水稻根茬还田对土壤及稻米中镉累积的影响

2022-04-16石含之江棋刘帆文典黄永东邓腾灏博王旭徐爱平李富荣吴志超李梅霞彭锦芬杜瑞英

生态环境学报 2022年2期

石含之，江棋 *，刘帆，文典，黄永东，邓腾灏博，王旭，徐爱平，李富荣，吴志超，李梅霞，彭锦芬，杜瑞英 **

1. 广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所，广东广州 510640；2. 农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（广州），广东广州 510640；3. 农业农村部农产品质量安全检测与评价重点实验室，广东广州 510640；4. 广东省农业环境与耕地质量保护中心（广东省农业农村投资项目中心），广东广州 510640

最新的全国污染状况调查公报显示，Cd是中国耕地重金属污染元素之首，超标率高达7.0%（陈能场等，2017）。红壤主要分布在中国南方地区，受成土母质及南方工业发展的影响，Cd污染问题尤为突出（张小敏等，2014；陈莹等，2021)。

根茬还田是秸秆还田的常见方式之一。根茬还田可以改善土壤的透气性，提高土壤的团粒结构及增加土壤有机质等养分含量（悦飞雪等，2018）。但水稻根茬还田会对土壤中 Cd形态及作物中 Cd积累造成影响。已有研究显示，水稻根茬还田促进了土壤中Cd向稳定形态的转化，降低了Cd生物有效性, 从而减少了作物对Cd累积（杨兰等，2015）。但也有研究发现，根茬还田有可能提高作物对 Cd的吸收富集（张晶等，2013）。水稻吸收的Cd，绝大部分集中在根部，根部 Cd含量一般为土壤 Cd的5—10倍（赵步洪等，2006）。在中国很多地区，人们在种植下一季水稻时，并不会把上季的水稻根茬挖出。这表明将Cd污染的根茬还田时，存在二次污染的风险。然而，不同剂量的水稻根茬还田对土壤-植物体系中造成的Cd污染风险尚不清楚。

土壤中Cd的生物有效性、毒性及可迁移性不是由其总量决定，而是由其形态决定（丁园等，2021；肖亮亮等，2019）。各形态中，有效态 Cd活性高，可被植物及微生物直接吸收利用。常见的土壤有效态重金属含量测定方法有CaCl2提取法，因其操作简单且能很好地评价土壤重金属有效性而广受关注。但此提取方法易受土壤理化性质如pH值、铁/锰氧化物等的影响，同时缺乏对提取过程中重金属再吸附与再分配问题的考虑（Chomchoei et al.，2002；Ding et al.，2013；Tian et al.，2018）。薄膜梯度扩散技术（DGT）是近年发展起来的一种快速评价重金属生物有效性的方法。该方法通过模拟金属离子在土壤中的扩散与固液界面的再释放过程，能较真实地反映土壤中重金属的有效性（黄界颍等，2020）。有研究表明，与传统的 Cd有效态提取法相比，DGT方法能更好地评估土壤中Cd的生物有效性（Luo et al.，2021；陈静等，2014；鄂倩等，2020）。然而也有研究发现，DGT法提取的有效态Cd含量与植物体内Cd含量无显著相关性（Almas et al.，2006；Soriano et al.，2010）。因此，DGT方法在评价土壤中Cd有效性的适用性上还有待进一步探讨。

基于此，本研究选取中国南方地区典型的地带性土壤——红壤，设计不同添加量的含Cd水稻根茬，采用盆栽试验方式，（1）研究不同剂量的水稻根茬还田对土壤有效态Cd、水稻Cd的影响；（2）比较CaCl2和DGT两种土壤有效态Cd的提取方法；（3）探讨红壤中有效态Cd、稻米Cd的影响因素。本研究可为调控红壤中有效态Cd含量及指导实际生产中水稻根茬还田量提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为水稻，品种为粤香占。供试土壤为红壤，采自广东省英德市董塘镇的Cd污染农田。土壤的基本理化性质如表1所示，土壤 pH值为6.06，总镉质量分数为0.47mg·kg−1，超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018，≤0.3mg·kg−1）。DGT 膜购置于农业农村部环境保护科研监测所，水稻根采自于广东韶关 Cd污染农田，水稻根中Cd质量分数为10.8 mg·kg−1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physico-chemical properties of tested soil

