3种有机物料对土壤镉有效性及水稻镉吸收转运的影响

2020-11-11范晶晶许超王辉朱捍华朱奇宏张泉黄凤球黄道友

农业环境科学学报 2020年10期

范晶晶，许超，王辉，朱捍华，朱奇宏，张泉，黄凤球，黄道友*

（1.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，长沙410125；2.中国科学院大学，北京100049；3.湖南省土壤肥料研究所，长沙410125）

《全国土壤污染状况调查公报》[1]显示，Cd 是我国土壤点位超标率最高的污染物，达到7%，且主要分布在我国南方稻作区，对稻米质量安全构成严重威胁[2]。农业管理措施对稻田土壤Cd 植物有效性的影响已得到广泛证实[3-4]。种植绿肥、秸秆还田和施用有机肥是提升稻田土壤有机质含量、改善土壤肥力的常用措施[5-6]，其单一类型施用对水稻吸收Cd 的影响已有较丰富研究。然而，系统比较这3 种有机物料对污染稻田土壤-水稻系统Cd 迁移转运的影响研究较少，其结果对于我国南方Cd 污染稻田的安全生产具有重要指导意义。近年来，有机物料施用改善土壤质量和提升作物产量等效应已得到广泛证实[7-9]，但有机物料对土壤中Cd有效性的影响还存在较大不确定性；有研究结果显示[10-11]，施用有机物料可以通过提高土壤pH 值，促进土壤中Cd向有效性低的形态转化和提高根表铁膜对Cd 的固定来抑制水稻对Cd 的吸收和累积，从而达到显著降低稻米Cd 含量的效果[12-14]。也有研究发现，在Cd污染土壤上施用有机物料会促进Cd 与溶解性有机碳（DOC）复合物的形成，增强Cd 的迁移和有效性[15-17]。还有有机物料施用对稻田土壤中Cd 的有效性以及水稻吸收积累Cd 均无明显影响的报道[18-19]。以上研究结果的不一致可能与研究土壤类型、污染程度及有机物料的组成和性质差异等有关。前期研究多采取盆栽、培养等手段研究特定有机物调控Cd 植物有效性的效应，但对3 类有机物料的对比分析，尤其大田研究有待加强。为指导生产实践，本研究选取湘东典型酸性Cd 污染水稻土为研究对象，采用田间小区试验，系统比较种植绿肥、秸秆还田和施用有机肥对土壤性质、水稻生长及其对Cd 的吸收与转运的影响，从根表铁膜形成方面探讨这3 种有机物料对土壤-水稻系统Cd 运移的作用机理，以期为南方酸性稻田的安全生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

田间试验位于湖南省长沙县北山镇某Cd污染稻田，土壤类型为花岗岩发育的潴育型水稻土。供试水稻品种为株两优189（两系杂交早稻），由湖南希望种业有限公司提供。供试有机物料包括紫云英、油菜秆（均取自试验所在地）和当地农资市场购买的有机粪肥（以下简称有机肥）。供试土壤及有机物料的基本性质如表1所示。

表1 供试土壤和有机物料基本性质Table 1 Basic properties of tested soil and organic materials

1.2 试验设计

试验设4 个处理：（1）对照（CK），不施有机物料；（2）施用紫云英（T1）22 500 kg·hm-2（鲜质量，鲜紫云英含水量为90%）；（3）施用油菜秆（T2）2 250 kg·hm-2（干质量）；（4）施用有机肥（T3）2 250 kg·hm-2（干质量）。每处理3 次重复，随机区组排列，每个小区面积27 m2。有机物料在水稻移栽前一周施入。在水稻秧苗移栽前1 d 施入美佛罗复合肥（N-P2O5-K2O，总养分≥40%，18∶10∶12）750 kg·hm-2作基肥，水稻秧苗移栽后14 d 追施98 kg·hm-2尿素。水分管理与当地农民的耕作制度保持一致。2018 年4 月24 日移栽水稻秧苗，2018年7月16日收获水稻，并测产。

1.3 样品采集与处理

水稻成熟期采集各小区长势均匀的6 株代表性植株样，先用自来水洗净后再用去离子水清洗。清洗后的水稻植株分为根、茎、叶和稻谷，根提取根表铁膜后与茎、叶和稻谷一起于105 ℃下杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量。水稻各器官样品用不锈钢粉碎机（FW-80，北京市永光明医疗仪器有限公司）粉碎后装袋备用。

