不同農藝調控技術對土壤pH值、稻米砷富集和產量差異的研究

任樹友，王 科，張 成，謝 勇

(成都市農業技術推廣總站，四川 成都 610041)

隨著我國工農業的快速發展，農田和作物重金屬污染日趨嚴重，土壤污染導致農產品重金屬超標威脅到人類健康[1]。2014年環境保護部和國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》中顯示，砷污染物點位超標率達到 2.7%，在所有無機污染物中超標率僅次于重金屬鎘的7.0%[2]。國際癌癥研究機構早已確認砷為一類致癌物質。研究表明，三價和五價砷化合物都是高毒性的物質[3-4]，可導致人體皮膚、心肌、呼吸、消化、神經、造血以及免疫系統不同程度的損傷，嚴重時導致多器官及組織的癌變。砷對植物的危害主要是阻礙植株內水分的運行，影響植物對水分和營養的吸收，使作物生長發育受到抑制，同時造成葉綠素的破壞[5]。例如對水稻的影響較為嚴重，影響產量并造成水稻含砷高[6]。由于多數情況下, 砷在土壤中以砷酸根的形式存在, 與其他金屬離子呈正價態不同。當土壤呈酸性時, 砷大多以H2AsO42-的形式存在;當土壤呈堿性時,砷在土壤中大多以H2AsO42-的形式存在。這是因為土壤pH比較低時, 土壤膠體中吸附的正電荷增加, 為了使膠體電荷平衡, 會吸附更多的砷離子[7]。成都平原土壤砷污染物點位超標率遠低于全國平均水平，并未對人體健康構成直接危害，但我們采用不同農藝調控技術提高土壤pH，降低土壤重金屬鎘生物有效性的同時，可能對土壤中類金屬砷的存在形式及生物有效性帶來影響，增加農產品中砷的含量，增加農產品安全風險。因此，本研究以大田小區試驗的方式，設置五種不同的農藝調控技術處理來種植水稻，研究不同農藝調控技術對土壤pH、稻米砷富集和產量差異的影響，為成都耕地安全利用與治理示范提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地處于亞熱帶濕潤季風氣候區，岷江中上游川西平原西北部。土壤類型為滲育型灰棕潮田。試驗前采集0～20cm耕層土樣，土壤化驗結果：有機質40.5g/kg、全氮2.11g/kg、有效磷17.6mg/kg、速效鉀210mg/kg、陽離子交換量10.6cmol/kg、pH值5.63、總鎘0.49mg/kg、總鉛46.6mg/kg、總汞0.19mg/kg、總鉻43.1mg/kg、總砷21.4mg/kg和總銅30.1mg/kg。根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)，試驗地土壤僅有重金屬鎘輕度超標，其他重(類)金屬指標均低于風險管控標準值。

1.2 供試水稻品種

本試驗水稻品種為成都平原播種面積較大的宜香優2115。

1.3 供試肥料

本試驗施用的肥料：尿素、過磷酸鈣、氯化鉀、氯鉀型三元復合肥、土壤調理劑、石灰和生物有機肥。肥料重金屬檢測結果均符合國家肥料中砷、砷、鉛、汞生態指標要求(表2、表3)。

表1 試驗地土壤砷鎘化驗結果

表 2 供試肥料化驗結果(g/kg、mg/kg)

表3 GB/T23349-2009肥料中砷、鎘、鉛、汞、鉻生態指標 (mg/kg)

1.4 試驗設計

試驗采取完全隨機區組設計，設置6個處理，每個處理3次重復。每個小區面積20m2；小區間筑30cm寬、25cm高隔離土埂，重復間筑30cm寬、25cm高隔離雙土埂，雙土埂間開30cm寬、25cm深與田間進排水口相連的灌排溝，用塑料薄膜覆蓋土埂防止小區間肥水滲串，每個小區均設置灌排制口。試驗地塊周圍留足200cm以上保護行。

