復(fù)合改良劑對稻米與土壤鎘污染的阻控效果研究

黎小鵬，周嘉誠，陳 楠，馬世柱，馮東儀，林俊杰，張玉山

（1.中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測站，廣東 中山 528463；2.電子科技大學(xué)中山學(xué)院材料與食品學(xué)院，廣東 中山 528400）

20世紀(jì)末以來中國長江三角洲、珠江三角洲等地區(qū)均發(fā)現(xiàn)大米中鎘（Cd）超標(biāo)現(xiàn)象。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廣東珠三角洲40%的土壤存在重金屬污染，種植型農(nóng)村耕地以Cd超標(biāo)為主，超標(biāo)率16.7%，該區(qū)域土壤的重金屬含量存在積累的趨勢，鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)密集發(fā)展區(qū)尤為明顯，土壤重金屬污染已成為威脅糧食安全的一大問題［1，2］。根據(jù)廣東省中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)檢站從2015年至今對中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)部分農(nóng)田土壤的監(jiān)測，也發(fā)現(xiàn)土壤中Cd含量大部分達(dá)環(huán)境質(zhì)量（GB 15618—2018）中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，且pH小于6.5，呈酸性。土壤中的鎘會通過水稻根系進(jìn)入稻米中。2012—2014年廣東省大米中Cd的總體超標(biāo)率為6.22%，人群食用大米的Cd暴露存在一定風(fēng)險(xiǎn)［3］。廣東省中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)部分區(qū)域大米中Cd含量超過食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017）限量。稻米中的鎘會隨著食物鏈進(jìn)入人體，已經(jīng)引發(fā)公眾對稻米食品安全的關(guān)注和擔(dān)憂。因此，篩選低鎘富集水稻品種與Cd污染土壤修復(fù)和治理已成為降低稻米鎘含量的重要內(nèi)容。

目前，針對治理和修復(fù)Cd污染土壤的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法等。化學(xué)修復(fù)法因其操作簡單、有效、成效快、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛運(yùn)用，也是現(xiàn)階段土壤Cd污染治理技術(shù)研究的熱點(diǎn)課題［4］?；瘜W(xué)修復(fù)法是利用經(jīng)濟(jì)有效的石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽等無機(jī)改良劑，施加于重金屬污染的土壤中，對土壤pH進(jìn)行調(diào)控及改良劑本身與土壤中的重金屬進(jìn)行吸附、氧化還原、拮抗或沉淀，從而阻隔作物對重金屬的吸收和富集，以降低重金屬的生物有效性的方法［5-10］。

生物炭作為一種新型有機(jī)功能材料，因其表面多孔具有比表面積大的特點(diǎn)，在土壤改良、溫室氣體減排及土壤重金屬污染方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。目前，生物炭因其較大的比表面積和較高的表面能，有結(jié)合重金屬的強(qiáng)烈傾向，對生物炭吸附重金屬的行為解釋人們主要傾向于依靠表面吸附。因此從這點(diǎn)來看，利用生物炭修復(fù)重金屬污染土壤總體屬于一種物理方法。近年來，單一組分的土壤改良劑如生物炭［11］、碳酸鈣［12］、沸石［13］、硅［14］等，對土壤重金屬修復(fù)效果的研究已經(jīng)有許多報(bào)道。然而，將物理方法與化學(xué)方法相結(jié)合，探索應(yīng)用有機(jī)無機(jī)復(fù)合改良劑對重金屬污染土壤修復(fù)的報(bào)道較為鮮見。

