冬种绿肥对后茬土壤Cd有效性及水稻Cd积累的影响

2020-11-24谭长银曹雪莹王腾飞黄硕霈

湖南师范大学自然科学学报 2020年5期

彭曦，谭长银*，曹雪莹，王腾飞，柏佳，黄硕霈

(湖南师范大学 a.资源与环境科学学院，b.环境重金属污染机理及生态修复重点实验室，中国长沙 410081)

土壤重金属污染可直接影响生态环境安全和农产品安全，并可通过食物链对人体健康造成潜在危害[1，2]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%，Cd点位超标率达7.0%，居八大超标金属元素之首[3]，南方酸性农田土壤Cd污染问题较北方严重[4]。农艺措施具有成本低、操作简单、便于推广的特点，在传统农业生产实践中，冬种绿肥是用于改善土壤肥力所采取的重要农艺措施之一。已有研究表明，添加绿肥能改变土壤理化性质，原位钝化土壤(尤其是酸性土壤)中的重金属，进而降低植物对重金属的吸收[5-7]，Li[8]和Mohamed[9]的研究表明，在酸性土壤中添加绿肥减少了水稻对Cd的吸收。因此，在南方重金属污染稻田轮作休耕中，冬种绿肥并翻压秸秆不失为一条能有效降低土壤Cd有效性和水稻吸收Cd的农艺措施。由于绿肥秸秆的物质组分(如腐殖酸组分)和分解速率、土壤的理化性质以及淹水环境等的差异，使不同绿肥还田对土壤Cd有效性和水稻Cd吸收的影响产生差异，因此，如何利用传统的稻-肥轮作休耕制度来降低后茬土壤Cd有效性和水稻Cd积累而实现Cd污染农田的安全利用的问题值得深入研究。本研究通过盆栽试验，探究冬种绿肥对后茬水稻种植前后4个时期的土壤理化性质、Cd有效性以及水稻Cd积累的影响，分析土壤有效态Cd、土壤Cd形态与水稻各部位Cd的关系，为筛选我国南方Cd污染稻田绿肥种植模式提供参考，为通过改变种植制度实现降低土壤重金属的有效性和作物的安全生产提供理论依据。

1材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤：采自湖南省湘潭市易俗河镇水稻收获后的农田表层(0～20 cm)，剔除植物残体和石砾等，自然风干，过2 mm尼龙筛，备用。土壤pH为5.45，土壤有机质含量为23.00 g/kg，总Cd为0.50 mg/kg，为中轻度Cd污染土壤。

供试植物：水稻为湘早籼稻24号，紫云英为天缘四号，油菜为沣油958。

1.2 试验设计

盆栽试验于玻璃温室内进行，试验设计了对照(冬闲)、冬种紫云英、冬种油菜3个处理，每个处理3个重复，每盆供试土壤4.5 kg(风干基)。第一茬，种植绿肥，第一年9月30日播种，土壤含水量保持田间持水量的70%～75%，第二年3月30日收获，并采集土壤样品，即为水稻种植前的样品；第二茬，种植水稻(种植前将绿肥秸秆全部还田)，采用幼苗移栽的方式，分别于第二年4月14日和8月10日种植和收获，并在分蘖期、抽穗期和收获期采集土壤和植物样品。图1为盆栽试验示意图。

图1 盆栽试验示意图Fig. 1 Schematic diagram of pot experiment

1.3 样品处理与分析测定

土壤样品风干，过10 mm、60 mm和100 mm尼龙筛，备用。植物样品按根、茎叶、壳、糙米分成不同部位，用自来水、去离子水洗净，105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干，用不锈钢粉碎机磨碎，装袋备用。

土壤pH采用pHs-3C雷磁酸度计测定；土壤有机质采用丘林法测定；土壤有效态Cd采用0.1 mol·L-1HCl浸提[10]；土壤Cd形态采用欧共体参比司的三步提取法(BCR法)[11]；土壤和植物采用CEM-MARS6微波消解仪消解。提取液中Cd质量分数的测定均用原子吸收光谱仪(Perkin-Elmer Pin AAcle.900T，USA)测定，并通过空白试验和国家标准样品(GBW07405和GBW07603)进行质量控制。

