不同生育期施用復合土壤調理劑對水稻吸收積累鎘的影響

摘要 為了探究不同生育期施用復合土壤調理劑對水稻吸收積累鎘的影響，采用田間小區試驗，分別在水稻移栽前、分蘗期、孕穗期、灌漿期施用復合土壤調理劑。結果表明，在水稻移栽前、分蘗期、孕穗期3個時期施用復合土壤調理劑可提高水稻產量，并顯著降低土壤鎘弱酸提取態比例、增加土壤鎘可還原態比例。不同生育期施用復合土壤調理劑使土壤pH提高0.55～0.68，使土壤有效鎘含量降低4.59%～25.04%。不同生育期施用復合土壤調理劑使稻米鎘含量降低25.18%～67.14%，降鎘率水稻移栽前＞分蘗期＞孕穗期＞灌漿期。稻米鎘含量與土壤有效鎘含量、根系Cd吸收系數、Cd次級轉運系數呈顯著或極顯著正相關關系，復合土壤調理劑通過降低土壤鎘有效性、抑制水稻根系對鎘的吸收、抑制鎘從莖稈到籽粒的轉運來降低稻米中鎘的累積。對于復合土壤調理劑的施用時期，水稻移栽前和分蘗期均可滿足當前污染耕地安全利用項目技術上的要求，但水稻移栽前施用的成本較低，綜合效果較好。綜合可知，鎘污染耕地安全利用實踐中，考慮到技術可行性與經濟合理性，應盡量在水稻移栽前施用復合土壤調理劑，特殊情況下（錯過農時等）可在分蘗期施用。

關鍵詞 生育期；土壤調理劑；水稻；鎘；稻米

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）15-0071-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.016

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Compound Soil Conditioner Application at Different Growth Stages on Cadmium Uptake and Accumulation by Rice

YUAN Hai-wei， TANG Shou-yin， HU Lu et al

（Hunan Huanbaoqiao Ecology and Environment Engineering Co.， Ltd.， Changsha， Hunan 410205）

Abstract To investigate the effects of compound soil conditioner application at different growing stages on the cadmium（Cd） accumulation in rice， field plot experiments were carried out to apply compound soil conditioner at pre-transplanting stage， tillering stage， booting stage and filling stage， respectively. Results showed that the application of compound soil conditioner at pre-transplanting stage， tillering stage and booting stage could significantly increase rice yield， decrease the proportion of weakly acid-extractable Cd， and increase the proportion of reducible Cd. Compared with the control， soil pH was increased by 0.55-0.68 units and soil available Cd（DTPA-extractable）was decreased by 4.59%-25.04% after compound soil conditioner application at different growing stages. Applying compound soil conditioner lowered Cd concentrations in rice grain by 25.18%-67.14%. At the same time， the application period of Cd reduction rate was as follows： pre-transplanting stage > tillering stage > booting stage > filling stage. There was a significant or extremely significant positive correlation between Cd concentration in rice grain and soil available Cd， Cd absorption index of roots and Cd secondary transport index. Compound soil conditioner reduced the accumulation of Cd in rice grain by reducing the availability of Cd in soil， inhibiting the absorption of Cd by rice roots and inhibiting the transport of Cd from stem to grain. For the application period of compound soil conditioner， both pre-transplanting stage and tillering stage could meet the technical requirements of the current safe utilization project of polluted cultivated land， but the application cost of pre-transplanting stage was lower and the comprehensive effect was better. Our study suggested that considering the technical feasibility and economic rationality， compound soil conditioner should be applied before rice transplanting as far as possible in the practice of safe utilization of contaminated farmland. If it is necessary to apply soil conditioner under special circumstances due to missed agricultural time， compound soil conditioner could be applied at tillering stage.

