稻蝦輪作系統下4種降鎘修復材料效果對比分析

丁 蕾，田 威，倪才英，董澤民，黎衍亮，肖羅長，劉 鑫，劉星星， 梁以豪

（1.江西省農業技術推廣中心，江西 南昌 330046；2.庫爾勒市自然資源局，新疆 庫爾勒 841000；3.江西師范大學 地理與環境學院，江西 南昌 330022）

0 引言

稻漁綜合種養作為一種高效生態循環農業發展模式，具有“一水兩用、一田雙收、穩糧增效、糧漁共贏”的優勢，能有效促進農漁民增收，目前，該模式正處于高速發展的階段［1-2］。隨著稻漁模式的發展，逐漸形成了以稻蝦、稻魚、稻鱉、稻鰍和稻蛙等模式為主體的有機生產體系［3］。

近年來，國內外有關稻漁綜合種養模式重金屬污染的研究逐漸增多，但在稻漁模式對重金屬元素的影響方面尚未達成統一認識。有學者認為稻漁綜合種養系統由于水產品對化肥和農藥具有敏感性，可以在一定程度上控制化肥和農藥的施用，從而降低稻田重金屬的外源輸入，對預防重金屬污染具有積極作用。如趙敏［4］對全國稻漁綜合種養基地的稻米重金屬含量進行了測定及評價，結果表明稻漁綜合種養系統有利于減少稻米重金屬含量，從而提高稻米的食用安全。但是也有學者認為稻漁綜合種養增加了稻漁系統中稻米重金屬污染的風險，如Sha等［5］研究表明，稻蛙共作能有效提高土壤肥力，減少化肥、農藥的施用量，但增加了稻米的Cd含量；Luo等［6］研究發現，當土壤存在Cd污染時，稻米的重金屬污染風險高于魚的風險。

江西省位于長江中下游南岸，是典型的農業省份。根據其獨特的水源和耕地特點，該省立足于綠色可持續發展理念，大力發展稻漁產業，截至2020年底，全省稻漁綜合種養總面積達13.3萬hm2［7］。同時，江西也是有色金屬礦產采選及冶煉大省［8-9］，過去粗放式的開發致使含有重金屬的污水、礦渣、粉塵等大量超標排放進入土壤環境［10］。課題組于2019年對江西省29個稻漁共作基地進行采樣，發現Cd元素對土壤和稻谷的影響較大［11］。

綜上所述，部分稻漁綜合種養系統仍面臨重金屬污染問題，但目前國內外對于土壤修復技術研究多針對于傳統稻田，稻漁綜合種養系統由于水產品對化學物質的敏感性以及對水質和土壤環境更苛嚴的要求，使得傳統稻田土壤重金屬修復技術在稻漁模式中的效應尚未可知。因此，本研究針對江西省種養規模最大的稻蝦輪作模式，選取4種修復材料進行田間試驗，通過對不同處理間土壤、稻米和水產品Cd含量以及土壤肥力（pH值、有機質、堿解氮、速效鉀、有效磷含量）進行對比分析，篩選出修復效果較好的土壤修復材料，用于示范推廣，以期為稻漁系統的安全生產提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗小區位于上饒市萬年縣，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，平均年降水量為1908.4 mm，集中在4～7月份［12］。田間試驗區土壤理化性質為：pH值（4.58±0.14），有機質含量（36.06±3.11） g/kg，堿解氮含量（183.10± 14.78） mg/kg，有效磷含量（28.71±1.92） mg/kg，速效鉀含量（23.66±2.19） mg/kg，Cd含量（0.48±0.02） mg/kg，Cu含量（43.63±3.11） mg/kg，Pb含量（35.67±1.99） mg/kg。

試驗在稻蝦輪作模式中進行，水稻品種為野香優明月絲苗。修復材料選用石灰（T2）、稀太太（T3）、猛降鎘（T4）、修護龍（T5），同時設置對照（T1），共5個處理，2次重復。稀太太、猛降鎘、修護龍均購自普瑞豐公司，石灰為市場上購買；修復材料的用法及用量如表1所示。各小區面積為667 m2，小區之間修建田壟。

表1 修復材料用法及用量

1.2 樣品采集、預處理及分析方法

按照五點取樣法采集土壤和水稻樣品，將5個點的土壤樣品混合，裝入聚乙烯自封袋中保存，以防止污染；帶回實驗室后，去除土壤樣品中的石塊和雜草等雜質，平鋪在牛皮紙上自然風干，研磨過篩后備用。水稻取飽滿籽粒，用去離子水洗凈，烘干，用精米機脫殼后磨碎備用。

土壤Cd含量、稻米Cd含量采用電熱消解、電感耦合等離子體質譜法測定；水產品Cd含量采用微波消解、電感耦合等離子體質譜法測定；土壤pH值采用電位法（土液比1∶2.5）測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化—分光光度法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤有效磷含量采用雙酸法測定；土壤速效鉀儲量采用四苯硼鈉比濁法測定。