此外，低鎘累積水稻品種的篩選與育種也是降低稻米鎘含量的重要內(nèi)容。目前，盡管已有低鎘富集水稻品種篩選的報(bào)道［15］，還有水稻低鎘基因克隆的報(bào)道［16，17］。然而，由于各種原因這些品種還沒有在廣東省中山市進(jìn)行推廣應(yīng)用。因此，從當(dāng)?shù)厮酒贩N中篩選低鎘吸收的水稻品種仍具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本研究選擇中山市當(dāng)?shù)厮酒贩N作為研究對象，在中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大田應(yīng)用復(fù)合改良劑開展對鎘污染土壤和稻米中Cd污染的阻控效果研究，以期評價(jià)復(fù)合改良劑對鎘污染土壤中鎘與水稻植株鎘的阻控效果，初步篩選當(dāng)?shù)氐玩k吸收的水稻品種，探索一種阻控稻米鎘吸收與重金屬污染土壤修復(fù)的有機(jī)無機(jī)復(fù)合改良劑。

1 材料與方法

1.1 材料

選取中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)順迎蔬菜水果專業(yè)合作社水稻田進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)面積0.09 hm2。水稻品種選用附近廣泛種植的馬壩油粘、金農(nóng)絲苗、美香占2號3個(gè)品種作為研究對象，試驗(yàn)周期為1年。試驗(yàn)地土壤與復(fù)合改良劑理化性質(zhì)如表1所示。于當(dāng)年4月播種，處理組為復(fù)合改良劑+常規(guī)田間管理施肥，對照組為常規(guī)田間管理施肥。生物炭是在阿里巴巴網(wǎng)上購買的燒烤木炭，使用前砸碎、過篩制成粒徑≤1 cm的顆粒；硅肥是在當(dāng)?shù)剞r(nóng)資店購買的水稻專用硅肥（稻硅TM），其中硅+鈣+鎂+硫＞38%。復(fù)合改良劑由生物炭、硅肥（稻硅TM）、硫酸鐵和石灰石（Ca-CO3）構(gòu)成，各組分質(zhì)量配比為生物碳∶硅肥∶硫酸鐵∶石灰石為25∶35∶0.4∶50。

表1 水稻試驗(yàn)地土壤與復(fù)合改良劑理化性質(zhì)

復(fù)合改良劑設(shè)置4個(gè)施加水平，分別為0、900、1 800、2 700 kg/hm2，為描述方便分別記為CK、T900、T1800、T2700。在種植水稻前將復(fù)合改良劑均勻撒施于稻田土壤表面，通過多次翻耕使其與耕作層土壤充分混合。種植3個(gè)水稻品種，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)樣方面積為9 m2（3 m×3 m），總計(jì)36個(gè)小區(qū)。所有樣方隨機(jī)區(qū)組排列，且每個(gè)樣方四周均設(shè)置3行水稻作為保護(hù)行，種植密度參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行。

在種植試驗(yàn)過程中每個(gè)月監(jiān)測土壤的總鎘、有效態(tài)鎘和pH，并與對照稻田土壤進(jìn)行比較。田間管理參照當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行。

1.2 分析測定

水稻收獲后采集根系附近的根際土壤，自然風(fēng)干后碾壓，過2 mm尼龍篩，混勻備用。收獲的水稻樣品各部位，分別用去離子水洗凈后，于105℃下殺青30 min，在70℃下烘至恒重。水稻分根系、莖葉、穎殼、糙米這4個(gè)部位采集備用。水稻各部位鎘含量按照GB 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》石墨爐原子吸收分光光度計(jì)法進(jìn)行測定。

本研究土壤重金屬全Cd用GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定》原子吸收分光光度計(jì)測定其含量；有效態(tài)Cd按照GB/T 23739—2009《土壤質(zhì)量有效態(tài)鉛和鎘的測定原子吸收法》測定其含量，稻谷中Cd的含量按照GB 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》石墨爐原子吸收分光光度計(jì)法進(jìn)行測定。所有測定都使用土壤、大米、芹菜等有證的國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度復(fù)合改良劑對水稻不同部位中鎘含量的阻控效果

從表2可以看出，復(fù)合改良劑使用量越多，3個(gè)品種及其4個(gè)部位的鎘含量下降效果越明顯。這表明土壤改良劑可以顯著降低水稻中鎘的含量。在復(fù)合改良劑施加至一定水平時(shí)，糙米的鎘含量均可降到國家標(biāo)準(zhǔn)的限量以內(nèi)。

