稻虾轮作系统下4种降镉修复材料效果对比分析

2023-07-31倪才英董泽民黎衍亮肖罗长刘星星梁以豪

江西农业学报 2023年5期

丁蕾，田威，倪才英，董泽民，黎衍亮，肖罗长，刘鑫，刘星星，梁以豪

（1.江西省农业技术推广中心，江西南昌 330046；2.库尔勒市自然资源局，新疆库尔勒 841000；3.江西师范大学地理与环境学院，江西南昌 330022）

0 引言

稻渔综合种养作为一种高效生态循环农业发展模式，具有“一水两用、一田双收、稳粮增效、粮渔共赢”的优势，能有效促进农渔民增收，目前，该模式正处于高速发展的阶段［1-2］。随着稻渔模式的发展，逐渐形成了以稻虾、稻鱼、稻鳖、稻鳅和稻蛙等模式为主体的有机生产体系［3］。

近年来，国内外有关稻渔综合种养模式重金属污染的研究逐渐增多，但在稻渔模式对重金属元素的影响方面尚未达成统一认识。有学者认为稻渔综合种养系统由于水产品对化肥和农药具有敏感性，可以在一定程度上控制化肥和农药的施用，从而降低稻田重金属的外源输入，对预防重金属污染具有积极作用。如赵敏［4］对全国稻渔综合种养基地的稻米重金属含量进行了测定及评价，结果表明稻渔综合种养系统有利于减少稻米重金属含量，从而提高稻米的食用安全。但是也有学者认为稻渔综合种养增加了稻渔系统中稻米重金属污染的风险，如Sha等［5］研究表明，稻蛙共作能有效提高土壤肥力，减少化肥、农药的施用量，但增加了稻米的Cd含量；Luo等［6］研究发现，当土壤存在Cd污染时，稻米的重金属污染风险高于鱼的风险。

江西省位于长江中下游南岸，是典型的农业省份。根据其独特的水源和耕地特点，该省立足于绿色可持续发展理念，大力发展稻渔产业，截至2020年底，全省稻渔综合种养总面积达13.3万hm2［7］。同时，江西也是有色金属矿产采选及冶炼大省［8-9］，过去粗放式的开发致使含有重金属的污水、矿渣、粉尘等大量超标排放进入土壤环境［10］。课题组于2019年对江西省29个稻渔共作基地进行采样，发现Cd元素对土壤和稻谷的影响较大［11］。

综上所述，部分稻渔综合种养系统仍面临重金属污染问题，但目前国内外对于土壤修复技术研究多针对于传统稻田，稻渔综合种养系统由于水产品对化学物质的敏感性以及对水质和土壤环境更苛严的要求，使得传统稻田土壤重金属修复技术在稻渔模式中的效应尚未可知。因此，本研究针对江西省种养规模最大的稻虾轮作模式，选取4种修复材料进行田间试验，通过对不同处理间土壤、稻米和水产品Cd含量以及土壤肥力（pH值、有机质、碱解氮、速效钾、有效磷含量）进行对比分析，筛选出修复效果较好的土壤修复材料，用于示范推广，以期为稻渔系统的安全生产提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验小区位于上饶市万年县，属于亚热带季风湿润气候，平均年降水量为1908.4 mm，集中在4～7月份［12］。田间试验区土壤理化性质为：pH值（4.58±0.14），有机质含量（36.06±3.11） g/kg，碱解氮含量（183.10± 14.78） mg/kg，有效磷含量（28.71±1.92） mg/kg，速效钾含量（23.66±2.19） mg/kg，Cd含量（0.48±0.02） mg/kg，Cu含量（43.63±3.11） mg/kg，Pb含量（35.67±1.99） mg/kg。

试验在稻虾轮作模式中进行，水稻品种为野香优明月丝苗。修复材料选用石灰（T2）、稀太太（T3）、猛降镉（T4）、修护龙（T5），同时设置对照（T1），共5个处理，2次重复。稀太太、猛降镉、修护龙均购自普瑞丰公司，石灰为市场上购买；修复材料的用法及用量如表1所示。各小区面积为667 m2，小区之间修建田垄。

表1 修复材料用法及用量

1.2 样品采集、预处理及分析方法

按照五点取样法采集土壤和水稻样品，将5个点的土壤样品混合，装入聚乙烯自封袋中保存，以防止污染；带回实验室后，去除土壤样品中的石块和杂草等杂质，平铺在牛皮纸上自然风干，研磨过筛后备用。水稻取饱满籽粒，用去离子水洗净，烘干，用精米机脱壳后磨碎备用。

