喀斯特山區高鎘稻田治理措施對稻米降鎘的效果

劉靜　王萍　代良羽　李筑江　林大松　何騰兵　周凱　劉方

摘要：為在喀斯特山區篩選出最佳的土壤調理劑、葉面阻控劑和鎘低累積水稻品種，并為貴州喀斯特山區污染耕地安全利用提供數據支撐，通過對貴州中部喀斯特山區高鎘稻田土壤及稻米進行采樣分析，合理設計田間處理方案，采取相同背景下田間小區試驗的方式探討不同土壤調理劑、不同葉面阻控劑對稻米中鎘元素含量的降低效果，對比分析不同水稻的籽粒對鎘元素的吸附強弱情況。結果顯示，在高鎘稻田中施用4種含氧化鈣的土壤調理劑后，稻米中鎘元素含量分別降低83.9%、74.6%、82.1%、51.8%。在分蘗期至灌漿期噴施含鋅、硒元素的葉面阻控劑后，稻米鎘含量分別降低54.7%、51.7%。3種受試水稻品種稻米鎘含量比常規水稻品種降低8.36%、24.5%、33.3%。說明喀斯特山區水稻土中鎘元素含量越高，稻米中鎘元素的含量就會越高。在高鎘區稻田施用由硅灰石、生石灰、沸石及海泡石組成的土壤調理劑（D3）、噴施含Zn元素的葉面阻控劑（Y2）、種植水稻品種成優1479（P3），通過這3種調控措施的聯合作用可以達到最大的稻米降鎘效果。

關鍵詞：水稻土；土壤調理劑；葉面阻控劑；低鎘累積水稻品種；稻米鎘含量；喀斯特山區

中圖分類號：S511.01；X53文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）05-0227-06

目前，我國南方局部地區土壤重金屬污染狀況較為嚴峻，土壤重金屬污染嚴重地威脅著當地的糧食安全，重金屬污染土壤修復成為人們關注的主要熱點之一［1-4］。鎘（Cd）是目前土壤中分布廣泛、污染程度高的重金屬元素［5-7］，由于鎘在土壤中難以降解，且容易在作物體內累積，從而明顯降低農產品質量。水稻是南方種植的主要作物，大量吸收土壤中的鎘元素而在莖、葉及籽粒中累積，影響了稻米的品質，通過食物鏈進入人體，最終將影響人類的健康安全［8］；因而，降低稻米中鎘元素的超標率是保障糧食安全的主要農業生產措施之一。施用土壤調理劑不僅有利于作物的生長發育，同時還能抑制土壤中鎘元素向作物體內遷移，從而降低鎘元素對作物的毒害以及減少鎘元素在作物中的累積［9-10］；不同類型的土壤調理劑施入鎘污染的稻田中，不僅可以調節土壤的酸堿度，而且能明顯降低土壤鎘可提取態的含量，從而有效降低稻米中的鎘元素含量［11］。此外，噴施葉面肥能強化稻谷的抗氧化系統［12］；含鋅葉面肥可以通過鋅與鎘的競爭吸附，抑制植株對鎘元素的吸收［12］；相關研究表明，在水稻葉片上噴施硒或硅可以降低水稻根及莖中的鎘元素含量［13-14］。由于不同區域環境條件差異較大，土壤重金屬污染調控技術難以找到相對有效的方法，需要從土壤調理劑、葉面阻控劑及作物品種篩選等方面綜合考慮，才能從根本上降低重金屬污染土壤上稻米中鎘的含量水平［15］。在貴州土壤高鎘背景環境下如何采取有效調控措施減少土壤Cd向水稻籽粒的遷移以及調控技術能否推廣應用，有必要開展深入的研究。因此，本研究通過在大田條件下開展土壤調理劑施用、秧苗噴施葉面阻控劑及低鎘累積水稻品種篩選的小區試驗，對不同措施條件下稻米鎘含量變化進行比較分析，篩選出適宜在高鎘稻田上施用的土壤調理劑、葉面阻控劑及低鎘累積的水稻品種，為貴州山區實現受污染農用地的治理與修復提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大田試驗區位于貴州中部的開陽縣，地貌以喀斯特山地為主，海拔為1 100 m左右，年均溫為 10.6 ℃，年降水量達1 250 mm；土壤類型為碳酸鹽巖風化發育的石灰土及水稻土。在2018年8月對貴州省開陽縣境內有代表性的水稻土進行耕層土壤（0～20 cm）混合樣品采集（28個），同時對應采集稻田上成熟的稻谷樣品（28個）。根據前期土壤調查結果，于2019年3—12月在該區稻米鎘超標的地塊上開展田間小區試驗。

