镉污染稻田土壤调理剂研究进展与展望

田云鹤，易镇邪

（湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128）

目前，土壤污染问题日趋严重，其中土壤重金属污染由于较难察觉，在物质循环和能量循环中难以分解，容易蓄积在土壤中，导致作物减产，并通过植物的根系吸收进入植物体内，再经过食物链的传递和富集而危害人体健康。土壤重金属污染以铅和镉为主，镉是生物生长发育过程的非必需元素，是自然界中对动植物和人体危害性最大的重金属种类之一。土壤镉污染已成为了当前南方稻田面临的一大难题，人们开始广泛研究有关稻米镉污染的问题，例如筛选和培育低镉品种，探究水稻对镉元素的吸收和累积规律以及其他防控水稻镉污染的技术等，并且取得了一定的成果。湖南省着重关注水稻控镉技术研究，很多专家认为解决稻米镉污染的有效途径之一是采用相关土壤调理剂来降低土壤中镉的生物有效性。笔者从介绍镉胁迫对水稻的影响入手，总结了目前报道的土壤调节剂种类、土壤调理剂对水稻产量及水稻镉积累的影响及机制、不同土壤调理剂的效果比较等方面的研究进展，并展望了未来的研究方向，以期为土壤调节剂的推广应用提供依据。

1 镉胁迫对水稻的影响

1.1 镉胁迫对水稻生理特性的影响

植物进行光合作用的场所是叶绿体，植物进行呼吸作用的主要场所是线粒体，镉浓度过高会对叶绿体和线粒体造成毒害效应，从而影响光合作用与呼吸作用。林舜华等[1]研究表明，在镉浓度0.01~5 mg/kg条件下水稻光合速率均降低；张杰等[2]也发现镉胁迫下水稻幼苗的光合作用受到显著抑制。陈圣安等[3]发现，蛋白质中的或者酶活性中心的琉基可以与镉结合，将酶活性中心的Mg2+等元素取代，造成生物大分子的构象发生变化，并因缺乏必需元素而使酶活性降低。葛才林等[4]发现，镉可以抑制呼吸作用，原理是镉会抑制细胞色素氧化酶同功酶、苹果酸脱氢酶以及水稻淀粉酶的表达。

1.2 镉胁迫对水稻产量构成与农艺性状的影响

袁珍贵等[5]研究表明，水稻的产量随土壤镉含量升高而下降，在添加1.0 mg/kg Cd时各品种产量均显著降低；当土壤中的镉离子含量升高时，由于品种不同，所造成的水稻产量构成因素的影响也有所不同，但减产的原因主要是结实率、颖花数和收获指数降低。白嵩等[6]研究表明，镉离子会严重抑制水稻幼苗、根系的生长，Cd2+浓度100 mg/L时会导致水稻的幼株根尖颜色变褐，表现出中毒反应。邹继颖等[7]研究表明，高浓度的镉对水稻生长起抑制作用，在达到浓度拐点后，水稻株高会变矮。龙应霞等[8]研究表明，随着镉胁迫时间的延长和镉离子浓度的增加，水稻株高变矮、根长缩短、根量和叶数减少。

2 土壤调理剂的种类

为解决土壤镉及其他重金属污染问题，除了用天然矿物质对土壤进行治理外，农业生产所产生的废弃物（植物秸秆、粪便等）、工业生产所产生的废弃物（例如煤灰粉、炉渣等）、人工高分子聚合物（PAM、PAN等）经过高温煅烧、萃取加工、化学反应等处理后施入农田，土壤中的重金属有效性会受到影响，水稻产量也会得到提高[9]。

土壤调理剂暂时没有固定的分类标准，大体上可以按照用途和原料来源进行分类。根据原料来源，土壤调理剂可以被分为人工合成类、生物类、天然类和天然-合成共聚物类等[10]，也可以被分为矿物质类、有机物质类、高分子化合物类和其他类[11]。根据用途，土壤调理剂可分为酸性土壤改良类、盐碱地改良类、通用类、沙土改良类等[12]。

