淹水灌溉協(xié)同鈍化劑對水稻Cd吸收和積累的影響

關(guān)鍵詞：土壤Cd污染；水稻；安全利用；淹水灌溉；鈍化修復(fù)

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2021年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》表明，影響我國農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬，其中鎘（Cd）為首要污染物。而在我國南方，Cd污染帶來的健康風(fēng)險正在增加。尤其在湖南省，部分地區(qū)超過70%的稻米中Cd含量超過食品污染物標(biāo)準(zhǔn)限值（GB 2672-2022）。因此，對Cd污染農(nóng)田實(shí)施經(jīng)濟(jì)、持續(xù)的修復(fù)治理技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)刻不容緩。

農(nóng)田重金屬污染土壤的修復(fù)方法主要有化學(xué)淋洗、異位固化、原位鈍化、農(nóng)藝調(diào)控等。其中原位鈍化技術(shù)因具有高效、便捷、快速等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)田重金屬污染土壤修復(fù)治理過程中得到廣泛應(yīng)用。目前常用的鈍化劑主要有堿性物質(zhì)或堿性肥料類、含磷類、黏土礦物類以及有機(jī)肥類等。其中，石灰類礦物能顯著提高土壤pH，從而降低土壤中重金屬的活性，減少作物對重金屬的吸收。大量研究結(jié)果表明石灰是最適合用于鈍化土壤中Cd的低成本堿性物質(zhì)。有研究表明，施用石灰能使嚴(yán)格管控區(qū)Cd污染稻田早稻糙米Cd含量降低22.6%～38.7%，晚稻糙米Cd含量降低22.9%～31.8%。施用富含硅鈣的土壤調(diào)理劑可降低土壤中DTPA提取態(tài)Cd含量并改變土壤中Cd的賦存形態(tài)，使水稻糙米Cd含量降低23.1%～71.5%，且其對于不同水稻品種均表現(xiàn)出較好的降Cd效果。有研究表明，施用石灰和富硅鈣的土壤調(diào)理劑可鈍化不同污染源及不同程度的Cd污染土壤中的Cd，并降低糙米中的Cd含量，此外石灰和富含硅鈣的土壤調(diào)理劑價格低廉且易得，廣泛應(yīng)用于我國南方多省的酸性農(nóng)田土壤Cd污染修復(fù)治理。

有研究發(fā)現(xiàn)，淹水處理可降低土壤氧化還原電位（Eh），促進(jìn)土壤中硫酸鹽還原菌等厭氧型微生物的生長。硫酸鹽還原菌可將土壤中的SO2還原成S2-，S2-可與Cd2+形成CdS沉淀從而降低Cd在土壤中的活性，進(jìn)而降低水稻對Cd的吸收和積累。筆者前期研究也發(fā)現(xiàn)，全生育期淹水灌溉處理能降低土壤Eh值并提升土壤pH值，有效減少水稻對Cd的吸收，水稻糙米Cd含量降至0.06～0.10mg·kg-1。楊小粉等的研究表明長期淹水灌溉顯著降低了水稻各部位Cd含量，并有效抑制Cd從莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。然而，在嚴(yán)格管控區(qū)Cd污染稻田僅實(shí)施淹水灌溉、鈍化劑等單一技術(shù)措施均難以實(shí)現(xiàn)水稻的安全生產(chǎn)。單施石灰很難使得嚴(yán)格管控區(qū)Cd污染稻田晚稻糙米Cd含量達(dá)到國家安全食用標(biāo)準(zhǔn)；而在酸性Cd污染土壤中，單施硅鈣基土壤調(diào)理劑對于糙米Cd的降低效果也有待提高。因此在嚴(yán)格管控區(qū)需進(jìn)一步開展淹水灌溉、土壤鈍化劑等多種技術(shù)措施聯(lián)合對水稻Cd吸收和積累的影響研究。

本著價格低廉的原則，選取石灰、土壤調(diào)理劑2種鈍化劑，通過在Cd污染稻田嚴(yán)格管控區(qū)開展田間試驗(yàn)，研究淹水灌溉協(xié)同石灰和市售土壤調(diào)理劑對土壤Cd生物有效性，以及水稻生長和Cd吸收累積的影響，以期為嚴(yán)格管控區(qū)Cd污染稻田修復(fù)和安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

