治理式休耕對“長株潭”鎘污染稻田土壤理化特性及鎘含量的影響

谷雨，蔣平，李明德*，吳海勇，唐珍琦，周峻宇，李志明，劉瓊峰

（1.湖南省土壤肥料研究所，長沙 410126；2.湖南省土壤肥料工作站，長沙 410006）

隨著近代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的革新和化肥的大量使用，農(nóng)田遭到過度開發(fā)和超負(fù)荷耕種，這一方面提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、增加了糧食產(chǎn)量，實現(xiàn)了我國糧食產(chǎn)量“十二”連增[1]；另一方面也造成了土壤肥力下降、土壤酸化及耕作層變淺等一系列土壤退化問題，嚴(yán)重制約我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。此外，農(nóng)田土壤污染也是危害農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的嚴(yán)重障礙。目前，農(nóng)田土壤鎘污染已經(jīng)成為全球性問題：①歐洲有數(shù)百萬公頃的土地已遭受鎘、汞、砷等重金屬污染[2]；②日本約有7 000 hm2的農(nóng)田遭到鎘、銅等重金屬的污染[3]；③我國現(xiàn)階段受到鎘、錳、汞等重金屬污染的土地約有2×105km2，直接造成約107t 的糧食損失，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2×1011元[4]。因此，治理農(nóng)田土壤退化、控制農(nóng)田土壤鎘污染已迫在眉睫。

休耕作為一種使耕地休養(yǎng)生息的耕作制度，可以有效地調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)、改善土壤肥力[5-7]。國外學(xué)者Eduardo 等[8]將休耕措施應(yīng)用于堅果林，從而有效提高了堅果的生產(chǎn)力。Papatheodorou 等[9]則發(fā)現(xiàn)休耕措施改善了土壤微生物狀況。而隨著農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的加劇和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，休耕的內(nèi)容和形式不斷豐富，已有國外學(xué)者開始將農(nóng)田重金屬污染的治理措施和培肥措施與休耕相結(jié)合[10-11]。Bauddh 等[12]通過休耕種植蓖麻有效治理了土壤重金屬污染。近年來，我國也開始了對輪作、休耕制度及模式的探索：國務(wù)院2016 年發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)土壤污染防治行動計劃的通知》明確了我國輪作、休耕制度的工作試點，探索將治理式休耕應(yīng)用于重金屬污染區(qū)域的農(nóng)田治理中。同時，諸多學(xué)者也對輪作休耕的補(bǔ)償機(jī)制[13]、內(nèi)涵意義[1]以及輪作休耕模式[14]開展了研究。當(dāng)前，已有研究證明在稻田休耕期間，通過對耕地進(jìn)行合理的養(yǎng)護(hù)和治理，可有效地調(diào)節(jié)土壤酸堿度和土壤物理特性，達(dá)到土壤保水保肥的效果[15]。但治理式休耕對污染稻田土壤鎘含量及其生物有效性的影響，以及治理式休耕的治理機(jī)制和作用規(guī)律尚不明晰。

因此，本研究選取湖南省“長株潭”地區(qū)鎘污染的農(nóng)田作為研究對象，布設(shè)29 個試驗監(jiān)測點，設(shè)置對照（正常耕種）、一般式休耕（僅休耕處理）和治理式休耕（休耕+治理措施）三組處理，通過土壤取樣分析研究三種處理對土壤理化性質(zhì)、土壤全鎘含量及土壤有效態(tài)鎘含量的影響，以期為治理式休耕在鎘污染農(nóng)田的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在寧鄉(xiāng)市、攸縣、醴陵市、湘潭縣、湘鄉(xiāng)市六個縣（市）共設(shè)置29 個監(jiān)測點，監(jiān)測點詳情見表1。上述6 個縣（市）均位于“長株潭”地區(qū)，該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，溫暖潮濕，是多種農(nóng)產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)地。

