生物炭對硒鎬高背景區域稻田富硒水稻生產的影響

中圖分類號：S156.99 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006—6500.2025.08.012

Abstract：Inorder toexploretheefectofbiocharontheproductionofselenu-enrichedriceandtheunderlying mechanisms npaddyfieldswithhighlevelsofbackgroundseleniumandcadmium，thisstudyanalyzedriceyield，aswellastheselenmandcdmium contentofrice，underdifrentlevelsofiocharapplication.Changesintephysicochemicalpropertiesofpddysoil，theactiveele niumandcadmiumcontentofsoil，andthemorphologyofseleniumandcadmiumwerealsoexamiedthroughafeldplotexperiment. Theresults showed that applying biochar at level BC2 significantly increased theyieldof rice by 6.2% ，while increasing the selenium contentofbrowiceanddecreasing theadmumcontent.BiocharaplicationincreasedsoilpH，organicmaercontent，quick-actingphosporusandcationexchangecapacityinlinewithincreasedbiomassadition.Biocharapplicationincreasedthecontentofsoil seleniuminitsefectivestatewhiledecreasingthecontentofsoilcadmiuminitsefectivestate.TheBC3treatmentincreasedthecontentof soil selenium in its effective state by 118.3% anddecreased the content of soil cadmiumin itseffective state by 20.2% ： Biochar application increased the proportion of soil water ?- soluble and exchangeable selenium，while decreasing the proportion of soil Fe/Mnoxideound，andoanicaeround，swellassidalselenm.egreatestectasbsedonwatebled exchangeable selenium，with coefficientsof variation between treatments of 21.4% and 34.0% .Biochar application could transform soilcadmiumforsintooxidisableandresidualstates.Insummaryapplyinganappropriateamountofbiocharcansignificantlyncreaserice yieldandachievethegoalsofriceselenium enrichmentandcadmiumreduction.BC2isthemost efectivetreatmentfor producing selenium-enriched， safe rice inselenium-contaminated farmland.

KeyWords： biochar;rice;selenium-enriched and high-cadmium soil; selenium speciation;cadmium speciation

硒是人體必需微量營養元素，具有抗氧化、提高生理抗逆性等作用。人體硒水平與土壤硒含量密切相關，因為高硒土壤環境是生產高硒含量食品最簡單的途徑。根據中國地質調查局及中國地質科學院最新調查研究成果，中國表層土壤富硒面積僅為10% 左右[-2，而富硒土壤常與黑色巖系的地質環境有密切聯系，在此條件下，土壤鎘含量也較高-4，如在陜西秦嶺大巴地區富硒王壤中，樣點鎘超標率為89%^1≤ ；在安徽池州市石臺縣土壤富硒區，樣點鎘超標率為 100%^[6] ；汪鵬等調查表明，廣西具有全國最大的連片富硒土壤面積，同時也是我國南方鎘污染較為嚴重的區域之一。在中國南方富硒土壤上，超過三分之二面積存在土壤鎘超標的現象[8。鎘是農田重要的重金屬污染物之一，不僅影響糧食產量和品質，而且會通過食物鏈富集作用進人人體，嚴重影響人們的健康。所以，土壤硒鎘伴生已成為富硒土壤資源高效利用的主要障礙因子。

土壤性質會影響硒、鎘的生物有效性，進而影響水稻對硒、鎘的吸收和累積。在土壤中，硒、鎘均能通過氧化還原、沉積溶解、吸附解吸、絡合反應等化學過程實現形態間的相互轉化，土壤pH值、氧化還原電位、黏土礦物組成和有機質含量等因素均會對土壤硒、鎘轉化及生物有效性產生重要影響-。因此，農業管理措施也會影響水稻對硒、鎘的吸收累積。管遠清等研究認為，不同水分條件下硒對水稻吸收與轉運鎘的影響機制不同；在中、輕度鎘污染的富硒稻田土壤中，優化施肥及施用調理劑能有效降低土壤鎘的生物有效性，抑制鎘的遷移轉運，降低水稻籽粒的鎘含量，提高稻米硒的富集水平2；施用土壤調理劑能夠降低土壤有效態鎘含量，活化土壤有效態硒，從而降低生姜鎘含量，提高硒含量和姜塊營養品質，實現鎘污染土壤安全利用，保障生姜優質安全生產[3]；在富硒高鎘稻田添加不同外源有機物質，其對水稻硒、鎘吸收的影響機制也不相同4。在廣西硒鎘高背景稻田種植富硒水稻，稻米硒含量不但要達到富硒水稻的相關標準，而且要符合食品安全國家標準中食品中污染物限量要求。雖然目前對于土壤硒鎘高背景區域硒與鎘之間的互作關系已有一些研究，但研究結果也不完全一致，并且作物對硒、鎘吸收和累積的互作機制也還不明了。因此，本研究通過添加生物炭的方法，研究不同生物炭施用量對硒鎘高背景稻田富硒水稻生產的影響及其機制，以期為廣西富硒稻田資源的充分開發及高鎘背景農田安全利用提供技術參考。

