秸秆还田对水稻镉吸收影响的整合分析

聂新星，冯敬云，段小丽，张敏敏，刘 波，张 斌，杨 利*

(1.湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北 武汉 430064; 2.农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室, 湖北 武汉 430064; 3.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023; 4.宜昌市夷陵区耕地质量与肥料工作站，湖北 宜昌 443002)

【研究意义】由于大气沉降、污水灌溉、不合格农用化学品投入等原因，我国农田土壤环境质量现状不容乐观[1]。2014 年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，镉(Cd)的点位超标率达7%，是我国耕地土壤排在首位的无机污染物[2]。Cd生物毒性强及不易被生物降解，是国家癌症研究机构确认的人类第一级致癌物，可通过食物链富集到人体，危害人体健康[3-4]。我国秸秆资源丰富[5]，坚持“农用优先，直接还田”为主的秸秆利用模式是改善土壤团粒结构、培肥地力、增加土壤碳汇、避免秸秆焚烧造成大气污染的最简便且行之有效的措施[6-7]。研究表明，秸秆是作物富集Cd的主要部位，秸秆还田虽然能促进养分的循环从而减少化肥的投入[8]，但在中轻度Cd污染农田上，秸秆移除是土壤重金属Cd的主要输出方式[9]，还田秸秆也将其富集的Cd重新归还到稻田中[10]。同时，秸秆分解过程中对土壤理化性质的改变也影响着土壤Cd的赋存形态[11-13]，从而影响Cd的生物有效性。水稻是我国主要的粮食作物，而水稻对土壤Cd具有较强的富集与转运能力，超标镉大米事件时有发生。因此，探究稻田秸秆还田对土壤重金属Cd的生物有效性的影响具有重要意义。【前人研究进展】有关秸秆还田对土壤-水稻系统Cd迁移富集的影响已开展大量研究[14-15]。还田秸秆在土壤微生物作用下通过矿化和腐殖质化等过程释放秸秆中的矿质元素，并形成溶解性有机物(DOM)和固相有机物(如腐殖质)等。但受土壤理化和还田秸秆性质等因素影响，秸秆还田对土壤Cd的迁移转化和生物有效性影响不尽相同[14-17]。倪中应[11]和Bai[16]等研究发现秸秆还田腐解产生DOM含有丰富表面官能团，能通过络合作用提高土壤孔隙水中Cd的浓度，增加其活性和环境风险；然而，研究还发现秸秆还田也能提高土壤固相有机物含量和土壤pH值，进而通过表面络合与离子交换等方式吸附固定Cd，降低其移动性和生物有效性[13]。这两个相反的作用过程同时存在，共同决定秸秆还田条件下土壤Cd的生物有效性变化[17]。同时，还田秸秆自身Cd含量也影响着水稻对Cd的吸收[18]。【本研究切入点】整合分析(Meta-analysis)是对具有共同研究对象且相互独立的多个研究结果进行系统整合，定量评价研究结果的一种统计方法[19]。【拟解决的关键问题】有关稻田秸秆还田对土壤重金属Cd的生物有效性的研究已往均基于某一特定区域或条件，其结果往往受到土壤性质或秸秆特性的影响。为了整体认识不同性质的土壤和还田秸秆对水稻Cd吸收的影响程度，本研究通过对已发表文献数据进行收集，采用Meta-analysis定量分析不同土壤性质、秸秆特性条件下秸秆还田对水稻Cd吸收的影响程度，以期为安全的秸秆还田技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

以“秸秆还田(straw return)”、“秸秆(straw)”、“重金属(heavy metal)”、“镉(Cd)”为关键词，在中国知网、万方数据库、Web of Science、Science Direct、Google scholar分别检索1998年1月至2020年6月国内外公开发表的研究论文。对所检索到的文献按以下条件进行筛选：①研究对象为水稻，不包括小麦、油菜等作物和萝卜、白菜、生菜等蔬菜以及超富集植物；②文献必须报道对照与处理的稻米Cd含量，对照为秸秆不还田，处理为秸秆还田。按以上标准，共筛选出15篇已发表文献纳入分析(表1)。分别提取了对照和秸秆还田处理下稻米Cd含量的平均值、标准差/误和样本量(处理重复数)，共获得54组配对试验，183个试验观测数。同时，对符合标准的文献能够提取到水稻秸秆和根系Cd含量数据的也进行提取，秸秆共获得36组配对试验，129个试验观测数；根系共获得11组配对试验，38个试验观测数。此外，还提取的数据或信息包括土壤性质(pH值、有机碳含量、总Cd含量)，秸秆特性(类型、还田量、自身Cd含量、还田年限)和试验类型。相关数据以图呈现的，用OriginPro 9.0软件Digitizer工具进行数据提取；对于只给出标准误，通过公式SD=SE*N1/2获得标准差。对于标准差 (误) 缺失的数据，按照朱冰莹等[20]的方法进行估计。