2.2 水稻3個(gè)品種及其不同部位鎘吸收積累分析

由表2也可看出，對于糙米、穎殼、莖葉和根中鎘含量來說，馬壩品種均顯著低于美香2號，表明不同水稻品種對鎘吸收積累存在品種和器官上的差異。而馬壩品種與金農(nóng)品種4個(gè)部位的鎘含量無統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。馬壩與美香2號2個(gè)品種之間及其不同部位鎘含量存在顯著差異，可能是由于美香2號根系鎘富集能力（0.075 mg/kg）顯著高于馬壩（0.054 mg/kg）所致。此外，水稻不同部位鎘吸收積累也存在顯著差異。土壤中鎘被植物根系吸收后通過維管系統(tǒng)輸送到地上部、葉片和子粒中，在4個(gè)部位鎘含量分布規(guī)律為根＞莖葉＞糙米＞殼。

表2 三個(gè)水稻品種在復(fù)合改良劑不同處理下4個(gè)部位的鎘含量 （單位：mg/kg）

2.3 復(fù)合改良劑對試驗(yàn)田土壤總鎘與有效鎘鈍化效果研究

從表3可以看出，處理后的土壤中總鎘的含量與對照相比差異不顯著。然而，處理土壤中有效態(tài)鎘的含量與對照相比差異顯著。表明復(fù)合改良劑可以明顯降低土壤有效態(tài)鎘的含量，且復(fù)合改良劑用量越多，土壤有效態(tài)鎘的含量降低的效果越明顯。這表明復(fù)合改良劑鈍化土壤中鎘的機(jī)理是使土壤中有效態(tài)的鎘轉(zhuǎn)變?yōu)殁g化狀態(tài)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，馬壩根際土壤有效鎘含量均不低于美香2號，盡管兩者沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異。

表3 三個(gè)水稻品種在復(fù)合改良劑不同處理水平下土壤總鎘和有效鎘含量 （單位：mg/kg）

2.4 pH與鎘離子的鈍化效果

在本試驗(yàn)中，種植季未遇特大暴雨或臺風(fēng)，整個(gè)種植過程土壤的酸堿度相對穩(wěn)定，施用復(fù)合改良劑的對照土壤pH為5.4～5.9、對照土壤pH為4.8～5.4。施用復(fù)合改良劑后，處理土壤的pH大約提高了0.5單位。

本研究中，復(fù)合改良劑的主要組分生物炭、硅肥、石灰石除了對重金屬具有吸附、絡(luò)合和沉淀作用外，土壤pH也均能明顯提升，而土壤pH提升對土壤重金屬具有較好的鈍化效果。這也表明本研究使用的土壤改良劑組分及其配比較為合理，對土壤鎘具有較好的綜合鈍化效果。

3 小結(jié)與討論

3.1 不同水稻品種和水稻不同部位鎘吸收積累存在差異

本研究結(jié)果表明，馬壩油粘4個(gè)部位鎘含量均顯著低于美香2號，而馬壩油粘根際土壤有效鎘含量均不低于美香2號，這暗示不同水稻品種鎘阻控能力方面存在品種間差異，這與吳啟堂等［18］研究結(jié)論一致。根對鎘富集能力的差異在于不同品種根際有機(jī)酸量分泌不同，范洪黎等［19］在研究不同鎘積累型莧菜時(shí)，表明莧菜鎘的生物積累與有機(jī)酸的總量有關(guān)。肖清鐵等［20］研究表明，水稻根系響應(yīng)鎘脅迫蛋白ASR5和HVA22等逆境脅迫蛋白的表達(dá)差異是水稻品種間鎘吸收積累差異的重要原因。Takahashi等［21］鑒定了一個(gè)水稻高水平Cd積累的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsNRAMP1，OsNRAMP1參與了植物體內(nèi)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，且OsNRAMP1在根中的高表達(dá)可能導(dǎo)致Cd在地上部積累的增加。低鎘吸收基因已經(jīng)在水稻中成功克隆，Ishikawa等［22］已經(jīng)成功克隆了一個(gè)水稻低鎘吸收基因（OsNRAMP5），該基因的突變體編碼的缺陷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可降低根系對Cd的吸收，導(dǎo)致秸稈和子粒中Cd的減少。馬壩油粘低鎘吸收水稻品種篩選不僅為當(dāng)?shù)氐玩k吸收水稻品種大規(guī)模推廣提供了可能，也為進(jìn)一步克隆水稻低鎘吸收基因提供了候選水稻品種。

