生物质炭与有机物对水稻Cd积累的影响*

潘 婷 孙星星 张嘉伟 魏 泓 许 健 徐轶群

(扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225100)

近年来，我国水稻Cd超标严重，引起了社会广泛关注，人们把水稻Cd超标归因于我国严重的土壤污染。根据《全国土壤污染状况调查公报》，我国土壤重金属污染现状严峻，其中Cd点位超标率高达7.0%，是污染最为严重的重金属之一[1-2]。水稻是我国和其他一些亚洲国家最重要的粮食作物，易积累Cd，是人体摄入Cd的最主要来源，过量Cd的摄取将对人体健康带来严重影响[3]。为了降低Cd在水稻中的积累，科研工作者在工程技术和农艺措施等方面进行了大量的研究，其中运用水分管理阻控水稻Cd积累的研究得到了广泛关注，成为了一个新的研究热点。而水分管理阻控水稻Cd积累的核心是在水稻成长至抽穗期前后淹水，这和我国水稻传统灌溉方式基本一致。

基于此，本研究利用盆栽试验，在传统水分管理下，研究Cd污染土壤水稻种植过程中，不同生长时期施用生物质炭及不同含量有机物对水稻不同部位Cd积累的影响，为我国农业施肥及粮食安全生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻品种为江苏省江阴市农科所培育的“淮稻5号”；选用水稻田的耕层土壤作为试验盆栽土壤，风干研磨后过筛用于盆栽试验，土壤的pH为7.13，有机质为41.19 g/kg，速效磷为0.32 g/kg，速效钾为0.31 g/kg，碱性氮为0.21 g/kg，全Cd为2.23 mg/kg，有效态Cd为0.48 mg/kg。前期向土壤添加外源Cd溶液，将土壤与外源Cd溶液充分混合均匀后，使试验土壤Cd约为10 mg/kg，常温固化稳定两个月后作为污染土壤。外源有机物选用牛粪有机肥，取自于扬州大学农牧场，有机质为286.65 g/kg。生物质炭购于溧阳市某炭业公司，为木屑源，pH为8.79。

1.2 试验设计

盆栽试验采用聚丙烯塑料盆(高24 cm，内径22 cm)，每盆装土5.5 kg(以干质量计)，并施入定量基肥(1.10 g CH4N2O、1.05 g KH2PO4、0.30 g KCl)。按表1中的外源有机物添加量(质量分数)，将过筛后的外源有机物与土壤充分混合；参照生物质炭在重金属污染土壤中施用的有关研究[11-12]，在保证水稻正常生长的前提下，试验中生物质炭按照质量分数为5%的剂量施加，采取两种施用方式，分别为秧苗移栽前(前期)和分蘖期末(后期)施用；采用农业传统灌溉方式，根据水稻不同生长时期采用不同水量控制；水稻秧苗于6月统一移栽。

表1 试验处理设置Table 1 Treatments of the experiment

1.3 样品采集与分析

水稻成熟后，将水稻连同根一起取出，去除杂土清洗干净，再用去离子水清洗3～4次，105 ℃杀青2 h后，65 ℃烘干至恒重。在分蘖期和成熟期采集土壤，风干后研磨过10目筛，采用二乙三胺五乙酸(DTPA)提取法提取土壤有效态Cd，原子吸收分光光度计(AAS,Solaar MK2-M6)测定。利用万能粉碎机(FW100)将水稻各部位粉碎，过100目筛，干灰化法消解后，电感耦合等离子体质谱仪(Elan DRC-e)测定样品Cd含量。

利用标准物质GBW 10043(GSB-22)控制糙米样品Cd总量的准确度；采用SPSS 18.0进行单因素方差分析(显著性水平为0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物质炭与有机物对土壤氧化还原电位(Eh)、pH和有效态Cd的影响

土壤Eh变化见图1。各处理组土壤Eh整体呈下降趋势。总体来说，生物质炭的施用对土壤Eh没有产生显著影响，如图1(a)所示，不添加有机物时，只施用生物质炭的处理组和对照组(CWW)相似，Eh在第70天左右达到最低值(约-200 mV)，而后上升。图1(b)和图1(c)中，低含量有机物处理组及高含量有机物处理组无论是否添加生物质炭，Eh在前期均随淹水时间增加而急剧下降，且均在第63天左右出现最低值，最低值处于-300～-250 mV，而后稍有上升。总体来说，相较于无有机物处理组，添加有机物的处理组Eh降低更为明显。

