd含量的影響

由圖2可知，與CK相比，單施Zn1顯著增加了水稻各器官Zn含量，單施三種有機物料卻降低了糙米Zn含量，其中單施菜籽（OM2）還降低了莖葉Zn含量。與CK相比，配施處理均增加了根部Zn含量，Zn2+OM2處理增加莖葉Zn含量效果最顯著；除Zn1+OM2處理之外，其余配施處理均降低稻米Zn含量，其中Zn2+OM1處理降低45.84%，效果顯著。

圖2 不同配施處理對水稻各部位Zn含量的影響

2.4 不同配施處理對土壤Cd形態(tài)變化的影響

如圖3所示，在水稻完熟期，碳酸鹽結合態(tài)（CACd）、可交換態(tài)（EXC-Cd）、鐵錳氧化物結合態(tài)（Fe-Mn-Cd）和殘渣態(tài)（RES-Cd）為土壤Cd主要賦存形態(tài)。OM2處理使EXC-Cd和Fe-Mn-Cd占比較CK均有所下降，下降幅度分別為31.23%、35.71%；除OM1處理降低土壤有機態(tài)鎘（OM-Cd）占比外，其余處理均增加了RESCd和OM-Cd占比。配施處理均降低土壤EXC-Cd占比，下降幅度為4.84%～37.59%，以Zn2+OM2處理下降最多；Fe-Mn-Cd占比以Zn2+OM3處理降幅最大；Zn2+OM3和Zn2+OM2分別是增加土壤OM-Cd和RES-Cd占比效果較好的配施處理，分別增加46.24%、43.35%；所有處理對CA-Cd占比稍有影響，但不明顯。

圖3 不同處理對土壤Cd形態(tài)占比的影響

2.5 相關性分析

由表4可知，土壤中DTPA-Cd含量與水稻根部Cd含量呈負相關，而與糙米和莖葉部Cd含量呈正相關，說明土壤DTPA-Cd含量與水稻吸收累積Cd相關，DTPA-Cd含量在一定程度上可以代表土壤Cd的生物有效性。水稻莖葉、糙米Cd含量與土壤DTPA-Zn含量呈負相關，土壤DTPA-Cd與水稻各器官Zn含量呈負相關；糙米Cd含量與Zn含量呈極顯著正相關，這說明水稻根系在土壤中主動吸收Zn的同時也吸收活性Cd。

表4 土壤理化性質(zhì)、DTPA-Cd、Zn含量與水稻各器官Cd、Zn含量的相關系數(shù)（N=12）

3 討論

有機物料與鋅配施可以降低糙米Cd含量，主要是通過改變土壤Cd賦存形態(tài)，降低土壤有效態(tài)Cd含量，減少水稻對Cd的吸收[21-22]；此外，外源鋅的存在，增強了Zn與Cd在植株體內(nèi)的競爭作用，降低Cd的轉(zhuǎn)運積累。本研究中，有機物料與鋅配施后，土壤pH、CEC值上升（表2），土壤DTPA-Cd含量降低（表3），這與朱利楠[23]等和SHAO等[24]研究結果一致，出現(xiàn)這一結果的原因是添加的豆餅、菜籽餅、蠶沙均呈堿性（表1），使土壤溶液中H+減少，Cd2+可與增加的OH-形成氫氧化物沉淀，同時YANG等[15，25]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中存在的Fe2+和Mn2+等離子可以與OH-反應產(chǎn)生羥基化合物，進而增加對重金屬離子的吸附位點，從而減弱Cd的可遷移性和生物有效性，減少了水稻對Cd的吸收。對比單一有機物料和鋅對Cd含量降低效果可以看出，配施處理中有機物料對Cd含量的降低起主導作用。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤EXC-Cd含量和Fe-Mn-Cd含量占比減少，OMCd含量和RES-Cd含量占比增加，這是因為試驗中添加的有機物料在土壤中分解會產(chǎn)生腐殖質(zhì)等物質(zhì)，腐殖質(zhì)含有大量的官能團如-COOH、-NH2、-SH等[26]，這些基團直接與Cd產(chǎn)生復雜的螯合反應生成絡合物，有效地絡合金屬離子[27]，促使其向更穩(wěn)定的有機結合態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，進一步降低了Cd對水稻植株的毒害作用。

配施處理降低效果優(yōu)于單一施用，其中ZnO-NPs+菜籽餅處理降低糙米Cd含量效果最顯著（圖1）。土壤DTPA-Cd含量下降，土壤DTPA-Zn含量先下降后上升（表2），這是因為Zn是Cd在土壤膠體、鐵錳氧化物和陽離子交換吸附點位的主要競爭者[26]，也是Cd在水稻根系競爭的主要陽離子。YAMAJI等[27]研究發(fā)現(xiàn)，水稻在根部主動會吸收較多的活性Zn，因其兩者存在同一價態(tài)和近似的離子半徑，Zn與Cd在吸收和運輸過程中共用同一個轉(zhuǎn)運蛋白ATPase2（OsHM2），導致Zn與Cd對此結合位點產(chǎn)生競爭吸附從而產(chǎn)生拮抗作用，這與辜嬌峰等[17]、宋正國等[28]和HUANG等[29]的研究結果相符。研究還發(fā)現(xiàn)，配施處理增加了水稻根系及部分莖葉Cd含量，說明根系在土壤中主動吸收Zn的同時也吸收活性Cd，此時兩者間呈協(xié)同作用，這與NAN等[30]結果相符。周坤等[31]研究發(fā)現(xiàn)，Zn與Cd之間并不只是存在單一的拮抗作用，而是協(xié)同和拮抗作用共存。當土壤中的DTPA-Zn含量較高時，對根系產(chǎn)生脅迫由Cd變?yōu)閆n，此時優(yōu)先吸收Zn，故其根和莖葉Zn含量增加（圖2），從而減少對Cd的吸收，Cd與Zn之間的關系則轉(zhuǎn)化為拮抗作用，本研究中也出現(xiàn)兩種作用共存的現(xiàn)象，這與前人研究結果相符[29]。因此，對于Zn和有機物料是通過何種作用參與Cd在稻田中的吸收積累還需開展更多的土壤類型及配施處理研究，便于為重鎘污染稻田的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

4 結論

有機物料與鋅配施均可以降低土壤DTPA-Cd含量，增加土壤DTPA-Zn含量。相關性分析表明，水稻糙米Cd和Zn含量呈極顯著正相關（P＜0.01），土壤DTPA提取態(tài)Cd與水稻各器官Zn含量呈負相關。

有機物料配施可以改變土壤Cd形態(tài)，促使EXCCd向活性低的OM-Cd和RES-Cd轉(zhuǎn)變，降低Cd的生物有效性。

當有機物料種類相同時，ZnO-NPs與有機物料配施降低糙米Cd含量的效果優(yōu)于ZnSO4與有機物料配施，其中ZnO-NPs+菜籽餅處理可使糙米Cd含量降低至0.04 mg/kg，低于國家標準中Cd的安全限值。