不同改良剂对土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果

柳开楼，万国湲，叶会财，李大明，余喜初

（1.江西省红壤研究所，国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌 331717；2.江西省养蜂研究所，江西 南昌 330052）

镉（Cd）属于有毒有害元素，其进入食物链后会严重危害人类健康[1-2]。近年来，稻米Cd 超标事件频发，如何阻控和降低稻米Cd 污染已经成为社会关注的重点[3-4]。大量研究表明，土壤中Cd 含量是导致稻米Cd 累积的主要原因[5-6]。特别是在土壤酸化加剧背景下，土壤中有效Cd 的增加对稻米Cd 累积影响巨大[7-8]。

在水稻种植过程中，除了筛选品种和优化水分管理之外[9-10]，通过添加外源改良剂提高土壤有机质和pH 值等是钝化土壤有效Cd 和阻控稻米Cd 吸收的关键措施[5,10-11]。有研究表明，施用腐熟的畜禽粪便有机肥可以显著降低水稻土中有效Cd 含量[12-13]。同时，通过施用石灰等碱性物质也可以显著降低水稻土的有效Cd 含量，从而抑制Cd 在稻米中累积[14]。但是，由于传统的畜禽粪便有机肥腐熟过程较长、腐熟程度不易控制，再加上石灰撒施容易伤手、且用量过大容易造成土壤板结等问题，因此开发新型有机肥和碱性改良剂成为学者们重点关注的课题。前人研究已经初步证实，生物黑炭可以替代传统的畜禽粪便有机肥，且其对土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收均有阻控效果[10-11]。此外，牡蛎壳粉也可以在一定程度上改良酸性土壤，起到钝化土壤重金属活性的效果[15-16]。然而，与传统畜禽有机肥和石灰相比，生物黑炭和牡蛎壳粉等改良剂对水稻土Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果到底如何，尚未见相关报道。因此，笔者采用盆栽试验，比较了有机肥（猪粪、生物黑炭）单施以及与碱性改良剂（石灰、牡蛎壳粉）配施对土壤Cd 活化和稻米Cd 吸收的阻控效果，以期为南方水稻土的Cd污染修复技术提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在江西省进贤县张公镇老王村（116°17'60''E、28°35'24''N）进行，该地处于中亚热带，年均气温18.1℃，≥10℃积温6 480℃，年降雨量1 537 mm，年蒸发量1 150 mm，无霜期约为289 d，年日照时数1 950 h。供试土壤为红壤性水稻土，有机质含量11.2 g/kg，全氮1.45 g/kg，全磷含量0.73 g/kg，全钾含量13.59 g/kg，有效磷含量44.55 mg/kg，速效钾含量200.80 mg/kg，土壤pH 值为5.33，全量Cd 和有效Cd含量分别为0.224 和0.105 mg/kg。于2017 年1 月采集土壤，风干过筛后装入塑料桶内备用。塑料桶规格为上口直径30 cm，下底直径25 cm，盆高35 cm。每盆装土7.5 kg。加入3 mg/L 的CdCl2溶液2.50 L，使得每个桶内土壤的Cd 含量为1.0 mg/kg，静置3 个月备用。

供试有机肥为猪粪和生物黑炭，供试碱性改良剂为石灰和牡蛎壳粉，供试水稻品种为早稻优Ⅰ156 和晚稻正成456。

1.2 试验设计

试验设7 个处理，分别为空白对照（CK）、猪粪（PM）、猪粪+石灰（PM+L）、猪粪+牡蛎壳粉（PM+OSP）、生物黑炭（BC）、生物黑炭+石灰（BC+L）、生物黑炭+牡蛎壳粉（BC+OSP），每个处理6 次重复。其中猪粪和生物黑炭均为等碳量（有机碳添加量为10.0 g/盆）、石灰和牡蛎壳为等氧化钙含量（氧化钙添加量为10.0 g/盆）。