1.2 試驗材料

土壤調理劑：1號土壤調理劑（D1，原材料是牡蠣殼）、2號土壤調理劑（D2，原料是含量中等的生石灰）、3號土壤調理劑（D3，原材料由硅灰石、生石灰、沸石及海泡石組成）、4號土壤調理劑（D4，原料是含量較高的生石灰），其主要成分及重金屬含量檢測結果見表1。4種土壤調理劑均在市場購買。

葉面阻控劑：1號（Y1，硅肥），先將硅酸四乙酯）與超純水按57 ∶55比例混合后加入乙醇、鹽酸，常溫攪拌2 h后加熱至46 ℃再攪拌6 h，定容至 50 L，硅溶液濃度為2.5 mmol/L。2號（Y2，鋅-賴氨酸混合物），將50 mol七水合硫酸鋅與50 mol賴氨酸溶入超純水中，調pH值至4.5后加熱到 80 ℃，風干后呈乳白色固體；3號（Y3，鐵-賴氨酸混合物），將50 mol七水合硫酸亞鐵及50 mol賴氨酸溶入超純水中，調pH值到4.5后加熱至80 ℃，風干后呈暗金色粉狀晶體。4號（Y4，硒肥）。

水稻品種：水稻宜香優2115（P0，農戶常規種植品種作對照品種）、水稻品種金優217（P1）、秈型三系雜交水稻品種瀘香優110（P2）、水稻品種成優1479（P3）。選用以上4種水稻品種（當地種子部門備案品種）進行大田試驗。

1.3 試驗設計與實施

1.3.1 試驗設計 田間試驗區土壤鎘元素含量范圍在0.7～0.9 mg/kg之間，超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）中的風險篩選值［16］。田塊1進行土壤調理劑施用試驗，設置5個處理，即CK（未施用調節劑）、D1、D2、D3、D4，重復3次，共設置15個小區；每個試驗小區面積均為20 m2（5 m×4 m），種植水稻品種為宜香優2115。田塊分2個區域，1個區域種植不同的水稻品種，即P0、P1、P2、P3，設置3次重復，共設置12個小區。另1個區域噴施葉面阻控劑，設置5個處理，即CK（未噴施葉面阻控劑）、Y1、Y2、Y3、Y4，重復3次，共設置15個小區，種植的水稻品種為宜香優2115。以上試驗小區均采取完全隨機排列。

1.3.2 試驗實施 D1、D2、D3土壤調理劑（按施用說明）在秧苗移栽前5 d按照3 000 kg/hm2撒施，D4土壤調理劑在秧苗移栽前5 d按照2 250 kg/hm2撒施，撒施后翻耕使土壤調理劑均勻混合在土壤中。葉面阻控劑分別在7月20日、8月24日、9月10日進行噴施；施用時取400 mL硅溶液（Y1）稀釋至 6 L，每個小區噴施2 L（噴施66.6 L/hm2）；取 600 mg鋅-賴氨酸（Y2）加水溶解定容至6 L，每個小區噴施2 L（噴施100 g/hm2）；取201 mg鐵-賴氨酸（Y3）加水溶解定容到6 L，每個小區噴施2 L（噴施33.45 g/hm2）；取Y4號硒肥90 mL加水稀釋到 4.5 L，每個小區噴施1.5 L（噴施15 L/hm2）。不同水稻品種試驗小區之間不做田埂，直接留出 30 cm 間距。采用一致的生產管理措施進行田間全程管理。

