營養型阻控劑影響菜園土中水稻生長及其Cd吸收

摘要：為了探索以鈣硅鉀等營養元素為主要成分的土壤調理劑（營養型阻控劑）對鎘（Cd）超標菜園土旱改水時水稻（Oryza Sativa L.）生長及其Cd吸收的影響，于2014年下半年在Cd超標菜園土中施用營養型阻控劑，對不同用量（分別為0、1.5、3.0、4.5、6.0 g·kg-1，分別記作CK、T1、T2、T3、T4）營養型阻控劑的水稻盆栽試驗開展研究。結果表明：營養型阻控劑對菜園土中水稻生長沒有較好的促進作用，沒有提高稻谷產量。供試水稻品種黃超占各部位Cd質量分數大小順序為根gt;莖葉gt;稻米gt;稻殼，且各部位間達到顯著差異水平；所有處理稻米Cd質量分數均低于現行的食品安全國家標準中Cd限量指標；與CK相比，營養型阻控劑顯著降低糙米、水稻莖葉、水稻根的Cd質量分數，且呈現隨營養型阻控劑用量增加而降低效應更佳的劑量效應；與CK相比，處理T4對稻米、水稻莖葉、水稻根三者Cd質量分數的降低效應最佳，降幅分別為32.8％、39.7％、24.4％；營養型阻控劑顯著降低水稻根、莖葉和稻谷中Cd的累積量。施用營養型阻控劑顯著提高了土壤pH值，提高的最大值為0.3個單位，但對土壤DTPA-Cd質量分數有提高作用（處理T1的DTPA-Cd質量分數顯著大于CK、T3）、對土壤有效態硅質量分數有降低效應（處理T2、T3的有效態硅質量分數顯著小于CK）。營養型阻控劑可適用于Cd超標菜園土，通過降低根Cd生物富集系數來顯著降低水稻根、莖葉和稻米Cd質量分數，本盆栽試驗中營養型阻控劑降低稻米Cd質量分數的最佳用量為6.0 g·kg-1。

關鍵詞：調理劑；Cd；水稻；土壤；重金屬鈍化

中圖分類號：X173 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）02-0331-08 doi：10.11654/jaes.2023-0295

水稻（Oryza Saliva L.）是鎘（Cd）吸收最強的大宗谷類作物。稻米是我國多數國民的主糧，21世紀初的調查表明，我國稻米Cd暴露風險非常高，尤其是南方酸性土壤區。

2014年全國土壤污染狀況調查公報顯示，耕地重金屬點位超標率Cd排在第一位。相關文獻研究表明，在Cd污染稻田土壤上，目前應用最廣泛的是成本低、見效快、操作方便、農戶易接受、不影響農事的原位鈍化技術（土壤改良類技術），即通過施用鈍化劑、土壤調理劑等，改變土壤pH值、降低土壤Cd活性，從而降低稻米Cd質量分數。但由于Cd污染土壤治理的復雜性，國內外仍缺乏成熟且能大面積推廣應用的修復技術，Cd污染稻田的安全利用（或修復）仍有很長的探索之路。隨著我國治理修復技術規范和相關標準的出臺（NY/T 3343-2018等），重金屬質量分數超過標準限值的土壤調理劑不能再應用到稻田，需要研發符合標準的土壤調理劑。

熟石灰可顯著降低酸性土壤稻米Cd質量分數，硫酸鉀能降低水稻Cd吸收，無機硅能降低水稻Cd質量分數，鎂能抑制Cd從秸稈向籽粒遷移。綜合以上物質能降低稻米Cd質量分數的優勢，王艷紅等以硅酸鈣、熟石灰、硫酸鉀和硫酸鎂等水稻需要的鈣、硅、鉀、硫、鎂等營養元素組配成新型土壤調理劑，該土壤調理劑符合相關標準（GB 15618-2018），已有試驗結果表明該新型土壤調理劑具有較好的降低稻米Cd質量分數的效果。

我國對重金屬污染土壤非常重視，2016年《土壤污染防治行動計劃》頒布以來，主管部門相繼出臺了許多工作方案和技術規范，其中《輕中度污染耕地安全利用與治理修復推薦技術名錄（2019年版）》就將“土壤改良類技術”作為Ⅱ類耕地安全利用的技術之一，Ⅱ類耕地改種蔬菜也是其安全利用的技術之一。菜園土與水稻土均屬人為土綱，菜園土沒有受到長期淹水影響，沒有犁底層且施肥量大，土壤中殘留的磷、鉀等大量營養元素質量分數較高，超過水稻土。一般而言，長期淹水水稻稻米Cd的質量分數低于淹水時間短的水稻。為防止受污染耕地非糧化及保障口糧生產，Ⅱ類耕地中菜園土有可能用于種植水稻以保障糧食安全，但目前沒有受污染菜園土中稻米重金屬質量分數的報道，更沒有受污染菜園土施用土壤調理劑后稻米重金屬質量分數的報道。