Key words Growing stage;Soil conditioner;Rice;Cadmium;Rice grain

我國土壤鎘（Cd）的點位超標率達到7.0%［1］，鎘污染是我國耕地土壤面臨的一個嚴峻的環境問題。Cd是稻米中主要的污染物，在我國南方地區已有多地出現了稻米Cd超標的現象。

施用土壤調理劑是當前開展污染耕地安全利用工作中廣泛運用的一種技術措施，其可通過吸附、離子交換、沉淀、絡合、拮抗等原理降低土壤Cd的植物有效性［2］，抑制Cd在土壤-農作物系統中的遷移轉化。經查詢，目前已獲得農業農村部肥料登記證的土壤調理劑達200多種，其中適宜酸性土壤的超過150種。復合土壤調理劑是將2種或多種材料結合在一起的鈍化劑，具有治理效果突出、適用性廣等優點，在當前大面積污染耕地安全利用項目中廣泛運用。由于一些客觀原因，Cd污染耕地安全利用項目中土壤調理劑的施用可能錯過水稻移栽前這段最佳時期，導致須在水稻種植后施用。錯過最佳施用時期后，如何精準選擇施用時期以確保安全利用效果是亟待解決的問題。研究表明，水稻在不同生育期對Cd的吸收、轉運、積累特征不同［2-4］，不同生育期吸收的Cd對籽粒中Cd積累的貢獻率也有較大差異；在水稻生長過程中，稻米Cd含量降低率會施用土壤調理劑的時期不同而存在較大差異［5-7］。然而，現有的研究大都集中在單一型鈍化劑的不同施用時期對水稻吸收富集Cd的影響上，鮮有復合土壤調理劑不同施用時期對水稻吸收積累Cd影響的相關報道。該研究通過水稻田間小區試驗，探究在水稻不同生育期施用復合土壤調理劑對水稻吸收富集Cd的影響，為后續污染耕地安全利用項目中施用復合土壤調理劑提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于湖南省湘潭市雨湖區長城鄉，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫17 ℃左右，年降水量1 300 mm，無霜期273 d。試驗區土壤為當地中等肥力水平的河沙泥田。試驗前耕層土壤（0～20 cm）基本理化性質：pH 4.96，有機質27.3 g/kg，全氮1.63 g/kg，全磷0.82 g/kg，全鉀15.41 g/kg，全Cd 0.97 mg/kg，有效態Cd 0.46 mg/kg。

1.2 試驗材料

試驗用水稻品種為金優284，該品種為秈型三系雜交晚稻水稻。供試復合土壤調理劑由環保橋（湖南）生態環境工程股份有限公司提供，以硅灰石、沸石、海泡石等天然礦物為原料制成，主要技術指標（細度為粒徑≤500 μm部分的含量）為：有效CaO 37.06%、有效SiO2 7.37%、有效MgO 6.81%、細度99.48%、水分0.49%、pH 11.69、Hg 0.04 mg/kg、As 2.76 mg/kg、Cd 0.01 mg/kg、Pb 9.70 mg/kg、Cr 24.90 mg/kg。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗處理。

試驗共設5個處理：①對照（CK），不施用復合土壤調理劑；②T1，在水稻移栽前施用復合土壤調理劑；③T2，在水稻分蘗期施用復合土壤調理劑；④T3，在水稻孕穗期施用復合土壤調理劑；⑤T4，在水稻灌漿期施用復合土壤調理劑。T1、T2、T3、T4處理的土壤調理劑施用量均為3 000 kg/hm2。不同生育期田間的施工條件存在較大差異：水稻移栽前，田間可以利用機械（拖拉機加掛撒施斗）撒施；水稻移栽后，為了避免擾動土壤及破壞秧苗，無法采用機械下田撒施。為了最大限度模擬污染耕地安全利用項目施工的實際情況，T1處理復合土壤調理劑的施用方法為均勻施用于土壤表面后采用小型旋耕機使其與土壤充分混勻；T2、T3、T4處理復合土壤調理劑施用方法為均勻撒施于田面（一部分土壤調理劑會落在水稻植株上），不采取混勻措施。

每個處理設3次重復，合計15個小區，隨機區組排列。小區長7 m、寬4 m，面積28 m2，試驗區四周設置2.5 m寬保護行。同時，每2個小區用田?。▽?0 cm，高40 cm）隔開，并在田埂上覆蓋塑料薄膜，防止不同小區間串水、串肥。

1.3.2 樣品采集。

供試晚稻分小區單收、單曬、單獨稱重測產。水稻成熟后，采用五點取樣法采集水稻樣品，每點采集1株水稻（分成根、莖稈、稻谷3部分），即每個小區采集5株，裝入網袋保存。同時，在每個采樣點用不銹鋼取土鏟采集土壤樣品0.5 kg，即每個小區采集2.5 kg土壤樣品。植株樣品根系、莖稈用自來水沖洗干凈，再用去離子水徹底潤洗3次，70 ℃烘干至恒重后粉碎；稻谷于70 ℃烘干至恒重后用小型脫殼機將稻殼和糙米分開，再用不銹鋼粉碎機粉碎。全部植株樣品粉碎后過100目標準篩，裝入塑料自封袋中待用。土壤樣品自然風干后研磨，并分別過20目和100目標準篩待用。

