海泡石施加深度对水稻吸收镉的影响

2022-05-25王雪张丽宋宁宁王芳丽林大松杜兆林

农业资源与环境学报 2022年3期

王雪，张丽，宋宁宁，王芳丽，林大松*，杜兆林*

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150038；2.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；3.青岛农业大学资源与环境学院青岛市农村环境工程研究中心，山东青岛 266109）

2014 年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地污染以镉（Cd）污染最为突出，《2019 年全国生态环境质量简况》也指出，Cd 为农地土壤主要污染物。Cd 具有毒性高、迁移性强和易富集等特点，是食品安全中最受关注的重金属元素[1-2]。Cd是我国水稻主产区的主要污染物之一，由于水稻从土壤中吸收Cd 的能力较强，且Cd 易在谷物中积累[3-4]，因此解决Cd 污染土壤问题、生产安全水稻、保障人类健康是一项紧迫的任务[5-6]。

作为一种操作简单、见效快、成本低的原位钝化剂，海泡石已被应用在重金属污染农田修复治理实践中且取得了较好的效果[7]。海泡石是一种含镁硅酸盐的纤维状物质，其化学式为Mg8（H2O）4[Si6O15]2（OH）4·8H2O[8]，其具有独特的链式层状结构、巨大的比表面积、高阳离子交换量（如K+、Na+和Ca2+）和大量的硅烷醇（Si—OH）基团，可以提高土壤pH 值[9]，同时通过表面络合和（共）沉淀作用将有机基团和无机离子掺入结构中，从而降低土壤中重金属的转移性及生物可利用性[10-12]。国内外开展的海泡石修复重金属污染土壤研究多通过盆栽和大田试验研究其对土壤中Cd有效性及植物对重金属的富集作用[13-14]，而鲜有研究关注耕层深度对海泡石修复重金属污染土壤效果的影响。

耕作深度是影响土壤理化性质的重要因素，施加海泡石构建土壤重金属钝化层能够改善土壤结构且影响重金属的生物有效性。为明确在不同耕层深度施加海泡石对Cd 污染土壤作物生长和吸收Cd 的影响，本研究选取湖南湘潭土壤和当地水稻品种，通过根际箱试验测定在不同耕层深度施加海泡石对生物有效态Cd 及作物不同部位吸收Cd 的影响，以明确海泡石调控作物Cd吸收的耕层深度。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试水稻

供试水稻品种为湖南当地的鱼鳞稻欣荣优华占，由湖南湘潭种子公司提供。

1.1.2 钝化材料

海泡石：主要组分为CaO 41.7%、MgO 16.8%、Al2O37.4%、SiO232.5%，pH 值为10.1，阳离子交换量为18.0 cmol·kg-1，比表面积为22.3 m2·kg-1，孔径为1.4 nm，未检出Cd。

1.1.3 供试土壤

于湖南湘潭某农用地采集Cd 污染土壤，自然风干，备用。土壤基本理化性质见表1。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018），所取土壤Cd 含量高于风险筛选值，低于风险管制值，可能存在水稻不符合质量安全标准等土壤污染风险。

表1 试验土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 试验设计

试验采用多隔层根际箱水稻盆栽装置（图1）。根际箱采用有机玻璃制成，规格20 cm×20 cm×20 cm，内部分为根系生长室（2 cm 宽）和根际土室（0.3 cm宽），两侧各使用5 张300 目尼龙网隔开，分为非根际第1 至第5 层（N1、N2、N3、N4 和N5），尼龙网可以避免水稻根系向下延伸进入下边的隔层，阻止根系的自由穿入与穿出，并且将根际与非根际土壤隔开，保证植物根系不进入非根际土壤，但水分、肥料以及土壤重金属等物质可以通过。

图1 根际箱试验装置Figure 1 Experiment device of rhizosphere box

试验共设6 个耕层深度处理（表2），每个处理6次重复。海泡石以8%比例添加至土壤中，每个根际箱装土10 kg，种植方式为直播。根际箱内放置不同耕层深度处理的土壤，将水稻种子直播于根际箱中间，每个处理4 粒，保持水分充足，研究耕层不同深度处理下水稻根系富集重金属Cd 的情况。除耕层外，试验期间各处理的管理措施均一致。

表2 耕层深度处理Table 2 Different tillage depth treatments

1.3 样品采集与处理

土壤样品：用竹质采样器分别采集水稻根际土壤（R0）和非根际层土壤（N1、N2、N3、N4、N5），按均匀分布的5个点位采集。采集的土壤风干后，分别过10目和100目筛，待测。

