菜籽饼对土壤可溶性镉含量和水稻镉累积的影响

张 佳， 杨文弢,,3*， 廖柏寒， 吴 攀,3

(1.贵州大学 资源与环境工程学院， 贵州 贵阳 550025； 2.中南林业科技大学 环境科学与工程学院， 湖南 长沙 410004； 3.贵州大学 地质资源与环境教育部重点实验室， 贵州 贵阳 550025)

由于20世纪80-90年代采矿或冶金业废弃物的不当处置、农业生产中化肥农药过度施用、污水污泥的利用和灌溉等原因，导致我国超过7%的耕地存在不同程度的镉(Cd)污染[1]。水稻是我国乃至整个亚洲重要的粮食作物，近50%的人口以稻米为主食。在一定镉污染稻田中种植水稻，其籽粒中的镉含量容易超出国家食品中污染物限量标准，进而危害人体健康[2-4]。

研究表明[5-9]，有机物与土壤中镉存在显著的亲和力，能吸附、络合土壤中游离的Cd2+，形成有机-重金属结合物，从而显著改变镉在土壤中的有效性。此外，土壤有机物也是水稻生长所需营养物质的主要来源，水稻根系的生长也会对根际土壤中重金属的赋存形态产生影响[10]。在农业生产过程中，堆肥后的菜籽饼[rapeseed cake(residue)]常作为有机肥施用于稻田中，以保持土壤肥力，提高作物产量。笔者前期研究发现[11-12]，施用菜籽饼能在水稻生育前期显著降低土壤中有效态镉的含量，但随着水稻生育期的延长土壤中镉的有效性逐渐上升，同时显著增加水稻成熟期糙米中镉的累积，且影响过程尚不清晰。有研究指出[13-17]，外源有机物在进入土壤后分解形成小分子有机碳氮等，能与土壤中Cd2+结合并游离于土壤孔隙间，具有较强的生物利用度，易被水稻根系吸收，故推测施用菜籽饼后，土壤中镉活性在不同水稻生育期的变化可能与菜籽饼分解释放出来的可溶性有机物有关，同时在不同的水稻生育期可能呈不同规律。为此，试验以菜籽饼为有机质添加物，在镉污染程度为1.33 mg/kg的土壤条件下进行水稻盆栽试验，通过土壤溶液采集器提取水稻分蘖期、孕穗期、灌浆期、蜡熟期和成熟期5个时期的土壤孔隙水并对各时期水稻各部位的生物量和镉含量进行测定，研究施用菜籽饼对水稻根系土壤孔隙水中可溶性有机碳(DOC)、氮(DON)和可溶性镉含量的变化以及镉在水稻体内累积的变化，旨在明确施用菜籽饼对土壤孔隙水中镉含量和水稻各部位镉累积的动态影响，以期为镉污染地区菜籽饼肥的安全利用提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

供试土壤：红黄壤，来源于湖南省宁乡县双江口镇某地区稻田耕作层0～30 cm土壤(113°3.36′ E，28°26.21′ N)，该土壤pH为5.6，有机质含量3.2%，阳离子交换量313.0 mmol/kg，总镉含量1.33 mg/kg，有效氮103.3 mg/kg，有效钾20.4 mg/kg，有效钾77.4 mg/kg。菜籽饼(菜籽饼)，由湖南娄底市天之源榨油坊提供，其pH为7.1，有机质含量45.2%，有效氮2 962 mg/kg，有效磷5 260 mg/kg，有效钾3 512 mg/kg。水稻品种：选用湖南地区常见水稻品种威优46号(杂交稻)和湘晚籼12号(常规稻)，分别由湖南湘潭市兴农种业公司和湖南亚华种业有限公司提供。

仪器与试剂：盆栽用盆为无盖圆柱形桶，直径160 mm(内径)，高180 mm(南京力宁塑料容器公司)，土壤溶液采集器(型号MOM，荷兰Rhizosphere公司)，酸度计(PHS-3C，雷磁)，电子天平(AUW320，岛津)，有机碳分析仪(Multi N/C 3000，Analytik Jena AG，Germany)，连续流动分析仪(San++，Skalar，Netherlands)，紫外可见分光光度计(UV-5100B)，石墨炉原子吸收分光光度计(iCE-3500，Thermo)。

1.2方法

1.2.1试验设计试验设3个菜籽饼添加浓度梯度，分别为处理1，0(CK)；处理2，0.5%；处理3，1.0%。各处理3次重复。

1.2.2试验过程盆栽试验在中南林业科技大学户外种植基地进行，2016年5月，将供试土壤自然风干、碾碎，去除石头、根茎等杂物，并装入盆栽试验用桶中，每盆装土2.50 ± 0.05 kg。按照土壤的70%最大田间持水量加入自来水。7月中旬，将不同添加量菜籽饼与镉污染土壤(镉含量1.33 mg/kg)充分混合，将水稻种子在0.5%的H2O2溶液中浸泡24 h，覆上湿润纱布在培养皿中培养发芽，然后在未受污染的土壤中育秧。选取长势一致、健康的水稻幼苗进行盆栽试验，每盆插秧2株。整个水稻生长期间水分控制与传统种植方式一致，并喷洒农药防止病虫害。分别在水稻分蘖期(8月8日)、孕穗期(8月25日)、灌浆期(9月20日)、蜡熟期(10月10日)和成熟期(10月27日)采集土壤孔隙水和水稻样品，测定土壤孔隙水中可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)及可溶性镉含量，将不同生育期水稻分为2～3个部分(根系、茎叶、谷粒)，测定各部位的生物量(干重)及镉含量。