1材料與方法

1.1試驗區概況

試驗田位于廣西某富硒鎘污染區。該地區為亞熱帶季風氣候，熱量豐富，雨量充沛，為花崗巖發育的潴育水稻土。表層土壤基本理化性質為： pH 值4.60，有機質 25.6g?kg^-1 ，全氮 1.96g?kg^-1 ，有效磷52.3mg?kg^-1 ，速效鉀 153.2mg?kg^-1 ，全硒0.62mg?kg^-1 ，有效硒 0.039mg?kg^-1 ，全鎘 0.84mg^?kg^-1 ，有效態鎘 0.385mg^-kg^-1 。供試生物炭為水稻秸稈生物炭，購自廣西譽騰生物科技有限公司。供試水稻品種為泰豐優208。

1.2試驗設計

試驗于2023年8月至11月進行，采用大田試驗，小區面積 30m² ，設置3個生物炭施用水平，即7.5t?hm^-2 （BC1） ?15.0t?hm^-2 （BC2）和 30.0t?hm^-2 （BC3），以不施用生物炭處理為對照（CK），每個處理3次重復，共12個小區。小區田埂用黑色塑料薄膜覆蓋，防止小區間水分側滲。水稻秸稈生物炭在基肥施用前5d施用，即農田耙田時，采用撒施方式施入。水肥管理按常規操作進行。

1.3樣品采集及測定

1.3.1樣品采集與制備水稻成熟期，按小區完全收割水稻，單獨稱質量。每個小區收割的稻谷混合后隨機采集 2kg 樣品，曬干、除雜、稱質量，換算每個小區產量，之后將這些樣品烘干、制樣，用于測定稻谷硒、鎘含量。

水稻成熟期，采用S型布點法采集各小區表層0～20cm 土壤樣品，除去根系、石礫后自然風干，粉碎制樣。粉碎后的樣品用于測定土壤 pH 值、有機碳、有效磷、陽離子交換量、有效硒、有效鎘和土壤硒、鎘形態等指標。

1.3.2樣品測定方法 （1）土壤 pH 值：采用酸度計法測定；（2）土壤有機質：采用重鉻酸鉀外加熱法測定；（3）王壤有效磷：采用氟化銨-鹽酸浸提鉬銻抗比色法測定；（4陽離子交換量：采用乙酸銨交換法測定[5；（5）土壤有效硒：采用NY/T3420—2019《土壤有效硒的測定氫化物發生原子熒光光譜法》測定；（6）土壤有效鎘：采用GB/T23739—2009《土壤質量有效態鉛和鎘的測定》測定；（7）土壤硒形態：采用連續提取法測定，并將土壤硒形態分為可溶態硒、可交換態、鐵錳結合態、有機結合態和殘渣態；（8）土壤鎘形態：采用歐共體標準物質局的方法測定，并將土壤鎘形態分為分為弱酸提取態鎘、可還原態鎘、可氧化態鎘和殘渣態鎘。

1.4數據分析

本研究用Excel2016軟件進行數據整理及繪圖，使用SPPS22.0軟件進行數據統計分析，采用Duncan's法檢驗差異顯著性。

2結果與分析

2.1水稻產量及稻米硒含量

2.1.1施用生物炭對硒鎘高背景稻田產量的影響由圖1可知，在富硒高鎘稻田施用適量的生物炭可增加稻田水稻產量，但施用量過多會導致水稻減產。BC2處理的水稻產量顯著高于CK，增幅為 6.2% ：BC1處理的產量比CK增加 1.5% ，但兩者之間差異不顯著；BC3處理的水稻產量比CK降低 0.7% ，但兩者之間差異不顯著。

2.1.2施用生物炭對硒鎘高背景稻田稻米硒鎘含量的影響由圖2-A可知，在富硒高鎘稻田施用生物炭會影響硒在稻米中的累積。施用低量生物炭（BC1）會降低糙米硒含量，降幅為 13.3% ，但與CK差異不顯著；施用中量（BC2）和高量（BC3）生物炭有助于提高稻米硒的累積，糙米硒含量分別比CK提高 58.8% 和 35.6% ，兩者均顯著高于 cK 。