本文在菜園土中施用不同劑量營養型阻控劑，開展水稻盆栽試驗，探索營養型阻控劑影響菜園土中水稻Cd吸收的效應、營養型阻控劑適用的Cd超標土壤類型，進而為營養型阻控劑在Cd超標菜園土旱改水或菜稻輪作中的推廣應用提供參考。

1材料與方法

1.1供試土壤

盆栽試驗供試菜園土采自廣州市白云區多年菜地，系由河流沉積物發育而來的普通肥熟旱耕人為土（Typic Fimi-orthic Anthrosols）。采集0-20 cm土壤，風干，過1 cm篩，備用。根據《土壤農業化學分析方法》，土壤的部分性狀測定結果如下：pH 6.10，有機質29.0 g·kg-1，全氮1.80 g·kg-1、堿解氮209 mg·kg-1、有效磷61.4 mg·kg-1、速效鉀168 mg·kg-1，Cd全量1.30 mg·kg-1，有效態Cd 0.624 mg·kg-1。可見該土壤肥力較高，但土壤Cd全量在農用地土壤污染風險篩選值（0.4 mg·kg-1）與管制值（2 mg·kg-1）之間（GB15618-2018），農產品可能存在一定的超標風險。

1.2供試營養型阻控劑

供試營養型阻控劑屬專利產品，由硅酸鈣、熟石灰、硫酸鉀、硫酸鎂等按一定比例均勻混合配制而成，其pH值為12.5，Cd質量分數為0.05 mg·kg-1。

1.3供試水稻

水稻品種名為黃超占，系廣東省農業科學院水稻研究所經系譜法選擇育成的常規秈稻品種，是廣東省的主栽品種之一。

1.4試驗設計及實施

每千克土壤施用營養型阻控劑的用量分別為1.5、3.0、4.5、6.0 g（對應的處理號分別為T1、T2、T3、T4），另設置不施營養型阻控劑的菜園土為對照（CK），每個處理4次重復，共20盆。將8 kg土壤和對應量的營養型阻控劑（0、12、24、36、48 g）及3.43 g過磷酸鈣肥料，混合均勻裝入塑料盆（底徑、口徑、高分別為21、30、21 cm），加1000 mL自來水平衡2d。選擇大小一致的黃超占水稻種子，用10％過氧化氫消毒30 min。2014年7月29日進行直接播種，每盆播種3穴，每穴10顆水稻種子。2014年8月1日種子出芽，2014年8月15日每穴定苗至3株。尿素（3.43 g·盆-1）和硫酸鉀（2.37 g·盆-1）以追肥形式按50％、30％、20％分成3次溶于水澆灌（時間分別為2014年8月23日、8月31日、10月3日）。參考大田水稻種植方式進行水分管理：淹水-分蘗后曬田-淹水-灌漿后期自然落干。根據水稻病蟲害情況適時進行防治。2014年1 1月1日收獲盆栽水稻，采集水稻植株樣品、稻谷樣品和土壤樣品。

1.5樣品前處理及測定

盆栽水稻植株樣品用不銹鋼剪刀從土面分為地上部和根，將地上部脫粒分為莖葉和稻谷。用自來水沖洗根和莖葉，沖洗干凈后用去離子水泡洗2次，瀝干水后裝于紙袋；稻谷樣品直接裝于紙袋。水稻根、莖葉、稻谷樣品于烘箱中105℃殺青30 min，75℃恒溫烘干至恒質量；稱量記錄水稻根、莖葉、稻谷樣品的質量。利用不銹鋼礱谷機脫殼稻谷樣品，分為稻殼和糙米，分別記錄稻殼和糙米的質量。用不銹鋼粉碎機粉碎水稻根、莖葉、稻殼、糙米樣品，樣品過40目尼龍篩后裝入紙袋存放于干燥器中待測Cd質量分數。用不銹鋼土鉆在塑料盆中均勻鉆取土壤樣品，土樣風干、過20目尼龍篩，待測土壤pH值、有效態Cd、有效態硅。

