水分管理耦合改良劑施用阻控水稻鎘累積的機制

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號： 1000-4440（2025）06-1147-12

Abstract：Cadmium（Cd）contamination poses a severe threat to agricultural production，so effective remediation measures toensurefoodsecurityareurgentlyneeded.Singleremediation strategyis insuffcienttoefectively blocktheuptakeandaccumulationofCd inrice.Therefore，amulti-strategyapproach isrequired.Inthis study，pot experiments were conducted，usingbiochar（BC）andsiliconfertizer（Si）assoilamendmentstoexploretheirefectiveness incontroling

Cd migration and transformation in paddy systems under continuous flooding （CF） and alternate weting and drying （AWD）watermanagement conditions.Theresultsindicated that the CF treatment could increase soil pH and facilitatethetransformation of silicon，andmaintaina lower redoxpotential，therebyit could reduce soil Cd bioavailabilityandensurethesafetyof ricegrainquality.Thecombination of CF with amendments effectively controlled Cd

content，and the CF + BC treatment showed a significant increase in yield.Although AWD treatment increased soil redox potentialandorganicmatercontent，italsoincreasedsoilCdbioavailability，whichwasnotconducivetothecontrolof Cduptake and accumulation in rice.However，the AWD + Sitreatment significantly reduced Cd content in all parts of mature rice plants，decreased Cdaccumulation in rice grains，and increased rice yield compared to the CF treatment.In summary， long-termflooding inregions withabundantwaterresourcescanefectivelyreducegrainCdcontent，butitmaycarraslight risk of yieldreduction，whichcanbe mitigatedbytimelyapplicationof amendments toenhance yield.Inareas with limited waterresources，itisrecommendedtoapplyamendments inconjunction withAWD toensure thesafeproductionof rice.

Key Words： cadmium；rice；water management；biochar；silicon fertilizer；safe production

土壤重金屬污染是全球污染面積最大、最嚴重的環境問題之一。土壤中的鎘（Cd）主要來自于工業廢棄物排放、農藥和化肥不合理施用以及大氣沉降等，具有遷移性強、極易被植物吸收積累的特點[1-2]。據報道，中國受鎘污染的耕地面積超過 1.3× 10⁵hm² ，占全國耕地總面積的 5%^[2] 。土壤鎘污染嚴重影響糧食安全，并可通過食物鏈的生物累積和生物放大作用對食品安全和公共健康造成嚴重威脅。水稻作為中國重要的糧食作物，對鎘具有較強的富集作用[3]。張妍等[4]對中國南方某礦區大米樣本進行檢測發現，鎘超標率為 8.8%～48.6% 。因此，如何有效治理農田土壤鎘污染，實現稻米安全生產對于保障國民經濟高質量發展具有重要意義。

在土壤重金屬修復治理措施中，土壤改良劑已被廣泛運用，其可通過吸附、沉淀、絡合以及其他物理化學機制，降低重金屬在土壤環境中的有效性和流動性[5-6]。研究結果表明，土壤改良劑對改善土壤質量和土壤健康具有重要意義[，其中生物炭和硅肥是常見的改良劑，具有成本低、施用簡便和成效快等優點[8-9]。生物炭是一種由有機物料在限氧條件下熱解制備的具有多孔、低密度等特點的富碳介質，它可以通過靜電吸附、陽離子交換、絡合和沉淀來降低土壤中鎘的生物利用度，有效抑制植物對鎘的吸收和積累[10]。同時，生物炭還能通過內源釋放養分元素 （N，P，K，Ca，Mg 等）來提高土壤肥力，促進作物生長，減輕重金屬對植物的逆境傷害[]。據報道，外源硅的施用是減輕鎘的植物毒性和調節鎘在土壤-水稻系統環境歸趨的有力措施[12]。硅-鎘的相互拮抗作用能夠調節鎘在稻田系統中的遷移與轉化，有效阻控水稻對鎘的吸收、遷移與積累[13-14]。此外，硅通過增加對土壤中競爭性陽離子的吸收降低土壤系統中鎘在固-液二相間的通量平衡，從而提高鎘的原位鈍化率，進而有效降低鎘的生物有效性[15]。然而，中國土壤鎘污染嚴重，稻谷質量安全仍不容樂觀，現階段普遍推行的污染修復技術以單項技術為主[16]，對鎘污染稻田的修復與阻控效果有限，迫切需要尋求水稻安全高產的聯合措施。

