土壤調理劑對鎘污染稻田土壤理化性質和水稻不同部位鎘富集的影響

廖建勛，顧祝禹，涂圣梅，黃博陽，孫國鋒，周志遠，湯園園

（1.建始縣農業農村局，湖北 恩施 445300；2.武漢市秀谷科技有限公司，武漢 430000）

農田污染成為限制中國糧食安全生產的重要因素［1，2］。土壤重金屬元素鎘（Cd）具有較高的生物毒性［3-5］，原位鈍化技術是中輕度Cd 污染農田主要修復技術［6-10］。利用土壤調理劑實施原位鈍化技術，具有可操作性強、經濟、見效快、無二次污染等優點，從而被廣泛用于農田Cd 污染治理與修復。

酸性稻田中Cd 具有活性高、遷移性強等特點，且容易被作物吸收，并在作物體內轉移與富集，進而造成稻米中Cd 超標問題。土壤調理劑不僅能調節土壤pH，而且能有效降低農田有效態Cd 的含量，進而減少水稻各部位對Cd 的富集［11-14］。本試驗選用的土壤調理劑是由天然礦物質原料制備而成，該土壤調理劑對Cd 污染農田具有較好的修復效果，能降低農產品對Cd 的富集［15］。選取建始縣高坪鎮Cd 中度污染且分布相對均勻的水稻田進行大田試驗，研究不同用量土壤調理劑對農田土壤理化性質與稻米Cd 含量的影響，分析其用量與水稻植株不同部位富集Cd 的關聯性，選出土壤調理劑最佳用量，以期為Cd 污染農田治理與修復提供理論與實踐依據。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 研究區域概況

試驗地設在湖北省恩施市高坪鎮，該區域位于湖北省西南部，地勢西高東低，屬亞熱帶季風氣候區，光照充足，降雨充沛，年均氣溫14.9 ℃，年降水量1 400～2 300 mm。耕作方式采用旋耕，主要種植水稻和玉米。耕地類型主要包括旱地、水田和水澆地。土壤pH 為6.04，有機質為19.36 g∕kg，土壤Cd 含量為0.38 mg∕kg，超過了國家二級標準0.30 mg∕kg，屬于中度污染，土壤有效態Cd 含量均值為0.13 mg∕kg，灌溉水中未檢出Cd。

1.2 供試材料

水稻品種為Q 優18 號，全生育期為150 d 左右。供試土壤調理劑采用天然礦物質原料制備而成，主要原料為鉀長石和生石灰，含有大量的硅、鈣、鎂、鉀等礦物質元素。試驗材料經過監測，pH 為10.39，氧化鈣含量為32.51%，二氧化硅含量為26.42%，氧化鎂含量為4.83%，水分含量3.45%，細度（粒徑≤0.25 mm）為99.70%，Pb含量為34.50 mg∕kg，Cd含量為0.19 mg∕kg，As含量為0.23 mg∕kg，Cr含量為3.26 mg∕kg。

1.3 試驗設計

在恩施市高坪鎮選取中度鎘污染區域，且鎘分布相對均勻的稻田進行大田試驗。試驗共設置7 個處理，分別為CK、T1、T2、T3、T4、T5 和T6，對應添加土壤調理劑的含量分別為0、1 500、3 000、4 500、6 000、7 500、9 000 kg∕hm2。每個處理做3 次重復試驗，共21個小區，每個小區面積為50 m2（5 m×10 m），且各小區之間隨機區組排列。為防止修復材料、灌溉水等對各小區間的相互影響，對各小區田埂進行加高加固，鋪設薄膜，灌溉采用單排單罐的方式。水稻播種前1 周，將土壤調理劑進行一次性撒施，配合整地翻耕，使其與稻田土壤充分混勻。中稻Q 優18號于2021 年5 月初開始播種育秧，6 月初進行水稻秧苗移栽，秧苗移栽的密度約為0.2 m×0.2 m，大田試驗的種植密度、水肥與病蟲害管理參照當地實際農業生產情況，確保試驗各小區管理條件一致。

1.4 樣品的采集與分析

在水稻收獲期采集土壤與植株樣品，在試驗田中按5 點取樣法對水稻樣品進行采集，并對水稻根系附近表層土壤（0～20 cm）進行采集。去除土樣雜質，自然風干至恒重，過100 目尼龍篩，裝袋備用。水稻用去離子水沖洗，105 ℃殺青10 min，烘干至恒重，水稻樣品分部位粉碎與過篩，備用。

