不同水分管理条件下蚓粪对水稻镉积累的影响

2022-02-26张嘉伟张晓绪朱靖陶润萍徐轶群许健

中国稻米 2022年1期

张嘉伟张晓绪朱靖陶润萍徐轶群许健

（扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州 225100；第一作者：zjw19960729@163.com；*通讯作者：xujian_yz@163.com）

随着工业和农业的快速发展，我国农田土壤重金属污染日益严重，其中以镉（Cd）污染最为严重[1]。在南方地区，土壤Cd 的污染导致一定比例的稻米Cd 含量超过国家标准限值0.2 mg/kg[2]。因此，对Cd 污染农田的治理修复并有效减少Cd 在水稻中的积累，是当下亟待解决的难题。

由于增产增收作用，化肥在我国被大量使用，这是我国土壤Cd 污染甚至水稻Cd 超标的重要原因[3]。一方面，化肥的施用带来Cd 进入土壤，进而增加了农作物Cd 积累的风险。另一方面，土壤因化肥长期大量施用而酸化，而土壤的酸化又导致了重金属Cd 活性显著增强，易于被水稻吸收而积累[4-5]。因此，减少化肥的使用或许可以改变我国南方地区水稻Cd 超标的现状。蚓粪是有机质经蚯蚓过腹后的产物。研究表明，蚯蚓可以改善土壤结构，提供植物生长大量营养成分[6]。相较于传统有机肥，经蚯蚓堆肥后产生的有机肥（蚓粪），有机物中的重金属被蚯蚓富集而显著降低，营养元素的有效性也有所提高[7]。

研究表明，有机质施用于稻田后，可降低水稻对Cd 的积累[8-9]。然而，水稻对Cd 的吸收积累同时受到水分管理的影响。在我国南方地区，普遍采用的是淹水灌溉和湿润灌溉。那么，在这两种水分管理条件下，蚓粪施用于Cd 污染土壤后，对水稻Cd 积累将产生什么样的影响值得研究，这对保障我国南方地区的粮食安全生产也具有重要意义。

基于此，本研究选取Cd 污染土壤，采用淹水灌溉及湿润灌溉两种水分管理方式，探究不同蚓粪施用量对水稻Cd 积累的阻控效果及其对土壤理化性质的影响，以期为Cd 污染稻田的合理利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种为南粳5505。试验土壤取自扬州市广陵区某稻田耕作层土壤，去除石块、动植物残体等杂质，自然风干后研磨，过10 目尼龙筛后用于盆栽试验。土壤基本理化性质：pH值7.42，有机质9.20 g/kg，有效磷53.70 mg/kg，速效钾219.63 mg/kg，碱解氮85.50 mg/kg，总Cd 0.75 mg/kg。蚓粪由扬州大学试验农牧场蚯蚓养殖基地提供，其pH值为6.90、有机质含量440.20 g/kg、总Cd 含量0.46 mg/kg。

1.2 试验设计

1.2.1 镉污染土壤的制备

根据我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 5618-2018），土壤Cd 的风险管制值为3.0 mg/kg，据此设置Cd 浓度为重度污染5.0 mg/kg。取风干试验土壤并加入CdCl2·2.5H2O 充分混匀，于室温下陈化60 d后备用。

1.2.2 盆栽试验

盆栽试验使用普通聚乙烯塑料盆。在水稻秧苗移栽前30 d，每盆装土5 kg 并施入基肥（1.0 gCH4N2O、0.815 gKH2PO4、0.275 gKCl）。2019年6月统一移栽秧苗，每盆3 丛，每丛3株。为保证水稻正常生长，所有试验处理组均采用浅水返青的水分管理模式，进入分蘖期后开始水分管理。淹水模式水分管理条件为淹水深度保持高于土壤界面3～5 cm状态，湿润灌溉模式水分管理为水稻盆栽内表层土以上无明显水层。蚓粪量以其有机质添加量计。试验设6个处理：YCK，淹水灌溉模式，不添加有机质；YT1，淹水灌溉模式，每1 kg 土壤有机质添加量15.8 g；YT2，淹水灌溉模式，每1 kg 土壤有机质添加量40.8 g；SCK，湿润灌溉模式，不添加有机质；ST1，湿润灌溉模式，每1 kg 土壤有机质添加量15.8 g；ST2，湿润灌溉模式，每1 kg 土壤有机质添加量40.8 g。每个处理重复3次，根据其生长情况适时防治病虫草害，水稻于11月初收获。

