秸秆还田配施石灰对水稻镉吸收累积的影响

2021-07-03杨定清李霞周娅罗丽卉谢永红王棚李旭毅

农业环境科学学报 2021年6期

杨定清，李霞，周娅，罗丽卉，谢永红，王棚，李旭毅

（1.四川省农业科学院分析测试中心，成都610066；2.四川省农业科学院作物研究所，成都610066）

秸秆是一种重要的有机物料，秸秆还田是提高稻麦轮作系统农业资源利用效率的重要措施之一[1-3]。在稻麦轮作系统中，秸秆还田后释放出一定量的碳、氮、磷、钾等营养元素，能有效提升土壤肥力，提高作物产量，减少环境污染，促进农业可持续发展[4-8]。然而，研究表明，秸秆还田在增肥增产的同时会增加作物对镉（Cd）的吸收[9]。如在Cd污染农田中，作物秸秆中的Cd含量大多高于作物籽粒，秸秆还田后其吸收富集的大部分Cd又重新归还到稻田土壤中，给稻米带来了潜在的Cd污染风险[10]。此外，秸秆还田还可增加土壤溶解性有机碳（DOC）含量，其对稻田重金属污染与修复等方面有着重要影响[11]。因此，通过探索合理秸秆资源利用方式来减少稻米Cd污染风险对保障我国粮食安全具有重要的意义。

施用土壤调理剂是一种广泛采用的农田重金属污染管控措施，其中，施用石灰作为常用的改良措施，可以通过改变土壤中重金属Cd的形态分布，有效降低其迁移性和生物有效性，进而抑制作物对Cd的吸收[12-16]。如黄柏豪等[17]报道在成都平原Cd轻度污染稻田，施用石灰1 500～3 000 kg·hm-2能有效提高土壤pH值，降低土壤有效态Cd和稻米Cd含量。此外，秸秆还田配施一定量的石灰可作为一种有效的秸秆资源利用措施[18]。如倪中应等[19]报道秸秆还田配施石灰750 kg·hm-2能略微降低轻度污染土壤有效态Cd和稻米Cd含量。但过量施用石灰会造成铵态氮挥发、磷酸钙盐沉淀，土壤中钾、钙、镁等营养元素平衡失调，阻碍作物对磷、钾等营养元素的吸收，导致作物减产[20-22]。因此，在已有研究报道基础上，探索秸秆还田条件下合理的石灰用量尤为重要。

成都平原气候温和，土地肥沃，是我国重要商品粮产区之一，对维持区域粮食安全具有重要的作用。《四川省土壤污染状况调查公报》显示，四川省耕地土壤污染总的点位超标率为34.3%，轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为27.8%、3.9%、1.4%和1.2%，其中成都平原区土壤污染问题较突出，Cd为主要特征污染物，以轻度污染为主[23]。因此，本试验在已有研究的基础上，针对成都平原Cd轻度污染的酸性稻田土壤，探讨秸秆还田配施不同用量的石灰对水稻Cd吸收累积和产量的影响，并探究该区域秸秆还田的最佳石灰施用量，以期为该区域酸性轻度Cd污染土壤稻米的安全生产和农业可持续发展提供理论依据与实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验地位于成都平原新市镇，该区属亚热带湿润季风气候区，年平均气温在16℃左右，年平均降水量800～1 000 mm，无霜期260 d以上。试验区土壤为灰棕色冲积物发育的潴育型水稻土，试验前耕层土壤（0～20 cm）基本理化性状如下：土壤pH 5.52，容重1.14 g·cm-3，有机质31.85 g·kg-1，全氮1.73 g·kg-1，全磷1.02 g·kg-1，全钾17.82 g·kg-1，全Cd 0.58 mg·kg-1，土壤有效态Cd 0.27 mg·kg-1。试验区土壤全Cd含量接近现行《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中农用地土壤污染风险管控值（0.30 mg·kg-1，5.5＜pH≤6.5）2倍，为低风险区域。耕作制度为水稻小麦轮作。

