腐殖酸和水旱輪作對鎘污染土壤種植的稻糙米品質的影響

李文蔚，張沁怡，羅亞成，楊捷茹，王惠群

（1. 湖南農業大學國際學院，湖南 長沙410128；2. 湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙410128）

土壤中的鎘能在水稻籽粒中積累，對人體健康造成威脅[1]。腐殖酸（humic acid，HA）是動植物遺骸，主要是植物遺骸，經過微生物分解和轉化以及地球化學的一系列過程形成的一類有機物質[2]。調查顯示，腐殖酸已成為抗旱劑、葉面肥、調整劑及復配產品的主要成分，在農業領域應用廣泛[3-5]。研究表明，腐殖酸能明顯提高植物生長必需營養元素的利用率[6]；同時，因其帶負電荷且陽離子代換量高，對土壤重金屬離子有顯著的絡合吸附作用，在合適條件下，這種吸附作用可有效地阻止重金屬離子進入植株體內，減輕重金屬離子對農作物的毒害[7]。

水旱輪作（paddy-upland rotation）是指在同一田地上有順序地輪換種植水稻和旱作作物的種植方式[8]。水旱輪作消除了水稻田因長期淹水對土壤結構的不良影響，隨著旱作蔬菜種植年限增加，土壤有機質含量呈上升趨勢，而pH 值也呈上升趨勢[9]。在有機質和含硫化合物較豐富的土壤中，水旱輪作改變了土壤的氧化還原條件，從而增加了旱季時土壤重金屬的活性，相對于只種植水稻時，重金屬含量下降。而且水旱輪作可增加土壤供肥強度，有利于作物產量的提高[10-13]。

目前，水旱輪作條件下施入腐殖酸的相互作用對鎘污染土壤稻糙米品質的影響還未見報道。試驗通過土壤盆栽試驗，了解腐殖酸和水旱輪作共同作用下對水稻品質的影響，旨在為有機農業生產中應用腐殖酸和水旱輪作提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗在湖南農業大學植物激素與生長發育湖南省重點實驗室網室基地進行。供試稻田土壤和菜田土壤來自于益陽市三益有機農業專業合作社，供試稻田土壤的主要理化性質為pH 值5.97，有機質含量44.6 g/kg，全氮含量1.90 g/kg，堿解氮含量193.6 mg/kg，全磷含量0.6 g/kg，速效磷含量22.9 mg/kg，速效鉀含量479.0 mg/kg，鎘含量1.810 mg/kg。供試菜田土主要理化性質為pH 值6.52，有機質含量28.2 g/kg，全氮含量1.60 g/kg，堿解氮含量185.5 mg/kg，全磷含量1.24 g/kg，速效磷含量58.1 mg/kg，速效鉀含量484.6 mg/kg，鎘含量1.553 mg/kg。供試水稻品種為湘早秈45 號。

植物必需礦質元素標樣（Fe、Zn、Mg 和Ca 元素標準溶液）和隔離子標準品均由國家環境保護總局標準樣研究所提供。

1.2 試驗設計

采用隨機組合設計，每種土壤處理添加0、0.1、1.0和10.0 g/m2的腐殖酸，每個處理種植3 盆（圓柱形瓷盆，直徑×高度=40 cm×35 cm），共種植24 盆，每盆插秧5蔸。于2013年3月26日催芽育苗，4月25日移栽秧苗，水肥栽培措施等參照常規大田管理。

1.3 稻糙米中金屬元素的測定方法

1.3.1 樣品前處理 必需金屬營養元素鐵、鋅、鎂和鈣的測定參照杜銳方法[14]，稍作改進，稻谷收獲后，人工去殼，得到稻糙米，于80℃烘干至恒重，稱干重，然后將干樣用瑪瑙研缽研碎，待測。取每個處理的粉碎干樣品0.100 g，放于50 mL 錐形瓶中，加入HNO3-HClO4（V︰V=4︰1）混合消化液10 mL，用封口膜封住瓶口，置通風櫥柜中過夜，然后在調溫電爐上小火加熱微沸消化，反復添加幾次2 mL 濃硝酸進一步消化，至消化液中有機物分解完全，溶液變為清亮為止。取下錐形瓶，待冷卻后加重蒸水2 mL，繼續加熱至冒白煙并蒸干，取下冷卻后用2%硝酸定容到25 mL，過濾溶液，過濾液待測。

1.3.2 必須金屬元素含量測定 以2%的硝酸為介質，對Fe、Zn、Mg 和Ca 元素標準溶液逐級稀釋。將這4種標準儲備液用2%硝酸配制成各為10.0 μg/mL 的混合標準母液，再將其混合液配制成2 倍、5 倍、10 倍的稀釋液，采用美國熱電公司XSP 全譜直讀等離子發射光譜儀進行測定，并依此繪制標準曲線，根據標準曲線確定樣品中的礦質元素含量。ICP 分析條件如下：射頻功率為1.15 kW，霧化氣壓力為130 MPa，工作電流為0.46 A，進樣量1.5 mL/min，長波積分時間5 s、短波積分時間10 s。