表1 纳入分析文献信息

1.2 数据分类

由于土壤理化性质和秸秆特性等诸多因素均能影响秸秆还田条件下水稻对土壤Cd的吸收，为进一步探讨异质性来源，本研究对提取的数据或信息进行分组(表2)，以检验秸秆还田条件下某一特定因素对水稻Cd吸收的影响。土壤总Cd含量划分按照GB15618-2018规定的酸性土壤(pH≤5.5)的风险筛选值(0.3 mg/kg)、碱性土壤(pH>7.5)的风险筛选值(0.8 mg/kg)和严格管制值(4 mg/kg)进行分类。同时，由于根系和秸秆数据量较小，只按表2所示分组方式对稻米数据进行整合分析。

表2 数据分组情况

土壤有机质乘以转换系数(0.58)全部转化为有机碳数据；还田秸秆Cd含量若文中表述为清洁秸秆，或未明确指出还田秸秆为Cd污染秸秆，则认为还田秸秆Cd含量在0.3 mg/kg以下。盆栽试验秸秆还田量按秸秆还田比例乘以每公顷土壤重量(2.25×106kg)换算。

1.3 数据分析

使用R软件(http://www.r-project.org/)中meta包进行分析，以秸秆还田处理下水稻器官Cd含量的平均值(X2i)与秸秆不还田处理下水稻器官Cd含量的平均值(X1i)的比值为响应比(R)，以响应比的自然对数(lnR)为效应值(M)，计算公式为

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对水稻不同器官Cd吸收的影响

由图1可知，秸秆还田后稻米和秸秆中Cd含量的效应值均小于0，而根系中Cd含量的效应值大于0，表明秸秆还田能一定程度上促进水稻根系对土壤Cd吸收，但降低了稻米和秸秆中Cd的含量。此外，秸秆还田后稻米、秸秆和根系Cd含量效应值的95%置信区间均包含了0，表明秸秆还田对稻米、秸秆和根系Cd含量的影响均未达到显著水平。

2.2 土壤条件对秸秆还田后稻米Cd吸收的影响

不同土壤条件下，秸秆还田对稻米Cd吸收的影响程度不同(图2)。在酸性土壤(pH<5.5)上秸秆还田，稻米Cd含量的效应值和95%置信区间均小于0，表明在酸性土壤上秸秆还田能显著降低稻米Cd含量；但无论是偏酸性(5.57.5)，稻米Cd含量效应值的95%置信区间均包含0，表明在非强酸性土壤上秸秆还田对稻米中Cd的吸收影响不显著。土壤有机碳含量对稻米Cd含量影响也不显著，但当有机碳含量小于10 g/kg时，秸秆还田能增加稻米对Cd的吸收。土壤总Cd含量也显著影响着稻米Cd含量对秸秆还田的响应，当土壤总Cd含量小于0.8 mg/kg时，秸秆还田能降低稻米对Cd的吸收，且在总Cd含量0.3～0.8 mg/kg的土壤中达到显著水平；当土壤总Cd含量高于0.8 mg/kg时，秸秆还田能促进稻米对Cd的吸收，且在总Cd含量0.8～3 mg/kg土壤中达到显著水平。此外，与田间试验相比，盆栽试验中秸秆还田对稻米Cd吸收抑制作用更明显，但两者均未对稻米Cd含量产生显著影响。

2.3 不同性质秸秆还田对稻米Cd吸收的影响

还田秸秆类型、秸秆还田量、秸秆Cd含量以及还田年限对稻米Cd吸收均有不同的影响(图3)。还田秸秆类型对稻米Cd吸收的影响均不显著。秸秆还田量仅在小于3500 kg/hm2时，秸秆还田能显著降低稻米Cd吸收，随着秸秆还田量的增加，这种抑制效应未达到显著水平。还田秸秆自身Cd含量在小于0.8 mg/kg时，秸秆还田能够降低稻米Cd含量；但高于0.8 mg/kg时，秸秆还田能增加稻Cd含量，但均未达到显著差异水平。此外，短期内秸秆还田(≤1年)对稻米Cd吸收具有抑制作用，当还田年限大于1年，秸秆还田能促进稻米Cd吸收。

