秸秆还田下改良剂对水稻生长和Cd吸收积累的影响

林鸾芳，王昌全，李 冰，郑顺强，陈佳娜，李 洲

四川农业大学资源环境学院，四川 成都 611130

秸秆还田下改良剂对水稻生长和Cd吸收积累的影响

林鸾芳，王昌全*，李 冰，郑顺强，陈佳娜，李 洲

四川农业大学资源环境学院，四川 成都 611130

土壤中的镉（Cd）易在水稻中积累而威胁人体健康，秸秆还田下不同化学改良剂对水稻Cd吸收累积特性的影响效应值得关注。选取成都平原德阳市旌阳区Cd污染稻田为研究对象，开展小区试验，研究秸秆（油菜、小麦）直接还田下添加石灰、钙镁磷肥、海泡石3种改良剂对水稻生长和Cd吸收累积的影响。结果表明：与对照相比，油菜秸秆+钙镁磷肥和小麦秸秆+海泡石处理均能增加水稻株高、分蘖数和产量，其中产量提高了6.34%和12.64%，达显著水平（P＜0.05）。秸秆还田下，配施改良剂（石灰、钙镁磷肥、海泡石）均能显著降低（P＜0.05）水稻糙米Cd含量，较对照降幅分别为21.65%～36.75%（油菜秸秆还田）和21.11%～33.87%（小麦秸秆还田）。油菜秸秆+改良剂（石灰、钙镁磷肥、海泡石）促进了土壤Cd向茎叶的累积，较对照增加1.31～2.41倍，这对水稻秸秆（茎叶）还田利用有不利影响。小麦秸秆+石灰或海泡石处理均显著降低了茎秆、谷壳Cd积累，较对照降幅为6.28%～19.63%和70.16%～78.68%。综合水稻产量及其对土壤Cd吸收累积效应，油菜秸秆配合改良剂（海泡石、石灰和钙镁磷肥）、小麦秸秆+海泡石是较为理想的秸秆还田与改良剂配合处理技术。

秸秆还田；改良剂；水稻；镉

社会经济的快速发展和城镇化的加速扩张已导致重金属污染问题愈发严重，重金属污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性等特点，土壤一旦被污染，短期内很难消除（杨国栋和孙立宏, 2001）。镉（Cd）是生物中毒性最强的重金属之一，它在生物圈中的移动性很大、毒性强（Moreno等, 2000），非常容易被植物吸收并累积，并通过食物链的富集危害人体的健康（Zheng等, 2007; Grant和Sheppard, 2008），被视为重金属中比较突出并且十分具有危害性的一种污染元素（Zhang等, 2012）。水稻是我国主要消费的粮食作物（唐海明等, 2012），65%以上的人口是以稻米为主食，Cd易在水稻中累积，直接威胁着稻米安全生产问题（Hu等, 2006; Ding等, 2012）。重金属在土壤中具有移动性差、积累性及不易被微生物降解等特点，其治理和修复难度大（Basta等, 2008）。由于大量的污染土壤不能采取直接清除方法有效解决，则施用化学改良剂改变土壤重金属行为的原位稳定化技术对控制作物吸收重金属具有重要的现实意义（秦文淑等, 2011; 刘维涛和周启, 2010）。这种重金属污染的治理方法因其经济可行且不破坏土壤结构等优势被广泛应用（Chen等, 2000）。研究表明，石灰、钙镁磷肥等能提高土壤pH，海泡石因具有较强的表面吸附和离子交换能力，均能降低土壤重金属有效性，减少作物对重金属的吸收（钱海燕等, 2007; Li等, 2008; 徐明岗等, 2007）。

目前，改良剂对作物生长、土壤重金属形态和作物籽粒重金属累积等方面研究较多（李丽君等, 2014; 南江宽等, 2013），但是针对成都平原典型Cd污染区域，在秸秆还田技术应用的基础上，不同改良剂的原位修复效应方面尚无相关报道。本研究采用野外原位修复技术，在秸秆（油菜、小麦）直接还田下，开展小区试验，比较了石灰、钙镁磷肥、海泡石3种改良剂对水稻生长和Cd吸收累积的影响，探讨秸秆还田条件下，不同改良剂对重金属Cd污染区域的作物效应差异，为重金属污染农田土壤修复治理和可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点选在沱江流域的重要支流—石亭江沿岸，德阳市旌阳区天元镇(30°6′N，104°16′E)，该地属于亚热带湿润季风气候，年降水量为893 mm，年均日照1251.5 h，年均温为16.1 ℃。