1.4 樣品采集

在水稻收獲前1～3 d，采用梅花狀5點取樣法在每個小區采集0～20 cm表層土壤混合樣品（四分法縮分至2.5 kg），同時采集對應的水稻籽粒樣品，即每個處理小區采集對應土壤采樣點附近的5株稻穗，裝入網袋中，待水稻植株自然風干，將籽粒從植株上脫離，在干燥箱70 ℃左右進行烘干，再用粉碎機磨細。土壤樣品風干后磨細過10目尼龍篩，再繼續研磨過100目尼龍篩，裝入塑料袋中備用。土壤調理劑、葉面阻控劑、水稻品種試驗小區采集土壤樣品和稻米樣品各15、15、12個。

1.5 樣品分析測試

土壤pH值采用pH計測定。土壤或稻米樣品先用三酸進行消煮，采用ICP-MS電感耦合等離子體質譜法測定待測液中鎘元素的濃度，再計算出土壤或稻米中鎘的含量。

1.6 數據處理與分析

進行統計分析時，采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 23.0軟件；用Origin 8.5及Microsoft Office Excel 2010進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 高鎘稻田土壤Cd與稻米Cd的關聯性

調查區稻田土壤pH值的平均值為6.37，pH值范圍在6.27～6.51之間，土壤鎘元素含量介于0.31～1.91 mg/kg之間（表2），超出GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》中風險篩選值（5.5≤pH值≤6.5，Cd≤0.4 mg/kg；6.5≤pH值≤7.5，Cd≤0.6 mg/kg）的樣品數量占78.6%，其中土壤Cd含量超過風險篩選值1.0倍以上的樣品數量占14.3%；但全部土壤樣品的Cd含量均未超出風險管制值（5.5≤pH值≤6.5，Cd≤2.0 mg/kg；6.5≤pH值≤7.5，Cd≤3.0 mg/kg）；說明喀斯特山區高鎘稻田土壤種植農產品時存在較大的污染風險。從表2看出，調查區內稻米鎘元素含量變化范圍介于0.014～0.354 mg/kg之間，28個稻米樣品中有7個樣品的隔元素含量超過我國水稻中鎘污染物標準的限值0.2 mg/kg，超標率為25.0%，其中稻米Cd含量超過標準值的1.5倍以上樣品數量占7.1%。

從統計分析結果來看，稻米Cd含量的變異系數遠大于土壤，變異系數達到68.5%，表明研究區稻米Cd含量的變化幅度較大，可能與土壤肥力水平和水稻品種不同有關。從圖1看出，研究區稻米鎘元素含量與水稻土中全鎘元素含量之間有著極顯著的正相關關系［17-18］（r=0.596，P＜0.01），進一步說明高鎘稻田區稻米Cd的含量與土壤Cd含量水平有密切的關聯性，通過調控土壤條件及阻控土壤鎘向水稻植株的遷移，能夠降低稻米Cd的含量水平。

2.2 土壤調理劑施用對稻米Cd含量的影響

從表3可以看出，水稻產量受施用的D1、D2、D3土壤調理劑的影響極小，D4土壤調理劑的施用導致水稻減產11.8%，超過了《耕地污染治理效果評價準則》（NY/T 3343—2018）中規定的“治理區域農產品單位產量與治理前同等條件對照相比減產幅度應小于或等于10%”的要求［19］。

