牛粪配合无机改良剂对稻田土壤Cd赋存形态及生物有效性的影响

杨　兰,李　冰①,王昌全,郭　勇,肖　瑞,张庆沛,郑顺强

(1.四川农业大学资源学院,四川 成都　611130;2.四川省德阳市旌阳区农业局,四川 德阳　643000)



牛粪配合无机改良剂对稻田土壤Cd赋存形态及生物有效性的影响

杨兰1,李冰1①,王昌全1,郭勇2,肖瑞1,张庆沛1,郑顺强1

(1.四川农业大学资源学院,四川 成都611130;2.四川省德阳市旌阳区农业局,四川 德阳643000)

摘要：选取四川省德阳市旌阳区天元镇Cd污染稻田，通过牛粪与3种无机改良剂海泡石(DS)、石灰(DL)、钙镁磷肥(DP)配施，研究了有机无机混合改良剂对土壤重金属Cd的生物有效性以及水稻吸收累积Cd的影响。结果表明，稻麦轮作下，DS、DL和DP处理对糙米Cd含量较牛粪单独处理(D)降低50%～70%，且均低于GB 2762─2012《食品中污染物限量》中的Cd污染标准。DP处理促进了茎秆中Cd的累积，这可能加大稻草秸秆还田对冬季作物Cd污染风险；在水稻分蘖期和成熟期DS、DL和DP处理土壤可交换态Cd含量均降低，且稻油轮作下DL和DP处理比CK处理分别降低42%和44%，稻麦轮作DS和DL处理则分别降低48%和53%。同时，DS、DL和DP处理均增加了有机碳(SOC)和可溶性有机碳(DOC)含量，DL处理显著提高了土壤pH值。水稻成熟期土壤可交换态Cd含量下降是降低糙米Cd含量累积的主要因子；DS、DL和DP处理提高了土壤pH值，降低了土壤DOC含量，从而降低土壤Cd活性形态含量，减小了其通过生物富集进入食物链的风险。总体来看，DS和DL处理可作为稻米安全生产优先选择的农艺调控技术措施。

关键词：Cd；改良剂；生物有效性；水稻；赋存形态；土壤

Cd是主要的重金属污染元素之一,能通过食物链传递与富集对农业生态系统和人类健康产生严重危害[1]。水稻(Oryzasativa)是我国第一大粮食作物,我国65%以上人口以稻米为主食[2]。研究表明,Cd易在水稻中累积,即使在低污染土壤中种植,其籽粒中Cd也很容易超过GB 2762─2012《食品中污染物限量》中的Cd污染标准(<0.2 mg·kg-1),直接威胁稻米安全生产[3-4]。近年来农田Cd污染进一步加剧,稻米Cd超标事件不断增长,引起了国内外学者的广泛关注[5-6]。

土壤中Cd具有移动性差、不易被微生物降解等特点,治理和修复难度较大。原位钝化技术以其廉价及不影响农作物耕作的优点成为目前土壤重金属污染治理最有效的方法之一[7-8]。钝化物料能通过促进土壤重金属从活性较高的水溶态或可交换态向活性较低的铁锰氧化物结合态、有机物结合态或残渣态转化,从而降低土壤重金属的生物活性[9-10]。土壤改良剂主要以有机物、无机化学物料、黏土矿物等为主,但不同的改良剂对重金属固定效果不同,如石灰、钙镁磷肥等能提高土壤pH值,显著降低土壤中Pb、Cd、Zn的有效性[11-12];海泡石具有较强的表面吸附和离子交换能力,能显著降低土壤中Cd的有效性,减少作物对重金属的吸收[13-14];牛粪不仅可作为土壤肥力改良剂,也可通过增加土壤阳离子交换量及难溶性金属有机络合物等方式降低土壤重金属的生物可利用性[15]。一般而言,不同改良剂的组配比单一改良剂的修复效果更佳[16-18],然而这些改良剂的组配主要是在无机物之间,有机无机改良剂混合组配应用于大田试验的报道较少。因此,笔者采用大田试验方式,在稻米-油菜(稻油)和稻米-小麦(稻麦)轮作方式下,将牛粪分别与3种无机改良剂(海泡石、石灰、钙镁磷肥)进行组配,研究其对Cd污染稻田土壤重金属的生物有效性和水稻对Cd吸收累积的影响,以期为改良剂在Cd污染稻田土壤的修复和粮食作物的安全生产提供一些参考。

