不同穩定化材料對水稻吸收轉運鎘的影響

楊梢娜， 楊佳恒， 林林

(1.舟山市農業技術推廣中心，浙江 舟山 316021； 2.舟山市優質農產品開發服務中心，浙江 舟山 316021)

隨著城市化發展、工礦產業開發、集約型農業生產的快速推進，耕地土壤中重金屬問題越來越嚴重[1]。大部分農作物極易吸收和積累重金屬，甚至超出安全生產標準，嚴重影響了糧食安全生產和人類健康[2]。根據我國生態環境部和自然資源部2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公告》顯示，我國受重金屬污染的耕地約2 000萬hm2，約占總耕地面積的1/5，其中Cd的點位超標率居所有無機污染物之首，為7.0%[3-4]。Cd的毒性取決于其在土壤中的生物有效性，目前主要通過原位修復技術對Cd超標農田進行修復，以保證受污染耕地能安全利用。

當前我國主要利用表面吸附、溶解沉淀、氧化還原、有機絡合等物理、化學以及生物技術等原位修復技術，向污染土壤中投加不同穩定化材料以降低土壤Cd的遷移性和生物有效性，進而達到減輕其生物毒性的目的[5-6]。常用的穩定化材料主要為石灰等含鈣材料、鈣鎂磷肥等含磷材料以及生物炭等高pH類材料。崔紅標等[7]研究發現，向Cd污染土壤中添加2%的粉煤灰能夠使土壤pH提高0.44個單位，使離子交換態Cd降低35.9%。韓寶紅等[8]對生物炭與納米改性生物炭研究發現，在不同溫度條件下，納米改性生物炭在0 ℃和30 ℃時殘渣態Cd含量分別達到77.26%和71.67%，顯著降低了Cd的移動性。為探究不同穩定化材料對土壤Cd的修復效果及Cd在植物體內吸收積累的影響，本研究在舟山市某Cd超標農田開展4種不同穩定化材料對水稻田土壤修復及植株Cd吸收影響的田間試驗，探尋修復鎘污染土壤的最適宜穩定化材料，為受污染土壤安全利用提供有力依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地點位于浙江省舟山市，屬亞熱帶季風氣候，四季分明、雨量充沛，該地塊土壤pH 6.4，Cd含量為0.41 mg·kg-1，高于國家土壤質量標準，屬于鎘輕度污染土壤。供試水稻品種為秀水14，屬常規單季粳稻。供試穩定化材料為土壤調理劑、石灰、甲殼素和生物炭。

1.2 處理設計

試驗采用大田試驗，共設置5個處理：1)空白對照(不添加材料)；2)生物炭(每667 m2添加1 000 kg)；3)石灰(每667 m2添加70 kg)；4)甲殼素(每667 m2添加20 kg)；5)土壤調理劑(每667 m2添加125 kg)。穩定化材料于水稻種植前添加，并進行翻耕，每個處理設置3個重復，隨機排列，共設計15個小區(每個小區面積不低于100 m2)，小區之間采用田埂并覆蓋薄膜進行隔離與防滲處理。試驗于2020年5月初布置，2020年11月收獲采樣，水稻采用人工育秧移栽，整個試驗區除穩定化材料投加種類不同外，其他農藝管理(水分管理、蟲害管理、肥料管理)保持一致。

1.3 樣品采集與分析

水稻成熟后，每小區采集0～20 cm土層樣品，過10目尼龍篩后儲存備用。土壤的pH采用pH計測定，土液比為1∶2.5。土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸消解法，土壤有效態Cd含量的測定采用原子吸收分光光度法。

水稻成熟后，每小區采集整株水稻樣品，用去離子水沖洗，晾干，放于烘箱在105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，采用小型粉碎機研磨過100目(孔徑0.149 mm)尼龍篩后備用。水稻不同部位重金屬Cd通過濃硫酸-雙氧水消解法進行提取，用原子吸收分光光度法測定。

1.4 數據處理

數據整理采用Excel 2016，數據統計分析采用SPSS 17.0，圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 穩定化材料對土壤pH和有機質含量的影響