1.3 盆栽管理

于2017 年4 月25 日移栽早稻，7 月28 日收割；7 月30 日移栽晚稻，11 月5 日收割晚稻。由于土培作物根系养分吸收区域小，因此盆栽种植施肥量为田间种植时的3 倍。盆栽试验所有处理的施肥量均为N 3.38 g/盆（含N 46%的尿素7.35 g）、P2O52.03 g/盆（含P2O512%的钙镁磷肥16.92 g）、K2O 3.04 g/盆（含K2O 60%的氯化钾5.07 g）。其中，氮肥30%作基肥，30%在返青期施用，40%在分蘖盛期施用；钾肥50%在返青期施用，50%在分蘖盛期施用；磷肥全部作基肥。钙镁磷肥在盆钵装土前混入土壤，拌匀，以后则是在每季水稻移栽前将土壤松动，均匀施入钙镁磷肥，然后拌匀；尿素和氯化钾则是将肥料溶解成液体后均匀施入土壤中。水分管理采取人工灌溉，在分蘖末期及时搁田，后期干湿交替。注意防治病虫害和杂草。

1.4 测定指标及方法

早晚稻成熟期，每个处理选择3 个重复按照实打实收的方法测定小区产量，另外3 个重复分别采集籽粒和土壤样品，研磨处理后分析籽粒的Cd 含量以及土壤中的有效Cd 含量，具体测定方法参考鲁如坤[17]的方法。采用线性拟合方程表征水稻籽粒Cd 含量与土壤有效Cd 含量的量化关系。

1.5 数据分析

采用Excel 2003 软件进行数据分析，采用SPSS 16.0 软件进行方差分析，采用Duncan 多重比较方法检验处理间的显著性差异（P＜0.05），采用Origin 7.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对Cd 污染土壤中水稻籽粒产量的影响

如图1 所示，与CK 相比，施用改良剂的处理水稻籽粒产量均显著增加。早稻季，猪粪（PM）、猪粪+石灰（PM+L）、猪粪+牡蛎壳粉（PM+OSP）、生物黑炭（BC）、生物黑炭+石灰（BC+L）、生物黑炭+牡蛎壳粉（BC+OSP）处理的籽粒产量分别比CK 增加 了15.52%、21.68%、30.06%、26.13%、29.39% 和36.01%，晚稻季的籽粒产量分别比CK 增加了12.02%、17.07%、21.67%、17.12%、24.60% 和27.28%。但不同改良剂处理间早晚稻籽粒产量均无显著差异。

图1 不同改良剂处理下早晚稻籽粒产量的变化

2.2 不同改良剂对Cd 污染土壤中水稻籽粒Cd 含量与累积量的影响

由图2A 可知，施用改良剂可以显著降低水稻籽粒中的Cd 含量。与CK 相比，PM、PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 处理的早稻籽粒Cd 含量分别降低了24.76%、36.12%、60.07%、54.64%、62.65%和64.53%；晚稻籽粒Cd 含量降幅分别为4.93%、43.48%、53.47%、45.94%、55.74%和58.32%。其中单施生物黑炭的降Cd 效果显著优于单施猪粪处理，但在猪粪或生物黑炭的基础上，配施牡蛎壳粉的降Cd 效果则优于石灰处理。

从水稻籽粒Cd 的累积量（图2B）来看，早稻的明显低于晚稻的。与CK 相比，除了PM 处理早晚稻籽粒Cd 累积量均未显著降低之外，PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 处理的早稻籽粒Cd 累积量分别降低了22.27%、48.07%、42.79%、51.67%和51.76%；晚稻籽粒Cd 累积量分别降低了33.84%、43.39%、37.95%、44.85%和46.95%。

图2 不同改良剂处理早晚稻籽粒Cd 含量和累积量的变化

2.3 不同改良剂对土壤有效Cd 含量的影响

由图3 可知，施用改良剂可以显著降低土壤有效Cd 含量。与CK 相比，早稻收获后，PM、PM+L、PM+OSP、BC、BC+L、BC+OSP 处理的土壤有效Cd含量分别降低了40.00%、35.00%、57.00%、44.60%、41.93%和65.88%；晚稻收获后各处理土壤有效Cd含量分别降低了41.20%、30.93%、57.24%、36.60%、48.38%和68.57%。其中以生物黑炭+牡蛎壳粉的处理的降Cd 效果最显著。