小區中土壤鎘元素的含量隨施用的土壤調理劑的不同而不同（圖2），在稻田土壤Cd平均含量為0.931 mg/kg的田塊（CK小區）中施用D1、D2、D3、D4等4種土壤調理劑后，土壤中Cd含量未出現顯著性變化，但總體而言有所降低，其中D1、D3土壤調節劑的降鎘效果較明顯，下降率分別達到13.3%、12.3%。然而從稻米Cd含量的變化可以發現，對照CK稻米中Cd含量平均值為0.448 mg/kg，高于食品中鎘限量值（0.2 mg/kg）；但施用D1、D2、D3、D4等4種土壤調理劑后，稻米中Cd含量分別為0.072、0.114、0.080、0.217 mg/kg，施用D1土壤調理劑后稻米Cd含量比對照降低84.0%；施用D3土壤調節劑后稻米Cd含量比對照降低82.0%。田間試驗結果表明，4種土壤調理劑D1、D2、D3、D4均能顯著降低稻米Cd含量，本試驗結果與其他區域的研究結果相似，即在酸性土壤上施用石灰可以抑制水稻吸收鎘元素［20］，土壤施用海泡石與石灰石混合物可以明顯降低稻米中鎘的積累量［21-23］。從表3可見，4種土壤調理劑能使土壤pH值提高0.10～0.61，D1土壤調理劑顯著地提高土壤pH值，比對照增加9.43%；其余3種土壤調理劑均提高土壤pH值，但與對照差異不顯著，其中提高最低的是D3土壤調理劑，僅提高1.55%。相關研究表明，土壤pH值的提高有利于降低水稻中鎘的含量［24］，通過施用不同濃度配比的石灰石與海泡石［25］以及單獨施加海泡石［23，26］均可以提高土壤的堿度，而通過調控土壤的酸堿度可以降低稻米籽粒中鎘元素的含量［27］。可見，可以通過施用土壤調理劑提高土壤pH值來促進重金屬元素形成沉淀，從而影響水稻對鎘元素的有效吸收。綜上所述，D1、D3土壤調理劑的施用可以使稻米Cd含量降低80.0%，但從原料來源及成本來看，D1土壤調理劑原料是牡蠣殼，而D3土壤調理劑原材料由硅灰石、生石灰、沸石及海泡石組成，D3土壤調理劑更適宜在貴州山區進行推廣使用。

2.3 葉面阻控劑噴施對稻米Cd含量的影響

葉面阻控劑小區水稻產量如表4所示。與對照相比，葉面阻控劑Y1、Y2使水稻增產4.82%、10.80%；而葉面阻控劑Y3、Y4分別使水稻減產13.30%、3.62%，特別是Y3的減產率超過了NY/T 3343—2018《耕地污染治理效果評估準則》［19］中規定的“治理區域農產品單位產量與治理前同等條件對照相比減產幅度應小于或等于10%”的要求。

從圖3看出，對照中土壤鎘元素的平均含量是0.792 mg/kg，對水稻植株噴施4種葉面阻控劑后，Y1、Y2、Y3、Y4處理對應土壤中鎘元素的均值0.747、0.779、0.803、0.747 mg/kg，表明土壤中鎘元素含量受葉面阻控劑的影響極小。從表4看出，田間試驗期間分別在分蘗期、抽穗期、灌漿期對秧苗噴施Y1、Y2、Y3、Y4葉面阻控劑后，土壤pH值相比未噴施葉面阻控劑的對照土壤來說未出現明顯的變化，噴施葉面阻控劑對土壤Cd的含量水平沒有影響。

從稻米中鎘元素含量的變化（圖3）可知，空白處理中稻米鎘元素的含量為0.439 mg/kg。對秧苗噴施Y1、Y2、Y3、Y4葉面阻控劑后，對應稻米Cd含量分別為0.488、0.199、0.489、0.212 mg/kg。其中，噴施Y1、Y3葉面阻控劑后稻米Cd含量分別增加11.2%、11.4%；但噴施Y2、Y4葉面阻控劑后稻米Cd含量出現顯著性降低，下降率分別達54.7%、51.7%。可見，噴施含Zn、Se元素的葉面阻控劑可以明顯降低稻米Cd含量水平。向焱赟等的研究表明，適宜濃度的鋅能夠與鎘產生拮抗作用，抑制植物對鎘的吸收，從而明顯降低鎘含量［28］。然而，噴施含Se的Y4葉面阻控劑也能大幅度降低稻米Cd含量，但試驗小區稻米出現減產及稻米Cd含量仍有輕微超標現象；從綜合效益來看，噴施含Zn的葉面阻控劑Y2綜合效果更優。

2.4 水稻品種對稻米Cd含量的影響

4種水稻品種稻米產量見表5，受試3個水稻品種與對照水稻品種產量相比，P1號水稻較常規品種提高7.9%；P2號水稻較常規品種不變；P3號水稻較常規品種提高13.8%。在高鎘土壤上種植不同水稻品種，其產量差異不顯著。