3 土壤调理剂对水稻产量与镉积累的影响

3.1 土壤调理剂对水稻产量的影响

李龙等[13]研究表明，当“润邦牌”土壤调理剂施用量达到1500~2100 kg/hm2时，水稻增产2%~5%。胡仁健[14]研究表明，有机硅土壤调理剂能促进水稻分蘖，可比对照增产11%~19%。廖雄辉等[15]研究表明，南荻炭基土壤调理剂可通过促使水稻提前抽穗、增强叶片光合效率的途径提高产量。唐八生[16]研究发现，施用BRA土壤调理剂可促进水稻植株的生长发育，同时帮助水稻植株增强抗逆能力，增产极显著。解秋等[17]发现，施用土壤调理剂后，水稻千粒重增加0.8~1.1 g、穗粒数增加20~30粒、有效穗数提高7.0%~12.6%，增产达10%以上。廖雄辉等[18]研究表明，施加南荻炭基土壤调理剂后，水稻有效穗数、结实率和千粒重显著提升，增产幅度最高可达35.0%。由此可见，土壤调理剂可促进水稻分蘖，并通过提高光合效率来增加千粒重、有穗数和穗粒数，进而达到增产目的。

3.2 土壤调理剂对水稻镉积累的影响

张剑锋等[19]研究表明，土壤调理剂显著降低了水稻糙米、稻壳、茎叶和根系中的镉含量。陈立伟等[20]发现，通过施加土壤改良剂，早稻各器官镉含量降低明显，其中糙米镉含量降低了29.6%~56.1%。HE等[21]研究表明，添加凹凸棒土和加工牡蛎壳粉能显著降低稻谷镉含量，添加凹凸棒土后稻谷镉含量从0.26 mg/kg降低到0.14 mg/kg，添加加工牡蛎壳粉后稻谷镉含量从0.26 mg/kg降低到0.19 mg/kg，均达到国家稻谷安全标准（＜0.20 mg/kg）。李龙等[13]发现，“润邦牌”土壤调理剂可使稻米镉含量显著下降，降幅达到35.6%~51.1%。彭林权等[22]研究表明，土壤调理剂可使双季稻糙米镉含量显著降低，与对照相比可降低0.011~0.33 mg/kg，降幅达24.1%~63.5%。余洪章[23]发现，施用“稻粮香”牌复合降镉土壤调理剂（粉剂）可使稻米镉含量下降0.152~0.167 mg/kg，降幅达47.06%~51.70%。刘晓月等[24]发现，施用铁基复合土壤调理剂后，糙米镉含量显著降低。陈海艳等[25]发现，施用湖南省微生物研究院研制的高活性土壤调理剂，精米镉含量下降34.8%~39.2%。

由此可见，施加土壤调理剂可以使水稻糙米、籽粒以及各器官的镉含量显著降低，且有研究表明，土壤调理剂施用量越大效果越好。张兰等[26]研究表明，施用含 K2O≥6.0%、SiO2≥20.0%、CaO≥20.0%、MgO≥5%的土壤调节剂后，稻谷镉含量可以得到有效降低；施用量越高，降幅越明显，施用量为750 kg/hm2时，降幅为42.4%，施用量为1500 kg/hm2时，降幅达56.8%。

4 土壤调理剂对水稻产量与镉积累的影响 机制

水稻生长发育、物质合成与产量形成受光合速 率[27]、温度[28]、水分、养分[29-30]、土壤特性等因素的影响，从土壤调理剂与水稻产量构成因素、光合速率、土壤特性等的关系入手，研究土壤调理剂是如何影响水稻产量与镉含量的具有重要的现实意义。

4.1 土壤调理剂对水稻产量的影响机制

（1）改善生理特性。施用土壤调理剂可以使水稻生理特性得到有效改善，产量构成因素也得到提升。宋如荻等[31]发现土壤调理剂可以使水稻抗逆能力、水稻根系活力得以提升，为提高水稻产量奠定了基础。廖雄辉等[18]研究表明，施加南荻炭基土壤调理剂后，水稻光合速率和产量均有所提高，穗数、结实率和粒重显著提高。

（2）改善土壤结构，提高土壤肥力。粉煤灰等无机类土壤调理剂施入黏土后，可有效改变土壤的孔隙度，提高土壤的通透性[19]。某些有机类土壤调理剂能促进形成水稳性土壤团粒结构，增强土壤持水能力，降低土壤容重[32-33]。有机类土壤调理剂本身就富含有机质，可以作为有机肥，如蚯蚓粪就有提高土壤养分含量的效果[34]。这表明土壤调理剂对土壤理化性质的改良是提高水稻产量的重要原因。

