水肥管理对重金属镉在稻米中积累的影响

杨梢娜

(舟山市农业技术推广中心，浙江 舟山 316021)

随着城市化与工业化的快速发展，农田土壤污染日趋严重。根据2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国农田土壤点位超标率为19.4%，其中最为严重的是镉污染，其点位超标率为7.0%。重金属镉具有较强的毒性和可迁移性，易被植物吸收并通过食物链进入人体，危害人类健康。水稻是我国种植面积最大的粮食作物，也是对重金属吸收最强的大宗谷类作物[1]。近年来由于工业生产、交通运输、污水灌溉以及农药化肥的施用，大量重金属污染物进入土壤，造成稻米镉含量超标事件频发，水稻质量安全面临严峻挑战。因此，如何降低水稻中镉的积累已经成为农业生产中亟待解决的问题。

目前，原位修复技术因其具有修复效率高，简单易行，对土壤扰动较小等优点已成为国内外研究的热点和重点[2]。对于水稻田，施肥和水分管理是常见的农艺措施，硅肥和有机肥是应用较为广泛的2种材料。水稻是一种喜硅植物，施用硅肥可以促进植物生长并缓解重金属对植物的毒害[2]。施用有机肥可以提高土壤肥力，并通过对重金属的吸附，减少植物对重金属的吸收[3-4]。此外，通过水分管理可以调节土壤氧化还原电位(Eh)以及土壤pH，从而改变重金属在土壤中的活性，降低镉在水稻中的积累[5]。颜惠君等[6]研究发现，淹水可以显著降低糙米中的镉含量。然而目前较多研究还是以盆栽实验为主，缺乏相关的大田试验验证。本文以大田试验来探究不同水肥调控技术对土壤中镉的生物有效性变化以及镉在水稻籽粒中积累的影响，为实现水稻的安全生产提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验点位于舟山市定海区某农田，属亚热带季风气候，四季分明、雨量充沛。土壤pH 6.44±0.19，碱解氮(127±4.58) mg·kg-1，有效磷(13.6±0.89) mg·kg-1，速效钾(99.4±2.34) mg·kg-1，有机质(14.5±3.50) g·kg-1，镉全量(0.43±0.09) mg·kg-1。水稻品种为秀水14，该品种在浙江省广泛种植，采用育秧种植，秧苗于2019年6月2日移栽，10月30日收割。属单季常规粳稻。

1.2 处理设计

试验设9个处理：常规灌溉(即分蘖期晒田，后期干湿交替)增施硅肥(TS)；常规灌溉增施有机肥(TO)；抽穗后期持续淹水常规施肥(HT)；抽穗后期持续淹水增施硅肥(HS)；抽穗后期持续淹水增施有机肥(HO)；全生育期淹水常规施肥(CT)； 全生育期淹水增施硅肥(CS)；全生育期淹水增施有机肥(CO)；以常规灌溉常规施肥为对照(CK)。采用随机区组设计，小区面积30 m2，重复3次。将试验田翻耕整平，筑梗覆膜，划分小区后分别施入不同的肥料。试验除灌溉施肥各处理不同外，病虫害防治、除草等田间管理与当地一致。

1.3 样品采集与测定

在水稻的成熟期采集0～20 cm土壤样品与水稻稻米样品。土壤样品经风干磨细后，过10目和200目筛。水稻样品经清洗，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重后，称量干重，用不锈钢磨样机粉碎。

土壤pH用电极法测定(土水比为1∶2.5)；土壤有机质含量使用重铬酸钾稀释法测定；稻米镉含量采用HNO3-H2O2消解，并用标准物质进行质量控制，用原子吸收光谱仪石墨炉法测定。

1.4 数据处理

应用SPSS 21.0进行单因素方差分析和多重比较，检验不同处理之间的差异程度，使用Origin 9.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 对稻米镉含量的影响

如图1所示，在常规水分管理条件下，添加硅肥和有机肥都可以降低稻米中的镉含量，常规灌溉增施硅肥(TS)处理与对照差异显著，稻米镉含量下降了30.8%。在抽穗后期持续淹水的水分管理条件下，添加硅肥和有机肥分别使稻米镉含量降低了35.6%和15.6%，但并无显著差异；但是抽穗后期持续淹水增施硅肥(HS)处理与对照有显著差异，稻米镉含量下降了44.2%。全生育期淹水可以显著降低稻米镉含量，与对照相比，全生育期淹水常规施肥(CT)处理中镉含量降低了36.5%。在全生育期淹水常规施肥条件下，添加硅肥和有机肥可降低稻米镉含量，分别降低了33.3%和45.4%。全生育期淹水增施硅肥(CS)和全生育期淹水增施有机肥(CO)处理与对照处理差异显著，稻米镉含量降低了57.7%和65.4%。

柱间无相同小写字母分别表示组间差异显著(P<0.05)。图2同.图1 水肥调控处理对稻米镉含量的影响

2.2 对水稻产量的影响

从图2中可看出，水稻产量，TS与TO处理比对照分别提高了2.6%和3.6%；HS与HO处理比HT处理分别提高了1.1%和2.1%； CS和CO处理比CT处理分别提高了3.5%和5.0%。这表明在相同的水分条件下，增施硅肥和有机肥均能提高水稻产量，增施有机肥的效果比硅肥好。此外，CT处理相比对照产量下降了4.9%，这说明全生育期淹水会降低水稻的产量。在所有处理中，TO处理产量最高，达9 596 kg·hm-2，CT处理最低，为8 808 kg·hm-2。

图2 水肥调控处理对水稻产量的影响

3 小结与讨论

植物体内镉含量与土壤中镉的生物有效性密切相关，而土壤pH、Eh和有机质含量等其他因素也会影响镉的生物有效性[7]。本试验结果表明，持续淹水可以有效降低稻米中的镉含量，这是由于在长期淹水条件下，土壤Eh会下降，导致土壤中铁、锰等还原态阳离子和S2-等阴离子的含量增加；而土壤pH会升高，这促进了还原态阳离子与Cd2+的竞争吸附作用和还原态阴离子与Cd2+的共沉淀作用，从而导致了土壤中镉的生物有效性下降[8]。

在所有处理中，全生育期淹水增施有机肥处理的稻米镉含量最低，说明有机肥对降低稻米镉含量的积累有较大影响。因为有机肥含有大量的有机质，其中的部分腐殖质可分解成腐殖酸，与土壤中的重金属发生螯合或络合反应，使镉转换为活性较低的有机结合态镉。另外，有机质具有很大的比表面积以及大量的官能团，比如羧基和酚羟基可以有效地吸附土壤中的镉、锌等重金属元素，从而降低了稻米中的镉含量[4]。

有研究表明，硅对于促进植物生长，增加农作物产量起到了很重要的作用。此外，硅能通过增强光合作用等方式提升植物对重金属的耐受性。本试验中，施用硅肥显著降低了稻米中镉的积累，这一方面是由于硅肥含有CaO等多种碱性氧化物，水解后会增加土壤中的OH-含量，使土壤pH提高，从而降低了镉的生物有效性[9]。另一方面，可能是因为水稻对硅的吸收增加，会促进硅与镉形成在根部内皮细胞壁的复合物沉淀，减少了镉向上转运[10]。

施加硅肥、有机肥和使用水分管理措施均可以降低稻米中镉含量的积累。降镉效果最好的处理是全生育期淹水添加有机肥，稻米镉含量降低了65.4%。硅肥和有机肥的施用增加了水稻产量，其中常规灌溉添加有机肥处理比对照产量提高了3.6%，在所有处理中效果最好。而全生育期淹水措施会在一定程度上降低水稻的产量。