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于2018 年，于3 月春耕前設(shè)置各監(jiān)測點，每個監(jiān)測點面積不低于1 000 m2，將各監(jiān)測點平均劃分成3 個小區(qū)，重新做田埂分隔，田埂高、寬均在30 cm 以上，覆蓋包裹雙層塑料薄膜并插入田面以下40 cm。3 個小區(qū)分別為：對照處理（CD），按當(dāng)?shù)亓?xí)慣種植雙季稻，并按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行常規(guī)管理；一般式休耕處理（CS），無治理措施休耕；治理式休耕處理（CV），休耕+施石灰+春季深翻耕+淹水管理+旋耕+種植綠肥，即春季在綠肥翻壓時施石灰750～1 125 kg·hm-2并進(jìn)行深翻耕，5—9 月進(jìn)行淹水管理，秋冬季旋耕后種植綠肥。試驗期間其他田間操作一致，均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣方式進(jìn)行。

1.3 土壤樣品的采集與分析

本試驗于晚稻收割后，按“S”取樣法采集各監(jiān)測點的混合土壤樣品，將采集的土壤樣品用樣品袋密封保存，記錄采集時間和地點后帶回實驗室。將土壤樣品去除異物后自然風(fēng)干，并分成三份分別研磨過10、60目和100目尼龍篩，制成待測樣品備用。在采集樣品的同時，于采樣點使用環(huán)刀進(jìn)行土壤容重樣品采集，將樣品帶回室內(nèi)測定質(zhì)量后記錄結(jié)果（測定標(biāo)準(zhǔn)為NY/T 1121.4—2006）。

土壤總鎘測定采用王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定（HJ 803—2016）；土壤有效態(tài)鎘采用DTPA 浸提，火焰原子吸收分光光度法測定（GB/T 23739—2009）；土壤有效態(tài)鐵、錳、銅、鋅均采用DTPA浸提，原子吸收分光光度計測定（NY/T 890—2004）；土壤有效硅、有效硫分別采用檸檬酸、磷酸鹽-乙酸浸提，分光光度計測定（NY/T 1121.15—2006，NY/T 1121.14—2006）；土壤交換性鈣、鎂均采用乙酸銨浸提，原子吸收分光光度計測定（NY/T 1121.13—2006）。土壤pH、土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀均按《土壤農(nóng)化分析》方法進(jìn)行測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)使用Excel 2010 進(jìn)行統(tǒng)計與數(shù)據(jù)處理，使用Origin 9.0 進(jìn)行作圖，采用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行方差分析（多重比較方法為Duncan′s 新復(fù)極差法），比較不同處理間差異的顯著性水平（α=0.05）。相關(guān)性分析通過R version 3.6.1（www.r-project.org）統(tǒng)計軟件進(jìn)行，采用R 語言程序包gpairs 和Performance analytics完成。

表1 “長株潭”地區(qū)休耕監(jiān)測點基本信息Table 1 Basic information of fallow monitoring points in“Changzhutan”area

2 結(jié)果與分析

2.1 治理式休耕對土壤總鎘和有效態(tài)鎘含量的影響

土壤中總隔含量是評判土壤中重金屬有效性和環(huán)境效益的基礎(chǔ)，也是評價土壤受到鎘污染程度的重要指標(biāo)。而土壤中具有生物有效性且理化性質(zhì)活潑的有效態(tài)鎘則是土壤鎘污染治理中的重中之重。本試驗中，土壤總鎘含量在CD、CS 和CV 三個處理間并無顯著差異，這是由于休耕和治理式休耕并不能影響土壤鎘總量。而CD、CS 和CV 三個處理的土壤有效態(tài)鎘平均含量分別為0.199、0.187 mg·kg-1和0.158 mg·kg-1，CV 處理的土壤有效態(tài)鎘顯著低于CD 處理（圖1）。說明在經(jīng)過治理式休耕處理（即治理措施和休耕措施并用）后，土壤得到了充分的休息和調(diào)整，降低了土壤中有效鎘的活性和生物有效性，土壤中有效態(tài)鎘含量顯著降低。這有力證明了治理式休耕對降低土壤鎘的生物有效性和治理農(nóng)田土壤鎘污染的可行性。

