石灰降低稻米鎘含量的效果及其影響因素

胡召華，靳 磊，朱捍華

（1.湘潭市農(nóng)業(yè)委員會(huì)，湖南 湘潭 411100；2. 湖南省微生物研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410009；3.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

石灰降低稻米鎘含量的效果及其影響因素

胡召華1，靳 磊2，朱捍華3

（1.湘潭市農(nóng)業(yè)委員會(huì)，湖南 湘潭 411100；2. 湖南省微生物研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410009；3.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

為探明施石灰降低鎘污染酸性稻田米鎘含量的效果及其影響因素，在湘潭市16個(gè)不同地點(diǎn)，開展石灰施用試驗(yàn)。以稻米鎘含量的降幅為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了管理措施和土壤環(huán)境條件對(duì)施石灰降低稻米鎘含量效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，施用生石灰750～1 800 kg/hm2，土壤pH值平均提升0.16個(gè)單位，稻米鎘平均含量由對(duì)照的0.29 mg/kg降至0.13 mg/kg。石灰施用量以1 800 kg/hm2最佳，其稻米平均降幅可達(dá)58.3%。土壤本底pH值低于6.5時(shí)，隨pH值的升高，施石灰降低稻米鎘含量的效果增強(qiáng)。而隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量和CEC的升高，施石灰降低稻米鎘含量的效果呈明顯的減弱趨勢(shì)。

石灰；土壤；鎘污染；水稻；管理措施；土壤環(huán)境條件

根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部2014年公布的調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)農(nóng)田土壤最主要的重金屬污染元素是鎘，其點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7.0%[1]。而近年來(lái)我國(guó)農(nóng)田土壤酸化趨勢(shì)明顯，加劇了土壤鎘污染的危害，全國(guó)年產(chǎn)鎘超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品約為150萬(wàn)t，稻米鎘含量超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值的比例高達(dá)10%[2-3]。農(nóng)田土壤鎘污染已威脅到我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和糧食安全，成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)境問(wèn)題。

施用鈍化劑降低土壤中鎘的有效性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)，被認(rèn)為是較為經(jīng)濟(jì)有效的一項(xiàng)技術(shù)措施，石灰是其中應(yīng)用最為廣泛、成本較為低廉的一種鈍化材料。國(guó)內(nèi)外的大量研究結(jié)果顯示，在酸性土壤上施用石灰后，顯著提高了土壤pH值，降低了土壤有效態(tài)鎘含量和植物的鎘吸收量[1,4-6]。然而，也有部分研究得到不同的結(jié)果，Bolan等[7]發(fā)現(xiàn)，在以可變電荷為主的土壤上施用高量石灰，使土壤溶液中Cd2+的濃度提高，并導(dǎo)致植物對(duì)鎘的吸收量增加；Brown等[8]研究結(jié)果表明，施用石灰僅能降低土壤NH4NO3提取Cd含量，對(duì)作物吸收鎘無(wú)明顯效果影響。由此可知，鎘污染土壤施用石灰的效果，受到石灰用量、土壤狀況和管理措施等的影響。為此，筆者利用多點(diǎn)田間試驗(yàn)，擬探討在鎘污染酸性稻田，施用石灰降低稻米鎘積累的效果，并分析其與管理措施、石灰用量及土壤環(huán)境狀況的關(guān)系，以期為鎘污染酸性稻田的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年晚稻季在湘潭市的湘潭縣、雨湖區(qū)和湘鄉(xiāng)市開展，設(shè)置了16個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)種植2個(gè)水稻品種，每個(gè)品種重復(fù)3次，共計(jì)96組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)對(duì)照（CK）和施石灰處理（L），小區(qū)面積30 m2，供試土壤基本性質(zhì)如表1所示。對(duì)照處理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植習(xí)慣進(jìn)行管理，施石灰處理在水稻分蘗期（8月中旬）撒施750～1 800 kg/hm2的生石灰，其他管理方式與對(duì)照一致。參試水稻品種有湘晚秈13號(hào)、湘晚秈12號(hào)、天優(yōu)華占、金優(yōu)59、岳優(yōu)27、里優(yōu)6602、農(nóng)豐優(yōu)2號(hào)、H優(yōu)207、T優(yōu)259和欣榮優(yōu)華占。

表1供試稻田土壤基本性質(zhì)

1.2 樣品采集與檢測(cè)