1.3 修復效果評估方法

利用層次分析法對修復效果進行評估。遵循科學性、全面性、可操作性以及可評性原則［13-14］，本研究選取土壤重金屬污染指標（Cd、Cu、Pb含量）、水稻生長安全指標（稻米Cd含量、稻米Cd消減量、稻米產量）和土壤肥力指標（有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量及pH值）3個準則層和11個指標層進行評價（表2）。

表2 Cd污染稻田修復效果評估指標體系

1.3.1 層次分析法的基本步驟 首先對同一層次各元素的重要性進行兩兩比較，構建兩兩比較的判斷矩陣，表3為判斷矩陣標度及含義［15］。表4為準則層各指標重要程度的判斷矩陣，并且根據表3建立指標層各指標重要程度的判斷矩陣。

表3 判斷矩陣標度及含義

表4 準則層各指標之間重要程度判斷矩陣

其次計算矩陣權重，公式為：

式（1）中，A表示判斷矩陣，a表示要素i與要素j相比的標度值，n表示本層級要素個數。

利用方根法計算矩陣特征向量的近似值［16］，首先計算判斷矩陣A每行元素的n次方根：

將向量M=［M1，M2, …，Mn］T歸一化：

所求W=［W1，W2, …，Wn］T即為特征向量，也就是各個指標對應的權重值。

1.3.2 建立各指標評分標準 土壤肥力（堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質）利用“戒上型函數”進行評分［17-18］，土壤pH值利用“峰型函數”進行評分［19-20］，土壤重金屬污染指標以及水稻生長安全指標均用“概念函數”進行評分［21］，各評分標準如表5所示；表6為各指標的轉折點。

表5 修復效果指標的得分標準

表6 各土壤肥力指標的轉折點

2 結果與分析

2.1 不同修復材料對土壤pH值的影響

由不同生育期各處理土壤pH值變化特征可知（圖1），在水稻整個生育期僅T2和T5這2個處理的土壤pH值在圓稈拔節期升高后變化趨勢較平緩；T3和T4這2個處理的土壤pH值在整個水稻生育期均比較平緩。與苗前期相比，T5、T2和T3這3個處理的土壤pH值有所提高，上升幅度分別為17.20%、7.48%和1.03%。

圖1 各處理不同生育期土壤pH值的變化特征

與對照相比，在成熟期4個處理的土壤pH值增加幅度由大到小依次為T5（19.27%)＞T2（9.38%)＞T3（2.82%)＞ T4（-1.97%)。其中T5和T2這2個處理的土壤pH值增加效果最明顯，分別上升了0.87和0.42個單位，并且均達到顯著水平，說明添加石灰和修護龍這2種修復材料在一定程度上可以緩解南方水稻田土壤酸化的問題。

2.2 不同修復材料對土壤Cd含量的影響

根據不同生育期土壤Cd含量變化趨勢（圖2）可知，T1與T2處理的土壤Cd含量均在圓稈拔節期和抽穗期持續下降后在成熟期又緩慢上升；T3、T4和T5這3個處理的變化趨勢相似，整個生育期呈波動下降狀態。與苗前期相比，在成熟期T3處理的土壤Cd含量下降幅度最大，達到19.02%。

圖2 施用4種修復材料對不同生育期土壤Cd含量的影響

與對照相比，在成熟期T3處理的土壤Cd含量下降幅度最大，為14.78%；其他處理的下降幅度表現為T5（14.28%)＞T4（12.83%)＞T2（3.09%)，其中與對照相比，T3、T4和T5這3個處理均達到顯著水平。

2.3 不同修復材料對水稻及水產品Cd含量的影響

由圖3可知，與對照相比，T3、T4和T5這3個處理的稻米Cd含量均顯著下降，下降幅度分別為74.51%、63.06%和61.19%；僅T2處理的下降幅度未達到顯著水平，下降幅度為23.86%。同時，各處理的稻米富集系數由大到小依次為T1（27.42%)＞T2（19.89%)＞T5（10.95%)＞T4（9.96%)＞T3（6.18%)。總體而言，T3處理對稻米Cd阻控效果最好。

圖3 各處理稻米Cd含量的對比

由于試驗田塊屬于稻蝦輪作模式，因此僅在水稻種植前（6月份）在環溝中捕撈小龍蝦樣品，測定其腹部肌肉Cd含量，結果表明小龍蝦腹部Cd含量為（0.03±0.01） mg/kg，未超過《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)［22］的限定值（0.5 mg/kg）。

2.4 不同修復材料對水稻產量的影響

由4種修復材料對水稻產量（圖4）的影響可以看出，T5處理的產量最高，達到8672.25 kg/hm2。與對照相比，4種修復材料對稻米產量上升幅度的影響依次為T5（2.74%）＞T3（1.55%）＞T4（-6.29%）＞T2（-22.43%），其中T3和T5這2個處理有一定的增產作用，分別增產了131.25和231.00 kg/hm2，但未達到顯著水平；T2處理的水稻產量顯著低于對照田塊，下降了1893.00 kg/hm2。總體而言，4種修復材料對水稻產量均未有顯著提升作用。

