外源碳酸鹽對土壤-水稻系統(tǒng)中鎘遷移的影響

徐 彤，毛 旭

（貴州地礦一一二地質(zhì)工程勘查有限責(zé)任公司，貴州安順 561000）

重金屬鎘（Cd）的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險是以其生物有效性為基礎(chǔ)的[1-2]，而土壤中Cd 的有效態(tài)含量往往是影響其被作物吸收的主要因子，降低土壤中鎘的有效態(tài)含量可降低作物對鎘的吸收[3]。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者在受鎘污染土壤的安全利用和農(nóng)作物安全生產(chǎn)領(lǐng)域的研究較廣泛。有研究表明，解析作物吸收鎘的關(guān)鍵驅(qū)動因子，然后根據(jù)關(guān)鍵因子實施合理阻控途徑可有效降低作物對鎘的吸收[4]。作物吸收鎘的關(guān)鍵驅(qū)動因子主要是土壤pH 值、土壤礦物、土壤有機質(zhì)、拮抗元素、伴隨離子及作物品種等[5]。

土壤原位鈍化技術(shù)因效果明顯、經(jīng)濟成本低、可復(fù)制性強等優(yōu)勢已成為受污染土壤安全利用研究領(lǐng)域的熱點[6]。碳酸鹽礦物因礦產(chǎn)資源豐富，取材方便經(jīng)濟實惠，對土壤中的重金屬有較好的鈍化作用，是土壤重金屬原位鈍化研究領(lǐng)域的熱門材料。馮敬云等將碳酸鹽作為鈍化劑修復(fù)鎘污染稻田，結(jié)果表明，施用碳酸鹽可顯著提高土壤pH 值，土壤pH 值與水稻子粒Cd 含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.73[7]。丁園[8]的研究結(jié)果表明，石灰石添加量為2.076、4.152 g·kg-1時，土壤pH 值分別提高0.93、1.91，同時土壤中鎘的活性顯著降低，土壤Cd 形態(tài)由可交換及碳酸鹽結(jié)合態(tài)（9.78%～4.39%）向殘渣態(tài)（3.57%～8.90%）轉(zhuǎn)化。

本研究以外源添加碳酸鹽的方式，研究受鎘污染的土壤中添加碳酸鹽對土壤-水稻系統(tǒng)中鎘遷移的影響，以期豐富受鎘污染農(nóng)用地安全利用與農(nóng)作物安全生產(chǎn)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為雜交品種宜香優(yōu)2115，是由宜賓市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的不育系宜香1A 與四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院選育的恢復(fù)系雅恢2115組配而成的中秈遲熟優(yōu)質(zhì)雜交水稻組合。

供試土壤為2022 年4 月5 日采集自貴州省黔東南州黎平縣九潮鎮(zhèn)賴洞村下壩小盆地（北緯26°07'15.8″，東經(jīng)108°43'26.9″）的表層水稻土，土壤類型為典型黃壤，pH值5.29，鈣（Ca）、鎂（Mg）、鎘（Cd）全量分別為0.33 g·kg-1、1.29 g·kg-1、0.48 mg·kg-1?？山?換鈣、可交換鎂、有效態(tài)鎘含量分別為212.78 mg·kg-1、61.98 mg·kg-1、0.17 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

于2022 年5—9 月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所試驗大棚開展受鎘污染土壤的水稻盆栽試驗。本試驗設(shè)計4 個處理：在典型黃壤上進行水稻盆栽試驗（T1）；在典型黃壤中引入外源氯化鎘后進行水稻盆栽試驗（T2）；在典型黃壤中添加碳酸鹽礦物后進行水稻盆栽試驗（T3）;在典型黃壤中添加碳酸鹽礦物的基礎(chǔ)上引入外源氯化鎘進行水稻盆栽試驗（T4）。其中T1、T3中土壤鎘濃度為土壤背景值（0.48 mg·kg-1），T2、T4中土壤鎘濃度模擬農(nóng)用地風(fēng)險管控閾值設(shè)置為3.2 mg·kg-1，采用外源添加氯化鎘的方式模擬。每個處理1個盆栽，3次重復(fù)，共12個盆栽。