图1 各处理组的土壤EhFig.1 Eh of soil in different treatments

图2为各处理组的pH变化趋势。各处理组pH波动较大，随淹水时间增加pH趋近中性(pH=7)。这是因为生物质炭属于碱性物质，粒子表面带有大量官能团，可以与土壤中的酸性物质结合[13]。研究表明，无论是碱性土还是酸性土，土壤淹水后，由于微生物的活动消耗O2，产生厌氧和还原条件，Eh降低，而pH朝中性变化[14]，与其他研究结果[15-16]相似。

图2 各处理组的土壤pHFig.2 pH of soil in different treatments

水稻不同生长阶段土壤有效态Cd变化见表2。淹水后，土壤有效态Cd含量在水稻不同生长阶段均有不同程度降低，且成熟期低于分蘖期。土壤Cd的形态受有机物影响较大，在相同的生长期，有机物含量相同时，各处理组间(如CDH、CDQ和CDW)无显著差异，但土壤有效态Cd含量随有机物含量升高而降低，有机物添加组和不添加组相比有显著差异。

表2 水稻不同生长阶段土壤有效态Cd1)Table 2 Available Cd in soil at different growth stages of rice

在水稻分蘖期，生物质炭无论前期还是后期施用，和对照组(不施用生物质炭)相比，土壤有效态Cd含量稍有下降但无显著差异。在水稻成熟期，有机物添加相同的处理组，生物质炭无论前期施用还是后期施用，和不施用生物质炭相比，土壤有效态Cd含量无显著差异。

作者简介：仪海平，女，鄄城县教师进修学校，菏泽市开发区管委会卫计局，档案管理初级，研究方向：健康扶贫、档案管理。

2.2 有机物与生物质炭对水稻Cd积累的影响

2.2.1 生物质炭的添加时期对水稻积累Cd的影响

由图3可知，生物质炭的施用可显著降低糙米Cd的含量，生物质炭单独作用时，后期施用较前期施用对糙米Cd的积累抑制更为显著，和对照组相比，糙米Cd分别降低了21.4%(前期施用)和51.4%(后期施用)。水稻根部Cd的积累量远高于其他部位，且各处理组间差异显著；不同处理组中茎叶部位Cd无显著差异；其他处理组稻壳Cd含量显著低于对照组，前期和后期施用处理组较之对照组分别降低了47.9%和46.0%。

注：小写字母不同表示具有显著差异(P<0.05)，图4同。图3 不同时期施加生物炭处理下水稻各部位的CdFig.3 Cd in various parts of rice under biochar application at different periods

2.2.2 不同含量有机物对水稻积累Cd的影响

不同含量有机物处理下水稻各部位Cd见图4。除了茎叶外，有机物的添加显著降低了水稻糙米、根部和稻壳Cd的含量，且糙米、根部和稻壳Cd的含量随有机物含量的升高而降低，差异显著。刘高云[17]研究发现，添加3种有机物料后，水稻的根部、茎叶和糙米部位中的Cd含量均有显著降低，这与本研究结果相似。

图4 不同有机物添加量处理下水稻各部位的CdFig.4 Cd in various parts of rice in different organic dosage treatments

2.2.3 有机物与生物质炭联合作用对水稻Cd积累的影响

生物质炭和有机物联合施用于淹水土壤后，水稻各部位Cd见表3。可以看出，和对照组相比，有机物与生物质炭联合作用的各处理组均能显著降低糙米Cd的积累量，其中CDH、CDQ和CGH效果更为显著。根部Cd的含量，高含量有机物与生物质炭联合作用显著低于其他处理组，而茎叶除了CDH的Cd含量较高外，其他处理组无显著差异。

表3 有机物与生物质炭联合作用下水稻不同部位CdTable 3 Cd in different parts of rice under the combined treatment of organic matter and biochar

稻壳Cd含量各处理组低于对照组，且各处理组间存在显著差异。

本研究中，有机物和生物质炭联合施用于水稻田时，在一定程度上可以降低糙米Cd的含量，低含量有机物与生物质炭联合作用的处理组(CDH、CDQ)和高含量有机物后期施用生物质炭的处理组(CGH)较其他处理组糙米Cd含量较低，但和有机物、生物质炭单独施用相比，糙米Cd的降低效果不如高含量有机物处理组(CGW)和后期施用生物质炭处理组(CWH)。