1.2.3 样品采集与预处理

分别于水稻分蘖期、抽穗扬花期和完熟期采集水稻根部土壤，一部分新鲜样品用于Fe2+测定，另外一部分风干后磨细过100 目尼龙筛，用于土壤基本理化性质及重金属分析。水稻完熟期收获并采集植株样品用去离子水洗净，后放入烘箱于105℃杀青30 min，再60℃烘干至恒质量。将水稻根、茎叶以及糙米用万能粉碎机粉碎后过100 目尼龙筛，密封保存于干燥器中用于化学分析。

1.3 测定项目及方法

土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定。土壤pH值采用电位法测定，Eh值采用雷磁PHS－3C 型精密ORP 计原位测定。土壤有效态Cd 采用DTPA（二乙基三胺五乙酸）提取剂浸提后使用火焰原子吸收分光光度法（AAS, Solaar MK 2－M 6）测定。土壤Fe2+含量采用硫酸铝浸提法测定。水稻根、茎叶及籽粒中Cd 含量采用干灰化法消解后用1%HNO3定容、过滤。水稻植株消解液中的Cd 含量均使用ICP－MS（Elan DRC－e）测定。

1.4 数据处理与质量控制

采用Excel 2010 进行数据处理，SPSS 19.0 进行单因素ANOVA 分析，Duncan 法进行多重比较（p＜0.05和p ＜0.01），Origin 2017绘图。采用标准土壤样品GBW07431、标准植物样品GBW10020（GSB－11）和标准大米样品GBW10043（GSB－21）进行质量控制。

2 结果与分析

2.1 对土壤pH、Eh值和Fe2+含量的影响

从图1可见，无论淹水灌溉还是湿润灌溉，土壤pH值总体呈先下降而后波动上升的趋势，且在第28 dpH值下降至低点。对于湿润灌溉，所有的处理pH值波动变化，总体pH值高于7.2，且pH值随蚓粪施用量增加而稍有升高。对于淹水灌溉，所有的处理pH值波动变化且随淹水时间变长趋近于7.0。

图1 各处理土壤pH值

从图2可以看出，无论淹水灌溉还是湿润灌溉，在水稻生长前期（约前28 d）土壤Eh值快速下降，且施用蚓粪后土壤Eh值下降更为迅速。对于淹水灌溉，土壤Eh值随淹水时间持续下降而后趋于稳定，与YCK 相比，蚓粪施用可显著降低土壤Eh值，在水稻生长前期，土壤Eh值随蚓粪施用量增加而下降，生长后期（28 d后）各处理则无明显差异。对于湿润灌溉，土壤Eh值下降至第28 d低点后持续上升，且土壤有机质含量越低，Eh值上升越显著。

图2 各处理土壤Eh值

如图3 所示，在水稻全生育期采用淹水灌溉或湿润灌溉，土壤Fe2+含量在施用蚓粪后均显著升高，但除了分蘖期ST1与ST2 处理间存在显著差异外，其余时期两种水分管理方式下不同蚓粪施用量间均无显著差异。淹水灌溉条件下蚓粪在分蘖期、抽穗扬花期及完熟期使土壤Fe2+含量分别升高了4.88%～12.53%、10.97%～14.12%和8.36%～9.19%。湿润灌溉条件下蚓粪在分蘖期、抽穗扬花期及完熟期使土壤Fe2+含量分别升高72.91%～100.54%、45.73%～53.69%和11.25%～17.21%。水稻全生育期内，在同等蚓粪施用量下淹水灌溉土壤Fe2+含量均显著高于湿润灌溉土壤。

图3 不同生育期水稻土壤Fe2+含量

2.2 对土壤DTPA-Cd含量的影响

如图4 所示，与对照相比，在水稻生长的分蘖期和抽穗扬花期，蚓粪的添加总体降低了土壤DTPA-Cd 的含量。在这两个生长阶段，当蚓粪的施用量相同时，土壤DTPA-Cd 含量在淹水状态总体低于湿润灌溉水分管理方式，且总体上呈现蚓粪添加量越大，土壤DTPACd 含量越低。在完熟期，淹水灌溉下的土壤DTPA-Cd含量，YT1、YT2 显著低于YCK。而湿润灌溉条件下，与SCK 相比，ST1、ST2 土壤DTPA-Cd 含量显著增加。

