治理式休耕對“長株潭”鎘污染稻田土壤理化特性及鎘含量的影響

谷雨，蔣平，李明德*，吳海勇，唐珍琦，周峻宇，李志明，劉瓊峰

（1.湖南省土壤肥料研究所，長沙 410126；2.湖南省土壤肥料工作站，長沙 410006）

隨著近代農業生產技術的革新和化肥的大量使用，農田遭到過度開發和超負荷耕種，這一方面提高了農業生產水平、增加了糧食產量，實現了我國糧食產量“十二”連增[1]；另一方面也造成了土壤肥力下降、土壤酸化及耕作層變淺等一系列土壤退化問題，嚴重制約我國農業的可持續發展。此外，農田土壤污染也是危害農業健康發展的嚴重障礙。目前，農田土壤鎘污染已經成為全球性問題：①歐洲有數百萬公頃的土地已遭受鎘、汞、砷等重金屬污染[2]；②日本約有7 000 hm2的農田遭到鎘、銅等重金屬的污染[3]；③我國現階段受到鎘、錳、汞等重金屬污染的土地約有2×105km2，直接造成約107t 的糧食損失，經濟損失高達2×1011元[4]。因此，治理農田土壤退化、控制農田土壤鎘污染已迫在眉睫。

休耕作為一種使耕地休養生息的耕作制度，可以有效地調節土壤理化性質、改善土壤肥力[5-7]。國外學者Eduardo 等[8]將休耕措施應用于堅果林，從而有效提高了堅果的生產力。Papatheodorou 等[9]則發現休耕措施改善了土壤微生物狀況。而隨著農業環境污染的加劇和現代農業發展的需要，休耕的內容和形式不斷豐富，已有國外學者開始將農田重金屬污染的治理措施和培肥措施與休耕相結合[10-11]。Bauddh 等[12]通過休耕種植蓖麻有效治理了土壤重金屬污染。近年來，我國也開始了對輪作、休耕制度及模式的探索：國務院2016 年發布的《國務院關于印發土壤污染防治行動計劃的通知》明確了我國輪作、休耕制度的工作試點，探索將治理式休耕應用于重金屬污染區域的農田治理中。同時，諸多學者也對輪作休耕的補償機制[13]、內涵意義[1]以及輪作休耕模式[14]開展了研究。當前，已有研究證明在稻田休耕期間，通過對耕地進行合理的養護和治理，可有效地調節土壤酸堿度和土壤物理特性，達到土壤保水保肥的效果[15]。但治理式休耕對污染稻田土壤鎘含量及其生物有效性的影響，以及治理式休耕的治理機制和作用規律尚不明晰。

因此，本研究選取湖南省“長株潭”地區鎘污染的農田作為研究對象，布設29 個試驗監測點，設置對照（正常耕種）、一般式休耕（僅休耕處理）和治理式休耕（休耕+治理措施）三組處理，通過土壤取樣分析研究三種處理對土壤理化性質、土壤全鎘含量及土壤有效態鎘含量的影響，以期為治理式休耕在鎘污染農田的推廣應用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗在寧鄉市、攸縣、醴陵市、湘潭縣、湘鄉市六個縣（市）共設置29 個監測點，監測點詳情見表1。上述6 個縣（市）均位于“長株潭”地區，該地區屬亞熱帶季風性氣候，溫暖潮濕，是多種農產品和經濟作物的生產地。

1.2 試驗設計

試驗始于2018 年，于3 月春耕前設置各監測點，每個監測點面積不低于1 000 m2，將各監測點平均劃分成3 個小區，重新做田埂分隔，田埂高、寬均在30 cm 以上，覆蓋包裹雙層塑料薄膜并插入田面以下40 cm。3 個小區分別為：對照處理（CD），按當地習慣種植雙季稻，并按當地習慣進行常規管理；一般式休耕處理（CS），無治理措施休耕；治理式休耕處理（CV），休耕+施石灰+春季深翻耕+淹水管理+旋耕+種植綠肥，即春季在綠肥翻壓時施石灰750～1 125 kg·hm-2并進行深翻耕，5—9 月進行淹水管理，秋冬季旋耕后種植綠肥。試驗期間其他田間操作一致，均按當地習慣方式進行。