研究結果表明，在向鎘污染土壤中添加改良劑的同時，采取一些因地制宜的耕作管理手段可有效降低鎘的生物有效性，并阻控水稻對鎘的吸收積累，這是目前較為系統和綜合的鎘污染治理途徑[17-18]聯合阻控技術是近年來應對土壤鎘污染的新型修復技術，它綜合了多種阻隔和控制措施，以降低鎘的生物有效性和植物吸收量。其中水分管理是聯合阻控技術的關鍵因素，它不僅影響植物的生長和代謝，還驅動土壤理化性質變化和微生物群落演替[19-20]；結合當地的水文條件，根據植物不同階段的需水規律采取合適的灌溉措施，有自的地科學調配田間水分，可以同時滿足植物生長所需和節約水資源[21]。同時，水分管理會影響土壤結構、離子交換、pH、氧化還原、有機質含量、微生物數量和生物多樣性等，進一步介導鐵錳化合物、有機質等對重金屬的吸附與固定，從而影響重金屬的化學價態和生物有效性。目前常見的水分管理制度有淹水灌溉和干濕交替灌溉[22-23]。有研究結果表明，與干濕交替處理相比，淹水處理能增加土壤pH值和還原性，使鎘的有效態轉化為無效態，從而降低土壤鎘活性[24]。然而，由于灌溉周期長、工作量大、不可控因素多等原因，加上灌溉成本增加和世界范圍內水資源短缺的影響，造成水分調控的土壤鎘污染控制問題難以實現[25]。同時，干濕交替處理條件下，鎘在干濕界面上的有效性增強，極易增加水稻對鎘的富集[26]。淹水處理雖然可以有效降低水稻籽粒中的鎘含量，但持續淹水條件下土壤含氧量降低，導致根系腐爛和凈光合作用速率降低，嚴重阻礙水稻生長發育，造成水稻減產[27]。因此，在實際應用中僅依靠水分管理無法有效兼顧阻控水稻鎘吸收累積和促進稻米增產，需要探索在已有水分管理條件下水稻鎘累積的聯合阻控與土壤鎘污染的修復措施。

綜上所述，單一措施均無法同時兼顧降鎘與增產的效果，在實際生產中難以達到理想的修復效果，需要采用聯合修復技術模式。水分管理與改良劑組合不僅可以調節土壤性質，還可以為水稻提供有益元素，被證實是一種比單一改良劑添加或者單一水分管理來阻控水稻對鎘吸收累積效果更好的措施[28]。本研究擬以土壤-水稻系統中鎘的遷移與轉化為切入點，比較不同水分管理耦合改良劑生物炭或硅肥對稻米鎘累積的阻控效果，分析影響水稻鎘累積的關鍵因素，闡明水分管理耦合改良劑施用調控水稻對鎘吸收、轉運與累積的關鍵過程與機制，以期為鎘污染稻區提供具有針對性與普適性的修復與土壤鎘污染的阻控模式。

材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自廣東省韶關市曲江區某鎘污染農田 24^°69^′N，113^°55^′E） ，土壤基本理化性質：總鎘含量 2.88mg/kg ，有效鎘含量 1.41mg/kg，pH 5.26 氧化還原電位 （Eh）170mV ，電導率 （EC）0.55 mS/cm ，陽離子交換量 （CEC）5.61cmol/kg ，有機質含量 35.77g/kg ，堿解氮含量 213.50mg/kg ，速效鉀含量 100.13mg/kg ，速效磷含量 63.23mg/kg 。水稻品種為華航31號，來自華南農業大學農學院。生物炭由遼寧金和福農業開發有限公司提供，其基本性質： pH9.04 ，碳、氫、氮以及硫含量（質量分數）分別為 50.55%.1.79%.1.89% 和 0.17%^[29]

