一种土壤改良剂对土壤有效态镉及糙米镉含量的影响初探

张玉盛蒋承琮 肖欢 吴勇俊杨小粉 汪泽钱 郑海飘 敖和军*

（1湖南农业大学农学院/南方粮油作物协同创新中心，长沙410128；2湖南科陆普有限责任公司，长沙410128；第一作者：877615305＠qq.com；*通讯作者：aohejun＠126.com）

镉是一种毒性强且迁移性较强的重金属元素。土壤中的镉不仅会对植物产生毒害作用，也可通过食物链进入人体内，对人体健康造成危害。水稻对镉的吸收能力强，长期食用镉超标的大米会损坏人体的骨骼系统、肾脏系统、中枢神经等，引起各种病变[1-5]。随着工业的发展，我国被重金属污染的耕地面积日益增加,而清除土壤镉污染的修复技术很难在短时间内实现。如何防止水稻被镉污染并实现粮食的安全生产已成为环境科学领域的研究热点[6]。研究发现，施用石灰等碱性改良剂能提高土壤pH值，使土壤有效态镉含量降低，最终降低水稻对土壤中镉的吸收积累，改善稻米的卫生品质[7-12]。有报道认为，施用复合改良剂HZB（羟基磷灰石+沸石+改性秸秆炭）可以提高土壤pH值，为重金属离子提供更多的吸附位点，羧基和酚羟基可通过络合或螯合作用与土壤溶液中的Cd2+反应，形成难溶性络合物，进而钝化土壤中游离的Cd，降低了重金属的生物有效性[15]。罗子瑞等[16]研究发现，在黄泥田土壤中施用适量的改良剂可促进水稻的生长，有效降低糙米中Cd含量，降低水稻对Cd的富集系数。本试验旨在探索一种新的土壤改良剂对抑制水稻吸收土壤镉及土壤镉有效性的影响，以期为修复镉污染稻田和粮食的安全生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于湖南省长沙县福临镇同心村，为镉轻度污染区，土壤为花岗岩成土母质发育的沙壤土。土壤基本理化性质：pH值 5.66，水解氮295.33 mg/kg，有效磷 33.90 mg/kg，速效钾 211.33 mg/kg，全氮 3.32 g/kg，全钾 34.87 g/kg，全磷 0.61 g/kg，有机质 49.57 mg/kg，阳离子交换量123.0 mmol/kg，有效镉0.244 mg/kg，全镉0.379 mg/kg。试验地农田排灌、机耕道等基础设施较好。水源充足，可保证全生育期淹灌需要，灌溉水质符合国家农田灌溉水质标准。

1.2 供试材料

试验用改良剂为纽翠绿良田宝C系列生态基肥（水剂），购于葛林美（苏州）农业科技有限公司。其成分含量：pH 值（1：250倍稀释）4.0～10.0，腐植酸≥40 g/L，大量元素含量≥200 g/L，N≥70 g/L，P2O2≥60 g/L，K2O≥70 g/L，Cd≤10 mg/kg。石灰购于当地。供试水稻品种为玉针香。

1.3 试验设计

根据改良剂用量的不同，盆栽试验设6个处理（以大田试验施用1 200 kg/hm2的改良剂用量换算为1 kg土加入 0.533 g≈0.46 mL 改良剂）：CK，0 mL；M5，5 mL；M10，10 mL；M15，15 mL；M20，20 mL；M25，25 mL。每个处理5次重复。

表1 盆栽试验中不同处理土样pH值及有效Cd含量

表2 齐穗期不同处理对水稻不同器官Cd含量的影响

表3 不同处理对水稻产量及产量构成因子的影响

大田试验设6个处理：CK，不施任何改良剂；F1，施用石灰1 125 kg/hm2；F2，纽翠绿良田宝C系列生态基肥（水剂）用量600 kg/hm2；F3，纽翠绿良田宝C系列生态基肥（水剂）用量 900 kg/hm2；F4，1 200 kg/hm2；F5，纽翠绿良田宝C系列生态基肥（水剂）用量600 kg/hm2+石灰1 125 kg/hm2。每个处理3次重复，随机区组排列。小区面积60 m2，设排水沟，小区田埂用塑料包膜，防止处理间交叉污染。水稻栽插规格为20 cm×20 cm，每丛插2～3株苗。