1.3 土壤樣品的采集與分析

本試驗于晚稻收割后，按“S”取樣法采集各監測點的混合土壤樣品，將采集的土壤樣品用樣品袋密封保存，記錄采集時間和地點后帶回實驗室。將土壤樣品去除異物后自然風干，并分成三份分別研磨過10、60目和100目尼龍篩，制成待測樣品備用。在采集樣品的同時，于采樣點使用環刀進行土壤容重樣品采集，將樣品帶回室內測定質量后記錄結果（測定標準為NY/T 1121.4—2006）。

土壤總鎘測定采用王水提取-電感耦合等離子體質譜法測定（HJ 803—2016）；土壤有效態鎘采用DTPA 浸提，火焰原子吸收分光光度法測定（GB/T 23739—2009）；土壤有效態鐵、錳、銅、鋅均采用DTPA浸提，原子吸收分光光度計測定（NY/T 890—2004）；土壤有效硅、有效硫分別采用檸檬酸、磷酸鹽-乙酸浸提，分光光度計測定（NY/T 1121.15—2006，NY/T 1121.14—2006）；土壤交換性鈣、鎂均采用乙酸銨浸提，原子吸收分光光度計測定（NY/T 1121.13—2006）。土壤pH、土壤有機碳、全氮、有效磷和速效鉀均按《土壤農化分析》方法進行測定[16]。

1.4 數據分析

試驗數據使用Excel 2010 進行統計與數據處理，使用Origin 9.0 進行作圖，采用SPSS 17.0 軟件進行方差分析（多重比較方法為Duncan′s 新復極差法），比較不同處理間差異的顯著性水平（α=0.05）。相關性分析通過R version 3.6.1（www.r-project.org）統計軟件進行，采用R 語言程序包gpairs 和Performance analytics完成。

表1 “長株潭”地區休耕監測點基本信息Table 1 Basic information of fallow monitoring points in“Changzhutan”area

2 結果與分析

2.1 治理式休耕對土壤總鎘和有效態鎘含量的影響

土壤中總隔含量是評判土壤中重金屬有效性和環境效益的基礎，也是評價土壤受到鎘污染程度的重要指標。而土壤中具有生物有效性且理化性質活潑的有效態鎘則是土壤鎘污染治理中的重中之重。本試驗中，土壤總鎘含量在CD、CS 和CV 三個處理間并無顯著差異，這是由于休耕和治理式休耕并不能影響土壤鎘總量。而CD、CS 和CV 三個處理的土壤有效態鎘平均含量分別為0.199、0.187 mg·kg-1和0.158 mg·kg-1，CV 處理的土壤有效態鎘顯著低于CD 處理（圖1）。說明在經過治理式休耕處理（即治理措施和休耕措施并用）后，土壤得到了充分的休息和調整，降低了土壤中有效鎘的活性和生物有效性，土壤中有效態鎘含量顯著降低。這有力證明了治理式休耕對降低土壤鎘的生物有效性和治理農田土壤鎘污染的可行性。

2.2 治理式休耕對耕層土壤容重、pH 和陽離子交換量的影響

土壤容重（Bulk density，BD）和陽離子交換量（Cation exchange capacity，CEC）都是表征土壤保水保肥能力的重要指標。由圖2 可知，CD、CS 和CV 處理的土壤容重和CEC 均無顯著差異，而CV 處理下的土壤pH 值顯著大于CD，但CS 處理與CD、CV 處理間的土壤pH 均無顯著差異。其中，CD、CS、CV 處理的土壤容重均值分別為1.20、1.20、1.17 g·cm-3，盡管CD、CS、CV 處理間的土壤容重均值無顯著差異，但CS較CD 處理中值低，而CV 較CS、CD 處理也有下降趨勢。這表明休耕和治理式休耕都有利于降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤保水蓄肥能力。而CD、CS、CV 處理的CEC 均值別分為17.13、16.71、17.83 cmol·kg-1。CV 較CS 處理土壤CEC 有升高趨勢，表明治理式休耕更有利于提高土壤CEC，從而增強土壤保肥和重金屬吸附能力。而CV處理下的土壤pH 值顯著高于CD，則表明治理式休耕不僅改善了土壤保水蓄肥能力，還有效提高了土壤pH值，改善了土壤酸化。

