新型土壤改良劑對水稻吸收累積Cd、Pb的影響初探

龔海軍，劉昭兵，紀(jì)雄輝，彭 華

（1.岳陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，湖南 岳陽 414000；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南長沙 410125；3.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境研究中心，湖南 長沙 410125）

一直以來，Cd、Pb等被認(rèn)為是最具毒害的環(huán)境污染元素[1-4]。Cd能破壞人體骨骼系統(tǒng)，引發(fā)所謂的“骨痛病”[5]，Pb可對人的骨髓造血系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)造成損害，引起心血管、腎臟等器官的病變[6]。Cd、Pb具有較強的遷移性，尤其通過污染食物鏈，對人和動物危害極大。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國受重金屬Cd、Pb污染的耕地面積也日趨擴大[7]，解決污染耕地糧食生產(chǎn)的品質(zhì)安全問題已刻不容緩。如何行之有效地切斷污染物的食物鏈傳遞途徑，已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。目前，國內(nèi)已有不少利用土壤改良劑控制污染土壤水稻對Cd、Pb的吸收累積，降低糙米Cd、Pb含量的研究報道[8-11]，這對控制污染土壤重金屬的遷移，切斷污染物的食物鏈途徑具有重要的參考價值。筆者試將一種新的土壤改良劑應(yīng)用于污染土壤，研究其對水稻吸收累積Cd、Pb的影響，為污染土壤上稻米的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤分別為采自湖南省岳陽市某礦區(qū)Cd、Pb污染的水稻土（第四紀(jì)紅壤發(fā)育的紅黃泥）和湖南省湘陰縣Cd、Pb污染的水稻土（河流沖積物形成的潮泥田）。土壤采回后經(jīng)風(fēng)干、磨細、過5mm篩后待用，土壤基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 供試水稻

水稻品種為湘早秈31號。水稻育秧于無重金屬污染土壤上進行，3月中旬播種，4月下旬移栽秧苗，每盆2蔸，每蔸2株。水稻于7月中旬收獲。

1.3 土壤改良劑

土壤改良劑來自中國臺北的“農(nóng)大夫—地保2號”，為灰色粉末狀固體，又名“土壤還原素”。pH值（液土比 2.5∶1）為 8.62，重金屬 Cd、Pb 含量未檢出。該物質(zhì)主要含鉀0.41%、硅16.4%、鉬0.01%、鋅0.28%、硒0.0015%、硫0.02%、鑭0.06%、鈣0.02%、錳0.41%。

1.4 研究方法

1.4.1 盆栽試驗 每盆加入經(jīng)過前處理的土壤5 kg，基肥用量為每盆加入尿素1.63 g、磷酸二氫鉀0.72 g、氯化鉀1.25 g，淹水7 d后移栽秧苗。土壤改良劑分別于水稻分蘗期和抽穗期施入土壤，每個土壤設(shè)置4個處理，代碼為H-0、H-1、H-2和 H-3，土壤改良劑用量分別為0、4、8和12 g/kg，3次重復(fù)。采用自來水灌溉，pH值6.9，水中Cd、Pb含量未檢出。

1.4.2 樣品分析 灌溉水樣Cd采用螯合萃取法（GB 7475-87）；土壤及土壤改良劑全量Cd、Pb采用HNO3-HClO4-HF消煮；有效態(tài)Cd、Pb采用DTPA提取[12]，于水稻收獲時取樣；稻谷經(jīng)去糙打粉后采用HNO3-HClO4濕法消煮，并帶標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行質(zhì)量控制。分析所用器皿均以稀硝酸溶液浸泡過夜，Cd、Pb使用原子吸收光譜法測定（AA240FS型，美國瓦里安）。其他指標(biāo)的測定采用常規(guī)方法[13]。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計 運用Excel 2003和DPS 3.01專業(yè)版進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施土壤改良劑對土壤pH值的影響

試驗結(jié)果表明，施用土壤改良劑對兩種供試土壤的pH值均有顯著影響（圖1）。潮泥田和紅黃泥隨土壤改良劑施用量的增加pH值上升，當(dāng)改良劑施用量達到8 g/kg時兩種土壤的pH值均顯著高于對照（H-0），說明施用土壤改良劑對提高酸性土壤的pH值作用更明顯，而其堿性（pH值 8.62）是導(dǎo)致土壤pH值升高的主要原因。