4.2 土壤调理剂对水稻镉积累的影响机制

（1）降低水稻镉转运系数。研究表明，根系和地上部的代谢过程以及体内重金属的运转受土壤调节剂的影响，从而间接对重金属的吸收产生影响[35-40]。周利军等[41]研究表明，施用森美思、CCT01、矿物质和特贝钙土壤调理剂能够降低土壤镉含量和水稻镉含量，能够阻碍重金属镉在土壤-水稻系统的迁移与再分配。张剑锋等[19]研究表明，施加土壤调理剂后，重金属由水稻根部转向茎叶、由茎叶转向稻壳和由稻壳转向糙米的转运系数均显著下降。宋如荻等[31]发现，施用土壤调理剂使水稻籽粒镉含量降低的原因是降低了镉从茎秆到籽粒的转运系数。

（2）降低土壤镉有效性。研究表明，施加土壤调理剂可以降低土壤镉的有效性。李龙等[13]研究表明，施用“润邦牌”土壤调理剂可明显降低土壤有效镉含量，降幅为23.7%~44.8%；陈海艳等[25]发现，高活性土壤调理剂可以显著降低土壤中的有效态镉含量，与对照相比降低了0.114~0.127 mg/kg；胡仁健[14]研究表明，有机硅土壤调理剂可以显著降低土壤镉含量，降幅为9%~11%。

前人研究了土壤调节剂对土壤有效镉含量和土壤pH值的影响，结果表明，土壤pH值在施用土壤调理剂后有所提高，但前人研究中pH值的提高幅度有所差异，有的提高了0.9~1.1[13]，有的提高了0.2~1.4[22]，还有的提高了0.47[25]。尽管提高幅度不同，但结论一致，即：土壤调理剂降低土壤镉有效性的重要途径之一是提高土壤pH值[19,24,42]。

研究表明，某些微生物可通过络合等方式吸附重金属离子，从而使土壤中重金属含量转化为低毒状 态[12]。奉启云等[43]研究表明，在陶瓷纳米材料表面上，单层分子多孔陶瓷功能纳米材料“森美思”能引入官能团，从而有效去除土壤中的镉，“森美思”单独施用以及其与石灰配合施用均能有效降低糙米镉含量。刘艺芸等[44]研究表明，土壤调理剂、巯基改性海泡石、钙镁磷肥可通过离子交换吸附固定土壤重金属，而巯基修饰海泡石固定土壤重金属的方法主要为物理吸附和提高土壤阳离子交换量。由此可见，络合、吸附或交换吸附也是土壤调理剂降低土壤有效态镉含量的重要途径。

（3）发挥离子拮抗作用。张宇鹏等[45]研究表明，无机硅土壤调理剂可将镉固定于土壤中，同时阻碍镉被根系吸收，因此水稻根、茎、叶、稻壳、稻米中的镉含量显著降低；但若以叶面喷施方式施用，无机硅经叶面吸收后可降低叶片镉聚集，但根系对镉的吸收并未减少，因此不能降低根和茎中的镉含量。文典等[46]研究表明，施用调理剂可以增加Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn在稻米中的积累量，稻米镉含量随着矿质元素含量升高而降低，由此可见，可以采用提高稻米中矿物质元素含量的方法来降低稻米镉含量。但对于这种方法的降镉效果，有学者有不同看法。谢运河等[47]研究发现土壤调节剂可以通过相关元素与镉的拮抗作用抑制茎秆镉向稻米的迁移和再分配，但降镉效果 一般。

5 不同土壤调理剂比较研究

前人针对各类土壤调理剂开展了大量研究，并在不同地方、不同土壤条件下得到了不同的结果。在对水稻产量的影响上，张永宏等[48]发现不同土壤调理剂均对水稻有增产效果，但以ORYKTA、丹路菌剂、丹路菌肥的增产效果较为显著。

在对水稻镉积累的影响上，大量研究认为，不同土壤调理剂对稻米的降镉效果存在较大差异[19,47,49]。廖雄辉等[18]研究表明，南荻炭、腐植酸、硫酸锌、硅酸钾、钙镁磷和熟石灰对水稻茎叶镉含量均有极显著影响。刘艺芸等[44]研究表明，土壤调理剂、巯基改性海泡石、钙镁磷肥均能使土壤DTPA提取态镉的含量降低，对镉的钝化效果表现为巯基改性海泡石＞土壤调理剂＞钙镁磷肥＞镁基矿物材料。武琳等[50]研究表明，从镉修复效果以及对土壤微生物数量和酶活性影响的角度考虑，特贝钙调理剂效果最好，其次是矿物质和森美思调理剂。彭鸥等[51]发现，不同处理对土壤有效态镉和水稻各器官镉含量的降低效果表现为综合处理＞基施石膏粉＞基施湘润邦土壤调理 剂＞矿物硅肥+喷施叶面肥＞淹水处理。冯光辉等[52]研究发现，在提高土壤pH值以及降低土壤有效镉和稻米、稻草中镉含量等方面，土壤调理剂与石灰效果优于复合微生物肥。但何凤鹏等[53]研究表明，施用复合微生物肥，可以更加有效地降低稻米总镉含量，效果比天然矿物类土壤调理剂更好。