由圖2-B可知，施用生物炭對稻米鎘累積的影響相對較為復雜。與CK相比，BC1處理的糙米鎘含量增幅為 3.2% ，但兩者之間差異不顯著；BC2和BC3處理的糙米鎘含量分別比CK降低 40.8% 和17.1% ，其中BC2處理的糙米鎘含量顯著低于CK，為 0.18mg^?kg^-1 ，達到食品安全國家標準中食品中污染物限量要求。

圖2不同生物炭施用水平下稻米硒（A）、鎘（B）含量

Fig.2 The selenium （A） and cadmium （B） contents of rice under different biochar application

2.2生物炭施用對廣西硒鎘高背景稻田土壤化學性質的影響

由表1可知，不同生物炭施用水平均可顯著提高硒鎘高背景稻田土壤 pH 值，并且 pH 值隨著生物炭施用量的增加而增加。BC1、BC2和BC3處理的稻田土壤 pH 值分別提高0.28、0.37、0.92，增幅為施用生物炭可顯著提高稻田土壤有機質含量。BC1、BC2和BC3處理的稻田土壤有機質含量分別比CK提高 17.3%.18.1% 和 18.6% 。隨著生物炭施用量的增加，各生物炭處理的稻田土壤有機質含量無顯著差異。

表1生物炭施用對稻田土壤性質的影響

Tab.1 The effcet of biochar application on soil properties in paddy filed

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著 （Plt;0.05 。下同。

稻田土壤有效磷含量隨著生物炭施用量的增加而增加。其中，BC3和BC2處理顯著高于CK。與CK相比，BC1、BC2和BC3處理的有效磷含量分別提高7.0% 、 12.3% 和 24.5% 。各生物炭處理間，BC3處理與BC2、BC1處理間差異顯著，BC1處理和BC2處理間差異不顯著。

不同用量生物炭處理均顯著提高了稻田土壤陽離子交換量。隨著生物炭施用量的增加，土壤陽離子交換量逐漸增大。與CK相比，BC1、BC2和BC3處理的陽離子交換量分別提高 12.8%.13.9% 和16.6% 。這表明生物炭的施用可以提高稻田土壤陽離子交換量。

2.3生物炭施用對稻田土壤有效態硒、鎘含量的影響

有效硒是在土壤中能夠被直接吸收利用的硒。由表2可知，生物炭施用對稻田土壤有效硒含量有顯著影響。施用生物炭處理的土壤有效硒含量均顯著高于CK，土壤有效硒含量隨著生物炭施用量的增加而增大。BC1、BC2和BC3處理的土壤有效硒含量分別比CK提高 43.7%.87.1% 和 118.3% 。

由表2可知，施用生物炭能有效降低土壤有效鎘含量，土壤有效鎘含量隨著生物炭施用量的增加而降低。BC1、BC2和BC3處理的土壤有效態鎘分別比CK降低 9.0%，12.5% 和 20.2% ，其中BC2、BC3處理的效果顯著。

表2生物炭施用對稻田土壤有效硒、鎘含量的影響 Tab.2 The effcet of biochar application on the available selenium and cadmium contents in paddy filed

2.4生物炭施用對稻田土壤硒形態的變化

施用生物炭后，土壤各硒形態含量占比如圖3所示。施用生物炭提高了土壤水溶態硒和交換態硒含量占比，降低了土壤鐵錳結合態硒、有機結合態硒和殘渣態硒含量占比。施用生物炭可提高土壤水溶態硒和交換態硒含量占比，并且土壤水溶態硒和交換態硒含量占比均隨著生物炭施用量的增加而增大，不同處理的土壤水溶態硒含量占比范圍為2.08%～3.34% ，變異系數為 21.37% ；土壤交換態硒含量占比范圍為 7.14%～16.83% ，變異系數為 34.03% 。施用生物炭會降低土壤鐵錳結合態硒、有機結合態硒和殘渣態硒的含量占比，其含量占比范圍分別為28.97%～31.52%?32.35%～35.38% 和 18.54～23.88% ，其變異系數分別為 3.48%.4.94% 和 10.59% 。這說明土壤中硒形態主要以鐵錳結合態硒和有機結合態硒形式存在，水溶態硒和交換態硒含量較少，但施用生物炭對后者的影響要高于其他土壤硒形態。

圖3生物炭施用對水稻成熟期土壤硒形態所占比例的影響

Fig.3The efetof biocharapplicationontheproportionof selenium forms in thepaddyfledduring therice maturitystag

