水分管理和施用石灰對水稻鎘吸收與運移的影響

史 磊，郭朝暉，梁 芳，彭 馳，肖細元，封文利

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水分管理和施用石灰對水稻鎘吸收與運移的影響

史 磊，郭朝暉※，梁 芳，彭 馳，肖細元，封文利

（中南大學冶金與環境學院，長沙 410083）

通過田間試驗，研究了間歇灌溉和全生育期淹水2種水分管理結合水稻分蘗期施用石灰對不同水稻生育期的土壤和水稻各組織中Cd分布與運移的影響。研究結果表明，全生育淹水和施用石灰均能升高土壤pH值，降低土壤中有效態Cd含量；施用石灰能降低土壤中酸可提取態Cd所占比例而殘渣態所占比例增加。在全生育期淹水條件下施用石灰有利于改善土壤性狀并提高土壤中Fe質量百分含量。與不施用石灰相比，在間歇灌溉條件下，施用石灰處理的糙米中Cd質量分數從0.86 mg/kg降低到0.56 mg/kg，而在全生育期淹水條件下，施用石灰處理的糙米中Cd質量分數從0.77 mg/kg降低到0.34 mg/kg；無論間歇灌溉還是全淹水處理條件下，施用石灰均增加了水稻總生物量。施用石灰后，在灌漿期，水稻莖葉中Cd的富集系數顯著降低（<0.05）；在成熟期，根和稻米中Cd的富集系數顯著降低（<0.05）；在全生育期淹水條件下，成熟期水稻根到莖葉轉運系數和莖葉到米中轉運系數均顯著降低（<0.05）。水稻糙米中Cd含量與土壤中有效態Cd含量、水稻地上部Cd累積量呈顯著正相關，與土壤pH值呈顯著負相關。上述研究結果表明，施用石灰能夠顯著降低稻田土壤中Cd的生物有效性；采用全生育期淹水結合在分蘗期施用石灰是降低稻米中Cd含量有效措施且不會導致水稻減產。

水分管理；石灰；重金屬；水稻；鎘；富集系數；轉運系數

0 引 言

農田土壤Cd污染會給農產品安全和人體健康帶來潛在的危害[1]。水稻是中國的主要農作物之一，中國部分地區稻田土壤中Cd污染問題突出，發展適宜的修復技術降低水稻對土壤中Cd的吸收是目前研究的熱點之一[2-5]。石灰是一種廉價易得的化學改良劑，常用于治理受重金屬污染的土壤。Simón等[6]報道在酸性農田土壤中施用石灰能夠提高土壤pH值，從而有利于Cd的沉淀。在黃鐵礦礦區污染土壤中施用石灰與植物修復技術聯合修復土壤也能達到較好的效果[7]。Hale和Bolan等[8-9]均報道了添加石灰能夠降低土壤中Cd遷移性。事實上施用石灰降低土壤中重金屬的有效性與土壤類型和水分管理等因素密切相關[10-11]。在水稻種植過程中，通過水分管理也能夠降低土壤中Cd的生物有效性[12-13]。張雪霞等[14]通過盆栽試驗發現，水稻植株中Cd含量隨著土壤水分含量的增加而減少。Chen等[15]報道在淹水條件下，施用石灰能夠明顯降低土壤中Cd生物有效性。Arao等[16]報道在水稻抽穗后淹水能夠明顯減少稻米中Cd濃度。Hu等[17]報道在水稻不同生育期全淹水和間歇灌溉能夠提高水稻稻米的產量，且降低水稻各器官Cd濃度同時發現生殖生長期在控制水稻莖葉和根系中Cd積累比營養生長期起著更重要的作用。然而，上述研究結果多是通過盆栽試驗所得，在實際生產中水稻生長大都是一個間歇灌溉的過程。通過間歇灌溉和全生育期淹水2種水分管理措施與石灰聯用對農田土壤中Cd的有效性及水稻對鎘的吸收與運移的影響等較少報道。

