增施有机肥对水稻生长及硒、镉富集的影响

冯时钦 韦鸿雁 黄业葵 张真建

摘 要 随着工业化、城市化进程的加快，土壤镉污染现象时有发生。土壤中的镉移动性强、毒性高，易被植物吸收，危害人体健康。为了研究施用有机肥对水稻籽粒产量及硒、镉含量的影响，在晚造水稻按0、3 000、4 500、6 000、7 500 kg·hm-2的梯度用量开展有机肥肥效试验。结果表明：增施有机肥能增加土壤有机质含量，缓解土壤酸化；明显提高水稻单穗实粒数和水稻籽粒产量；增强水稻籽粒对土壤硒的富集能力，降低镉对水稻籽粒的污染。

关键词 有机肥；水稻；籽粒；硒；镉

中图分类号：S511；S963.91 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.09.009

土壤重金属污染已成为我国农业生产上不可忽视的环境问题，由于重金属污染具有隐秘性、潜伏性和长期性等特征，因而，受到越来越多的关注，在南方酸性土壤上种植的水稻，镉污染最为严重[1]。水稻是我国第一大粮食作物，也是对镉吸收最强的大宗谷类作物[2]，近年来频频曝光的“镉米”表明了水稻的安全问题也越来越突出，稻米产量高低和品质优劣直接关系到国家粮食安全和人民健康。因此，降低稻米中镉含量是目前农业生产上急需解决的问题之一。研究證明硒能够与多种重金属元素产生拮抗效应，降低作物对多种重金属的吸收和拮抗其引起的毒性[3-4]，同时，硒还是一种天然的解毒剂，它能够与镉、汞、砷等有毒重金属元素形成金属硒蛋白复合体，从而达到抵消毒性的效果[5]。外源有机物可用作重金属污染土壤的钝化修复材料[6]，有机质的腐解过程会产生大量腐植酸。目前，已有大量的研究表明，腐植酸可以与土壤中包含镉离子在内的重金属离子形成金属络合物[7-8]，从而改变土壤中重金属的形态，降低土壤中可溶性镉的含量。为此，本研究拟通过探讨增施有机肥对水稻籽粒产量及硒、镉含量的影响，从而为降低水稻镉污染提供理论基础。

1  材料与方法

1.1  试验地点与材料

1.1.1  试验地点

位于钦州市浦北县福旺镇北兰村，供试土壤为水稻土，质地为壤土，中等肥力，排灌方便。试验前取耕层土壤进行理化性质分析，pH值4.8，有机质52.4 g·kg-1，全氮2.69 g·kg-1，有效钾62.5 mg·kg-1，有效磷42.7 mg·kg-1，全硒0.39 mg·kg-1，镉0.29 mg·kg-1。

1.1.2  试验材料

1）水稻。品种为晶两优8612。2）参试肥料。“标优美”有机肥，N、P、K含量分别为1.45%、1.34%、3.75%，硒含量为0.006 mg·kg-1，镉含量为0.7 mg·kg-1，有机质含量为49.98%，腐植酸含量为15.47%，水分含量28.38%；尿素（N含量为46%）；过磷酸钙（P2O5含量为14%）；氯化钾（K2O含量为60%）。

1.2  试验设计

试验设置5个处理，3次重复，处理小区面积为33.3 m2，随机排列。

处理1（CK）：常规施肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=12∶4∶8，T1]；处理2：常规施肥+3 000 kg·hm-2有机肥（T2）；处理3：常规施肥+4 500kg·hm-2有机肥（T3）；处理4：常规施肥+6 000 kg·hm-2有机肥（T4）；处理5：常规施肥+7 500 kg·hm-2有机肥（T5）。

全部有机肥和磷肥、40%氮肥、50%钾肥作基肥，于移栽前2 d施下。40%氮肥、40%钾肥作追肥，于水稻回青时撒施。20%氮肥、10%钾肥作追肥，于水稻幼穗分化期时撒施。其他措施按当地常规田间管理进行。

1.3  样品采集与测试指标

1.3.1  样品采集

在收获时，分别取各处理植株（稻秆、稻谷）和耕层土壤样。采集后的植株样品及时晒干、除杂，装入自封袋。采集后的土壤样品在室内阴凉处自然风干、粉碎、除杂，装入自封袋。将处理好样品送至第三方检测机构进行检测。

1.3.2  测试指标与方法

植物硒含量用GB 5009.93—2017第一法检测，镉含量用GB 5009.15—2014检测。土壤硒含量用GB/T 1104—2006检测、镉含量用GB/T 17141—1997检测。土壤pH值，有机质、全氮、有效磷、速效钾含量参照2006年4月《测土配方施肥管理与技术培训教材》检测。