在試驗(yàn)開始前，采集每個(gè)小區(qū)耕層土壤樣品，風(fēng)干過(guò)20目和100目篩，備用；在水稻成熟期采集稻谷樣品，分離出糙米后，粉碎，過(guò)100目篩，備用；同時(shí)采集耕層土壤樣品，風(fēng)干過(guò)20目篩，備用。試驗(yàn)基礎(chǔ)土壤樣品，主要檢測(cè)土壤pH值、全鎘、有效態(tài)鎘、有機(jī)質(zhì)和CEC等指標(biāo)，稻米樣品主要檢測(cè)全鎘含量，水稻成熟土壤樣品主要檢測(cè)pH值和有效態(tài)鎘含量。全部樣品均委托具有檢測(cè)資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)分析，所有指標(biāo)測(cè)定按照《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先以稻米鎘含量降低幅度為依據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，每個(gè)試點(diǎn)單個(gè)品種3對(duì)數(shù)據(jù)，變異較大的（標(biāo)準(zhǔn)誤差/均值）超過(guò)50%的點(diǎn)，采用其中較為一致的2對(duì)數(shù)據(jù)，如2對(duì)數(shù)據(jù)間重復(fù)較差，則該點(diǎn)數(shù)據(jù)舍棄。實(shí)際采用的數(shù)據(jù)為77組。

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和Origin 7.5進(jìn)行分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施石灰對(duì)稻米鎘含量、土壤有效態(tài)鎘含量和pH值的影響

從整體來(lái)看（表2），對(duì)照處理稻米鎘平均含量為0.29 mg/kg，分布區(qū)間為0.02～1.30 mg/kg；施用石灰處理后，稻米鎘含量有明顯的降低，平均含量降低至0.13 mg/kg，降低幅度達(dá)到55.2%，稻米鎘的最高含量也由1.30 mg/kg降低至0.53 mg/kg。稻米鎘含量符合國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值（＜0.20 mg/kg，GB 2762—2012）的比例也由對(duì)照的45.5%提升至77.9%。此外，土壤有效態(tài)鎘含量和土壤pH值也均有所變化，對(duì)照處理的土壤有效態(tài)鎘含量為0.68 mg/kg，施用石灰后略有降低，為0.66 mg/kg；土壤pH值在施用石灰后有明顯提高，平均提高幅度為0.16個(gè)單位。

表2稻米鎘含量、土壤有效態(tài)鎘含量和pH值變化（n=77）

2.2 管理措施對(duì)施石灰降低稻米鎘含量效果的影響

試驗(yàn)共采用了10個(gè)水稻品種，在篩選出的77對(duì)數(shù)據(jù)中，有5對(duì)以上數(shù)據(jù)的水稻品種包括H37優(yōu)207（H207）、金優(yōu)259（JY259）、天優(yōu)華占（TYHZ）、湘晚秈12號(hào)（XW12）和湘晚秈13號(hào)（XW13）等，對(duì)其影響進(jìn)行單獨(dú)分析，其他水稻品種僅2～3對(duì)數(shù)據(jù)，不做單獨(dú)分析。結(jié)果顯示（圖1），種植不同水稻品種條件下，施用石灰后稻米鎘含量均有明顯降低，米鎘降幅最大的品種是H37優(yōu)207，達(dá)到55.8%；其次為湘晚秈13號(hào)，降幅為48.7%；金優(yōu)59與天優(yōu)華占較為接近，分別為39.1%和38.1%；湘晚秈12號(hào)降幅最小，僅為32.1%，雖然不同品種間稻米鎘含量降低幅度存在差異，但由于數(shù)據(jù)變異較大，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，其差異并未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。

圖1不同水稻品種的石灰降低稻米鎘含量效果（n表示樣本數(shù)，下同）

試驗(yàn)共設(shè)置750、900、1 500和1 800 kg/hm2這4個(gè)石灰施用量（圖2）。稻米鎘含量降幅最大的是施用石灰1 800 kg/hm2，降幅達(dá)到58.3%，其次為施用量900 kg/hm2，降幅55.9%，施用量1 500和750 kg/hm2的降幅分別為40.7%和36.8%，基本呈現(xiàn)出隨石灰施用量增大，稻米鎘含量降幅提升的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)分析表明，僅施用量1 800 kg/hm2和施用量750 kg/hm2之間的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.3 土壤環(huán)境條件對(duì)施石灰降低稻米鎘含量效果的影響

在不考慮其他外源污染的前提下，植物吸收和積累的鎘主要來(lái)源于土壤，而土壤全鎘含量是衡量土壤鎘污染程度的重要指標(biāo)。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將供試土壤按照全鎘含量的差異分為4個(gè)區(qū)間段，分別為＜0.3、0.3～0.6、0.6～0.9和＞0.9 mg/kg。不同鎘污染程度稻田土壤施用石灰后均能明顯降低稻米鎘含量（圖3），但并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。其中＜0.3、0.3～0.6和＞1.2 mg/kg這3個(gè)區(qū)間段土壤，在施用石灰后稻米鎘含量的降低幅度均在50%以上，顯著高于0.6～0.9 mg/kg的27.9%的降幅。

