不同類型肥料對污染稻田土壤中鎘遷移轉化的影響

孫向平，張夢君，嚴 理，曾糧斌

(1.中國農業科學院麻類研究所，湖南長沙 410205； 2.中南林業科技大學生命科學與技術學院，湖南長沙 410004)

重金屬污染日益成為人們關注的熱點，尤其是鎘(Cd)污染問題越來越突出。鎘的生物有效性及毒性大小不僅與其在土壤中的總量多少有關，而且其在生態系統中的遷移轉化和生物可利用性還取決于土壤中鎘的賦存形態分布。根據《全國土壤污染狀況調查公報》，我國土壤污染總超標率為 16.1%，其中輕微、輕度、中度、重度污染點位比例分別為 11.2%、2.3%、1.5%、1.1%，8種無機污染物鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%，尤其是鎘污染越來越嚴重[1]。

污染土壤修復技術存在工程措施造價高、費時費工而且對土壤理化性質有破壞作用等缺陷。植物修復面臨的最大問題是高重金屬含量植物的處置困難，且修復效率較低，在農業生產實踐中都面臨不同程度的制約[2]。農藝措施調控是指適時調整耕作管理制度以及在污染土壤中種植不進入食物鏈的農作物等，從而改變土壤重金屬的生物活性，降低其生物有效性，減少重金屬從土壤向植物體內的轉移，實現降低重金屬環境危害的一系列技術手段。施肥作為重要的農藝措施對鎘的生物有效性有顯著的影響。施肥通過以下5種途徑影響植物對土壤中重金屬的吸收：促進植物生長；影響土壤pH值[在少數情況下影響氧化還原電位(Eh值)]；帶入重金屬離子，也提供能沉淀、絡合重金屬的基團；帶入競爭離子；影響根系和地上部的代謝過程或重金屬在體內的運轉而間接影響重金屬元素的吸收[3-5]。

本研究利用不同的肥料類型，通過外源鎘的添加，研究在鎘污染稻田土壤中鎘的遷移變化規律以及水稻鎘吸收特征，為探討在鎘污染稻田土壤中水稻的安全種植模式提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為湘晚秈13號。試驗所用土壤采自中國農業科學院麻類研究所試驗基地的酸性黃泥土(酸性土壤)。試驗所用肥料為市場上的常規商品肥料。試驗所用土壤和肥料的基本化學性質及Cd總含量見表1。

表1 供試土壤和肥料的主要理化性質

1.2 試驗設計

試驗于2016年4—10月在中國農業科學院麻類研究所試驗基地進行。共設置4個處理，分別為對照(CK)、施用有機肥(MF)、施用50%有機肥+50%化肥(MCF)、施用化肥(CF)。每個處理設3個重復，共12盆。土壤和有機肥分別風干并過4 mm篩，每盆裝土16 kg，把土壤和相應肥料充分混合均勻，同時用CdCl2配制成溶液加進土壤中，使土壤模擬鎘污染濃度為5 mg/kg。盆栽過程中灌漿成熟期曬田7 d，其他時間保持盆栽土壤中1～2 cm水位高度。分別在分蘗期、拔節期、抽穗開花期、灌漿成熟期采取土壤樣品。土壤樣品風干后，分別過1、0.149 mm篩備用。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 Eh(氧化還原電位)、pH值的測定 Eh值用ORP儀原位測定。取過 1 mm 篩的土壤樣品測定土壤pH值，測定方法采用去離子水浸提pH計法(水土質量比2.5 ∶1)。

1.3.2 重金屬形態提取及測定方法 鎘含量的測定采用原子吸收光譜法。不同重金屬形態的提取方法見表2。土壤和肥料中有機質含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、速效養分含量、含水量等指標的測定采用常規方法。

表2 重金屬歐洲共同體參考物機構(European Communities Bureau of Reference，簡稱BCR)連續化學提取法

1.4 數據分析

采用SAS及Excel軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻土pH值的影響

pH值是影響重金屬污染土壤鈍化修復效率的重要因素之一[6]。pH值越高，重金屬的溶解度越低，其活性就越低。從圖1可以看出，化肥處理的整個水稻生育期的pH值一直在一個比較高的水平；有機肥處理的pH值相對較低；有機肥+化肥處理的生育期pH值變化幅度較大。相比水稻種植前土壤的pH值，水稻于成熟期收獲后，CK、有機肥+化肥處理土壤pH值有所降低。