田间试验于2012年5～9月进行，土壤类型为典型的潴育型水稻土（系统分类：普通铁聚水耕人为土（龚子同, 1999）），灰棕潮泥田土种，土壤质地为中壤土，水旱轮作模式为稻麦轮作或稻油轮作，前期采样监测表明该区域稻田土壤处于中度—重度Cd污染。试验选取相邻2块试验田，面积约0.33 hm2，基本理化性质如表1所示。

1.2 供试材料

本研究所采用的无机改良剂主要是海泡石、石灰、钙镁磷肥，秸秆直接还田材料分别为小麦秸秆、油菜秸秆，常规化肥选取尿素和复合肥。

供试材料Cd含量分别为：尿素（0.004±0.002）mg·kg-1，复合肥（40%）（0.324±0.127）mg·kg-1，油菜秸秆（0.290±0.013）mg·kg-1，小麦秸秆（0.179±0.024）mg·kg-1，海泡石（0.082±0.012）mg·kg-1，钙镁磷肥（1.344±0.251）mg·kg-1，石灰未检出。

1.3 试验设计

试验设计为5个处理，每个小区面积为30 m2，3次重复。稻麦轮作和稻油轮作2块试验田，共计30个试验小区。试验设计方案见表2。

改良剂在水稻种植前与秸秆（小麦或油菜）一起翻耕（0～15 cm）压入各试验田内，秸秆为全量破碎翻埋入田，秧苗移栽时施入咏田（40%）复合肥（氮磷钾肥比例为28:6:6）做底肥，尿素（46%）分2次施入，一次做底肥，一次在分蘖期做追肥施用。

秸秆直接还田折算用量为：小麦秸秆9000 kg·hm-2，油菜秸秆9600 kg·hm-2；改良剂折算用量分别为：海泡石20000 kg·hm-2，石灰6300 kg·hm-2，钙镁磷肥22500 kg·hm-2；化学肥料用量为，复合肥375 kg·hm-2，尿素300 kg·hm-2。

1.4 样品采集与分析

（1）土壤样品采集与分析

田间试验开始之前，分别在稻麦轮作、稻油轮作试验区采用“间试形法布点土壤样点，混合均匀取1.0 kg湿土带回实验室，自然风干后，分别磨细过尼龙筛（20目，100目），装瓶备用。土壤碱解氮含量测定采用碱解扩散法；有效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用1 mol·L-1NH4Ac浸提，火焰光度法测定含量；土壤pH采用Mettler Toledo 320 pH计测定，土水质量比为1:2.5；土壤中Cd采用王水-高氯酸消化，原子吸收分光光度法测定（鲍士旦, 2005）。

（2）水稻农艺性状观察与测定

种植期间，每个小区水稻田间管理措施完全一致，水稻农艺性状主要测定其营养生长期（移栽后30 d）、生殖生长期（移栽后60 d）株高，植株分蘖数；水稻成熟期（移栽后90 d）随机在每个小区内选取5穴水稻样品进行考种分析，主要测定稻谷干重，生物量。

（3）水稻样品采集及Cd含量测定

水稻成熟期随机在每个小区内选取5穴水稻样品，按照根系、秸秆、籽粒分离后，先用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗2遍，装袋放至烘箱，先在105 ℃杀青15～20 min，再在70～80 ℃下烘干至恒重(48 h)，然后磨碎、过筛(40目)处理，用HNO3-HClO4消解法进行分析测定，同时添加消煮空白和标准样品进行质量控制和回收率校正，石墨炉-火焰原子吸收光谱法测定水稻根系、秸秆、籽粒中Cd的含量。

1.5 数据处理方法

数据统计均采用Excel 2007，数据处理采用SPSS 13.0中LSD方法进行差异显著性检验（P＜0.05）。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 The properties of tested soil

