不同鎘污染水平下氮肥對稻田土壤中鎘遷移轉化的影響

孫向平， 嚴 理， 曾糧斌

(中國農業科學院麻類研究所，湖南長沙 410205)

2014年4月國家環境保護部和國土資源部公布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，鎘(Cd)的點位超標率最高，正式被確定為我國土壤的首要污染物[1]。鎘是一種非常容易被水稻累積的重金屬元素，具有很強的遷移性而且有嚴重的危害性[2]。據報道，我國每年由于土壤Cd污染的農產品超標達 14.6億kg[3]，水稻是我國最重要的糧食作物之一，稻谷產量占全國谷物總產量的40%以上[4]。目前，稻田鎘污染已經成為嚴重影響糧食安全生產的問題。Cd在土壤中因其高毒性和高移動性，采用傳統物理或化學方法治理不僅成本高、周期長，且更易造成二次污染[5]。施肥作為農業生產中的增產措施，對土壤中重金屬的生物有效性有顯著的影響。水稻(OryzasativaL.)由于具有生物量大、適應性強、栽種技術成熟及遺傳性狀穩定等特點，也有國外學者利用水稻Cd高積累材料進行Cd污染農田修復[5]。有報道顯示，高鎘條件可以抑制植物生長導致減產，鎘還會通過營養元素影響植物的氣孔開放、蒸騰和光合作用，進入植物體后與相關酶結合抑制植物對水分的吸收和運輸，抑制光合作用、呼吸作用及其他生理功能等[6]，也有報道稱鎘在低濃度下，能刺激作物的生長和發育[7]。氮素是作物生長和產量品質形成所必需的重要元素。采取有效措施減少污染土壤中鎘進入植物的可食部位是關系到人體健康及農業持續發展的重要問題。

氮肥對土壤鎘的影響已有大量研究報道，但關于氮肥施入對不同鎘水平條件下土壤鎘遷移轉化及其生物有效性的報道還比較少。尤其是關于高Cd條件下施用氮肥對水稻生長以及重金屬Cd在水稻植株中分布趨勢的影響的報道較少。本研究通過設置不同的鎘污染水平，以稻田土壤為對象，通過氮肥的施入研究不同梯度濃度Cd條件下，土壤鎘的形態轉化特征以及水稻各器官對鎘吸收的影響。為通過農藝措施調控對重金屬污染稻田實現邊修復邊利用的原則提供重要的參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為湘晚秈13號。試驗用土壤采自中國農業科學院麻類研究所10 hm2試驗基地的黃泥土(酸性土壤)。試驗時間為2015年4—10月，試驗用肥料為市場上常規的商品肥料。試驗用土壤和肥料基本化學性質及總Cd含量見表1。

表1 供試土壤和肥料主要理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用室外盆栽試驗，設置5個處理：CK(對照)、NT(模擬鎘污染濃度為5 mg/kg)、LT(模擬鎘污染濃度為 5 mg/kg)、MT(模擬鎘污染濃度為10 mg/kg)、HT(模擬鎘污染濃度為20 mg/kg)。每個處理設3個重復，共15盆。CK、NT不施肥，其他處理施氮150 kg/hm2、磷(P2O5)67.5 kg/hm2、鉀(K2O)225 kg/hm2。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配制成溶液加入土壤中。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 測定項目及方法

1.3.1 氧化還原電位(Eh)值、pH值測定方法 Eh值用氧化還原電位測定儀(ORP)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(水土比2.5 mL ∶1.0 g)。

1.3.2 重金屬形態提取及測定方法 Cd形態的提取方法見表2。鎘含量的測定采用原子吸收光譜法。

表2 重金屬BCR連續化學提取法

1.4 數據分析

采用SPSS 20.0及Excel 2007軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 施用氮肥對不同鎘污染水平下pH值的影響

由圖1可知，鎘污染土壤中施用氮肥降低了土壤的pH值。pH值在污染土壤中的變化幅度要大于沒有污染的土壤，其中中度污染土壤中pH值的變化趨勢與其他處理不同。水稻收獲后土壤pH值的大小為LT>HT>MT>CK=NT。

2.2 施用氮肥對不同鎘污染水平下Eh值的影響

由圖2可知，鎘污染土壤在水稻的拔節期前，土壤Eh值都高于沒有污染土壤，但在水稻生育后期，污染土壤的Eh值要低于沒有污染土壤，施用氮肥的高鎘污染土壤中的Eh值在水稻生育期的變化要大于其他處理。中低鎘污染水平Eh值的變化趨勢與CK一致。水稻收獲后，土壤Eh值的大小順序為NT>CK>LT>MT>HT。高鎘污染土壤中的Eh值比CK處理低16.9%。

