新型改良剂“良田宝”对土壤有效镉及稻米镉含量的影响

2020-06-14刘马养张玉盛敖和军

作物研究 2020年3期

刘马养，张玉盛，2，肖欢，2，敖和军，2*

(1 湖南农业大学农学院，长沙 410128； 2 南方粮油作物协同创新中心，湖南长沙 410128)

从20世纪60年代日本出现“骨痛病”到2013年5月我国轰动一时的“镉大米”，稻米镉污染越来越受到人们的关注。稻米中的重金属镉污染不仅给人类健康安全问题带来极大的隐患，而且还在一定程度上影响了中国农产品质量安全、农业生产可持续性发展和国家生态环境安全，给国民经济带来了极大的损失。我国乃至世界范围内对农田土壤镉污染修复和农产品降镉的治理已刻不容缓。

目前针对土壤镉污染修复与农产品降镉，主要有两种途径：1)改变重金属的存在状态，降低其活性，脱离食物链；2)利用特殊植物吸收土壤中的重金属，或用工程技术将重金属变为可溶态、游离态，经过淋洗、收集，达到回收和减少土壤中重金属的双重目的。化学固定修复技术具有高效且快速等优点，被国内外众多研究人员所采用。该技术主要采用土壤改良剂改变土壤的物理、化学性质，通过吸附、沉淀或共沉淀作用，改变重金属在土壤中的存在状态，从而降低其生物有效性和迁移性[1]。王林等[2]研究表明，施用海泡石和磷酸盐，提高土壤pH值、物理化学吸附以及生成矿物沉淀等作用，可以促进污染土壤中的Cd、Pb由活性高的交换态向活性低的残渣态转化，从而显著降低Cd、Pb的生物有效性和迁移能力。何晶晶等[3]研究表明，在高污染背景条件下，添加石灰、腐殖酸、硫化钠、亚硒酸钠可抑制紫色土汞、镉进入蔬菜。有机改良剂主要包括农家肥、绿肥、生物炭等有机肥料。王哲等[4]研究指出，添加生物炭后，土壤中重金属的形态发生了变化，由易迁移的弱酸提取态向更加稳定的残渣态转化，且生物炭添加量越大，钝化效果越显著。本试验采用盆栽试验，将一种新型土壤改良剂应用于镉污染农田土壤，旨在探讨其不同用量对镉污染土壤的降镉效果及对水稻吸收积累镉的影响，为镉污染土壤上稻米的安全生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自湖南省岳阳市湘阴县镉污染水稻土(河流冲击物形成的潮泥田)，土壤pH值5.74，总镉含量0.82 mg/kg，有效镉含量0.33 mg/kg。土壤采回后经风干、磨细、过筛装入内径长43.7 cm、宽31.4 cm、高16.0 cm的试验盆，每盆16 kg。

供试晚稻品种为玉针香。6月22日播种育秧，7月24日移栽秧苗。

土壤改良剂“良田宝”购于葛林美(苏州)农业科技有限公司，属于纽翠绿良田宝C系列生态基肥(水剂) 。其主要特性：pH值(1∶250稀释)4.0～10.0、腐殖酸≥40 g/L、重金属Cd含量≤10 mg/kg，大量元素含量≥200 g/L、N≥70 g/L、P2O2≥60 g/L、K2O≥70 g/L。

1.2 试验设计

盆栽试验于2018年4～11月在湖南省长沙市湖南农业大学水稻研究所防雨大棚进行。设置6个处理：CK(对照，不添加“良田宝”)，T1(每公斤土添加“良田宝”0.3 g)，T2(每公斤土添加“良田宝”0.6 g)，T3(每公斤土添加“良田宝”0.9 g)，T4(每公斤土添加“良田宝”1.2 g)，T5(每公斤土添加“良田宝”1.5 g)。4次重复。模拟田间全生育期淹水处理，并保持不生长杂草。改良剂添加后放置浸泡一周，使土壤环境平稳。分别于4月23日、6月24日、7月24日取土壤样品(记为S1、S2、S3)，并于7月24日完成晚稻秧苗移栽，每盆6穴，每穴2株基本苗。水稻生长期采用自来水灌溉及其它常规管理，于11月3日收割，生育期134 d。

1.3 测定项目与方法

土壤有效镉含量：土壤样品采取“梅花5点法”采集，将采集到的土壤样品混合均匀，放于室内风干，去除其中的沙石和动植物残体等，用橡胶锤粉碎，过筛(100目尼龙筛)。采用DTPA浸提法(GB/T 23739-2009)提取样品有效镉，ICP-MS测定其镉含量。

植株样品干质量与镉含量：先用自来水洗净水稻样品根系泥土，再用去离子水清洗整个植株，洗净后将其分为根系、稻草、籽粒3部分，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重。将籽粒打成糙米，并将烘干后的糙米、稻草和根系用不锈钢粉碎机粉碎后过筛(100目)，用浓硝酸与高氯酸(V硝酸∶V高氯酸=4∶1)湿法消解，采用ICP-MS测定样品镉含量。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2019和SAS 9.4中Mixed model软件对数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 水稻成熟期生物量