1.2 供试材料

供试材料主要包括来自上一季的小麦秸秆、石灰、尿素、过磷酸钙和氯化钾，其Cd含量分别为：（1.12±0.01）、（0.004±＜0.001）、（0.003±0.001）、（0.18±0.03）、（0.11±0.01）mg·kg-1。水稻品种为当地常规品种宜香优2115。水稻于2018年4月2日在无污染土壤中育秧，5月24日移栽，株距×行距为15 cm×20 cm，每穴种植2株，收获日期为9月17日。插秧前5 d施入石灰。

1.3 试验设计

试验共设6个处理：CK（秸秆不还?田）、CKL（0秸秆还田）、L60（0秸秆还田+石灰600 kg·hm-2）、L120（0秸秆还田+石灰1 200 kg·hm-2）、L180（0秸秆还田+石灰1 800 kg·hm-2）和L240（0秸秆还田+石灰2 400 kg·hm-2）。

试验小区采用随机区组排列，每个处理重复3次，每个小区的面积为20 m（24 m×5 m）。小区间筑土埂，并使用塑料薄膜包裹并牵至犁底层，各小区均设有相互独立的排灌系统，以防止各处理间水肥侧渗而相互污染，水稻栽培过程中的水肥管理、病虫害防治等农艺操作参照当地栽培习惯进行。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 土壤样品采集与测定

分别于水稻各生育期（分蘖期、拔节期、齐穗期、成熟期）采用5点混合取样法采集各小区0～20 cm耕作层土样。剔除植物根系和石砾后，将土样混合均匀分为两个部分：一部分新鲜土样置于冰箱中4℃保鲜保存，供测定土壤溶解性有机碳（DOC）；另一部分土壤自然风干后过2 mm和0.25 mm尼龙筛供其他指标测定。土壤pH采用酸度计法（土水比1∶2.5）测定；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全氮采用H2SO4消煮-半微量开氏法测定；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定；溶解性有机碳采用1 mol·L-1的KCl溶液浸提-重铬酸钾容量法外加热法测定；土壤全Cd采用HF-HClO4-HNO3（V∶V∶V=1∶1∶3）消解-石墨炉原子吸收光谱仪测定；土壤有效Cd采用DTPA浸提-石墨炉原子吸收光谱仪测定[24-26]。样品分析过程中采用国家标准样品GBW07404（GSS-4）和GBW07460（ASA-9）进行质量控制。标样回收率范围为89%～112%。

1.4.2 植物样品采集与测定

分别于水稻各生育期采集植株各部位，每个小区随机取10株植物样，并将植株分为根、茎、叶、籽粒，于105℃杀青30 min，60℃烘干至恒质量后粉碎。水稻植株Cd含量采用HNO3-HClO4（V∶V=1∶1）消解-石墨炉原子吸收光谱仪测定[26]。各小区水稻单打单收，分别统计水稻产量。标样回收率范围为87%～110%。

1.5 试验数据处理

采用Excel 2003和SPSS19.0软件对数据进行统计分析。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）、Pearson参数和LSD法进行方差分析、相关性分析和多重比较（P＜0.05）。用Origin 9.0软件作图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田下不同石灰用量对土壤pH的影响

土壤pH是影响土壤Cd生物有效性的重要因素之一。由表1可知，秸秆还田可降低土壤pH，配施石灰则能提高土壤pH，且随着石灰用量的增加而提高。与CK相比，CKL0处理土壤pH下降0.04～0.09个单位，差异不显著（P＞0.05）。秸秆还田配施石灰处理提升土壤pH效果显著，L600、L1200、L1800和L2400处理土壤pH较CK处理分别提高0.11～0.20、0.24～0.46、0.50～0.69和0.54～0.77个单位，较CKL0处理分别提高0.15～0.27、0.28～0.53、0.54～0.76和0.58～0.85个单位，差异均达显著水平（P＜0.05），但L1800与L2400处理间差异不显著（P＞0.05）。这是因为秸秆还田后在分解过程中易释放有机酸、CO2等，在一定程度上会降低土壤pH，而配施石灰则能有效提高土壤pH。

