不同土壤改良剂对水稻吸收和积累镉的影响

陈国安，宋肖琴，刘文彬，柳丹，叶正钱

（1义乌市农技推广服务中心，浙江义乌 322000；2义乌市种子和植物检疫站，浙江义乌 322000；3浙江农林大学/浙江省土壤污染生物修复重点实验室，杭州 311300）

0 引言

水稻是中国主要粮食作物，保障水稻的安全对人体健康有着重要的意义[1]。当前中国的土壤重金属污染形势较严峻，农业上化肥和农药的不合理使用，导致了土壤重金属污染的问题日益加剧[2]。Cd是人体非必需元素，是土壤中流动性最强的重金属之一，土壤Cd污染会通过食物链富集进入人体对人体健康造成危害[3]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示目前中国82.8%的超标点位为Cd、Pb、As 等污染[4]。据统计，每年由耕地重金属污染导致约1000 多万t 粮食受到Cd污染[5]。与其他粮食作物相比，水稻对土壤中重金属Cd的富集能力更强，而水稻籽粒重金属含量的高低直接决定着农产品是否达到安全标准，水稻品种、土壤环境、土壤重金属污染程度及农艺措施都会影响水稻对重金属的吸收转运，进而影响水稻籽粒中的重金属含量[6]。

为了保障水稻安全生产，近些年已经开发出几种安全利用技术，例如施用化学改良剂、叶面阻控、植物修复等，以降低水稻籽粒中Cd 含量，从而实现农产品的质量安全[7]。但这些方式都存在一定的弊端和风险性，长期施用碱性物质，容易造成土壤板结，破坏土壤结构，导致土壤环境恶化[8]；叶面肥则受到环境、气候等多重因素的影响，使其作用效果不佳[9]。考虑到修复效果和经济成本，土壤改良剂钝化修复已经成为普遍使用的有效技术手段。研究发现，有机物料作为有机改良剂施入Cd 污染土壤，可降低土壤中Cd 的生物有效性，同时还可以提升土壤肥力，如稻草、腐殖酸、生物质炭等有机物料[10]，以及混合有机肥等[11]。吴多基等[12]发现施用炭基微生物菌剂主要是通过提高土壤有机碳和CEC 达到削减Cd 生物有效性的效果，进而减少了水稻植株对Cd 的吸收，降低了Cd 从水稻根系向地上部的转移。

不同土壤改良剂在水稻中的运用效果不同，而目前市售的土壤改良剂种类良多，对水稻吸收和积累Cd含量的影响效果参差不齐。因此迫切需要筛选出修复效果最佳、土壤质量提升明显、环境适应性更强的土壤改良剂，从而实现水稻安全生产。因此，本研究在基于前人的研究基础，选择6 种不同土壤改良剂，在Cd 中度污染水稻田中开展田间试验，来探究其对土壤肥力、土壤Cd 生物有效性及水稻籽粒Cd 含量的影响，以期为Cd污染耕地的安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于浙江省义乌市某农田，气候温和，四季分明，年平均气温在17℃左右，无霜期为243 d左右，年平均降水量为1250 mm。试验区土壤类型为潴育性水稻土，土壤基础理化性质见表1。按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》(GB 15618—2018)该试验地土壤属于Cd中度污染。