1.4 数据分析与统计

数据统计采用Excel 2010和SPSS 20.0软件完成，差异显著性分析采用ANOVA中的Duncan多重比较法(P<0.05)，相关分析采用Pearson双变量相关分析，作图采用Origin 9.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 水稻生长过程中土壤pH和有机质的变化

图2表示水稻生长过程中土壤pH和有机质的变化。土壤pH先上升后下降，收获期土壤pH显著高于种植前(P<0.05)，对照、冬种紫云英和冬种油菜的土壤pH最大值分别为6.12(抽穗期)、6.24(抽穗期)和5.92(分蘖期)，因为分蘖期和抽穗期的土壤水分含量大于种前和收获期，而土壤淹水或水分含量增加，提高酸性土壤的pH[12]。比较不同处理的土壤pH，冬种紫云英与对照在各时期无显著差异，冬种油菜在分蘖期显著高于对照，在抽穗期和收获期显著低于对照(P<0.05)。与冬种紫云英相比，冬种油菜的土壤pH在分蘖期显著上升(上升了0.25个单位)，抽穗期和收获期显著下降(分别下降了0.60和0.32个单位)。

注：小写字母和大写字母分别表示处理之间和时期之间的差异显著(P<0.05)，下同。图2 水稻生长过程中土壤pH和有机质的变化 Fig. 2 Changes of soil pH and organic matter during the growth of rice

土壤有机质随水稻种植时间的延长而减小，种植前至分蘖期，土壤有机质下降幅度大，对照、冬种紫云英和冬种油菜显著下降(P<0.05)，分别下降了28.67%，33.96%和21.69%，下降幅度冬种紫云英大于冬种油菜；分蘖期至收获期，土壤有机质下降幅度小，对照、冬种紫云英和冬种油菜分别下降了11.59%，3.93%和16.57%，下降幅度冬种紫云英小于冬种油菜。比较不同处理的土壤有机质，除分蘖期冬种油菜显著高于其他两个处理外(P<0.05)，其他时期土壤有机质在处理之间无显著差异。

2.2 冬种绿肥对土壤Cd有效性和形态的影响

2.2.1 冬种绿肥对土壤Cd有效性的影响

图3表示水稻生长过程中土壤有效态Cd的变化，水稻种植前，不同处理的土壤有效态Cd为0.32～0.40 mg·kg-1，水稻种植后，不同处理的土壤有效态Cd为0.16～0.21 mg·kg-1。比较不同时期的土壤有效态Cd，各处理分蘖期显著低于种植前(P<0.05)，收获期(冬种紫云英除外)显著低于分蘖期和抽穗期，即在水稻生长过程中土壤有效态Cd有两次下降，以上结果与吴浩杰等[13]的研究结果相同。与种植前相比，对照、冬种紫云英和冬种油菜的分蘖期土壤有效态Cd分别下降了44.86%，44.32%和46.44%(均大于40%)，而与分蘖期相比，对照、冬种紫云英和冬种油菜收获期的土壤有效态Cd分别下降了17.14%，10.42%和15.07%(均小于20%)，土壤有效态Cd的下降幅度为：种植前至分蘖期>分蘖期至收获期。

图3 水稻生长过程中土壤有效态Cd的变化Fig. 3 Changes of soil available Cd during the growth of rice

比较不同处理的土壤有效态Cd，冬种紫云英种植前、分蘖期和抽穗期的土壤有效态Cd显著低于其他两个处理(P<0.05)，降低了22.91～82.12 μg·kg-1，与对照相比，水稻种植前、分蘖期和抽穗期分别降低了18.22%，17.39%和14.07%，与冬种油菜相比，水稻种植前、分蘖期和抽穗期分别降低了20.55%，11.47%和17.15%。冬种油菜抽穗期和收获期的土壤有效态Cd高于对照(分别提高了3.72%和10.59%)，但不显著。结果表明，冬种紫云英可能降低后茬水稻土壤Cd有效性(收获期除外)，冬种油菜可能提高后茬水稻抽穗期和收获期土壤Cd有效性。