6 研究展望

土壤镉污染严重影响我国粮食的产量与质量安全。近年来，我国已开展了较多土壤镉污染防控研究，在土壤调理剂方面也取得了较大进展，但是还有很多问题需要深入研究。例如：土壤调理剂的种类过多，人们不知道如何选择；不同土壤调理剂的效果缺乏系统比较；土壤调理剂的降镉机制还有待深入研究，等。基于此，笔者认为土壤调理剂的后续研究可从以下5个方面着手。

第一，大力开展新型土壤调节剂研究，争取做到低成本、低污染、高效率。当前，尽管土壤调理剂种类繁多，但仍然需要大力研制新型土壤调节剂。要密切关注当前的热门材料，如生物炭等。据有关资料，我国农林业的废弃资源量巨大，如果将这一类资源进行炭化开发成生物炭土壤调理剂，既可以有效利用这些资源，又可以减少农林废弃物对环境的破坏。将废弃资源以发展土壤调理剂的途径充分循环利用，将是今后协调资源与环境矛盾的有效途径之一。

第二，降低土壤调节剂的生产成本与价格。胡仁健[14]研究表明，施用有机硅土壤调理剂可使水稻增产11%~19%，但成本增加了约9000元/hm2。当前某些土壤调节剂效果好，但售价过高，阻碍了其推广应用。目前，湖南等省在治理土壤镉污染方面，主要采取省财政出资、县级政府采购、企业承包的形式进行，企业是以获得高效益为原则的，必然选择价格低廉、但效果不一定很好的土壤调节剂。这必定会影响土壤的改良效果。因此，降低土壤调节剂的生产成本与价格是当前迫切需要解决的问题之一。

第三，应因地制宜筛选土壤调理剂，明确土壤调节剂的适宜用量。各地区土壤、气候、灌溉水与水稻品种各不相同，土壤调节剂种类繁多，同时有研究表明不同用量调理剂条件下的改良效果差别较大[54]。因此，不同地区情况不同，应因地制宜进行不同种类、不同用量土壤调理剂下的水稻产量、米质与镉积累、运转途径及其机制研究，筛选出合适的土壤调理剂，并确定其适宜用量，以实现水稻安全高效生产。

第四，应加强复合调理剂以及土壤调理剂与农艺措施的结合应用研究。吴云[55]研究表明，复合调理剂（生物碳、膨润土和钙镁磷肥）控制土壤中有效镉的效果更好。张昊[56]研究表明，土壤调节剂配施处理（赤泥100 kg/667m2、硅肥60 kg/667m2、钙镁磷肥24 kg/667m2、锌肥2.4 kg/667m2）对水稻根和米镉吸收系数有显著影响。廖雄辉[57]的研究表明，南荻炭与5种镉钝化剂互作水稻茎叶和稻谷籽粒的镉含量显著降低，以“南荻炭∶腐殖酸∶硅酸钾∶钙镁磷∶硫酸锌∶熟石灰=200∶60∶3∶30∶4∶120”的比例配施效果最显著。彭鸥等[58]研究表明，组合措施可使稻米降镉幅度达到78.46%，明显优于单一水分管理和单一土壤调理剂处理。唐金花[59]研究发现，降低农田重金属污染稻米镉含量的最佳推广模式是“低镉水稻品种+优化水分管理+撒施石灰修复技术”组合。由此可见，将土壤调节剂与农艺措施结合，可发挥更好的土壤修复与稻米降镉效果。当然，还有很多降低土壤镉污染的技术，也没有必要全部采用。因此，针对不同土壤调理剂合理选择组合技术措施，需因地制宜开展研究。

第五，加强土壤调理剂的周年及长期应用效果研究。陈立伟等[20]发现，在早稻季施加复合改良剂，早稻各器官的镉含量显著降低，其中糙米镉含量降低29.6%~56.1%，但不能有效抑制晚稻对重金属镉的吸收。土壤调理剂的周年及长期应用效果，与土壤调理剂施用技术、施用量有关，与使用成本与经济效益有关，但目前有关土壤调理剂的周年及长期应用效果的研究极少，有待加强。