田間試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省懷化市中方縣銅灣鎮(zhèn)竹元頭村（27°34' 14.75”N，110°14' 43.75”E）的某Cd污染嚴(yán)格管控區(qū)稻田，供試稻田土壤初始pH值為5.15，有機(jī)質(zhì)含量為30.22g·kg-1，陽離子交換量（CEC）為42.36cmol·kg-1，土壤總Cd含量與有效態(tài)Cd含量分別為1.14mg·kg-1和0.206mg·kg-1。試驗(yàn)地區(qū)2022年日平均氣溫17℃，年降水量1137.4mm。水稻品種為晶兩優(yōu)華占（秈型兩系雜交一季稻），由袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司提供。

石灰由洪江市建方建材有限公司提供，主要成分為氧化鈣（Ca0≥70%）。土壤調(diào)理劑由南京寧糧生物工程有限公司提供，主要成分為氧化鈣（Ca0≥33%）、二氧化硅（Si02≥28%）、氧化鎂（M90≥5%）和氧化鉀（K20≥2%），pH為10～12。石灰和土壤調(diào)理劑中的Cd含量分別為0.05mg·kg-1和0.08mg·kg-1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)共設(shè)置4個不同處理，并依照前期試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置鈍化劑施用量，分別為施加150kg·hm-2石灰（T1）、施加150kg·hm-2調(diào)理劑（T2）、淹水灌溉（T3）、淹水灌溉并施加150kg·hm-2石灰和150kg·hm-2調(diào)理劑的協(xié)同修復(fù)處理（T4），以不施加任何修復(fù)措施作為對照（CK）。試驗(yàn)區(qū)每個處理田塊面積約為333.3m2，每個處理重復(fù)3次。每公頃地種植水稻約18.75萬穴，每穴兩株。各處理田塊中間以田埂間隔，田埂寬20～30cm，高約30cm，用塑料薄膜包裹覆蓋防止漏水、串水。2022年6月中下旬在各樣方中進(jìn)行水稻晚稻插秧，各樣方四側(cè)均設(shè)置3行水稻保護(hù)行。T3和T4處理保持全生育期淹水灌溉。T1和T2處理的水分管理方式與農(nóng)戶常規(guī)田間管理一致。水稻追肥及病蟲害防治情況與農(nóng)戶常規(guī)田間管理一致。

在水稻種植的成熟期進(jìn)行采樣收獲（9月23日）。每個田塊按照S型布點(diǎn)法采集15株水稻植株。將植株置于尼龍網(wǎng)袋帶回實(shí)驗(yàn)室后依次用自來水、蒸餾水、超純水洗凈，105℃殺青，70℃烘干至恒質(zhì)量。水稻植株分根、莖、葉、糙米和谷殼5個部位分別稱取干質(zhì)量，粉碎后用塑料密封袋保存?zhèn)溆?。同時采集水稻相應(yīng)根際土壤，土樣自然風(fēng)干，磨碎，過10目和100目尼龍篩，保存待測。

1.3樣品分析和測定

土壤pH值用酸度計（PHS-3C，雷磁）測定，固液比為1：2.5；土壤CEC采用氯化鋇一硫酸強(qiáng)迫交換法測定；土壤總Cd含量采用王水一高氯酸消解‘201，土壤有效態(tài)Cd含量采用DTPA提?。℅BIT 23739-2009），消解液和浸提液中的Cd含量采用ICP-AES（ICP 6300，ThermoFisher）測定。水稻植株Cd含量采用干灰化法消解（GBIT 5009-2003），消解液中的Cd含量采用石墨爐一原子吸收分光光度計（2402，Agilent）測定。消解過程以國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)——土壤[GBW（E）-070009]和湖南大米[GBW 10045（GSB-23）]進(jìn)行質(zhì)量控制，Cd的回收率分別為101%～103%和98%～101%。