在水稻成熟期采集各小区表层（0～20 cm）土壤样品，剔除杂物后混合均匀，于4 ℃冰箱内保存，进行DOC 含量测定，部分样品室内自然风干后过20 目和100目尼龙筛后保存至封口塑料袋中备用。

1.4 测定指标及方法

有机物料pH 值采用上海雷兹pH 计（pHs-3C）测定，物水比为1∶10（m∶V）；有机物料有机碳含量测定采用重铬酸钾容量-外加热法测定；有机物料用硫酸-过氧化氢消煮法消解后，全N 含量用凯氏定氮法测定，有机物料全P含量用钒钼黄比色法测定[20]。

土壤pH 值采用上海雷兹pH 计（pHs-3C）测定，土水比为1∶2.5；土壤有机质含量测定采用重铬酸钾容量-外加热法[21]；土壤DOC采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提，过滤后用有机碳分析仪（湿法）（Vwp，岛津）测定[21]；土壤用硫酸-过氧化氢消煮法消解后，全N 含量用凯氏定氮法测定，土壤全P 含量采用钼锑抗比色法测定[21]。取过20 目筛的风干土样用脲酶、过氧化氢酶和纤维素酶试剂盒（南京建成生物科技有限公司）进行相应酶活性的测定。土壤有效态Cd 用DTPA[土水比1∶2.5（m∶V）]提取2 h 后过滤[22]，土壤Cd 全量用王水-高氯酸消解法消解[21]，定容过滤，用电感耦合等离子光谱发生仪（ICP-OES 5110，美国安捷伦）测定滤液中Cd含量。

水稻根表铁膜采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠（DCB，dithionite-citrate-bicarbonate）法进行提取[23]。称取1.00 g 鲜根加入40 mL DCB（0.03 mol·L-1Na3C6H5O7·2H2O-0.125 mol·L-1NaHCO3）溶液，使根系全部浸没于溶液中，10 min 后加入1.00 g 保险粉（Na2S2O4），混合均匀，继续浸泡1 h 后洗入100 mL 容量瓶中，定容，摇匀过滤，过滤液用ICP-OES 测定根膜Cd（DCB-Cd）、Fe（DCB-Fe）和Mn（DCB-Mn）含量。

有机物料以及水稻根、茎、叶和稻谷中Cd含量测定采用混合酸溶液（HNO3∶H2O，体积比为8∶1）微波消解法消解[24]，赶酸后定容至10 mL 过滤，用ICPOES 5110测定滤液中Cd含量。

1.5 数据处理

Cd 转运系数（Translocation factor，TF）=水稻上一部位Cd 含量/下一部位Cd 含量[25]。用Excel 2010 软件进行试验数据的处理和作图，统计软件SPSS 21.0对试验数据进行多重比较和LSD 显著性检验，Pearson法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 有机物料对土壤pH、有效态Cd、可溶性有机碳和有机质含量的影响

施用紫云英、油菜秆和有机肥对土壤pH 值和DTPA-Cd含量无明显影响，提高了土壤DOC和有机质含量（表2）。与CK相比，紫云英、油菜秆和有机肥处理土壤DOC 含量分别增加16.59%（P＜0.05）、9.45% 和12.56%，土壤有机质含量虽略有增加但无显著性差异。

2.2 有机物料对土壤酶活性的影响

不同有机物料施用对土壤过氧化氢酶和纤维素酶活性影响显著，而对土壤脲酶活性无显著影响（表3）。有机物料施用提高了土壤过氧化氢酶活性，紫云英、油菜秆和有机肥处理过氧化氢酶活性比CK 分别提高6.96%、13.74%和17.76%（P＜0.05）。有机物料施用在一定程度上提高了土壤纤维素酶活性，油菜秆处理土壤纤维素酶活性比CK 显著高37.93%（P＜0.05），施用紫云英和有机肥土壤纤维素酶活性略有增加，但无显著差异。

2.3 有机物料对水稻DCB-Fe、DCB-Mn 及Cd 固定量的影响

有机物料施用在一定程度上促进了水稻根表铁膜的形成，提高了其对Cd 的固定量（图1）。与CK 相比，紫云英和油菜秆处理水稻DCB-Fe 含量分别提高25.07%（P＜0.05）和22.71%（P＜0.05）；油菜秆和有机肥处理DCB-Mn 含量分别显著提高26.71%（P＜0.05）和24.04%（P＜0.05）；施用紫云英、油菜秆和有机肥水稻DCB-Cd 含量均有不同程度的提高，但未达到显著性差异。3 种有机物料的施用促进了水稻根表铁膜的生成，提高了根表铁膜对Cd的固定。