1.2 试验设计及样品采集

水稻盆栽试验于2020年8—12月在广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所盆栽场进行。试验共设置4个处理，分别为：（1）CK，不添加水稻根茬；（2）RT-1，水稻根茬添加量为0.24%（水稻根茬与土壤质量比，下同）；（3）RT-2，水稻根茬添加量为0.48%；（4）RT-3，水稻根茬添加量为0.72%。每个处理设置3个重复。供试土壤经自然风干、过2 mm筛后，装于PVC盆中（长25 cm，宽20 cm，高28 cm），每个盆中放置5 kg土壤。水稻根系剪碎至0.5 cm后，加入土壤并搅拌均匀，调节土壤含水量至田间持水量的60%。土壤平衡一个月后，8月底选取长势一致的水稻幼苗进行移栽，每个盆中种植两棵水稻。种植过程中的管理方式与当地种植及管理方式保持一致。

2020年12 月中旬采集土壤及水稻样品。水稻成熟后，采用土钻按五点取样法分别在每个盆中采集表层0—20 cm深土样，混匀风干后分别过1.00 mm和0.15 mm尼龙筛，保存备用。水稻植株连根部整株取出，再采集水稻根及其籽粒。用自来水将水稻根部、籽粒冲洗干净，放入 90 ℃烘箱中杀青20 min，再于60 ℃下烘干至恒定质量。干燥后的植物样品，磨后过0.15 mm尼龙筛，用塑料封口袋保存。

1.3 测定指标与方法

土壤pH值按照水土比2.5꞉1，加入去二氧化碳的超纯水，振荡2 h，静置0.5 h，用pH计测定（鲁如坤，2000）。土壤总有机质采用硫酸-重铬酸钾外加热法测定（鲍士旦，2000）。土壤及植物样品中总 Cd含量的测定：土壤使用 HNO3、HClO4、HF混合酸进行消解；稻米、稻根采用浓 HNO3、HClO4混合酸进行消解。ICP-MS测定土壤及植物样品中Cd含量（文典等，2018）。分别采用0.01 mol·L−1CaCl2（田衍等，2019）和 DGT 两种方法提取土壤中有效态元素，ICP-MS测定浸提液中Cd、Fe、Mn含量（贵州省市场监督管理，2019；鄂倩等，2020）。

土壤重金属测定选用国家标准物质GBW07405（GSS-5）进行质量控制。水根、稻米测定选用国家标准物质进行质量控制 GBW10010a（GSB-1a）。

1.4 数据分析

应用SPSS 22.0对所有测得的数据进行显著差异性分析及 Pearson相关性分析； SigmaPlot 12.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水稻根茬还田对土壤有效态Cd的影响

不同剂量水稻根茬还田，土壤有效态Cd质量分数变化如图1所示。随根茬添加量增加，土壤CaCl2-Cd质量分数先降低后增加。RT-1、RT-2处理与对照间差异不显著。RT-3处理中，土壤有效态Cd质量分数较对照显著增加 88.2%（P<0.05）。DGT-Cd质量分数的变化趋势与CaCl2-Cd质量分数的变化趋势一致。RT-1处理下DGT-Cd质量分散与对照间无显著性差异。RT-2、RT-3处理中DGT-Cd质量分数较对照显著增加8.2%、14.4%（P<0.05）。试验结果表明，当根茬还田量大于或等于0.48%时，土壤有效态Cd质量分数较对照显著提高，导致土壤中Cd污染风险增加。

图1 不同处理对土壤有效态Cd的影响Figure 1 Effects of different treatments on available Cd in soil