本文通過大田試驗，在間歇灌溉和全生育期淹水2種水分管理措施與石灰施用組合條件下，研究水稻不同生育期土壤pH值、Cd在土壤中生物有效性以及在水稻植株各器官中累積和運移特征；評估間歇灌溉和全淹水與石灰組合施用對Cd在水稻中累積和運移的影響。為中國南方Cd污染稻田土壤治理過程中實現邊修復邊生產同時又避免稻米減產提供一定技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和水稻

供試田間試驗點位于湖南省湘潭市郊區某Cd污染稻田。供試稻田土壤基本理化性質見表1。供試水稻品種為五豐優569（）。田間試驗用石灰為市售商品，其中總Cd質量分數為0.47 mg/kg。

表1 供試土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

田間試驗按照全生育期淹水和間歇灌溉2種水分管理模式，以及分別施用石灰進行設計，共4個處理。即1）間歇灌溉（WCK）：田間灌水后保持3～5 cm表水層直到水稻分蘗后期落干1次，在灌漿結實期進行2次“淹水-落干”，田間土壤落干5～7 d達到田面有微裂痕跡，即土壤含水率在70%～90%，呈“濕硬”狀態[18]；2）間歇灌溉+石灰（WL）；3）全生育期淹水（FCK）：全生育期淹水為在整個生育期保持3～5 cm田間表水層；4）全生育期淹水+石灰（FL）。每處理3個重復，共12個試驗小區。每個試驗小區面積為5 m×7 m，隨機排列。試驗小區周邊設保護行，小區間田埂用塑料薄膜覆蓋，防止小區間竄水。基肥組成N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1，以尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀形式加入，穩定7 d后于2015年7月20日移栽秧苗，水稻行距為10 cm×15 cm。分別在水稻種植至分蘗期（8月18日）、灌漿期（10月13日）和成熟期（11月10日）采集水稻和土壤樣品。在分蘗期采集樣品后第2天（8月19日）施石灰到表層土壤中，石灰用量1 500 kg/hm2。其他施肥（追肥）、病蟲害防治等管理措施均按當地居民習慣進行。

1.3 樣品收集與分析

采集水稻根區土壤樣品，在室溫下自然風干，剔除土壤中雜物，將土壤碾碎，充分混勻后，分別過20目和100目篩后保存至封口塑料袋中備用。水稻樣品帶回實驗室先用自來水沖洗，再用去離子水沖洗干凈，將鮮樣分為根、莖葉和籽粒裝紙袋，105 ℃殺青1 h后，再于60 ℃烘至恒質量，稱其質量后，粉碎裝入自封口塑料袋中備用。

土壤pH值采用1∶2.5水土比浸提，pH計（雷磁，PHS-3C）測定。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉提取-釩鉬黃比色法測定；速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計法測定；土壤中有效態Cd含量采用《土壤質量有效態鉛和鎘的測定原子吸收法GB/T 23739-2009》測定；土壤中Cd的賦存形態采用改進的BCR法提取[19]。土壤樣品用HF-HNO3-HClO4法消解，水稻植株和糙米樣品采用HNO3-HClO4法消解，消解液中Cd含量采用ICP-MS（美國，Thermo FisherX2）測定。土壤顆粒表面形貌及能譜采用掃描電子顯微鏡（日本，JSM-6360）進行掃描分析。

1.4 數據處理

水稻中Cd的生物富集系數[20]和轉運系數[21]按照如下公式進行計算：

BCF=M/soil（1）

TFrs=shoot/root；TFsbr=rice/shoot（2）

式中M分別代表水稻根系、莖葉和稻米中Cd質量分數，mg/kg；soil為土壤中Cd質量分數，mg/kg；shoot為水稻莖葉中Cd質量分數，mg/kg；rice糙米中Cd質量分數，mg/kg。

所有試驗數據采用Microsoft Excel 2010進行分析處理。采用SPSS 18.0 統計軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA）比較各處理間的差異，顯著性水平為<0.05。

