全生育期淹水聯合鈍化材料對重度Cd污染下水稻生長和鎘富集的影響

曹雲清，徐曉燕，韓 磊，王瑞剛*，馮人偉，徐應明

（1.天津農學院農學與資源環境學院，天津 300384；2.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191）

水稻是我國第一大糧食作物，約占我國糧食總產量的40%。然而，隨著我國工業化進程的加速和社會經濟的發展，采礦、工業排放和農業活動使我國土壤鎘（Cd）污染日益嚴重，再加上水稻是對土壤Cd吸收最強的大宗谷類作物之一[1]，水稻生產受Cd污染的影響日益加劇，嚴重威脅著糧食安全。2002年，農業部稻米及制品質量監督檢驗測試中心曾對全國市場稻米進行安全性抽檢，結果顯示，稻米中Cd的超標率10.3%[2]。因此，如何控制Cd進入稻米是當今Cd污染農田水稻安全生產中迫切需要解決的主要問題。目前，水分管理（如全生育期淹水）和原位鈍化修復技術因見效快、成本低、操作簡單、利于推廣而備受關注，具有廣泛的應用前景。

水分管理是影響水稻吸收和富集Cd的主要措施[3]。淹水條件下，一方面造成土壤氧化還原電位降低，被還原為S2-，而S2-易與Cd形成CdS沉淀；另一方面能使土壤pH值升高，增強了土壤有機質官能團對Cd的絡合能力;同時土壤陽離子濃度降低，與Cd對膠體吸附的競爭減小，促進土壤膠體對Cd的吸附，最終導致土壤中Cd的有效性顯著降低，水稻對Cd的吸收和轉運降低[3-5]。我們的前期研究發現，在所有的水分管理中，全生育期淹水對水稻富集Cd的抑制作用最明顯，且發現不同生育期淹水對水稻富集Cd抑制效果不同，并證明拔節孕穗期和乳熟灌漿期淹水是控制稻米富集Cd的關鍵時期[6]。

國內外關于鈍化材料的研究較多，涉及的鈍化材料種類有石灰、生物質炭、黏土礦物、有機肥、工業廢棄物等。結合本研究團隊多年來的研究結果以及國內外文獻的查詢結果，我們發現海泡石、赤泥、凹凸棒石、腐植酸等四種鈍化材料具有降Cd效果好、鈍化持續時間長、成本低、產量高、易獲取和施用簡便等特點，具有很好的應用前景[7-14]。本團隊前期的大量研究發現，海泡石能通過增加土壤pH、降低土壤Cd的有效性，最終顯著降低作物可食部位Cd含量，促進作物生長，同時能改善土壤質量[7-10]。劉紹兵等[11]也發現施用赤泥能顯著提高土壤pH，降低土壤有效態Cd含量和減少水稻Cd累積，同時還可以使水稻增產12.4%，達到顯著水平。本團隊也在廣西、浙江等地的Cd污染農田進行了赤泥鈍化效果研究，結果發現施用0.3%～1.0%的赤泥可以顯著提高土壤pH、降低土壤Cd有效態，進而顯著降低糙米中Cd的含量，最高可達90%，且施用一次鈍化效果可以持續3年（數據未發表）。另外，本團隊的研究也發現凹凸棒石與海泡石相似，能有效降低土壤Cd的有效態，顯著降低稻米Cd含量，同時能增加產量和改善土壤質量[12-13]。腐植酸因其帶負電荷且陽離子代換量高，對土壤Cd離子有顯著的絡合吸附作用，可有效地阻止Cd離子進入水稻體內，減輕Cd離子對農作物的毒害作用[14]。