土壤的理化性質均按照常規的測定方法進行檢測［16］。土樣pH采用電位計法測定，水土比為2.5∶1.0；土壤有效態Cd 含量采用CaCl2溶液浸提法提取［17］，并用原子吸收分光光度計測定Cd 含量；水稻植株各部位Cd 含量的測定采用干灰法消解，稻米Cd 含量采用HNO3-HClO4消解，并用原子吸收分光光度計（石墨爐）測定水稻植株各部位和稻米樣品中的Cd含量，同時做全程空白試驗（CK）。

1.5 數據統計

采用Excel、Origin 和SPSS 軟件進行數據統計和簡單分析，數據結果均為平均值，并進行相應的圖表繪制，各處理之間采用單因素方差分析（ANOYA）和Duncan 法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤調理劑對土壤pH 的影響

如圖1 所示，與CK 相比，施用土壤調理劑后，T1至T6 土壤pH 均有一定程度的提高，分別增加了0.99%、2.81%、4.14%、5.30%、5.96%、6.62%。其中T4、T5、T6 土壤pH 均顯著高于CK（P＜0.05），T1、T2、T3 與CK 差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同用量土壤調理劑對土壤pH 的影響

2.2 土壤調理劑對土壤有效態Cd 含量的影響

土壤中有效態Cd 能被植物根系吸收利用并在植物體內富集，也是評價Cd 元素對土壤毒性影響的重要指標［18］。添加不同用量土壤調理劑對有效Cd的影響如圖2 所示，加入土壤調理劑后土壤有效態Cd 的含量均有不同程度的降低，其中T2 至T6 土壤有效態Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05），分別降低了26.87%、33.58%、37.31%、35.07%、28.36%。而T1土壤有效態Cd 含量與CK 差異不顯著（P＞0.05），土壤有效態Cd 含量下降了9.70%。隨著土壤調理劑用量的增加，土壤有效態Cd 含量呈先降低后增加的趨勢，當土壤調理劑用量為6 000 kg∕hm2時，有效態Cd 含量最低，為0.084 mg∕kg。

圖2 不同用量土壤調理劑對土壤有效態Cd 含量的影響

2.3 土壤調理劑對水稻各部位Cd 含量的影響

圖3 顯示了不同用量土壤調理劑對水稻根、莖葉、谷殼、稻米中Cd 含量的影響。施用土壤調理劑能在一定程度上有效降低水稻根系中Cd 含量，降低幅度為9.09%～31.82%。當施用量為4 500 kg∕hm2時，水稻根中Cd 含量最低，根中Cd 含量由CK 的1.98 mg∕kg 下降到1.35 mg∕kg。其中T2 至T6 水稻根中Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05），T1 水稻根中Cd含量與CK 差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 不同用量土壤調理劑對水稻各部位中Cd 含量的影響

與CK 相比，不同用量土壤調理劑均能降低水稻莖葉中Cd 含量，T1 至T6 水稻莖葉中Cd 的含量下降幅度為10.00%～40.00%，隨著土壤調理劑用量的增加，水稻莖葉中Cd 含量呈先降低后增加的趨勢。其中T2 至T6 水稻莖葉Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05）。

與CK 相比，不同處理谷殼中Cd 含量均有一定程度的降低（16.67%～50.00%），其中T3 至T5 水稻谷殼中Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05），T1、T2、T6 與CK 差異不顯著（P＞0.05）。

稻米Cd 含量呈先降低后增加的趨勢，T1 至T6稻米中Cd 含量分別降低了9.64%、22.84%、27.92%、31.98%、27.41%、21.83%，施用量為6 000 kg∕hm2時，稻米中Cd 含量最低，為0.134 mg∕kg，而后隨用量的增加稻米中Cd 含量呈上升趨勢。其中T2 至T6 稻米中Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05），T1 稻米中Cd含量與CK 差異不顯著（P＞0.05）。