2.3 治理式休耕對土壤養分及交換性鈣、鎂含量的影響

土壤有機質作為植物養分的主要來源，是表征土壤肥力狀況的重要指標。本試驗中，CD、CS 和CV 三個處理的土壤有機質均值分別為40.01、39.45 g·kg-1和46.19 g·kg-1，且CV 處理下的土壤有機質均值顯著大于CD 和CS 處理（圖3），而盡管CS 與CD 處理間土壤有機質均值無顯著差異，但CS 處理的中值低于CD處理。表明普通休耕并不利于土壤有機質的增加，而治理式休耕可以有效地增加土壤有機質，調節土壤養分狀況。此外，從圖3中可知，CD、CS 和CV 三個處理下土壤的全氮、有效磷和速效鉀均無顯著差異。

鈣、鎂不僅是植物生長所需的重要營養元素，還是影響植物重金屬累積的重要因素。本試驗中，CD、CS、CV 處理下的交換性鈣和鎂含量均值分別為23.60、24.03、27.21 mg·kg-1和0.86、0.83、0.99 mg·kg-1（圖3）。其中，CV處理的交換性鈣含量均值顯著大于CD 和CS 處理。而CV 處理下的交換性鎂含量均值和中值也均大于CD 和CS 處理。表明治理式休耕不僅顯著提高了土壤交換性鈣含量，對土壤交換性鎂含量也有積極作用。因此，治理式休耕可以通過提高土壤有機質和交換性鈣含量，有效改善土壤肥力。

2.4 治理式休耕對土壤有效態礦質元素含量的影響

土壤礦質元素是表征土壤肥力的重要指標。由圖4 可知，CV 處理的土壤有效態硫、硅含量顯著大于CD 處理，盡管CV 與CS 處理間無顯著差異，但CV 處理下有效態硫、硅含量的均值和中值均大于CS處理；而CS處理的土壤有效態硫含量顯著大于CD 處理，土壤有效態硅的均值和中值也大于CD 處理，但差異不顯著。此外，CD、CS 和CV 處理的有效態鐵、錳、銅、鋅均無顯著差異。以上結果表明，治理式休耕較普通休耕處理更有效地提高了土壤有效態硫、硅含量，增加了土壤部分礦質元素含量，對改善土壤肥力具有積極作用。

2.5 對照、休耕和治理式休耕土壤理化性質的相關性

本試驗中，治理式休耕對治理鎘污染農田、降低土壤鎘的生物有效性具有顯著效果（圖1）。而土壤中鎘的賦存形態及生物有效性受到土壤各環境因子的影響，土壤有效態鎘含量作為表征土壤鎘活性的重要指標同樣受到各個環境因子的調控。相關性分析（表2）表明，土壤總鎘與土壤理化性質之間并無顯著相關性，但土壤有效態鎘含量與土壤pH 值和土壤有機質含量呈顯著負相關關系；此外，土壤有效態鎘與有效鐵、有效銅和有效鋅含量之間存在顯著正相關關系。而土壤有效態鎘含量占土壤總鎘含量的比例與土壤有機質含量存在顯著負相關關系，與有效銅含量存在顯著正相關關系。這證明了土壤理化性質間存在相互影響，尤其是土壤有機質含量和有效銅含量，研究結果為治理土壤鎘污染、降低土壤鎘的生物有效性提供借鑒。

表2 土壤總鎘、有效態鎘含量及其占比與土壤理化性質的相關性（r）Table 2 Correlation between content and proportion of total cadmium，available cadmium and physicochemical properties of soil（r）

3 討論

近年來，為實現我國重金屬污染農田的耕地資源可持續利用，在我國農田重金屬污染區域開展了治理式休耕（休耕+治理措施：施用生石灰、深翻耕、種植綠肥）制度的探索，以期控制農田重金屬污染、調整農作物種植結構[14]。而治理式休耕不僅可以控制農田土壤中的鎘污染，同時還可以有效提高土壤pH 值。本研究結果表明，治理式休耕處理的土壤pH 均值較不休耕對照和一般休耕分別上升了0.31、0.14 個單位（圖2）。這一方面歸因于治理式休耕中撒施生石灰等治理措施，石灰是提高土壤酸度和降低土壤植物重金屬有效性的有效措施[17-19]，鄧小華等[20]的研究表明，酸性土壤中施用生石灰可以有效提高表土pH 值0.22個單位，Huang 等[21]的研究證明了在酸性稻田連續4年施用生石灰可以有效提高土壤pH 值0.57 個單位。另一方面，治理措施中的種植綠肥措施也是影響土壤pH 的重要因素，李艷等[22]的研究表明，在酸性土壤中種植豆科綠肥可顯著提高土壤pH。因此，在我國南部地區酸性稻田進行治理式休耕可以有效提高土壤pH，治理土壤酸化。

