復配肥料對土壤鎘生物有效性和水稻鎘累積的影響

楊耀東，陳奕暄，鄧瀟，楊文俊，艾米蘭·努爾哈拉木，曾清如

(湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128)

據2014 年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤鎘(Cd)超標率達7.0%，嚴重危害農作物生產和人體健康[1，2]。近年來，針對如何降低稻米中的Cd 積累進行了很多研究，主要有添加土壤鈍化劑、水分管理、葉面阻控、篩選鎘低累積品種以及微生物修復等[3]。施加鈍化劑是一種通過改變土壤理化性質以及降低土壤Cd 生物有效性的方法[4]。石灰[5]、海泡石、沸石[6，7]、生物炭、有機物料[8-10]等土壤鈍化劑均能有效降低土壤Cd 的生物有效性以及糙米中Cd 的累積量，但是有些土壤鈍化劑的施用會對土壤環境產生不利影響。Diggelen等[11]研究表明，Ca(OH)2的長期施用會導致土壤質量的降低以及土壤微生物菌群結構顯著變化。Wang 等[12]也發現，生物炭施入土壤后可能會導致多環芳烴再釋放，對植物以及人體造成有機污染。因此，選擇鈍化劑種類和確定使用劑量時需慎重。肥料為水稻生長提供必需營養元素，而近年來相關研究發現，添加適當的肥料還可以降低重金屬生物有效性[13]。以不同肥料形式添加的氮以及磷元素通過促進植物的正常代謝以及改變土壤中重金屬賦存形態從而改變重金屬的生物有效性[14]。施用鈣鎂磷肥能顯著降低土壤中標準毒性浸出提取態Cd(Toxicity Characteristic Leaching Procedure，TCLP)含量，使水稻糙米中鎘的積累量減少36.8%～75.6%[15]。但也有研究表明，普遍使用的氯化鉀中含有的Cl 離子具有很強的配位能力，能與Cd 形成絡合物，從而提高Cd 的生物有效性[16]。

本研究開展大田試驗，分析不同復配肥料處理對酸性土壤pH、土壤陽離子交換量(CEC)、有機質含量(OM)以及Cd 生物有效性的影響，探究復配肥料對水稻各部位吸收轉運Cd 的影響，篩選最優的降Cd 肥料組合，以期為南方酸性鎘污染區的水稻安全生產提高理論指導及技術支撐。

1 研究材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種選用當地常用品種天優華占，復合肥、尿素、氯化鉀、硅鉀鈣肥和鈣鎂磷肥均購自長沙豐凱農業科技公司。石灰和白云石均由尚杰礦石粉廠提供。

試驗地址為湖南醴陵某中度重金屬污染農田，土壤類型為第四紀紅壤母質發育而來的水稻土。土壤基本理化性質如表1 所示，屬酸性土壤。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic physicochemical properties of the tested soil

1.2 復配肥料施用方案

對照組(CK)施用600 kg/hm2復合肥作為基肥，150 kg/hm2尿素加75 kg/hm2氯化鉀作為追肥。在CK 處理的基礎上，T1 處理增施1 500 kg/hm2石灰作為基肥，T2 處理則增施1 500 kg/hm2白云石粉作為基肥，T3 處理在基肥中增施鈣鎂磷肥及硅鉀鈣肥各750 kg/hm2，但追肥僅施用150 kg/hm2尿素。

1.3 試驗設計

試驗田除草整地后，田埂覆膜，并設置進水口與排水口。試驗田劃分為12 個試驗樣方，樣方大小為5 m×4 m。共設置4 個處理，3 次重復，所有處理隨機區組排列。每個試驗樣方外設3 行保護行。于2019 年6 月28 日施入基肥，并將基肥與耕作層(0～20 cm)土壤充分混勻。于2019 年6 月3 日育秧，7月5 日移栽，水稻秧苗種植密度為25 cm×25 cm。待水稻進入分蘗期后，于2019 年7 月19 日各樣方同步補施追肥。追肥時，將配置肥料均勻撒施至試驗田。水稻種植期間灌水排水都按當地種植習慣，田間進行精細管理并及時防治病蟲害。