關于單一水分管理和鈍化材料的研究主要針對輕度Cd污染農田，而針對重度Cd污染農田采用單一技術已不能滿足水稻安全生產的目標，水分管理和鈍化材料聯合修復技術開始受到關注[15]，但相關研究還比較少，且大多針對輕度污染土壤。為此，本論文針對湖南重度Cd污染（Cd含量為3.41 mg·kg-1）農田，開展全生育期淹水聯合不同鈍化材料對水稻富集Cd的影響研究，為重度Cd污染農田的安全利用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自湖南郴州某地重度Cd污染農田（0～20 cm），經自然風干、過篩、去雜質和充分混勻后備用。按照張春燕等[16]測定方法對供試土壤的理化性質進行測定，測得的土壤基本理化性狀如下：pH 6.53、CEC 24.5 cmol·kg-1、有機質 31.41 g·kg-1、全氮3.22 g·kg-1、速效磷 16.18 mg·kg-1、速效鉀 40.64 mg·kg-1，全 Cd 含量 3.41 mg·kg-1，Cd 含量是土壤環境質量標準（GB 15618—1995）的11.37倍，屬重度污染。

赤泥來源于中國鋁業中州分公司，為拜耳-燒結聯合法赤泥，赤泥的pH值為10.50，Cd含量為0.37 mg·kg-1，K 含量為 370.00 mg·kg-1，Mg含量為147.85 mg·kg-1，Fe含量為 698.50 mg·kg-1，Mn 含量為 9.81 mg·kg-1，Zn含量為16.84 mg·kg-1，SiO2含量 21.45%，過100目篩。海泡石為河北易縣海泡石公司生產，pH值 9.15，Cd含量為 0.13 mg·kg-1，K 含量為 3 682.93 mg·kg-1，Mg含量為11 056.08 mg·kg-1，Fe含量為852.45 mg·kg-1，Mn 含量為 177.46 mg·kg-1，Zn 含量為 7.52 mg·kg-1，SiO2含量約 56.78%，比表面積為 22.32 m2·g-1，孔徑為1.4 nm。供試黏土礦物凹凸棒石采購于江蘇盱眙，屬于土狀坡縷石，為白色粉末，pH為8.56，Cd含量為0.04 mg·kg-1，K含量為1 079.70 mg·kg-1，Mg含量為6 904.35 mg·kg-1，Fe含量為2 648.90 mg·kg-1，Mn含量為105.17 mg·kg-1，Zn含量為18.71 mg·kg-1，SiO2含量約52.65%。腐植酸來源于沈陽瑞元德生物科技有限公司，pH為6.14，有機質含量為70%，腐植酸含量為51%，Cd含量為0.02 mg·kg-1。

供試植物為Y兩優696，兩系雜交遲熟中秈，全生育期143 d左右，屬于本團隊篩選的一個Cd低積累品種。

1.2 試驗處理及樣品采集

供試水稻種子用2%次氯酸鈉溶液浸泡20 min，自來水沖凈后，于50%珍珠巖、50%蛭石混合配料育苗盤中育種。待幼苗3葉期時，選取長勢相近的幼苗進行插秧，移栽至充分淹水PVC盆的土壤中，每盆一株苗。每盆裝7 kg干土，并施入底肥過磷酸鈣0.26 g·kg-1，尿素0.26 g·kg-1，硝酸鉀0.08 g·kg-1，于溫室中培養。每個處理設置3個重復，分別于分蘗期、拔節孕穗期測定土壤pH。待水稻成熟后，于收獲24 h內收集根系鐵膜溶液，提取方法為DCB法[16]。收獲地上部記錄干質量，并將籽粒脫殼去糠粉碎，待消煮后用ICP-MS（美國，熱電公司）測定Cd含量。水分管理采用全生育期淹水處理（保持液面3～5 cm）。試驗共設置16個鈍化材料處理和一個對照處理，具體如下：CK，不添加任何鈍化材料的對照；T1，0.5%凹凸棒石；T2，1.0% 凹凸棒石；T3，0.5% 海泡石；T4，1.0% 海泡石；T5，0.5% 赤泥；T6，1.0% 赤泥；T7，0.5% 腐植酸；T8，1.0%腐植酸；T9，0.5%凹凸棒石+0.5%赤泥；T10，1.0%凹凸棒石+1.0%赤泥；T11，0.5%海泡石+0.5%赤泥；T12，1.0%海泡石+1.0%赤泥；T13，0.5%凹凸棒石+0.5%赤泥+0.5%腐植酸；T14，1.0%凹凸棒石+1.0%赤泥+1.0%腐植酸；T15，0.5%海泡石+0.5%赤泥+0.5%腐植酸；T16，1.0%海泡石+1.0%赤泥+1.0%腐植酸。