2.2.2 冬种绿肥对土壤Cd形态的影响

图4表示水稻生长过程中土壤Cd形态的变化，不同时期土壤Cd形态变化较大。与种植前相比，分蘖期，对照和冬种紫云英的土壤酸可溶态Cd没有明显变化，冬种油菜的土壤酸可溶态Cd则显著下降(P<0.05)，下降了10.66%，对照、冬种紫云英和冬种油菜的可还原态Cd和可氧化态Cd均显著下降(P<0.05)，土壤可还原态Cd分别降低了30.19%，28.82%和18.31%，土壤可氧化态Cd分别降低了54.96%，49.61%和36.91%，Kogel-knabner[14]和Ponnamperumad[15]的研究表明，淹水条件下发生的还原反应消耗高价位的N，Fe，Mn和S等离子，从而降低土壤可还原态Cd和可氧化态Cd。土壤可还原态Cd和可氧化态Cd下降幅度均为对照>冬种紫云英>冬种油菜，说明冬种绿肥可能减弱淹水条件下土壤氧化还原电位的降低，从而限制土壤可还原态Cd和可氧化态Cd的降低。

图4 水稻生长过程中土壤Cd形态的变化Fig. 4 Changes of Cd form in soil during the growth of rice

比较不同处理的土壤Cd形态，对于土壤酸可溶态Cd，冬种紫云英在各时期显著低于对照和冬种油菜(收获期除外)(P<0.05)，对照和冬种油菜在各时期差异不显著；对于土壤残渣态Cd，冬种紫云英在分蘖期和抽穗期显著高于对照，在抽穗期和收获期显著高于冬种油菜(P<0.05)；对于土壤可还原态Cd和可氧化态Cd，冬种绿肥降低了种植前土壤的可还原态Cd和可氧化态Cd，其他时期处理之间没有明显差异(除抽穗期冬种紫云英显著低于其他两处理外)。差异显著性分析表明，与对照相比，冬种绿肥可能降低后茬水稻种植前的土壤可还原态Cd和可氧化态Cd，而冬种紫云英能降低后茬水稻土壤酸可溶态Cd(收获期除外)以及显著提高分蘖期和抽穗期土壤残渣态Cd。此外，相关分析表明，种植前、分蘖期和抽穗期的土壤有效态Cd与土壤酸可溶态Cd显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.94，0.91和0.94，种植前、分蘖期和抽穗期的土壤有效态Cd与土壤残渣态Cd则显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为-0.95，-0.89和-0.93，相关分析说明冬种紫云英降低后茬水稻土壤有效态Cd可能与土壤Cd由酸可溶态向残渣态转化有关。

2.3 冬种绿肥对后茬水稻在不同时期吸收积累Cd的影响

图5为水稻生长过程中各部位Cd的变化，由图4可见，水稻各部位中的Cd质量分数大小表现为：根>茎叶>壳>糙米，冯雪敏[16]和彭华[17]等得到相同结果。比较不同时期的水稻各部位Cd，各处理水稻根和茎叶积累的Cd均为分蘖期>抽穗期>收获期，水稻壳积累的Cd为抽穗期>收获期(冬种紫云英除外)，即表明随着水稻的生长发育，水稻各部位积累的Cd逐渐减小。比较不同处理的水稻各部位Cd，与对照相比，冬种油菜的水稻各部位Cd在分蘖期显著降低(P<0.05)，而在抽穗期和收获期有所提高(提高了0.01～1.67 mg·kg-1)，抽穗期水稻根、茎叶和壳中的Cd分别提高了3.85%，76.26%，47.10%，收获期水稻根、茎叶、壳和糙米中的Cd分别提高了23.44%，1747%，37.99%和6.98%。与对照相比，冬种紫云英的水稻各部位Cd在不同时期均显著降低(P<0.05)，分蘖期水稻根和茎叶中的Cd分别下降了71.34%和71.66%，抽穗期根、茎叶和壳中的Cd分别下降了60.84%，79.01%和77.14%，收获期水稻根、茎叶、壳和糙米中的Cd分别下降了41.86%，70.78%，47.48%和70.04%。