2.2 不同施肥處理對水稻土Eh值的影響

隨著Eh值的增大，土壤中水溶性鎘含量、水稻吸收鎘的總量及地上部鎘含量隨之增加。這可能是因為在還原狀況下，鎘離子易與硫化物結合形成硫化鎘沉淀[7]。鎘在氧化條件下(Eh值高)比在還原條件下(Eh值低)更容易由無效態轉化為水溶態和交換態。由圖2可知，各處理水稻土壤中Eh值都處在比較低的水平，尤其是有機肥處理，而化肥處理與有機肥處理Eh值的變化情況相反。

2.3 不同施肥處理對水稻各部位鎘含量及土壤鎘形態的影響

在模擬土壤鎘污染濃度為5 mg/kg時，通過將不同的肥料類型施入到污染水田中，由表3可以看出，在鎘污染濃度較高時，施用有機肥促進了水稻籽粒對鎘的吸收，但降低了水稻根及莖中鎘的濃度。施用有機肥水稻各部位鎘含量為根>籽粒>莖，且水稻根部鎘含量要遠大于地上各部位鎘含量，說明水稻大部分鎘主要累積在根部。

表3 不同施肥處理對水稻各部位鎘含量的影響

對不同處理條件下水稻土壤鎘形態的影響分析發現，外源鎘的添加主要是增加了土壤可交換態鎘的含量，單施化肥處理的灌漿成熟期殘余態鎘含量比較高，其次為單施有機肥處理。50%有機肥+50%化肥混施處理可交換態鎘的含量比較高(圖3)。可見單施化肥降低了土壤中可交換態鎘的含量，減少了水稻籽粒的吸收量。

3 討論與結論

施肥是影響土壤重金屬含量的重要因素，不同土地利用方式施用肥料的種類和數量不同。土壤中的鎘有很強的親硫性質，可與水中的FeS發生共沉淀，同時其活性也受土壤Eh值的影響，因而與土壤水分狀況有著密切的關系。研究表明，水田土壤中施用有機肥會帶入大量的可溶性有機質(dissolved organic matter，簡稱DOM)，其與Cd2+的螯合提高了Cd的活性和在土壤中的遷移能力，施用有機肥后，能夠顯著增加根際及土壤中交換態及有機結合態Cd含量，是對照的2倍多[8]。本研究中有機肥的施入提高了污染稻田中水稻籽粒中鎘的含量，因此施用有機肥加大了稻田土壤受重金屬污染的風險。由于有機肥來源廣泛、種類多樣，導致不同有機肥對土壤重金屬形態的影響可能也不同。將以豬糞、羊糞、雞糞為原料的有機肥施用到種植小麥的鎘污染土壤中，降低了土壤可交換態鎘與碳酸鹽結合態鎘的含量，促進了土壤鎘由可交換態和碳酸鹽結合態向鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘留態的轉化[9]。另有研究表明，土壤中重金屬的有效性和在農作物中的積累狀況還受到有機肥用量和比例的影響[10]。施用氮肥可促進植物對重金屬的吸收，但其作用程度與肥料形態有密切的關系，僅施化肥對土壤Cd全量、有效態含量及活化率的影響均較小，本研究中化肥處理降低了水稻籽粒和莖中鎘的含量。相關研究表明，在稻田土壤中施入中、高量有機肥處理明顯提高了土壤Cd的全量、有效態含量及活化率[11]。其中有機肥的“激活”效應是導致土壤有效態重金屬含量大幅提高的主要機制。

在模擬鎘濃度為5 mg/kg的水稻土壤中，有機肥的施入提高了水稻籽粒中鎘的含量，但降低了根和莖中鎘的含量。外源鎘的添加主要是增加了土壤可交換態鎘的含量。在灌漿成熟期，50%有機肥+50%化肥混施處理可交換態鎘的含量比較高。水稻收獲后，根、莖中鎘含量較高，尤其是根部。