由表1可知，各处理均能提高水稻的生物量，其中根系生物量以T3最高，为19.8 g/盆，其次为T4、T5，显著高于CK和T2，但三者间无显著差异。除T2外，其它各处理稻草和籽粒生物量较CK均有较大增幅，分别为2.40%～26.94%和5.11%～68.00%。其中稻草生物量以T5最高，为136.3 g/盆，其次为T3，与其他处理差异显著；T2最低，为93.8 g/盆，较CK降低12.59%，但与CK、T1、T4差异不显著。籽粒生物量以T4最高，为91.4 g/盆，其次为T3，与其他处理差异显著；T2最低，为45.2 g/盆，较CK降低17.00%，但与CK、T1、T2、T5差异不显著。

表1 水稻成熟期不同部分生物量

注：用LSD法进行多重比较。同列数据后小写字母不同表示处理间的差异达到0.05显著水平。下同。

2.2 水稻成熟期不同部分Cd含量

水稻成熟期地下部分Cd含量为T3>T4>T1>T2>CK>T5，T3最高，为2.00 mg/kg，与CK差异显著，T1～T4处理间差异不显著，较CK高24.32%～80.18%，T5较CK低23.42%，差异不显著。地上部分Cd含量以CK最高，为0.69 mg/kg，与其他各处理差异显著，不同处理较CK低66.67%～78.26%(表2)。因此，施用“良田宝”能有效抑制根系中的Cd向地上部转移，显著降低水稻地上部分的Cd含量。

表2 水稻成熟期不同部分Cd含量

2.3 水稻成熟期糙米Cd含量

由表2可知，水稻糙米Cd含量以T3处理最高，为0.15 mg/kg，较CK高150%，与其他各处理差异显著；T1处理较CK高50%，但差异不显著；T2、T4、T5处理分别较CK低50.00%、33.34%、16.67%，但处理间无显著差异。

2.4 土壤有效Cd含量

各处理均能降低土壤有效Cd含量(表3)，其中施用改良剂浸泡一周后(S1)与浸泡两月后(S2)测量，土壤有效Cd含量均为T5

表3 土壤不同时期有效Cd含量

3 讨论

3.1 施用土壤改良剂对土壤镉的影响

3.2 施用改良剂对水稻生物量积累的影响

本试验中，T3和T4处理水稻各部分生物量显著高于对照，且籽粒生物量明显增加，增幅最高达到68.0%；T5处理籽粒生物量较T1～T3处理有所下降，较对照组仅有5.11%的增幅。说明合理施用改良剂，可以促进水稻根系、稻草和籽粒等生物量的积累，当改良剂施用量超过一定范围时，水稻各部分生物量积累反而降低。其可能原因为添加土壤改良剂使得土壤pH发生变化，土壤微环境发生较大改变，从而影响水稻生物量的积累。这与罗子瑞等[6]研究结果相一致。也有研究表明，腐殖酸含有较多的营养物质，造成水稻营养过剩而推迟结实，从而导致水稻产量下降[7]。

3.3 施用改良剂对水稻镉吸收和转运的影响

在土壤—水稻系统中，土壤中Cd进入稻米中要经历土壤—稻根、稻根—茎叶和茎叶—稻米3 个过程，而改良剂施用可能会影响水稻各部位对Cd 的吸收[8]。本试验中，不同处理对地下部镉含量的影响表现为先升后降的趋势，且均高于CK处理；其中T3处理最高，较CK高80.18%。对于水稻地上部分而言，改良剂的施用显著降低了其镉含量，各处理较CK降幅为66.67%～78.26%。且各处理水稻糙米中镉含量均未超出国家标准(0.2 mg/kg)，但其中T1和T3处理稻米镉含量高于CK，而T2、T4和T5处理低于CK，差异不显著。

综合以上结果，施用土壤改良剂，可以抑制根系中的镉向地上部分转移，降低糙米中的镉含量，其降镉效果与其施用剂量相关。其可能原因为施用改良剂影响了pH、CEC及EC等土壤理化性质，使得土壤中总镉转化为水稻能有效吸收的重金属镉的相对数量增多，因此水稻根系部分富集的镉含量相应提高。另有研究表明，添加有机酸可以降低籽粒中镉含量，原因在于有机酸增加了镉在土壤中的溶解度，与镉形成复合物，影响土壤对镉的吸附，增加其解吸能力，提高了镉在土壤中的移动性，使得通过质流扩散作用到达根系的重金属量增加，根系因此有更多机会与重金属镉接触[9]。而进入水稻根系的镉受到根系的滞留作用，降低了镉向水稻地上部分的转运，主要作用表现为：1)根茎间较低的镉转运量，使得向地上部转运的镉离子量减少；2)根系细胞壁的滞留作用；3)根系细胞液泡的滞留作用[10]。结合本试验结果分析，施用改良剂能有效影响水稻根系的滞留作用，减少镉向地上部分转运，但其中具体影响的生理生化机制还需进一步探明。所有处理中糙米镉含量均低于国家标准0.2 mg/kg，可能原因为本试验在水稻全生育期淹水灌溉处理下进行。据前人报道[11，12]，全生育期淹水灌溉处理能显著降低稻米镉含量，尤其晚稻表现明显。此外，水稻对镉吸收、转运和积累的特殊生理模式，决定了水稻各部分中镉含量的基本分布规律是根系>茎叶>籽粒[13]，本试验的研究结果也验证了这一规律。本试验仅对施用“良田宝”对土壤有效镉及水稻镉积累的影响进行探讨，其作用机理有待进一步深入研究。