2 結果與討論

2.1 土壤pH值及有效態Cd含量變化

水分管理和施用石灰能夠影響土壤pH值和土壤中有效態Cd含量。從圖1a可知，未施石灰處理下，整個水稻生育期內，間歇灌溉（WCK）處理下，土壤pH值無明顯變化；與WCK相比，全淹水（FCK）處理條件下，土壤pH值從分蘗期5.7升高到成熟期6.0。在全生育期淹水和間歇灌溉條件下，在稻田土壤中施用石灰，均能顯著增加土壤pH值。從圖1a中可以進一步可知，在水稻生殖生長期土壤pH值均得到不同程度的升高，而在這一生育期對水稻吸收Cd有較大影響[9]。

注：同一生育期不同字母表示具有顯著差異（P<0.05）。WCK、WL、FCK和FL分別表示間歇灌溉、間歇灌溉+石灰、全淹水和全淹水+石灰，下同。

水分管理使土壤中Cd有效態含量呈降低趨勢（圖1b）。隨著水稻生長，WCK處理與其他處理相比，在水稻各生育期土壤中有效態Cd含量均較高，其原因可能是在落干過程中形成的氧化環境有利于土壤中有效態Cd含量升高[16]。除分蘗期外，和WCK處理相比，FCK處理下土壤有效態Cd含量均呈降低趨勢，其原因可能是FCK條件下土壤形成的還原環境，使Cd2+通過還原作用取代FeS中的Fe元素生成CdS沉淀，降低土壤中Cd的有效性[22]。施用石灰后土壤中有效態Cd含量均有不同程度的降低。和WCK相比，WL處理分別使水稻灌漿期和成熟期土壤有效態Cd含量分別顯著降低20.6%（<0.05）和22.2%（<0.05）；和FCK相比，FL處理灌漿期土壤有效態Cd含量變化不明顯，使成熟期土壤有效態Cd含量顯著降低22.5%（<0.05）。有文獻報道施用石灰能增加土壤pH值和土壤顆粒表面負電荷數，增強對Cd2+的吸附，為Cd2+的氫氧化物或碳酸鹽沉淀的形成提供了便利條件[9,23]。

2.2 土壤Cd形態的變化

土壤樣品中Cd形態分析采用改進的歐共體標準物質局提出的BCR連續提取法。與WCK相比，FCK處理能降低土壤中Cd有效性，其中在成熟期降低程度最大，可使酸可提取態Cd所占比例降低44.4%，可還原態和可氧化態所占比例分別增加56%和75%（圖2）。與Arao等報道的土壤淹水處理能夠促進酸可提取態Cd轉換為可還原態Cd和可氧化態Cd的結果相一致[16]。施用石灰后，能夠進一步降低土壤中酸可提取態Cd所占比例，增加可還原態、可氧化態及殘渣態所占比例；和灌漿期相比，成熟期土壤中Cd酸可提取態所占比例降低幅度較大。在成熟期，和WCK相比，WL處理使Cd酸可提取態所占比例降低11.8%，相應的殘渣態比例增加15%；和FCK相比，FL處理下土壤中Cd的酸可提取態比例降低8.9%，而Cd的還原態和可氧化態和殘渣態分別增加60%、78%和18%。表明田間水分管理結合石灰施用可促進土壤中有效態Cd向無效態的轉化。Bolan和Guo等也報道施用石灰將會降低土壤中有效態Cd和提高土壤中殘渣態Cd的結果[9,24]。

圖2 不同生育期土壤中Cd形態所占比例

2.3 水稻土壤表面形貌及其化學組成

水稻成熟期土壤顆粒的SEM/EDS分析結果如圖3所示。在WCK處理下，土壤顆粒較大且表面出現明顯絮狀物；在FCK處理下土壤顆粒較小，表面較光滑（圖3a，3c），且土壤顆粒間排列較致密，其可能會降低土壤通透性，影響農作物的生長。施用石灰處理，土壤表面出現較少絮狀物且在較大土壤顆粒表面附著細小光滑顆粒（圖3b、3d），其中在FL處理下土壤中細小光滑顆粒數量明顯多于WL處理。

注：圖中方框代表能譜掃描位點。 Note: Box in the figures is the EDS scanning point.