1.4數(shù)據(jù)分析

富集系數(shù)（BCF）為植物不同部位Cd含量與土壤總Cd含量的比值。

水稻各部位Cd累積量為水稻某部位Cd含量與該部位生物量的乘積。

采用Microsoft Office 2016、IBM SPSS Statistics19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計，所有數(shù)據(jù)為3個重復(fù)樣本的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。所有圖采用Origin 2016進(jìn)行繪制。采用ANOVA單因素分析法和Duncan比較法分析不同處理間的差異，Plt;0.05表示不同處理之間具有顯著差異。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理對水稻生長及產(chǎn)量的影響

從表1可看出，T1、T2、T3和T4處理下水稻分蘗數(shù)和根部生物量與CK處理相比無顯著差異。與CK處理相比，T2和T4處理下水稻株高顯著提高了18.5%和10.4%（Plt;0.05），水稻地上部位生物量提高了23.1%和26.9%，產(chǎn)量提高了27.8%和31.3%，表明施加土壤調(diào)理劑能一定程度促進(jìn)水稻的生長。同時，T4處理下水稻地上部位生物量較T3處理顯著提高了42.5%（Plt;0.05），產(chǎn)量較T1處理顯著提高了57.8%（Plt;0.05），表明淹水灌溉協(xié)同石灰和土壤調(diào)理劑可一定程度促進(jìn)水稻的生長和產(chǎn)量的提高。

2.2不同處理對土壤pH和CEC的影響

淹水灌溉協(xié)同石灰和調(diào)理劑處理下水稻根際土壤pH值和CEC變化分別如圖1（a）和圖1（b）所示。由圖1（a）可知，與CK處理相比，T1-T4處理下土壤pH值均顯著提升（Plt;0.05），尤其是T4處理下土壤pH值增幅可達(dá)0.97個單位。同時，T4處理下土壤pH值較T1和T2處理分別顯著提高0.52個和0.32個單位。由圖l（b）可看出，T1和T4處理下土壤CEC較CK分別提高8.1%和5.0%，但差異不顯著。因此，淹水灌溉協(xié)同石灰和調(diào)理劑能顯著提高土壤pH。

2.3不同處理對土壤Cd生物有效性的影響

由圖2看出，在T1～T4處理下土壤DTPA提取態(tài)Cd含量均低于CK處理，尤其是T4處理下土壤DTPA提取態(tài)Cd含量顯著降低36.4%。同時T4處理下土壤DTPA提取態(tài)Cd含量較T1、T2和T3處理分別降低5.6%、10.6%和14.7%，表明淹水灌溉協(xié)同石灰和調(diào)理劑能進(jìn)一步有效降低土壤Cd的生物有效性。

2.4不同處理對水稻Cd吸收和累積的影響

由圖3可知，在T1和T2處理下水稻莖部Cd含量與CK相比分別顯著降低57.9%和63.5%（Plt;0.05），谷殼Cd含量分別顯著降低45.0%和60.8% （Plt;0.05），但糙米Cd含量無顯著降低，表明單一石灰和調(diào)理劑可一定程度降低水稻對Cd的吸收。然而，T3和T4處理下水稻各部位Cd含量較CK處理均顯著降低（Plt;0.05），其中根降低了40.4%和63.0%，莖降低了72.1%和80.3%，葉降低了54.3%和42.4%，谷殼降低了57.2%和61.5%，糙米部位降低了51.4%和67.8%，尤其是T4處理下糙米Cd含量為0.15mg·kg-1，達(dá)到食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（GB2762-2022），表明淹水灌溉協(xié)同石灰和調(diào)理劑可有效降低水稻Cd吸收并實(shí)現(xiàn)糙米的安全生產(chǎn)。

2.5不同處理對水稻Cd總累積量和富集能力的影響

由圖4可知，淹水灌溉、石灰和調(diào)理劑，以及淹水灌溉協(xié)同兩種調(diào)理劑均能有效降低水稻各部位Cd的BCF值。尤其在T4處理下，水稻根、莖、葉、谷殼和糙米對Cd的BCF值較CK處理分別顯著降低63.0%、80.3%、42.5%、20.1%和67.8% （Plt;0.05）．表明淹水灌溉協(xié)同石灰和調(diào)理劑能有效降低水稻各部位對Cd的富集能力。

