不同土壤调理剂对黔中地区水稻Cd积累转运和产量的影响

娄 飞，付天岭，代良羽，周 凯，林大松，何腾兵，，*

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 新农村发展研究院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省农业生态与资源保护站，贵州 贵阳 550001；4.开阳县农业农村局，贵州 开阳 550300；5.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191)

镉(Cd)是我国土壤中最主要的无机污染物之一。施用土壤调理剂是目前解决稻田Cd污染问题的有效措施之一。近年来，多类土壤调理剂被开发出来，如碱性或硅钙质类、黏土矿物类、腐殖酸类或生物质炭等有机物料类、微生物类，以及改性复配组合材料等。研究人员通过盆栽、田间试验证明，土壤调理剂具有较为突出的钝化土壤Cd活性、降低水稻()Cd积累的效果。然而，土壤Cd污染呈现明显的地域性特征，同一土壤调理剂在不同地区的钝化效果可能会有明显差异。贵州省受污染耕地安全利用任务较重。水稻是贵州主要的粮食作物，在贵州的Cd污染稻田上确保水稻安全生产显得尤为必要和迫切。不同于湖南、广东等地，贵州属典型的喀斯特地区，成土母质主要为碳酸盐岩，呈现典型的Cd地质高背景特征。目前，针对贵州地区土壤调理剂应用效果的研究较少，适于该地区应用的土壤调理剂的报道还较为少见。为此，本研究通过田间小区试验，分析11种土壤调理剂在黔中地区受污染稻田上对水稻Cd积累转运和产量的影响，筛选适用于当地的土壤调理剂，以期为贵州喀斯特地区Cd污染土壤上水稻的安全生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试水稻品种为天优1177，属早熟籼型三系杂交稻，全生育期157.9 d。

供试土壤调理剂包括：(1)阿姆斯土壤调理剂，pH值8.98，主要成分为侧孢短芽孢杆菌()、地衣芽孢杆菌()、生物活性钙、有机物载体，由北京世纪阿姆斯生物技术有限公司生产；(2)楚戈土壤调理剂，pH值12.66，主要成分为CaO(≥34.0%)和SiO(≥5.5%)，由环保桥(湖南)生态环境工程股份有限公司生产；(3)天象一号土壤调理剂，pH值12.52，主要成分为K、Ca、Mg、Si和有机质，由江苏天象生物科技有限公司生产；(4)SAX1土壤调理剂，pH值12.15，主要成分为SiO(1.66%)、MgO(4.49%)、CaO(6.99%)，由格丰科技材料有限公司生产；(5)土净康土壤调理剂，pH值9.50，主要成分为饲料级沸石粉、淀粉、高功能活性菌，由北京金富信环保科技有限公司生产；(6)特贝钙土壤调理剂，pH值8.29，主要成分为CaO(≥45%)，由福建玛塔生态科技有限公司生产；(7)美鑫隆土壤调理剂，pH值12.48，主要成分为CaO(24%)、SiO(3%)、有机碳(8%)，由湖南美鑫隆生态环保科技有限公司生产；(8)蓝全土壤调理剂，pH值9.47，主要成分为有机质(25%，含改性甲壳素2.5%)、有效硅(15%)、有效钙(20%)，由大连丰晟生物科技有限公司生产；(9)颐合原壤土壤调理剂，pH值7.37，主要成分为CaO(≥40.0%)，由北京颐合原壤生态科技有限责任公司生产；(10)维地康土壤调理剂，pH值12.05，主要成分为CaO(≥20.0%)、SiO(≥10.0%)、有机质(≥12.0%)，由天脊煤化工集团股份有限公司现代农业科技分公司生产；(11)OSA土壤调理剂，pH值8.51，主要成分为天然离子化矿物质、高分子腐殖酸，由佛山市植宝生态科技有限公司生产。

试验用的石灰由开阳县石灰加工厂提供，pH值12.80。

试验田位于贵州省贵阳市某Cd污染农田，地处黔中地区，是典型的喀斯特地区，土壤类型为潴育型水稻土。试验田耕层(0～20 cm)土壤的pH值和几种重金属含量如下：pH值6.00，总Cd 1.288 mg·kg，总Hg 0.152 mg·kg，总As 8.54 mg·kg，总Pb 71.8 mg·kg，总Cr 63.8 mg·kg，总Ni 30.2 mg·kg，总Cu 27.4 mg·kg，有效态Cd 0.518 mg·kg。参照GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》，试验田属于受污染耕地安全利用类。