3.2 復(fù)合改良劑對土壤鎘和稻米鎘吸收具有綜合鈍化效應(yīng)

本研究中復(fù)合改良劑組分主要由生物炭、硫酸鐵、硅肥和石灰石組成。不同組分對土壤鎘鈍化機(jī)理不同。研究表明，生物炭以其比表面積大、多孔特點(diǎn)，大量吸附重金屬達(dá)到鈍化重金屬的目的。Ma等［23］研究了玉米秸稈生物炭對水溶液中鎘離子（Cd2+）的吸附特性，表明生物炭能快速高效地去除水中Cd2+，溶液初始pH對吸附有重要作用。Wu等［24］研究表明，生物炭的加入能有效提高退化土壤對鎘的吸附能力，生物炭的添加量、熱解溫度，都能提高生物炭對鎘的降解效果。

Zhu等［25］揭示了生物炭吸附鎘的表面胺化和表面氧化的關(guān)鍵因素，為功能化生物炭的制備提供了理論依據(jù)。有研究表明，鐵與生物炭結(jié)合制備負(fù)載鐵生物炭（BCFe），降低了根際土壤孔隙水As濃度，增加水稻根表鐵膜及其吸附As的數(shù)量，降低了植株As的濃度［26］。

石灰石能提高土壤pH，使土壤中的黏土、有機(jī)質(zhì)或鐵、鋁氧化物的螯合能力加強(qiáng)，增強(qiáng)土壤的吸附能力，降低重金屬的解吸，從而減少了土壤中金屬的可溶性［27，28］。生物炭和石灰石的混合處理降低土壤有效態(tài)鎘含量的時(shí)間比單獨(dú)施用能維持更久［29］。

有報(bào)道，施加含硅材料，如硅酸鈉，可提高土壤的pH，使土壤吸附能力增強(qiáng)［30］。同時(shí)，施入土壤中的硅酸根離子與Cd等重金屬發(fā)生沉淀，或降低植物的可利用性，從而降低重金屬毒害［31-34］。土壤pH與植物Cd含量呈明顯負(fù)相關(guān)［35］。土壤pH的提高有利于土壤黏土礦物及土壤有機(jī)質(zhì)的表面電荷增加，從而增加土壤對重金屬的吸附能力［36］。楊秀敏等［37］研究表明，土壤中可交換態(tài)重金屬Cd、Zn、Pb濃度與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)。此外，隨著土壤pH升高，重金屬的鐵錳氧化態(tài)含量也緩慢升高［38］，從而提高了土壤對鎘的吸附能力。

本研究表明，復(fù)合改良劑使用量與糙米鎘含量呈負(fù)相關(guān)。在鎘污染不嚴(yán)重的農(nóng)田中，復(fù)合改良劑在當(dāng)?shù)厥褂昧繛?00 kg/hm2時(shí)，水稻糙米的鎘含量即可降到國家標(biāo)準(zhǔn)的限量（0.2 mg/kg）以內(nèi)。

因此，本研究使用的復(fù)合改良劑集有機(jī)無機(jī)組分為一體，對土壤中鎘具有綜合鈍化效果，對水稻鎘吸收具有較好的鈍化和阻控效果，為土壤重金屬修復(fù)和復(fù)合改良劑的開發(fā)提供了有益的參考。