由圖5可進(jìn)一步看出，T1-T4處理下水稻Cd總累積量均顯著低于CK處理（Plt;0.05），降低了36.0%-66.5%。其中，水稻地上和地下部位Cd累積量均在T4處理下達(dá)到最小值。T4處理下，水稻根、谷殼和糙米的Cd累積量較CK處理分別顯著降低65.3%、64.4%和62.8%（Plt;0.05），表明淹水灌溉協(xié)同石灰和調(diào)理劑能有效降低水稻對Cd的累積。

3討論

在本試驗(yàn)中，淹水灌溉協(xié)同石灰和調(diào)理劑處理下水稻株高和產(chǎn)量與CK相比均有顯著增加的趨勢（表1）。有研究結(jié)果表明，淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)措施中的土壤調(diào)理劑富含大量水稻生長所必需的微量營養(yǎng)元素如Ca、Si等，可一定程度上促進(jìn)水稻分蘗和光合作用物質(zhì)積累，從而促進(jìn)水稻生長并提高水稻產(chǎn)量。外源施加Si顯著提高了水稻光合速率和蒸騰效率，顯著改善了其光合作用。因此可以推測，淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)有利于水稻的生長和產(chǎn)量的提高。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，T1-T4處理下土壤pH均高于CK處理（圖1），而土壤DTPA提取態(tài)Cd含量均低于CK處理（圖2）。石灰和土壤調(diào)理劑均屬于堿性物質(zhì)，可有效調(diào)節(jié)土壤酸堿度從而提高土壤pH。同時，連續(xù)淹水處理也可使微酸性土壤的pH提升至中性，而pH值是控制土壤Cd有效性的關(guān)鍵驅(qū)動因素。本試驗(yàn)中T4處理下土壤中有效態(tài)Cd含量與CK相比顯著降低（圖2）。土壤pH值的升高，可增加土壤中Fe（Ⅲ）氧化物對Cd的吸附能力，促進(jìn)Cd2+與OH-形成金屬氧化物沉淀，從而導(dǎo)致土壤中有效態(tài)Cd顯著降低。淹水灌溉還可刺激鐵還原菌和硫還原菌活性，促進(jìn)根際土壤中Fe（Ⅲ）和S的還原，增加Fe2+和S2-的含量，進(jìn)而促進(jìn)Cd與無定形鐵氧化物和硫化物或鐵硫化物的結(jié)合，從而降低有效態(tài)Cd含量。土壤調(diào)理劑中富含的Si離子可與土壤中的Cd形成Si-Cd絡(luò)合物，從而降低土壤中Cd的有效性。因此，淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)相較于單一修復(fù)處理更能有效地降低土壤中Cd的生物有效性。

在淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)處理下，水稻體內(nèi)Cd含量、Cd累積量、Cd的富集能力均顯著降低（圖3-圖5），且淹水處理對降低水稻糙米部位Cd含量的效果均明顯好于施加石灰和調(diào)理劑處理（表2），表明淹水灌溉在降低水稻Cd累積過程中起著重要的作用。有研究表明，持續(xù)淹水處理顯著下調(diào)水稻根部OsN-rampl和O.sLCD基因的相對表達(dá)量，進(jìn)而降低水稻Cd的累積量。長期淹水灌溉可促進(jìn)水稻根際徑向氧損失（ROI）屏障形成，從而促進(jìn)水稻根表鐵膜的形成，進(jìn)而減少水稻對Cd的吸收。淹水灌溉措施可使梭狀芽胞桿菌等厭氧菌的豐度增加，導(dǎo)致更多的Cd保留在根細(xì)胞壁中，從而抑制Cd從根到莖部的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)。Zeng等通過連續(xù)兩季淹水灌溉使得嚴(yán)格管控區(qū)Cd污染稻田中Cd在水稻莖到葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著降低28.1%-51.1%，土壤可交換態(tài)Cd含量顯著降低46.2%-55.2%，糙米Cd含量也顯著降低。石灰和調(diào)理劑的施用也能夠降低水稻植株中Cd的含量。調(diào)理劑中富含的營養(yǎng)元素陽離子（如Ca2+等）可與Cd2+競爭陽離子吸收通道，進(jìn)而降低水稻植株中Cd的積累。Wei等的研究發(fā)現(xiàn)，同時施用石灰和富Si的土壤調(diào)理劑可提高土壤pH值，且Si2+可通過增加Cd在細(xì)胞壁和植物汁液中的吸附和沉淀來減少其向質(zhì)外體和共質(zhì)體的運(yùn)輸。Yang等在Cd污染農(nóng)田施用LS（石灰+海泡石）的長期定位研究表明，LS連續(xù)三季均有效降低了土壤有效態(tài)Cd含量并降低了水稻Cd累積風(fēng)險，且在三季連續(xù)施用4500kg·hm-2 LS時，土壤酸可提取態(tài)Cd含量顯著降低了81.7%，水稻糙米Cd含量小于0.2mg·kg-1。Li等在淹水灌溉條件下施加坡面霉石后，土壤有效態(tài)Cd和糙米Cd含量分別降低了17.6%～44.1%和16.7%～55.6%，糙米Cd含量也小于0.2mg·kg-1。綜上分析可知，淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)處理對降低水稻Cd吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的效果好于單一淹水灌溉處理和單一鈍化修復(fù)處理。淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)措施主要通過淹水灌溉措施使得土壤有效態(tài)Cd含量降低，水稻植株對Cd的吸收減少，并進(jìn)一步通過施用石灰和調(diào)理劑提高土壤pH值、鈍化土壤中的Cd，降低水稻植株對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而達(dá)到更好的修復(fù)效果。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，在Cd污染嚴(yán)格管控區(qū)稻田，淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)（石灰+調(diào)理劑+淹水灌溉）可有效降低土壤中Cd的生物有效性和水稻Cd吸收，在該措施下，水稻糙米Cd含量低于國家安全食用標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762-2022），且該措施有一定的增產(chǎn)效果。通過以稻米Cd含量降低百分?jǐn)?shù)為指標(biāo)計算出協(xié)同修復(fù)措施降低糙米Cd含量的理論效果與實(shí)際效果相比較（表2），可看出T4處理降低糙米Cd含量的實(shí)際效果（67.8%）好于理論效果（59.3%）。同時單一技術(shù)處理中T3對糙米Cd含量降低達(dá)到51.4%，明顯高于鈍化劑處理，表明組合技術(shù)中淹水灌溉處理對于降低糙米Cd含量的貢獻(xiàn)高于鈍化劑處理。本試驗(yàn)中使用的石灰和硅鈣基土壤調(diào)理劑較為廉價，每公頃成本為4500～6000元，操作也較為便利。對于灌溉而言，在Cd污染土壤中種植水稻應(yīng)采取全生育期淹水以保證其產(chǎn)量和食用安全，但在水資源緊張時也可考慮采取間歇灌溉的方式。也有相關(guān)研究表明，在堿性土壤，如石灰性土壤中，長期淹水灌溉并不能有效降低土壤中Cd的有效性，而應(yīng)考慮其他水分管理措施，且在堿性土壤中施用石灰或含鈣的土壤調(diào)理劑可能會導(dǎo)致土壤pH降低、土壤Cd的活化和作物產(chǎn)量降低。因此，在酸性Cd污染嚴(yán)格管控區(qū)稻田，淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)措施是一種有效修復(fù)農(nóng)田、降低水稻Cd積累的方法。在后期的研究中，淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)效果的長效性、穩(wěn)定性還需開展長期定位研究。

4結(jié)論

（1）淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)可一定程度促進(jìn)水稻的生長和生產(chǎn)。在淹水灌溉協(xié)同施加石灰和鈍化劑處理下水稻株高和產(chǎn)量較對照分別增加10.4%和31.3%。

（2）淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)措施可降低土壤中Cd的生物有效性，以及水稻對Cd的吸收。在淹水灌溉協(xié)同施加石灰和調(diào)理劑處理下，土壤有效態(tài)Cd含量和糙米Cd含量較對照分別降低了36.4%和67.8%，且糙米Cd含量低于食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）淹水灌溉協(xié)同鈍化修復(fù)技術(shù)降低了水稻對Cd的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，是一種有效用于嚴(yán)格管控區(qū)Cd污染稻田的安全生產(chǎn)技術(shù)措施。