1.2 试验设计

试验于2019年5—9月进行。共设置11个处理(T1～T11)，相应地，分别基施阿姆斯土壤调理剂3 000 kg·hm、楚戈土壤调理剂3 000 kg·hm、天象一号土壤调理剂4 500 kg·hm、SAX1土壤调理剂6 000 kg·hm、土净康土壤调理剂1 200 kg·hm、特贝钙土壤调理剂3 000 kg·hm、美鑫隆土壤调理剂3 750 kg·hm、蓝全土壤调理剂1 500 kg·hm、熙和原壤土壤调理剂3 000 kg·hm、维地康土壤调理剂3 000 kg·hm、OSA土壤调理剂3 750 kg·hm。同时，设置空白对照(CK-0，不施调理剂)和石灰对照(CK-1，基施石灰2 250 kg·hm)。每个处理设置4个重复，采用完全随机区组分布。每小区面积为20 m(4 m×5 m)，各小区独立灌溉、排水，小区间筑田埂20 cm，田埂覆盖塑料薄膜至30 cm以下，防止小区间串肥串水。

1.3 样品采集与分析

使用五点采样法于2019年9月27日对水稻、土壤样品协同采样。在每个小区收割所有水稻，脱粒风干、实际称重，记录水稻产量。水稻植株用自来水冲洗干净并用去离子水漂洗，将植株分为根、茎、叶、穗轴、稻谷各部分，105 ℃杀青2 h，65 ℃烘至恒重。用砻谷机将稻谷脱壳成稻壳和糙米样品。取水稻根、茎、叶、穗轴、稻壳和糙米样品，用植物粉碎机粉碎，过40目尼龙筛，备测。土壤风干后，研磨，分别过10目和100目尼龙筛，制备土壤样品，备测。

土壤pH值采用电位法测定(水土体积质量比为2.5∶1)。土壤总Cd含量用高压密闭消解法消解，土壤有效态Cd含量采用DTPA法浸提，水稻各部位Cd含量用HNO-HO消解，然后使用赛默飞世尔(Thermo Fisher)X Series 2电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定。为保证分析质量，每批消解样品均引入试剂空白和标准物质。对土壤样品，采用国家标准物质[GBW07405(GSS-5)]进行质控，回收率为91.67%～100.05%；对水稻样品，采用国家标准物质[GBW10010(GSB-1)]进行质控，回收率为93.48%～100.09%。

1.4 数据处理与统计分析

使用Origin 2018软件做图。用SPSS 22.0软件进行皮尔逊(Pearson)相关性分析和单因素方差分析(one-way ANOVA)，对有显著(<0.05)差异的，采用LSD法进行多重比较。

富集系数(BCF)，为水稻各部位Cd含量与土壤总Cd含量的比；转运系数(TF)，为后一部位Cd含量与前一部位Cd含量的比。根系的富集系数与转运系数在数值上一致。

2 结果与分析

2.1 土壤调理剂对土壤pH值、Cd含量和水稻产量的影响

与CK-0比较，石灰和另外11种土壤调理剂均能显著(<0.05)提高土壤pH值，增幅在0.25～1.02个单位(图1)；与CK-1比较，11种调理剂中，T6处理的土壤pH值显著(<0.05)升高，T3、T11处理的土壤pH值无显著差异，其余处理的土壤pH值均显著(<0.05)降低。

柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

各处理(含对照)下，土壤总Cd含量均维持在1.3 mg·kg水平。与CK-0相比，石灰和另外11种土壤调理剂均能显著(<0.05)降低土壤有效态Cd含量，降幅在8.90%～22.14%，其中，T10处理的土壤有效态Cd含量最低(0.403 mg·kg)。