稱取0.5 g已制備的水稻根、莖葉、稻殼和糙米樣品于聚四氟乙烯杯，加10 mL混酸（9 mL硝酸+1 mL高氯酸，均為優質純）濕法消解，用石墨爐原子吸收分光光度計（PerkinElmer AAnalyst 600，下同）測定植株樣品消解液中Cd濃度。稱取10.00 g土壤，電位法測定土壤pH（土水質量比為1：2.5）；稱取10.00 g土壤，加入50 mL DTPA溶液浸提1 h，用石墨爐原子吸收分光光度計測定濾液中的Cd濃度，計算得出有效態Cd質量分數。取5.00 g土壤，用檸檬酸提取-鉬藍比色法浸提、820 nm波長下比色測定土壤有效硅。

1.6數據處理與統計

數據經Excel 16.0處理，SPSS 10.0進行LSD法多重比較、T檢驗、相關性等統計分析。

全株生物量（g·盆-1）=根生物量（g·盆-1）+莖葉生物量（g·盆-1）+稻谷產量（g·盆-1）

水稻某部位Cd累積量=某部位Cd質量分數×該部位生物量，其中稻谷Cd累積量=稻殼Cd質量分數×稻殼質量+糙米Cd質量分數×糙米質量

根Cd生物富集系數（BCF根／土）=水稻根系Cd質量分數／土壤Cd全量

Cd轉運系數=水稻莖葉Cd質量分數／根系Cd質量分數（TF莖葉／根），或稻米Cd質量分數／莖葉Cd質量分數（TF稻米／莖葉），或稻殼Cd質量分數／莖葉Cd質量分數（TF稻殼／莖葉）

2結果與分析

2.1水稻生物量及稻谷產量

由表1可知，與CK相比，施用營養型阻控劑后水稻根、莖葉的生物量先降低后增加，T4處理的根、莖葉生物量顯著高于CK，相關性分析顯示，水稻根或莖葉的生物量均與營養型阻控劑的施用量顯著正相關，相關系數分別為0.461（Plt;0.05，n=20）、0.646（Plt;0.01，n=20）。然而，稻谷產量先降低后增加，再降低，甚至CK處理稻谷產量顯著高于T1與T4。稻谷產量與營養型阻控劑的施用量呈負相關，相關系數為-0.316（Pgt;0.05，n=20）；與CK相比，T1稻谷產量降幅為13.15％。水稻全株生物量也呈現先降低后增加的趨勢，營養型阻控劑用量與水稻全株生物量的相關系數為0.420（Pgt;0.05，n=20），無顯著相關性；T1、T2全株生物量比CK低（其中Tl達顯著水平），而T3、T4比對照高。

2.2水稻不同部位Cd質量分數

由表2可見，供試水稻不同部位Cd質量分數大小順序為根gt;莖葉gt;糙米gt;稻殼，T檢驗結果表明，水稻根、莖葉、糙米、稻殼的Cd質量分數之間均達到顯著差異水平。與CK相比，營養型阻控劑可降低水稻根、莖葉及糙米Cd質量分數，且部分處理達到顯著水平（Plt;0.05，n=20），根、莖葉或糙米Cd質量分數與營養型阻控劑施用量顯著負相關，相關系數分別為-0.721、-0.885、-0.662（Plt;0.01，n=20）；所有處理的糙米Cd質量分數均低于《食品中污染物的限量》（GB 2762-2022）中Cd的限量指標，其中處理T4的糙米Cd質量分數比CK降低32.8％。營養型阻控劑對該水稻品種的稻殼Cd質量分數沒有顯著影響（Pgt;0.05，n=20）。相關性分析表明，根Cd質量分數與水稻莖葉Cd質量分數極顯著正相關，相關系數為0.842（Plt;0.01，n=20），水稻莖葉Cd質量分數與糙米Cd質量分數極顯著正相關，相關系數為0.799（Plt;0.01，n=20），糙米與稻殼Cd質量分數極顯著正相關，相關系數為0.693（Plt;0.01，n=20）。據此初步推斷，營養型阻控劑通過增加土壤Cd的拮抗因子，調整土壤營養元素組成，從而降低水稻根部Cd質量分數；但本研究數據有限，還不能揭示營養型阻控劑降低水稻根部Cd質量分數的深層機制，需要后續進一步研究。