1.4 樣品采集及預處理

水稻成熟后，每個樣方按五點法采集水稻5 株，用自來水和去離子水清洗后裝入厚紙袋，置于105℃烘箱內殺青30 min，然后于60 ℃烘至恒重，將稻谷用小型礱谷機脫殼，按根、莖葉、谷殼和糙米分開用塑封袋保存待測。水稻樣品采集后將樣方內水稻全部收獲，用打谷機將谷物與秸稈分離，分別裝入袋中，測定樣方內籽粒重量。水稻收獲后，每個樣方按梅花型布設5 個采樣點，采集深度為0～20 cm 的水稻根系周邊區域土壤，混合均勻帶回實驗室。去除土塊中殘根、雜物，自然風干研磨后分別過100 目和10 目尼龍篩，保存待測。

1.5 分析測定方法

土壤pH、有機質(OM)含量、陽離子交換量(CEC)和土壤總氮磷鉀含量等理化性質指標參照文獻[17]測定。土壤總重金屬含量與水稻各部位重金屬含量采用濕式消解法測定。土壤有效態重金屬含量使用TCLP 毒性浸出法[18]和Mg(NO3)2溶液(1 mol/L)提取法測定。土壤和水稻樣品中重金屬含量分別采用電感耦合等離子體原子發射光譜(Optima 8300，PerkinElmer)測定。標準物質GBW07428-GSS-14 和GBW07603-GSV-2 分別用于土壤樣品以及植物樣品質量控制，分析過程采用樣品空白，Cd 回收率為94.3%～105.6%。

1.6 數據處理

根據生物富集系數(Bioaccumulation Factor，BCF，水稻根系中的重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值)、轉運系數(Translocation Factor，TF，水稻后部位重金屬含量與前部位重金屬含量的比值)[19]分析Cd 在水稻各部位中的累積轉運能力。

式中:Cr為根系中Cd 含量(mg/kg)；Cs為土壤中Cd 含量(mg/kg)；Clatter為后一部位Cd 的含量(mg/kg)；Cformer為前一部位Cd 的含量(mg/kg)。

采用軟件Excel 2019 進行數據統計分析，數據表示為平均值±標準偏差(n＝3)，采用SPSS Duncan多重比較(P<0.05)和Pearson 法分析各處理差異和相關性，采用軟件Origin 9.0 繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 復配肥料對土壤基本理化性質的影響

復配肥料對土壤基本理化性質的影響如表2 所示。與CK 相比，復配堿性肥料的添加均顯著提升了土壤pH(P<0.05)。土壤pH 表現為T1>T3>T2>CK，其中T1 處理土壤pH 值為5.67，比CK 提高了1.05 個單位；T2 和T3 處理土壤pH 值也分別比CK提高了0.36 和0.50 個單位。各處理土壤CEC 和OM 含量范圍分別為12.38～ 12.98 cmol/kg 和45.20～46.02 g/kg，處理間無顯著性差異。

表2 不同復配肥料處理的土壤基本理化性質比較Table 2 Comparison of soil physical and chemical properties treated with different combined fertilizer

2.2 復配肥料對水稻產量的影響

各處理中，T3 處理水稻產量最高，達7 626.5 kg/hm2，其次為T1、T2 處理，分別為7 439.4 和7 399.0 kg/hm2，CK 處理產量最低，為7 369.6 kg/hm2，但處理間差異不顯著。

2.3 復配肥料對土壤Cd 生物有效性的影響

綜合TCLP 毒性浸出態和Mg(NO3)2提取態來評估土壤Cd 的生物有效性，結果表明，與CK 處理相比，施加不同復配堿性肥料后土壤TCLP 提取態Cd 含量均有一定程度的降低(圖1)。CK 處理土壤中提取態Cd 含量為0.39 mg/kg，占總Cd 含量的34.30%，說明該試驗田Cd 活性較高。T1、T2、T3 處理的TCLP 提取態Cd 含量分別0.27、0.29、0.24 mg/kg，比CK 分別降低了31.65%、26.58% 和40.00%，平均降幅為32.74%。CK 處理土壤中的Mg(NO3)2提取態Cd 含量為0.75 mg/kg，占總Cd含量的65.13%，占比同樣較高。T1、T2、T3 處理土壤中Mg(NO3)2提取態Cd 含量的含量分別為0.48、0.50 和0.44 mg/kg，比CK分別降低了36.32%、33.65%和41.66%，平均降幅為37.21%。上述結果表明，復配肥料能有效地降低土壤中的Cd活性，可以通過改變土壤理化性質、離子吸附、絡合、競爭等作用使土壤中較活躍態的Cd 向其他更穩定的形態轉變，從而降低了土壤中Cd 的生物有效性。