各处理(含对照)下，水稻产量无显著差异，变幅在8 000.04～9 500.05 kg·hm。

2.2 土壤调理剂对水稻各部位Cd含量的影响

总的来看，水稻各部位Cd含量呈现根>茎>叶>稻壳的规律(表1)。相较于CK-0，施用11种调理剂均能显著(<0.05)降低水稻根、茎、叶和糙米中的Cd含量，降幅分别为18.06%～70.75%、21.1.4%～94.37%、26.92%～78.63%和19.09%～85.45%，这与李心等施用森美思思纳米陶瓷、楚戈、袁梦牌等土壤调理剂，降低水稻组织中Cd含量的结果一致，与董霞等施用石灰、硅钙镁等土壤调理剂使糙米Cd含量降低23.5%～35.9%的效果类似。对照GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》的要求，在本试验条件下，施用11种调理剂均能实现水稻的安全生产。相较于CK-1，施用11种调理剂亦可显著(<0.05)降低水稻根、茎中的Cd含量，但在叶、穗轴、稻壳、糙米中，不同调理剂的降Cd效果存在差异。以糙米中的Cd含量为例，T3、T4、T11处理显著(<0.05)低于CK-1处理，T1、T2、T7、T8、T9、T10处理显著(<0.05)高于CK-1处理，而T5、T6处理与CK-1处理无显著差异。

表1 不同处理下水稻各部位的Cd含量

2.3 土壤调理剂对水稻各部位Cd富集系数的影响

各处理下，水稻根、茎、叶、穗轴、稻壳、糙米中Cd的富集系数分别为0.728～2.419、0.106～1.821、0.040～0.182、0.022～0.151、0.011～0.049和0.025～0.172(表2)。总的来看，各处理下均以水稻根中的Cd富集系数最大，说明Cd主要在水稻根部富集。相较于CK-0，11种调理剂均能显著(<0.05)降低水稻根、茎、叶和糙米中的Cd富集系数，降幅分别为16.62%～69.90%、18.40%～94.18%、25.82%～78.02%和18.02%～85.46%。这与李超等的研究结果相似，表明施用调理剂可抑制水稻各器官对Cd的吸收富集。相较于CK-1，T3、T4处理糙米中Cd的富集系数显著(<0.05)降低，T1、T2、T7、T8、T9、T10处理糙米中Cd的富集系数显著(<0.05)升高，而T5、T6处理糙米中Cd的富集系数无显著变化。

表2 不同处理对水稻各部位Cd富集系数的影响

2.4 土壤调理剂对水稻各部位Cd转运特征的影响

水稻不同部位转运Cd的能力差异明显(表3)，总的来看，稻壳到糙米的转运系数较高，各处理下其值均在1以上，说明稻壳向糙米转运Cd的能力较强。与CK-0相比，石灰和11种调理剂均能显著(<0.05)降低Cd从叶到穗轴和稻壳到糙米的转运系数，降幅分别为20.08%～72.93%和39.35%～67.85%，有利于确保水稻的安全生产。

表3 不同处理对水稻各部位Cd转运系数的影响

2.5 土壤有效态Cd含量、pH值与水稻各部位Cd含量的相关性

相关性分析结果(表4)显示：土壤pH值与土壤有效态Cd含量、水稻穗轴中的Cd含量呈显著(<0.05)负相关；土壤有效态Cd含量与水稻叶、稻壳中的Cd含量呈显著(<0.05)正相关。综上，提高土壤pH值，可通过降低土壤中的有效态Cd含量，进而抑制Cd从土壤向水稻各部位，尤其是叶和稻壳的转运和富集。

表4 土壤pH值，及总Cd、有效态Cd含量与水稻各部位Cd含量的相关系数(n=52)

3 讨论

一般来说，施用土壤调理剂，可提高土壤pH值，降低土壤Cd活性和糙米中的Cd含量，但在实际应用中，土壤调理剂对受污染稻田土壤Cd的钝化效果会受土壤类型、水稻品种、背景值等因素的影响；因此，即使是同一土壤调理剂，在不同地区的应用效果往往也会差异很大，需进行区域适应性验证。本试验在黔中典型Cd轻度污染稻田上进行，结果显示，施用合适的土壤调理剂有助于降低Cd从土壤到水稻籽粒的转运，减少Cd在水稻各部位的富集，降低水稻各部位的Cd含量，从而实现Cd污染稻田土壤的安全生产。