本試驗于2020年4月7日開始育苗，5月25日移栽，9月15日采樣收獲。栽培規格、種植密度、病蟲防治、灌溉、曬田均按當地習慣與水稻生長實際需求進行常規田間管理。

T1常規處理(N 10.31+P2O57.50+K2O 14.25)kg/667m2：底肥：施用三元復合肥(15∶15∶15)35kg/667m2，過磷酸鈣18.75kg/667m2；追肥：返青期施用尿素6kg/667m2；拔節期施用尿素5kg/667m2，氯化鉀15kg/667m2。

T2土壤調理劑處理(N 10.31+P2O57.50+K2O 14.25)kg/667m2：水稻移栽前一周，淹水施用土壤調理劑100kg/667m2與耕層土壤混合均勻。底肥：施用三元復合肥(15∶15∶15)35kg/667m2，過磷酸鈣18.05kg/667m2；追肥：返青期施用尿素6kg/667m2；拔節期施用尿素5kg/667m2，氯化鉀15kg/667m2。

T3石灰處理(N 10.31+P2O57.50+K2O 14.25)kg/667m2：水稻移栽前一周，淹水施用石灰100kg/667m2與耕層土壤混合均勻。底肥：施用三元復合肥(15∶15∶15)35kg/667m2，過磷酸鈣18.75kg/667m2；追肥：返青期施用尿素6kg/667m2；拔節期施用尿素5kg/667m2，氯化鉀15kg/667m2。

T4生物有機肥處理(N 10.31+P2O57.50+K2O 14.25)kg/667m2：底肥：施用生物有機肥200kg/667m2、三元復合肥(15∶15∶15)35kg/667m2，過磷酸鈣18.75kg/667m2；追肥：返青期施用尿素6kg/667m2；拔節期施用尿素5kg/667m2，氯化鉀15kg/667m2。

T5土壤調理劑+生物有機肥處理(N 10.31+P2O57.50+K2O 14.25)kg/667m2：水稻移栽前1周，淹水施用土壤調理劑100kg/667m2與耕層土壤混合均勻。底肥：施用生物有機肥200kg/667m2、三元復合肥(15∶15∶15)35kg/667m2，過磷酸鈣18.05kg/667m2；追肥：返青期施用尿素6kg/667m2；拔節期施用尿素5kg/667m2，氯化鉀15kg/667m2。

T6石灰+生物有機肥處理(N 10.31+P2O57.50+K2O 14.25)kg/667m2：水稻移栽前1周，淹水施用石灰100kg/667m2與耕層土壤混合均勻。底肥：施用生物有機肥200kg/667m2、三元復合肥(15∶15∶15)35kg/667m2，過磷酸鈣18.05kg/667m2；追肥：返青期施用尿素6kg/667m2；拔節期施用尿素5kg/667m2，氯化鉀15kg/667m2。

1.5 樣品采集及小區測產

2020年9月15日，采用S形布點采樣各小區水稻籽粒12穴(不取邊行)裝網袋編號晾曬，自然風干；并采集每個小區土壤樣品。待籽粒取樣后，各小區單獨進行收割，現場測定每小區產量(濕重)，水分檢測儀現場檢測水稻籽粒水分含量，折算成標準水分含量后進行產量換算。

1.6 測定指標及方法

測定指標包括稻米砷含量、土壤pH值、土壤總砷。稻米砷的測定按照《食品安全國家標準 食品中總砷及無機砷的測定》(GB/ 5009.11-2014)，土壤總砷的測定按照《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第2部分：土壤中總砷的測定》(GB/T22105.2-2008)，儀器使用原子熒光分光光度計(AFS-930)。采用賽多利斯(PB-10型)pH測量計測定土壤pH值(水土比為1∶2.5)。

1.7 稻米類金屬砷富集指數及質量安全水平評價方法

稻米砷富集指數=稻米砷含量/土壤全砷含量[8]