1.4  数据分析

试验数据为3次重复的平均值和标准误差，采用Excel 2007和SPSS进行方差分析、LSD多重比较和绘制图表。

富集系数是指某种元素或污染物在生物体内的浓度与其生长环境中该物质或元素的浓度之比[9]，能够很好地表征作物从土壤中富集某种物质的能力。本次试验中富集系数的计算见公式（1）。

富集系数=水稻体内某元素含量/土壤中某元素含量       （1）

2  结果与分析

2.1  增施有机肥对水稻产量构成的影响

2.1.1  增施有机肥对水稻籽粒实粒数、总粒数和产量的影响

从表1可知，增施有机肥T2、T3、T4三个处理的水稻产量分别比T1（CK）增3.4%、11.5%、4.9%，而T5下降0.9%；5个处理下，T1（CK）、T2、T3、T4、T5的结实率分别67.5%、67.2%、72.4%、67.6%、64.2%，水稻平均每穗总粒数T3＞T2＞T1（CK）＞T4＞T5，T3、T2总粒数分别比T1（CK）增1.2%、1.5%，而T4、T5分别下降0.8%、1.8%；水稻平均每穗实粒数T3＞T2＞T1（CK）＞T4＞T5，T3、T2实粒数分别比T1（CK）增8.4%、0.9%，而T4、T5分别下降0.7%、6.7%。方差分析结果显示（总粒数p=0.001＜0.05，实粒数p=0.000＜0.05、产量p=0.000＜0.05），差异显著；采用LSD法进行多重比较，T2、T3水稻总粒数之间差异不明显，但显著高于T1（CK）、T4、T5；T3水稻实粒数显著高于其他处理，T2、T1（CK）、T4水稻实粒数次之，T5实粒数最低；T3水稻产量显著高于其他处理产量，T2、T4水稻产量次之，均较T1（CK）、T5增产明显。

2.1.2  增施有机肥对水稻平均穗长、千粒重和总穗数的影响

从图1可以看出，随有机肥用量的增加，水稻平均穗长呈先增后降态势，T4＞T3＞T2＞T1（CK）＞T5，T4、T3、T2平均穗长分别比T1（CK）提高11.7%、3.0%、1.7%，而T5下降3.0%；T1（CK）水稻籽粒千粒重为22.9g，其他处理水稻籽粒千粒重均为23.1 g；T2、T3、T4、T5处理下，水稻每667 m2总穗数分别比T1（CK）多1.8%、1.4%、2.5%、2.7%。

2.2  增施有机肥对土壤主要理化性状的影响

从图2可以看出，各处理的土壤有机质含量范围在4.0%～5.0%，处理T4显著高于其他处理，T3、T2、T5和T1（CK）之间无显著变化。土壤pH值有所变化，在5.5～6.5，T3＞T2＞T4＞T5＞T1（CK），T3、T2、T4与T1（CK）差异显著，说明增施有机肥能提高酸性土壤的pH值。土壤硒含量（0.1 mg·kg-1）总体变化范围在0.45～0.49 mg·kg-1之间，处理T2为0.49 mg·kg-1最高，其次处理T4为0.48 mg·kg-1、处理T3和T5为0.47 mg·kg-1，CK最低为0.45 mg·kg-1。土壤镉含量（0.1 mg·kg-1）变化为T2＞（CK=T3）＞T4＞T5，说明增施有机肥可以降低土壤镉含量。

2.3  增施有机肥对水稻籽粒硒和镉含量的影响

2.3.1  水稻籽粒硒含量及其富集系数

由表2可知，增施有机肥的各处理，土壤硒含量有所增加，T2、T3、T4、T5分别比T1（CK）增8.9%、4.4%、6.7%、4.4%，T2、T4的土壤硒含量显著高于T1（CK），T3、T5次之，略高于对照，但未达到统计学意义的显著差异。各处理之间水稻籽粒的硒含量差异显著，较T1（CK）增幅在19.4%～122.6%，其含量表现为T4＞T5＞T3＞T2，分别是T1（CK）的2.2、2.1、1.6、1.2倍，并随施肥量增加出现先增后降的趋势。其中，以常规施肥+4 500 kg·hm-2有机肥处理（T4）最佳。水稻籽粒对土壤硒的富集系数范围在6.9%～14.4%，富集系数表现为T4＞T5＞T3＞T2，分别较T1（CK）增加108.7%、97.1%、55.1%、10.1%，说明增施有机肥能够提高水稻籽粒对土壤硒的富集能力。

