鎘低積累品種與調理劑降低黑色巖系農田水稻鎘吸收的效果

項佳敏,謝國雄,章明奎*

(1.浙江大學 環境與資源學院,浙江 杭州 310058;2.浙江省杭州市植保土肥總站,浙江 杭州 310020)

原環境保護部的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示,中國耕地土壤重金屬等污染物點位超標率達19.4%,輕微、輕度、中度與重度污染點位的比例分別為13.7%、2.8%、1.8%及1.1%,并以鎘的污染最為突出。據相關報道[1～3],中國污染或超標耕地主要分布在南方的湘鄂皖贛區、閩粵瓊區與西南區。土壤中重金屬有自然來源和人為活動等兩大污染源,根據《中國耕地地球化學調查報告》(2015),耕地土壤重金屬超標的主要原因是地質高背景、成土過程次生富集和人類活動,其中,湘江上游地區、西南巖溶區等土壤重金屬超標80%以上是由區域地質高背景與成土風化作用引起的[4～6]。為了治理耕地土壤重金屬的污染問題,國內許多科研單位對重金屬污染耕地的修復技術做了大量的探討[7～12],近年來提出了分類治理的思路,在生產鎘含量達0.2～0.4 mg/kg的大米的農田推行達標生產;在生產鎘含量高于0.4 mg/kg的大米的農田推行作物替代種植區,改種非直接食用、非口糧的農作物。研究者和農田管理部門建議的用于糧食安全生產的技術主要有農藝調控措施和鈍化修復技術。常用的農藝調控措施主要指水分管理、施肥調控、低累積品種替換、調節土壤pH值等[13～16];原位鈍化修復技術主要是通過調節土壤的理化性質降低重金屬的生物有效性,從而阻止重金屬從土壤通過植物根部向農作物地上部的遷移累積[17～19]。

黑色巖系是含有較多有機碳及硫化物的暗灰-黑色的硅巖、碳酸鹽巖、泥質巖及其相應變質巖石組合的總稱,在我國南方地區有較廣泛的分布[20～22]。因其特殊的成因,黑色巖系常含有大量重金屬元素以及硒、硫、砷、汞等(其中以鎘的積累最為明顯),其出露地表風化可形成重金屬地質高背景土壤[23]。在南方的高溫、高濕地區，這些土壤可呈明顯的酸性,從而加重土壤重金屬的污染風險,直接影響其上生產的農產品的安全。黑色巖系上形成的土壤中的重金屬主要來自成土母質本身[23,24],與外源污染土壤有一定的差異。當前,國內重金屬污染農田修復試驗主要在人為污染源的耕地上進行,而有關黑色巖系等自然形成的污染土壤治理的試驗研究不多。因此,我們探討了鎘低積累品種與土壤調理劑相結合的方法對控制黑色巖系農田水稻鎘吸收的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

供試土壤為寒武系下統荷花塘組碳質硅頁巖發育的水田,采自浙江省西北部丘陵地區,土壤類型為淹育型水稻土。供試土壤鎘含量為0.87 mg/kg,其基本性狀見表1。

表1 試驗土壤的基本性狀

1.2 盆栽試驗

盆栽試驗于2018年5月至10月在溫室內進行,為2個水稻品種與5種土壤處理方式的組合,共10個處理(表2)。2個水稻品種分別為秀水519和浙優18,其中秀水519為鎘低積累品種;5種土壤處理方式包括不施調理劑、施用石灰石粉4500 kg/hm2、施用硅肥(硅鈣鎂鉀肥,下同)3000 kg/hm2、施用生物質炭4500 kg/hm2和施用石灰石粉2250 kg/hm2+硅肥1500 kg/hm2。盆栽試驗在直徑為30 cm、高為30 cm的塑料容器中進行,每盆裝土量為10 kg,重復3次。在試驗前根據以上試驗處理設置的調理劑用量(每公頃土重量以2250000 kg計),添加調理劑并與土壤充分混勻,每盆分別施N(尿素)、P(磷酸二銨)和K(硫酸鉀)1.0、0.6和1.0 g作為底肥。水稻采用移栽方式,每盆3株。在分蘗期加施肥料1次,施用量同底肥。在試驗結束時(水稻黃熟期)分別采集土壤樣品和水稻樣品,分析土壤中鎘的化學形態;先用自來水沖洗采集的水稻植株樣品，以去除附著的土壤和其他雜物,然后再用去離子水沖洗植株。將經沖洗的植株按器官分為根、莖、葉、稻殼和糙米等5個部分,用于鎘含量分析。所有處理的水分管理等其他管理措施相同。