土壤顆粒表面的光滑顆粒形成可能是淹水處理下土壤溶液中土壤膠體沉積到土壤基質表面所致。此外，施用石灰會增加土壤中的Ca2+，進而促進土壤中礦物（如鐵礦物）表面膠體的形成[25]。土壤中膠體的增多會增強對土壤中Cd的吸附。通過EDS結果可知，FCK處理下土壤中Fe的質量分數高于WCK處理。張雪霞等[14]也報道全淹水條件下能適當增加土壤中Fe含量。有研究表明土壤中Fe含量與有效態Cd含量呈負相關[26]。施用石灰后，土壤中Fe的質量百分比有所降低，其原因可能是土壤中陽離子增多與其競爭吸附位點，導致土壤中Fe沉積在水稻根表面形成根表鐵膜，具體過程有待進一步研究。

2.4 水分管理對石灰調控水稻吸收Cd的影響

2.4.1 不同生育期水稻生物量

由表2可知，和FCK相比，WCK處理能增加水稻生物量，其原因可能是在稻田落干的過程中，增加了根系活力，促使了葉片光合作用，其有利于水稻生物量的增加。與Muehe等[27]和Won等[28]發現在種植水稻過程中間歇灌溉能夠提高水稻產量的結果一致。在WCK和FCK條件下施用石灰，對水稻各生育期生物量影響不同，在灌漿期，除淹水條件下施用石灰使根部生物量降低外，其他水稻各部位生物量均呈增加趨勢；在成熟期，水稻各部位生物量總體上呈降低趨勢，但稻米產量均增加10%左右。表明田間水分管理結合石灰施用有利于水稻生物量的增加。

表2 不同處理及生育期水稻生物量的影響

注：同一列中不同字母表示不同水平處理間存在顯著差異（<0.05），下同。

Note: Different letters in same row indicate significant difference in different treatment (<0.05), the same as below.

2.4.2 不同生育期水稻各器官中Cd的含量和累積量

在水稻各生育期內，WCK與FCK處理水稻各器官中Cd含量差異不顯著（表3），與先前已有報道在全生育期淹水條件下處理能降低植物中Cd含量[29-30]結論不一致。兩種水分管理條件下，施用石灰后，在灌漿期水稻根部的Cd含量顯著降低（<0.05），在成熟期水稻莖葉Cd含量顯著降低（<0.05）。和WCK相比，WL處理下糙米中Cd質量分數從0.86 mg/kg降低到0.56 mg/kg；和FCK相比，FL處理下糙米中Cd質量分數從0.77 mg/kg降低到0.36 mg/kg。表明全生育期淹水并施用石灰，對降低糙米中Cd含量的協同作用更明顯。

表3 不同生育期水稻各器官中Cd的含量

表4是4種處理對不同生育期水稻地上部和地下部Cd累積量的影響。和WCK相比，FCK處理下，在灌漿期顯著降低水稻地下部和地上部Cd累積量（<0.05）。和不施用石灰相比，施用石灰后在各生育期水稻地上部和地下部Cd的累積量均降低。其中在灌漿期水稻地下部Cd累積量顯著降低（<0.05）；在成熟期，水稻地上部和地下部Cd累積量均顯著降低（<0.05）。

表4 不同生育期水稻地下部與地上部Cd累積量的變化

2.4.3 水稻對Cd的轉運和富集特征

采用生物富集系數（BCF）可以評價水稻各器官對土壤重金屬的吸收情況[31]。由表5可知，4種處理條件下，水稻各器官生物富集系數均隨著水稻生長而升高。在水稻各生育期中，FCK處理下BCF值略低于WCK處理。在水稻灌漿期，和WCK相比，WL處理下莖葉富集系數（BCFfs）顯著降低；和FCK相比，FL處理下根部富集系數（BCFfr）和莖葉富集系數（BCFfs）均顯著降低。在水稻成熟期，WCK和FCK條件下，施用石灰均顯著降低根部富集系數（BCFmr）和糙米富集系數(BCFmbr)。