表1秸秆还田下不同石灰用量对土壤pH值的影响Table 1 Effects of straw returning with different lime dosage on soil pH value

2.2 秸秆还田下不同石灰用量对土壤DOC含量的影响

由表2可知，从水稻分蘖到成熟期，整体上所有处理土壤DOC含量的变化趋势一致，即先增加后减少并趋于稳定，其中最高含量出现在拔节期或齐穗期，在46.28～70.08 mg·kg-1。方差分析显示，所有秸秆还田处理土壤DOC含量均显著提高，提高幅度随配施石灰用量的增加而减少，以秸秆还田不施石灰（CKL0）处理最高。相较于CK，CKL0处理使得土壤DOC含量提高幅度为28.5%～95.7%，各生育期差异均达到显著水平（P＜0.05），L600、L1200、L1800和L2400处理土壤DOC含量分别增加14.9%～72.4%、12.6%～62.5%、3.3%～42.4%和-1.1%～38.4%，L1800和L2400处理部分生育期差异达显著水平（P＜0.05）。与CKL0处理相比，L600、L1200、L1800和L2400处理土壤DOC含量分别减少6.6%～13.7%、12.4%～16.9%、13.7%～27.2%和17.4%～29.3%，L1800和L2400处理部分生育期差异均达到显著水平（P＜0.05），但L1800与L2400处理间差异不显著（P＞0.05）。

表2秸秆还田下不同石灰用量对土壤DOC含量的影响（mg·kg-1）Table 2 Effects of straw returningwith different lime dosages on soil DOCconcentration（mg·kg-1）

2.3 秸秆还田下不同石灰用量对土壤Cd及其有效态含量的影响

2.3.1 对土壤Cd含量的影响

表3为秸秆还田下不同石灰用量对土壤Cd含量的影响。与CK相比，秸秆还田各处理在一定程度上能提高土壤Cd含量，但未达到显著水平（P＞0.05）。方差分析显示，不同石灰施用量处理间差异也不显著（P＞0.05）。这说明，向Cd污染农田添加Cd含量高的秸秆有利于土壤Cd积累，但其数量变化在短期内并不显著。

2.3.2 对土壤有效态Cd含量的影响

土壤有效态Cd是水稻植株可直接吸收利用的主要形态。由表4可知，秸秆还田可提高土壤有效态Cd含量，与CK相比，从水稻分蘖到成熟期，CKL0处理的土壤有效态Cd含量提高7.7%～18.9%，差异均达显著水平（P＜0.05）。秸秆还田配施石灰能降低土壤有效态Cd含量，与CKL0相比，L600、L1200、L1800和L2400处理土壤有效态Cd含量分别降低11.4%～13.6%、19.0%～22.7%、26.2%～34.1%和29.5%～38.6%，其中L1800和L2400处理差异达显著水平（P＜0.05）。与CK相比，秸秆还田配施石灰处理中除L600处理部分生育期土壤有效态Cd含量略增加外，L1200、L1800和L2400处理土壤有效Cd含量分别降低5.4%～12.8%、15.8%～21.6%和18.4%～27.0%。

表3秸秆还田下不同石灰用量对土壤Cd含量的影响（mg·kg-1）Table 3 Effects of straw returning with different lime dosages on soil Cd concentration（mg·kg-1）

表4秸秆还田下不同石灰用量对土壤有效态Cd含量的影响（mg·kg-1）Table 4 Effects of straw returning with different lime dosages on soil available Cd concentration（mg·kg-1）

2.4 秸秆还田下不同石灰用量对稻米Cd含量的影响

如图1所示，秸秆还田可能导致稻米中Cd含量增加。与CK相比，CKL0处理的稻米Cd含量提高18.1%，差异不显著（P＞0.05）。与CKL0处理相比，L600、L1200、L1800和L2400处理稻米Cd含量分别降低11.2%、26.5%、46.9%和44.9%，其中L1800和L2400处理降Cd效果显著（P＜0.05），稻米Cd含量低于我国《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762—2017）中0.2 mg·kg-1的标准限值，但两个石灰施用量水平间差异不显著（P＞0.05）。与CK相比，秸秆还田配施石灰处理中除L600处理稻米Cd含量轻微增加外，L1200、L1800和L2400处理稻米Cd含量分别降低13.3%、37.3%和34.9%。表明秸秆还田配施石灰处理降Cd的效果随石灰施用量的提高而减小，直至平稳水平。