1.2 試驗設計

2023年3-8月在華南農業大學生態學系試驗農場 （23^°21^′N，113^°42^′E） 溫室內開展水分管理和土壤改良劑聯合處理的盆栽試驗。試驗設置6個處理，包括淹水（CF）、淹水 + 生物炭（ CF+BC ）、淹水 + 硅肥（ CF^+Si ）、干濕交替（AWD）、干濕交替 + 生物炭（ AWD+BC ）、干濕交替 + 硅肥（ AWD+Si ），每個處理3個重復，每盆移栽3穴水稻秧苗，每穴2株。參考本研究團隊以往的研究結果[13]，生物炭和硅肥的添加量分別為 2% 和 2mmol/kg 。水分管理方法： ① 淹水，水稻整個生育期保持 2～3cm 淹水層； ② 干濕交替，從移栽開始，先灌 2～3cm 水，待其消耗至無明水，土壤剛出現開裂再灌下一次水，使土面始終保持2～3cm 淹水層，重復此循環，直至收獲。選取生長狀況一致的水稻幼苗于2023年3月30日移栽到盆中，返青后進行水分管理，黑色塑料試驗盆規格為20cm×28cm×17cm （下口徑 × 上口徑 × 盆高），每盆裝土 5kg ，添加相應含量的生物炭（由遼寧金和福農業開發有限公司使用水稻秸稈制備）和硅肥（以硅酸鉀作為外源硅施用）后，加水攪拌均勻浸泡 10d 待用。除水分管理措施外，試驗期間各處理的病蟲害防治等栽培管理措施一致。施肥量參照常規栽培，尿素（ CH₄N₂O 施用量為每盆 3.0g ，磷酸二氫鉀（ KH₂PO₄ ）施用量為每盆 1.0g 。

1.3樣品采集與處理

分別在水稻分蘗期、抽穗期和成熟期，對每個處理的水稻植株進行破壞性取樣，植株按根、莖葉和谷粒分開儲存，新鮮樣品于 105‰ 的烘箱內殺青30min，75% 烘干至恒重，計算生物量，此后將樣品粉碎后備用。同時在3個生育期（分藥期、抽穗期和成熟期）對不同處理的土壤取樣，室溫自然風干，剔除雜物后磨碎，過18目、100目標準檢驗尼龍網篩，供后續分析。

1.4 樣品分析

土壤 pH 值使用酸度計（型號：PHS-3C，雷磁）測定；陽離子交換量（CEC）采用氯化鋇-硫酸強迫交換法測定；氧化還原電位 （Eh） 用筆式氧化還原電位（ORP）計（型號：SX-630）測定；電導率（EC）使用便攜式電導率筆（型號：ZDS-EC）測定；土壤有效硅含量、堿解氮含量、有機質含量、速效磷含量以及速效鉀含量的測定參照鮑士旦[30]的方法。

土壤和植株總鎘含量采用微波消解-原子吸收光譜法測定，有效態鎘含量的測定參考肖振林等[31]的方法，采用歐洲共同體標準物質局（BCR）連續提取法測定土壤中不同化學形態鎘「可交換態鎘（F1）、可還原態鎘（F2）可氧化態鎘（F3）以及殘渣態鎘（F4）[32]]的含量，上述鎘提取液及消解液用電感耦合等離子質譜儀（ICP-MS）測定。所有樣品均消煮空白和標準樣進行質量控制和結果校正。

水稻鎘富集系數（BCF）和鎘轉移系數（TF）的計算：BCF= 水稻器官鎘含量（ mg/kg? ）/土壤總鎘含量（mg/kg） TF_?rosun?rosun= 莖葉鎘含量（ mg/kg ）/根鎘含量（mg/kg） 籽粒鎘含量（ |mg/kg? ）/莖葉鎘含量（mg/kg）

1.5 數據統計分析

采用MicrosoftExcel進行數據的計算，采用IBMSPSSStatistics26.0進行數據的統計分析，采用Origin2023b繪圖。采用單因素方差分析（One-wayANO-VA）、雙因素方差分析（Two-wayANOVA）和鄧肯新復極差法（DMRT）進行方差分析和多重比較（ α= 0.05），并用 R×64 3.6.3 的軟件包ADE-4進行主成分分析（PCA）。結果以平均值 ?± 標準差（SD）表示。

2 結果與分析

2.1水分管理耦合改良劑施用對土壤化學特性的影響

不同處理下的土壤化學特性表現不同（表1）。改良劑的施用可以有效地提高土壤 pH ，但也與灌溉方式有關；與AWD處理相比，CF處理能夠顯著提高土壤pH （ Plt;0.05） 。相對于CF處理， CF+BC 處理和 CF^+Si 處理均能不同程度地提高土壤 pH ，且差異顯著（ Plt;0.05） ；與AWD處理相比， AWD+BC 處理土壤pH顯著增加（ Plt;0.05 ）。對于土壤氧化還原電位，AWD處理、 AWD+Si 處理、 AWD+BC 處理比CF處理均顯著增加 （Plt;0.05） 。與CF處理相比，CF+BC 處理土壤電導率顯著增加 76.5% （ Plt; 0.05）。與AWD處理相比， AWD+BC 處理土壤 EC 顯著增加 77.3% （ Plt;0.05） 。 CF+BC 處理和 CF^+Si 處理土壤 CEC 與CF處理差異不顯著（ （Pgt;0.05） 。