土壤Cd含量、稻米Cd含量采用电热消解、电感耦合等离子体质谱法测定；水产品Cd含量采用微波消解、电感耦合等离子体质谱法测定；土壤pH值采用电位法（土液比1∶2.5）测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化—分光光度法测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；土壤有效磷含量采用双酸法测定；土壤速效钾储量采用四苯硼钠比浊法测定。

1.3 修复效果评估方法

利用层次分析法对修复效果进行评估。遵循科学性、全面性、可操作性以及可评性原则［13-14］，本研究选取土壤重金属污染指标（Cd、Cu、Pb含量）、水稻生长安全指标（稻米Cd含量、稻米Cd消减量、稻米产量）和土壤肥力指标（有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量及pH值）3个准则层和11个指标层进行评价（表2）。

表2 Cd污染稻田修复效果评估指标体系

1.3.1 层次分析法的基本步骤首先对同一层次各元素的重要性进行两两比较，构建两两比较的判断矩阵，表3为判断矩阵标度及含义［15］。表4为准则层各指标重要程度的判断矩阵，并且根据表3建立指标层各指标重要程度的判断矩阵。

表3 判断矩阵标度及含义

表4 准则层各指标之间重要程度判断矩阵

其次计算矩阵权重，公式为：

式（1）中，A表示判断矩阵，a表示要素i与要素j相比的标度值，n表示本层级要素个数。

利用方根法计算矩阵特征向量的近似值［16］，首先计算判断矩阵A每行元素的n次方根：

将向量M=［M1，M2, …，Mn］T归一化：

所求W=［W1，W2, …，Wn］T即为特征向量，也就是各个指标对应的权重值。

1.3.2 建立各指标评分标准土壤肥力（碱解氮、有效磷、速效钾和有机质）利用“戒上型函数”进行评分［17-18］，土壤pH值利用“峰型函数”进行评分［19-20］，土壤重金属污染指标以及水稻生长安全指标均用“概念函数”进行评分［21］，各评分标准如表5所示；表6为各指标的转折点。

表5 修复效果指标的得分标准

表6 各土壤肥力指标的转折点

2 结果与分析

2.1 不同修复材料对土壤pH值的影响

由不同生育期各处理土壤pH值变化特征可知（图1），在水稻整个生育期仅T2和T5这2个处理的土壤pH值在圆秆拔节期升高后变化趋势较平缓；T3和T4这2个处理的土壤pH值在整个水稻生育期均比较平缓。与苗前期相比，T5、T2和T3这3个处理的土壤pH值有所提高，上升幅度分别为17.20%、7.48%和1.03%。

图1 各处理不同生育期土壤pH值的变化特征

与对照相比，在成熟期4个处理的土壤pH值增加幅度由大到小依次为T5（19.27%)＞T2（9.38%)＞T3（2.82%)＞ T4（-1.97%)。其中T5和T2这2个处理的土壤pH值增加效果最明显，分别上升了0.87和0.42个单位，并且均达到显著水平，说明添加石灰和修护龙这2种修复材料在一定程度上可以缓解南方水稻田土壤酸化的问题。

2.2 不同修复材料对土壤Cd含量的影响

根据不同生育期土壤Cd含量变化趋势（图2）可知，T1与T2处理的土壤Cd含量均在圆秆拔节期和抽穗期持续下降后在成熟期又缓慢上升；T3、T4和T5这3个处理的变化趋势相似，整个生育期呈波动下降状态。与苗前期相比，在成熟期T3处理的土壤Cd含量下降幅度最大，达到19.02%。

图2 施用4种修复材料对不同生育期土壤Cd含量的影响

与对照相比，在成熟期T3处理的土壤Cd含量下降幅度最大，为14.78%；其他处理的下降幅度表现为T5（14.28%)＞T4（12.83%)＞T2（3.09%)，其中与对照相比，T3、T4和T5这3个处理均达到显著水平。

2.3 不同修复材料对水稻及水产品Cd含量的影响

由图3可知，与对照相比，T3、T4和T5这3个处理的稻米Cd含量均显著下降，下降幅度分别为74.51%、63.06%和61.19%；仅T2处理的下降幅度未达到显著水平，下降幅度为23.86%。同时，各处理的稻米富集系数由大到小依次为T1（27.42%)＞T2（19.89%)＞T5（10.95%)＞T4（9.96%)＞T3（6.18%)。总体而言，T3处理对稻米Cd阻控效果最好。

图3 各处理稻米Cd含量的对比

由于试验田块属于稻虾轮作模式，因此仅在水稻种植前（6月份）在环沟中捕捞小龙虾样品，测定其腹部肌肉Cd含量，结果表明小龙虾腹部Cd含量为（0.03±0.01） mg/kg，未超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)［22］的限定值（0.5 mg/kg）。