綜上可知，施用一定量的土壤調理劑能有效降低水稻根、莖葉、谷殼與稻米中Cd 含量。

2.4 土壤理化性質與水稻富集Cd 的相關性分析

土壤有效態Cd 含量不同程度地影響著作物根系對Cd 的吸收與富集。由表1 可知，土壤pH 與土壤有效態Cd、水稻根Cd、谷殼Cd 含量呈極顯著負相關（P＜0.01），與莖葉Cd、稻米Cd 含量呈顯著負相關（P＜0.05）；土壤有效態Cd 與水稻根Cd、谷殼Cd、稻米Cd 含量呈極顯著正相關（P＜0.01），與莖葉Cd 含量呈顯著正相關（P＜0.05）；水稻根Cd 與莖葉Cd、谷殼Cd、稻米Cd 含量呈極顯著正相關（P＜0.01）；莖葉Cd 與谷殼Cd、稻米Cd 的含量呈極顯著正相關（P＜0.01）；谷殼Cd 與稻米Cd 含量呈顯著正相關（P＜0.05）。由于試驗區土壤呈弱酸性，土壤調理劑本身具有較高的pH，且含有大量礦物質元素，因此施用土壤調理劑能在一定程度上調節土壤pH，降低土壤中有效態Cd 含量，從而減少水稻植株對Cd 的吸收［19，20］。

表1 不同處理土壤理化性質之間的相關系數

2.5 土壤調理劑對水稻產量的影響

從圖4 可知，施用土壤調理劑后各處理水稻產量較CK 均有一定程度的增產，但無顯著差異。與CK 相比，T1 至T6 水稻產量分別增加了3.27%、14.24%、12.75%、13.84%、9.76%、8.15%，其中T2 對水稻增產效果最好，每公頃產量為7 830.45 kg。

圖4 不同用量土壤調理劑對水稻產量的影響

3 討論

3.1 土壤調理劑對土壤pH與有效態Cd含量的影響

土壤有效態Cd 含量易受土壤環境中酸堿度、CEC、與離子間的作用等因素的影響，而土壤調理劑能有效調節土壤酸堿度、提高陽離子交換量、改善土壤結構等，進而影響土壤有效態Cd 含量［21，22］。土壤pH 不僅能影響土壤環境中的各種化學反應與離子組成，還能影響Cd 的生物有效性及在土壤-植物系統中的轉移與富集。在一定范圍內，pH 越高，土壤有效態Cd 的含量越低，主要是由于pH 逐漸升高，有利于促進Cd 從活潑的游離態向穩定的絡合態與殘渣態轉化，降低土壤有效態Cd 含量［23］。當土壤處于偏酸環境時，黏土礦物質與有機質表面對Cd 的吸附作用主要為靜電吸附，鎘離子容易被土壤溶液中的氫離子、鈣離子交換下來，使Cd 變成活潑的游離態而被植物吸收，隨著土壤pH 的升高，Cd 在黏土礦物質與有機質表面的靜電吸附逐漸轉變成結合力較強的專性吸附，使Cd 的活性降低，從而導致有效態Cd 含量下降［24］。本試驗結果表明，施用一定量的土壤調理劑，土壤pH 顯著增加，土壤有效態Cd 含量呈不同程度的降低，產生這種原因可能是土壤調理劑本身呈堿性，pH 較高，含有大量的堿性基團，同時土壤調理劑中豐富的硅、鈣、鎂、鉀等陽離子與土壤環境中的H+發生離子交換，降低土壤中H+的含量，從而提升土壤的pH，隨著土壤pH 的增加，使Cd 在黏土礦物質與有機質表面由靜電吸附向專性吸附轉變，降低土壤中有效態Cd 含量；另外pH 升高會伴隨著土壤溶液中OH-的增加，促進Cd2+離子與OH-結合形成Cd（OH）2，導致土壤對Cd2+吸附能力增強，降低有效態Cd 含量。這與李心等［18］的研究結果相似。李超等［20］的研究表明，土壤調理劑的用量與土壤pH 顯著相關。閆家普等［25］通過研究不同改良劑及其組合對土壤鎘形態和理化性質的影響發現，土壤pH 與土壤有效態鎘含量呈顯著負相關，本研究結果也顯示土壤pH 與有效態鎘呈極顯著負相關。過量使用土壤調理劑可能會造成土壤結構破壞，抑制土壤微生物的活性［26］。本研究結果表明，隨著土壤調理劑用量的增加，土壤有效態Cd 含量呈先降低后增加的趨勢，由此可見過量施用土壤調理劑不一定效果較好，可能會帶來一定的負面效果。林小兵等［13］研究也發現長期施用過量的土壤調理劑可能會帶來不利影響，應適量添加。