3 讨 论

本研究中生物质炭的施用可显著降低糙米Cd的含量，生物质炭作为土壤改良剂在改善土壤理化性质的同时还可以利用自身疏松多孔的结构及表面丰富的含氧官能团吸附土壤中的金属污染物，改变重金属在土壤中的赋存形态和迁移性，从而降低水稻糙米中Cd的含量。添加生物质炭能降低水稻根部、糙米等器官中Cd的累积，并且相应地影响了水稻地上部分Cd的分配。生物质炭降低Cd在水稻糙米中的积累主要基于生物质炭的“pH效应”[18]。此外，生物质炭还能提高土壤中pH和有机碳含量，促使土壤中酸溶态Cd转化为可还原态，从而降低了土壤中Cd的生物有效性，进而降低糙米Cd含量[19]。本研究中，在水稻分蘖期添加生物质炭，土壤有效态Cd稍有下降，因为生物质炭属于碱性物质，粒子表面带有大量官能团，土壤中有效态Cd主要受Eh控制。水稻能吸收的Cd形态主要为Cd2+，在还原条件下，Eh降低，Cd主要以CdS的形态存在，Cd的吸收被抑制[20]。

试验中，同等淹水的情况下，土壤Eh的降低主要受制于土壤有机物的含量，有机物含量会影响Cd的活性，因此，施用有机物可以促使Cd转化形态，抑制作物吸收，进而降低水稻地表部分的Cd积累量。KASHEM等[21]通过向污染的土壤添加不同的有机物，发现淹水情况下有机物能大幅降低土壤Eh，并显著降低土壤Cd活性。本研究中，有机物的施用在一定程度上降低了土壤有效态Cd的含量，而糙米、根部和稻壳中Cd的含量随有机物施加量的升高而降低。一方面，有机物有较大的比表面积，并携带大量的官能团，能和土壤Cd形成螯合物，通过相互作用减少了Cd移动性，从而导致植物对Cd吸收的减少[22]。另一方面，本研究中，和对照组相比，随着有机物的添加，土壤Eh显著降低，Cd的生物有效性降低，进而降低水稻对Cd的吸收积累。

有机物和生物质炭联合施用于水稻土壤时，在一定程度上亦可以降低水稻糙米Cd的含量。有机物和生物质炭对水稻积累Cd的联合作用影响较为复杂，可能的原因是生物质炭和有机物阻控水稻吸收积累Cd的机制不同。生物质炭主要是通过其巨大的比表面积和“pH效应”对水稻土壤Cd迁移转化产生影响，而无论是溶解性有机物还是固态有机物，都有很大的比表面积，可以提供高负电荷，是重金属的强力吸附剂[23]。然而生物质炭和有机物共同作用时，外源有机物可能吸附包埋部分生物质炭，使各自对重金属的影响效应不能充分发挥，具体原因还需进一步验证。

4 结论与建议

通过研究生物质炭和有机物对污染土壤种植水稻Cd积累的影响发现，传统水分管理条件下，Eh随有机物的添加而降低，各处理组pH随淹水时间增加而波动变化最近趋近于中性。土壤有效态Cd在水稻不同生长阶段均有不同程度降低，且成熟期低于分蘖期，土壤有效态Cd随有机物含量升高而降低。水稻植株根部Cd含量远高于的其他部位的Cd含量。

单独施用时，生物质炭的施用可显著降低糙米Cd的含量，且后期施用较前期施用对水稻Cd的积累抑制效果更好。有机物的添加能显著降低水稻糙米、根部和稻壳Cd的含量，且糙米、根部和稻壳中Cd含量随有机物含量的升高而降低。有机物和生物质炭联合施用于水稻田时，可一定程度上降低水稻糙米Cd的含量，不同处理组之间，低有机物生物质炭组(CDH、CDQ)和高有机物后期施用生物质炭组(CGH)施用效果较好，但和有机物、生物质炭单独施用组相比，糙米Cd含量的降低效果不如高含量有机物处理组(CGW)和后期施用生物质炭处理组(CWH)。从有机物与生物质炭联合施用对水稻Cd的积累影响结果看，农业生产过程中可以通过施用生物质炭或高含量有机物来最大程度降低水稻Cd的积累；考虑改善土壤质量，兼顾水稻产量和品质，建议采用前期施用高含量有机物和后期施用生物质炭的联合施用方式。