3 讨 论

调控Cd 在水稻各器官积累的机制主要包括根系的吸收、木质部装载、导管运输和韧皮部向稻米转运[30]。一般而言，水稻各器官中Cd含量表现为根系>秸秆>稻米[31]，水稻根系对土壤Cd的吸收与土壤性质密切相关，将Cd从根系转运到地上部则与水稻对Cd的转运效率、离子拮抗作用等因素有关[32]。本研究表明，秸秆还田虽然能在一定程度上增加根系对Cd的吸收，但降低了水稻秸秆和稻米Cd含量，三者均未达到显著水平。这可能是因为秸秆还田提高了土壤Si、Zn等养分的含量或有效性，Si、Zn从水稻根系向地上部运输时与Cd竞争离子通道，进而降低秸秆和稻米对Cd的富集[23]。虽然秸秆还田对水稻根系、秸秆和稻米Cd含量均有不同程度的影响，但稻米Cd含量是关注的焦点，从文献中能够提取到数据量最多。因此，对可能影响稻米Cd吸收的土壤性质和秸秆特性进行分组，并进行亚组分析，结果表明，不同类型秸秆还田对稻米Cd吸收没有显著影响，但随着秸秆还田量的增加，秸秆还田对稻米Cd吸收的抑制作用减弱。此外，秸秆自身Cd含量在小于0.8 mg/kg时，秸秆还田对稻米Cd吸收表现出抑制效应，但当秸秆自身Cd含量在大于0.8 mg/kg时，秸秆还田增加了稻米Cd含量。表明，秸秆还田时应重点关注还田秸秆Cd含量，特别是Cd含量超过0.8 mg/kg的秸秆还田时有增加稻米Cd含量的风险。

田间试验和盆栽试验在小气候、水肥管理、土壤条件等方面均存在差异，2种试验条件下，秸秆还田对稻米Cd吸收均未产生显著影响。朱维等[14]认为土壤pH值、有机质含量是秸秆还田影响土壤-水稻系统中Cd迁移富集的重要因素。本研究结果表明，在强酸性土壤(pH<5.5)中进行秸秆还田能够显著降低稻米Cd富集。这可能是因为秸秆在分解过程中本身要消耗一部分H+，铁铝等胶体氧化物可以与秸秆分解产生的腐殖质等物质络合，释放部分OH-[33]，从而提高土壤对Cd2+的吸附；且土壤有机质表面含有多种活性官能团，对Cd2+具有很强的吸附能力[14]；且秸秆还田能促进土壤有效态Cd向有机结合态Cd的转移[12]，从而降低水稻对Cd的吸收。但柏彦超等[34]研究则指出，秸秆分解时释放的可溶性有机碳(DOC)能促进土壤Cd的溶出，提高土壤Cd的生物有效性。有机碳含量低(<10 g/kg)的土壤秸秆还田可促进稻米对Cd的吸收。可能是因为土壤有机碳含量较低的土壤往往质地偏砂，砂质土壤对有机碳的保护能力较弱[35]，因而对重金属的吸附能力也弱[22]。还田秸秆分解释放出的DOC更易提高Cd的生物有效性，进而提高稻米对Cd的吸收。此外，土壤的总Cd含量也影响着秸秆还田后稻米Cd吸收，特别是在土壤Cd含量超过GB15618-2018规定的碱性土壤风险筛选值(pH>7.5，0.8 mg/kg)的稻田应谨慎进行秸秆还田。

一些秸秆还田对重金属Cd有效性的研究仅仅探讨了土壤Cd形态转化方面，而未涉及作物[12,14]，或供试作物为白菜[36]、萝卜[37]、生菜[38-39]和黑麦草[40]等。因此，本文纳入分析的有关秸秆还田对水稻Cd吸收影响的文献数量不够多，样本量不够大，在分析过程中结论易受到一篇文献结果的影响。同时，虽然本文初步定量分析了秸秆还田条件下水稻Cd吸收响应秸秆还田措施的影响因素，为安全的秸秆还田措施提供了一定参考，但这些影响因素往往存在一定的交互作用，因此对影响机制还需进一步深入研究。

4 结 论

土壤pH值、有机碳含量、总Cd含量以及秸秆自身Cd含量、还田量和还田年限均能影响秸秆还田下水稻植株对Cd的吸收。我国耕地土壤环境质量趋紧的背景下，秸秆还田应综合考虑稻田土壤性质和还田秸秆特性，同时应加强土壤Cd和稻米Cd含量的协同监测。