2.2 水稻根茬还田对稻根、稻米中Cd含量的影响

不同剂量水稻根茬还田下，稻根与稻米中 Cd质量分数变化如图2所示。RT-1、RT-2和RT-3中稻根Cd质量分数较对照分别显著提高2.0、2.5和4.0倍。

图2 不同处理下水稻根与稻米中镉质量分数Figure 2 Cd contents in root and rice under the different treatments

稻米Cd质量分数随根茬还田量增加呈现先降低后增加的现象。其中，RT-1处理下稻米中Cd质量分数显著降低，降幅为 30.6%（P<0.05）；RT-2处理下稻米中Cd质量分数与对照间无显著性差异；RT-3处理下稻米 Cd质量分数较对照显著增加54.2%（P<0.05）。各处理下稻米中Cd质量分数均明显超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017，<0.2 mg·kg−1）2.0—5.0 倍。

2.3 水稻根茬还田对土壤pH值、有机质含量影响

不同处理中，土壤pH值和总有机质质量分数变化如表2所示。随水稻根茬还田量的增加，土壤pH值呈现先增加后降低的趋势，但各处理中土壤pH值均与CK无显著性差异。RT-3处理下土壤pH值较RT-1处理下土壤pH值显著降低（P<0.05）。对照及添加水稻根茬的各处理中，土壤总有机质质量分数无显著差异。

表2 不同处理对土壤pH值、有机质影响Table 2 Effects of different treatments on soil pH and SOM

2.4 水稻根茬还田对土壤总Cd及Fe、Mn有效性的影响

不同剂量水稻根茬还田下，土壤总Cd及有效态Fe、Mn的质量分数变化如表3所示。与CK相比，土壤中总Cd质量分数随稻根添加量的增加而均略有增加。除RT-1处理中，DGT提取的土壤有效态 Fe与对照无显著差异；其余处理中，两种方法提取的土壤有效态 Fe质量分数较对照均显著降低，降幅为4.6%—29.9%。仅CaCl2提取法的RT-1处理中，土壤有效态Mn质量分数较对照显著下降22.4%，其余处理间有效态 Mn质量分数与对照间无显著性差异。

表3 不同处理对土壤总Cd及有效态Fe、Mn的影响Table 3 Effects of different treatments on the total Cd and available Fe, Mn in soil

2.5 水稻中Cd与土壤性质及有效态元素的相关性分析

水稻中Cd与土壤性质及有效态元素的相关性分析如表4所示。DGT-Cd、CaCl2-Cd与水稻根部及稻米 Cd呈极显著正相关，相关系数分别为rDGT-Root=0.878（P<0.01）、rCaCl2-Root=0.862（P<0.01）和rDGT-Rice=0.848（P<0.01）、rCaCl2-Rice=0.904（P<0.01）。DGT与 CaCl2方法提取的土壤有效态 Cd间呈极显著正相关（r=0.904，P<0.01）。且 DGT和CaCl2提取的土壤有效态Cd与稻米Cd相关性系数接近，分别为 0.848（P<0.01）和 0.904（P<0.01），表明DGT是预测Cd生物有效性的理想方法。稻米Cd与土壤pH、有机质呈显著负相关，表明土壤pH、有机质会影响稻米Cd的富集；DGT-Fe与DGT-Cd、CaCl2-Cd、水稻根部 Cd呈极显著负相关，相关系数分别为rDGT-Fe-DGT-Cd= −0.896（P<0.01）、rDGT-Fe-CdCl2-Cd= −0.901（P<0.01）、rDGT-Fe-Root-Cd=−0.968（P<0.01），与稻米Cd中含量均呈显著负相关，表明土壤有效态Fe可通过影响土壤Cd有效性进而影响水稻对Cd的吸收。

表4 稻米、稻根Cd含量与土壤pH、有机质及有效态元素相关性Table 4 Correlation of Cd contents in rice, root and soil pH, SOM and available elements