水稻样品：种植方式为直播，5月播种，11月黄熟期后采样。先割取地上部分，测产量和株高。将水稻根系从根际箱中小心挖出，使泥土和根系分离，用水漂洗干净，用纸吸干根系表面水分。分根、茎、稻穗剪取，用清水冲洗，确保无灰尘、杂质残留后，再用蒸馏水少量多次冲洗。于烘箱105 ℃杀青0.5 h、85 ℃烘干至恒质量后测定干物质量。分装在食品级保鲜袋中保存，测定水稻产量，茎叶部、根部Cd含量，以及稻米中Cd含量。

1.4 测定方法

（1）土壤样品

习近平总书记曾强调：国无德不兴，人无德不立。文化育人的最终目标便是提高学生的人文精神，帮助学生学会为人处世之道，成为“正能量”的继承者与传播者。现今，拜金主义、享乐主义、极端个人主义等不良风气盛行，摧残着青年大学生的身心健康，这时候便更需要发挥优秀传统文化的巨大作用，来提高学生的道德素质和职业素质。正处于社会转型关键时期的中国，不仅需要技能水平高超的人才，更需要德才兼备的全能型人才，将优秀传统文化植根于学生心中，有利于提高学生的综合素质，加强学生道德意识，深入贯彻落实立德树人的根本原则。

土壤pH 测定：土壤溶液采集后，立刻使用pH 计测得pH值，并置于4 ℃冰箱中保存待分析。

土壤Cd 有效态测定：称取过2 mm 孔径尼龙筛的风干试样2.00 g 于50 mL 离心管中，加入0.1 mol·L-1HCl 提取剂10.0 mL，在（25±1）℃条件下，放入水平回旋恒温振荡机上，以180 r·min-1的速度振荡1 h，立即过滤于15 mL测样管中，采用ICP-MS仪测定。

（2）农作物样品

水稻产量和株高：收样后测定作物产量和株高。于水稻成熟期收获每盆中所有水稻，并以晒干稻谷质量计算产量。株高用刻度尺测量各个试验桶中随机抽取的3株水稻并求其平均值。

稻米Cd含量采用ICP-MS进行测定，稻米样处理方法参见文献[15]。

茎叶部、根部Cd含量测定：取作物干样0.25 g，加入8 mL HNO3浸泡12 h 后进行消煮，消煮至剩余1～2 mL，加去离子水转移定容至50 mL 容量瓶，过滤后待测。

（3）海泡石对Cd2+等温吸附试验

称取1.000 g 海泡石置于50 mL 离心管中，加入20 mL 已调节好pH 值的分析纯CdCl2·2.5H2O 配成的含Cd2+溶液（50、100、200、300、400、500、600 mg·L-1），25 ℃下恒温振荡培养箱中振荡24 h，然后静置24 h。将上清液倒入20 mL离心管中，在4 000 r·min-1转速下离心30 min，过滤上清液，用火焰原子吸收光谱仪测定Cd2+质量浓度，计算吸附量。

测试过程中利用国家标准物质进行全程质量控制，各元素的回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。

1.5 数据分析

数据通过Excel 和SPSS 进行处理，采用Turkey 法进行统计分析，显著性检验设α=0.05，多重比较结果以小写英文字母表示，并利用软件Origin 8.6制图。

2 结果与分析

2.1 不同耕层深度处理下海泡石对根际与非根际土壤中pH的影响

海泡石在不同耕层深度处理下对土壤pH值的影响见图2。从图2 可以看出，污染土壤在T1、T2、T3、T4和T5耕层深度处理下，与CK相比，根际土壤pH值分别提升了1.16、1.06、0.89、0.70 和1.00 个单位，且在耕层深度T1、T2 和T5 显著增加（P<0.05）。在耕层不同深度处理下非根际层土壤pH 值均有上升，非根际第1层至第5层土壤pH值在T1、T2、T3、T4、T5处理下升高范围分别为0.75～1.10、0.66～1.21、0.68～1.21、0.66～1.13、0.59～0.89 个单位。其中，非根际第1、5 层在耕层深度T1 处理下pH 值上升幅度最大，非根际第3、4 层在耕层深度T3 处理下pH 值上升幅度最大，非根际第2 层在耕层深度T2 处理下pH 值上升幅度最大，且非根际第1、2、3、4层土壤pH 值在T1和T2处理与对照处理差异显著（P<0.05）。

图2 不同耕层深度处理下海泡石对土壤pH的影响Figure 2 Effects of sepiolite on soil pH under different tillage depth treatments