1.2.1 盆栽裝置設(shè)計

試驗盆長×寬×高為60 cm×40 cm×50 cm，裝填25 cm 深土壤。盆栽土基肥為氮磷肥（NH4）3PO4，施用量為501 kg·hm-2；氮肥尿素施用量為138 kg·hm-2；鉀肥KCl 施用量為278 kg·hm-2，基肥與土壤混勻后淹水處理1周以上，再移栽水稻秧苗，每個盆栽種植4穴水稻。分蘗期施加尿素（183 kg·hm-2）作為追肥，孕穗期施加尿素（138 kg·hm-2）、氯化鉀（184 kg·hm-2）作為穗肥。試驗過程中灌漿前全生育期保持淹水3～5 cm，試驗用水為純水。水稻全生長期按常規(guī)要求管理，觀測水稻長勢。

1.2.2 供試土壤處理

將采集的供試稻田表層土置于室內(nèi)自然風(fēng)干，過1 cm 篩后備用。將過篩后的黃壤一半不添加任何物質(zhì)，作為典型黃壤；另一半人為添加碳酸鹽巖礦物（方解石、白云石），其中，方解石與白云石比例為6∶1，碳酸鹽添加至鈣全量為5.76 mg·kg-1，鎂全量為2.16 mg·kg-1。

1.2.3 樣品采集與預(yù)處理

土壤樣品：待試驗期滿，采用五點法采集水稻根系土，按照四角及中心點采集1 kg 土壤帶回實驗室，置于室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨過10 目篩與100 目篩，置于聚乙烯自封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

植物樣品：每個試驗盆隨機采集兩整株水稻混合成一個樣，使用超純水反復(fù)將水稻植株清洗干凈，水稻樣品分根、莖、葉、穗4 個部分，記錄各個部分鮮質(zhì)量后置于105 ℃烘箱殺青2 h，調(diào)節(jié)溫度為65 ℃烘干至恒重，記錄水稻各部位干質(zhì)量后將穗細(xì)分為穗莖、糙米兩個部分。將水稻各個部位用不銹鋼植物粉碎機粉碎后置于聚乙烯自封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.4 樣品分析測試

土壤樣品的分析測試包括pH 值、Cd 全量、有效態(tài)Cd、形態(tài)Cd 及植物Cd 含量，具體分析測試方法見表1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019 對數(shù)據(jù)進行簡單統(tǒng)計處理，采用SPSS 22.0 進行正態(tài)分布檢驗及單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源碳酸鹽對土壤鎘活性的影響

土壤pH 值是影響土壤鎘活性的重要因素。黃壤添加碳酸鹽后，土壤pH 值變化如表2所示。在鎘濃度為土壤背景值水平下，黃壤添加碳酸鹽后pH 值上升了0.70，鎘濃度在T2 水平下，添加碳酸鹽后土壤pH值上升了0.66。兩種鎘濃度土壤在添加碳酸鹽后pH值皆顯著提升，表明在特定條件下，土壤添加碳酸鹽可提升土壤pH值。

表2 外源碳酸鹽對土壤pH值及鎘活性的影響

土壤中生物有效性鎘可用DTPA 混合溶液提取。土壤添加碳酸鹽后對鎘生物有效性的影響如表2。黃壤中添加碳酸鹽后，在T1鎘濃度下，成熟期水稻土生物有效性鎘含量降低至原來的60%，生物有效性鎘是作物可直接吸收的成分，其活性的降低能減少作物對鎘的吸收，有利于糧食安全生產(chǎn)。

鎘的形態(tài)分布是深度剖析鎘生物有效性的重要依據(jù)，黃壤添加碳酸鹽進行淹水處理后，土壤中鎘的形態(tài)分布變化如表2 所示。添加碳酸鹽后的黃壤，兩種鎘濃度下可還原態(tài)鎘占比變化不明顯，可交換態(tài)占比顯著降低，殘渣態(tài)和可氧化態(tài)的占比顯著增加。其中鎘濃度在土壤背景值下土壤添加碳酸鹽對鎘的形態(tài)分布影響最大，可交換態(tài)占比降低了35.04%，殘渣態(tài)含量百分比增加了21.33%，可氧化態(tài)鎘百分比增加了2倍。土壤鎘可交換態(tài)是活性最強的形態(tài)，作物可直接吸收；土壤中鎘氧化態(tài)和還原態(tài)在特定的氧化還原環(huán)境條件下是穩(wěn)定的，作物不容易吸收；土壤中殘渣態(tài)鎘需要特定的環(huán)境才會被釋放出來，屬于最穩(wěn)定的鎘形態(tài)[11]。土壤添加碳酸鹽后鎘的殘渣態(tài)、可氧化態(tài)增加，可交換態(tài)減少，表明在特定環(huán)境下，土壤添加碳酸鹽可有效降低鎘的活性。