表2 土壤pH、DTPA-Cd、DOC和有机质含量Table 2 Soil pH，and the concentration of available Cd，DOC and organic matter

表3 土壤酶活性（mg·g-1·d-1）Table 3 Soil enzymes activities（mg·g-1·d-1）

2.4 有机物料对水稻产量及水稻各部位Cd含量的影响

施用紫云英、油菜秆和有机肥对水稻稻谷产量无显著影响（表4）。有机物料施用对水稻各部位Cd 含量的影响不同（表4）。与CK 相比，紫云英、油菜秆和有机肥处理水稻根Cd 含量分别提高4.22%、16.99%（P＜0.05）和38.27%（P＜0.05），茎Cd 含量分别显著提高34.33%、46.58%和62.00%（P＜0.05），有机肥处理叶Cd 含量显著增加22.01%（P＜0.05）、紫云英处理叶Cd含量显著降低16.86%（P＜0.05），紫云英、油菜秆和有机肥处理水稻稻谷Cd 含量分别显著提高32.67%、39.60% 和54.46%（P＜0.05）。可见，施用紫云英、油菜秆和有机肥提高了水稻根对Cd 的吸收和稻谷中Cd的积累。

图1 DCB-Fe、DCB-Mn和DCB-Cd含量Figure 1 Fe，Mn，and Cd concentrations in DCB extraction

与CK 相比，紫云英、油菜秆和有机肥处理Cd 由水稻根向茎的转运系数（TF茎/根）分别显著提高26.09%、21.74% 和13.04%（P＜0.05），茎向叶Cd 转运系数（TF叶/茎）分别显著降低38.67%、29.33% 和25.33%（P＜0.05），叶向谷Cd 转运系数（TF谷/叶）分别增加58.33%（P＜0.05）、33.33%（P＜0.05）和25.00%，Cd根向谷转运系数（TF谷/根）分别增加27.50%（P＜0.05）、20.00%（P＜0.05）和12.50%（表5）。紫云英施用促进了Cd 从水稻根向茎及根和叶向稻谷的转运、降低了Cd 从茎向叶的转运，油菜秆施用促进了Cd 从根和叶向稻谷的转运、降低了Cd从茎向叶的转运，有机肥施用促进了Cd 从根向茎及根和叶向稻谷的转运、降低了Cd从茎向叶的转运。

2.5 土壤有效态Cd、水稻吸收Cd 与土壤理化性质及根表铁膜的关系

进一步分析了土壤相关指标及根表铁膜Cd与水稻各部位Cd 含量的相关性（表6），土壤DTPA 提取态Cd 含量与pH 值、DOC 和有机质含量之间的相关性并未达到显著水平（P＞0.05）。稻谷Cd含量与水稻根Cd及茎Cd 含量呈现极显著正相关关系（P＜0.01），但与水稻叶部Cd 含量却无显著相关性（P＞0.05）。此外，水稻各部位Cd 含量与土壤pH 值、DOC、有机质以及DTPA 提取态Cd 的相关性也均未达到显著水平（P＞0.05）。然而，稻谷和水稻茎秆Cd含量与根表铁膜Cd含量呈显著正相关关系（P＜0.05）。

表4 水稻产量和各部位Cd含量Table 4 Rice yield and cadmium concentration in different parts of rice

表5 水稻Cd转运系数Table 5 The translocation coefficients of cadmium in rice

表6 水稻各部位Cd含量与pH、DOC、有机质、DTPA-Cd和DCB-Cd的相关性Table 6 Correlation coefficients of cadmium concentrations in different parts of rice with pH，DOC，organic matter，DTPA-Cd and DCB-Cd concentrations