2.2 治理式休耕對耕層土壤容重、pH 和陽離子交換量的影響

土壤容重（Bulk density，BD）和陽離子交換量（Cation exchange capacity，CEC）都是表征土壤保水保肥能力的重要指標(biāo)。由圖2 可知，CD、CS 和CV 處理的土壤容重和CEC 均無顯著差異，而CV 處理下的土壤pH 值顯著大于CD，但CS 處理與CD、CV 處理間的土壤pH 均無顯著差異。其中，CD、CS、CV 處理的土壤容重均值分別為1.20、1.20、1.17 g·cm-3，盡管CD、CS、CV 處理間的土壤容重均值無顯著差異，但CS較CD 處理中值低，而CV 較CS、CD 處理也有下降趨勢。這表明休耕和治理式休耕都有利于降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤保水蓄肥能力。而CD、CS、CV 處理的CEC 均值別分為17.13、16.71、17.83 cmol·kg-1。CV 較CS 處理土壤CEC 有升高趨勢，表明治理式休耕更有利于提高土壤CEC，從而增強(qiáng)土壤保肥和重金屬吸附能力。而CV處理下的土壤pH 值顯著高于CD，則表明治理式休耕不僅改善了土壤保水蓄肥能力，還有效提高了土壤pH值，改善了土壤酸化。

2.3 治理式休耕對土壤養(yǎng)分及交換性鈣、鎂含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)作為植物養(yǎng)分的主要來源，是表征土壤肥力狀況的重要指標(biāo)。本試驗中，CD、CS 和CV 三個處理的土壤有機(jī)質(zhì)均值分別為40.01、39.45 g·kg-1和46.19 g·kg-1，且CV 處理下的土壤有機(jī)質(zhì)均值顯著大于CD 和CS 處理（圖3），而盡管CS 與CD 處理間土壤有機(jī)質(zhì)均值無顯著差異，但CS 處理的中值低于CD處理。表明普通休耕并不利于土壤有機(jī)質(zhì)的增加，而治理式休耕可以有效地增加土壤有機(jī)質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分狀況。此外，從圖3中可知，CD、CS 和CV 三個處理下土壤的全氮、有效磷和速效鉀均無顯著差異。

鈣、鎂不僅是植物生長所需的重要營養(yǎng)元素，還是影響植物重金屬累積的重要因素。本試驗中，CD、CS、CV 處理下的交換性鈣和鎂含量均值分別為23.60、24.03、27.21 mg·kg-1和0.86、0.83、0.99 mg·kg-1（圖3）。其中，CV處理的交換性鈣含量均值顯著大于CD 和CS 處理。而CV 處理下的交換性鎂含量均值和中值也均大于CD 和CS 處理。表明治理式休耕不僅顯著提高了土壤交換性鈣含量，對土壤交換性鎂含量也有積極作用。因此，治理式休耕可以通過提高土壤有機(jī)質(zhì)和交換性鈣含量，有效改善土壤肥力。

2.4 治理式休耕對土壤有效態(tài)礦質(zhì)元素含量的影響

土壤礦質(zhì)元素是表征土壤肥力的重要指標(biāo)。由圖4 可知，CV 處理的土壤有效態(tài)硫、硅含量顯著大于CD 處理，盡管CV 與CS 處理間無顯著差異，但CV 處理下有效態(tài)硫、硅含量的均值和中值均大于CS處理；而CS處理的土壤有效態(tài)硫含量顯著大于CD 處理，土壤有效態(tài)硅的均值和中值也大于CD 處理，但差異不顯著。此外，CD、CS 和CV 處理的有效態(tài)鐵、錳、銅、鋅均無顯著差異。以上結(jié)果表明，治理式休耕較普通休耕處理更有效地提高了土壤有效態(tài)硫、硅含量，增加了土壤部分礦質(zhì)元素含量，對改善土壤肥力具有積極作用。

