含腐植酸復合肥料對水稻生長及鎘吸收的影響

張洪江 劉志濤 王永紅 馬曉晶 馬 強

1 龍蟒大地農(nóng)業(yè)有限公司 德陽 618200

2 龍蟒農(nóng)業(yè)技術研究院 德陽 618200

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和各種化學產(chǎn)品、農(nóng)藥及化肥的廣泛使用，農(nóng)田土壤重金屬污染問題日益嚴峻。當前我國受Cd、Hg、As、Cr、Pb污染的耕地面積約2×107hm2，經(jīng)濟損失巨大[1，2]。重金屬污染物對生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構成嚴重威脅[3]。在各種重金屬污染中，鎘（Cd）因分布范圍廣、毒性高、易積累而危害尤為嚴重[2，4]。大量的研究表明，我國土壤、蔬菜、糧食作物受到不同程度的鎘污染[5]，過高的土壤鎘含量導致蔬菜、糧食及經(jīng)濟作物食品安全性降低[4，6]。

水稻是我國的主要糧食作物，鎘污染的案例也已屢見不鮮，為有效預防和治理鎘污染，開展了大量的研究工作[2～5]，其中，腐植酸鉀或腐植酸銨的應用是較為成功的處理辦法之一[7，8]，但因推廣成本高、勞動投入大和公眾認識不足等原因阻礙了其大量推廣應用。因此，與現(xiàn)有常用農(nóng)資產(chǎn)品結合起來是最易實施的途徑。本研究擬通過腐植酸類物質(zhì)與復合肥料結合，探討其結合對肥效、重金屬有效性控制的可行性，為開發(fā)出可廣泛推廣的鎘污染控制的肥料產(chǎn)品提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和供試品種

供試土壤為四川省石亭江沖積潮土，土壤基本理化性質(zhì)：砂質(zhì)，pH 5.72，有機質(zhì)含量13.4 g/kg，堿解氮含量46.2 mg/kg，有效磷含量6.13 mg/kg，速效鉀含量42.7 mg/kg，土壤總鎘含量0.54 mg/kg，有效鎘含量0.12 mg/kg。供試作物為水稻，品種為“川6優(yōu)713”，采用常規(guī)旱育秧方式育苗。

1.2 供試肥料

供試肥料為含腐植酸復合肥料（龍蟒大地農(nóng)業(yè)有限公司研制），由尿素、磷酸一銨、氯化鉀、腐植酸鉀等原料造粒而成，產(chǎn)品N-P2O5-K2O指標為22-8-10中氯，采用GB 15063-2009標準指定的檢測方法，檢測N 22.3%，P2O58.6%，K2O 10.1%，Cl 22.6%，pH 7.2，腐植酸含量按照HG/T 5046-2016的方法測定，活化腐植酸含量為5.2%。普通復合肥料（某公司市售）為不含腐植酸22-8-10中氯產(chǎn)品，采用相同檢測方法，檢測指標為N 22.4%，P2O57.9%，K2O 9.7%，Cl 24.2%，pH 6.3。

1.3 試驗設計

試驗于2018年3月12日至9月5日在龍蟒農(nóng)業(yè)技術研究院試驗基地（四川省德陽市綿竹市遵道鎮(zhèn)保水村）大棚內(nèi)進行。

試驗共設6個處理，3個不添加鎘污染處理：T0，普通復合肥料處理；T1，常量含腐植酸復合肥料處理；T2，減量含腐植酸復合肥料（減量20%）處理；3個添加鎘污染處理：T3，普通復合肥料處理；T4，常量含腐植酸復合肥料處理；T5，減量含腐植酸復合肥料（減量20%）處理。每處理重復6次，試驗處理見表1。添加鎘污染土壤制作方法：將采回的土壤風干后過2 mm篩，每盆裝土12 kg，模擬重度鎘污染狀況，每盆添加鎘（3CdSO4·8H2O）40 mg，與土壤混合均勻后編號并與各施肥處理用肥混合均勻后老化30天。經(jīng)老化后的盆缽采集土壤樣品后加入去離子水，使盆內(nèi)水面保持4～6 cm，培養(yǎng)至5月5日移栽秧苗。每盆移栽水稻3株，試驗期間每2天補水1次，并保持盆內(nèi)水面3～5 cm，于成熟期分別采集每盆全部3株并區(qū)分為根、莖、葉和籽粒部分，籽粒經(jīng)風干稱重后取部分籽粒制備為糙米用于檢測。

表1 各處理重金屬鎘及肥料投入量Tab.1 The amount of Cd and fertilizer inputs of different treatments