CF+BC 處理和 CF^+Si 處理的有機質含量分別較CF處理顯著提高 11.6% 和 12.8%（Plt;0.05） ，但AWD+BC 處理和AWD +Si 處理與AWD處理相比差異不顯著（ （Pgt;0.05） 。與CF處理相比， CF+BC 處理和 CF⁺Si 處理顯著提高了土壤速效鉀含量，尤其CF+BC 處理，土壤速效鉀含量高達 159.68mg/kg 與AWD處理相比， AWD+BC 處理土壤速效鉀含量顯著提高（ Pgt;0.05） ，高達 92.03mg/kg 。各處理之間土壤堿解氮含量、速效磷含量差異不顯著（ Pgt; 0.05），但是與AWD處理相比，CF處理能夠顯著促進土壤有效硅的累積（ Plt;0.05， ，且持續淹水條件下添加改良劑可向土壤中補充大量有效態的K和Si供水稻吸收利用。

2.2水分管理耦合改良劑施用對土壤總鎘含量、有效態鎘含量以及鎘賦存形態的影響

圖1A顯示，在水稻的3個生育期中，與CF處理相比， CF+BC 處理和CF +Si 處理土壤總鎘含量差異不顯著（ Pgt;0.05） ；與AWD處理相比，抽穗期時AWD+Si 處理土壤總鎘含量降低 6.6% （ Pgt;0.05 ）。圖1B顯示，隨著水稻生育期的延長，土壤有效態鎘含量整體呈現下降的趨勢， CF+BC 處理土壤有效態鎘含量下降最明顯。相較于CF處理，分蘗期 CF⁺ BC處理和 CF^+Si 處理土壤有效態鎘含量均顯著降低（ Plt;0.05， ），降低幅度分別為 9.4% 和 5.7% ；抽穗期時， CF+BC 處理和 CF^+Si 處理土壤有效態鎘含量較CF處理分別顯著降低了 10.0% 和 7.3% （ Plt; 0.05）；成熟期 CF+BC 處理土壤有效態鎘含量較CF處理顯著降低了 18.9% （ Plt;0.05 ）。與AWD處理相比， AWD+BC 處理土壤有效態鎘含量在分藥期、抽穗期和成熟期時分別顯著降低了 10.3% ） 19.0% ！15.5% 。由此可知，在灌溉方式統一的情況下，BC處理降低有效鎘含量的作用更大。

水分管理方式耦合改良劑施用對水稻3個生育期土壤鎘賦存形態的影響如圖1C、圖1D、圖1E所示。3個生育期不同形態的鎘含量均表現為可交換態鎘含量 gt; 可還原態鎘含量 gt; 殘渣態鎬含量 gt; 可氧化態鎘含量。圖1C顯示，相較于CF處理，分蘗期 CF⁺ BC處理和 CF^+Si 處理不同形態的鎘含量沒有顯著差異（ Pgt;0.05 ；與AWD處理相比， AWD+BC 處理雖使可交換態鎘含量降低 5.4% ，但顯著增加了可還原態鎘含量和可氧化態鎘含量（ Plt;0.05） ，分別增加 18.3% 和 27.3% 。圖1D顯示，相較于AWD處理，抽穗期 AWD+BC 處理使可交換態鎘含量顯著降低 7.9% （ Plt;0.05） ，其他3種形態的鎘含量沒有顯著差異（ （Pgt;0.05） 。圖1E顯示，與CF處理相比，成熟期 CF+BC 處理使可還原態鎘含量顯著增加 8.4% （ Plt;0.05） ；與AWD處理相比， AWD+BC 處理可還原態鎘含量顯著增加（ Plt;0.05 ），增幅為 8.8% 。