1.3 分析方法

土壤pH值采用常規方法[25]測定。土壤有機質含量采用元素分析儀測定。對植物樣品用高氯酸消化法消化,用石墨爐-原子吸收光譜法測定鎘含量。土壤中的全鎘含量用鹽酸-硝酸-高氯酸消解,用石墨爐原子吸收分光光度法測定。土壤中有效態鎘含量用DTPA方法(0.005 mol/L, pH 7.3,土液比1∶5,振蕩2 h)提取,用石墨爐-原子吸收光譜法測定。土壤鎘分級參考Amacher程序[26],共分為水溶性、交換態、碳酸鹽結合態、氧化物結合態、有機質結合態和殘余態等6種組分,順次用去離子水、0.01 mol/L Mg(NO3)2、1 mol/L NaOAc (pH 5.0)、0.2 mol/L草酸銨+0.2 mol/L草酸+0.1 mol/L抗環血酸(pH 3.3)和30% H2O2(pH 2.0)提取水溶性、交換態、碳酸鹽結合態、氧化物結合態、有機結合態鎘。殘余態鎘含量用HNO3-HClO4-HF三酸消化提取,提取液中鎘濃度用石墨爐-原子吸收光譜法測定。6種組分的生物有效性:水溶性>交換態>碳酸鹽結合態>氧化物結合態、有機質結合態>殘余態。采用Microsoft Excel 2003處理分析試驗數據,差異顯著性統計分析在DPS 3.0軟件上實現。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤鎘形態的影響

表3表明,4種調理劑處理均可改變土壤鎘的化學形態,降低土壤水溶性鎘和交換態鎘含量,增加土壤碳酸鹽結合態鎘含量,輕微增加土壤殘余態鎘含量,但對有機質結合態和氧化物結合態鎘含量的影響較小。說明4種調理劑均可促進土壤水溶性鎘和交換態鎘向碳酸鹽結合態鎘或殘余態鎘的轉變。降低水溶性鎘和交換態鎘含量的效果以施用石灰最為明顯,其次為施用石灰石粉+硅肥;增加碳酸鹽結合態鎘含量的效果以施用石灰最為顯著。在施用硅肥后,土壤中殘余態鎘含量增加最為明顯。與對照比較,施用石灰石粉、硅肥、生物質炭和石灰石粉+硅肥后,土壤水溶性鎘含量分別下降了43.06%、31.94%、26.39%和40.28%;土壤交換性鎘含量分別下降了46.62%、42.21%、30.76%和45.10%;土壤碳酸鹽結合態鎘含量分別增加了237.78%、101.48%、63.70%和98.52%;土壤殘余態鎘含量分別增加了-0.35%、5.50%、2.57%和0.68%。

表2 試驗處理設置情況

表3 調理劑對土壤鎘形態的影響 %

4種調理劑的施用均增加了土壤pH值,顯著降低了土壤有效鎘含量,并以施用石灰石粉處理對土壤pH值的增加和有效鎘的降低的效果最為顯著，施用石灰石粉+硅肥處理的效果次之。與對照相比,施用石灰石粉、硅肥、生物質炭和石灰石粉+硅肥后,土壤有效鎘含量分別下降了24.4%、15.85%、18.58%和21.31%(表4)。

表4 不同調理劑處理對土壤pH值和有效鎘含量的影響

2.2 不同處理對水稻產量和鎘吸收的影響

從表5可以看出，4種調理劑的施用均增加了水稻的產量,其中浙優18的產量明顯高于秀水519的。產量最高的為施硅肥處理,其次為石灰石粉+硅肥處理。水稻吸收的鎘在浙優18中明顯高于秀水519,說明種植低積累鎘品種可明顯降低水稻中鎘的積累。秀水519的根、莖、葉、稻殼和糙米中鎘的含量分別比浙優18下降了18.64%～32.92%、31.33%～48.69%、30.99%～37.61%、39.91%～47.27%和45.90%～57.24%。