1材料与方法

1.1供试地点

试验地点位于德阳市旌阳区天元镇(30°06′ N,104°16′ E),该地区属于亚热带湿润季风气候区,年均降水量为894.3 mm,年均日照时数为1 251.5 h,年均温度为16.1 ℃。农业生产模式为水稻(Oryzasativa)-小麦(Triticumaestivum)轮作或水稻-油菜(Brassicanapus)轮作。前期调查结果表明,该区土壤w(Cd)为0.16～0.93 mg·kg-1,区域间变幅较大,且绝大部分区域超过GB 15618—1995《土壤环境质量标准》中Cd污染2级水平,农田土壤Cd污染受地质背景和人为活动双重压力影响[19]。

田间试验于2012年5─9月进行,土壤为典型的潴育水稻土,土壤质地为中壤土。试验开始前分别在稻麦轮作、稻油轮作区采用“S”形法布点进行土壤采样,样品混合均匀后取1.0 kg 带回实验室自然风干,磨细过1和0.149 mm孔径筛,土壤理化性质见表1。试验区土壤Cd含量接近GB 15618—1995中2级标准值(0.30 mg·kg-1)的2倍。

表1供试土壤理化性质

Table 1Basic physic-chemical properties of the tested soil

前作pH值w(有机质)/(g·kg-1)w(碱解氮)/(mg·kg-1)w(有效磷)/(mg·kg-1)w(速效钾)/(mg·kg-1)w(全Cd)/(mg·kg-1)油菜6.58±0.0735.69±0.58101.33±3.7439.69±0.81107.81±0.150.536±0.013小麦6.45±0.1240.68±1.4786.54±2.3932.34±0.4972.75±0.650.558±0.021

1.2试验设计与处理

在稻麦轮作和稻油轮作区分别进行田间试验,在对照(CK,常规施肥,无改良剂处理)基础上,分别设计牛粪(D)单独施用,以及配合无机改良剂海泡石(DS)、石灰(DL)和钙镁磷肥(DP)。试验采用完全区组设计,随机排列,每个处理重复3次,小区面积为30 m2(长×宽为5 m×6 m),采用塑料薄膜分隔小区,每个小区配置单独灌溉沟渠。牛粪由农户提前腐熟,随无机改良剂一并混匀施入农田,水稻秧苗移栽前15 d完成有机、无机改良剂施用。

牛粪、无机改良剂(海泡石、石灰和钙镁磷肥)基本理化特性参见表2。每区用量分别为:牛粪18.0 kg，海泡石3.38 kg，石灰1.80 kg，钙镁磷肥0.68 kg。每区基础化学肥料投入量分别为:w为40%的复合肥〔m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=28∶6∶6〕1.1 kg，w为30%的尿素〔w(N)=46.1%〕0.6 kg,尿素在水稻移栽后10 d追肥施入。

表2改良剂基本性质

Table 2Basic properties of the soil amendments tested

改良剂pH值w(有机质)/(g·kg-1)w(全Cd)/(mg·kg-1)牛粪6.87±0.15325.1±5.620.21±0.14海泡石9.63±0.1410.8±0.240.08±0.06石灰12.06±0.17——钙镁磷肥7.49±0.12—1.34±0.25

“—”表示未检出。

移栽水稻秧苗为五叶一心,品种为YLY-1,移栽株行距为30 cm×20 cm。水稻和土壤样品采集分别在移栽后30 d(分蘖期,淹水状态)和90 d(成熟期,排水状态)进行,每个小区采集5株水稻样品。