F1：可交換態鎘;F2：可還原態鎘;F3：可氧化態鎘;F4：殘渣態鎘。A：土壤總鎘含量;B：土壤有效鎘含量;C、D、E分別為分期、抽穗期、成熟期不同形態的鎘含量。CF表示淹水處理； CF+BC 表示淹水 + 生物炭處理； CF⁺Si 表示淹水 + 硅肥處理；AWD表示干濕交替處理； AWD+BC （20表示干濕交替 + 生物炭處理； AWD+Si 表示干濕交替 + 硅肥處理。不同小寫字母表示處理之間差異顯著（ Plt;0.05 。

2.3水分管理耦合改良劑施用對水稻生長的影響從表2可以看出，各處理對水稻株高和分蘗數的影響整體不顯著（ Pgt;0.05 ），而對水稻各部位生物量和產量具有顯著的影響（ Plt;0.05） 。與CF處理相比， CF+BC 處理和 CF^+Si 處理地上部生物量變化不顯著（ Pgt;0.05） ；與AWD處理相比， AWD+Si 處理地上部生物量顯著提高 42.0% （ Plt;0.05 ），效果最佳。與CF處理相比， CF⁺BC 處理和 CF^+Si 處理水稻根部生物量變化不顯著（ Pgt;0.05） ，但 AWD+BC 處理和 AWD+Si 處理較AWD處理分別顯著提高19.6% 和 20.5% 。值得注意的是，與AWD處理相比，CF處理成熟期產量顯著降低了 29.7% （ Plt; 0.05）。然而，在CF處理基礎上添加改良劑均能起到良好的增產效果，其中 CF+BC 處理的增產率最高，達到 58.2% （ Plt;0.05） ， CF⁺Si 處理的增產效果不顯著（ Pgt;0.05） 。與AWD處理相比， AWD+BC 處理對水稻籽粒產量的增加效果不顯著（ Pgt;0.05 ，而AWD+Si 處理的水稻產量則顯著下降（ Plt;0.05 ）。

2.4水分管理耦合改良劑施用對水稻各部位鎘含量的影響

由表3可知，水分管理以及改良劑的施用對水稻吸收累積鎘具有一定的影響，尤其是水稻根部鎘含量隨著水稻生育期的延長，受水分管理以及改良劑的影響變大。本研究中發現，水稻各部位鎘含量為根 gt; 莖葉 gt; 籽粒。值得注意的是，根中鎘含量遠高于莖葉和籽粒鎘含量。在水稻3個生育期中，與CF處理相比， CF+BC 處理和 CF^+Si 處理水稻根部鎘含量波動較小，差異不顯著（ Pgt;0.05， ）；與AWD處理相比，成熟期 AWD+Si 處理使水稻根部鎘含量顯著降低 41.1%（Plt;0.05） 。

莖葉鎘含量介于 0.13～13.24mg/kg ，隨著生育進程的推進，CF處理、 CF+BC 處理莖葉鎘含量整體逐漸降低，但差異不明顯，而AWD處理、 AWD+BC 處理和AWD +Si 處理鎘含量變化則相反。與CF處理相比，分蘗期 CF^+Si 處理水稻莖葉鎘含量顯著降低（ Plt;0.05， ），降幅為 66.7% ，但抽穗期和成熟期CF^+Si 處理及 CF+BC 處理水稻莖葉鎘含量差異不顯著（ Pgt;0.05 ）。與AWD處理相比，分蘗期 AWD+ Si處理水稻莖葉鎘含量顯著降低 40.8%（Plt;0.05） ：抽穗期 AWD+BC 處理和 AWD+Si 處理水稻莖葉鎘含量分別顯著降低 21.6% 和 42.7% （ Plt;0.05） ；成熟期 AWD+BC 處理和 AWD+Si 處理水稻莖葉鎘含量顯著降低（ Plt;0.05， ），由此可看出，在AWD條件下施用Si降鎘效果更明顯。

對于水稻籽粒而言，CF處理的鎘含量最低中 （0.09mg/kg） ，且 CF+BC 處理和 CF^+Si 處理鎘含量與CF處理相比差異不顯著（ ，但均低于稻米鎘污染國家安全標準（ ）;與AWD處理相比， AWD+Si 處理籽粒鎘含量顯著降低（ Plt; 0.05），降低 30.2% 。