1.2.3样品采集与指标测定

1) 土壤孔隙水和水稻样品采集。土壤孔隙水采用土壤溶液采集器采集。在添加菜籽饼并完成土壤培育后，将土壤溶液采集器的采集针头插入盆栽土壤中心(深约8 cm)，之后移栽水稻。采集土壤孔隙水时，打开阀门采集土壤溶液，采集完毕后用针头过滤器将土壤溶液过滤到干净聚乙烯瓶中，4℃下保存，待测。水稻样品采集为破坏式采集，用自来水除去水稻根系上大部分泥土，将水稻分为2～3个部分(根系、茎叶、谷粒)，各个部分用去离子水洗净，晾干后放入105℃烘箱杀青30 min，之后将烘箱温度调为70℃烘干至恒重。用电子天平称取水稻各个部位生物量后用小型粉碎机粉碎，过100目尼龙筛，塑料封口袋保存待测。

2) 土壤孔隙水中DOC、DON和可溶性镉含量的测定。将采集的土壤孔隙水均匀地分为3份(每份约8 mL)，分别用于DOC、DON和可溶性Cd含量的测定。土壤DOC含量通过总有机碳分析仪测定。土壤中铵态氮、硝态氮和总氮采用连续流动分析仪测定，土壤DON含量，通过总氮减去铵态氮、硝态氮得出。将土壤溶液中Cd含量定义为土壤可溶性Cd，采用石墨炉原子吸收分光光度计进行测定，其检测限为0.01 μg/L。

3) 水稻各部位Cd含量测定。水稻各部位Cd含量采用干灰化法测定。所有水稻样品分析过程中以国家标准物质湖南大米(GBW 10045)进行质量控制，样品Cd回收率为91%～103%，同时进行试剂空白试验。

4) 水稻Cd累积量计算。按公式计算：

式中，TAQ为水稻Cd总累积量(μg/株)，Bi为水稻i部位生物量(g/株)，Ci为水稻i部位镉含量(mg/kg)。

1.3数据统计与分析

采用SPSS 19.0进行数据统计与分析、显著性F测验和Duncan多重比较，采用OriginPro 2015 绘图。

2结果与分析

2.1水稻各部位生物量及镉含量

2.1.1生长量从表1看出，不同添加量菜籽饼处理，在水稻5个生长时期，除成熟期威优46号茎叶的生物量较对照呈现显著上升外，其余生长期2个水稻品种根和茎叶的生物量与对照间均无显著差异；不同添加量菜籽饼处理在水稻灌浆期、蜡熟期和成熟期不同程度地增加了水稻谷粒的生物量。与对照相比，施用0.5%～1.0% 菜籽饼，在水稻灌浆期、蜡熟期和成熟期，湘晚籼12号谷粒的生物量分别上升58.71%～69.15%、13.26%～17.52%和13.96%～18.84%；威优46号分别上升50.07%～56.67%、30.72%～45.67%和18.54%～26.34%。

注：同一水稻生育期同列不同小写字母表示差异显著(P< 0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column of the same rice growth period indicate significant difference atP< 0.05 level.The same below.

2.1.2镉含量从表2可知，不同添加量菜籽饼的施用下，在水稻5个生长时期，2个水稻品种各部位的镉含量与对照间均无显著差异，但在水稻灌浆期、蜡熟期和成熟期，水稻谷粒中的镉含量随菜籽饼添加量的增大呈上升趋势。与对照相比，施用0.5%～1.0%的菜籽饼，湘晚籼12号和威优46号成熟期谷粒中Cd含量分别上升6.09%～53.70%和9.83%～66.24%。

表2施用不同添加量菜籽饼2个水稻品种各部位的镉含量

2.2土壤孔隙水中DOC和DON含量

从图1可知，施用菜籽饼显著增加2个水稻品种水稻分蘖期土壤DOC、DON的含量。与对照相比，施用0.5%～1.0%的菜籽饼，湘晚籼12号种植土壤孔隙水中DOC和DON含量分别上升79.19%～102.21%和78.26%～117.74%；威优46号种植土壤孔隙水中DOC和DON含量分别上升123.49%～170.42%和88.96%～96.80%。2个水稻品种在水稻分蘖期和孕穗期，施用菜籽饼处理土壤孔隙水中的DOC、DON含量显著下降，并随水稻生育期的延长趋于稳定。

注：图中*表示处理与对照(CK)存在显著差异，下同。

Note:* indicates significant difference of the treatment with CK. The same below.