2.3 不同處理對水稻各部位含鎘量的影響

水稻收獲后，根、莖、籽粒中鎘的濃度及含量如表3所示，整個生育期施用化學氮肥后發現水稻根、籽粒中鎘的濃度隨著鎘污染程度的增加而增加。在低鎘污染水平下，籽粒中鎘的濃度是沒有污染土壤中的籽粒鎘濃度的近3倍，根中鎘的濃度達到了未污染土壤的10倍。鎘污染濃度為20 mg/kg的土壤中，水稻收獲后，籽粒中鎘的濃度達到了0.731 mg/kg。鎘的吸收主要集中在水稻的根部。高鎘污染沒有提高水稻中鎘的轉運系數。水稻收獲后，各部位鎘的含量，以根部截留最為明顯。在本研究中，在高鎘污染水平條件下，施用氮肥對水稻的產量變化幅度影響較小，鎘對水稻生長的毒害作用并沒有體現出來。

表3 不同處理對水稻各部位鎘含量的影響

土壤中鎘的形態變化如圖3所示，可見外源鎘的添加增加了水稻土壤中可交換態鎘的含量。在鎘污染條件下，施用氮肥對各污染水平條件下土壤中鎘形態的變化趨勢影響較小。但污染土壤中鎘的形態變化趨勢與沒有污染土壤中鎘的形態變化趨勢不同，水稻收獲后，CK處理土壤中殘余態鎘的比重要大于其他處理。施用氮肥處理條件下， 中高度鎘污染水平(≥10 mg/kg)水稻收獲后土壤中殘余態鎘比重要大于低度鎘污染土壤。

3 討論

土壤中Cd的生物有效性受多種因素的影響，土壤中鎘含量、土壤pH值和氧化還原電位等都會影響植物對鎘的吸收。研究表明，施用氮肥能改變土壤中的理化性質，明顯增加植物中重金屬的濃度[8]。本研究在水稻的生育后期，污染土壤的Eh值要低于沒有污染的土壤。選取不同水稻品種，根據GB 2762—2005《食品中污染物限量》對大米中Cd的限量標準(≤0.2 mg/kg)，水稻土土壤總Cd含量臨界值分別為2.0、3.1 mg/kg，其中土壤中Cd含量是影響作物Cd吸收的主要因子[9]。絕大多數作物對Cd的吸收隨土壤中Cd濃度的升高而增加，作物體內Cd濃度與土壤中總Cd含量和有效Cd含量都呈顯著正相關[10]。本研究中水稻根、莖、籽粒鎘含量隨土壤鎘濃度的增加而增加。大量研究認為，低濃度重金屬對植物有積極的“刺激作用”，但這種刺激作用受到濃度的限制[11]。曾翔等報道，有些水稻品種在鎘處理濃度為10 mg/L時，處理組根系數量、最大根系長度和發芽率等指標高于對照組，表明此處理濃度對種子的萌發具有促進作用[12]。當鎘濃度為3 mg/L時，植物發芽率顯著降低，根短、根少，根尖的顏色略呈紅褐色，對植物根系生長產生毒害作用[13]。水稻根系吸收土壤環境中的鎘并最終積累在稻米中，在鎘含量為 20 mg/kg 的土壤中，水稻根系的生長并沒有受到鎘的毒害作用。水稻收獲后，鎘吸收主要集中在根部。鎘濃度的增加使得蔬菜中的鎘濃度也增加，但差異性不顯著[14]。研究表明，水稻品種的鎘耐性與其吸收鎘相對較少或向地上部運輸比例較低有關[15]。高鎘污染沒有提高水稻中鎘的轉運系數。施入生物炭在中低鎘污染水平下，根際與非根際土壤中鎘形態變化趨于一致但鎘形態含量存在差異。在高鎘污染水平下，生物質炭引起根際與非根際土壤中鎘形態變化但不顯著[16]。施用氮肥處理條件下，中高度污染水平(≥10 mg/kg)水稻收獲后土壤中殘余態鎘比重要大于低度污染土壤。

4 結論

施用氮肥在高鎘污染土壤中的Eh值在水稻生育期的變化要大于其他處理。鎘的吸收主要集中在水稻的根部。施用氮肥在中高度污染水平(≥10 mg/kg)水稻收獲后土壤中殘余態鎘比重要大于低度污染土壤。