1.3.3 樣品分析。

土壤養分含量及pH采用常規方法測定［8］；土壤全Cd采用HCl-HNO3-HF-HClO4全消解法測定［9］；土壤有效態Cd采用DTPA提取法測定［10］；植物樣品Cd全量采用HNO3-HClO4（9∶1）濕解法消煮［11］，ICP-MS測定。土壤中Cd各形態含量采用BCR連續提取法測定［12］。

1.4 數據統計

根系Cd吸收系數、Cd初級轉運系數、Cd次級轉運系數計算參照公式（1）～（3）。

根系Cd吸收系數=根系Cd含量/土壤全Cd含量（1）

Cd初級轉運系數=莖稈Cd含量/根系Cd含量（2）

Cd次級轉運系數=稻米Cd含量/莖稈Cd含量（3）

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。分別采用單因素方差分析（one-way ANOVA）、LSD法和Pearson參數進行方差分析、多重比較（P<0.05）和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對稻谷產量的影響

圖1為不同生育期施用復合土壤調理劑對稻谷產量的影響。對照（CK）稻谷產量為6 081.5 kg/hm2，T1、T2、T3、T4處理提高了稻谷產量，增產幅度分別為14.43%、10.19%、10.28%、2.15%，其中T1、T3處理與對照相比具有顯著差異，T2、T4處理與對照相比無顯著差異。這說明，施用復合土壤調理劑可提高稻谷產量，特別是在水稻移栽前、孕穗期施用效果較為明顯。

2.2 不同處理對土壤pH及有效態Cd的影響

圖2為水稻不同生育期施用復合土壤調理劑對土壤pH的影響。與對照相比，T1、T2、T3、T4處理提高了土壤pH，相比對照分別上升0.60、0.68、0.67、0.55，且與對照相比均具有顯著差異。同時，施用復合土壤調理劑的各處理間土壤pH并無顯著差異。說明施用復合土壤調理劑可顯著提高土壤pH，但不同的施用時期之間差異不大。

圖3為水稻不同生育期施用復合土壤調理劑對土壤有效Cd的影響。與對照相比，T1、T2、T3、T4處理降低了土壤有效Cd，降低幅度分別為25.04%、24.24%、9.83%、4.59%，其中T1、T2處理與對照相比具有顯著差異。T1、T2、T3處理之間無顯著差異，T1、T2處理分別與T4處理之間具有顯著差異，T3與T4處理之間無顯著差異。說明施用復合土壤調理劑可降低土壤Cd的植物有效性，但這種效果隨著施用時間的推后而減弱，特別是在孕穗期、灌漿期施用已對土壤Cd的植物有效性基本沒有影響。

2.3 不同處理對水稻植株內Cd含量分布及Cd吸收轉運系數的影響

不同生育期施用復合土壤調理劑對水稻植株不同部位Cd含量的影響見表1。對照（CK）根系Cd含量為10.20 mg/kg，T1、T2、T3、T4處理根系Cd含量較對照分別降低52.94%、48.14%、13.92%、2.94%，其中僅T1、T2處理與對照相比具有顯著差異。對照莖稈Cd含量為3.22 mg/kg，T1、T2、T3、T4處理莖稈Cd含量較對照分別降低40.99%、37.58%、0.93%、4.35%，其中僅T1、T2處理與對照相比具有顯著差異。對照稻米Cd含量為0.703 mg/kg，超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中的限值（0.2 mg/kg）2.52倍，T1、T2、T3、T4處理稻米Cd含量較對照分別降低67.14%、59.32%、35.85%、25.18%，其中T1、T2、T3處理與對照相比具有顯著差異。這說明，在水稻移栽前、分蘗期施用復合土壤調理劑可顯著降低水稻根系及莖稈中Cd含量，在水稻孕穗期、灌漿期施用復合土壤調理劑對水稻根系及莖稈Cd含量影響不大；在水稻移栽前、分蘗期、孕穗期施用復合土壤調理劑均可顯著降低稻米Cd含量，但這種效果隨著施用時間的推后而減弱，在水稻灌漿期施用復合土壤調理劑對稻米Cd含量影響較小。