2.3.2  水稻籽粒镉含量及其富集系数

从表3可知，处理T5、T4土壤镉含量与T1（CK）之间差异显著，比T1（CK）分别下降12.1%和6.1%，T2、T3和T1（CK）土壤镉含量差异不显著。施用有机肥的各处理（T2、T3、T4、T5）水稻籽粒的镉含量与对照之间差异显著，T3、T4与T2、T5差异显著，但之间不显著，并随着有机肥施用量增加出现先降后升的趋势。处理T2、T3、T4、T5水稻籽粒镉含量分别为T1（CK）的50.1%、34.2%、39.5%和50.0%，降幅在49.2%～65.8%，T3降幅最大。水稻籽粒对土壤镉的富集系数范围在39.5%～115.4%，增施有机肥的各处理水稻籽粒镉的富集系数为：T5＞T2＞T4＞T3，分别比T1（CK）下降43.2%、50.8%、58.1%和65.8%，说明随着有机肥施用量增加，水稻籽粒对土壤镉的富集能力先降后升，存在一定的用量范围，并非施用有机肥越多越好。

2.4  增施有机肥处理影响水稻籽粒硒、镉含量因素的相关性

增施有机肥处理对水稻籽粒硒、镉含量与土壤理化参数的皮尔森 （pearson）相关性分析结果表明：水稻籽粒硒含量与土壤pH值呈弱正相关关系（p=0.243），与土壤有机质含量呈现中度正相关关系（p=0.652**）。水稻籽粒镉含量与土壤pH值呈现中度负相关关系（p=-0.785**），与土壤有机质含量呈现中度负相关关系（p=-0.627*）。说明增施有机肥处理后，利于水稻籽粒对硒的吸收，而不利于水稻籽粒对镉的吸收。

3  讨论与小结

3.1  讨论

本试验研究结果与何松银等试验结果[10]有相似之处：增施有机肥，水稻籽粒产量先增后减，与单穗实粒数影响较大，水稻总穗数、千粒重影响不显著，以处理3“常规施肥%+4 500 kg·hm-2有机肥”效果最好。

目前，针对土壤重金属污染的治理主要是通过降低土壤中重金属的活性和消减其总量来实现，前者主要通过向土壤中添加钝化材料来改变重金属在土壤中的存在形态，从而降低其生物利用程度，以达到降低农作物中重金属含量为目的；后者则主要通过物理手段人工移除污染土壤或在污染土壤上直接覆盖未被污染的土壤来降低土壤中污染物总量。瞿建国等的研究结果说明，土壤中硒的存在形态与土壤pH和有机质含量是密切相关的[11]。

本试验通过增施有机肥对水稻硒和镉的效应研究，一方面活化富硒土壤中的有机硒[12]，提高水稻籽粒对土壤硒的吸收。试验中施用有机肥，能调节剂能活化土壤中的有机硒，提高土壤中有效硒含量，进而促进作物对硒的吸收，这与李圣男等[13]、安梦鱼等[14]研究一致。在水稻吸收硒的过程中，土壤中的硒形态和土壤性质又是制约其吸收效率的主要因素，表明为土壤硒含量与有机质之间存在一定的正相关，而与土壤pH值的相关性却要弱得多，这与胡艳华等[15]研究相符。另一方面以降低土壤重金屬镉对水稻籽粒的污染，本试验增施有机肥，由于有机质在腐解过程中产生大量高分子芳香性腐殖酸，由于腐植酸带有多种活性官能团，如羧基、酚羟基、羰基等[16-17]有关，官能团吸附土壤中的重金属，降低重金属的生物有效性，也可以通过物理吸附作用固定一部分土壤镉[1]。

试验研究也表明，增施有机肥能够提高水稻籽粒对土壤硒的富集能力，而水稻籽粒对土壤镉的富集能力下降。有关研究[18]表明，外源有机物的加入会对土壤中的重金属产生2种作用：1）有机质可提高土壤pH值，同时通过表面官能团吸附土壤中的重金属，降低重金属的生物有效性；2）土壤中有机物的分解可能产生大量水溶性有机物，在一定程度上提高重金属的有效性。究竟何种作用处于主导地位，还需要进一步研究证明。而近些年来越来越多的研究也证明了硒能够与多种重金属元素产生拮抗效应，降低作物对多种重金属的吸收和拮抗其引起的毒性，如Cd、Hg、Cu和As等[3-4，19]。例如胡居吾等的研究发现，作物在土壤高硒背景下重金属镉累积速率较低硒缓慢[3]，这些均与本文研究结果相似。

3.2  小结

综上，增施有机肥能明显提高水稻单穗实粒数和水稻籽粒产量，提高水稻籽粒对土壤硒的富集能力，降低土壤镉对水稻籽粒的污染；同时增施有机肥能改善土壤酸碱性，增加土壤有机质含量，为粮食安全生产和土壤生态环境保护提供基础依据。

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（责任编辑：敬廷桃）