依據《食品安全國家標準》(GB2762-2017)和全國農產品產地土壤重金屬安全評估技術規定，稻米砷質量安全水平采用單因子指數法計算得到，具體如下：

1.7.1 評價方法 評估方法采用農產品單因子指數法，農產品單因子指數計算公式如下：Ei=Ai/Si

式中：Ei為稻米中重金屬i的單因子指數；Ai為農產品中重金屬i的實測濃度；Si為農產品中重金屬i的限量標準值。

1.7.2 等級劃分 稻米砷質量安全水平等級劃分為3個等級(見表4)。

表4 農產品質量等級劃分依據

1.8 數據處理

所得數據用統計軟件DPS15.1進行方差分析和LSD 多重比較，檢驗不同處理間差異的顯著性，用Microsoft Excel 2010 進行表格制作。

2 結果與分析

2.1 不同農藝調控技術對土壤pH值的影響

不同農藝調控技術均可以顯著提高土壤pH值，特別是施用石灰和土壤調理劑分別能使土壤pH值提升1.27和0.86，提高22.60%和15.30%，與對照相比，差異均達到極顯著水平；施用生物有機肥使土壤pH值僅提升0.16，提高2.85%；施用石灰+生物有機肥組合和土壤調理劑+生物有機肥組合，分別能使土壤pH值提升0.77和0.73，提高13.7%和12.99%，與對照相比，差異同樣均達到極顯著水平，比單一施用石灰或土壤調理劑提升幅度有所降低，可能是生物有機肥起到了一定的緩沖作用(表5)。

2.2 不同農藝調控技術對稻米砷含量的影響

不同農藝調控技術均可以影響稻米砷含量，施用石灰、石灰+生物有機肥組合、土壤調理劑和土壤調理劑+生物有機肥組合，分別使稻米砷含量提高0.017 mg/kg、0.016 mg/kg、0.014 mg/kg和0.012 mg/kg，提高13.39%、12.60%、11.02%和9.45%，與對照相比，差異均達到極顯著水平；施用生物有機肥處理稻米砷含量降低0.002 mg/kg，降低1.57%，與對照相比，差異不顯著。(表6)。

表6 不同農藝調控技術對稻米砷含量的影響

2.3 不同農藝調控技術對稻米類金屬砷富集指數及質量安全水平的影響

不同農藝調控技術均可以影響稻米的類金屬砷富集指數和稻米的類金屬砷污染指數。與對照相比，施用石灰、土壤調理劑、石灰+生物有機肥組合和土壤調理劑+生物有機肥組合均提高了稻米的類金屬砷富集指數和稻米的類金屬砷污染指數，降低了農產品中砷的安全水平，施用生物有機肥處理無明顯影響；五種處理稻米中類金屬砷含量均低于《食品安全國家標準》(GB2762-2017)限量(表7)。

表7 不同農藝調控技術對稻米砷富集指數及質量安全水平的影響

2.4 不同農藝調控技術對水稻產量的影響

不同農藝調控技術均可以提高水稻單產，增產率1.20%～3.09%，與對照相比，差異均未達到顯著水平(表8)。

表8 不同農藝調控技術對水稻產量的影響

3 結論

試驗結果表明：在輕度鎘污染，砷未污染的滲育型灰棕潮田上，采用施用土壤調理劑、石灰、土壤調理劑+生物有機肥組合和石灰+生物有機肥組合等不同農藝調控技術防控重金屬鎘污染時，提高土壤pH值0.15～1.27；但顯著增加了稻米類金屬砷含量9.45%～13.39%；顯著增加稻米類金屬砷富集指數和稻米類金屬砷污染指數，降低了稻米中砷的質量安全水平；施用生物有機肥處理對稻米中類金屬砷含量影響不顯著。不同農藝調控技術的稻米類金屬砷含量均低于《食品安全國家標準 食品中污染物限量》標準(GB 2762-2017)。處理間水稻單產差異均未達到顯著水平。該研究成果可為鎘污染土壤的耕地安全利用與治理示范時，監測農產品中類金屬砷含量提供參考。