图4 水稻各生育期土壤DTPA-Cd 含量

2.3 对水稻各部位镉积累的影响

如图5 所示，不同处理水稻各部分Cd 含量大小依次为根＞茎叶＞糙米。与对照相比，蚓粪的添加显著降低了Cd 在根、茎叶和糙米中的含量。本研究中，在两种水分管理方式下，蚓粪施用均显著降低糙米Cd 含量，YT1、YT2 较YCK 糙米Cd 含量分别降低74.58%和78.69%，达到了国家规定的大米中Cd 的限量指标（0.2 mg/kg），而ST1、ST2 较SCK分别降低41.83%和50.08%，但仍未达到国家规定的限值，其糙米Cd 含量分别为0.24 mg/kg和0.21 mg/kg。

图5 各处理组水稻植株Cd 含量

3 讨论

不同水分管理条件下，土壤的物理、化学及生物性质都会发生改变，从而造成土壤各组分的化学行为发生显著变化，最终影响土壤中重金属等元素的活化、迁移及沉积。水分条件作为贯穿水稻完整生育期的影响因子，其对水稻的作用不仅体现在影响水稻营养吸收及生长代谢活动上，也影响着水稻对于重金属胁迫等逆境的抗逆反应[10]。黄爽等[11]指出，一定范围内随着土壤pH值的升高，Cd 的有效性会大大降低。本研究中，不施用蚓粪条件下，湿润灌溉处理土壤pH值高于淹水灌溉处理，而在完熟期土壤DTPA-Cd 含量显著低于淹水灌溉处理，符合此规律。此时，土壤pH值对水稻土壤DTPA-Cd 含量的影响占主导，pH 升高使得土壤胶体表面负电荷数量增加，对Cd 的吸附固定能力增强[12]，因此，土壤中环境活性态Cd 含量随之降低。

在淹水灌溉下施用蚓粪较在湿润灌溉下施用蚓粪对降低糙米Cd 含量的效果更显著。淹水条件使土壤环境与空气隔绝，土壤中各种微生物的代谢活动消耗O2，有机质作为主要的还原物质，提供了大量电子供给淹水后土壤环境中的各种氧化物质发生还原反应[13-15]。本研究中，淹水处理下土壤Eh值持续缓慢下降，添加蚓粪后，土壤Eh值在水稻生育前期急剧下降。蚓粪的施用提供了更多的有机质作为碳来源，加速了土壤微生物的氧化还原反应，从而造成土壤Eh值的加速下降。此时，土壤中高价态的Fe离子会被还原为低价态，水溶性Fe2+含量增加。有机质的分解会释放更多电子，蚓粪中含有大量腐殖质，Fe 还原微生物是利用腐殖质作为电子受体[16]，微生物转化有机化合物的同时会形成Fe 还原移动所必须的化合物[17]，使土壤中Fe氧化物进一步还原溶解，对土壤中的Fe起到活化作用，且有机还原物质越多反应速度越快，这也证实了本研究中淹水处理下土壤Fe2+含量随着蚓粪施加量的增大而增大。而Fe2+与Cd2+存在竞争关系，水稻对两种金属的吸收均通过运输Fe 的转运蛋白（ZIP、OsIRT1等）进入水稻根部[18-20]，Fe2+先与运输蛋白结合，致使Cd 缺少结合位点，从而减少了Cd 向水稻地上部分的转运。此外，水稻等耐渍水植物的根系具有较强的氧化能力，在长期处于还原环境下，水稻体内的生理活动将植株从大气中吸收的O2高效转运至根尖，向根际释放氧化性物质，将部分低价态的Fe、Mn 氧化成高价态，这些Fe、Mn 氧化物形成沉淀附着在水稻根部表面，可观察到红棕色氧化物即为水稻根膜[21]。根膜的吸附能力和电化学特性使得重金属元素可以被其吸附、共沉淀，同时根膜又是根系的保护屏障，土壤中的Cd 需要经过根膜的吸附和解吸才能进入根部，根膜通过此作用改变了植株对重金属的吸收能力[22]。