田間條件下石灰和生物炭對(duì)水稻稻谷吸收鎘的影響

蔣敏華，丁懿，王星，孟浩然

(金華市婺城區(qū)植物保護(hù)和耕肥管理站，浙江 金華 321025)

2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[1]顯示，影響農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬，其中Cd為首要污染物。Cd是一種毒性很強(qiáng)的重金屬，在土壤中積累過多，會(huì)引起土壤功能失調(diào)，造成土壤質(zhì)量下降[2]。此外，Cd具有較強(qiáng)的積累性、移動(dòng)性和生物可利用性，在環(huán)境中易積累且積累時(shí)間長(zhǎng)，極易積累在農(nóng)作物體內(nèi)，能通過食物鏈進(jìn)入人體，進(jìn)而對(duì)人類健康造成威脅[3]。我國(guó)是水稻大國(guó)，年產(chǎn)量2.1億t，約占我國(guó)糧食總產(chǎn)量的40%。每年受污染糧食達(dá)1.2×107t[4]，水稻安全面臨重大威脅。因此，開展稻田重金屬修復(fù)技術(shù)研究，降低水稻籽粒的Cd含量，對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品安全具有重要的意義。

目前，土壤重金屬的污染修復(fù)技術(shù)主要有原位修復(fù)和異位修復(fù)2種類型。通過施用鈍化劑來原位鈍化修復(fù)重金屬污染，可以有效降低土壤重金屬的有效性，被視為一種成本較低且行之有效的方法[5]。章明奎等[6]研究表明，土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤中重金屬的遷移、形態(tài)分布以及轉(zhuǎn)化有著重要的影響。王期凱等[7]研究表明，施用石灰可提高土壤中的pH，增強(qiáng)土壤的黏粒及土壤有機(jī)/無機(jī)膠體對(duì)重金屬離子的吸附能力。李力等[6]研究表明，生物炭由于其特殊的理化性質(zhì)，具有較大的比表面積、較高的化學(xué)和生物學(xué)活性，在提高土壤pH的同時(shí)，能夠增強(qiáng)土壤對(duì)重金屬離子的吸附能力，起到改善土壤質(zhì)量的作用；因此，石灰和生物炭可作為土壤重金屬鈍化劑材料。

本研究選取生物炭和石灰作為重金屬鈍化劑材料進(jìn)行田間試驗(yàn)，研究這2種鈍化劑對(duì)土壤Cd、水稻稻谷中Cd含量的影響，以期篩選出有效的土壤重金屬修復(fù)措施。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2020年在金華市婺城區(qū)進(jìn)行，供試土壤Cd含量為0.38 mg·kg-1，供試水稻品種為甬優(yōu)1540。

1.2 處理設(shè)計(jì)

設(shè)4個(gè)處理：對(duì)照，未添加生物炭和石灰；石灰，施用石灰1 500 kg·hm-2；生物炭，施用生物炭 4 500 kg·hm-2；石灰+生物炭，施用石灰1 500 kg·hm-2和生物炭 4 500 kg·hm-2。重復(fù)3次。除草、病蟲害防治等其他田間管理與常規(guī)管理保持一致，待谷粒成熟后進(jìn)行取樣測(cè)定。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在水稻成熟期采集0～20 cm土壤樣品與水稻稻谷樣品。將土壤樣品自然風(fēng)干，除去其中的動(dòng)植物殘?bào)w，磨細(xì)后，過100目篩(0.149 mm)，備用待測(cè)。采集的水稻樣品先后經(jīng)過自來水和去離子水洗凈，105 ℃殺青30 min后置于75 ℃烘干至恒重，粉碎研磨備用。

土壤有效態(tài)Cd用0.1 mol·L-1HCl溶液提取，植物Cd用HNO3-H2O2消解，土壤全量Cd用HNO3-HCl-HClO4消解，并用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制，用原子吸收光譜儀石墨爐法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Microsoft Excel 2013和SPSS 21.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析，采用Origin 9.0 軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)稻谷Cd含量的影響

圖1顯示，從稻谷Cd含量看，石灰、生物炭處理比對(duì)照分別降低65.9%和73.6%，石灰+生物炭處理比對(duì)照降低83.5%。單因素方差分析表明，各組間均存在顯著差異，表明生物炭、石灰都能有效降低水稻稻谷中Cd的含量，且以共同施用效果更佳。

柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)，圖2～4同。圖1 施用石灰、生物炭對(duì)水稻稻谷Cd含量的影響

2.2 對(duì)土壤中總Cd含量的影響

圖2顯示，與對(duì)照相比，土壤總Cd含量石灰處理下降20.0%，生物炭處理下降25.5%，石灰+生物炭處理降低41.8%。各處理間均差異顯著。共同施加石灰和生物炭處理的土壤總Cd含量呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