2.5 秸秆还田下不同石灰用量对水稻产量及其构成因素的影响

由表5可知，秸秆还田可增加水稻产量，与CK相比，CKL0、L600、L1200、L1800和L2400处理的产量分别提高3.3%、4.6%、5.1%、6.2%和5.1%，差异不显著（P＞0.05）。方差分析显示，在配施石灰梯度范围内，随着石灰施用量的增加，水稻产量呈先增加后降低的趋势，以L1800处理最高。与秸秆还田不施石灰CKL0处理相比，L600、L1200、L1800和L2400处理的产量分别提高1.2%、1.6%、2.8%和1.7%，差异均不显著（P＞0.05）。有效穗数综合表现为CK＞L1800＞L2400＞L1200＞L600＞CKL0处理。所有秸秆还田处理穗粒数、结实率和千粒重均高于秸秆未还田CK处理，差异均不显著（P＞0.05）。上述结果表明，秸秆还田配施石灰有利于水稻产量增加，但其数量变化在短期内并不显著。

2.6 秸秆还田与不同用量石灰配施下土壤因子和稻米相关性分析

秸秆还田与不同用量石灰配施下土壤因子与稻米Cd相关性分析见表6。总体上看，土壤因子中，土壤全Cd含量与稻米Cd含量没有相关性，而土壤pH、DOC含量、有效态Cd含量与稻米Cd含量存在较好的相关性。其中，土壤pH与稻米Cd含量显著负相关（P＜0.05），土壤有效态Cd含量与稻米Cd含量存在显著正相关（P＜0.05）。此外，土壤有效态Cd与pH显著负相关（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 对土壤pH、DOC、全Cd及其有效态含量的影响

还田后秸秆在微生物的作用下通过转化与分配影响了土壤pH、DOC含量和重金属Cd及其化学形态分布[27-28]。已有研究认为秸秆还田和石灰均提高了土壤pH。如贾乐等[29]研究表明玉米和菜豆秸秆还田可明显提高土壤pH，培养4周后土壤pH提高了0.3～0.9个单位，与本试验秸秆还田可降低土壤pH、配施石灰提高土壤pH，且随着石灰用量的增加而提高的结果有所差异。原因可能和秸秆的类型有关，本试验采用的小麦秸秆含碳量高达40%以上，有机成分以纤维素、半纤维素为主，还田后在腐解过程中会产生大量的小分子有机酸类物质[30]。此外，报道指出，Cd胁迫会刺激根系分泌有机酸，虽然对根系分泌有机酸的种类影响较小，但对分泌量变化影响显著，这些酸类物质均能降低土壤pH[31]。石灰是碱性物质，配施可提高土壤pH，且土壤pH随石灰施用量的提高而增加，直至平稳水平。

本试验表明秸秆还田可增加土壤DOC含量，增加幅度随配施石灰用量的增加而减少，这与大部分研究结果一致[32-33]。这是因为外源有机物是土壤DOC的主要来源之一，秸秆作为一种外源性有机物质，含有大量的可利用性碳氮，施入土壤后，在腐解过程中氮元素被微生物分解，一部分形成N2O释放到大气中，另一部分碳元素则残留在土壤内，与原土有机质重组，形成新的有机质分子[34]。其次，秸秆还田后激发效应显著促进了土壤有机质转化生成DOC[35]。秸秆还田配施石灰能降低土壤DOC含量是因为石灰施入土壤后可增加土壤微生物的数量和活性，进而加快微生物对DOC的利用速率[36-37]。

表5秸秆还田下不同石灰用量对水稻产量及其构成的影响Table 5 Effectsof straw returning with different lime dosages on rice yield and itscomponents

表6土壤因子和稻米Cd含量相关性分析Table 6 Correlation analysis between soil factors and rice Cd concentration