1.3 葉片凈光合速率測定

在抽穗揚花期，使用LI-COR 6400xt光合作用測定儀（美國，基因公司）測定旗葉的凈光合速率，具體測定方法參考文獻[17]。

1.4 精米和米糠中Cd含量測定

稱取精米和米糠烘干樣品0.100 0 g，放入消煮管中，用湖南大米成分分析標準物質設置標準品[GBW 10045（GSB-23）]，并設置空白，加入微電子級濃硝酸10 mL，在智能電熱消解儀消煮（ED54，LabTech，中國），具體流程為80℃煮1.5 h，120℃煮1.5 h，150℃煮2 h，175℃趕酸至消煮液體積小于1 mL，用1%硝酸溶液轉移定容至50 mL容量瓶中，定量濾紙過濾后用ICP-MS（美國，熱電公司）測定Cd元素含量[18]。

1.5 土壤pH和有效態Cd含量的測定

分別在分蘗期和拔節期的中期采集土壤，不進行烘干，根據土壤的含水量，按照干土∶水1∶5的比例加入去CO2去離子水，然后攪拌，用pH計測定土壤pH值。測定pH后，對土水混合液進行過濾，濾液測定Cd含量，剩余的土壤烘干后稱質量，最后計算出土壤Cd的有效態含量[19]。

1.6 鐵膜提取及Cd、Fe和Mn含量的測定

水稻成熟后，經收獲，根洗凈，吸水紙吸干表面水分，然后稱取1.0 g完整根，放入盛有30 mL DCB提取液的燒杯里，將根全部浸入提取液里，加入0.5 g保險粉后，輕輕搖勻，開始計時，浸泡1h后，將提取液過濾，去離子水沖洗根3遍，濾液和根沖洗液過濾到50 mL容量瓶定容，4℃保存待測。然后利用ICP-MS（美國，熱電公司）測定Cd、Fe和Mn的含量[18]。

1.7 數據分析

所有數據均用SPSS17.0進行分析，多重比較采用Duncan法，并利用Origin 8.5軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同鈍化材料對水稻產量的影響

如圖1所示，與對照相比，不同鈍化材料處理均不同程度增加了稻米產量，且除T4、T7和T10外，其他鈍化處理均達到了顯著水平，其中T5、T6、T9、T13處理增加幅度最大，增幅達38.0%、61.7%、40.5%和44.5%。而對于稻草生物量，除T4、T7、T14、T15外，大部分的鈍化處理后有所增加，但均沒有達到顯著水平。

2.2 不同鈍化材料對水稻光合速率的影響

圖2為抽穗揚花期水稻劍葉光合速率，與對照相比，除T2和T9處理Pn稍微降低外，其他處理后Pn均有所增加，其中T5、T6、T12、T14、T15處理對Pn的增加達到了顯著水平。Pn與稻米產量呈顯著正相關（r=0.356*），與稻草生物量呈正相關，但不顯著（r=0.042）。

圖1 不同鈍化材料處理對稻米產量和稻草生物量的影響Figure1 Effects of the different immobilizing agents on rice production and ground biomass

2.3 不同鈍化材料對土壤pH值的影響

如圖3所示，在分蘗期，與對照相比，T8處理顯著降低了土壤的pH值，而其他處理均不同程度地增加了土壤的pH值，其中除T1、T3、T5、T7和T9增加不顯著外，其余處理均達到了顯著水平。在拔節期，所有鈍化材料處理均不同程度增加了土壤pH值，其中T5、T6、T10、T12均達到顯著水平。另外，整體上看，拔節期土壤pH值低于分蘗期。

圖2 不同鈍化材料處理對水稻葉片凈光合速率Pn的影響Figure2 Effects of the different immobilizing agents on leaf photosynthesis rate