圖1 不同復配肥料處理的土壤Cd 生物有效性Fig.1 Bioavailability of Cd in soil treated with different combined fertilizer

2.4 土壤提取態Cd 與水稻Cd 含量的相關性

土壤中重金屬的總量通常不能準確反映出重金屬對植物的危害程度。因此，應根據不同方式的提取態重金屬含量對受污土壤進行風險評估。

土壤提取態Cd 與水稻各部位Cd 含量的相關性如表3。除谷殼外，水稻各部位Cd 含量與TCLP和Mg(NO3)2兩種方式的Cd 提取態均呈現出極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)正相關。其中，TCLP提取態Cd 與根、莖葉、糙米中Cd 含量的相關系數分別為0.998、0.955 以及0.988，Mg(NO3)2提取態Cd 與根、莖葉、糙米中Cd 含量的相關系數則分別為0.996、0.952 以及0.987。因此，降低土壤提取態Cd 含量能夠有效降低水稻各部位中Cd 的含量。

表3 土壤提取態Cd 與水稻各部位Cd 含量相關性分析Table 3 Correlation analysis of Cd extracted state from soil and Cd content in various parts of rice

2.5 復配肥料對水稻各部位Cd 含量的影響

由表4 可知，復配肥料均能降低水稻植株根系、莖葉、谷殼、糙米中Cd 含量。與CK 相比，T1、T2 和T3 處理水稻根系中Cd 含量分別降低了23.64%、20.95%和28.93%，平均降低24.50%，差異顯著(P<0.05)；水稻莖葉中Cd 含量分別降低了33.88%、20.53%和30.80%，平均降幅為28.41%，且差異顯著(P<0.05)。各處理水稻谷殼中Cd 含量以CK 最高，其次為T1、T2 處理，最低的為T3 處理(0.49 mg/kg)，但各處理差異不顯著。與CK 相比，T1、T2 和T3 處理糙米Cd 含量分別降低了28.57%，30.00%和40.00%，平均降幅為32.86%，且差異顯著(P<0.05)，其中糙米Cd 含量最低的是T3 處理，為0.42 mg/kg。雖然各復配肥料都具有較好的降鎘效果，但糙米Cd 含量仍然超過了國家食品安全標準(GB 2762-2017)。

表4 不同復配肥料處理的水稻各部位Cd 含量比較Table 4 Comparison of Cd accumulation in various parts of rice treated with different combined fertilizer mg·kg-1

2.6 復配肥料對水稻各部位Cd 轉運系數的影響

根系吸收是重金屬進入水稻體內的最主要途徑。Cd 被吸收后首先富集在根系中，再通過水稻木質部運輸進入水稻莖、葉部位，通過莖節韌皮部再分配、轉運至穗、谷殼以及糙米中。由表5 可知，施用復配肥料降低了水稻根系的Cd 富集系數(BCF)，與CK 相比，T1、T2 和T3 處理根系的BCF 分別降低了23.61%、20.99%和29.71%。各處理Cd 從根系到莖葉的轉運系數(TFrs)為0.35～0.41，莖葉至谷殼的Cd 轉運系數(TFsh)為0.13～0.17，而谷殼至糙米的Cd 轉運系數(TFhb)為0.86～1.23，表明水稻谷殼對于Cd 的轉運能力最強，根系次之，莖葉可截留大部分的Cd。各復配肥料處理水稻TFrs和TFsh與CK 無顯著差異，T1、T2 和T3 處理TFhb分別比CK 降低了21.95%、23.58%和30.08%，但T1、T2、CK 處理間差異不顯著，T3 處理則顯著低于其余各處理。

表5 不同復配肥料處理的水稻各部位Cd 富集轉運系數Table 5 Bioaccumulation and translocation factors of Cd treated with different combined fertilizer