圖1 施土壤改良劑后土壤pH值變化

2.2 施土壤改良劑對土壤有效態(tài)Cd、Pb含量的影響

由圖2可以看出，施用土壤改良劑對兩種供試土壤的有效態(tài)Cd、Pb含量影響顯著。潮泥田有效態(tài)Cd含量隨土壤改良劑施用量的增加而降低，當(dāng)土壤改良劑施用量達到4 g/kg時有效態(tài)Cd含量低于對照（H-0）30.8%（P＜0.05）；有效態(tài) Pb含量的變化趨勢略有不同，隨土壤改良劑施用量的增加先降低，后略有升高，當(dāng)土壤改良劑施用量達到8 g/kg時有效態(tài)Pb含量比對照降低21.9%（P＜0.05）。紅黃泥施用土壤改良劑后有效態(tài)Cd含量的變化趨勢與潮泥田基本相同，當(dāng)土壤改良劑施用量達到8 g/kg時，與對照相比有效態(tài)Cd含量的降幅達30.7%（P＜0.05）；有效態(tài)Pb含量的變化趨勢更為明顯，隨土壤改良劑施用量的增加而降低，當(dāng)土壤改良劑施用量達到8 g/kg時有效態(tài)Pb含量比對照低24.4%（P＜0.05），當(dāng)其施用量增至12 g/kg時，土壤有效態(tài)Pb含量的降幅達 54.3%（P＜0.01）。

圖2 施土壤改良劑后土壤有效態(tài)Cd、Pb含量變化

土壤有效態(tài)Cd、Pb是指以離子狀態(tài)吸附在帶電荷的土壤膠體表面，可被植物吸收利用的那部分[14]。該土壤改良劑堿性可提高土壤pH值，并對土壤理化性狀產(chǎn)生一定影響，甚至引發(fā)一系列的氧化還原反應(yīng)。施用土壤改良劑后，導(dǎo)致土壤有效態(tài)Cd、Pb含量發(fā)生顯著變化的原因與土壤pH值的變化及土壤理化性狀得以改善有關(guān)。一方面土壤pH值的提高直接導(dǎo)致了土壤有效態(tài)Cd、Pb含量下降，另一方面土壤理化性狀的改善可能增強了土壤對Cd、Pb的吸附能力，從而降低其生物有效性。

2.3 施土壤改良劑對水稻產(chǎn)量的影響

施用土壤改良劑后，兩種土壤的水稻產(chǎn)量變化基本相似（圖3）。與對照相比，在土壤改良劑施用量為4 g/kg時兩種土壤的水稻產(chǎn)量略有增加，但均未達到顯著性水平，此后隨著土壤改良劑施用量的增加，水稻產(chǎn)量降低，在其施用量為12 g/kg時兩種土壤的水稻產(chǎn)量顯著低于對照，說明土壤改良劑在低用量水平時有一定增產(chǎn)作用，超過一定用量后反而導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。其對水稻產(chǎn)量的影響與諸多因素有關(guān)，有待進一步探明。

圖3 施土壤改良劑后水稻產(chǎn)量變化

圖4 施土壤改良劑后水稻糙米Cd、Pb含量變化

2.4 施土壤改良劑對水稻糙米Cd、Pb含量的影響

施用土壤改良劑后，兩種供試土壤的水稻糙米Cd、Pb含量隨其施用量的增加而降低（圖4）。對于潮泥田而言，當(dāng)土壤改良劑施用量達到8 g/kg時，水稻糙米 Cd、Pb含量分別比對照（H-0）降低18.4%（P＜0.05）和 20.3%（P＜0.05）；而當(dāng)改良劑施用量增加到12 g/kg時，糙米Pb含量略有增加，這與土壤有效態(tài)Pb含量的變化趨勢相同。紅黃泥施用土壤改良劑后水稻糙米Cd、Pb含量的變化趨勢基本相同，當(dāng)土壤改良劑施用量為4 g/kg時水稻糙米Cd、Pb含量已顯著低于對照，降幅分別為22.8%和24.2%；當(dāng)其施用量增加到12 g/kg時，水稻糙米Cd、Pb含量分別低于對照40.2%（P＜0.01）和51.7%（P＜0.01）。

作物吸收重金屬與眾多因素有關(guān)，而土壤中有效態(tài)重金屬的含量水平是影響其吸收累積的關(guān)鍵因素之一。分析認(rèn)為，施用土壤改良劑后土壤有效態(tài)Cd、Pb含量下降是導(dǎo)致糙米中其含量降低的主要原因；此外，土壤改良劑中存在的某些拮抗元素（如鋅、鑭等）以及施入土壤后土壤理化性狀的改善均有可能降低作物對Cd、Pb的吸收累積，但其作用機理還有待進一步探明。