2.5 對照、休耕和治理式休耕土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

本試驗中，治理式休耕對治理鎘污染農(nóng)田、降低土壤鎘的生物有效性具有顯著效果（圖1）。而土壤中鎘的賦存形態(tài)及生物有效性受到土壤各環(huán)境因子的影響，土壤有效態(tài)鎘含量作為表征土壤鎘活性的重要指標(biāo)同樣受到各個環(huán)境因子的調(diào)控。相關(guān)性分析（表2）表明，土壤總鎘與土壤理化性質(zhì)之間并無顯著相關(guān)性，但土壤有效態(tài)鎘含量與土壤pH 值和土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；此外，土壤有效態(tài)鎘與有效鐵、有效銅和有效鋅含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。而土壤有效態(tài)鎘含量占土壤總鎘含量的比例與土壤有機(jī)質(zhì)含量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有效銅含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系。這證明了土壤理化性質(zhì)間存在相互影響，尤其是土壤有機(jī)質(zhì)含量和有效銅含量，研究結(jié)果為治理土壤鎘污染、降低土壤鎘的生物有效性提供借鑒。

表2 土壤總鎘、有效態(tài)鎘含量及其占比與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性（r）Table 2 Correlation between content and proportion of total cadmium，available cadmium and physicochemical properties of soil（r）

3 討論

近年來，為實現(xiàn)我國重金屬污染農(nóng)田的耕地資源可持續(xù)利用，在我國農(nóng)田重金屬污染區(qū)域開展了治理式休耕（休耕+治理措施：施用生石灰、深翻耕、種植綠肥）制度的探索，以期控制農(nóng)田重金屬污染、調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)[14]。而治理式休耕不僅可以控制農(nóng)田土壤中的鎘污染，同時還可以有效提高土壤pH 值。本研究結(jié)果表明，治理式休耕處理的土壤pH 均值較不休耕對照和一般休耕分別上升了0.31、0.14 個單位（圖2）。這一方面歸因于治理式休耕中撒施生石灰等治理措施，石灰是提高土壤酸度和降低土壤植物重金屬有效性的有效措施[17-19]，鄧小華等[20]的研究表明，酸性土壤中施用生石灰可以有效提高表土pH 值0.22個單位，Huang 等[21]的研究證明了在酸性稻田連續(xù)4年施用生石灰可以有效提高土壤pH 值0.57 個單位。另一方面，治理措施中的種植綠肥措施也是影響土壤pH 的重要因素，李艷等[22]的研究表明，在酸性土壤中種植豆科綠肥可顯著提高土壤pH。因此，在我國南部地區(qū)酸性稻田進(jìn)行治理式休耕可以有效提高土壤pH，治理土壤酸化。

土壤CEC 和交換性鈣、鎂含量是表征土壤陽離子交換性和酸堿緩沖能力的重要指標(biāo)。本研究中，盡管治理式休耕土壤CEC 含量并未顯著增加，但仍有上升趨勢。而治理式休耕較不休耕對照和一般休耕處理土壤交換性鈣顯著提高15.34%和13.28%，交換性鎂含量提高14.46%和19.49%（圖3）。孟賜福等[23]的研究也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果，施用生石灰顯著增加了土壤中交換性鈣、鎂含量。這主要歸因于治理式休耕中施用生石灰等措施，生石灰中不僅含有大量氧化鈣，還含有部分氧化鎂，導(dǎo)致土壤鈣、鎂離子增加，從而提高了土壤中交換性鈣、鎂含量。因此，治理式休耕能有效提高酸性土壤中交換性鈣、鎂含量，增強(qiáng)土壤的緩沖能力。