轉運系數（TF）指植物后一部位中Cd 含量與前一部位中Cd 含量的比值，轉運系數越大，則表明該部位對Cd 的轉運能力越強[32-33]。TFmsbr代表莖葉到糙米中Cd的轉運系數。4種處理對根系到莖葉中Cd的轉運系數和莖葉到糙米中轉運系數（TFmsbr）均小于1。這說明盡管水稻根系富集大量Cd，但是，僅有一少部分的Cd通過根系轉運到了莖葉中。根系是阻礙Cd的天然屏障，在根系表面形成的根表鐵膜是抑制土壤中Cd轉運的關鍵[11]。從分蘗期到成熟期根到莖葉的轉運系數逐漸升高。但是和WCK相比，FCK處理在一定程度上能降低轉運系數和TFmsbr。在WCK和FCK兩種條件下，施用石灰均能夠降低在水稻各生育期的轉運系數和TFmsbr，其中在成熟期，和FCK相比，FL處理使水稻TFmrs和TFmsbr分別顯著降低34.5%和33.3%（<0.05）。上述結果說明，全生育期淹水處理在水稻各生育期能降低水稻中Cd的TF和BCF。在全生育期淹水和間歇灌溉2種水分管理條件下，施用石灰是顯著降低Cd在水稻中轉運系數和富集系數的重要措施。

表5 不同生育期水稻根、莖葉和稻米中Cd的富集系數和轉運系數

注：BCFtr和BCFts分別為水稻分蘗期根和莖葉富集系數，BCFfr和BCFfs分別為水稻灌漿期根和莖葉富集系數，BCFmr、BCFms和BCFmbr分別為水稻成熟期根、莖葉和糙米的富集系數。TFtrs、TFfrs和TFmrs分別代表水稻分蘗期、灌漿期和成熟期根系到莖葉中Cd的轉運系數。

Note: BCFtrand BCFtsare the bioconcentration factors of root, shoot and leaf in tillering stage, respectively; BCFfrand BCFfsare the bioconcentration factors of root and shoot and leaf in filling stage, respectively; BCFmr, BCFmsand BCFmbrare the bioconcentration factors of root, shoot and leaf, rice in maturity stage, respectively; TFtrs, TFfrsand TFmrsare the translation factors from root to shoot and leaf in whole stages, respectively.

通過相關性分析進一步表明，糙米Cd的含量與土壤Cd總含量、有效態Cd含量和地上部Cd累積量呈正相關，尤其是與有效態Cd含量與糙米中Cd含量和地上部分Cd累積量顯著正相關（<0.05），說明降低土壤有效態Cd含量能減緩糙米對Cd的吸收和累積。土壤中有效態Cd含量與糙米中Cd含量相關系數為0.911，說明土壤有效態Cd含量是影響糙米吸收Cd的關鍵因素。除此之外，土壤pH值與有效態Cd含量和糙米中Cd含量呈極顯著負相關（<0.01）。

3 結 論

1）在間歇灌溉和全生育期淹水條件下結合在水稻分蘗期施用石灰均能降低Cd有效態含量、促進土壤中酸可提取態Cd向氧化態和殘渣態轉化，同時有效降低稻米中Cd含量且不會導致水稻減產。

2）灌漿期到成熟期是控制水稻吸收Cd的關鍵階段。在灌漿期主要降低水稻莖葉Cd的富集系數，在成熟期主要降低水稻莖葉Cd的轉運系數。全生育期淹水條件下施用石灰能顯著降低Cd在水稻中的轉運系數和富集系數，相應的水稻地上部和地下部Cd累積量也顯著減少。

3）糙米中Cd含量與土壤中有效態Cd含量和地上部分Cd累積量呈顯著正相關（<0.05），與土壤pH呈極顯著負相關（<0.01）。而有效態Cd含量與土壤pH呈極顯著負相關（<0.01）。通過水分管理結合在分蘗期施用石灰措施升高土壤pH值是降低糙米中Cd含量的有效措施。

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Effects of lime and water management on uptake and translocation of cadmium in rice