1.3样品分析测试

水稻样品采集后,先用自来水冲洗干净,然后用0.1 mol·L-1HCl和去离子水反复冲洗,再用蒸馏水清洗干净,按照根系、茎秆和籽粒分开,在60 ℃烘箱中杀青烘干。植物样品经烘干后粉碎过0.25 mm孔径筛,分别称取0.5～1 g烘干样品,采用V(HNO3)∶V(HClO4)=3∶1的混合液进行消化处理,0.25 μm孔径滤膜过滤后测定Cd含量。

土壤(0～20 cm)样品采集后,室内自然风干,分别过1和0.149 mm孔径筛备用。土壤理化性质测定参见文献[20],土壤中Cd全量采用V(HNO3)∶V(HF4)∶V(HClO4)=2∶2∶1的混合液进行消化处理,土壤Cd形态分组按Tessier连续提取方法[21]测定。可交换态Cd采用1.0 mol·L-1MgCl2(pH=7)浸提,碳酸盐结合态Cd采用1.0 mol·L-1NaOAc(用HAc调到pH=5)浸提,铁锰氧化物结合态Cd采用0.04 mol·L-1NH2OH·HCl加入w为25% HOAc浸提,有机物结合态Cd采用0.02 mol·L-1HNO3加入w为30% H2O2浸提,残渣态Cd采用HNO3-HF-HClO4进行消化处理。土壤Cd全量和各形态含量采用ICP-MS(Agilent 7700X)测定。在分析测试过程中随机插入国家标准样品(GBW07403 土壤， GBW07603植物)以保证试验结果精度,国家标准样品来源于中国标准物质中心。

1.4统计分析

采用Microsoft Excel 2007软件处理数据,采用SPSS 17.0软件中的LSD方法进行显著性检验(P<0.05)。

2结果与分析

2.1牛粪配合无机改良剂施用对水稻Cd含量的影响

施用无机改良剂与牛粪混合物对水稻Cd含量累积的影响如表3所示。

表3牛粪配合无机改良剂施用对水稻各部分Cd吸收累积的影响

Table 3Effect of application of decomposed cattle dung coupled with inorganic soil amendments on Cd concentration in various tissues of rice (Oryzasativa) relative to rotation system

轮作方式处理水稻不同部位中w(Cd)/(mg·kg-1)根茎谷壳糙米稻油轮作CK2.150±0.133b0.302±0.113c0.195±0.008b0.351±0.015aD2.895±0.122a0.604±0.026b0.099±0.004c0.288±0.012bDS2.135±0.090b0.199±0.008e0.067±0.003c0.257±0.035cDL1.918±0.081c0.256±0.010d0.195±0.008b0.192±0.008dDP1.727±0.115d0.806±0.034a0.366±0.094a0.333±0.014ab稻麦轮作CK2.004±0.085a0.382±0.016b0.220±0.099a0.431±0.018aD1.875±0.079ab0.312±0.013c0.074±0.003c0.283±0.012bDS1.348±0.099d0.180±0.008d0.151±0.006b0.141±0.006cdDL1.593±0.110c0.307±0.013c0.072±0.003c0.125±0.005dDP1.816±0.059b0.508±0.072a0.075±0.003c0.153±0.006c

CK为无改良剂处理;D为单施牛粪改良剂;DS为施用牛粪配合海泡石改良剂;DL为施用牛粪配合石灰改良剂;DP为施用牛粪配合钙镁磷肥改良剂。同一轮作方式下同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间水稻某部位Cd含量差异显著(P<0.05)。

在稻油轮作体系下,与CK相比,D处理水稻根系和茎对Cd的吸收增加35%与100%,谷壳和糙米Cd含量则分别降低49%与18%;DS、DL和DP处理均降低了水稻根系、糙米对Cd的吸收(P<0.05),其中DL处理糙米Cd含量低于GB 2762─2012标准,DP处理则显著降低根系Cd含量,但水稻茎、谷壳Cd含量较CK处理分别显著上升167%和88%(P<0.05)。