2.5 土壤有效態(tài)Cd、Pb含量與水稻糙米Cd、Pb含量的相關(guān)性分析

已有大量的研究表明，土壤有效態(tài)重金屬含量與植物吸收量具有良好的相關(guān)性[15]。從表2的分析結(jié)果可以看出，施用土壤改良劑后，兩種供試土壤（潮泥田和紅黃泥）的有效態(tài)Cd、Pb含量與水稻糙米Cd、Pb含量呈極顯著線性正相關(guān)，隨土壤有效態(tài)Cd、Pb含量的降低，水稻糙米Cd、Pb含量下降。但兩種土壤的試驗結(jié)果存在較大差異，潮泥田有效態(tài)Cd含量對水稻糙米累積Cd的影響程度要高出紅黃泥近2倍，對Pb而言其影響程度甚至高出紅黃泥近10倍。推測認(rèn)為，造成這種差異的原因可能與土壤理化性質(zhì)及重金屬Cd、Pb含量有關(guān)，而其中土壤pH值的差異（潮泥田pH值 5.04，紅黃泥pH值7.20）可能是最主要的原因，因此，利用土壤改良劑降低污染土壤Cd、Pb的有效性，減少水稻糙米的Cd、Pb累積，可能對酸性土壤更有效。

表2 水稻糙米Cd、Pb含量(y)與土壤有效態(tài)Cd、Pb含量(x)的回歸分析

3 小 結(jié)

（1）施用土壤改良劑能顯著提高兩種土壤（潮泥田和紅黃泥）的pH值，降低土壤有效態(tài)Cd、Pb及水稻糙米Cd、Pb含量。

（2）土壤改良劑對污染土壤水稻吸收累積Cd、Pb的影響程度與其用量、土壤pH值及土壤Cd、Pb含量有關(guān)；對兩種土壤的有效態(tài)Cd、Pb含量與水稻糙米Cd、Pb含量相關(guān)性的進一步比較分析認(rèn)為，利用土壤改良劑降低污染土壤Cd、Pb的有效性，減少水稻糙米Cd、Pb累積，可能對酸性土壤更有效。

[1] 李 碩，劉云國，李永麗，等.水蔥修復(fù)土壤鎘污染潛力的研究[J].環(huán)境污染與防治，2006，28（2）：84-86.

[2] Theo Colborn,Frederick S vom Saal,Ana M Soto.Developmental effects of endocrine-disrupting chemicals in wildlife and humans[J].Environmental Health Prospectives,1993,101(5):378-384.

[3] 匡少平，徐 仲，張書圣.水稻對土壤中環(huán)境重金屬激素鉛的吸收效應(yīng)及污染防治[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25（2）：32-34.

[4] 陳 朗，宋玉芳，張 薇，等.土壤鎘污染毒性效應(yīng)的多指標(biāo)綜合評價[J].環(huán)境科學(xué)，2008，29（9）：2606-2612.

[5] 陳英旭.環(huán)境學(xué) [M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.113-114.

[6] 廖自基.微量元素的環(huán)境化學(xué)及生物效應(yīng)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.

[7] 張 從，夏立江.污染土壤生物修復(fù)技術(shù)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2000.

[8] 王凱榮，張玉燭，胡榮桂.不同土壤改良劑對降低重金屬污染土壤上水稻糙米鉛鎘含量的作用 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，26（2）：476-481.

[9] 魯艷紅，紀(jì)雄輝.鎘污染的土壤添加紙廠濾泥對水稻糙米鎘含量的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，（3）：92-94.

[10]丁凌云，藍崇鈺，林建平，等.不同改良劑對重金屬污染農(nóng)田水稻產(chǎn)量和重金屬吸收的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2006，l5（6）：1204-1208.

[11]劉昭兵，紀(jì)雄輝，彭 華，等.不同類型鈣化合物對污染土壤水稻吸收累積Cd Pb的影響及機理 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，29（1）：78-84.

[12]劉 銘，劉鳳枝，劉保峰.土壤中有效態(tài)鉛和鎘的測定[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，26（增刊）：300-302.

[13]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1999.

[14]王昌全，代天飛，李 冰，等.稻麥輪作下水稻土重金屬形態(tài)特征及其生物有效性[J].生態(tài)學(xué)報，2007，27（3）：889-897.

[15]杜彩艷，祖艷群，李 元.石灰配施豬糞對Cd、Pb和Zn污染土壤中重金屬形態(tài)和植物有效性的影響 [J].武漢植物學(xué)研究，2008，26（2）：170-174.