土壤CEC 和交換性鈣、鎂含量是表征土壤陽離子交換性和酸堿緩沖能力的重要指標。本研究中，盡管治理式休耕土壤CEC 含量并未顯著增加，但仍有上升趨勢。而治理式休耕較不休耕對照和一般休耕處理土壤交換性鈣顯著提高15.34%和13.28%，交換性鎂含量提高14.46%和19.49%（圖3）。孟賜福等[23]的研究也發現相似結果，施用生石灰顯著增加了土壤中交換性鈣、鎂含量。這主要歸因于治理式休耕中施用生石灰等措施，生石灰中不僅含有大量氧化鈣，還含有部分氧化鎂，導致土壤鈣、鎂離子增加，從而提高了土壤中交換性鈣、鎂含量。因此，治理式休耕能有效提高酸性土壤中交換性鈣、鎂含量，增強土壤的緩沖能力。

土壤有機質是表征土壤肥力狀況的重要指標。治理式休耕顯著提高了土壤有機質含量，較不休耕對照和一般休耕處理分別顯著提高了15.45%和17.09%（圖3）。同時，治理式休耕還有效提高了土壤中的礦質營養元素硫和硅，有效硫和有效硅較不休耕對照處理顯著提高了15.28%和10.44%（圖4）。這主要歸因于種植綠肥等治理措施，種植綠肥已被證明是提高土壤有機質含量、調節土壤肥力的有效舉措[24]。種植綠肥為土壤提供的新鮮有機物，一方面為土壤帶來了大量營養元素，從而增加了土壤部分礦質營養元素含量；另一方面，還促進了土壤養分循環，調節了土壤有機質的組成和結構特點，并有效提高了土壤微生物量碳、氮和土壤肥力[25]。此外，休耕措施還極大地減少了土壤耕層的人為擾動，減少了土壤養分的流失，并提高了自然水的利用率[26]。因此，治理式休耕可以有效提高土壤有機質含量、調節土壤養分狀況、改善土壤水利用率，從而達到改土培肥的效果。

土壤有效態鎘含量是表征土壤鎘污染危害的直接指標。本研究結果表明，治理式休耕有效降低了土壤有效態鎘含量，較不休耕對照和一般休耕處理分別下降20.60%和15.50%（圖1）。而土壤有效態鎘含量受多種土壤環境因子的影響[27]。通過相關性分析可知，盡管土壤總鎘含量與土壤理化性質間無顯著相關關系，但土壤有效態鎘含量與土壤有機質含量、pH 值之間呈顯著負相關關系，且土壤有效態鎘含量占總鎘比例也與土壤有機質含量存在顯著負相關關系（表2）。究其原因，單一的休耕措施并未將鎘從土壤中運離，且土壤理化性質的變化未能轉移土壤中的鎘，因此土壤總鎘與土壤理化因子間不存在顯著相關性。而土壤有機質主要通過直接吸附、離子交換等作用促使土壤有效態鎘與其結合形成有機結合態鎘，從而降低土壤鎘的活性態含量和生物有效性[28]。另一方面，土壤pH值被認為是影響植物吸收土壤中鎘的關鍵環境因子，對土壤溶液中鎘的溶解度和形態分布具有重要影響[29]。土壤pH 值的升高增加了土壤膠體表面負電荷，從而提升土壤膠體對鎘的吸附作用，降低土壤鎘的生物有效性，進而導致土壤總鎘和有效鎘與土壤理化性質呈現出截然不同的相關性關系。

綜上所述，治理式休耕通過撒施生石灰和種植綠肥等治理措施，提高了土壤有機質含量和pH值，從而有效降低了土壤有效態鎘含量。

4 結論

（1）治理式休耕顯著改善了土壤養分狀況，顯著提高了土壤有機質及多種礦質營養元素含量，達到了改土培肥的效果。同時，治理式休耕還顯著提高了土壤pH值和土壤交換性鈣、鎂含量，從而有效調節土壤酸化，增強土壤的緩沖能力。

（2）治理式休耕通過影響土壤有機質含量和pH值等理化性質，顯著降低了土壤有效態鎘含量，有效減輕了農田土壤鎘污染的危害。

（3）在“長株潭”地區開展的治理式休耕，不僅有效治理了農田土壤鎘污染及土壤肥力退化，同時，為鎘污染農田區域的休耕制度探索提供了借鑒經驗。