在稻麦轮作体系下,与CK相比,除DP处理对水稻茎秆Cd积累有显著促进作用外,其余处理均显著降低水稻根系、茎、谷壳和糙米中Cd的累积(P<0.05)。DS、DL和DP处理糙米Cd含量较CK和D处理降低50%～70%,且均低于GB 2762─2012标准。DL和DS处理较DP处理显著降低水稻根系、茎中Cd累积,DP处理则显著增加茎对Cd的累积,这在稻田应用中需得到重视。

在稻油/稻麦轮作体系下,DS、DL和DP处理均降低水稻根系、糙米对Cd的吸收,但DP处理显著增加茎秆中Cd含量的累积,这可能加大稻草秸秆还田对冬季作物Cd污染的风险。DS和DL处理可作为稻米安全生产优先选择的农艺调控技术措施。

2.2牛粪配合无机改良剂施用对土壤Cd形态的影响

2.2.1牛粪配合无机改良剂施用对水稻分蘖期土壤Cd形态的影响

水稻分蘖期牛粪配合无机改良剂施用对土壤Cd形态的影响见表4。与CK处理相比,DS、DL和DP处理在稻油/稻麦轮作中均显著减低(P<0.05)土壤可交换态Cd含量,其中稻油轮作中DL与DP处理分别降低50%与48%,稻麦轮作中DS与DL处理分别降低57%与52%。

表4水稻分蘖期牛粪配合无机改良剂施用对稻麦/稻油轮作中土壤Cd形态变化的影响

Table 4Effects of application of decomposed cattle dung coupled with inorganic soil amendments on chemical form of Cd in the soil under the rice-rapeseed or rice-wheat crop rotation system at the tillering stage of ricemg·kg-1

CK为无改良剂处理;D为单施牛粪改良剂;DS为施用牛粪配合海泡石改良剂;DL为施用牛粪配合石灰改良剂;DP为施用牛粪配合钙镁磷肥改良剂。同一轮作方式下同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间土壤某形态Cd含量差异显著(P<0.05)。

与CK处理相比,稻油轮作中D、DS、DL和DP处理土壤碳酸盐结合态Cd含量显著上升37%～47%(P<0.05)。稻麦轮作中DP处理土壤碳酸盐结合态Cd含量上升54%。稻油轮作中 DS、DL和DP处理土壤铁锰氧化物结合态Cd含量显著降低22%左右,但在稻麦轮作中却显著增加42%～67%。稻油轮作轮中DS处理与稻麦轮作中DP处理土壤有机物结合态Cd含量比CK处理分别显著上升19%与25%,其余处理则无显著性差异;除稻油轮作中D和DL处理土壤中残渣态Cd含量显著增加23%与20%外,其余各处理无显著差异。

DS、DL和DP处理均抑制可交换态Cd含量的增加,其中稻油/稻麦轮作中DL处理抑制作用效果最强;稻油轮作中DS处理对有机结合态Cd含量的促进作用最强,DL处理对残渣态Cd含量促进作用最强,稻麦轮作中DP处理对碳酸盐结合态和有机结合态Cd含量促进作用最强。

2.2.2牛粪配合无机改良剂施用对成熟期土壤Cd形态的影响

由表5可知,水稻成熟期稻油/稻麦轮作中各处理土壤可交换态Cd含量与分蘖期相比有少量增加,DS、DL和DP处理土壤可交换态Cd含量均较CK与D处理显著下降(P<0.05);稻油轮作中,DL与DP处理土壤可交换态Cd含量较CK处理下降44%和42%,稻麦轮作中,DS与DL处理下降48%和53%。

在稻麦轮作中,与CK处理相比,D、DS、DL和DP处理土壤碳酸盐结合态Cd含量显著提高35%～67%(P<0.05);在稻油轮作中,DS处理较CK处理显著增加47%,但DL与DP处理则有所降低。稻油轮作中各处理间土壤铁锰氧化物结合态Cd含量无显著差异,稻麦轮作中D和DS处理较CK处理分别显著增加45%和35%。稻油轮作中D处理和稻麦轮作中DP处理土壤有机物结合态Cd含量较CK处理分别显著增加29%和35%,在稻油/稻麦轮作的水稻整个生育期DL处理均表现出抑制作用。除稻麦轮作中的DP处理土壤残渣态Cd含量较CK处理显著增加外,其余各处理均无显著差异。