表2 秸秆+改良剂试验方案设计Table 2 Experiment design of amendments based on straw returning

2 结果与分析

2.1 秸秆还田下不同改良剂对水稻生长发育的影响

2.1.1 水稻株高和分蘖数

本文主要对比营养生长期（30 d）和生殖生长期（60 d）水稻在株高、分蘖数之间的差异（表3和表4）。

油菜秸秆还田下，水稻营养生长期（30 d）和生殖生长期（60 d）的平均株高均以添加钙镁磷肥的最高，分别达到61.55和102.55 cm，比对照增加15.91%和11.35%（P＜0.05）。分蘖数在营养生长期30 d和60 d时均以添加石灰的处理最多，比对照增加了57.83%和69.63%（P＜0.05）。与油菜秸秆单独还田处理相比，添加改良剂处理其株高和有效分蘖数在营养生长期（30 d）和生殖生长期（60 d）均表现较优。

小麦秸秆还田下，水稻营养生长期（30 d）和生殖生长期（60 d）的平均株高均以添加海泡石的处理最高，分别达到58.79和99.79 cm，较对照增加了3.14%和3.95%（P＜0.05），较小麦秸秆单独还田处理增加了6.54%和4.84%（P＜0.05）。有效分蘖数方面，添加改良剂的处理较小麦秸秆单独还田处理略有增加，但与对照相比均下降，这说明小麦秸秆还田下，添加改良剂对水稻的生长发育影响效果不明显，甚至还有一定的抑制作用。总的来说，在油菜秸秆还田下，可以添加石灰，有助于水稻分蘖，促进生长；而小麦秸秆还田下，适当添加海泡石有助于水稻生长发育。

2.1.2 稻谷产量和水稻生物量

生物量是反映植物生长状况的最直接指标，从表5可以看出，在油菜秸秆还田下，稻谷的干重和生物量以添加钙镁磷肥的处理最大，分别达到9690和19380 kg·hm-2，较对照处理（常规施肥）均增加了6.34%，且均达到显著水平（P＜0.05）。与油菜秸秆单独还田处理相比，添加改良剂的处理其稻谷干重和生物量均显著增加。小麦秸秆还田下，添加海泡石的处理后，稻谷的干重和生物量均最大，分别达9134.67和18269.33 kg·hm-2，较对照处理（常规施肥）均增加了12.64%，达到显著水平（P＜0.05）。与小麦秸秆单独还田相比，添加石灰的处理其稻谷的干重和生物量均显著下降，而添加海泡石和钙镁磷肥的处理则表现为显著增加。总的来看，油菜秸秆还田下，添加石灰和钙镁磷肥，有利于增产和增加生物量；小麦秸秆还田下，施用钙镁磷肥和海泡石处理水稻的生物量较高，能改善作物生长。

表3 秸秆还田+改良剂处理下水稻营养生长期（30 d）的农艺性状Table 3 Effect of different amendments on the agronomic traits of rice in vegetative growth stage (30 d) based on straw returning

表4 秸秆还田+改良剂处理下水稻生殖生长期（60 d）的农艺性状Table 4 Effect of different amendments on the agronomic traits of rice in reproductive growth stage (60 d) based on straw returning

表5 秸秆还田+改良剂处理下收获期稻谷产量和水稻生物量Table 5 Effect of different amendments on the output and dry biomass in harvest of rice based on straw returning

2.2 秸秆还田下不同改良剂对水稻Cd吸收累积的影响

秸秆还田+改良剂处理下水稻各部位Cd吸收累积与转运的影响见表6、表7。在油菜秸秆还田下，添加化学改良剂处理均能降低根系Cd含量，较对照处理（常规施肥）降低幅度为35.43%～40.95%（P＜0.05），较油菜秸秆单独还田处理降低幅度为38.65%～44.74%（P＜0.05），但均显著促进了茎叶和谷壳Cd积累。小麦秸秆还田下，添加改良剂处理效应各不相同，仅有添加海泡石处理较对照（常规施肥）处理，根系Cd含量降低了22.95%（P＜0.05），而茎叶中Cd含量则以添加石灰处理较对照降低了，其比例为19.63%，达显著水平（P＜0.05），小麦秸秆单独还田处理较对照处理显著降低了根系、茎叶和谷壳Cd含量，添加改良剂均显著降低了谷壳Cd含量，且降低效应尤其明显。

糙米是水稻的主要食用部分，在油菜秸秆还田的基础上，施入改良剂均能显著降低水稻籽粒中糙米Cd含量（表7），较对照处理降低了21.65%～36.75%，较油菜秸秆单独还田处理降低了11.00%～28.15%。在小麦秸秆还田下，与常规对照相比，施入改良剂均能显著降低水稻籽粒中糙米Cd含量，降低幅度为21.11%～33.87%（P＜0.05），而较小麦秸秆单独还田处理，施入改良剂则增加了糙米Cd含量。