1.4 樣品測定和數(shù)據(jù)處理

收獲的根、莖、葉分別烘干至恒重后稱量計產(chǎn)，糙米采用試驗電動礱谷機（京奧JLGJ-45型，浙江臺州）進行制備。植物樣品、糙米粉碎后經(jīng)過硝酸-高氯酸消化，采用ICP-OES（Avio 200，PerkinElmer，美國）測定總鎘含量，采用大米標準物質(zhì)GBW10010（GSB-1）進行檢測結果標定。土壤樣品經(jīng)風干，分別制備過2 mm和過0.149 mm尼龍篩的樣品，取過0.149 mm篩土壤樣品，采用鹽酸-硝酸-高氯酸消化，ICP-OES測定總鎘含量，取過2 mm篩土壤樣品，采用DTPA（二乙基三胺五乙酸）浸提（參照GB/T23739-2009），ICP-OES測定有效鎘含量。鎘轉移系數(shù)用于計量鎘在作物各部位的遷移能力，分別按照莖稈與根系，葉片與莖稈，籽粒與葉片和糙米與籽粒的鎘含量比率進行計算。采用Excel對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)的差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 水稻生物量

不同處理水稻各部位生物量情況見表2。由表可知，未添加鎘污染條件下，與施用普通復合肥料相比，施用常量含腐植酸復合肥料對水稻各部分和總生物量有促進作用，且對根部、莖稈、葉片的生物量促進作用顯著，分別增加13.2%、10.2%、9.7%；減量含腐植酸復合肥料處理條件下，仍對水稻各部位及總生物量有促進作用，且對根部和葉片的生物量促進作用顯著。添加鎘污染條件下，與施用普通復合肥料相比，施用常量含腐植酸復合肥料對水稻各部位和總生物量有促進作用，且對根部、莖稈、籽粒的生物量促進作用顯著，分別為17.6%、9.4%、12.1%；減量含腐植酸復合肥料處理條件下，仍對水稻各部位及總生物量有促進作用，且對根部、莖稈和葉片的生物量促進作用顯著。對比未添加和添加鎘污染的相同施肥量處理，除普通復合肥料處理葉片的生物量外，重金屬鎘污染并未顯著地影響植株各部位的生物量。另外，減量含腐植酸復合肥料處理并未減弱植株的生長和產(chǎn)物形成，說明含腐植酸復合肥料在保證水稻不減產(chǎn)的條件下，可以減少肥料施用量。

表2 不同處理水稻各部位生物量情況Tab.2 Biomass of different parts of rice under different treatments 克 /盆

2.2 水稻植株的鎘積累

不同處理水稻各部位鎘含量的差異見表3。由表可知，6個處理均為水稻根系中的鎘含量最高，并依此由根系、莖稈、葉片向籽粒中遞減。土壤添加鎘污染后，水稻各部位鎘含量顯著增加。未添加鎘污染的處理中，與普通復合肥料處理相比，施用常量和減量含腐植酸復合肥料處理的水稻各部位鎘含量均無顯著差異。在添加鎘污染的處理中，與普通復合肥料處理相比，常量含腐植酸復合肥料顯著地降低了水稻根部、莖稈、葉片和籽粒中的鎘含量，其抑制率分別達到31.0%、20.3%、31.7%和21.4%，減量含腐植酸復合肥料處理條件下，水稻根系、葉片和籽粒中的鎘含量均顯著降低，而莖稈中鎘含量降低不顯著。綜上說明，腐植酸對鎘的吸收和轉移有控制作用。

水稻各部位鎘的積累體現(xiàn)鎘的吸收和轉移能力，不同處理水稻各部位鎘積累量的變化見表4。由表可知，在未添加鎘污染的處理中，水稻莖稈中鎘積累量最大，在添加鎘污染的處理中，水稻根部的鎘積累量最大，表明在鎘污染情況下，水稻植株表達出控制鎘轉移的能力。在未添加鎘污染的處理中，與普通復合肥料處理相比，施用常量含腐植酸復合肥料能使水稻根部、籽粒、總鎘積累量顯著降低，而莖稈和葉片鎘積累量降低不顯著；減量含腐植酸復合肥料處理能使植株根部、籽粒及植株總鎘積累量顯著降低，而葉片鎘積累量降低不顯著。在添加鎘污染的處理中，與普通復合肥料處理相比，施用常量含腐植酸復合肥料能使水稻根部、莖稈、葉片、籽粒及植株總鎘積累量顯著降低，減量含腐植酸復合肥料處理能使水稻根部、莖稈、葉片、籽粒鎘積累量顯著降低，而總鎘積累量降低不顯著。不同鎘污染條件下，常量與減量含腐植酸復合肥料處理各部位和總鎘積累量無顯著差異，但積累量數(shù)據(jù)前者低于后者，說明抑制鎘吸收的能力與腐植酸的添加量正相關。

表3 不同處理水稻各部位鎘含量差異Tab.3 Difference of Cd content in different parts of rice under different treatments mg/kg

表4 不同處理水稻各部位鎘積累量的變化Tab.4 Variation of Cd accumulation in different parts of rice under different treatments 微克 /盆

