不同粒径贝壳粉对水稻吸收镉与硒的影响

2021-11-09潘丽萍谭骏刘斌邢颖黄雁飞陈锦平刘永贤

农业环境科学学报 2021年10期

潘丽萍，谭骏，刘斌，邢颖，黄雁飞，陈锦平，刘永贤*

（1.广西壮族自治区农业科学院农业资源与环境研究所，南宁 530007；2.南宁市农业科学研究所，南宁 530009；3.广西富硒农业研究中心，南宁 530007）

硒是人体必需的生命元素，开发富硒农产品是提升人体硒摄入水平的安全有效途径，而富硒土地资源是开发富硒农产品的基础。然而，近年来全国开展的多目标地球化学调查发现，受区域地质背景及其岩性建造的控制，镉、砷、汞等重金属与硒之间存在伴生现象，多数富硒区镉表现为明显富集[1−4]，致使富硒农产品开发存在一定的生态风险。在土壤镉污染防治方面已有大量的研究成果，有研究表明，基于硒与镉不同的地球化学特性，用于钝化镉的材料（如：磷灰石、石灰、生物炭等）能有效提高土壤硒的有效性[5−6]，可将其应用于硒镉共生富硒土壤资源的开发利用。贝壳是一种天然吸附材料，相对于上述钝化材料，因其低成本、易得、无二次污染的优点而被研究者关注，现阶段研究表明，施用贝壳粉可降低土壤中镉的生物有效性[7−10]，其钝化机理主要是通过提高土壤pH 和物理吸附、离子交换吸附等作用降低镉的活性，且粒径越小吸附能力越强。然而贝壳粉对土壤硒的影响研究仍缺乏，尤其是在硒镉共生的田间环境下，两者之间的生物有效性以及不同贝壳粉粒径对其影响差异还有待进一步研究。另外，贝壳中含有丰富的硒等微量元素[11]，对其的挖掘利用也仍较缺乏。因此，本研究选取中轻度镉污染的镉硒伴生农田为研究对象，通过田间小区试验，对比研究施用不同粒径贝壳粉对土壤镉、硒有效性及水稻吸收累积镉与硒的影响，以期为贝壳的资源化高效利用及稻米的降镉富硒提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

小区试验位于广西桂平市某中轻度镉污染农田。贝壳粉购买于北海市某公司，采用万能粉碎机将贝壳粉粉碎后分别过10、60、200 目尼龙筛备用。供试水稻品种为百香139，由广西桂平市某育秧厂提供。供试土壤和贝壳粉基本性质见表1。

表1 供试土壤和贝壳粉基本性质Table 1 Basic properties of tested soil and oyster shell

1.2 试验设计

前期盆栽试验发现，10 目贝壳粉1%的添加量对镉的钝化效果最佳。因此本试验在前期试验的基础上设置4个处理：（1）对照组（CK），常规种植；（2）施用10目贝壳粉3 000 kg·hm−2（BK10）；（3）施用60目贝壳粉3 000 kg·hm−2（BK60）；（4）施用200 目贝壳粉3 000 kg·hm−2（BK200）。每个处理重复3 次，每个小区150 m2，设置单独的进、排水口。小区四周起垄并用聚乙烯薄膜相互间隔，以防止小区之间水、肥相互渗透。机器翻耕后，均匀撒施不同粒径贝壳粉，待贝壳粉与土壤混合一周后插秧。水稻生长过程中的水肥管理均根据当地常规标准进行。

1.3 样品采集与处理

水稻成熟后，每个小区随机选取6 个采样点，每个点采集3 株水稻及根区土壤。将植株样分成根、秸秆、稻壳、籽粒4 部分，分别用去离子水冲洗后于烘箱内105 ℃杀青30 min，然后70 ℃烘至恒质量，最后粉碎过60 目筛装袋备用。土壤样品于阴凉处风干后研磨过20目和100目尼龙筛备用。

1.4 指标测定方法

土壤pH采用电位法测定，土壤有机质含量、阳离子交换量指标测定参照《土壤农化分析》[12]。土壤全镉含量采用HNO3、HF、HClO3消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定（GB/T 17141—1997）；土壤中有效态镉用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取，石墨炉原子吸收分光光度法测定[13]。土壤全硒采用氢化物−原子荧光光谱法测定（NY/T 1104—2006）；土壤有效硒含量的测定，用 0.1 mol·L−1的磷酸二氢钾溶液浸提，HNO3+H2O2（V∶V=7∶1）混酸进行微波消解后，用氢化物−原子荧光光谱法测定（NY/T 3420—2019）；土壤硒形态及价态测定参考瞿建国等[14]的分级处理方法。

水稻植株样中镉和硒的测定：采用HNO3、HClO3消解，用石墨炉原子吸收分光光度法测定镉含量（GB/T 5009.15—2014），用氢化物−原子荧光光谱法测定硒含量（GB/T 5009.93—2017）。