圖2不同石灰施用量的稻米降鎘效果

圖3土壤全鎘含量對(duì)石灰降低稻米鎘效果的影響

土壤pH值是反映土壤酸堿程度的重要指標(biāo)，也是影響土壤中鎘賦存形態(tài)和植物有效性的一個(gè)關(guān)鍵因子。按照第二次土壤普查的土壤酸度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤pH值均在5.00～6.50之間，僅能劃分為兩個(gè)區(qū)間段，考慮樣點(diǎn)的密集程度，在此將其分為4個(gè)區(qū)間段，分別為＜5.50、5.50～5.75、5.75～6.00和＞6.00（圖4）。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同pH值稻田土壤施用石灰后均能顯著降低稻米鎘的含量，平均降低幅度以土壤pH值＞6.00區(qū)間段最高，為51.2%，其次為5.75～6.00區(qū)間段，平均降幅49.0%，＜5.50和5.50～5.75區(qū)間段的稻米鎘含量平均降幅分別為46.0%和43.2%。基本呈現(xiàn)出隨pH值升高，稻米鎘含量降低效果增強(qiáng)的趨勢(shì)。

有機(jī)質(zhì)是土壤最重要的成分之一，是決定土壤肥力的重要指標(biāo)，其可通過(guò)與重金屬元素發(fā)生絡(luò)合、吸附等反應(yīng)，影響土壤中重金屬的有效性?？傮w來(lái)看，供試土壤的有機(jī)質(zhì)較為豐富，其含量區(qū)間在17.9～74.9 g/kg之間，但平均含量高達(dá)45.9 g/kg，低于30 g/kg的樣點(diǎn)數(shù)僅為3個(gè)，結(jié)合第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)豐缺程度劃分標(biāo)準(zhǔn)和供試土壤現(xiàn)狀，將其劃分為＜40、40～50、50～60和＞60 g/kg這4個(gè)區(qū)間段（圖5）。不同土壤有機(jī)質(zhì)含量土壤，施用石灰后稻米鎘含量的降低幅度存在明顯的差異，總體上呈現(xiàn)出隨土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，施用石灰降低稻米鎘含量的效果減弱的趨勢(shì)。上述4個(gè)有機(jī)質(zhì)含量區(qū)間段的土壤，施用石灰后稻米鎘含量的降低幅度依次為58.2%、41.2%、33.5%和44.5%。

圖4不同土壤pH值的石灰降低米鎘效果

圖5不同土壤有機(jī)質(zhì)含量的石灰降低米鎘效果

土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）是土壤膠體所能吸附陽(yáng)離子的總量，直接關(guān)系到土壤的緩沖能力，也是影響土壤中鎘等重金屬元素的賦存形態(tài)和植物有效性的重要指標(biāo)。供試土壤CEC在9.1～23.8 cmol/kg之間，根據(jù)其變化情況，將其劃分為＜14.0、14.0～15.5、15.5～17.0和＞17.0 com/kg這4個(gè)區(qū)間（圖6）。土壤CEC在不同區(qū)間，施用石灰后稻米鎘含量的降低效果存在較為明顯的差異。稻米鎘含量降低幅度最大的是CEC在14.0～15.5 cmol/kg，達(dá)到58.2%，隨后依次為＜14.0 coml/kg （降幅49.1%）、15.5～17.0 coml/kg（降幅42.8%）和＞17.0 coml/kg（38.1%）?？傮w上呈現(xiàn)出隨CEC升高，施用石灰降低稻米鎘含量的效果減弱的趨勢(shì)。

3 討 論

圖6不同土壤CEC的石灰降低米鎘效果

施用石灰可以降低土壤中鎘的有效性和植物對(duì)鎘的吸收，其作用機(jī)理主要有2個(gè)方面：一是施用石灰后土壤pH值明顯提高，導(dǎo)致土壤中有效性相對(duì)較高的形態(tài)向有效性較低的形態(tài)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而降低土壤中鎘的植物有效性；二是施用石灰?guī)氪罅康拟}離子，其對(duì)植物吸收鎘具有一定的拮抗作用[10]。該試驗(yàn)的結(jié)果也證實(shí)了施用石灰能有效降低土壤中鎘的植物有效性，77個(gè)施用石灰的處理中，有73個(gè)稻米鎘含量低于對(duì)照，占95%。施用石灰后，土壤pH值有明顯提升，但土壤有效態(tài)鎘含量變化幅度較小。這可能是由于該試驗(yàn)采取的有效態(tài)鎘提取方法是DTPA法有關(guān)。施用石灰后，土壤中有效性較高的交換態(tài)主要轉(zhuǎn)化為有效性相對(duì)較低的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)，而DTPA提取法可以提取一定比例的鐵錳氧化結(jié)合態(tài)鎘[11]。