2.4 不同鈍化材料對根系鐵膜上Fe、Mn和Cd含量的影響

如圖4所示，與對照相比，不同鈍化材料均顯著降低了水稻根系鐵膜上Fe的含量；同樣也不同程度地降低了根系鐵膜上Mn的含量，其中，除T1、T2、T4外，其他處理均達到了顯著水平。與對照相比，添加鈍化材料也不同程度地降低了鐵膜上的Cd含量，其中T12～T16處理達到了顯著水平。鐵膜上Cd含量與Fe含量呈極顯著正相關（r=0.419**），與Mn含量也呈正相關，但沒有達到顯著水平（r=0.268）。

2.5 不同鈍化材料對土壤Cd有效態含量的影響

在分蘗期，T7、T8處理后土壤中有效態Cd含量顯著升高（圖5），而其他鈍化處理均不同程度地降低了土壤中有效態Cd含量，其中T1、T6、T9、T11、T12、T13和T16的降低未達顯著水平，其余處理有效態Cd與對照相比降低顯著。在拔節期，對照的有效態Cd較分蘗期有所增加，除T1外，所有鈍化處理與對照相比土壤中有效態Cd均顯著降低，其中T5和T6，以及T9～T16的下降幅度最大。分蘗期、拔節期土壤有效態Cd分別與分蘗期、拔節期土壤pH呈極顯著負相關（r=-0.590**、r=-0.559**）。

圖3 不同鈍化材料處理對分蘗期和拔節期土壤pH的影響Figure3 Effects of the different immobilizing agents on soil pH at the tillering stage and jointing-booting stage

圖4 不同鈍化材料處理對根系鐵膜上Fe、Mn和Cd含量的影響Figure4 Effects of the different immobilizing agents on Fe，Mn and Cd content of iron plaque on root surface

2.6 不同鈍化材料對精米和米糠Cd含量的影響

如圖6所示，與對照相比，16種鈍化材料處理均顯著降低了精米和米糠中Cd的含量，其中9個處理將精米降至了可食用標準（Cd=0.2 mg·kg-1）以下，分別為T4、T5、T6、T10、T11、T12、T14、T15和T16，其中精米中Cd含量分別比對照降低了68.6%、64.6%、74.6%、75.1%、80.0%、66.5%、81.9%、66.6%和67.9%，降幅最大的是T11和T14。

如表1所示，在精米和米糖中Cd含量與土壤pH和有效態Cd的相關性中，精米和米糠中Cd含量與分蘗期和拔節期的土壤pH呈負相關，與分蘗期和拔節期的土壤有效態Cd含量呈正相關，除精米Cd含量與拔節期土壤pH和分蘗期土壤有效態Cd外，其他均達到顯著水平。另外，精米和米糠Cd含量與鐵膜上Cd含量呈顯著正相關，米糠Cd含量還與鐵膜上Fe和Mn的含量呈顯著正相關。精米和米糖中Cd含量和稻米產量和稻草生物量沒有顯著相關性。

3 討論

3.1 不同鈍化材料對水稻生長的影響

圖5 不同鈍化材料處理對分蘗期和拔節期土壤有效態Cd含量的影響Figure5 Effects of the different immobilizing agents on available Cd in soil at the tillering stage and jointing-booting stage

圖6 不同鈍化材料處理對精米和米糠中Cd含量的影響Figure6 Effects of the different immobilizing agents on Cd concentration in polished rice and rice bran