1.5 数据统计与分析

采用 Excel 2017、Origin 9.1、SPSS 17.0 软件进行数据处理、相关性分析、方差分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 对土壤pH的影响

如图1 所示，与CK 相比，施用不同粒径贝壳粉均显著提高了土壤pH，且添加贝壳粉的粒径越小，效果越显著。其中粒径最大的BK10 处理土壤pH 上升0.4 个单位，粒径最小的BK200 处理土壤pH 上升0.8 个单位。

2.2 对土壤有效态镉含量和有效态硒含量的影响

由图2 可知，添加不同粒径贝壳粉后，土壤中有效态镉与有效态硒含量呈现出相反的变化趋势。BK10、BK60、BK200处理的土壤有效态镉含量均低于CK，分别比CK 降低8.68%、10.84%和17.50%；而磷酸二氢钾溶液浸提的土壤有效态硒含量分别提高56.39%、70.48%和84.19%，但有效态硒含量处理间差异不显著。

土壤有效态硒一般主要包括可溶态硒和交换态硒，进一步测定分析各处理可溶态硒和交换态硒中的不同价态硒（图3）发现，可溶态硒中的+4 价占比较大，而−2 价与+6 价占比相当。与 CK 相比，添加贝壳粉土壤可溶态硒中的+4价和+6价硒含量总和占比有所升高，但升高不明显。而在交换态硒中，BK60 和BK200 处理的+4 价和+6 价硒含量占比均有所升高，且+6 价占比较高。可见，贝壳粉处理对土壤有效态硒的影响以交换态硒为主，并推断交换态中硒价态的变化主要是亚硒酸盐向硒酸盐转化。

2.3 不同粒径贝壳粉对水稻吸收累积镉和硒的影响

2.3.1 水稻体内镉含量及分布

水稻对土壤中的镉有较强的富集能力，图4 显示，CK 处理水稻根、秸秆、稻壳和糙米中镉含量分别达到3.606、0.731、0.499、0.234 mg·kg−1。施加不同粒径贝壳粉不同程度降低了水稻对镉的吸收，各组织镉含量基本表现为根>秸秆>稻壳>糙米，各部位镉含量随贝壳粉粒径减小而降低。其中，贝壳粉粒径最小的BK200 处理水稻根、秸秆、稻壳和糙米镉含量分别比CK 降低 39.76%、25.28%、62.80% 和 49.02%，并且BK60 和BK200 的糙米镉含量分别下降至0.16 mg·kg−1和0.12 mg·kg−1，均符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中大米镉限量值0.2 mg·kg−1的要求。

2.3.2 水稻体内硒含量及分布

与镉类似，水稻根部硒含量最高，糙米中的含量相对较少。添加贝壳粉处理对水稻吸收硒的影响与镉相反，与CK相比，施用贝壳粉显著提高了水稻各部位硒含量，且糙米、稻壳和根中硒含量随贝壳粉粒径减小而增加，BK10、BK60、BK200 处理糙米硒含量分别达到 0.086、0.103、0.111 mg·kg−1，分别是 CK 的4.31、5.17、5.58倍。虽然水稻根和秸秆中的硒含量分别是 CK 的 1.8~2.5 倍和 14~16 倍，但除 BK10 与BK200根中硒含量差异显著外，其他不同粒径贝壳粉处理间差异并不显著。

2.4 水稻累积镉与硒的相关性

进一步分析水稻各部位镉和硒含量的相关性发现（表2），糙米中的镉含量与水稻各部位镉含量均呈极显著正相关（P<0.01），与硒含量呈显著负相关。其中，糙米和稻壳中的镉与硒含量相关性较高，而秸秆中镉和硒含量的相关性相对较弱。

表2 不同处理下水稻糙米、稻壳、秸秆、根中镉与硒含量的相关性Table 2 Correlation between cadmium and selenium content in brown rice，husk，straw and root

3 讨论

土壤pH是影响镉赋存形态最为关键的环境因子之一，在土壤重金属原位钝化修复过程中具有至关重要的作用[15−17]。贝壳粉主要成分为碳酸钙，且含有钾、镁等碱性化合物，是一种碱性钝化剂，具有较高的pH。本研究结果显示，添加贝壳粉显著提高了土壤pH，这与多人的研究结论一致[18−19]。贝壳粉粒径越小，土壤pH上升越明显，可能是因为粒径越小的贝壳粉比表面积越大，羟基暴露量越多[20]。