2.2 外源碳酸鹽對水稻鎘含量的影響

水稻各部位鎘含量如表3 所示，在兩種濃度土壤鎘含量下，黃壤添加碳酸鹽后的水稻鎘含量變化呈現(xiàn)一致的規(guī)律，表現(xiàn)為水稻根系鎘含量增加，其中T4相較于T2 增長顯著。水稻莖稈、葉片、穗軸、糙米4 個器官的鎘含量顯著降低。黃壤添加碳酸鹽后，T1 鎘濃度含量下，水稻根系鎘含量增至原來的1.31 倍，莖、葉、穗、糙米鎘含量分別降低至原來的27.65%、28.69%、28.11%、33.06%；T2 鎘濃度含量下，水稻根系鎘含量增至原來的1.88 倍，莖、葉鎘含量分別降低至原來的27.84%、37.64%、17.44%、32.98%，表明土壤中添加碳酸鹽能有效降低水稻地上部分的鎘含量。

表3 外源碳酸鹽對水稻各部位鎘含量的影響 單位：mg·kg-1

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 外源碳酸鹽添加對土壤鎘活性的影響

本試驗中土壤添加碳酸鹽后pH 值增加，有效態(tài)鎘含量降低，原因可能是土壤pH 值影響了土壤中鎘的活性。據(jù)研究表明，pH 值每降低1 個單位水平，土壤中鎘的活性增加1.5 倍[12]。土壤添加碳酸鹽后土壤pH值升高，這是由于外源碳酸鹽由方解石、白云石組成，其中方解石主要成分為CaCO3，白云巖主要成分為CaMg(CO3)2。土壤中碳酸鹽通過消耗土壤環(huán)境中H2O 和CO2分解為Ca2+、Mg2+、OH-、HCO3-等離子，HCO3-離子為堿性離子，通過消耗土壤水分進行水解反應(yīng)，生成OH-和CO32-，OH-是影響土壤pH值的主要因素，OH-含量越高，土壤堿度越強[13]。從土壤中鎘的形態(tài)分布來看，土壤添加碳酸鹽后，可交換態(tài)鎘占比顯著降低，殘渣態(tài)和可氧化態(tài)鎘的占比顯著增加。土壤可交換態(tài)鎘是作物可以直接吸收的形態(tài)，也是DTPA 提取態(tài)鎘的主要成分，添加碳酸鹽后，可交換態(tài)鎘含量降低，殘渣態(tài)鎘含量和可氧化態(tài)鎘含量增加，表明部分可交換態(tài)鎘轉(zhuǎn)換為殘渣態(tài)和可氧化態(tài)，這也是土壤中DTPA提取態(tài)鎘含量顯著降低的原因。

3.1.2 外源碳酸鹽添加對水稻鎘含量的影響

土壤添加碳酸鹽后水稻根系鎘含量增加，可能是因為作物對逆環(huán)境有相應(yīng)的調(diào)節(jié)機制，土壤中Cd進入根系后，會受到根細(xì)胞壁的封存和細(xì)胞膜隔離作用封存在細(xì)胞質(zhì)中[14]，從而使根部鎘含量增加；土壤添加碳酸鹽后水稻莖、葉、穗、糙米中鎘含量不同程度降低，其中在0.48 mg·kg-1鎘濃度下，莖、葉、穗、糙米4 個器官鎘減少比例從大到小依次為葉片＞糙米＞穗＞莖；在3.2 mg·kg-1鎘濃度下，莖、葉、穗、糙米4 個器官鎘減少比例從大到小依次為糙米＞葉片＞莖＞穗。由此可見，土壤中添加碳酸鹽后，顯著減少了水稻地上部分各器官對鎘的積累，其中效果最好的器官是葉片和糙米。

3.2 結(jié)論

外源碳酸鹽添加后，可增加土壤中pH 值，降低土壤中鎘的生物有效性，使得土壤中鎘的殘渣態(tài)比例增加，可交換態(tài)鎘比例降低，從而降低土壤中鎘的活性。外源碳酸鹽添加顯著減少了水稻地上部分對鎘的積累。