表1 相關性分析Table1 Correlation analysis

眾多研究表明，添加鈍化材料可以通過兩種途徑增加作物產量，一是添加鈍化材料可以通過降低重金屬的毒性，使作物生長良好，從而提高產量[20-23]；二是鈍化材料中含有植物生長所需的元素，如赤泥中含有K、Ca、Mg、Fe[24]；海泡石含有Mg和Si等；腐植酸中含有大量的有機質和能促進植物生長的多種官能團[25]；凹凸棒石中含有Mg、Si等[12]。本研究發現，與對照相比，不同鈍化材料處理均不同程度地增加了稻米產量，且除T4、T7和T10外，其他鈍化處理均達到了顯著水平，其中T5、T6、T9、T13處理增加幅度最大，增幅達38.0%、61.7%、40.5%和44.5%。這說明添加的赤泥、海泡石、凹凸棒石和腐植酸單施和復配均能不同程度地增加稻米的產量，其中添加赤泥（T5和T6）以及0.5%凹凸棒石+0.5%赤泥（T9）和0.5%凹凸棒石+0.5%赤泥+0.5%腐植酸（T13）對稻米的產量增加最多。許多研究表明，重金屬污染土壤上施用海泡石[9-10]、赤泥[11]、凹凸棒石[12]和腐植酸[25]能不同程度地增加作物的產量。但也有一些報道發現，添加海泡石會降低水稻產量或者對作物產量沒有顯著影響[23]。本研究還發現，精米和米糠中Cd含量與稻米產量沒有呈線性負相關（見表1），這說明添加鈍化劑對稻米產量的增加不是因為添加鈍化劑減少Cd對水稻的毒性而造成的。同時，本試驗所用的赤泥、海泡石和凹凸棒石均不同程度地帶入了K、Mg、Zn、Mn和Si元素，腐植酸帶入了有機質，因此添加這四種鈍化材料促進水稻增產的主要原因可能與這些材料提供了植物生長所需的元素有關。田杰等[27]發現添加赤泥可能通過其中的硅元素促進水稻形成硅化細胞從而提高水稻產量。但也有研究發現，過量的添加赤泥也導致水稻產量降低，可能與赤泥導致土壤pH過高超過了水稻最適生長范圍有關[28]。而本文由于土壤呈酸性且添加量較少，故未產生不良影響。因此施用赤泥等鈍化材料要考慮土壤酸堿性及用量，才能保證增產。另外，我們的研究還發現，稻米產量與稻草生物量和凈光合速率呈顯著正相關，這說明添加鈍化材料促進了水稻的光合作用，進而增加了水稻的產量。

3.2 不同鈍化材料對水稻吸收富集Cd的影響

本團隊及其他團隊的大量研究結果表明，添加海泡石、赤泥、凹凸棒石能不同程度地提高土壤pH、促進Cd離子沉淀，增強對土壤有效態Cd的吸附固定能力，而腐植酸中含有羧基、羥基和醌基等活性官能團，能通過吸附、絡合和螯合重金屬離子有效降低土壤Cd的有效態含量，最終顯著降低稻米Cd的含量[7-13，29-30]。過去的研究多是針對輕度Cd污染農田和傳統水分管理。本論文是針對重度Cd污染農田，探討不同鈍化材料聯合全生育期淹水對水稻吸收富集Cd的影響。結果顯示，所有鈍化處理均顯著降低了精米和米糠中Cd的含量，0.5%和1.0%赤泥、1.0%海泡石、0.5%海泡石+0.5%赤泥、1.0%海泡石+1.0%赤泥、1.0%凹凸棒石+1.0%赤泥、0.5%海泡石+0.5%赤泥+0.5%腐植酸、1.0%海泡石+1.0%赤泥+1.0%腐植酸等8個處理均能使精米中Cd含量達標，其中0.5%海泡石+0.5%赤泥和1%凹凸棒石+1%赤泥+1%腐植酸使精米Cd含量降低幅度最大，分別達80.0%和81.9%。但從投入量和經濟技術成本分析來看，0.5%海泡石+0.5%赤泥復合處理更適合推廣。除單施腐植酸（T7和T8）處理在分蘗期顯著降低了土壤pH值和提高了土壤有效態Cd外，其他14個鈍化處理均不同程度地提高了分蘗期和拔節期土壤的pH值，顯著降低了土壤有效態Cd的含量。這說明除單施腐植酸外（T7和T8），14種鈍化處理均能通過提高pH，降低土壤Cd有效態含量來減少水稻籽粒對Cd的富集。而單施腐植酸導致稻米Cd含量降低可能與拔節期土壤pH升高及土壤有效態Cd含量降低有關，因為拔節期是稻米Cd富集的重要時期（數據未發表）。另外，精米和米糠中Cd含量與分蘗期和拔節期的土壤pH呈負相關，與分蘗期和拔節期的土壤有效態Cd含量呈正相關，另外兩個時期土壤有效態Cd含量與土壤pH呈顯著負相關，這進一步說明了添加四種鈍化材料降低稻米Cd含量與土壤pH增加導致有效態Cd含量降低有關。在所有鈍化材料處理中，拔節期土壤有效態Cd含量與分蘗期和拔節期土壤pH呈顯著負相關，而分蘗期土壤有效態Cd含量僅與分蘗期土壤pH呈顯著負相關（表1），這說明同一時期的土壤有效態Cd含量與土壤pH呈顯著負相關，而后一個生育期的土壤有效態Cd的含量還與前一個時期的土壤pH有關。