不同生育期施用復合土壤調理劑對水稻植株Cd的吸收轉運系數的影響見表2。與對照相比，T1、T2、T3、T4處理根系Cd吸收系數均有所降低，降低幅度分別為52.95%、48.19%、13.88%、3.04%，其中僅T1、T2處理與對照相比具有顯著差異。與對照相比，T1、T2、T3處理Cd初級轉運系數均有所增加，T4處理Cd初級轉運系數有所降低，但與對照相比均無顯著差異。與對照相比，T1、T2、T3、T4處理Cd次級轉運系數均有所降低，降低幅度分別為40.91%、31.82%、31.82%、22.73%，其中僅T1處理與對照相比具有顯著差異。這說明，在水稻移栽前、分蘗期施用復合土壤調理劑可有效降低根系對土壤Cd的吸收能力，在孕穗期、灌漿期施用復合土壤調理劑對根系吸收土壤Cd無明顯影響；在不同生育期施用復合土壤調理劑對于Cd從根系到莖稈的轉運均無明顯影響；在不同生育期施用復合土壤調理劑可降低Cd從莖稈到籽粒的轉運能力，但這種效果隨著施用時間的推后而減弱。

2.4 不同對處理土壤Cd形態分布的影響

水稻不同生育期施用復合土壤調理劑對土壤Cd形態分布的影響見圖4。對照（CK）土壤中Cd的各種形態所占比例依次為：弱酸提取態>可還原態>殘渣態>可氧化態。對照（CK）土壤中Cd的弱酸提取態占比為43.15%，T1、T2、T3、T4處理土壤中Cd的弱酸提取態占比分別為21.37%、29.16%、34.25%、36.42%，相比對照分別減少21.78百分點、13.99百分點、8.90百分點、6.73百分點；對照土壤中Cd的可還原態占比為26.08%，T1、T2、T3、T4處理Cd的可還原態占比分別為51.33%、41.10%、37.24%、33.19%，相比對照分別增加25.25百分點、15.02百分點、11.16百分點、7.11百分點；對照土壤中Cd的可氧化態占比為5.03%，T1、T2、T3、T4處理土壤中Cd的可氧化態占比分別為2.68%、5.54%、7.46%、6.79%，其中T1處理相比對照減少2.35百分點，T2、T3、T4處理相比對照分別增加0.51百分點、2.43百分點、1.76百分點；對照土壤中Cd的殘渣態占比為25.74%，T1、T2、T3、T4處理土壤中Cd的殘渣態占比分別為24.62%、24.20%、21.05%、23.60%，相比對照分別降低1.12百分點、1.54百分點、4.69百分點、2.14百分點。結果表明，不同生育期施用復合土壤調理劑均可降低Cd的弱酸提取態含量、增加可還原態含量，但這種效果隨著施用時間的推后而減弱；施用復合土壤調理劑對Cd的可氧化態含量與殘渣態含量影響不大。

2.5 不同處理稻米Cd含量與其他變量之間的相關性分析的影響

稻米Cd含量與其他變量之間的相關性見表3。分析可知，稻米Cd含量與土壤有效Cd含量呈顯著正相關，與根系Cd含量、莖稈Cd含量、根系Cd吸收系數、Cd次級轉運系數呈極顯著正相關，與土壤pH、產量之間呈顯著負相關。這表明上述因素可能是控制稻米Cd含量的較為關鍵的因素。

3 討論

土壤Cd各形態的植物有效性排序為：弱酸提取態＞可還原態＞可氧化態＞殘渣態［13］。由圖4可知，供試復合土壤調理劑主要通過降低弱酸提取態含量、增加可還原態含量來降低土壤Cd有效性。供試復合土壤調理劑顯著降低了稻米Cd含量，這種效果來源于土壤pH、土壤有效Cd含量、根系Cd含量、莖稈Cd含量、根系Cd吸收系數、Cd次級轉運系數、產量等多個直接或間接因素。該試驗中稻米Cd含量與Cd次級轉運系數具有極顯著相關關系，這與張振興等［5］的研究結果有所區別，可能是由于使用的土壤調理劑配方不同所致。該研究采用的土壤調理劑富含活性鈣、硅、鎂，其中硅能夠抑制質外體運輸途徑，阻塞細胞壁孔隙度，影響Cd的質外體運輸，從而降低Cd向地上部運輸［14］，還可使Si、Cd主要積累在植物莖稈細胞壁邊緣或以植硅體形態存在于莖稈中，降低了稻米潛在風險［15］。