Shi Lei, Guo Zhaohui※, Liang Fang, Peng Chi, Xiao Xiyuan, FengWenli

(,,410083,)

Cadmium (Cd) is a highly toxic element, and can be readily accumulated in crops and thus harm human health by food chain. Agricultural paddy soil contaminated by Cd has become very obvious environmental problem in South China. Rice (L.) is a kind of important crop and main daily diet and has been considered to be a major source of Cd intake by humans in some parts of southern China. The accumulation of Cd in rice in Cd contaminated paddy field easily exceeds 0.2 mg/kg, which is the limit according to the(GB 2762-2012). In order to reduce the effect of Cd on human body, animal and plant, a field experiment was conducted to evaluate the effect of liming application at rice tillering stage on the distribution and migration characteristics of Cd in organs of rice at the different growth stages under the treatment of intermittent irrigation and flooding in whole growth period. The 4 treatments were designed as follows: 1) Intermittent irrigation treatment, and the plot was irrigated following the local conventional irrigation method to maintain being flooded with 3-5 cm water above the soil surface until the late tillering stage and then was drained, followed by intermittent irrigation 2 times (WCK); 2) intermittent irrigation + lime (WL); 3) flooding in whole cultivation, and the plot was flooded during the whole period of crop growth, in which water was kept at a height of 3-5 cm above the soil surface (FCK); 4) flooding in whole cultivation + lime (FL). Lime (1 500 kg/hm2) was applied to the paddy soil after the samples were collected at tillering stage. The samples were collected at stages of tillering, filling and maturity, respectively. The results showed that the intermittent and continuous flooding treatment combined with lime application at rice tillering stage increased significantly the soil pH values and decreased the available Cd mass fraction in the soil. Application of lime caused the transforming of acid-soluble Cd into oxidizable, reducible and residual states. Moreover, application of lime in the treatment of flooding in whole growth period could increase iron (Fe) mass fraction in the soil. After liming, the Cd mass fraction of brown rice significantly reduced from 0.86 to 0.56 mg/kg under intermittent irrigation treatment and from 0.77 to 0.34 mg/kg under the treatment of flooding in whole growth period. Meanwhile lime application reduced significantly the bioconcentration factor of Cd in shoot at filling stage (<0.05), while the bioconcentration factor of Cd in root and brown rice at maturity stage was also decreased significantly (<0.05). In addition, at maturity stage the translocation factor from root to shoot and that from shoot to brown rice decreased significantly under the treatment of flooding in whole growth period combined with lime application (<0.05). The rice yield averagely increased by 10% with lime application. Correlation analysis indicated that Cd mass fraction in brown rice was significantly positively correlated with the available Cd mass fraction in soil and the Cd accumulation in aboveground part of rice, and was significantly negatively correlated with soil pH value. In all, the results indicated that the intermittent irrigation and flooding in whole growth period combined with lime application at tillering stage were effective ways to reduce uptake of Cd in rice in contaminated paddy soil without yield loss, especially the flooding treatment combined with lime application.

water management; lime; heavy metal; rice; cadmium; bioconcentration factor; translocation factor

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.015

X131; S274

A

1002-6819(2017)-24-0111-07

2017-07-19

2017-10-26

國家科技支撐計劃課題（2015BAD05B02）；重金屬污染耕地修復機理及技術模式優化集成項目（農辦財函〔2016〕6號）

史 磊，男，河南開封人，博士生，主要從事土壤重金屬污染控制與修復研究。Email：shilei1121@126.com

郭朝暉，男，湖南寧鄉人，教授，博士生導師，主要從事土壤污染控制與修復研究。Email：zhguo@csu.edu.cn

史 磊，郭朝暉，梁 芳，彭 馳，肖細元，封文利. 水分管理和施用石灰對水稻鎘吸收與運移的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(24)：111－117. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.015 http://www.tcsae.org

Shi Lei, Guo Zhaohui, Liang Fang, Peng Chi, Xiao Xiyuan, Feng Wenli. Effects of lime and water management on uptake and translocation of cadmium in rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 111－117. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.015 http://www.tcsae.org