表5水稻成熟期牛粪配合无机改良剂施用对稻麦/稻油轮作中土壤Cd形态的变化的影响

Table 5Effects of application of decomposed cattle dung coupled with inorganic soil amendments on chemical forms of Cd in the soil under the rice-rapeseed or rice-wheat crop rotation system at the maturing stage of ricemg·kg-1

CK为无改良剂处理;D为单施牛粪改良剂;DS为施用牛粪配合海泡石改良剂;DL为施用牛粪配合石灰改良剂;DP为施用牛粪配合钙镁磷肥改良剂。同一轮作方式下同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间土壤Cd形态含量差异显著(P≤0.05)。

水稻成熟期DS、DL和DP处理均降低土壤中可交换态Cd含量;稻油轮作中,DL处理降低碳酸盐结合态和有机结合态Cd含量;稻麦轮作中,DS、DL和DP处理均增加碳酸盐结合态Cd含量,DS处理增加铁锰氧化物结合态含量,DP处理对有机结合态和残渣态Cd含量促进效应强于DS与DL处理。

2.3牛粪配合无机改良剂对稻田Cd污染土壤理化性质的影响

土壤pH值、有机碳(SOC)含量、可溶性碳(DOC)含量变化是影响土壤重金属迁移转化及其生物活性的重要影响因子[22]。图1表明,水稻处于分蘖期时,稻麦/稻油轮作中DL处理土壤pH值上升最为显著,土壤达中性;DS与DP处理也促使土壤pH值上升,但上升幅度远小于DL处理;D和CK处理间土壤pH值无显著差异。水稻处于成熟期时各处理间土壤pH值的差异与水稻处于分蘖期时类似,但与分蘖期相比pH值总体呈降低趋势。

CK—无改良剂处理;D—单施牛粪改良剂;DS—施用牛粪配合海泡石改良剂;DL—施用牛粪配合石灰改良剂;DP—施用牛粪配合钙镁磷肥改良剂。同一幅图中相同时间直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间土壤pH值差异显著(P<0.05)。

由图2可知,牛粪及配合无机改良剂施用在稻麦/稻油轮作中都提高了土壤有机碳含量,其含量上升9%～25%,尤以DP处理促进效应最佳。在稻麦轮作中,各处理稻田土壤有机碳含量随着水稻种植时间推移有逐渐降低的趋势，在稻油轮作中有缓慢上升的趋势。DL处理对稻田土壤有机碳含量水平的促进作用较D处理缓慢。

CK—无改良剂处理;D—单施牛粪改良剂;DS—施用牛粪配合海泡石改良剂;DL—施用牛粪配合石灰改良剂;DP—施用牛粪配合钙镁磷肥改良剂。同一幅图中相同时间直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间土壤有机碳含量差异显著(P<0.05)。

图3显示,无论在水稻分蘖期及水稻成熟期,D、DS、DL和DP处理在稻麦/稻油轮作中均提高了土壤可溶性碳含量。随着时间的推移,各处理稻田土壤可溶性碳含量有逐渐上升的趋势,尤以稻油轮作体系中的DP与DS处理变化较为明显,成熟期稻麦轮作体系中的D、DS、DP处理土壤可溶性碳含量比分蘖期增加15%以上。

CK—无改良剂处理;D—单施牛粪改良剂;DS—施用牛粪配合海泡石改良剂;DL—施用牛粪配合石灰改良剂;DP—施用牛粪配合钙镁磷肥改良剂。同一幅图中相同时间直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间土壤可溶性碳含量差异显著(P<0.05)。

2.4土壤Cd形态与水稻各部位Cd累积及土壤理化性质的回归分析

相关水稻各部位Cd含量与土壤不同形态Cd含量呈显著相关关系,其逐步回归方程为

Y1=2.60-7.08X1,

(1)