無論是根、莖、葉中的鎘含量,還是稻殼和糙米中的鎘含量,在施用4種調理劑后均有明顯的下降,但不同調理劑降低水稻各部位鎘含量的程度有所差異。對于降低根和莖中的鎘含量來說，最佳的處理為施用石灰石粉,其次為施用生物質炭;而對于降低葉、稻殼和糙米中的鎘含量而言,以施用石灰石粉+硅肥的效果最為明顯,其次為施用硅肥。對于浙優18,施用石灰石粉、硅肥、生物質炭和石灰石粉+硅肥后,根中鎘含量較對照分別下降了26.05%、11.75%、19.29%和13.12%,莖中鎘含量分別下降了29.14%、19.11%、26.27%和22.13%,葉中鎘含量分別下降了37.50%、32.07%、25.36%和43.12%,稻殼中鎘含量分別下降了40.63%、36.20%、30.21%和49.74%,糙米中鎘含量分別下降了34.26%、28.69%、24.70%和42.23%;對于秀水319,施用石灰石粉、硅肥、生物質炭和石灰石粉+硅肥后,根中鎘含量較對照分別下降了39.03%、19.58%、30.75%和26.48%,莖中鎘含量分別下降了47.06%、33.50%、40.69%和38.48%,葉中鎘含量分別下降了34.32%、31.59%、29.10%和42.28%,稻殼中鎘含量分別下降了34.12%、29.89%、25.04%和42.72%,糙米中鎘含量分別下降了46.17%、41.06%、35.60%和54.34%。

表5 不同調理劑對水稻產量和各器官中鎘積累的影響

3 討論

以上結果表明,水稻品種和調理劑均可影響水稻中鎘的積累。種植鎘低積累水稻品種秀水519,與雜交水稻浙優18比較,其根、莖、葉、稻殼和糙米中鎘含量均有明顯的減少,其中糙米中鎘含量下降率達45.90%～57.24%。有關利用鎘低積累品種控制農產品中鎘的水平已有較多的研究報道[10,13]。本研究的結果也證實,在黑色巖系農田中種植鎘低積累品種可有效地降低糙米中鎘的積累,降低鎘污染風險。

本試驗結果也表明,4種調理劑均能明顯降低不同品種水稻中鎘的積累量,但其機理有所差異,施用石灰石粉主要通過提高土壤pH值、降低土壤鎘活性而減少水稻對鎘的吸收;施用生物質炭可增加土壤pH值和增強對土壤活性鎘的吸附,降低土壤鎘的生物有效性；施用硅肥也可明顯提高土壤的pH值。本試驗結果還表明,雖然4種調理劑均可降低水稻各器官中鎘的含量,但是不同調理劑對水稻各器官中鎘含量的降低效果有所差異。對水稻根和莖中鎘積累的降低效果最為明顯的是施用石灰石粉和生物質炭,而對水稻葉、稻殼和糙米中鎘積累降低效果最為明顯的是施用石灰石粉+硅肥和石灰石粉。表6的結果表明,施用硅肥可促進水稻莖部硅的含量，這可能與硅在水稻體內的積累可影響鎘在水稻體內的遷移、降低鎘從根向籽粒的遷移有關[26,27]。這一結果表明,根、莖中鎘主要受土壤有效鎘的控制,葉、稻殼及糙米中鎘的水平除受土壤有效鎘的影響外,還受植物硅營養的影響;而施硅可明顯增加土壤有效硅的含量,增加水稻中硅的含量,從而阻隔鎘從根部向地上的遷移。

4 結論

本盆栽試驗結果表明,在鎘超標的黑色巖系農田中,種植鎘低積累水稻品種對降低糙米鎘積累有明顯的效果,秀水519糙米中鎘含量僅為雜交水稻浙優18的50%左右。施用石灰石粉、硅肥、生物質炭和石灰石粉+硅肥等調理劑處理均增加了土壤pH值,改變了土壤重金屬鎘的化學形態,降低了土壤水溶性鎘和交換態鎘含量,增加了土壤碳酸鹽結合態鎘含量,輕微增加了土壤殘余態鎘含量,顯著降低了土壤有效鎘含量,但對有機質結合態和氧化物結合態鎘含量的影響較小。降低根和莖中鎘含量最佳的處理為施用石灰石粉,其次為施用生物質炭;而降低葉、稻殼和糙米中鎘含量的效果以施用石灰石粉+硅肥最為明顯,其次為施用硅肥。施用硅肥可降低鎘由根部向籽粒的遷移。試驗認為,種植鎘低積累品種及施用石灰石粉+硅肥可有效地降低黑色巖系農田生產的糙米中鎘的積累,達到安全生產的目的。

表6 調理劑對土壤中有效硅和水稻莖部硅含量的影響