1.3.3 重金屬鎘離子的測定及鎘元素吸收系數計算土壤和稻糙米中的重金屬鎘離子的測定采用中華人民共和國國家標準GB/T 17141-1997，應用石墨爐原子吸收分光光度法進行測定。采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全消解的方法進行消解。將消解后的試液注入石墨爐中，經過預先設定的干燥、灰化、原子化等升溫程序，在選擇的最佳測定條件下，通過背景扣除，測定試液中鎘的吸光度，并通過計算，得到鎘的含量。稻糙米重金屬鎘元素的吸收系數（Ac）的計算公式如下：Ac=C/S（式中：C 為稻糙米中鎘元素的單位重量；S 為土壤中鎘元素的單位重量）。

試驗所得數據采用Excel 2003 和SPSSI 7.0 等進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 腐殖酸和水旱輪作對稻糙米鎘含量及其吸收系數的影響

由圖1 可知，在稻田土種植的條件下，隨著腐殖酸含量依次增加，稻糙米中鎘含量卻依次下降；未進行腐殖酸處理（空白對照）的稻糙米中鎘含量為0.685 mg/kg，當腐殖酸量為10.0 g/m2時，稻糙米中鎘含量為0.411 mg/kg，比空白對照降低了40%。由圖2 可知，在菜田土種植的條件下，腐殖酸能降低稻糙米中鎘含量；未進行腐殖酸處理（空白對照）的稻糙米中鎘含量為0.452 mg/kg，當腐殖酸量為1.0 g/m2時，稻糙米中鎘含量最少，為0.385 mg/kg，比空白對照降低了14.8%。

圖1 腐殖酸對稻田土稻糙米鎘含量的影響

圖2 腐殖酸對菜田土稻糙米鎘含量的影響

由圖3 和圖4 可知，隨著腐殖酸量的濃度增加，稻糙米中鎘元素的吸收系數有所降低。在稻田土種植的情況下，未加腐殖酸處理的稻糙米鎘元素吸收系數為0.38；而在菜田土種植的情況下，未加腐殖酸處理的稻糙米鎘元素吸收系數僅為0.29。加入腐殖酸的處理，在稻田土種植的情況下，腐殖酸添加量為10.0 g/m2時，稻糙米中鎘元素吸收系數最低，為0.24；而在菜田土種植的情況下，腐殖酸添加量為1.0 g/m2時，稻糙米中鎘元素吸收系數最低，為0.25。由此可見，未加腐殖酸的處理，菜田土種植的稻糙米中鎘含量比稻田土種植的要低，即水旱輪作后有利于降低稻米對鎘元素的吸收，從而提高稻米的品質。

2.2 腐殖酸和水旱輪作對稻糙米必需元素含量的影響

由表1 可知，在稻田土和菜田土種植情況下，添加腐殖酸處理的水稻，其稻糙米中必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 的含量均比未添加腐植酸處理的高，且差異顯著；兩種土壤種植，均以1.0 g/m2的腐殖酸添加量稻糙米Mg的含量最大，這說明在土壤中添加1.0 g/m2的腐殖酸將有利于增強植株的光合作用。對比稻田土和菜田土種植可知，在等量腐殖酸處理時，菜田土種植的稻糙米中所含必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 的含量均高于稻田土種植的稻糙米。由此可見，腐殖酸和水旱輪作都有利于提高水稻稻糙米必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 的含量，從而改善稻糙米的品質。

圖3 腐殖酸對稻田土稻糙米鎘元素吸收系數的影響

圖4 腐殖酸對菜田土稻糙米鎘元素吸收系數的影響

表1 腐殖酸對稻田土和菜田土種植的稻糙米必需元素的影響

3 結論與討論

李焱等[15]在對黑麥草的研究中指出，在土壤中施用腐殖酸肥料能明顯提高黑麥草的生物產量和光合色素含量；鄭平[16]等的研究表明，在營養液中添加腐殖酸可明顯增加黑麥草的葉綠素含量。Rauthan 等[17]的研究證明，在土壤或營養液中加入黃腐酸或胡敏酸，能促進黃瓜對N、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe 等元素的吸收；王晶等的研究表明，腐殖酸因帶含氧負電荷，對土壤重金屬離子可起到顯著的絡合吸附作用，可有效地阻止重金屬Cd 離子進入植株中，減輕重金屬離子對作物的毒害。

試驗結果表明，腐殖酸在提高稻糙米品質方面作用顯著，在稻田土和菜田土中分別添加10.0 和1.0 g/m2腐殖酸時，稻糙米中鎘含量分別為0.411 和0.385 mg/kg，比空白對照降低了40%和14.8%，稻糙米中鎘元素的吸收系數分別為0.24 和0.25。試驗結果還表明，植物對必需元素的吸收受腐殖酸的影響，表現為添加腐殖酸處理的水稻，其稻糙米中必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 的含量均比未添加腐植酸處理的高，且差異顯著；尤其是當腐殖酸添加量為1.0 g/m2時，稻糙米中Mg 含量增加了50.42～72.60 mg/kg，Mg 是葉綠素組成成分，這也能間接說明施用腐殖酸能提高植株的光合能力，從而改善稻糙米的品質。這些研究結果與上述前人的研究結果相符。

在添加等量的腐殖酸時，菜田土種植的稻糙米中鎘含量要明顯低于稻田土種植的稻糙米，而菜田土稻糙米中的必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 等含量都高于稻田種植的。這說明水旱輪作對于稻糙米品質的提高也有著重要影響。

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