3 讨论

不同添加量水稻还田对土壤有效态 Cd、稻米Cd的影响不同。以往研究表明，秸秆还田会显著增加土壤和水稻植株中Cd含量。Bai et al.（2013）发现施用0.5%的麦草秸秆后，水稻植株中Cd的含量对应增加了120%。汤文光等（2015）发现长期秸秆还田后糙米Cd含量和Cd累积量分别显著提高了20.8%和38.7%。本研究结果显示，当根茬还田量为 2.4 g·kg−1时，稻米中 Cd含量低于对照处理；当根茬还田量为 4.8 g·kg−1时，稻米中 Cd含量与对照处理无显著差异；当还田量为7.2 g·kg−1时，稻米中Cd含量显著高于对照处理。说明在本研究区土壤中，根茬还田量4.8 g·kg−1是临界值，当根茬还田量高于临界值时，会加剧稻米Cd污染。因此，在Cd污染农田进行根茬还田时，应考虑根茬中的Cd带来的二次污染。

本研究结果表明，DGT和CaCl2提取的土壤有效态Cd与稻米Cd相关性系数接近，分别为0.848和0.904（P<0.01）。鄂倩等（2020）的研究结果显示，DGT和CaCl2提取的土壤有效态Cd与稻米Cd含量呈显著相关，相关系数分别为0.765和0.692。与本研究结果稍有不同的是，本研究发现CaCl2提取的土壤有效态Cd与稻米Cd的相关系数略高于DGT法，可能由田间水分管理模式、水稻品种、土壤性质等差异造成。CaCl2提取土壤有效态Cd是当前认可度较高的一种方法（Ma et al.，2020；Luo et al.，2021）。本研究结果显示，DGT与CaCl2提取的土壤有效态 Cd间呈极显著正相关，r=0.904（P<0.01），且均与稻米Cd之间存在极显著正相关关系，说明DGT也是红壤中有效态Cd测定的较理想方法。

稻米Cd含量与土壤中pH和有机质含量呈显著负相关（r=0.723，P<0.05；r=0.742，P<0.05）。土壤pH值与有机质是影响土壤重金属有效性的重要因子。土壤pH升高，羟基和Cd离子共沉淀，降低土壤溶液中Cd的浓度（Tahervand et al.，2016；李志涛等，2017）。有机质上含有羟基、羧基等官能团，可以吸附土壤溶液中的Cd，降低Cd的生物有效性（Guo et al.，2006）。本研究结果显示pH、有机质与土壤有效态Cd均无相关性，但与稻米中Cd呈极显著正相关。可能原因是，pH和有机质的变化并未对土壤有效态Cd产生直接影响，可能通过影响土壤中其他形态Cd，进而影响Cd在稻米中的富集。

稻米Cd与土壤中有效态Fe呈显著负相关（r=−0.817，P<0.05），与土壤有效态 Mn之间无相关性。已有研究表明，土壤有效态Fe、Mn与稻米Cd无显著相关性（李慧敏等，2018）。根茬在土壤中分解产生有机酸，可还原溶解土壤中的铁氧化物，结合在铁氧化物上的Cd会释放到土壤中（Keiluweit et al.，2015）。本研究结果显示，稻米Cd与土壤有效态 Fe呈显著负相关。本研究结果显示，随根茬还田量逐渐增加，土壤中有效态铁的质量分数逐渐下降。土壤中有机质与铁氧化物存在复杂的相互作用。一方面有机物可以防止铁氧化物由晶型结构向非晶型转变；另一方面，铁氧化物可以保持有机质不被分解（Noellemeyer et al.，2008；Fernandez et al.，2010)。本试验结果显示，随根茬量逐渐增加，土壤有效态 Fe下降的幅度逐渐增加，说明有机质的加入提高了铁氧化物的稳定性，铁氧化物向非晶型结构的转化降低。同时，有机质与稻米Cd呈负相关，说明有机物络合土壤中Cd，从而降低水稻对Cd的吸收。综上，外源有机质在土壤中对Cd的吸附作用大于其还原溶解铁氧化物释放Cd的作用。