图3 不同改良剂处理早晚稻收获后土壤中有效Cd 含量的变化

2.4 水稻籽粒Cd 与土壤有效Cd 的量化关系

由图4A 和表1 可知，早晚稻籽粒中Cd 含量与土壤有效Cd 含量存在密切关系，其线性方程的相关系数分别为0.793 5、0.706 1，相关性显著（P＜0.05）；当土壤有效Cd 含量降低0.1 mg/kg 时，早稻和晚稻籽粒中的Cd 含量可分别降低0.057 和0.188 mg/kg，其中晚稻的降幅明显高于早稻。然而，如图4B 和表1所示，籽粒Cd 累积量与土壤中有效Cd 储量之间存在正相关关系，但是相关性不显著（P＞0.05）。

表1 土壤中有效Cd 与籽粒Cd 的拟合方程参数

图4 水稻籽粒Cd(y)与土壤中有效Cd 含量(x)的量化关系

3 结论与讨论

施用有机肥和石灰等改良剂可以提高土壤肥力、减缓土壤酸化，从而提高作物产量[18-19]。这一结论已经在南方双季稻区得到充分验证。笔者的盆栽试验也表明施用有机肥和石灰等改良剂后，早稻和晚稻的产量可以提高15.52%～36.01%和12.02%～27.28%。同时，前人研究表明，施用有机肥，特别是生物黑炭，可以通过提升土壤pH 值来降低重金属活性，且较高的有机质含量还可以与重金属元素进行螯合，进而有效降低作物对重金属的吸收[10-11]。罗华汉等[15]研究表明，单独施用牡蛎壳粉可以使土壤有效Cd 含量下降了40.2%～49.0%。笔者的研究结果也表明，将生物黑炭与牡蛎壳粉复配施用可以大幅降低土壤中有效Cd 的含量，且效果优于单独施用猪粪或石灰的处理，在所有处理中，生物黑炭+牡蛎壳粉处理的土壤有效Cd含量最低。这一方面与生物黑炭和牡蛎壳粉均偏碱性[10,15]，显著提升了土壤pH 值，进而钝化了大量活性Cd 有关，另一方面可能与两者配施改变了水稻根际的微环境[20]，从而降低了作物对Cd 的吸收有关，但具体原因还有待进一步研究。

土壤有效Cd 的降低会进一步限制水稻籽粒中Cd的累积[5-6]。与CK 相比，生物黑炭+牡蛎壳粉处理的早晚稻收获后土壤有效Cd 含量降低了65.88%～68.57%，而其水稻籽粒的Cd 含量和累积量分别降低了58.32%～64.53%和46.95%～51.76%。结合拟合方程发现，当土壤有效Cd 含量减少0.1 mg/kg 时，早稻和晚稻籽粒中的Cd 含量可分别降低0.057 和0.188 mg/kg，表明改良剂在晚稻上的降Cd 效果明显高于早稻，这可能与水稻品种特性以及早晚稻季不同的温光差异有关[21-22]。同时，由于改良剂可以显著提高水稻产量[23-24]，因此土壤有效Cd 储量与籽粒Cd 累积量不存在显著的正相关关系。在今后的研究中，如何解决改良剂施用下水稻增产与重金属累积的矛盾还有待进一步研究。

综上所述，有机肥（猪粪、生物黑炭）与碱性改良剂（石灰、牡蛎壳粉）配施可以显著降低土壤有效Cd 含量，进而降低水稻籽粒中Cd 的含量和累积量。其中以生物黑炭配施牡蛎壳粉的降Cd 效果最显著。随着土壤有效Cd 含量的降低，早晚稻籽粒的Cd 含量均呈现显著降低趋势，且晚稻的降幅明显大于早稻。