2.3 水稻糙米鎘含量

不同處理水稻糙米鎘含量見圖1。由圖可知，在未添加鎘污染的各處理中，水稻糙米的鎘含量差異不顯著，且均低于糙米中鎘含量的限量標準（GB 2762-2017）0.2 mg/kg。說明，處于低鎘含量的酸性土壤中，水稻食用部位的鎘超標風險低。在添加鎘污染的各處理中，水稻糙米鎘含量均超過0.2 mg/kg的安全標準，普通復合肥料處理的糙米鎘含量最高，施用常量和減量含腐植酸復合肥料處理使水稻糙米中鎘含量分別比普通復合肥料處理減少38.2%和34.4%，差異達到顯著水平。

圖1 不同處理水稻糙米鎘含量Fig.1 Cd content of brown rice under different treatments注：圖中不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。

2.4 鎘的轉移

不同處理水稻鎘轉移系數(shù)見表5。由表可知，未添加鎘污染的處理，水稻鎘的轉移以葉片向籽粒的轉移系數(shù)最高，以根部向莖稈處轉移系數(shù)最低；添加鎘污染的處理，除普通復合肥料的處理，水稻鎘的轉移以葉片向籽粒的轉移系數(shù)最高，3個處理均以根部向莖稈處轉移系數(shù)最低。與未添加鎘污染的處理相比，添加鎘污染的處理鎘轉移系數(shù)均顯著降低，以葉片向籽粒的轉移系數(shù)降低幅度最大。

表5 不同處理水稻鎘轉移系數(shù)Tab.5 Transfer coefficients of Cd between different parts of rice under different treatments

3 討論

重金屬污染是困擾農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要因素之一，探索重金屬防控的有效辦法是研究和社會關注的熱點。研究表明，腐植酸可與重金屬發(fā)生鈍化效應，有效降低重金屬的植物吸收和可食用部位的食用風險[9]。重金屬鎘對水稻造成生長、生育障礙的濃度要求高[10，11]，本研究結果也表明鎘污染并未對水稻生長和發(fā)育構成明顯威脅，但與低濃度鎘污染土壤相比，土壤添加鎘處理會促進水稻對鎘的吸收。

已有研究表明，腐植酸能降低作物的鎘吸收和轉移[5，12，13]，本研究也證明添加腐植酸可抑制水稻對鎘吸收和轉移。土壤施用含腐植酸復合肥能夠保證復合肥的增產(chǎn)功效，還顯著降低水稻根系、莖稈、葉片和籽粒的鎘含量，這可能與腐植酸為有機物質(zhì)和含有豐富官能團有關。研究表明，有機物質(zhì)通過其配位或螯合作用影響重金屬活性[14，15]。比較發(fā)現(xiàn)，施用腐植酸復合肥料比施用普通復合肥料可減少水稻植物鎘積累量18.1%，其中籽粒中的積累量減少26.0%。

根據(jù)國家標準GB 2762-2017（食品安全國家標準 食品中污染物限量），糙米中鎘含量以不超過0.2 mg/kg作為國家建議的衛(wèi)生安全限度，因此有必要采用技術手段降低其含量。大量的研究表明，硅、合成制劑、有機質(zhì)或其他堿性物質(zhì)均可降低植物對鎘的吸收。不過，這些技術始終存在著運用難度高、二次污染風險大或轉化成本過高的問題，包括單質(zhì)的腐植酸鹽類。將具備有效控制重金屬的物質(zhì)直接融入復合肥料將大大降低運用難度，本研究通過含腐植酸復合肥料的運用，雖投入量并不大，使糙米的重金屬含量減少超過30%，表明腐植酸與復合肥結合控制作物的重金屬吸收具有可行性。

另外，減量含腐植酸復合肥料處理中發(fā)現(xiàn)，在減少含腐植酸復合肥料施肥量20%的情況下，仍與普通復合肥料具有相近的生物量和產(chǎn)量，且具有顯著的抑制鎘吸收和轉移的表現(xiàn)，這體現(xiàn)了含腐植酸復合肥產(chǎn)品具有提高肥料利用效率的作用，也表現(xiàn)其抑制植物重金屬的吸收作用，為進一步探討化肥減量及優(yōu)化腐植酸與復合肥的配比提供了支撐。

4 結論

（1）土壤施用含腐植酸復合肥料可顯著提高水稻根系生物量和籽粒產(chǎn)量，與普通復合肥料相比，減量含腐植酸復合肥料處理對水稻籽粒產(chǎn)量有增產(chǎn)但不顯著，與常量含腐植酸復混肥料相比，減量含腐植酸復合肥料處理對水稻籽粒產(chǎn)量有減產(chǎn)但不顯著。

（2）在添加鎘污染的處理中，常量和減量施用含腐植酸復合肥料與普通復合肥料相比，顯著降低了水稻根部、葉片和糙米中的鎘含量，降低了鎘的轉移能力。

（3）腐植酸與復合肥料有效組合，可用于水稻種植中控制土壤重金屬和化肥減量，組合優(yōu)化方式仍待研究。