表1 试验地基础理化性质

1.2 供试材料

水稻种子：选择当地主栽品种连作晚稻‘甬优1540’，水稻种子来源于义乌市种子公司。供试肥料：水稻专用配方肥N:P2O5:K2O=20:10:15，来源于湖北新洋丰肥业有限公司。供试土壤改良剂：（1）“特贝钙”：来自于福建玛塔生物科技有限公司，原材料为牡蛎壳粉，pH 9.26，CaO 41.14%，Hg 0.06 mg/kg，As 1.72 mg/kg，Cd 0.37 mg/kg，Pb 10.80 mg/kg，Cr 3.33 mg/kg。（2）“土沃宝”：来自于浙江丰瑜生态股份有限公司，原材料为碱性物料和矿源腐殖酸，pH 9.26，有机质CaO 41.14%，MgO 11%，Hg 0.06 mg/kg，As 1.72 mg/kg，Cd 0.37 mg/kg，Pb 10.80 mg/kg，Cr 3.33 mg/kg。（3）“鲁西”：来自于山东鲁西化工集团股份有限公司，pH 9.86，CaO 9.5%，MgO 2.56%，硝态氮4.16%。（4）“康源邦尔”：来自于湖南岳阳康源邦尔生物技术有限责任公司，pH 10.68，CaO 42.79%，SiO212.13%，MgO 4.86%。（5）“育壤康”来自于中化（烟台）作物营养有限公司，原材料为白云石，pH 8.64，CaO 19.64%，MgO 13.78%，有机质6.26%。（6）“初养”来自于浙江瑞珏生物技术有限公司，pH 9.82，CaO 10.26%，MgO 4.55%，有机质35.26%，N+P2O5+K2O=5%。

1.3 试验设计

试验开始于2022年7月，2022年11月收获。试验共设置7个处理分别为不施用土壤改良剂(CK)，“特贝钙”(T1)，“土沃宝”(T2)，“鲁西”(T3)，“康源邦尔”(T4)，“育壤康”(T5)，“初养”(T6)。试验小区面积为120 m2（长20 m。宽6 m），每个处理3次重复，共21个小区，各小区之间建立田埂并敷农膜，每个小区均设置单独的进出水口。采用人工移栽的插秧方式，25 cm×10 cm 的株行距种植，每穴2～3 株，浅插匀植。土壤改良剂于2022年早稻收获后进行施用，各种土壤改良剂用量均为2250 kg/hm2，施用后立即翻耕，翻耕深度为20 cm。同时在种植前按照375 kg/hm2的水稻专用复合肥(20-10-15)作为基肥，在秧苗移栽大田后10 d进行追肥，追肥采用150 kg/hm2尿素。其他水肥管理与当地常规管理模式保持一致。

1.4 样品采集

土壤样品：在水稻成熟时按照5点取样法，在每个小区利用不锈钢土钻进行取土，每份样品1 kg，充分混匀后剔除杂物，土壤样品带至实验室进行自然风干，磨碎分别过2 mm 和0.15 mm 标准筛用于测定土壤基本理化性质和有效态Cd。

水稻样品：在收获时每个小区取3 株水稻整株样品，根部洗净后将水稻放入烘箱105℃杀青30 min后，转至80℃烘干至恒重。糙米样品采用小型水稻脱壳机进行脱壳，磨碎，放置于4℃冰箱保存待测。

1.5 样品测定

土壤pH 采用使用pH 计(Orion 3 Star，Thermo Ltd.，USA)测定（土:水=1:2.5），土壤有效磷钼蓝比色法测定，碱解氮采用碱解扩散法，速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度计法，有机碳采用重铬酸钾氧化容量法—外加热法，土壤有机质=土壤有机碳×1.724[13]。土壤有效态Cd 含量参考《土壤质量有效态铅和镉的测定原子吸收法》(GB/T 23739—2009)[14]。土壤Cd 全量参考《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)[15]。水稻株高采用2 m 卷尺进行测量，穗重，千粒重采用百分之一天平进行称重，小区产量采取全小区收割后换算每公顷产量。糙米Cd 含量参考《食品安全国家标准食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)[16]。

1.6 数据处理

使用SPSS 22.0 验证数据分布的正态性和方差齐性检验后进行单因素方差分析(ANOVA)，且在P＜0.05 下进行。差异性柱状图通过Excel 2016 进行制作。水稻转运系数和富集系数计算方式如下：TF茎-根=Cd根/Cd茎，TF叶-茎=Cd叶/Cd茎，TF糙米-叶=Cd糙米/Cd叶，BF=Ci/Cs，Ci指根、茎、叶和糙米中Cd 含量，Cs指土壤中Cd含量。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤肥力的影响