转运系数是指糙米Cd含量与根系Cd含量的比值，可用来评价植物将重金属从根系向地上部的迁移能力，转运系数越大，表明重金属在植物体内越容易向可食部分迁移（刘晓婷等, 2011），从表7可以看出，油菜秸秆还田下，只有油菜秸秆单独还田和油菜秸秆+海泡石的处理较常规对照处理才略微有所下降，但整体转运系数较低。而小麦秸秆+改良剂处理中，除了小麦秸秆+海泡石处理略有提高外，其余处理均较对照不同程度的降低了Cd的转运系数。

总的来看，油菜秸秆还田下，添加改良剂处理均显著降低了根系Cd含量，但提高了茎叶Cd含量，增加了谷壳Cd的积累，降低了糙米Cd含量，且转运系数较低；小麦秸秆还田下，添加钙镁磷肥处理显著增加了水稻根系和茎秆Cd含量，但降低了谷壳和糙米Cd含量，添加石灰处理则提高了根系Cd含量，降低了茎秆、谷壳和糙米Cd含量，添加海泡石处理则显著降低了水稻各部位Cd含量，有效抑制了Cd向地上部分转运，降低了水稻可食用部分Cd含量。

表6 秸秆还田+改良剂处理下水稻各部分Cd吸收累积的影响Table 6 Effect of different amendments on Cd content of the various parts of rice o based on straw returning

表7 秸秆还田+改良剂处理下水稻糙米Cd质量分数和转运系数Table 7 Effect of different amendments on Cd content in brown rice and transfer coefficient based on straw returning

3 讨论

在Cd污染的稻田中，进行秸秆还田，配合施用改良剂，能有效促进水稻生长发育。添加钙镁磷肥和海泡石处理能促进水稻株高和分蘖数，提高生物量。油菜秸秆还田下，水稻产量和生物量增加效应以钙镁磷肥＞石灰＞海泡石的规律呈现；小麦秸秆还田下，则以添加海泡石和钙镁磷肥的产量和生物量促进效应较为明显，石灰处理呈现一定的负效应。这与相关研究报道（王林等, 2012; 张青等, 2010; 孙约兵等, 2012; 徐明岗等, 2009; 屠乃美等, 2000）的结果存在一定差异，这可能是因为，本研究是在秸秆直接还田基础上添加石灰、钙镁磷肥和海泡石3种改良剂，2种物质配合施用后对水稻生长发育的影响，可能涉及有机物的降解与无机改良剂之间的相互作用，其具体机制有待进一步研究。

从Cd在水稻体内的分配来看，各个处理水稻Cd含量呈现出：根＞茎叶＞稻谷的特点，这与武淑华等（2002）的研究一致，说明根系和茎叶对Cd产生了明显的截留作用。秸秆（油菜秸秆和小麦秸秆）还田的基础上，施入改良剂均能显著降低水稻糙米Cd含量，分别降低了21.65%～36.7%和21.11%～33.87%（P＜0.05）。与常规对照处理相比，秸秆还田下添加改良剂对水稻根系、茎秆和谷壳Cd含量的影响，则因还田秸秆类型不同有所差异。油菜秸秆还田下，添加改良剂处理均显著增加了谷壳和茎秆Cd含量，降低了根系Cd含量，促进了土壤Cd由地下部分向地上部分迁移，可能对水稻秸秆的安全利用产生不利影响。小麦秸秆还田下添加改良剂处理的效应差异较大，小麦秸秆+石灰处理则促进了根系Cd的吸收，但显著降低了茎秆、谷壳和糙米Cd的积累，抑制了地上部分Cd的积累；小麦秸秆+钙镁磷肥则表现为提高水稻根系和茎秆Cd含量，显著降低了谷壳和糙米Cd含量，虽然促进了水稻体内Cd的积累，但主要积累在水稻根系和茎秆之中，降低了水稻可食部分的Cd积累；小麦秸秆+海泡石处理降低了水稻根系、茎秆、谷壳和糙米各个部位Cd的积累，有效抑制了Cd向地上部分转运，降低了水稻可食用部分Cd含量，是一种较好的配合处理。