2.3土壤pH值、DTPA-Cd質量分數與有效態硅質量分數

與初始土壤pH 6.10相比，種植水稻后所有處理土壤pH值都升高至7.00左右（表3）；土壤pH值隨營養型阻控劑用量的增加而提高，土壤pH值與營養型阻控劑用量極顯著正相關，相關系數為0.827（P0.05，n=20）。營養型阻控劑降低土壤有效態硅質量分數，其中處理T2、T3顯著低于CK，營養型阻控劑用量與菜園土土壤有效態硅質量分數兩者之間無顯著相關關系，相關系數為-0.434（Pgt;0.05，n=20）（表3），由此推測，隨營養型阻控劑施入菜園土的硅酸鈣被土壤固持后，水溶性硅酸鹽對土壤有效態硅沒有貢獻。土壤pH值與土壤DTPA-Cd質量分數沒有顯著相關性，土壤DTPA-Cd質量分數與有效態硅質量分數也無顯著相關性，但土壤pH值與土壤有效態硅質量分數之間顯著負相關，相關系數為-0.505（Plt;0.05，n=20）。因此推斷，營養型阻控劑不是通過提高土壤pH值，降低土壤DTPA-Cd質量分數，提高土壤有效態硅質量分數，進而降低水稻根、莖葉、糙米等部位Cd質量分數的。

2.4水稻植株不同部位的Cd累積量

與CK相比，施用營養型阻控劑降低了試驗水稻根、莖葉、稻谷的Cd累積量（表4）。從表4可看出，水稻吸收的Cd大部分累積在水稻莖葉中，水稻Cd累積量表現為莖葉gt;根gt;稻谷，且T檢驗表明，水稻莖葉、根、稻谷三者的Cd累積量之間均有顯著差異。經綜合所有處理后得出，根平均Cd累積量：莖葉平均Cd累積量：稻谷平均Cd累積量≈2：5：1。

2.5水稻Cd的生物富集系數與轉運系數

水稻根Cd生物富集系數（BCF根／土）的大小表示水稻對土壤重金屬Cd富集能力的強弱；水稻Cd的轉運系數大小表示水稻從根向莖葉（TF莖葉／根）、或從莖葉向稻米（TF稻米／莖葉）、或從莖葉向稻殼（TF稻殼／莖葉）轉運重金屬Cd的能力強弱。由表5可見，所有處理的BCF根／土均大于1，表明試驗水稻的Cd富集能力比較強，施用營養型阻控劑能顯著降低水稻BCF根／土，且BCF根／土與營養型阻控劑用量顯著負相關，相關系數為-0.721（Plt;0.01，n=20）。水稻Cd的TF莖葉／根、TF稻米／莖葉、TF稻殼／莖葉均遠小于1，表明試驗水稻植株對Cd的轉運能力較弱，不是重金屬Cd的富集植物。營養型阻控劑降低試驗水稻的BCF根／土（顯著）和TF莖葉／根（不顯著），顯著提高試驗水稻的TF稻米／莖葉、TF稻殼／莖葉。由此推測可知，營養型阻控劑降低試驗水稻Cd的吸收主要是依靠降低BCF根／土來實現的。

3討論

水稻植株中根Cd質量分數遠大于地上部Cd質量分數，但地上不同部分的Cd質量分數會有差異。野外調查水稻樣品植株Cd質量分數大小順序為根gt;莖gt;葉gt;糙米，田間小區試驗水稻不同部位Cd質量分數大小順序為根gt;莖葉gt;稻殼gt;糙米，盆栽試驗水稻不同部位Cd質量分數大小順序為根gt;莖葉gt;糙米gt;稻殼，本試驗水稻不同部位Cd質量分數大小順序與李超等的結果一致。

水稻Cd吸收是一個復雜過程，其受外部環境和內在遺傳基因的共同調控，施用營養型阻控劑使水稻Cd吸收量下降屬于外部環境調控。王艷紅等在Cd質量分數為0.448

mg·kg-1的大田開展小區試驗，營養型阻控劑用量為2 250 kg·hm-2時，糙米Cd質量分數降幅為60.5％，與本試驗糙米Cd質量分數降低的結果呈現一致性，但該小區試驗稻谷產量有提高趨勢、稻殼Cd質量分數降幅為41％，與本試驗稻谷產量和稻殼Cd質量分數的變化規律不一致，以上區別的主要原因可能是供試水稻品種不一致。王艷紅等的研究還表明，營養型阻控劑使小區試驗土壤pH值提高0.2個單位，沒有顯著降低土壤DTPA-Cd質量分數，也沒有顯著提高土壤有效態硅質量分數，與本試驗土壤理化性質的變化趨勢一致；另外營養型阻控劑能降低水稻土中稻米Cd質量分數，也能降低本試驗菜園土中稻米Cd質量分數。初步推測，營養型阻控劑降低水稻Cd吸收可以適用于多種類型的土壤，是一種相對比較廣譜的土壤調理劑，但還需要后續試驗進行驗證。