土壤中重金属Cd及其有效态含量与外源添加物、土壤环境条件（如pH和DOC含量等）有关[38-39]。本试验结果表明，向Cd污染农田添加Cd含量高的秸秆有利于土壤全量和有效态Cd积累，配施石灰则有效降低土壤有效态Cd含量，且效果随着石灰用量的增加而显著增强，尤其以L1800和L2400处理降Cd效果显著。这与张庆沛等[40]在成都平原德阳市旌阳区Cd污染稻田开展的小区试验秸秆还田可降低土壤有效态Cd含量结果不同，可能是因为本试验还田的小麦秸秆Cd含量高达1.12 mg·kg-1，将这些秸秆还田能使秸秆中富集的Cd重新归还到稻田土壤中，从而使土壤Cd及其有效态含量提高；其次，秸秆还田后在腐解过程中释放的有机酸类物质在一定程度上降低土壤pH，导致土壤中有效态Cd含量增加。配施石灰可提高土壤pH，增加土壤胶体表面携带的负电荷量，促使土壤胶体对Cd离子的吸附；其次，由于氢离子浓度降低，竞争作用减弱，促使Cd离子与CO2-3或OH-结合形成碳酸盐或氢氧化物等沉淀，有利于土壤对Cd的吸附，进而降低土壤Cd的有效性[41]。

3.2 对稻米中Cd含量的影响

前人试验表明，秸秆还田配施石灰能降低稻米Cd含量。如段桂兰等[42]研究表明，水稻秸秆配施石灰处理最多能使糙米中Cd含量减低50%。本试验中秸秆还田与石灰配施均降低稻米Cd含量，且随着石灰用量的增加降Cd效果递增，直至低于我国《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）0.2 mg·kg-1的标准限值的平稳水平。这可能是由于稻米Cd含量与土壤pH、DOC含量、有效态Cd含量均存在较好的相关性，石灰的施入能显著提高土壤pH，降低土壤DOC含量、有效态Cd含量，使土壤中Cd的生物利用性降低，从而减少稻米的Cd含量。本试验还表明，小麦秸秆单独还田能轻微增加稻米的Cd含量，该结果与林鸾芳等[18]田间试验结果不同，其试验表明小麦秸秆单独还田能显著降低稻米Cd含量，其原因可能是使用的小麦秸秆Cd含量较低，仅为0.179 mg·kg-1，本试验使用的小麦秸秆Cd含量较高，达1.12 mg·kg-1，高Cd含量的秸秆施入增加了稻米对Cd的吸收。也可能是秸秆还田显著增加土壤DOC含量而增加土壤Cd的溶出，从而促进水稻对Cd的吸收[11]。

3.3 对水稻产量及其构成因素的影响

研究表明，秸秆还田配施石灰对水稻有一定的增产作用[21]。倪中应等[19]小区试验表明在重污染土壤和轻污染土壤中，水稻产量以秸秆配施石灰处理的最高，秸秆单独还田处理次之，不施秸秆处理的最低。廖萍等[43]连续4 a在江西省开展的施石灰和秸秆还田双因素田间试验表明施石灰和秸秆还田均显著提高了早、晚稻的产量，且二者具有显著的协同促进效应。这主要是因为首先秸秆还田释放出大量碳、氮、磷、钾等营养元素，能有效提升土壤肥力[44-45]；其次，秸秆还田能改善土壤物理性质，降低土壤容重，增加土壤毛管孔隙度，减小根系阻力，促进水稻根系生长[36]。秸秆还田配施石灰增加水稻产量则是因为石灰能提高土壤碳氮代谢相关的酶活性，提高有机凋落物和土壤有机质的矿化速率，二者配施协同促进水稻对氮素吸收利用、水稻光合作用和同化物向籽粒的转运，增加水稻产量[46-48]。本试验结果表明，秸秆还田配施石灰有利于水稻产量增加，但其数量变化在短期内并不显著，这与Singh等[49]报道秸秆还田在短期内对水稻的增产效果不明显结果相似。