2.2 海泡石对Cd2+的等温吸附性能

在25 ℃下检测了海泡石对50～500 mg·L-1浓度Cd2+的吸附量，并以平衡时溶液中Cd2+的浓度（Ce）为横坐标，平衡时海泡石对Cd2+的吸附量（Qe）为纵坐标，得到海泡石对Cd2+的等温吸附曲线（图3）。从图3 可看出，随着初始浓度C0由50 mg·L-1增加到500 mg·L-1，平衡液Cd2+浓度逐渐增大，平衡吸附量也逐渐增大。海泡石的吸附曲线符合Langmuir方程，海泡石的饱和吸附量为7.15。因此，海泡石对Cd2+具有很强的吸附性，利用海泡石钝化污染土壤中的Cd 是很有效的。

图3 海泡石对Cd2+的等温吸附曲线Figure 3 Sepiolite adsorption isotherm curve for Cd2+

2.3 不同耕层深度处理下海泡石对根际与非根际土壤中有效态Cd含量的影响

海泡石在耕层不同深度处理下对土壤有效态Cd含量的影响见图4。污染土壤在T1、T2、T3、T4 和T5耕层深度处理下，与CK 相比，根际土壤有效态Cd 含量均有降低，在T1、T2、T3、T4 和T5 处理下降幅分别为2.70%、3.40%、0.02%、3.10%和0.90%。可见根际土壤有效态Cd 含量在T2 处理降低效果最明显，但与CK差异不显著（P>0.05）。

图4 不同耕层深度处理下海泡石对土壤Cd有效态含量的影响Figure 4 Effects of sepiolite on the soil available Cd content under different tillage depth treatments

与CK 相比，非根际层土壤有效态Cd含量均有不同程度下降，非根际第1层至第5层土壤有效态Cd含量降幅在T1、T2、T3、T4 和T5 处理下分别为1.00%～3.90%、1.41%～4.80%、1.70%～4.91%、1.31%～4.02%和3.20%～7.80%。非根际第1、3 层在耕层深度T4 处理下土壤有效态Cd 含量降幅最大，且在非根际第3 层与CK 具有显著差异（P<0.05）；非根际第2、4、5 层在耕层深度T2 处理下降Cd 效果最佳，且均与CK 差异显著（P<0.05）。

由此可见，海泡石在浅耕层5 cm 处理下，根际土壤与非根际土壤中有效态Cd含量降幅最明显。

2.4 不同耕层深度处理下海泡石对水稻各部位Cd含量的影响

如图5 所示，不同耕层深度处理下水稻各部位的Cd 含量均有下降。水稻根、茎、叶和糙米Cd 含量降幅在T1、T2、T3、T4 和T5 耕层深度处理下分别为3.01%～19.00%、1.00%～6.01%、3.02%～6.01%、1.01%～2.00%，根部Cd含量在不同耕层深度处理下与对照相比均差异显著（P<0.05），而茎、叶和糙米中Cd 含量降幅均不显著（P>0.05）。水稻根、茎、叶和糙米Cd 含量均在T4 处理下降幅最高。水稻各部位Cd 含量表现为根>茎>叶>糙米。

图5 不同耕层深度处理下海泡石对水稻各部位Cd含量的影响Figure 5 Effects of sepiolite on Cd contents in various parts of rice under different tillage depth treatments

2.5 不同耕层深度处理下海泡石对水稻Cd 富集转运的影响

如表3 所示，不同耕层深度处理下水稻根系Cd的富集系数均显著低于CK 处理（P<0.05），其中T2 和T4 处理根系Cd 富集系数分别为1.04 和0.97，相对于其他处理更有效地抑制了水稻根系对土壤中Cd的吸收。根系-茎、根系-叶和根系-糙米的转运系数均低于CK处理，但与CK差异不显著（P>0.05）。

表3 水稻中Cd的富集与转运系数Table 3 Bioaccumulation factor（BCF）and translocation factor（TF）of Cd in rice

2.6 不同耕层深度处理下海泡石对水稻株高及产量的影响

由图6 可见，不同耕层深度处理下水稻株高和产量均有提高。施用海泡石后，在T1～T5耕层深度处理下水稻株高升幅分别为15.63%、19.70%、17.88%、17.45%和4.38%，除T5处理外，其他处理均与CK处理差异显著（P<0.05）；相应地，水稻产量上升幅度分别为34.43%、85.29%、33.18%、87.32%和31.64%，且均与CK 差异显著（P<0.05）。由此可见，水稻株高和产量分别在T2和T4处理下最优。

图6 不同耕层深度处理下海泡石对水稻株高和产量的影响Figure 6 Effects of sepiolite on rice plant height and yield under different tillage depth treatments