图5 水稻生长过程中水稻各部位Cd的变化 Fig. 5 Changes of Cd in different parts of rice during the growth of rice

2.4 冬种绿肥条件下土壤有效态Cd对水稻Cd积累的影响

表1为不同时期土壤有效态Cd和水稻各部位Cd的相关性。结果表明，分蘖期和抽穗期的水稻各部位Cd与土壤有效态Cd显著正相关(P<0.01)，收获期水稻壳Cd与土壤有效态Cd显著正相关(P<0.01)，而水稻根、茎叶和糙米Cd与土壤有效态Cd呈正相关，但不显著，其相关系数为：壳>糙米>根>茎叶。由于某时期土壤有效态Cd影响该时期水稻对Cd的吸收，故相关分析说明了水稻根和茎叶中的Cd可能主要来自分蘖期和抽穗期吸收的Cd，水稻壳中的Cd可能主要来自于抽穗期和收获期，对于水稻糙米中的Cd，其与土壤有效态Cd、根、茎叶、壳中的Cd的相关系数分别为0.64，0.79，0.85和0.93，大小为壳>茎叶>根>土壤有效态Cd，表明糙米中的Cd可能主要来自水稻其它部位积累的Cd，其次来自其形成时水稻从土壤中吸收的Cd。研究表明，水稻从土壤中吸收Cd的关键时期是分蘖期和抽穗期。

表1 土壤有效态Cd和水稻各部位Cd的相关性

3 讨论

3.1 紫云英和油菜秸秆的分解对土壤理化性质的影响

土壤有机质是一个逐渐分解有机化合物的连续体[18]，周转时间从天到千年不等[19]。添加秸秆后，有机质分解还未达稳定平衡状态，秸秆种类和分解速率等会影响分解产物的性质，进而对土壤理化性质产生不同影响。本研究中，土壤有机质分蘖期之前的下降幅度大于分蘖期之后，反映了秸秆的分解速率为“前高后低”，与其他研究结果类似[20]。此外，分蘖期之前，冬种紫云英土壤有机质的下降幅度大于冬种油菜，而分蘖期之后相反，反映了紫云英秸秆的分解速率在分蘖期之前大于油菜秸秆，而在分蘖期之后小于油菜秸秆，可能是因为紫云英秸秆的C/N和难分解有机物含量小于油菜秸秆，而C/N低和木质素等难分解有机物含量小的秸秆更容易分解[21-23]。因此，在本研究中，冬种紫云英的土壤pH在分蘖期显著低于冬种油菜，抽穗期和收获期显著高于冬种油菜。究其原因，分蘖期之前，紫云英秸秆分解速率大于油菜秸秆，淹水条件下紫云英秸秆厌氧分解产生有机酸[24，25]或含高氧化碳的羧酸大于油菜秸秆，降低了土壤pH，而分蘖期之后相反。

3.2 不同时期土壤有效态Cd对水稻Cd积累的影响

在本研究中，与对照相比，冬种紫云英显著降低了后茬水稻对Cd的积累，冬种油菜提高了后茬水稻对Cd的积累。究其原因：一是秸秆还田后不同秸秆的物质组分和分解速率的差异，可能使土壤的理化性质和土壤Cd有效性产生不同的变化；二是分蘖期和抽穗期可能是水稻从土壤中吸收Cd的关键时期，与陈铨荣的研究结果相同[26]。因此，与对照相比，冬种紫云英通过显著降低分蘖期和抽穗期的土壤有效态Cd，从而显著降低收获期水稻各部位Cd质量分数，与王阳的研究结果相同，紫云英还田能降低成熟期水稻地上地下部位Cd[10]，而冬种油菜则提高了抽穗期和收获期的土壤有效态Cd，从而提高了收获期水稻各部位Cd质量分数。