長期淹水條件下，水稻根系表面形成的大量鐵膜是影響水稻吸收Cd的重要因素之一，它既可以促進也可以抑制水稻根系對Cd的吸收，其作用程度取決于水稻根表鐵膜的厚度。當根表鐵膜較薄時，促進水稻對Cd的吸收，且在Fe達到20 825 mg·kg-1時促進作用最大，而后隨著鐵膜厚度的增加，反而會抑制水稻根系對Cd的吸收[3，31]。本研究的結果顯示，所有處理條件下，水稻根系鐵膜的Fe含量均低于20 000 mg·kg-1，且不同鈍化材料顯著降低了水稻根系鐵膜上Fe、Mn和Cd的含量，且精米和米糠Cd含量與鐵膜Fe、Mn和Cd含量呈正相關，鐵膜Cd含量與Fe含量呈顯著正相關。這進一步說明了，當水稻根系鐵膜較薄時會促進鐵膜對Cd的吸收，添加不同鈍化材料減少了鐵膜上Fe和Mn的含量，進而減少了鐵膜對Cd的吸收，最終抑制了水稻根系對Cd的吸收和向地上部轉運。

本論文主要是探討了四種鈍化材料對土壤Cd的鈍化效果及減少稻米Cd含量的作用，但如果在大田使用時，還應該對四種材料可能產生的二次污染風險以及相應的環境風險進行全面評估。一些研究也發現添加海泡石會增加大團聚體中土壤有機碳的貢獻率，以及土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶的活性[32-33]。赤泥作為工業廢棄物，在使用時一定要對其可能帶來的二次污染風險進行評估，不同原料產地，不同煉制方法都會影響赤泥的質量，本次試驗所選用赤泥是在前期試驗的基礎上確定的，Cd含量為0.37 mg·kg-1，也顯著低于二級土壤環境質量標準（0.6 mg·kg-1，pH＞7.5），帶來二次污染的風險比較小。經我們前期測定，凹凸棒石和腐植酸帶入重金屬的風險比較小。

4 結論

（1）赤泥、海泡石、凹凸棒石和腐植酸四種鈍化材料16個單一和復配處理均能促進水稻的光合作用，進而增加了水稻的產量，且水稻產量的增加與添加鈍化材料減少Cd對水稻的毒性無關，而可能與鈍化材料增加了水稻生長所需的元素有關。

（2）除單施腐植酸外（T7和T8），14種鈍化處理均能通過提高pH，降低土壤Cd有效態含量來減少水稻籽粒對Cd的富集。另外，16種鈍化處理均能通過減少鐵膜上Fe和Mn的含量，阻止鐵膜對Cd的吸收，進而減少水稻對Cd的吸收和富集。

（3）0.5%和1.0%赤泥、1.0%海泡石、0.5%海泡石+0.5%赤泥、1.0%海泡石+1.0%赤泥、1.0%凹凸棒石+1.0%赤泥、0.5%海泡石+0.5%赤泥+0.5%腐植酸、1.0%海泡石+1.0%赤泥+1.0%腐植酸等8個處理均能使精米中Cd含量達標，其中0.5%海泡石+0.5%赤泥處理最佳，不僅對稻米Cd含量的降幅最大，而且投入量和經濟成本較低。但精米Cd含量的降低與鐵膜的阻隔無關。