Y2=0.42-3.44X1+3.55X2,

(2)

Y3=0.38-2.16X1+3.19X3-1.42X4。

(3)

式(1)～(3)中,Y1、Y2和Y3分别为根、茎秆和糙米中Cd含量,mg·kg-1;X1、X2、X3和X4分别为分蘖期土壤铁锰氧化物结合态Cd含量、成熟期土壤有机结合态Cd含量、成熟期土壤可交换态Cd含量和分蘖期土壤有机结合态Cd含量,mg·kg-1。

水稻成熟期土壤可交换态Cd含量降低,显著影响水稻糙米Cd的累积;水稻分蘖期土壤铁锰氧化物结合态Cd含量增加,降低水稻根系、茎秆和糙米Cd累积;水稻分蘖期土壤有机物结合态Cd含量增加,降低糙米中Cd的累积,而水稻成熟期有机物结合态Cd含量上升,增加茎秆中Cd的累积。

土壤理化性质与土壤Cd形态间的逐步回归分析表明,土壤可交换态Cd含量(CCd)与土壤pH值(VpH)、可溶性有机碳含量(CDOC)呈显著相关关系,其回归方程为CCd=0.496+0.002CDOC-0.052VpH。就DS、DL和DP处理而言,土壤可交换态Cd含量随可溶解性有机碳含量的下降及土壤pH值的升高而下降。因此,调节土壤pH值与土壤可溶性有机碳含量有助于降低土壤活性态Cd含量,减小生物对其吸收利用进入食物链的风险。

3讨论

土壤改良剂的应用可引起Cd在作物根系、茎秆和籽粒中的迁移转化特性变化,从而降低作物可食用部分Cd的累积,达到作物安全生产的目的[23-24]。笔者研究结果表明,牛粪配合无机改良剂的施用在稻油/稻麦轮作下均降低了水稻根系、糙米对Cd的吸收,与相关研究结果[13,25]类似,但DP处理显著促进茎秆中Cd含量的累积,这可能是由于钙镁磷肥中w(Cd)达1.34 mg·kg-1,远高于牛粪、海泡石、石灰改良剂中Cd含量,导致水稻茎秆中Cd含量较高,因此在选择改良剂修复污染土壤时,需要密切关注改良剂本底值,避免给土壤带来二次污染。

土壤重金属元素化学形态变化直接影响作物的吸收累积特性[26-28]。在水稻分蘖期和成熟期DS、DL和DP处理均显著降低土壤可交换态Cd含量,在稻油轮作下DP处理降低40%,在稻麦轮作下DS和DL处理降低超过48%。土壤中可交换态Cd含量与水稻糙米中Cd含量之间存在相关关系,表现为土壤可交换态Cd含量降低,水稻糙米中Cd含量也降低,这与前人研究结果[22,29-30]相一致。土壤可交换态Cd含量的降低说明土壤Cd形态由生物活性最强的化学形态向其他不易吸收利用的化学形态转化,而土壤铁锰氧化物结合态Cd含量和土壤有机物结合态Cd含量(水稻分蘖期)的增加将降低水稻根系、茎秆和糙米中Cd含量。因此有机物料配合无机改良剂能降低土壤中可交换态Cd含量,抑制Cd在水稻体内的迁移转化,是有效降低糙米中Cd累积的重要途径。

DS、DL和DP处理降低了土壤中可交换态Cd含量,主要可能是因为海泡石、石灰、钙镁磷肥都是碱性物料,能提高土壤pH值,牛粪含有丰富的腐殖物质,可提高土壤中SOC含量并改变土壤中DOC含量[11-15]。研究表明,土壤pH值越小,其重金属离子的生物有效性越大[11];生物活性最强的土壤可交换态Cd含量受到淹水条件下土壤DOC的强烈影响[31];SOC含量越高,土壤中高分子聚合物含量增加,对重金属离子具有较强的络合或螯合能力,降低重金属离子水溶态的释放[32]。该研究结果表明,施用牛粪及配合无机改良剂在稻油/稻麦轮作中均促进了有机碳含量和可溶性有机碳含量增加,DL处理土壤pH值上升最为显著,调和了土壤的弱酸性特征。逐步回归分析表明土壤可交换态Cd含量随可溶解性有机碳含量的降低及土壤pH值的升高而下降,说明牛粪配合无机改良剂处理可调节土壤pH值与土壤可溶性有机碳含量,有助于降低生物活性最强的土壤可交换态Cd含量,减小生物对其吸收利用并进入食物链的风险,有助于稻米安全生产。