從圖4看出，4個水稻品種試驗小區中土壤鎘含量分別為0.778、0.752、0.761、0.792 mg/kg，種植不同水稻品種后土壤鎘含量幾乎不變。但是，不同的水稻品種稻米中鎘元素含量存在明顯差異；常規水稻品種樣品中鎘元素的含量為0.658 mg/kg，3種試驗水稻品種對應稻米鎘元素含量分別為0.603、0.497、0.439 mg/kg，均低于常規水稻鎘元素的含量，特別是P2、P3水稻品種與常規水稻品種相比，品種間差異顯著。但是，從產量及稻米Cd含量變化來看，P3水稻品種（成優1479）減鎘效果更好。

3 討論與結論

從本研究的田間試驗結果來看，在喀斯特山區高鎘稻田上施用土壤調理劑后，土壤鎘的下降率達51.8%～83.9%，特別是D1土壤調理劑（原料是牡蠣殼，CaO≥45%），其次是D3土壤調理劑（原材料由硅灰石、生石灰、沸石及海泡石組成，CaO≥34.0%，SiO2≥5.5%），施用含氧化鈣的4種土壤調理劑均能顯著降低稻米鎘含量［29］，其作用主要是提高土壤的pH值。研究表明，土壤酸堿度的改變可以改變作物吸收鎘元素，從而改變稻米中鎘元素的含量［30］。然而，雖然D1處理能顯著提高土壤的pH值，其作用效果大于D3處理，但D3處理土壤調理劑含多種養分元素，一方面可以提高土壤堿度，另一方面能降低水稻植株吸收土壤中的鎘元素能力，還能增加土壤中養分的來源。可見，對高鎘稻田撒施土壤調理劑能夠降低稻米中鎘元素含量的同時，通過補充適量的土壤養分及植物營養元素能促進植株的生長，還能明顯降鎘。本研究噴施葉面阻控劑的田間試驗結果顯示，噴施含Zn元素的葉面阻控劑一方面能增加水稻產量，同時還可以明顯地減少稻米中鎘的含量水平；鋅是植物生長的必要微量元素，在植物體內對鎘元素產生拮抗作用；眾多研究表明，當植物體內鋅元素含量增加時，鎘元素含量將會減少［28，31-32］；鋅肥不僅能降低稻米中鎘含量，還能提高水稻產量［28，33-35］。本研究采取的單因子田間試驗設計，僅對土壤調理劑、葉面阻控劑的降鎘效果單一因素進行評價。因此，在高鎘土壤上種植水稻，需要采取綜合的調控措施，從土壤調理劑、葉面阻控劑、水稻品種方面進行全面考慮，才能達到顯著降低稻米中鎘含量的效果，實現稻田安全利用的目標。

喀斯特山區稻米鎘元素含量與水稻土中全鎘元素含量之間有著極為顯著的正相關關系（r=0.596，P＜0.01），在高鎘稻田上施用含氧化鈣的4種土壤調理劑后稻米Cd含量降低率達51.8%～83.9%。在分蘗期、抽穗期、灌漿期對秧苗噴施鋅-賴氨酸使稻米Cd含量減少54.7%。另外，3種受試水稻品種稻米Cd含量比對照的常規水稻品種分別降低8.36%、24.50%、33.30%，但篩選水稻品種對稻米降Cd的效果明顯低于施用土壤調理劑及噴施葉面阻控劑產生的降鎘效果。本試驗研究結果顯示，優化組合是施用以原材料由硅灰石、生石灰、沸石及海泡石組成的土壤調理劑（D3）、噴施含Zn元素的葉面阻控劑（Y2）、種植水稻品種成優1479（P3），通過3種調控措施的聯合作用可以達到最優的稻米降鎘效果。

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收稿日期：2022-04-21

基金項目：國家自然科學基金聯合基金（編號：U1612442）；貴州省農業生態與資源保護站項目。

作者簡介：劉 靜（1984—），女，貴州畢節人，碩士，高級工程師，主要從事土壤污染治理與耕地安全利用方面的研究。E-mail：673270382@qq.com。

通信作者：何騰兵，教授，主要從事土壤資源利用與生態安全方面的研究。E-mail：hetengbing@163.com。