综合降镉技术在不同污染程度稻田土壤下的应用效果研究

2018-04-18杨小粉刘钦云袁向红吴勇俊郑海飘聂凌利李翊君张文敖和军

中国稻米 2018年2期

杨小粉刘钦云袁向红吴勇俊郑海飘聂凌利李翊君张文敖和军*

（1湖南农业大学农学院/南方粮油协同创新中心，长沙410128；2湖南省农业资源与环境保护工作站，长沙410125；3湖南省长沙县农业和林业局，湖南长沙410100；第一作者：2285316669@qq.com；*通讯作者：aohejun@126.com）

镉（Cd）是对人体毒性极强，极易被吸收的有毒元素，也是对人和动植物毒性大的重金属元素之一[1]。水稻是我国重要的粮食作物，其产量高低和品质优劣直接关系到整个国民经济和人们的生活[2]，同时，水稻也是一种镉积累能力较强的农作物。研究表明，进入人体的镉食物来源中，大米占到40%，镉可通过水稻进入食物链进而进入人体并且具有可积累性，达到一定剂量会危害人体健康[3]。因此，水稻镉污染问题不容忽视。据调查，稻米镉超标现象在我国各地均有发生，尤其是在湖南、广东、广西、福建、浙江等省份，超标率约在5%～15%[4]。如何控制水稻镉污染并实现其安全生产已经成为一个非常重要的课题。

目前国内外关于水稻镉污染研究主要集中在品种、品质和产量、土壤类型、土壤改良、pH、灌溉方式、施肥、栽培模式、镉在水稻体内的转运与分配、镉耐性及其分子机制、水稻镉胁迫条件下的水稻生理性状及农艺学性状和耐性机理等方面[5-9]。对于土壤镉污染治理采取的方法主要集中在以客土法、换土法、深耕翻土法、电动力修复法等为主的工程措施[10]，但这些措施需花费大量的人力与财力，并且存在客土来源和污土去向这一难以解决的问题，因此不是理想的土壤镉污染治理方法；以淋溶法、施用改良剂等方法为主的化学治理措施[11]，短时期内虽能起到降镉的效果，但容易造成土壤二次污染，限制了该技术的推广；以通过调节诸如土壤水分、土壤pH、气温、湿度等因素来改变土壤中Cd的活性，是降低其生物有效性，减弱镉对植物的毒害作用的农业生态修复措施[8-9]，但该技术存在着不可操控，且单一改良技术对于不同污染程度土壤效果不一，导致该技术实施范围受阻。而对于多种措施综合治理镉污染土壤方面的研究较少。为此，本课题组提出了VIP综合降镉技术[12]。为探究VIP降镉技术在不同土壤污染程度下的适应性，在湖南省38个镉污染区进行了大田小区试验，以为重金属镉污染稻田的修复治理以及有效降低大米镉含量提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年在湖南省38丘不同污染程度的稻田进行，将诸多田块按整地前土壤镉含量进行划分，划分标准如下：轻微（土壤全镉≤0.3 mg/kg）、轻度（土壤全镉0.3～0.6 mg/kg）、中度（土壤全镉0.6～0.9 mg/kg）和重度（土壤全镉＞0.9 mg/kg）。

表1 不同处理技术对米镉含量及米镉富集系数的影响

1.2 试验材料

选用低镉型水稻品种为试验材料，早稻为株两优819或湘早籼32号，晚稻为湘晚籼13号或株两优996，以当地大面积推广种植的品种为对照。

1.3 试验处理

试验设4个处理：对照（CK），采用当地品种，完全按照当地的常规栽培管理技术，即不施用任何土壤改良剂，水分管理为常规管理；种植低镉积累品种（V），种植经湖南省农业委员会认定的低镉型水稻品种，栽培管理技术同对照；科学管理水分和撒施石灰（IP），前期保持田间有水层，分蘖盛期露田不晒田，之后立即复水，籽粒灌浆期田间必须有浅水层，直至收割前7 d左右开始自然落干，分蘖末期每667 m2施用石灰60 kg；采用综合技术（VIP），种植低镉品种，其余同IP处理。