該研究中，稻米Cd含量降低率（降Cd率）因施用復合土壤調理劑的時期不同而存在較大差異，降Cd率為：水稻移栽前＞分蘗期＞孕穗期＞灌漿期。水稻移栽前、分蘗期施用復合土壤調理劑的降Cd率遠高于孕穗期、灌漿期，這可能是由于2個方面的原因疊加所致。一方面，與土壤調理劑的施用方式有關。在水稻分蘗期、孕穗期、灌漿期施用的復合土壤調理劑僅落在土壤表面，未與土壤混勻，調理劑與土壤Cd之間的作用較弱，同時其中的Ca、Si難以被水稻根系吸收；而在水稻移栽前施入復合土壤調理劑后，采取了旋耕方式，復合土壤調理劑與土壤得到充分混勻，可使土壤調理劑微粒與土壤溶液之間的傳質更為充分，中和、沉淀、離子交換、絡合、吸附等反應過程更容易發生，調理劑中的Ca、Si也能更好地被水稻根系吸收。另一方面，與作用的時間有關。Ca、Si在調控土壤—水稻系統中Cd遷移轉化中扮演著重要作用。供試復合土壤調理劑所富含的有效Ca、Si均為枸溶性，施入農田土壤后在土壤弱酸性環境中緩慢釋放，不會立即快速釋放。而史靜等［3］的研究表明，水稻對Cd的吸收因不同生育期而異，分蘗期和成熟期是Cd吸收的主要時期；王凱榮等［16］的試驗表明，供試水稻對Cd的吸收速率表現為中期>后期>前期。因此，在孕穗期或灌漿期施用復合土壤調理劑不但會錯過分蘗期這段較為重要時期，還將使得復合土壤調理劑整體作用時長大幅縮短。

對于Cd污染耕地安全利用項目中采用的技術措施，在技術上主要考慮該措施對稻米降Cd率和農產品產量的影響。稻米降Cd率方面，安全利用區稻米Cd含量大都在0.2～0.6 mg/kg，一般要求組合技術措施降Cd率達到70%以上，進而要求土壤調理劑措施單項降Cd率不低于30%。稻谷產量方面，要求治理區域農產品單位產量（折算后）與治理前同等條件對照相比減產幅度不超過10%［17］。從該研究結果可以看出，在水稻移栽前或分蘗期施用復合土壤調理劑均可以滿足一般耕地安全利用項目中降Cd率和產量兩方面的要求，且水稻移栽前施用的綜合效果（產量+稻米鎘降低率）較好，而在孕穗期或灌漿期施用不能同時滿足這2個方面的要求。此外，在移栽前施用土壤調理劑時，無需考慮施工對禾苗的影響，可以采用機械撒施，施用成本較低，約為900元/hm2；在分蘗期施用時，為了避免對禾苗的破壞，只能采用人工撒施，施用成本較高，約為1 500 元/hm2。因此，在實際施工中，考慮到技術可行性與經濟合理性，應盡量采用水稻移栽前施用的方式，特殊情況下（錯過農時等）可在分蘗期施用。

4 結論

（1）施用復合土壤調理劑可提高稻谷產量，且在水稻移栽前施用效果最好。

（2）施用復合土壤調理劑可通過提高土壤pH、降低土壤Cd有效性、減少根系對土壤Cd的吸收、抑制Cd從莖稈到籽粒的轉運等方面降低稻米Cd含量，且在水稻移栽前或分蘗期施用效果較好。

（3）稻米Cd含量降低率（降Cd率）因施用復合土壤調理劑的時期不同而存在較大差異，降Cd率為：水稻移栽前＞分蘗期＞孕穗期＞灌漿期。

（4）在水稻移栽前或分蘗期施用復合土壤調理劑均可滿足當前污染耕地安全利用項目技術上的要求，但水稻移栽前施用的成本較低，綜合效果較好。污染耕地安全利用實踐中，應盡量在水稻移栽前施用復合土壤調理劑，特殊情況下（錯過農時等）可在分蘗期施用。

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