由表2可知，与CK相比，添加土壤改良剂能不同程度地提高土壤肥力。添加土壤改良剂处理土壤有机质含量有一定提高，表现出T2(18.32 g/kg)＞T6(17.77 g/kg)＞T3(17.66 g/kg)＞T1(17.59 g/kg)＞T4(17.51 g/kg)＞T5(17.37 g/kg)＞CK (17.19 g/kg)，但各处理间差异均未达到显著水平(P＞0.05)。与CK 处理相比，添加土壤改良剂后土壤有机质含量增加1.05%～6.57%。T2处理土壤碱解氮含量最高为185.97 mg/kg，其次是T1处理为176.71 mg/kg，显著高于CK处理(160.42 mg/kg)，分别增加10.15%、15.93%(P＜0.05)。T2处理土壤有效磷含量显著高于其他处理，最高为29.71 mg/kg，较CK处理增幅为29.29%(P＜0.05)。与CK处理相比，添加土壤改良剂能够显著提高土壤速效钾含量，其中T3处理含量最高为77.19 mg/kg，其次为T6处理(75.51 mg/kg)和T3处理(73.87 mg/kg)，与CK 处理相比分别增加4.82、6.46、8.14 mg/kg，增幅为6.98%、9.36%、11.79%(P＜0.05)。

表2 不同改良剂对土壤肥力的影响

2.2 不同改良剂对土壤pH和有效态Cd含量的影响

由图1A 可知，较CK 处理，添加土壤改良剂能够提高土壤pH，其中T1、T2、T3、T4、T5和T6处理土壤pH分别提高0.15、0.39、0.12、0.31、0.18、0.19个单位，且T2和T3处理土壤pH 显著高于CK 处理(P＜0.05)，增幅分别为7.45%和5.93%。由图1B 可知，与CK 处理相比较，土壤改良剂处理土壤有效态Cd含量明显降低，其中T2和T3处理土壤有效态Cd含量显著下降0.29、0.20 mg/kg，降幅为63.04%和43.48%，显著低于CK 处理(P＜0.05)，降幅分别为63.04%和43.48%(P＜0.05)；T1、T4、T5和T6处理分别下降32.61%、22.46%、23.19%和34.78%。

图1 不同改良剂对土壤pH和有效态Cd含量的影响

2.3 不同改良剂对水稻生长和产量的影响

由表3 可以看出，不同改良剂处理水稻株高表现出较大的差异性，其中T2处理最高(109.78 cm)，其次是T4(107.93 cm)和T3处理(106.39 cm)，T2处理显著高于CK处理，增幅为9.06%(P＜0.05)。对不同处理产量指标进行分析发现，添加改良剂能够增加水稻穗重和千粒重从而提高水稻产量。各处理水稻穗重在27.91～30.82 g，T2处理最重，与CK处理相比增加2.91 g，增幅为10.43%；水稻千粒重各处理间差异均未达到显著水平(P＞0.05)，以T2处理最大为25.63 g，其次是T1处理为24.78 g，与CK 处理相比分别增加2.37、1.52 g。与CK 处理相比，添加改良剂处理水稻产量均有不同程度提高，其中T1处理、T2处理和T4处理显著高于CK处理(P＜0.05)，分别增加339.30、546.75、389.85 kg/hm2，T2处理水稻产量最多为8120.25 kg/hm2，与CK 相比增幅为7.22%。

表3 不同改良剂对水稻生长和产量的影响

2.4 不同改良剂对水稻各部位中Cd含量的影响

由图2可知，在水稻成熟期中，植株各部位中根系Cd 含量最高，各处理水稻不同部位Cd 含量大小均呈现为根＞茎＞叶＞糙米。在各处理中，CK处理根、茎、叶和糙米中Cd含量均最高。与CK处理相比，添加土壤改良剂能够有效降低水稻各部位的Cd 含量。由图2A可以看出，添加土壤改良剂后在一定程度上能降低根系中Cd含量，降幅为3.98%～53.14%，其中T4处理下根系Cd含量显著低于CK处理(P＜0.05)；从图2B可以看出，水稻茎部中T4处理Cd 含量相比CK 处理、T5和T6处理显著降低，降幅分别为69.71%、70.23%和67.8%(P＜0.05)；与CK 相比，添加土壤改良剂能够降低水稻叶片中Cd 含量，降幅为19.22%～73.37%，其中T2和T5处理水稻叶片中Cd含量与CK处理相比，显著降低60.06%、73.37%(P＜0.05)；由图2D可知，与CK处理相比，添加土壤改良剂后能够显著降低水稻糙米中Cd 含量，降幅为37.09%～90.31%(P＜0.05)，其中T2处理水稻糙米中Cd含量最低，为0.18 mg/kg。