1.4 试验方法

1.4.1 盆栽试验

供试土壤取自试验大田，经风干粉碎后装入内长34 cm、宽19.4 cm、高8 cm的塑料盆，每盆装土11 kg。按处理设计添加土壤改良剂，随后每盆加入6 kg水并按处理设计浸泡后栽植水稻。品种为玉针香，每盆4丛，每丛2株基本苗。全生育期每盆加水量及时间一致。

1.4.2 大田试验

在移栽前用改良剂对各小区进行处理，先将稻田中的水全部排干，后将改良剂泼洒在试验小区内，翻耕土壤，灌水泡田，保持水层5～8 cm。F1处理和F5处理所用石灰在分蘖盛期施下，石灰中未检出镉。只施基肥，不施追肥。水分等田间管理措施参照当地水稻高产栽培技术进行。

1.5 测定项目及方法

盆栽基础土样于装土前采集，施用改良剂并灌水泡田36 h后采集水样，排干水，采集土壤样品。大田小区基础土样于施用改良剂前采集，为0～20 cm耕层混合样；成熟期土样在水稻收获前1 d取0～20 cm耕层混合样。大田土样采取“梅花五点法”采集。土壤样品经自然风干、磨细过100目尼龙筛后待用。水稻收获前1 d取稻谷和植株样，植株洗净泥土后晾干，再以去离子水润洗2遍后分根、茎、叶于105℃杀青30 min，再以恒温70℃烘干后粉碎；稻谷经晒干后去糙粉碎，植株样品粉碎后过100目尼龙筛待用。

土壤pH值的测定采用酸度计法（土水比 1∶2.5）。土壤全镉用王水-硝酸-高氯酸消解，土壤有效态镉用DTPA法提取[12]，水稻不同器官及糙米重金属用硝酸-高氯酸湿法硝解。试验分析所用均为优级纯。消解液及浸提液稀释定容过滤后用电感耦合等离子体质谱法测定（ICP-MS Autosampler，Agilent Techologies）Cd 含量。其他指标的测定采用常规方法[13]。

1.6 数据处理

运用Excel 2007和SAS 9.4软件进行数据整理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤pH值、有效镉含量的影响

由表1可知，土壤pH值对照为5.89，各施用了改良剂的处理均比CK显著提高，且改良剂用量越大增幅越大；随着改良剂用量的增加，各处理土壤有效Cd含量的降幅也随之增加，与CK相比差异达显著水平。

2.2 齐穗期不同处理对水稻不同器官镉含量的影响

由表2可知，加施改良剂的处理均能抑制水稻对土壤中Cd的吸收，与对照相比，根、穗和茎叶中的Cd含量均有不同程度的降低。其中，穗和茎叶中的Cd含量以M25处理最低，而根中的Cd含量以M15处理最低。

2.3 不同处理对水稻产量及产量构成因子的影响

表4 成熟期不同处理对水稻各器官干物质量的影响（g/m2）

表5 成熟期不同处理对水稻不同器官Cd含量（mg/kg）

图1 各处理糙米Cd含量

从表3可见，各处理的产量在4 114.58～5 364.58 kg/hm2之间，处理间差异均不显著；各处理的有效穗数、每穗总粒数和结实率无显著差异；F5处理的千粒重显著高于F1处理。

2.4 不同处理对水稻成熟期干物质的影响

由表4可知，施用改良剂均可提高水稻的物质积累，纽翠绿良田宝C系列生态基肥施用量由600 kg/hm2（F2）提高到1 200 kg/hm2（F4），根系干物质量从23.44 g/m2提高到了36.79 g/m2，茎干物质量从30.06 g/m2提高到了112.06 g/m2，叶干物质量从19.72 g/m2提高到了31.55 g/m2。施用了土壤改良剂的处理其根、茎干质量与CK相比无显著差异；F3处理的叶干物质量最大，为92.85 g/m2，显著高于CK。