4结论

(1)稻麦/稻油轮作土壤中,DS、DL和DP处理均降低了水稻糙米对Cd的吸收积累,尤以DL处理效果最佳;DP处理促进了茎对Cd的吸收累积,这可能加大稻草秸秆还田对冬季作物Cd污染的风险。

(2)水稻分蘖期和成熟期DS、DL和DP处理均降低了土壤可交换态Cd含量,尤以DL处理降幅最大。回归分析结果表明土壤可交换态Cd含量减少,水稻糙米中Cd含量亦降低。

(3) 土壤pH值的升高与土壤可溶性有机碳含量的降低有助于降低土壤活性态Cd含量,减小水稻对Cd吸收利用和进入食物链的风险。

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(责任编辑： 陈昕)

收稿日期：2015-11-16

基金项目：国家科技支撑计划 (2013BAD07B13);四川省科技支撑计划(2013NZ0028)

通信作者①E-mail: benglee@163.com

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0651-08

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.021

作者简介：杨兰(1993—),女,四川广元人,硕士生,主要从事土壤重金属污染修复治理研究。E-mail: lany93@163.com

Effects of Decomposed Cattle Dung Coupled With Inorganic Soil Ameliorants on Speciation and Bioavailability of Cadmium in Paddy Soil.

YANG Lan1, LI Bing1, WANG Chang-quan1, GUO Yong2, XIAO Rui1, ZHANG Qing-pei1, ZHENG Shun-qiang1

(1.College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China；2.Jinyang Agricultural Bureau of Sichuan Province, Deyang 643000, China)

Abstract:To investigate effects of application of organic and inorganic soil ameliorants in combination on speciation and bioavailability of cadmium and uptake or accumulation of cadmium by rice growing in cadmium contaminated paddy soil, a field experiment was carried out in a tract of Cd-contaminated paddy field in Tianyuan Town, Jinyang District, Deyang City, Sichuan Province of China. The experiment was designed to have four treatments, i.e. Treatment D (decomposed cattle dung only), Treatment DS (decomposed cattle dung plus sepiolite), Treatment DL (decomposed cattle dung plus limestone) and Treatment DP (decomposed cattle dung plus calcium-magnesium-phosphate fertilizer). Results show that cadmium concentration in brown rice of Treatments DS, DL and DP was 50% to 70% lower than that of Treatment D in the rice-wheat rotation system and even lower than the criteria set in the “Limits for Contaminants in Food” (GB 2762-2012). However, Treatment DP promoted Cd accumulation in stem, which may increase the risk of cadmium contamination of the winter crop by incorporation of rice straw. Meanwhile, Treatments DS, DL and DP lowered the content of exchangeable cadmiumin the soil at the tillering and maturing stages of rice. The drop reached by 42% and 44% in Treatments DL and DP in the rice-rapeseed rotation system and by 48% and 53% in the rice-wheat rotation system, respectively. Moreover, Treatments DS, DL and DP increased the contents of organic carbon and soluble organic carbon in the soil. Furthermore, Treatment DL significantly increased soil pH. The decline of soil exchangeable Cd at the maturing stage of rice was found to be the major factor lowering the accumulation of Cd in brown rice. Treatments DS, DL and DP raised the content of soluble organic carbon in the soil, thus decreasing the content of active Cd in the soil, and hence reducing the risk of soil cadmium entering the food chain through bio-accumulation. To sum up, Treatments DS and DL can be deemed as the optimum option of agronomic control technique for safe rice production.

Key words:cadmium; ameliorant; bioavailability; rice; speciation; soil