2.5水分管理耦合改良劑施用對鎘轉運系數的影響

由表4可知，AWD處理、 AWD+BC 處理和AWD+Si 處理的 TF_#???? 隨水稻的生長整體上逐漸增加。在水稻分藥期， CF+BC 處理和 CF+Si 處理（20 TF_#????+ 與 CF 處理相比分別顯著降低 22.7% 和45.3% （ Plt;0.05） ；與AWD處理相比， AWD+BC 處理和 AWD+Si 處理 TF_#????_??? 分別顯著降低 28.3% 和32.6%（Plt;0.05） 。在水稻抽穗期，相較于CF處理，CF+BC 處理和 CF⁺Si 處理 TF_#/## 分別顯著降低70.8% 和 63.0% （ Plt;0.05） ；在水稻成熟期， CF+BC 處理和 CF+Si 處理 TF_#??rosun?Ψ 分別顯著降低 53.9% 和55.2%（Plt;0.05） ，而 AWD+BC 處理和 AWD+Si 處理（204號 TF_#?????_? 與AWD處理差異不顯著（ Pgt;0.05 。由此可知， CF+BC 處理增加了鎘由根部到莖葉遷移的難度。 CF+BC 處理和 CF^+Si 處理的 TF_?? 值與CF處理相比分別顯著提高 134.5% 和 132.8% （ Plt; 0.05）。

2.6水分管理耦合改良劑施用對鎘富集系數的影響

表5顯示，水稻不同部位的BCF主要表現為BCF_??rosungt;BCF_?rosun?rosungt;BCF_?rosun?rosun 。水稻生長中后期CF處理、CF+BC 處理和 CF^+Si 處理的 BCF_# 明顯低于分蘗期，而AWD處理 AWD+BC 處理和A ΔWD+Si 處理的BCF_? 則隨水稻生長逐漸增加，在成熟期達到最大值，分別高達38.212、42.407和22.525。由此可以看出，干濕交替的灌溉方式下，水稻根系對鎘的富集能力最大。相較于AWD處理，抽穗期 AWD+BC 處理 BCF_# 顯著增加 35.1%（Plt;0.05） ；成熟期， AWD+ Si處理 BCF_# 顯著降低 41.1%（Plt;0.05） 。

分蘗期 CF^+Si 處理的 BCF_?? 較CF處理顯著降低 65.9%（Plt;0.05） ，抽穗期和成熟期CF處理、 CF⁺ BC 處理和 CF^+Si 處理之間 BCF_?nt 均無顯著差異（Pgt;0.05） 。與AWD處理相比，分蘗期 AWD+Si 處理 BCF_?? 顯著降低 40.9%（Plt;0.05） ;與AWD處理相比，抽穗期 AWD+BC 處理和 AWD+Si 處理分別顯著降低 21.6%.42.6%（Plt;0.05） ；與AWD處理相比，成熟期 AWD+BC 處理和 AWD+Si 處理分別顯著降低 33.0%.58.0%（Plt;0.05） 。

不同處理下水稻籽粒對土壤中鎘的富集能力差異極大，其中 AWD+BC 處理最高，CF處理最低，均低于1.000。與AWD處理相比， AWD+Si 處理BCF_### 顯著降低 30.2%（Plt;0.05） ； CF+BC 處理和CF^+Si 處理的 BCF_## 與CF 處理差異不顯著（ Pgt; 0.05）。

2.7水稻籽粒鎘累積與土壤性質的相關性分析

為評價水分管理耦合改良劑施用對籽粒鎘累積的影響，對土壤性質和鎘在土壤-水稻系統中的含量分布進行了相關性分析。結果（表6）表明，籽粒鎘含量與 ΔpH 值、土壤總鎘含量和土壤有效硅含量呈極顯著負相關（ P?0.01 ，與土壤有效態鎘含量、水稻根部鎘含量和莖葉鎘含量呈極顯著正相關（ P? 0.01）。本研究發現，土壤 pH 、土壤有效硅含量均與土壤有效鎘含量存在極顯著負相關，表明受水分管理與改良劑施用聯合調控的土壤性質（土壤 pH 和土壤有效硅含量）可能起到控制土壤有效鎘含量的作用，從而阻控水稻對鎘的吸收、遷移與累積。以籽粒為中心，發現水稻各組織鎘含量顯著地影響籽粒鎘累積，反映了水稻的根、莖等營養器官是一個巨大的鎘儲存庫，影響著鎘向籽粒部分的轉運與累積。