1.4 试验设计

采用随机区组设计，3次重复，小区面积30 m2。早晚稻在同一试验田进行，并保持小区排列不变。各小区单排单灌，小区间留走道和灌排水沟。播种及移栽时间参考当地的农事季节，整个小区内采用人工除草，病虫害按当地病虫害情报进行防治，不打高浓度的药剂，比常规的大田多喷几次药；不施用过磷酸钙，施肥量及其他栽培管理措施参考当地的标准。

1.5 观察记载项目

在早稻整地前，早、晚稻收获时按5点取样法采集稻谷和土壤样品。土壤自然风干，稻谷烘干去糙后，粉碎，按GB/T5009.15-2003的方法测定土壤和大米镉含量。

1.6 数据处理

采用Excel 2016和SAS 9.3统计分析软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同处理对米镉含量及米镉富集系数的影响

由表1可知，在早、晚稻的4种处理中，CK的大米镉含量最高，分别为0.268 mg/kg和0.451 mg/kg，VIP处理米镉含量最低，分别为0.183 mg/kg和0.329 mg/kg，比CK分别降低31.9%和27.1%。早稻V、IP处理米镉含量与CK相比分别降低了10.8%和21.1%，IP、VIP处理与CK相比，米镉含量存在显著差异；晚稻V、IP处理与CK相比分别降低了17.6%和15.4%，V、IP、VIP处理米镉含量与CK差异显著。可见，与CK相比，V、IP、VIP处理均有降低米镉含量的作用，镉在稻米中的富集系数明显降低，其中VIP处理效果最好。早稻IP、VIP处理与CK处理均存在显著差异；晚稻V、IP、VIP处理与CK处理均存在显著差异。同一处理早稻米镉含量低于晚稻，晚稻米镉的富集高于早稻。

2.2 不同处理技术对土壤全镉含量及土壤pH的影响

由表2可知，与CK相比，V、IP、VIP处理对早、晚稻土壤全镉含量无明显影响。对于土壤pH值，早、晚稻中IP、VIP处理均与CK、V处理差异显著，在一定程度上提高了土壤pH值，而V处理对土壤pH值影响小。同一处理条件下，早稻土壤全镉含量高于晚稻，而土壤pH值低于晚稻。

2.3 不同处理技术在不同土壤污染下对米镉含量的影响

由表3可见，V、IP、VIP处理技术在不同土壤污染条件下对米镉含量的降低作用存在差异性。在土壤轻微污染条件下，与CK相比，早稻IP、VIP处理显著降低了米镉含量，其中IP处理降低幅度最大，达48.7%；晚稻以VIP处理效果最好，相比CK降低了45.0%，差异达显著水平。轻度污染条件下，早稻各处理与CK相比虽有降低糙米镉含量的作用，但差异不显著；晚稻VIP处理降低幅度最大，达32.6%，与CK相比差异显著。中度污染条件下，早稻VIP处理的降低幅度最大为

表2 不同处理技术对土壤全镉含量及土壤pH的影响

表3 不同处理技术在不同土壤污染下对米镉含量的影响

表4 不同处理技术在不同土壤污染条件下对早、晚稻土壤pH的影响

46.8%，与CK相比差异显著；晚稻3种处理与CK相比差异不显著。重度污染条件下，早、晚稻4种处理均有降低米镉含量的作用，但差异不显著。同一污染程度同一处理条件下，晚稻米镉含量均高于早稻。

2.4 不同处理技术在不同土壤污染条件下对早、晚稻土壤pH的影响

由表4可知，同一土壤污染条件下，早稻各处理间土壤pH值差异不显著。晚稻中，与CK相比，V、IP、VIP处理均提高了同种污染程度土壤的pH值。在轻微和中度污染土壤中，IP、VIP处理与CK差异达显著水平；轻度污染中，VIP处理与CK、V处理差异达显著水平，与IP处理差异不显著；重度污染下，V、IP、VIP处理与CK相比pH值均有提高，但差异不显著。由此可见，各种处理技术对晚稻的土壤pH影响较大，在同一污染程度同一处理条件下，早稻土壤pH值小于晚稻。