图2 不同改良剂对水稻各部位中Cd含量的影响

2.5 不同改良剂处理对水稻Cd转运和富集系数的影响

表4为不同改良剂处理Cd从根系到茎部、茎部到叶片、叶片到糙米的转运系数，从表4 中可以看出，T6处理TF茎-根最高，且显著高于其他处理，T1、T3和T4处理与CK 处理相比，TF茎-根有一定程度的降低，降幅分别为10.20%、26.53%和32.65%。T1、T4、T5和T6处理TF叶-茎与CK 处理相比分别降低17.58%、10.98%、48.35%、42.86%，其中T5和T6处理的TF叶-茎显著低于T3处理(P＜0.05)。与CK 处理相比，T2、T3和T6处理TF糙米-叶有一定程度降低，其中T2处理TF糙米-叶最低，且显著低于CK 处理，降幅为81.82%(P＜0.05)。表5 为不同改良剂处理水稻根、茎、叶和糙米中Cd 的富集系数，添加土壤改良剂后一定程度上均能够降低水稻根中Cd 的富集，其中T4处理BF根、BF茎、BF叶最低，且显著低于CK 处理，降幅分别为53.13%、69.76%、73.41%(P＜0.05)。对于水稻籽粒中Cd的富集系数，T2处理下BF籽粒最低，与CK 处理相比显著下降90.26%(P＜0.05)。

3 结论

试验结果表明，土壤改良剂的添加能够提高土壤pH 并提升土壤肥力，促进水稻的生长发育，从而提高水稻产量，降低水稻籽粒中Cd 含量；其中T2（“土沃宝”）处理土壤有效态Cd 含量最低。添加土壤改良剂能有效降低水稻器官中Cd的富集，其中T4处理水稻根部和茎叶中Cd含量最低，T2（“土沃宝”）处理水稻籽粒中Cd含量最低，且达到国家食品安全国家标准的要求0.2 mg/kg以下。综上所述，“土沃宝”土壤改良剂对降低土壤有效态Cd 含量及稻米中Cd 的积累效果最佳，可适用于Cd污染耕地的土壤修复和水稻安全生产。

4 讨论

4.1 不同改良剂对土壤理化性质和有效态Cd 含量的影响

本试验结果表明，通过添加土壤改良剂后，土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均有所提高。土壤改良剂作为大规模农田Cd 污染综合治理项目的重要技术措施，加入土壤中可以改变土壤的物理、化学和生物学性状。土壤改良剂中含有机物，施用到土壤中后经过土壤微生物分解后会产生各种腐殖酸物质，从而调节土壤pH[17]。有研究表明，土壤pH的提高会加速有机质的分解，增强硝化微生物活性，增强土壤硝化作用，从而提高土壤氮含量[18]。曾觉廷[19]等研究发现，土壤改良剂能有效改善土壤理化性质，提高土壤酶活性、增加土壤微量元素含量，最终达到提高土壤肥力的效果。本试验中，T2处理（土沃宝）改良剂原材料为碱性物料和矿源腐殖酸，在添加到土壤中不仅增加了土壤中养分含量，改善土壤的物理性质，还能起到对重金属离子络合和富集作用，因此能够在所有的改良剂中表现出优异性。这与黎大荣[20]通过添加碱性物料从而提高土壤pH及养分结果一致。土壤pH是影响土壤Cd 形态变化的重要关键因子，土壤中pH 的改变会引起土壤电荷特性的改变、吸附解吸、沉淀溶解等多种化学平衡的变化，进而对Cd在土壤中的形态产生一定影响[21]。本试验中，添加土壤改良剂均能一定程度提高土壤pH，能够通过吸附、钝化等作用降低土壤有效态Cd含量，而T2处理（土沃宝）具有一定的优异性，这是因为其原料中含有大量有机质和腐殖物质，腐殖物质含有多种功能基团，这些功能基团对重金属Cd离子有较强的络合和富集能力。丁琼等[22]研究发现，农业生产中废弃的油菜和玉米秸秆对Cd 能够有效的吸附与固定，主要是其中的有机官能团可以与重金属Cd发生络合作用，从而降低了重金属Cd 的有效性。张宇等[23]研究表明腐殖酸具有较强的螯合和络合能力，土壤中加入腐殖酸以后，可以有效增加重金属的迁移能力，同时发现腐殖酸是一种环境友好型螯合剂，加入腐殖酸能明显提高重金属去除率[24]。