2.8水稻鎬含量、土壤性質及水稻產量的綜合分析

為了更好地探討水分管理耦合改良劑施用對鎘在土壤-水稻系統的反饋調控機制，分別對土壤性質、土壤鎘轉化以及水稻對鎘的吸收累積特性進行主成分分析（圖2）。結果（圖2A）表明，第1主成分（PC1）和第2主成分（PC2）累計方差貢獻率達到68.9% ，PC1方差貢獻率為 46.3% ，其中CEC、氧化還原電位 ??pH 、土壤有效硅含量、土壤總鎘含量、可交換態鎘含量、根部鎘含量、莖葉鎘含量、籽粒鎘含量是關鍵影響因素；PC2方差貢獻率為 22.6% ，其中速效鉀含量、速效磷含量、 Ψ_EC 、水稻產量、可還原態鎘含量是關鍵影響因素。主成分得分圖（圖2B）顯示，各處理間鎘的土壤與植物的反饋差異達到了極顯著水平（ P=0.001 ），尤其是AWD及其改良劑添加處理與CF及其改良劑添加處理相比，在PC1軸上出現明顯的差異分離現象，占總解釋率的46.3% 。結合主成分荷載圖（圖2A）來看，AWD處理與土壤Eh以及水稻組織鎘含量增加的趨勢呈顯著正相關，表明AWD處理能夠顯著增加土壤氧化性以及增加水稻對鎘吸收與累積的風險；而在AWD處理下，2種改良劑的添加可有效阻控水稻鎘富集，尤其是 AWD+BC 處理顯著地趨向于促進土壤鎘的惰性轉化和增加土壤速效磷含量以及增加籽粒產量的方向。另外，CF處理能有效緩解水稻對鎘的吸收累積，但對產量存在負反饋調節；而在淹水條件下，CF處理比 CF^+Si 處理更傾向于增加土壤殘渣態鎘含量以及土壤總鎘滯留量，而 CF+BC 處理能更有效地提高土壤養分含量，保障稻米質量安全和增產。綜合評價結果顯示，AWD處理可以促進水稻增產但對水稻鎘吸收累積的阻控能力不足，改良劑的添加可以強化對水稻鎘吸收累積的阻控效果；CF處理可以有效阻控水稻對鎘的富集但略有減產風險，而改良劑的添加可以強化水稻對鎘富集的阻控效果并維持增產效果。

A：主成分載荷圖，B：主成分得分圖。CF表示淹水處理； CF+BC 表示淹水 + 生物炭處理； CF⁺Si 表示淹水 ⁺ 硅肥處理；AWD表示干濕交替處理； AWD+BC 表示干濕交替 + 生物炭處理； AWD+Si 表示干濕交替 ⁱ+ 硅肥處理。 Eh ：氧化還原電位； EC ：電導率； CEC ：陽離子交換量。

3討論

稻田土壤鎘污染嚴重威脅到土壤環境質量安全，亟需采取有力的修復措施來保障農業安全生產。稻米鎘累積是土壤-水稻系統互作的結果，由鎘在土壤中的有效態以及水稻自身生理活動共同決定[33]。近年來，越來越多的研究結果表明，鎘在土壤-植物系統中的遷移和積累受到土壤 pH，Eh 、有機質含量和養分有效性等土壤性質調控[34-35]。然而，當前單一措施的修復效果普遍受到限制，難以高效地阻控水稻對鎘的吸收與積累。因此，有必要采用多種手段的聯合阻控策略。盡管已有關于采用水分管理和改良劑聯合阻控植物對鎘吸收累積的研究[36]，但水分管理耦合改良劑組合的最佳方案、阻控機理和長期效果仍不甚明確。

3.1水分管理耦合改良劑施用對土壤性質與鎘有效性的影響

水分是影響植物生長的關鍵因素，同時也是控制土壤理化性質變化的重要因子，它可以影響土壤的物理基礎、化學性質及微生物種類等[37]。不同的水分管理方式會導致土壤水分含量[38] pH 、氧化還原、有機質含量等因素的變化，從而影響土壤鎘的遷移、轉化和生物有效性[39]。本研究發現，淹水灌溉（CF）可以降低土壤鎘有效性，減少鎘向地上部轉運，降低稻米鎘含量。這是因為淹水灌溉可以提高土壤pH值，促進土壤硅轉化，維持較低的氧化還原電位，從而抑制鎘的溶解和釋放[40]。另外，有研究發現稻田頻繁的干濕交替過程強烈影響鎘元素的形態轉化，進而影響其遷移性和生物有效性[41-42]。在本研究中，干濕交替灌溉可以改善土壤結構和通氣性，增加土壤有機質含量;但是，AWD處理提高了土壤氧化度，導致土壤鎘溶解與釋放量增加，從而增加稻米中鎘的累積風險[43]