圖4 各處理稻米產量的對比

2.5 不同修復材料對稻田土壤肥力的影響

如圖5所示，在成熟期與對照相比，僅T3處理的土壤有機質含量上升了4.29%，但未達到顯著水平；而T2、T4和T5處理的土壤有機質含量均低于對照，下降幅度分別為16.51%、7.35%、4.64%，其中T2處理的下降幅度達到顯著水平。說明在稻蝦輪作模式中僅稀太太能對土壤有機質含量起到維持作用。

圖5 各處理成熟期土壤養分含量的變化特征

對于土壤速效養分而言，在成熟期與對照相比，僅T3和T5這2個處理的土壤堿解氮含量顯著增加，增加幅度分別為20.92%和12.88%。對于土壤有效磷和速效鉀含量而言，4個處理均未出現顯著變化。

2.6 修復效果評估

如表7～表8所示，指標層中土壤Cd含量所占權重最大，其次為稻米Cd含量，分別為0.71和0.70；準則層中水稻安全生長指標所占權重最大，達到0.60。通過各指標權重和評分得出4種修復材料的修復效果總分，從高到低依次為T3（0.98）≈T4（0.98）＞T5（0.96）＞T2（0.88），說明4種修復材料中T3和T4這2個處理的效果最好。

表7 稻蝦基地指標層權重及得分情況

表8 準則層權重及得分情況

3 討論

本試驗選擇石灰、稀太太、猛降鎘和修護龍4種修復材料進行田間試驗，其中修護龍屬于緩釋型含鈣土壤調理劑（CaO≥40%），稀太太和猛降鎘分別屬于富硒和含硅葉面噴施肥。由于生石灰和修護龍的主要成分是CaO，能夠中和土壤H+，從而使土壤pH值上升，對土壤pH值的改善效果最好，這與大多數研究結果相同［23-25］。

添加稀太太這種修復材料對稻米Cd含量的降低幅度最大，達到74.51%，其次是添加猛降鎘的。Schutzendubel等［26-27］研究表明，植物體內硒與重金屬元素之間有拮抗作用；林莉［28］研究也表明，硒與Cd元素能形成某種較穩定、毒性低的復合物，從而降低進入根系細胞質和向水稻地上部分運轉的Cd含量。葉面硅肥具有緩解重金屬對作物毒害的作用，并且養分利用率高，施用方便［29-30］，如代鄒［31］研究表明，硒和硅處理可以增加Cd脅迫水稻中植物鰲合肽和穗頸節間纖維素的含量，使水稻地上部分的Cd貯藏在細胞液泡中或固定在細胞壁上，減少灌漿期Cd向穗部的轉運，從而降低稻米Cd含量。

同時，賀前鋒等［32］研究結果表明，葉面噴施富硒葉面肥能明顯提高水稻單產，增幅為10.85%。本試驗通過在圓稈拔節期和抽穗期噴施稀太太和猛降鎘，相比于對照，添加稀太太的處理對稻米產量具有增產作用，而添加猛降鎘的處理對稻米產量的影響則表現為降低，但均未達到顯著水平。

由于不同修復材料對土壤和稻米的影響不同，因此構建一個科學完整的評價體系至關重要，如夏孝東［33］從土壤理化性質、植被群落性質和重金屬污染現狀3個準則層和容重、有機質、植被覆蓋率等12個指標構建了評價體系，得到對鉛鋅尾礦修復的最終結果。本研究在前人研究的基礎上，構建了以土壤重金屬污染指標、水稻生長安全指標和土壤肥力指標為主的3個準則層以及土壤Cd、Cu、Pb含量、土壤有機質含量等11個指標對4種修復材料的效果進行了分析，結果表明在稻蝦種養模式中添加稀太太（硒肥）和猛降鎘（硅肥）這2種修復材料的處理得分均為0.98，說明這2種葉面噴施肥的效果相似；其次效果較好的是添加修護龍處理的，添加石灰處理的總分最低。

4 結論

（1）添加稀太太、猛降鎘和修護龍修復材料的處理均可顯著降低稻米Cd含量，下降幅度分別為74.51%、63.06%和61.19%，但4種修復材料對水稻產量的影響較小。

（2）添加稀太太修復材料的處理對土壤肥力的提升效果較好，土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量上升幅度分別為4.29%、20.92%、5.49%和16.41%；添加石灰和修護龍這2種修復材料的處理對土壤pH值均有顯著提升作用，且影響較大，分別上升了0.42和0.87個單位。

（3）添加稀太太和猛降鎘修復材料的處理綜合修復效果最好，得分均達到0.98分；添加修護龍和石灰處理的效果次之，綜合修復效果得分分別為0.96和0.88分。