2.5 成熟期不同处理对水稻不同器官Cd含量的影响

从表5可见，施用改良剂可降低水稻地上部分Cd的含量。各处理茎的Cd含量均低于CK，但差异不显著；各处理叶的Cd含量显著低于CK，其中，F2处理叶的Cd含量最低，为0.28 mg/kg。

2.6 不同处理对糙米镉含量的影响

由图1可知，对照糙米Cd含量为1.28 mg/kg，远高于国家标准0.20 mg/kg的限量。施用石灰和纽翠绿良田宝C系列生态基肥后糙米Cd含量均有下降，降幅为28.02%～36.35%。其中，F1、F4和F5处理与CK相比差异显著，施用纽翠绿良田宝C系列生态基肥的处理与施用石灰的处理间差异不显著。由此可见，施用纽翠绿良田宝C系列生态基肥可显著降低糙米Cd含量，但与施石灰相比无明显优势。

3 小结与讨论

土壤酸碱度是影响水稻对土壤Cd吸收能力的主要因素之一[17-18]。本盆栽试验结果表明，施用改良剂可以提高土壤pH值，有效地降低土壤有效Cd含量；土壤pH值随改良剂施用量的增加而提高，土壤有效Cd的含量随改良剂施用量的增加而降低，这与罗子瑞等[14，19]的研究结果一致。而浸泡时间的延长对水稻植株体内镉含量影响不大。本盆栽试验结果显示，齐穗期水稻根系、穗及茎叶Cd含量均低于对照，且降低效果随改良剂用量的增加而增强。可能是因土壤pH值的提高，Cd的活性降低，从而减少了土壤Cd向植物体内的迁移，但这种影响通常是有限的[3]。此外，龚海军等[19]研究认为，土壤改良剂中存在的某些拮抗元素以及施入土壤后土壤理化性状的改善均有可能降低作物对 Cd的吸收累积，而其作用机理还未明确。王蜜安等[20]研究表明，Cd在水稻植株体内的积累主要集中在营养器官，但不同品种之间存在较大的差异；也有研究认为，Cd在作物体内不同器官的分配不仅与作物的品种有关，同时与栽培管理措施也密切相关。本盆栽试验中Cd在水稻体各器官的分配呈现根＞茎叶＞穗，这与李坤权等[21]的研究结果一致。

合理的施用石灰，可以增加水稻分蘖、有效穗数、每穗总粒数、实粒数，提高水稻产量；但对水稻株高，千粒重影响不大[22]。且施用石灰可以提高土壤pH值，降低土壤交换态Cd含量和土壤Cd的有效性，对水稻吸收Cd有一定的抑制作用，糙米Cd含量随石灰用量的增加而降低，但石灰对水稻吸收Cd的抑制效果逐年降低[23-24]。本试验中除施用纽翠绿良田宝C系列生态基肥600 kg/hm2处理外，其他处理均较对照增产，其中以F5处理（纽翠绿良田宝C系列生态基肥600 kg/hm2+石灰1 125 kg/hm2）的增产效果最佳，这与陆鹏等[22-23]的研究一致。表明施用适量的改良剂对水稻有一定增产作用。

土壤改良剂单施或配施均可抑制作物对土壤中Cd 的吸收[25-27]，其抑制效果根据改良剂的用量[19、28]、改良剂类型[22-23、26-30]及土壤类型[31]等因素而有所不同。本试验中，施用了改良剂的处理糙米Cd含量均低于对照，这与朱奇宏等[26]的研究结果一致，其中以F5处理的降镉效果最好。由此可知，不同改良剂配施的施用效果要优于单施。改良剂的作用机理往往不是单一的，而是有多种机理共同作用的[25]。大田试验中改良剂处理后土壤以及成熟期土壤pH值和土壤有效态Cd含量两者较对照差异不显著，与盆栽试验结果相反，由此推测本大田试验所用改良剂纽翠绿良田宝C系列生态基肥的降镉作用机理并非由直接改变土壤的pH值来直接起到降镉作用[19]。影响土壤中Cd向作物植株转移的因素较多，目前在改良作用机理方面报道较多的主要为以下几种：沉淀固定作用、吸附及离子交换作用、离子拮抗作用和螯合作用。本试验所用改良剂的作用机理还未探明。