考慮到水分管理方式對稻田系統鎘阻控效果的缺陷，本研究以生物炭和硅肥為土壤改良劑，探究其在水分管理驅動下對重金屬元素鎘的形態分布與有效性的影響。結果顯示，施加生物炭和硅肥能顯著降低土壤有效態鎘含量。研究發現，在土壤還原和再氧化過程中，可溶解態鎘的比例與土壤 ΔpH 呈正相關，但與氧化還原電位呈負相關[26]。生物炭的施用可以影響土壤特性，進而影響土壤中重金屬的固定[44]。另外，在土壤淹水灌溉處理（CF）中，施加生物炭能提高土壤CEC、EC和速效鉀含量，增加土壤對鎘的螯合作用和土壤養分有效性以改善土壤環境。因此，與單一的灌溉處理相比，耦合改良劑的施用是一種綜合阻控技術，可以兼顧水分管理和土壤改良，實現對土壤鎘有效性的雙重調控，提高修復效率。

3.2水分管理耦合改良劑施用對水稻產量與稻米質量安全的影響

不同的水分管理方式對水稻各部位鎘積累的影響不同。在本研究中，淹水灌溉處理能明顯降低水稻各部位鎘含量，并抑制鎘在水稻各組織間的轉移，有效減少籽粒鎘富集量，保障稻米質量安全。但本研究結果還表明，CF處理可能導致水稻減產，這可能是由于CF處理會降低土壤的通透性和氧氣含量，影響水稻的根系生長和養分吸收[45]。AWD處理能顯著地增加水稻產量，但是AWD處理的水稻各部位對鎘富集效率較大，尤其是籽粒鎘含量均顯著高于CF處理，說明鎘在水稻地上部的積累不僅取決于根系的積累，而且還由鎘的遷移能力決定[13]

有研究結果表明，生物炭和硅肥在作為土壤改良劑的同時，亦可充當水稻的促生調節劑。一方面，生物炭是一種含有植物養分和有機碳的有機肥料，可促進根系生長和提高植物生物量，且通過改變根際微生物群落和根系分泌物影響水稻植株對鎘的吸收和積累[46-47]。另一方面，水稻是一種喜硅作物，施用外源硅能緩解鎘脅迫引起的負面影響，促進鎘在根組織的固定，降低鎘在水稻體內的遷移能力，改善光合作用和營養代謝，增強抗氧化能力[12-15]。本研究中，淹水灌溉聯合改良劑（生物炭和硅肥）的施用能夠顯著提高水稻產量，且地上部分鎘的轉移系數有降低的趨勢，表明CF聯合改良劑不僅可以克服淹水導致的減產風險，還能增加鎘向地上部轉移的難度[27，48]。在AWD處理下，施用生物炭和硅肥可有效地阻控水稻鎘富集，其中 AWD+Si 處理顯著降低了成熟期水稻各部位鎘含量，抑制了稻米中鎘的累積，這可能是因為在干濕交替的灌溉條件下，水稻根細胞壁中硅化細胞體的形成，可以減少鎘從根到莖葉的轉移[49]，這表明在水資源匱乏地區采用干濕交替的灌溉方式并補充改良劑是實現水稻安全生產的有效途徑。

4結論

阻控水稻鎘累積的效果因水分管理耦合不同改良劑的組合而異。在本研究中，淹水（CF）處理可以有效地降低鎘生物有效性，但略有減產風險。CF耦合改良劑使土壤pH值從酸性逐漸接近中性，降低土壤鎘有效性以及水稻對鎘的吸收，并使水稻籽粒鎘含量達到國家食品安全標準。干濕交替（AWD）水分管理可以提高水稻產量，增加土壤有機質含量和土壤氧化還原電位，但是對于阻控水稻鎘累積的能力不足，而AWD耦合改良劑可以有效地減少稻米鎘富集并對產量起到正反饋調節效果，但鎘含量仍存在超標風險。本研究結果可為運用水分管理耦合改良劑施用阻控水稻鎘累積的機理的研究提供參考。然而，考慮到植物-土壤系統的復雜性，未來應在不同的時間點開展不同類型的土壤試驗，以驗證水分管理耦合改良劑施用對重金屬的生物可利用性的廣泛影響。

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（責任編輯：陳海霞）