如圖1所示，甲殼素、生物炭、石灰、土壤調理劑4種穩定化材料投加均能增加土壤pH，相較于對照處理增幅為0.52～1.78個單位。其中生物炭、石灰、土壤調理劑處理顯著高于對照，分別增加1.78、1.56與1.62個單位，生物炭和土壤調節劑處理增加pH效果較佳。穩定化材料能提高土壤有機質的含量，以每667 m2投入70 kg的石灰處理表現最佳，相比于對照提高了32.57 g·kg-1。曾秀君等[9]在研究石灰組配有機改良劑對農田鉛鎘污染土壤微生物活性的影響時也發現，添加石灰能顯著提升土壤pH與有機質的含量。代允超等[10]指出石灰主要成分為CaO，具有強堿性，溶于水后形成堿性的氫氧化鈣，進而中和酸性土壤中的H+，緩解土壤的酸化，提升土壤的pH。

各處理無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～3同。

2.2 穩定化材料對土壤有效態Cd含量的影響

土壤重金屬對農產品安全的影響程度主要由其生物有效性決定，而土壤Cd的生物有效性主要由其在土壤中的有效態含量所決定[11-14]。如圖2所示，與對照組相比，生物炭與石灰處理能顯著降低土壤有效態Cd含量，分別降低0.06與0.09 mg·kg-1。本試驗結果表明，石灰處理的土壤pH最高，而土壤有效態Cd含量則表現出最低水平，這極有可能是因為土壤pH變化與土壤有效態Cd含量的變化成負相關。石灰施入農田后轉變成堿性的Cd(OH)2，對土壤的pH有著直接的提升作用，同時土壤溶液中OH-的增加有助于與土壤中Cd2+形成Ca(OH)2沉淀[15-16]。此外，Ca(OH)2隨著時間推移也會轉變成碳酸根離子與土壤中Cd形成碳酸鹽沉淀，促使土壤中游離態的Cd向氧化物結合態或向更穩定的殘渣態轉化，降低土壤Cd的遷移與毒性。進而有助于減少水稻對土壤鎘的吸收轉運，保障了食品健康安全。

圖2 穩定化材料對土壤有效態Cd含量的影響

2.3 穩定化材料對水稻Cd吸收積累的影響

圖3 穩定化材料對水稻吸收積累土壤Cd的影響

2.4 穩定化材料對Cd在水稻體內轉運的影響

轉運系數(TF)指植物地上部Cd含量與地下部Cd含量的比值，轉運系數越大，則表明根系對Cd的轉運能力越強[20-22]。TF根-莖表示水稻根到莖中Cd的轉運系數。研究顯示，所有處理的轉運系數均小于1，說明水稻根部積累了大量的Cd，只有其中一小部分Cd轉運到了莖中，根成為阻隔水稻轉運Cd的最大屏障，這可能是因為水稻根系表面形成的鐵膜抑制了根系Cd向莖轉運。由表1可知，轉運系數依次為對照>土壤調理劑>生物炭>甲殼素>石灰，說明石灰處理對阻礙Cd從根系向莖轉運的效果最佳。此外，石灰處理的TF葉-籽粒比其他穩定化處理都低，比對照降低了0.868，說明石灰處理下Cd從葉轉移到籽粒的量最少。綜上所述，施用石灰是降低Cd由水稻根系轉運至地上部的重要措施。

表1 水稻中Cd的轉運系數

3 小結

試驗結果表明，甲殼素、生物炭、石灰、土壤調理劑4種穩定化材料投加均能增加土壤pH與有機質含量，其中生物炭處理的增效最佳。生物炭和石灰處理均能降低土壤有效態Cd含量，分別降低了0.06與0.09 mg·kg-1，石灰處理的降低效果最佳。從收獲后的水稻植株化驗分析結果可以看出，添加石灰處理能顯著地降低水稻根、莖、葉、籽粒的Cd含量，依次降低3.20、1.23、0.34與0.23 mg·kg-1。同時，石灰處理水稻體內各部位的轉運系數均表現出最低，能有效降低土壤中的Cd由水稻根系轉運至地上部。