圖2 施用石灰、生物炭對(duì)土壤總Cd含量的影響

2.3 對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

圖3顯示，各處理與對(duì)照相比土壤有效態(tài)Cd含量均有顯著差異，石灰、生物炭處理分別減少15.8%和23.7%，石灰+生物炭處理減少34.2%。生物炭和石灰的共同施用可以降低其在土壤中的移動(dòng)性，效果優(yōu)于單施生物炭或石灰。

圖3 施用石灰、生物炭對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

2.4 對(duì)水稻Cd富集系數(shù)的影響

圖4顯示，各處理相比對(duì)照水稻Cd富集系數(shù)均有下降，其中，石灰、生物炭處理分別為0.352 3和0.292 7，而同時(shí)施加石灰和生物炭處理顯著下降，為0.234 4。由此可見，石灰和生物炭的施用，均可降低水稻Cd富集系數(shù)，進(jìn)而降低Cd的生物有效性，且以兩者共同施用效果更為顯著。

圖4 施用石灰、生物炭對(duì)水稻Cd富集系數(shù)的影響

3 討論

在重金屬污染土壤中，施用鈍化劑會(huì)降低植物體內(nèi)重金屬的含量，提高作物產(chǎn)量[9]。Mao[10]研究發(fā)現(xiàn)，pH對(duì)土壤中重金屬的形態(tài)分布、遷移和轉(zhuǎn)化有著重要的影響。本試驗(yàn)采用了石灰和生物炭鈍化劑，石灰能提高土壤中的pH值，誘導(dǎo)重金屬形成氫氧化物沉淀，而且土壤中的Fe、Mn等離子能與氫氧根結(jié)合形成羥基化合物沉淀，為Cd等重金屬離子提供更多的吸附位點(diǎn)[11]。石灰中的Ca2+和Cd2+存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而降低了植物體內(nèi)重金屬的含量。朱奇宏等[12]研究表明，生物炭具有孔隙發(fā)達(dá)、表面積大、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，在提高土壤pH的同時(shí)，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤對(duì)重金屬離子和有機(jī)物的吸附能力，達(dá)到鈍化重金屬的作用。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，添加石灰和生物炭均能減少水稻中Cd的累積量，分別降低65.9%和73.6%，并且兩者共同施用效果更佳，降低83.5%。原因在于鈍化劑的施用降低了土壤Cd向水稻稻谷遷移，從而減少了水稻稻谷中的積累量。

土壤中的Cd以多種形態(tài)存在，其中有效態(tài)的含量對(duì)植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Cd具有重要的作用[13]。鈍化劑對(duì)重金屬修復(fù)效果可能與鈍化劑本身特性、施用量以及當(dāng)?shù)赝寥赖奶匦杂嘘P(guān)[14]。本研究中，相比對(duì)照，單施用石灰或生物炭土壤總Cd含量分別降低20.0%和25.5%，土壤有效Cd含量分別降低15.8%和23.7%。單施用一種鈍化劑土壤總Cd含量呈下降趨勢(shì)，原因可能是：(1)鈍化劑的施用在提高土壤pH的同時(shí)，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤對(duì)重金屬離子和有機(jī)物的吸附能力，達(dá)到鈍化重金屬作用[12]；(2)不同的鈍化材料對(duì)土壤的Cd含量影響有所差異，可能與石灰和生物炭本身特性、施用量以及當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境有關(guān)[15]。而同時(shí)施加石灰和生物炭的土壤總Cd含量、有效Cd含量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這表明向土壤中同時(shí)施用生物炭和石灰，可以在一定程度上彌補(bǔ)單一材料長(zhǎng)期影響的缺陷，與Cd發(fā)生了一系列沉淀、吸附和絡(luò)合等反應(yīng)，降低了Cd在土壤中的移動(dòng)性[16-17]，從而使土壤中有效態(tài)Cd含量降低，達(dá)到更好修復(fù)土壤Cd污染的效果。

總體上而言，單獨(dú)添加生物炭或者石灰相對(duì)于對(duì)照水稻中的Cd含量均有所下降，土壤中Cd的含量也顯著下降，且兩者共同施用水稻中Cd含量下降最為明顯，達(dá)83.5%，土壤總Cd含量和有效Cd含量也出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4 小結(jié)

施用石灰和生物炭均可降低稻谷中Cd含量，它們的修復(fù)效果有所差異，生物炭的修復(fù)效果相對(duì)石灰更好。

在田間試驗(yàn)中，石灰和生物炭的共同施用呈現(xiàn)效果最佳，稻谷Cd含量下降幅度最顯著，土壤有效態(tài)Cd也表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。