3 讨论

施用海泡石均可提高根际和非根际土壤pH 值，根际与非根际层土壤有效态Cd 含量均呈下降趋势，从而阻止部分Cd 从土壤进入水稻内，使得水稻各部位Cd 累积量均有下降，这与SUN 等[16]的研究结果一致。可能是因为海泡石是一种多孔的硅酸盐黏土矿物材料，其具有巨大的比表面积、较高的孔隙度和阳离子交换量（CEC），可通过离子交换、专性吸附或共沉淀反应降低土壤中重金属活性[17]。海泡石对Cd2+的吸附等温试验表明其对Cd2+具有很强的吸附性，能够有效地将土壤中的Cd2+钝化，这与孙慧等[18]的研究结果一致。进一步研究发现，根际土壤Cd 有效态含量普遍低于非根际土壤。根际土壤环境是联系植物与土壤之间的纽带，根际环境与非根际环境在物理化学和生物特性方面存在较大差异，可直接影响重金属从土壤向植物的迁移及其对植物的有效性[19]。研究发现水稻能通过产生和释放根系分泌物改善根际环境的pH 和Eh，减少根系Cd 吸收量及向地上部的转运[20]。这些根系分泌物中某些金属结合蛋白、黏胶物质和特殊的有机酸（如乳酸）可通过螯合、络合、沉淀等作用将重金属污染物滞留在根外，使得重金属在根际沉淀物中主要以残渣态存在，从而减少重金属向植物体内迁移转运[21-23]。根际分泌物可为微生物提供氮源和碳源，影响微生物的生态分布和活性，还会影响根际微生物的数量和种类[24]，微生物代谢活动中分泌的各种产物，如有机物、质子、酶等通过影响Cd 吸收和溶解降低重金属的移动性[25]。

值得注意的是，海泡石施用在耕层5 cm 范围（T2和T4）内，土壤有效态Cd 含量降幅最大，水稻株高和产量显著提高（P<0.05）。这可能是因为不同深度的耕层土壤理化性质对重金属的有效性和作物生长发育影响差异较大，研究表明土壤有机质含量随着土壤深度的增加而减少，而土壤有机质中存在着大量的低分子量有机酸，其可作为有机配体与重金属结合，形成稳定的有机络合物，从而降低重金属的迁移转化能力[26]，这种作用随着土壤深度的增加而减弱，使得有效态Cd含量降幅受施加深度的影响而有所差异。事实上，有研究表明海泡石本身可能会提高水稻根系活力，进而促进根系合成脱落酸和细胞分裂素等植物激素，对水稻的生长发育和产量有积极影响，可提高水稻在灌浆前期的灌浆速率和籽粒质量，有效提高灌浆质量及水稻产量[27-30]。而浅耕处理下土壤养分含量高于深耕处理，对土壤的扰动更小，水分散失更少，土壤容重更小，更适宜水稻生长[31-32]。本试验虽表明海泡石在浅耕层降低土壤Cd有效态含量及提高水稻株高和产量上效果最佳，但需进行大田试验进一步验证。

另外，Cd 污染土壤施用海泡石后水稻各部位Cd累积量均有下降，降幅为根>叶>茎>糙米。通过海泡石钝化表层5 cm 土壤，且用尼龙网将下层15 cm 受重金属污染土壤用尼龙网隔开（T4 处理），水稻根、茎、叶和糙米中Cd 含量降幅最大。T5 处理下土壤中Cd有效态含量降幅高于T3 处理，这可能是因为受尼龙网的阻隔影响，大量根际分泌物在尼龙网处富集，通过水稻根系分泌物与海泡石的协同作用，钝化土壤中Cd，进而阻止水稻根部对Cd 的吸收。海泡石自身为碱性材料，pH 值为10.1，其施用减轻了土壤酸化程度，改善了土壤理化性状，降低了土壤中镉的生物有效性，并且抑制了植物对Cd 的吸收，减轻了Cd 对水稻的毒害，从而提高了水稻的产量[33-34]。值得注意的是，本试验结果表明海泡石的施用可使水稻产量提高31.64%～87.32%，从净收益和产投比来看，施用海泡石有利于提高水稻种植的经济效益。但本研究结果为室内根际箱试验得出，今后仍需通过大田试验进一步验证海泡石的实际应用价值。

总体来看，海泡石在耕层不同深度处理下均可降低土壤Cd 有效性和水稻Cd 含量，提高水稻株高和产量，且海泡石在表层5 cm 土壤施用钝化效果最佳，本研究对实际土壤治理修复中有效合理地施用钝化材料具有一定指导意义。但由于根际箱试验的局限性和大田环境的差异性，海泡石在耕层不同深度下对Cd 污染土壤的实际修复效果需进一步通过大田试验进行验证。