土壤有機(jī)質(zhì)是表征土壤肥力狀況的重要指標(biāo)。治理式休耕顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，較不休耕對照和一般休耕處理分別顯著提高了15.45%和17.09%（圖3）。同時，治理式休耕還有效提高了土壤中的礦質(zhì)營養(yǎng)元素硫和硅，有效硫和有效硅較不休耕對照處理顯著提高了15.28%和10.44%（圖4）。這主要歸因于種植綠肥等治理措施，種植綠肥已被證明是提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、調(diào)節(jié)土壤肥力的有效舉措[24]。種植綠肥為土壤提供的新鮮有機(jī)物，一方面為土壤帶來了大量營養(yǎng)元素，從而增加了土壤部分礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量；另一方面，還促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán)，調(diào)節(jié)了土壤有機(jī)質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)特點，并有效提高了土壤微生物量碳、氮和土壤肥力[25]。此外，休耕措施還極大地減少了土壤耕層的人為擾動，減少了土壤養(yǎng)分的流失，并提高了自然水的利用率[26]。因此，治理式休耕可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分狀況、改善土壤水利用率，從而達(dá)到改土培肥的效果。

土壤有效態(tài)鎘含量是表征土壤鎘污染危害的直接指標(biāo)。本研究結(jié)果表明，治理式休耕有效降低了土壤有效態(tài)鎘含量，較不休耕對照和一般休耕處理分別下降20.60%和15.50%（圖1）。而土壤有效態(tài)鎘含量受多種土壤環(huán)境因子的影響[27]。通過相關(guān)性分析可知，盡管土壤總鎘含量與土壤理化性質(zhì)間無顯著相關(guān)關(guān)系，但土壤有效態(tài)鎘含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH 值之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，且土壤有效態(tài)鎘含量占總鎘比例也與土壤有機(jī)質(zhì)含量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（表2）。究其原因，單一的休耕措施并未將鎘從土壤中運離，且土壤理化性質(zhì)的變化未能轉(zhuǎn)移土壤中的鎘，因此土壤總鎘與土壤理化因子間不存在顯著相關(guān)性。而土壤有機(jī)質(zhì)主要通過直接吸附、離子交換等作用促使土壤有效態(tài)鎘與其結(jié)合形成有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘，從而降低土壤鎘的活性態(tài)含量和生物有效性[28]。另一方面，土壤pH值被認(rèn)為是影響植物吸收土壤中鎘的關(guān)鍵環(huán)境因子，對土壤溶液中鎘的溶解度和形態(tài)分布具有重要影響[29]。土壤pH 值的升高增加了土壤膠體表面負(fù)電荷，從而提升土壤膠體對鎘的吸附作用，降低土壤鎘的生物有效性，進(jìn)而導(dǎo)致土壤總鎘和有效鎘與土壤理化性質(zhì)呈現(xiàn)出截然不同的相關(guān)性關(guān)系。

綜上所述，治理式休耕通過撒施生石灰和種植綠肥等治理措施，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值，從而有效降低了土壤有效態(tài)鎘含量。

4 結(jié)論

（1）治理式休耕顯著改善了土壤養(yǎng)分狀況，顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)及多種礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量，達(dá)到了改土培肥的效果。同時，治理式休耕還顯著提高了土壤pH值和土壤交換性鈣、鎂含量，從而有效調(diào)節(jié)土壤酸化，增強(qiáng)土壤的緩沖能力。

（2）治理式休耕通過影響土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值等理化性質(zhì)，顯著降低了土壤有效態(tài)鎘含量，有效減輕了農(nóng)田土壤鎘污染的危害。

（3）在“長株潭”地區(qū)開展的治理式休耕，不僅有效治理了農(nóng)田土壤鎘污染及土壤肥力退化，同時，為鎘污染農(nóng)田區(qū)域的休耕制度探索提供了借鑒經(jīng)驗。