2.5生物炭施用對稻田土壤鎘形態的影響

施用生物炭后，土壤各鎘形態含量占比如圖4所示。硒鎘高背景稻田土壤鎘形態以弱酸提取態為主，占比超過 41.46% ，其他形態占比排序依次為殘渣態 gt; 可還原態 ：gt; 可氧化態。施用生物炭后，弱酸提取態、可還原態、可氧化態和殘渣態鎘在各處理中的變異系數分別為 7.73%，6.33%，10.41% 和 10.29% 。其中，施用生物炭降低了弱酸提取態和可還原態鎘含量占比，BC1、BC2和BC3處理的土壤弱酸提取態鎘含量占比分別比CK降低 1.83% .5.36% 和7.85% ；可還原態鎘含量占比分別比CK降低0.49%，1.48% 和 2.01% 。施用生物炭提高了可氧化態和殘渣態鎘的含量占比，BC1、BC2和BC3處理的可氧化態鎘含量占比分別比CK提高 1.20%.1.76% 和 2.98% ，殘渣態則分別提高 3.12% .5.07% 和6.88% 。

圖4不同用量生物炭處理土壤中各形態鎘的分布

Fig.4Thedistributionof various formsofcadmiuminthepaddy filedwithdiferentbiocharapplication levels

3討論與結論

3.1 討論

不同的農業管理措施會對作物的生長與產量產生的影響不同。本研究結果表明，不同的生物炭施用量對水稻的影響不同，施用低量生物炭（BC1和BC2）會提高水稻產量，施用高量生物炭（BC3）則會降低水稻產量。黨洪陽等[20研究表明，在冬小麥上，施用 5t?hm^-2，10t?hm^-2 生物炭可提高小麥產量，但施用 20t?hm^-2 生物炭則降低了小麥產量。喬月等[2I研究表明，施用生物炭基肥可提高水稻產量。作物產量提高的原因是生物炭改善了土壤的理化性質，促進了作物對養分的吸收[22]。

在硒鎘高背景區域稻田施用生物炭可影響水稻對硒、鎘的吸收和累積，其中BC2和BC3處理提高了稻米硒含量，降低了稻米鎘含量；BC1處理降低了水稻硒含量，增加了稻米鎘含量。原因包括幾個方面：一是施用生物炭提高了土壤可氧化態鎬和殘渣態鎘23，施用BC2和BC3水平的生物炭顯著提高了土壤有效硒含量，顯著降低了土壤有效鎘含量；二是土壤pH值是影響水稻鎘、硒吸收的關鍵因子，施用BC2和BC3水平的生物炭顯著提高了土壤有效硒含量，顯著降低了土壤有效鎘含量， pH 值升高條件下，水稻對鎘的吸收有所降低，但水稻對硒的吸收有所提升；三是生物炭本身具有吸附性能，能夠吸附固定土壤中的鎘離子，并且在低量生物炭添加的初始階段對土壤物質有激發效應24，導致水稻生長前期表現為有效硒含量減少，有效鎘含量增加，但到成熟期，土壤的吸附性能趨于飽和，對鎘形態的激發效應減弱，所以表現出水稻硒、鎘累積與土壤有效硒、鎘含量不一致的情況。此外，硒鎘之間也有拮抗作用，無論在生態環境中還是植物體內，硒都有降低鎘毒害的作用25。有研究認為，硒有助于降低水稻對鎘的吸收2，提高水稻根部硒濃度水平，減少鎘由根部向籽粒的轉移27，但硒對鎘的解毒作用也可能導致植物中鎘含量的提高28。總之，生物炭在土壤中的吸附效應、激發效應和水稻植株中的硒、鎘互作機制是個較為復雜的過程，還需要進一步研究。

3.2 結論

在硒鎘高背景區域稻田適當施用生物炭可提高水稻產量（BC1和BC2），但施用量過多則會導致水稻減產。施用適量的生物炭（BC2和BC3），有助于提高稻米硒含量，降低稻米鎘含量，其中BC2處理的稻米硒含量提高 58.8% ，鎘含量降低 40.8% ，均與CK差異顯著。施用生物炭可改善土壤 pH 值、有機質、有效磷、陽離子交換量等性質特征，顯著增加土壤有效硒含量，降低土壤有效鎘含量，有效硒增幅為43.7%～118.3% ，有效鎘降幅為 9.0%～20.2% 。綜合分析表明，在硒鎘高背景區域施用 15.0t?hm^-2 生物炭有利于富硒水稻的安全生產。

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