3 讨论

本研究结果显示，3 种有机物料的施用对水稻成熟期土壤DTPA-Cd 含量均无显著影响，王阳等[12]和薛毅等[14]研究结果也显示施用相似用量的绿肥和有机肥对当季水稻成熟期土壤有效态Cd含量无显著影响。然而，张庆沛等[13]发现油菜秸秆还田量为9.6 t·hm-2时会促进稻田土壤交换态Cd 向有机结合态Cd转化。Guo 等[16]研究表明，施用商品有机肥明显提高了土壤CaCl2提取态Cd 含量。土壤pH 值是影响Cd形态最为重要的环境因子之一，但本研究和前期大量试验结果均表明，较低用量有机物料施用后对当季成熟期土壤pH 值的影响非常有限[12-14，16]，可以推测其对Cd 形态的影响也较小。而有机物料施用后主要通过形成腐殖质和生成DOC，与Cd发生螯合或络合作用，进而影响Cd 的赋存形态。从本试验结果来看，一方面由于有机物料施用量相对较低（2.25 t·hm-2），土壤有机质含量无明显变化，DOC 含量略有增幅，可能难以显著改变土壤中Cd的有效性。另一方面可能与本试验采用的有效态Cd提取方法有关，DTPA 法用于酸性土壤时，除可以提取水溶性和交换态Cd外，还能提取出部分碳酸盐、铁锰氧化物和有机结合态Cd[22]，从而掩盖有机物料施用后的土壤Cd形态变化。这也导致了DTPA-Cd 与土壤理化性质之间无明显相关性的研究结果。此外，供试水稻土每公顷Cd 总量约为2 835 g（按土壤2 250 t·hm-2计），其DTPA-Cd 占比高达60%，而紫云英、油菜秆和有机肥输入的Cd量分别为0.77、0.56 g·hm-2和1.85 g·hm-2，仅占土壤全Cd 量的0.03%、0.02% 和0.06%，不足以带来二次污染风险及影响土壤DTPA-Cd含量。可见，在供试土壤上，施用2.25 t·hm-2的绿肥、秸秆和有机粪肥对土壤DTPA-Cd含量均难以产生明显的影响。

根表铁膜是由于土壤中含铁锰物质经过植物根际的氧化还原过程沉积在根表形成的，对Cd 等重金属具有较强的吸附能力，在水稻等湿地植物吸收重金属的过程中扮演着重要的角色[18，26]。供试3 种有机物料的施用有效促进了水稻根表铁膜的形成和对Cd的吸附，这与Zhang 等[18]的研究结果相似。可能是因为施用有机物料为土壤中的微生物提供了可有效利用的碳源，能够提高微生物的活性，尤其是参与铁氧化还原功能微生物（如铁的异化还原菌）活性的提高会促进根表铁膜的形成[18]。这也可以从施用有机物料后，土壤中纤维素酶和过氧化氢酶活性的提升得到侧面的证实。此外，有机物料的施用，还可以为土壤中铁锰物质的氧化还原过程提供更多的电子供体[27]。

虽然3 种有机物料的施用并未影响水稻成熟期土壤DTPA-Cd 含量，但显著提高了水稻各部位Cd 的含量，这与Guo 等[16]和Zhang 等[18]研究结果基本一致。相关性分析结果进一步表明（表6），施用有机物料后水稻对Cd 的吸收增加受土壤中Cd 有效性的变化影响较小，而与根表铁膜及其Cd 固定量的增加有关。根表铁膜在植物吸收Cd的过程中既有可能起到障碍层（抑制）的作用，也有可能扮演储存库（促进）的角色，这取决于根表铁膜的厚度和老化程度，而其厚度和老化程度则与植物自身特性以及生长的环境条件直接相关[28]。本课题前期研究结果证明，在本研究的供试土壤上，根表铁膜对水稻吸收Cd 主要起促进作用[18，24]，而施用有机物料后DCB-Fe 和DCB-Mn 显著升高，DCB-Cd 也呈增加趋势，可能是导致水稻吸收Cd 增加的重要原因。此外，施用3 种有机物料后，Cd由根部向茎和稻谷的转运系数也显著升高，也可能是导致稻谷Cd含量升高的重要原因。前人在施用较高量绿肥和秸秆时也观察到相似的转运增强现象[12，19]，而江巧君等[29]则发现施用有机肥后Cd 在水稻植株内的分配和转运因水稻品种不同，Cd 由根部向地上部的转运既可能出现增强，也可能出现减弱的现象。Cd 在水稻植株内的运移过程受到土壤氧化还原条件、pH、养分供应状况以及水稻品种等多种因素的共同作用[30]，因此施用有机物料促进Cd 由根部向地上部转运的作用机制有待进一步研究。

本研究的结果明确表明，施用绿肥、油菜秸秆和有机粪肥均提升了稻米Cd 积累风险，表明在南方酸性Cd污染稻田采取施用有机物料培肥措施的选择过程需要更为慎重。然而，这并不能完全否定有机培肥措施，南方稻田土壤类型、污染程度和主栽水稻品种多样，有机物料施用后的效应是否会受到影响？长期施用有机物料对Cd 在土壤-水稻系统运移的效应有待明确，有机物料施用后Cd 在水稻体内转运发生变化的作用机制尚不清晰。因此，需要对更多稻田土壤类型和更广泛有机物料种类开展研究，尤其是长期定位试验研究，以便为南方酸性Cd 污染稻田的安全生产提供更为系统的理论依据。