分析其机理，可能包括以下3方面。

(1)提升土壤pH值，降低土壤Cd活性。在Cd污染农田修复中，现有研究主要以调节土壤pH值作为理论基础，当土壤pH为中性或微碱性时，土壤中的可交换态Cd易转化为可还原态Cd和残渣态Cd，稳定性增强。本试验也显示，土壤pH值与有效态Cd含量呈显著负相关关系。本试验所用到的11种土壤调理剂均为碱性材料，pH值在7.37～12.66。施用这些土壤调理剂后，土壤pH值较CK-0处理显著(<0.05)升高。其中：楚戈土壤调理剂(对应于T2处理)的pH值最高(12.66)，施用后，土壤pH值从6.00升至6.71；特贝钙土壤调理剂(对应于T6处理)的pH值虽仅为8.29，但施用后，土壤pH值却从6.00升至7.02。我们推测，这可能是因为后者的CaO含量(≥45%)高于前者(≥34%)，因此施用后对土壤pH值表现出更好的提升作用。有研究表明，施用CaO可通过调节土壤pH值，显著降低Cd在水稻中的累积及其危害。这说明，并不是土壤调理剂的pH值越高，对土壤pH值的提升效果就越好。

(2)添加吸附材料，增加土壤对Cd的吸附量。本课题组前期研究表明，当土壤调理剂中含有CaO、MgO等成分时，能促使土壤中的Cd水解为Cd(OH)[Cd+HO→Cd(OH)+H]，Cd(OH)离子在土壤吸附点位上的亲和力明显高于Cd，从而可增强土壤对Cd的吸附能力。已有研究表明，解吸-吸附、溶解-沉淀作用过程，可导致土壤中Cd的生物可利用性降低，是降低水稻根系、糙米中Cd积累的主导因素。本试验中，T3和T4处理均显著降低了水稻根系对Cd的吸收和糙米中的Cd含量，糙米中Cd含量的降幅超过85%。这可能就得益于其施用的土壤调理剂中含有CaO和MgO，因而表现出更好的降Cd效果。王建乐等研究表明，具有微聚孔结构的调理剂，有较强的吸附能力，能更好地钝化土壤中的重金属，降低糙米重金属含量。

(3)增加拮抗元素含量，降低水稻对Cd的转运富集。在本试验中，T2、T3、T4、T8处理均能显著降低水稻各部位Cd的富集，可能是因为这些处理所施用的土壤调理剂中均含有Si。Si主要从2个方面降低水稻对Cd的转运和富集：一方面是生理学机制，如通过参与水稻的生理代谢活动，从而减轻Cd的毒害，抑制水稻根系对Cd的吸收及其在水稻植株内的运输；另一方面是土壤学机制，如降低土壤中Cd的有效性，通过物理吸附或化学沉淀方式降低土壤中的Cd含量，从而降低水稻中的Cd含量。有研究表明，土壤调理剂中的有效Si能与土壤中的有效态Cd形成聚硅酸凝胶的Cd-Si复合物，从而降低土壤Cd的有效性。此外，土壤调理剂中的Si元素也可在一定程度上抑制水稻对Cd的吸收。

本研究中，11种土壤调理剂的经济成本也是影响其推广应用的关键因素。参照农业农村部《耕地重金属污染防治联合攻关实施方案》中的方法进行经济成本核算，11种土壤调理剂的经济成本为7 200～12 750元·hm，均高于石灰的经济成本(5 400元·hm)。在11种土壤调理剂中，特贝钙土壤调理剂的成本最低(7 200元·hm)，且在本试验条件下，糙米中的Cd含量低于GB 2762—2017所规定的限量标准，可在黔中喀斯特地区受Cd污染的酸性土壤上推广应用。对于另外10种调理剂，可考虑通过适当减少施用量来降低其成本，但其应用效果还有待进一步研究。同时，本研究仅为短期田间试验结果，今后还需对土壤调理剂的环境风险、持续效应进行长期的田间定位监测。此外，还可结合低累积水稻品种、轮作模式和水分管理等农艺措施开展综合研究，以期获得更加经济有效的技术组合措施。