3.2 土壤有效態Cd對水稻植株各部位Cd富集的影響

Cd 元素在土壤中具有較高的毒性與遷移性，土壤有效態Cd 可通過植物根系轉運至植物體內，并在植株各部位富集，而較高濃度的有效態Cd 可使農作物可食部分Cd 含量超過食用限量標準，進而影響人類的健康［4，27］。Cd 元素在土壤環境中的生物有效性取決于其自由離子的活躍程度，其中交換態形式存在，Cd 離子遷移性與生物有效性最強。施用不同量的土壤調理劑后，有效態Cd 含量均有一定程度的降低，而水稻植株根、莖葉、谷殼與稻米中Cd 含量也隨之降低。辜嬌峰等［12］研究發現施用適量的土壤調理劑能調節土壤的理化性質，降低土壤有效態Cd含量，影響Cd 元素在土壤環境中的遷移與轉化，并降低Cd 元素在農產品中的富集。研究表明作物根表細胞對Cd2+與Ca2+吸收存在相互競爭作用，Cd2+與Ca2+相互競爭根表細胞膜上的吸收點位，當Ca2+濃度較高時，使得作物對Cd2+的吸收與累積量大量減少［28，29］。許曉玲等［30］研究發現Si、Ca、Mg 等元素與Cd 產生拮抗作用，減少根部對Cd 的吸收量，進而降低籽粒中Cd 的積累量。試驗所用的土壤調理劑主要由SiO2、CaO、MgO 等構成，容易與土壤中的Cd 發生反應，形成穩定的硅酸鹽沉淀，降低土壤有效態Cd 含量，有效阻止Cd 在水稻中的遷移與富集。同時土壤調理劑中含有豐富的Si、Ca、Mg 等元素，有利于作物的生長，提高農產品的產量，試驗中各處理產量的增加也驗證了這一點。本試驗研究發現有效態Cd 含量與水稻根、谷殼與稻米中Cd 含量呈極顯著正相關（P＜0.01），與莖葉Cd 含量呈顯著正相關（P＜0.05），這與吳烈善等［31］的研究結論相似。當土壤調理劑的用量超過6 000 kg∕hm2，隨著用量的增加，水稻根、莖葉、谷殼和稻米中Cd 含量呈上升趨勢，這可能是施用過量的土壤調理劑對土壤養分循環、微生物多樣性與微生物酶活性等方面產生了負面影響，進而影響土壤調理劑對稻田Cd 元素的修復效果。

不同地區土壤環境、污染種類、污染程度、種植類型等因素存在差異，導致土壤調理劑對Cd 有效態與農作物Cd 含量影響程度也不同，因此需要在不同地區開展相關Cd 污染修復試驗來確定最佳修復參數。從經濟成本和降鎘效果等綜合因素考慮，施用量為3 000 kg∕hm2，成本低廉且效果最佳。

4 結論

施用土壤調理劑能有效調節土壤pH，降低有效態Cd 含量，土壤pH 增加了0.99%～6.62%，土壤有效態Cd 含量降低了9.70%～37.31%。

施用一定量的土壤調理劑能有效降低水稻中根、莖葉、谷殼和稻米中Cd 含量，降低幅度分別為9.09%～31.82%、10.00%～40.00%、16.67%～50.00%、9.64%～31.98%，且對重金屬Cd 富集量的順序為根＞莖葉＞谷殼＞稻米。

相關性分析表明，土壤pH 與土壤有效態Cd、水稻根Cd、谷殼Cd 含量呈極顯著負相關，與莖葉Cd、稻米Cd 含量呈顯著負相關；土壤有效態Cd 與水稻根Cd、谷殼Cd、稻米Cd 含量呈極顯著正相關，與莖葉Cd 含量呈顯著正相關。

從經濟成本和降鎘效果等綜合因素考慮，土壤調理劑施用量為3 000 kg∕hm2時，成本低廉且效果最佳，此時稻米中Cd 含量從0.197 mg∕kg 下降到0.152 mg∕kg，產量增加了14.24%。