2.4 不同修复材料对水稻产量的影响

由4种修复材料对水稻产量（图4）的影响可以看出，T5处理的产量最高，达到8672.25 kg/hm2。与对照相比，4种修复材料对稻米产量上升幅度的影响依次为T5（2.74%）＞T3（1.55%）＞T4（-6.29%）＞T2（-22.43%），其中T3和T5这2个处理有一定的增产作用，分别增产了131.25和231.00 kg/hm2，但未达到显著水平；T2处理的水稻产量显著低于对照田块，下降了1893.00 kg/hm2。总体而言，4种修复材料对水稻产量均未有显著提升作用。

图4 各处理稻米产量的对比

2.5 不同修复材料对稻田土壤肥力的影响

如图5所示，在成熟期与对照相比，仅T3处理的土壤有机质含量上升了4.29%，但未达到显著水平；而T2、T4和T5处理的土壤有机质含量均低于对照，下降幅度分别为16.51%、7.35%、4.64%，其中T2处理的下降幅度达到显著水平。说明在稻虾轮作模式中仅稀太太能对土壤有机质含量起到维持作用。

图5 各处理成熟期土壤养分含量的变化特征

对于土壤速效养分而言，在成熟期与对照相比，仅T3和T5这2个处理的土壤碱解氮含量显著增加，增加幅度分别为20.92%和12.88%。对于土壤有效磷和速效钾含量而言，4个处理均未出现显著变化。

2.6 修复效果评估

如表7～表8所示，指标层中土壤Cd含量所占权重最大，其次为稻米Cd含量，分别为0.71和0.70；准则层中水稻安全生长指标所占权重最大，达到0.60。通过各指标权重和评分得出4种修复材料的修复效果总分，从高到低依次为T3（0.98）≈T4（0.98）＞T5（0.96）＞T2（0.88），说明4种修复材料中T3和T4这2个处理的效果最好。

表7 稻虾基地指标层权重及得分情况

表8 准则层权重及得分情况

3 讨论

本试验选择石灰、稀太太、猛降镉和修护龙4种修复材料进行田间试验，其中修护龙属于缓释型含钙土壤调理剂（CaO≥40%），稀太太和猛降镉分别属于富硒和含硅叶面喷施肥。由于生石灰和修护龙的主要成分是CaO，能够中和土壤H+，从而使土壤pH值上升，对土壤pH值的改善效果最好，这与大多数研究结果相同［23-25］。

添加稀太太这种修复材料对稻米Cd含量的降低幅度最大，达到74.51%，其次是添加猛降镉的。Schutzendubel等［26-27］研究表明，植物体内硒与重金属元素之间有拮抗作用；林莉［28］研究也表明，硒与Cd元素能形成某种较稳定、毒性低的复合物，从而降低进入根系细胞质和向水稻地上部分运转的Cd含量。叶面硅肥具有缓解重金属对作物毒害的作用，并且养分利用率高，施用方便［29-30］，如代邹［31］研究表明，硒和硅处理可以增加Cd胁迫水稻中植物鳌合肽和穗颈节间纤维素的含量，使水稻地上部分的Cd贮藏在细胞液泡中或固定在细胞壁上，减少灌浆期Cd向穗部的转运，从而降低稻米Cd含量。

同时，贺前锋等［32］研究结果表明，叶面喷施富硒叶面肥能明显提高水稻单产，增幅为10.85%。本试验通过在圆秆拔节期和抽穗期喷施稀太太和猛降镉，相比于对照，添加稀太太的处理对稻米产量具有增产作用，而添加猛降镉的处理对稻米产量的影响则表现为降低，但均未达到显著水平。

由于不同修复材料对土壤和稻米的影响不同，因此构建一个科学完整的评价体系至关重要，如夏孝东［33］从土壤理化性质、植被群落性质和重金属污染现状3个准则层和容重、有机质、植被覆盖率等12个指标构建了评价体系，得到对铅锌尾矿修复的最终结果。本研究在前人研究的基础上，构建了以土壤重金属污染指标、水稻生长安全指标和土壤肥力指标为主的3个准则层以及土壤Cd、Cu、Pb含量、土壤有机质含量等11个指标对4种修复材料的效果进行了分析，结果表明在稻虾种养模式中添加稀太太（硒肥）和猛降镉（硅肥）这2种修复材料的处理得分均为0.98，说明这2种叶面喷施肥的效果相似；其次效果较好的是添加修护龙处理的，添加石灰处理的总分最低。