图1施用不同添加量菜籽饼水稻种植土壤孔隙水中的有机质碳和有机质氮含量

Fig.1 Concentration of DOC and DON in soil pore water of rice planting soils with different RSC adding amounts

2.3土壤可溶性镉含量

从图2可知，在水稻生育初期(分蘖期和孕穗期)，施用菜籽饼的土壤可溶性镉含量显著上升。与对照相比，施用0.5%～1.0%的菜籽饼，在水稻分蘖期和孕穗期，湘晚籼12号种植土壤中可溶性镉含量分别上升700.92%～789.95%和185.34%～426.47%；威优46号种植土壤中可溶性镉含量分别上升435.18%～639.95%和524.84%～733.22%。在之后的水稻灌浆期和蜡熟期，2个菜籽饼处理土壤中可溶性镉含量逐渐下降，并在水稻成熟期与对照(CK)相当。

图2施用不同添加量菜籽饼水稻种植土壤中可溶性镉的含量

2.4土壤孔隙水中DOC、DON与土壤可溶性镉含量的相关性

从图3可知，土壤孔隙水中DOC和DON含量分别与可溶性镉含量存在极显著的正相关关系。说明，土壤可溶性镉含量的上升可能是施用菜籽饼后土壤孔隙水中DOC和DON上升的结果，尤其是在水稻分蘖期。施用菜籽饼后，在土壤微生物、酶和水稻根系作用下，菜籽饼迅速分解并显著增加土壤孔隙水中DOC和DON的含量，土壤DOC和DON含量的增加促进土壤中镉的溶解，增加了土壤中镉的生物有效性。

图32个水稻品种种植土壤孔隙水中DOC、DON与土壤可溶性镉含量的相关关系

Fig.3 Correlation of soil DOC and DON concentrations in soil pore water with soil dissolved Cd concentration for XWX-12 and WY-46

2.5水稻不同生育期镉的累积

从表3可知，施用菜籽饼均能不同程度地促进水稻对镉的吸收和镉在水稻中的累积。与对照相比，施用0.5%～1.0%的菜籽饼，湘晚籼12号和威优46号水稻在分蘖期、孕穗期、灌浆期、蜡熟期、成熟期，植株体内镉累积量分别增加0.09～1.94 μg/株和0.71～0.44 μg/株、0.86～2.53 μg/株和1.16～1.12 μg/株、3.54～4.65 μg/株和2.19～0.49 μg/株、2.30～3.26 μg/株和0.70～1.08 μg/株、3.07～8.72 μg/株和1.01～7.54 μg/株。

表3不同菜籽饼添加量湘晚籼12号和威优46号水稻各生长期镉的累积量

3结论与讨论

研究结果表明，在有镉污染的水稻种植土壤中施用菜籽饼后，土壤孔隙水中DOC、DON和土壤可溶性镉含量均迅速显著上升，在水稻分蘖期达最大值，之后在分蘖期到孕穗期显著下降，并随着水稻生育期的延长趋于稳定。施用菜籽饼均能不同程度地促进水稻生长并增加水稻对镉的吸收和累积。与对照(不施菜籽饼)相比，施用0.5%～1.0%的菜籽饼， 湘晚籼12号和威优46号两个水稻品种体内镉累积量在水稻分蘖期、孕穗期、灌浆期、蜡熟期和成熟期分别增加0.09～1.94 μg/株和0.71～0.44 μg/株、0.86～2.53 μg/株和1.16～1.12 μg/株、3.54～4.65 μg/株和2.19～0.49 μg/株、2.30～3.26 μg/株和0.70～1.08 μg/株、3.07～8.72 μg/株和1.01～7.54 μg/株。3)土壤孔隙水中DOC、DON与可溶性镉含量之间存在极显著的正相关关系。

有研究发现[11-13]，在水稻根际环境中DOC和DON能促进重金属阳离子的溶解，并与其结合，形成DOC/DON-重金属的络合物，这部分重金属在水稻根系对有机物吸收利用的过程中，容易被水稻根系所摄取，并向水稻的地上部分转运。相关性分析结果也证实，土壤孔隙水中的DOC、DON与土壤中可溶性镉含量存在显著的相关关系，对镉在孔隙水中溶解发挥了积极的作用。到目前为止，有机物对镉在水稻体内的累积没有一致的结论[18]。一方面，有机质进入土壤后分解形成的羟基、羧基、酚羟基等活性基团，可以和土壤中的重金属形成螯合物，并增强了镉的可利用度[16]。刘景[19-20]等研究显示，土壤中有机质含量的增加会提高土壤中镉的生物有效性和镉在水稻体内的累积。另一方面，施用有机物(如堆肥、粪便、有机废物、秸秆等)能通过吸附或形成稳定的络合物腐殖质[11]，使土壤中重金属的活性降低，并降低种植水稻对重金属的累积。从研究结果来看，菜籽饼的施用促进了水稻对镉的累积，增加了土壤镉污染暴露风险。总体看，在一定程度的镉污染稻田土壤中种植水稻，施用菜籽饼可能会通过增加土壤孔隙水中可溶性镉的含量，促进水稻对镉的累积，增加稻田中镉对人体健康的风险。