土壤中能夠被植物根系吸收利用的Cd形態為Cd有效態，有效態Cd一般用模擬土壤環境的化學試劑來浸提并測定。土壤有效態Cd又細分為水溶態和可交換態；土壤有效態Cd質量分數越大，Cd越容易被植物吸收利用。土壤有效態Cd的測定目前主要利用HC1、EDTA、DTPA、CaCl2和H2O 5種浸提劑，它們對土壤Cd的提取能力依次減弱，其中DTPA對土壤Cd的提取能力居于中等強度。因此，土壤有效態Cd的質量分數與土壤DTPA-Cd的質量分數不一定每個試驗均具有較好的線性對應關系，即DTPA-Cd質量分數大的土壤，其有效態Cd質量分數不一定大，或者說，DTPA-Cd質量分數沒有變化，不一定表明土壤有效態Cd質量分數也不變。土壤調理劑能降低土壤DTPA-Cd和有效態Cd質量分數，且降低水稻稻米Cd質量分數；施用的物料產品沒有顯著影響土壤DTPA-Cd質量分數，但提高了土壤有效態Cd質量分數和稻米Cd質量分數。王艷紅等及本試驗的結果中，營養型阻控劑對土壤DTPA-Cd質量分數沒有顯著影響，但降低了土壤有效態Cd和稻米Cd質量分數，推測本試驗供試土壤的DTPA-Cd質量分數很可能高于土壤中有效態Cd質量分數，從而掩蓋了營養型阻控劑降低土壤有效性Cd的特性。

營養型阻控劑是由熟石灰、硅酸鈣、硫酸鉀等混合而成。一方面石灰提高土壤pH值，促進土壤中Cd形成氧化物沉淀，降低Cd可交換態含量；另一方面石灰使土壤微生物群落結構發生改變，微生物產生的高分子聚合物與Cd形成絡合物而使Cd固定。硫酸鉀提供硫酸根，硫酸根還原為硫離子與Cd形成沉淀，而使Cd固定。硅酸鈣中的硅，既是水稻的有益元素，也能改變土壤Cd的形態，降低Cd的生物有效性。營養型阻控劑中鈣、鉀、鎂有效性高，對土壤Cd有一定的拮抗作用。因此，營養型阻控劑可依靠多種組分與土壤Cd發生相互作用，降低根Cd的生物富集系數，進而降低稻米Cd質量分數，但在該過程中哪一種組分起主導作用，還需要進一步試驗研究。

營養型阻控劑中鈣、硅、鉀、硫、鎂是水稻必需的大、中量營養元素，五者質量百分數分別約為40％、10％、3％、2％、1％，且五者較土壤中相應元素的活性更高而更容易被水稻吸收。隨著土壤中施入營養型阻控劑，土壤中鈣、鉀、鎂等堿金屬和堿土金屬能抑制水稻對Cd2+的吸收，這是因為鉀、鈣、鎂等可與Cd競爭根系轉運蛋白上的結合位點。在Cd從根向地上部轉運過程中，鈣通過在轉錄水平上抑制Cd的轉運子（OsNRAMP5和OsHMA2）產生來降低Cd的轉運量，而且鈣還會與Cd競爭轉運子（OsLCTl）；硅與Cd形成復合物結合在細胞壁上或在液泡內區隔化阻止Cd在水稻植株內的轉運，而且硅可以通過抑制水稻Cd轉運基因的表達來降低Cd在水稻植株內的轉運；鎂也具有顯著抑制Cd從根部向地上部轉運的作用。所以，營養型阻控劑具有較好的降低菜園土中水稻Cd吸收的效果。

4結論

（1）營養型阻控劑沒有提高供試水稻稻谷產量。

（2）供試水稻各部位Cd質量分數具有顯著差異，所有處理均表現為根gt;莖葉gt;稻米gt;稻殼；營養型阻控劑顯著降低水稻根、莖葉和稻米Cd質量分數及三者的Cd累積量，且水稻Cd質量分數與營養型阻控劑用量存在顯著的劑量效應。營養型阻控劑提高了菜園土pH值，同時也提高了土壤DTPA-Cd質量分數，降低了土壤有效態硅質量分數。

（3）從降低稻米Cd效率來看，盆栽試驗中營養型阻控劑的最佳用量為6.0 g·kg-1。