4.2 不同改良剂对水稻生长和产量的影响

土壤改良剂的作用不仅能提高土壤肥力，同时还可以促进水稻生长并提高水稻的产量。本试验结果表明，添加土壤改良剂后能够提高水稻株高、穗重、千粒重和水稻产量。土壤改良剂中含有大量有机质，有机质分解会产生养分，同时能够在增殖过程中合成生长素(IAA)、细胞分蘖素(CTK)、赤霉素(GA)和脱落酸等植物激素，从而促进细胞分蘖、生长分化[25]，这与本研究结果相似。有研究表明，土壤中添加一定量的调理剂，可以促进作物生长发育，提高作物产量[26]。刘慧敏等[27]的研究结果表明，土壤中添加生物炭材料类型的土壤改良剂能够改善谷子叶面光合和根系对水分和矿质元素的吸收能力，从而提高谷子的产量。矫威[28]、周吉祥等[29]的研究结果表明，施用土壤调理剂可以提高水稻结实率，增加水稻株高、有效穗数、千粒重，从而促进水稻生长发育，提高水稻地上部生物量，增加其产量。本试验研究结果也表明，土壤改良剂的添加对于水稻地上部生物量和产量的提高具有积极作用，这与前人的研究结果一致。

4.3 不同改良剂对水稻吸收和富集Cd的影响

重金属Cd 在土壤-水稻系统中的移动性较强，极易引起水稻籽粒中Cd的积累[30]。降低水稻糙米中Cd含量主要有2种途径，一是降低土壤中Cd的生物有效性，二是阻控水稻各器官向籽粒转运Cd[31]。本试验研究结果表明，通过添加土壤改良剂能够提高土壤pH，土壤pH 的提高会降低土壤有效态Cd 含量，那么水稻根部从土壤中吸收Cd 含量就会下降。朱利楠[32]等研究结果发现，不同土壤改良剂能有效提高土壤pH，同时不同程度地降低土壤中Cd 的生物有效性和作物不同器官中Cd 的含量，从而缓解重金属Cd 对植株的胁迫效应。本试验也得到相似的结果。此外，本研究还发现，土壤改良剂弱化了Cd从水稻根部向茎部的纵向迁移，而效果较好的T2处理（“土沃宝”）则弱化了Cd从叶部到籽粒的纵向迁移。植物体内重金属含量大小是反映钝化材料修复效果的直接依据[33]。研究表明，钝化剂能够有效降低水稻对土壤重金属Cd的富集作用，同时减少水稻中Cd由根系向茎部的迁移[34]，植物根系是吸收Cd 的关键部位也是植物体Cd 富集的主要器官[35]，Cd 由谷壳到糙米的转运能力是糙米Cd 富集累积的关键过程。本研究结果表明，添加土壤改良剂减少了水稻根部、茎部、叶部及糙米中Cd的含量，同时降低Cd 由根部到茎部和叶部到糙米的转运系数。本试验中T2处理（“土沃宝”）钙含量较高，也可能是其影响水稻吸收累积Cd的重要因素之一。Ca2+与Cd2+具有相似的化学性质，含钙钝化材料中富含Ca2+、Mg2+等盐基离子，能与水稻根表面的Cd2+离子形成竞争吸收[36]，进而抑制水稻对Cd2+的吸收[37]。土壤改良剂料对水稻Cd吸收和转运的影响具体途径及三者之间协同作用的分子机制还有待进一步研究。