土壤有效态镉和有效态硒含量通常是反映其生物有效性的关键指标。土壤pH 的升高，可增强土壤胶体和黏粒对重金属离子的吸附，黏土矿物表面及溶液中的羟基与重金属形成氢氧化物沉淀，促进镉由不稳定态向稳定态转化，进而降低土壤中镉的有效性和迁移能力[21]。本试验中，同等用量的贝壳粉处理均显著提高了土壤pH，但只有当粒径小于60 目时土壤有效态镉含量才显著低于CK，由此推断，引起有效态镉含量降低的原因除了土壤pH 的升高外，主要还与贝壳粉本身的吸附特性有关。因为通过生物矿化形成的贝壳具有多孔结构，其粉碎后吸附性、分散性及化学活性等均会提升[22]，有研究发现贝壳粉粒径从60目减小到100 目时，其对溶液中镉离子的吸附量可增加34%[23]，并且贝壳粉对镉的吸附不仅存在物理吸附，还存在化学吸附，且主要发生在贝壳粉表面[24]，因此当贝壳粉粒径足够小时，其比表面积大幅度提高，进而促进了贝壳粉对镉的吸附，同时有更多的钙与镉络合形成螯合物，进一步降低了土壤有效态镉含量[25]。与镉相反，碱性环境下土壤硒活性更高。土壤溶液中镉常以阳离子形式存在，具有失电子趋势，而硒主要以硒酸盐或亚硒酸盐的阴离子形式存在，有得电子趋势，两者受土壤条件的影响可在不同形态之间转化。土壤中的硒极易被铁氧化物吸附[26]，导致有效性降低。可能在土壤pH 升高时，土壤溶液中的镉离子更多地被铁铝氧化物吸附，从而削弱对硒的吸附作用，使更多的硒得以释放[27]，但本试验不同粒径贝壳粉处理后，土壤pH上升显著，而土壤有效态硒含量在处理间差异并不显著，这有可能是多方面的综合影响。首先贝壳粉含有与土壤相当浓度的硒，虽然施入量相对很小，对土壤总硒影响较小，但土壤有效态硒含量占比很小，不足土壤总硒的10%，由贝壳粉引入的硒的微小变化，也可显著提高有效态硒含量，这可能是提高土壤有效态硒的原因之一。土壤环境十分复杂，土壤pH 引起的硒的活化效应可能存在一定的局限性，并不是单一递进的关系，有研究发现pH对有效态硒中的水溶态硒影响较小，但对交换态硒影响显著[28]。进一步分析可溶态和交换态硒的价态发现，添加贝壳粉后土壤中交换态硒+6 价占比提高，−2 价占比下降，由此推测，交换态硒是造成有效态硒差异的主要原因，贝壳粉粒径越小，越会使更多的交换态硒释放到土壤中，即更多地向植物最易吸收的硒酸盐（+6 价硒）转化，同时有机硒里的硒元素（−2 价）可能被离子态的镉取代进而降低镉的有效态含量[29]。另外，本试验测定的是水稻成熟期土壤有效态硒含量，水稻生长过程中经历淹水和非淹水过程，土壤氧化还原电位的变化对硒酸盐和亚硒酸盐以及镉的固液分配影响机制尚不明确，仍需进一步研究。

施用贝壳粉促进土壤有效态镉含量的降低和土壤有效态硒含量的升高，直接减少了水稻对镉的吸收，同时增加了水稻硒的累积。成熟期水稻各部位镉含量均显著低于CK，而硒含量显著高于CK。水稻根部镉含量在不同贝壳粉粒径之间差异不显著，可能是因为成熟期根系内的镉向上转移相对减少，且多数累积在根部造成的。而对于根系硒，尽管土壤有效态硒总量差异不显著，但根系硒的累积量却存在差异，结合水溶态硒和交换态硒的价态分析发现，交换态硒是水稻根系吸收的主要形态，且以+6 价为主，这也验证了硒酸盐是植物最易吸收的形态。水稻糙米中镉累积量与秸秆、稻壳中的累积量表现出一致性，而水稻秸秆硒含量差异不显著，但在稻壳和糙米中却显现出差异性。结合镉与硒的相关性分析可知，硒的存在抑制了水稻籽粒对镉的吸收，且硒在抑制镉转移过程中也出现了自身的消耗，使稻壳和糙米中硒含量减少。因为籽粒中镉与硒的来源主要是灌浆期茎叶中储存的镉与硒向籽粒转运，仅有少部分是直接从土壤中吸收转运至籽粒，硒可促进谷胱甘肽（GSH）和植物螯合肽（PCs）的合成，而GSH和PCs可与镉进行螯合，从而降低了镉在水稻中的移动性[30]。镉在水稻体内的转移受到抑制，进而使糙米镉含量降低，硒含量增加，这种降镉富硒效应又与贝壳粉粒径差异有一定的一致性。因此可通过粉碎的方式，在中轻度镉污染的硒镉伴生稻田中选用粒径小于60 目的贝壳粉，即可使糙米镉含量符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》的同时，提高糙米硒含量，增加稻米附加值。