我国食品卫生标准GB 2762-2012（中华人民共和国卫生部, 2012）规定，稻米Cd质量分数的限制值为0.2 mg·kg-1。本研究中糙米Cd含量均略大于0.2 mg·kg-1，这是因为试验区稻田土壤Cd含量超标（秦鱼生等, 2013），土壤Cd含量与水稻Cd吸收累积间有明显的相关关系（张红振等, 2010）。

4 结论

（1）油菜秸秆还田下，配合施用改良剂（海泡石、石灰和钙镁磷肥）均能有效促进水稻的生长发育，有效降低糙米Cd含量，但显著增加了茎秆，谷壳的Cd含量，促进了土壤Cd由根系向茎叶、谷壳等部位的迁移，这可能对水稻地上部分（秸秆和谷壳等）的还田循环利用带来不利影响。

（2）小麦秸秆还田下，添加海泡石和钙镁磷肥处理对水稻产量和生物量促进效应明显，添加石灰处理呈现一定的负效应。添加海泡石处理显著降低了茎秆、谷壳和糙米Cd的积累，既有利于水稻地上部分的还田循环利用，又可以有效降低水稻可食用部分Cd的积累，是较为理想的秸秆还田+改良剂配合处理措施。

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Effect of Amendments on Rice Growth and Cd Uptake Based on Straw Returning

LIN LuanFang, WANG ChangQuan*, LI Bing, ZHENG ShunQiang, CHEN JiaNa, LI Zhou
College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China

Soil cadmium (Cd) was easy to accumulate in rice and threat to human health. The effects of chemical amendments on Cd absorption characteristic in rice under the rice straw returning was worthy of attention. The cadmium (Cd) contaminated paddy field was selected as the experiment plots in Jingyang, Deyang city, Chengdu Plain. The effects of three chemical amendments (lime, calcium-magnesia phosphate fertilizer and sepiolite) on the rice growth, Cd uptake and accumulation in rice were studied under the straw (rape and wheat) returning directly in the plot experiment. The results showed, compare with the conventional treatment, the calcium-magnesia phosphate fertilizer addition based on the rape straw returning and the sepiolite addition based on the wheat straw returning, which could promote the rice height, tiller number and rice yield, increased the rice yield for 6.34% and 12.64% respectively, the promoting effects were significant (P＜0.05). The chemical amendments (lime, calcium-magnesia phosphate fertilizer and sepiolite) addition based on the straw returning reduced the content of Cd in brown rice effectively, reduced the ratio of 21.65%～36.75% (rape straw returned), and 21.11%～33.87% (wheat straw returned) respectively (P＜0.05). All the amendments (lime, calcium-magnesia phosphate fertilizer and sepiolite) treatments based on the rape straw returning, which promoted the Cd accumulation in rice stem and leaf, increased for 1.31～2.41 times compared to the conventional treatment (P＜0.05). This may be have an adverse impact on the rice aboveground (stem and leaf) recycling in paddy field directly. The lime or sepiolite addition based on the wheat straw returning reduced the accumulation of cadmium in the stalks, chaff, and brown rice significantly, which reduced the ratio of 6.28%～19.63% and 70.16%～78.68% respectively compared with the conventional treatment(P＜0.05). Comprehensive the rice yield and Cd absorption in rice, the chemical amendments (lime, calcium-magnesia phosphate fertilizer and sepiolite) addition based on the rape straw returning and the sepiolite addition based on the wheat straw returning were the ideal cooperation treatment of straw returning and chemical amendments.

straw returning; amendments; rice; cadmium (Cd)

X53

A

1674-5906（2014）09-1492-06

林鸾芳，王昌全，李冰，郑顺强，陈佳娜，李洲. 秸秆还田下改良剂对水稻生长和Cd吸收积累的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(9): 1492-1497.

LIN LuanFang, WANG ChangQuan, LI Bing, ZHENG ShunQiang, CHEN JiaNa, LI Zhou. Effect of Amendments on Rice Growth and Cd Uptake Based on Straw Returning [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1492-1497.

国家科技支撑计划项目（2012BAD14B18）；四川省科技厅项目（2011NZ0063；2012JZ0003）；四川省教育厅项目（12ZA278）

林鸾芳（1988年生），女，硕士研究生，主要研究方向土壤与环境质量可持续。E-mail：linluanfang@126.com

*通信作者：王昌全（1962年生），男，教授，主要从事土壤与环境可持续研究。E-mail: w.changquan@163.com

2014-06-26