3 討論

水稻是中國最重要的糧食作物，其產量是評判農業水平的標準之一。本試驗中，施用復配肥料均未對水稻產量產生顯著影響。有研究表明，在酸性Cd 污染土壤中施用石灰對水稻產量影響不明顯[20]，這與本試驗結果一致。文炯等[21]研究表明，施用鈣鎂磷肥能顯著增加水稻產量。但由于本試驗中對照處理施肥后土壤營養充足，因此復合肥＋鈣鎂磷肥未顯著提升水稻產量，這可能也是施用白云石和硅鉀鈣對水稻產量無顯著性影響的原因。

石灰、白云石、硅鉀鈣肥和鈣鎂磷肥均為堿性肥料，施用后會造成土壤pH 上升，減少氫離子和Cd離子之間對土壤吸附點位的競爭，增加了Cd(OH)2的沉淀[22]。隨著土壤pH 值的增加，土壤表面的靜電排斥力下降，大量水解態Cd 離子更易被土壤吸收[23]。同時，堿性肥料能使Cd 離子形成CdCO3沉淀，改變土壤中Cd 的有效性[24]。大量研究表明[18，20，21]，土壤pH 與土壤有效態Cd 含量呈負相關關系。

目前，氯化鉀是普遍使用的鉀肥形式。然而Cl-具有強配位能力，易與土壤Cd 形成絡合物，提升其生物有效性[16]。本試驗中，T3 處理以硅鉀鈣肥形式輸入K，不僅能規避Cl-的輸入，同時，硅在土壤中將形成復雜的聚硅酸凝膠，凝膠與Cd 形成Cd-Si復合物[25]，從而降低Cd 的有效性。此外，硅鉀鈣肥中含有大量Ca2＋離子，能增加土壤中的Ca2＋濃度，導致更多Ca2＋通過陽離子交換的形式與植物根系細胞壁Cd2＋發生交換，降低進入根系的Cd2＋含量[26]。另外，K＋和Ca2＋等土壤陽離子將與Cd2＋競爭水稻根系轉運蛋白上的結合位點，陽離子濃度的升高能夠降低根系對Cd2＋的吸收[27]。

水稻具有較強的Cd 轉運能力。研究表明，20種典型水稻品種的富集系數和轉運系數分別為4.629～22.271 和0.347～0.817[28]。在輕度和中度Cd 污染農田中，水稻糙米易累積大量Cd，對人體健康構成極大威脅。

在本試驗中，供試土壤為中度Cd 污染土壤，活性較高。因此，雖然復配肥料的施用能夠顯著降低糙米Cd 含量，但其含量仍高于國家食品限量標準(GB 2762-2017)。為保障水稻的安全生產，在中度Cd 污染農田中，除施用復配肥料外，應同時采取其它的降鎘措施。

研究表明，對水稻田進行適宜的水分管理[29]、施用不同的土壤調理劑[30]、噴施葉面肥[31，32]、篩選及培育鎘低積累水稻品種[33]等方式均能有效降低糙米中的Cd 含量。在施用復配肥料的同時，聯合應用上述控鎘措施，能夠保證實際應用中水稻的安全生產。

4 結論

本研究在大田試驗中設置不同復配肥料處理，探究各處理對土壤基本理化性質、Cd 生物有效性以及水稻各部位累積轉運Cd 的影響。各處理之間差異顯著，其中，以復合肥、鈣鎂磷肥和硅鉀鈣為基肥、尿素為追肥的方式具有最佳的降Cd 效果。與對照相比，該處理土壤pH 提高了0.5 個單位，CEC 和OM 含量無顯著變化，土壤TCLP 提取態Cd 含量降低40.0%，Mg(NO3)2提取態Cd 含量降低41.6%，水稻各部位Cd 含量有所降低，糙米Cd 含量從0.70 mg/kg 顯著降至0.42 mg/kg，降幅40.0%，且水稻體內Cd 的轉運能力降低。

在種植單季水稻時，合理施用復配肥料能夠降低糙米中的Cd 含量。然而，對于多季水稻而言，復配肥料的具體效果仍有待進一步的考察。

本試驗中，以復合肥、鈣鎂磷肥和硅鉀鈣肥為基肥、尿素為追肥的方式具有最佳的降Cd 效果。建議在實際生產中將該復配肥料與其它降鎘措施聯合應用，以保障鎘污染農田的水稻安全生產。