2.5 早、晚稻土壤镉污染程度与米镉含量的相关性

由图1可知，早、晚稻米镉含量与土壤镉含量均呈显著正相关，其决定系数分别为0.1822、0.3126。由此可见，米镉含量与土壤的镉污染程度有很大的关系。同时，当早、晚稻土壤镉含量相同时，晚稻米镉含量高于早稻，即晚稻米镉含量随土壤镉含量升高而增加的幅度大于早稻，说明同一土壤镉污染程度下，晚稻米对镉的富集能力更强。

2.6 不同土壤污染条件下对照处理大米镉含量富集系数的差异性比较

图1 早、晚稻土壤镉污染程度与米镉含量的相关性

表5 不同土壤污染条件下对照处理米镉含量富集系数

由表5可见，在不使用任何控制技术的情况下，随着土壤污染程度的加重，大米镉的富集系数呈现减小的趋势，早、晚稻规律表现一致。在轻微土壤污染条件下，早、晚稻米镉富集系数最大，分别为0.78 mg/kg、1.26 mg/kg，早稻轻微污染土壤中米镉的富集系数与轻度、中度、重度污染土壤的富集系数差异达显著水平，晚稻轻微污染与轻、中度污染条件下，大米镉富集系数差异不显著，与重度污染下米镉富集系数的差异达显著水平。在不同污染程度的土壤中，晚稻米镉富集系数高于早稻。

3 结论与讨论

由本试验结果可知，早、晚稻V、IP、VIP处理都有降低米镉含量的作用，其中以VIP处理效果较好，与CK相比分别降低了31.9%、27.1%，差异达显著水平，这与沈欣等[13]的研究结果一致。同时，早稻米镉含量低于晚稻，这是因为早稻糙米对镉的富集能力弱于晚稻，因此从土壤转运到早稻植株体内富集至糙米中的镉较少。晚稻土壤pH值高于早稻，而土壤pH值与土壤中有效态镉含量呈负相关[14]，所以同一处理晚稻土壤镉含量低于早稻。在不使用任何控制技术时，土壤轻微污染条件下，早、晚稻米镉富集系数最大，与轻度、中度、重度污染土壤差异达显著水平。大米镉的富集系数是随着土壤镉污染程度的增加而呈下降趋势，早、晚稻表现一致。这说明水稻在低浓度范围内镉富集能力更强，这与龙小林等[15]的研究结果一致。同时，在不同污染程度的土壤中，晚稻米镉随土壤镉含量升高的增加幅度大于早稻，即晚稻米镉富集系数高于早稻。

V、IP、VIP处理对早稻以及晚稻的重度污染土壤pH影响不大，而在晚稻轻微、轻度、中度污染条件下，IP、VIP处理效果与CK差异显著。由此可见，各处理对晚稻的土壤pH影响效果更显著。在同一污染程度同一处理条件下，早稻土壤镉含量高于晚稻，这是由于晚稻土壤pH高于早稻，而土壤中有效态镉含量随着土壤pH的升高而降低。

各处理在不同土壤污染环境中进行，米镉的积累存在较大差异。由本试验结果可知，早、晚稻米镉含量随土镉含量的增加而增加，重度污染条件下米镉含量最高，轻微条件下均表现为最低，轻度和中度污染条件下米镉含量介于两者之间。即稻米对镉的吸收跟土壤的镉污染程度有很大的关系，水稻种植污染区土壤环境的改善是降低糙米镉含量的一个主要途径。从农产品的质量安全方面考虑，在镉污染严重的地区，应当选择避害策略，可以采用农业生态工程技术，选用非食用作物代替水稻，从而控制食物链的污染危害。

综合降镉措施（VIP技术）对于不同程度镉污染稻田的修复治理具有重要的意义，不同处理技术在不同的土壤污染程度下均有降低米镉含量的作用。同时，也可使轻微、轻度稻田土壤污染条件下米镉含量达到国家食品安全标准。对于中度、重度土壤污染区水稻米镉含量降低的措施有待进一步研究。

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