水稻對(duì)鎘吸收積累能力品種間差異已被廣泛證實(shí)[1]，但施石灰降低稻米鎘含量效果對(duì)品種的響應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。石灰施用量的差異，對(duì)鎘植物有效性有明顯影響。該試驗(yàn)結(jié)果顯示，施用1 800 kg/hm2的石灰，降低稻米鎘含量的效果最好。屠乃美等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在1 500、2 250和3 000 kg/hm2這3個(gè)用量下，以2 250 kg/hm2的石灰施用量降低稻米鎘含量的效果最佳，但水稻有所減產(chǎn)。因此，在供試土壤條件下，石灰的推薦用量為1 800 kg/hm2。

土壤環(huán)境條件是影響施用石灰降低稻米鎘含量效果的重要因子。土壤中鎘的有效性基本隨pH值升高而降低[13]，該試驗(yàn)結(jié)果表明，在土壤pH值低于6.5的條件下，施用石灰是能有效降低稻米鎘含量，且降鎘效果在pH值介于6～6.5區(qū)間時(shí)，效果最佳。土壤有機(jī)質(zhì)含量和CEC越高的土壤，其酸堿緩沖能力越強(qiáng)，調(diào)節(jié)其pH值時(shí)所需的石灰用量也越高[14-15]。該試驗(yàn)的結(jié)果也顯示，隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量和CEC的提高，施用石灰降低稻米鎘含量的效果減弱。該試驗(yàn)條件下，施用石灰后稻米鎘含量降低的絕對(duì)量（對(duì)照與石灰處理稻米含量的差值）與土壤全鎘含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.425，P＜0.01），但不同污染程度土壤施用石灰后，米鎘含量降幅僅全鎘含量在0.6～0.9 mg/kg時(shí)顯著低于其他鎘含量區(qū)間，這可能與該區(qū)間土壤有機(jī)質(zhì)含量（僅低于＞0.9 mg/kg區(qū)間）和CEC（較其他區(qū)間高1.4～3.1 cmol/kg）相對(duì)較高有關(guān)。

4 結(jié) 論

通過(guò)多點(diǎn)田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施用石灰可提高酸性土壤pH值，大幅度降低稻米鎘含量。而且施用石灰降低稻米鎘含量的效果受到管理措施和土壤環(huán)境條件的影響，在該區(qū)域的鎘污染酸性稻田，石灰的適宜用量為1 800 kg/hm2。在土壤本底pH值低于6.5的條件下，隨著pH值的升高，施石灰降低稻米鎘含量的效果增強(qiáng)。土壤有機(jī)質(zhì)含量低于40 g/kg和土壤CEC在14～15.5 cmol/kg時(shí)，施石灰降低稻米鎘含量的效果較好，隨土壤有機(jī)質(zhì)含量和CEC的升高，施用石灰降低稻米鎘含量的效果呈明顯的減弱趨勢(shì)。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）

Effects of Lime on Reducing Cadmium Content in Rice and Its Influencing Factors

HU Zhao-hua1，JIN Lei2，ZHU Han-hua3
（1. Agriculture Commission of Xiangtan City, Xiangtan 411100, PRC; 2. Hunan Academy of Microbiology, Changsha 410009, PRC; 3. Institute of Subtropical Agriculture, the CAS, Changsha 410125, PRC）

In order to find out the effect of lime on reducing cadmium content in rice field polluted by acid cadmium pollution and its influencing factors, the lime test was carried out at 16 different sites in Xiangtan. Taking the decline of cadmium content of rice as the main evaluation index, the effects of management measures and soil environment conditions on the effect of lime on reducing cadmium content in rice were analyzed.The results showed that applying the lime 750-1 800 kg/hm2, the soil pH value increased by 0.16 units on average, and the average cadmium content of rice decreased from 0.29 mg/kg to 0.13 mg/kg. The optimum amount of lime was 1 800 kg/hm2, and the average decrease of cadmium content in rice was 58.3%. When soil background pH value was lower than 6.5, with the increase of pH value, the effect of lime on lower the cadmium content in rice was enhanced.With the increase of soil organic matter content and CEC, the effect of lime on lower the cadmium content of rice decreased obviously.

lime; soil; cadmium pollution; rice; management measures; soil environmental conditions

S511

：A

：1006-060X（2017）08-0020-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.006

2017-06-12

中國(guó)科學(xué)院STS項(xiàng)目（KFJ-STS-ZDTP-008）

胡召華（1984-），男，湖南湘潭市人，農(nóng)藝師，主要從事土壤肥料和農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)工作。

朱捍華