不同鈍化劑對水稻Cd吸收的影響

朱真令， 徐有祥， 陳德， 肖文丹， 葉雪珠*

(1.龍游縣耕地質量與肥料管理站，浙江 龍游 324400； 2.浙江省農業科學院農產品質量安全與營養研究所 農業農村部農產品信息溯源重點實驗室，浙江 杭州 310021)

當前，我國面臨較為嚴峻的土壤重金屬污染。2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》指出，無機污染是我國土壤的主要污染類型，而鎘(Cd)是超標率最高的重金屬元素，其點位超標率達7.0%。土壤中的Cd有著相對于其他重金屬元素更高的生物有效性，很容易被作物吸收，而后通過食物鏈途徑被人體吸收，長期食用Cd嚴重超標的食品極大地威脅人體健康[1]。與其他谷類作物相比，水稻通常有著更強的Cd吸收能力[2]。作為我國水稻主產區，南方地區土壤以酸性為主，同時土壤重金屬Cd污染也較為突出，極大地促進了水稻對Cd的吸收，導致稻米Cd超標問題突出[3]。我國《土壤污染防治行動計劃》要求受污染耕地安全利用率到2020年和2030年要分別達到90%和95%左右。對Cd污染耕地土壤進行治理，實現稻米安全生產，是我國農業當前面臨的重要任務。

原位鈍化技術操作簡便、成本相對較低，可以邊治理邊生產，因而是我國受污染耕地安全利用過程的主要技術措施。石灰、黏土礦物等是治理過程中常用的原位鈍化材料，但是隨著土壤pH、Cd含量等條件的變化，鈍化劑的施用對土壤Cd等重金屬的有效性和作物吸收的影響有較大差異，需要根據土壤條件的變化對鈍化劑的種類、用量做出靈活調整。而且不同的水稻品種對Cd的吸收能力差異較大，這些因素對基層治理土壤重金屬污染提出了較高要求。因而，針對特定的土壤類型和Cd污染條件，研究不同鈍化劑的施用對特定品種Cd吸收積累的影響，具有重要意義。

本研究通過田間試驗，在浙江省龍游縣開展了常用不同鈍化劑的施用對特定水稻品種Cd等重金屬吸收的影響，同時結合土壤主要性質的變化，以期篩選出適合當地污染條件和主栽品種的鈍化劑種類及用量，為當地規模化開展受污染耕地的安全利用和農產品安全生產提供技術和案例支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

在浙江省龍游縣某Cd污染農田開展田間小區試驗，供試水稻為早稻品種中嘉早17。土壤類型為水稻土，pH 5.0，總Cd含量為1.2 mg·kg-1，有機質、全氮、全磷含量分別為41.4、2.1、0.9 g·kg-1，堿解氮、有效磷含量分別為194.7、9.7 mg·kg-1。本研究所用生石灰pH為12.7、總Cd含量0.08 mg·kg-1，海泡石pH為9.6、總Cd含量0.04 mg·kg-1。

1.2 方法

選擇地勢平坦、重金屬污染變異小的地塊布置田間試驗。設置4個鈍化劑處理。T1、T2分別為3.00、3.75 t·hm-2生石灰處理，T3、T4分別為12.00 t·hm-2海泡石和6.00 t·hm-2石灰-海泡石等比例復合鈍化劑處理，以不施鈍化劑為對照處理(CK)。在水稻播種前15 d翻耕并劃定小區，每小區面積為100 m2，隨機排列。采樣時隨機采集3個重復。試驗于4月9日播種，播種方式為直播，7月22日收獲。水肥藥等田間管理與農戶習慣保持一致。

1.3 樣品處理與分析

水稻成熟后采集植株樣品，每個小區隨機采集8株水稻，帶回實驗室后沖洗干凈，晾干水分，置于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在70 ℃下烘干。稻穗脫粒后用不銹鋼檢驗礱谷機脫殼保留糙米。用不銹鋼粉碎機將糙米粉碎，于自封袋中保存備用。同時采集對應的土壤樣品，帶回實驗室后風干，用瑪瑙研缽研磨后依次過2.00、0.25、0.15 mm的尼龍篩，置于自封袋備用。

水稻不同部位樣品中Cd含量的測定。用HNO3-HClO3(V/V為5∶1)浸泡過夜后經微波消解，轉移定容過濾后用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)測定(X-series 2，Thermo Fisher Scientifc Inc.，USA)。每批樣品包括3個空白和標準樣品進行質控。土壤性質的測定根據魯如坤《土壤農化分析》的方法進行。酸堿度采用pH計測定，固液比為1∶2.5 (m/V)；有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；全磷采用H2SO4-HClO4消解-比色法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用NH4F-HCl浸提-磷鉬藍比色法測定。土壤中Cd的總量用微波消解-ICP-MS測定，有效態Cd含量用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液浸提，經ICP-MS測定。

1.4 數據分析及統計

采用Excel 2016進行試驗數據整理并作圖，用SPSS 20軟件進行處理間方差分析(P<0.05)，所有數據用平均值±標準差(n=3)表示。

2 結果與分析

2.1 不同鈍化劑處理水稻籽粒Cd含量

不同鈍化劑處理對早稻籽粒中Cd含量的影響如圖1所示。各處理早稻籽粒中Cd的含量范圍在0.11～0.40 mg·kg-1，各鈍化劑處理與對照相比籽粒中Cd的含量均顯著降低。其中黏土礦物海泡石效果最佳，降幅為72.5%；其次為生石灰，處理1和處理2水稻籽粒中Cd分別降低66.9%和62.5%；復合鈍化劑處理水稻籽粒中Cd的含量降低60.0%。與對照相比，各處理水稻籽粒中Cd含量均達到了國家限量標準要求(<0.2 mg·kg-1)。

柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～3同。

2.2 不同鈍化劑處理土壤有效態Cd含量及pH

由圖2可知，不同處理土壤有效態Cd的含量在0.04～0.63 mg·kg-1。施用鈍化劑處理土壤有效態Cd的含量顯著降低，降低幅度在64.9%～93.2%，其中，海泡石處理土壤有效態Cd的降幅最高；其次為T2處理，降幅為74.2%。

圖2 不同鈍化劑處理對土壤有效態Cd含量的影響

圖3為不同鈍化劑處理對早稻土壤pH的影響。可見，鈍化劑處理均顯著提高了土壤pH。其中，海泡石處理效果最佳，pH增加1.7；其次為T2處理，pH增加1.1；復合鈍化劑和石灰1處理的土壤pH分別增加0.9和0.7。

圖3 不同鈍化劑處理對土壤pH的影響

2.3 不同鈍化劑處理土壤養分含量

表1為不同鈍化劑處理對土壤有機質和主要養分含量的影響。各處理有機質的含量在39.1～43.0 g·kg-1，鈍化劑處理對土壤有機質含量無顯著影響。施用生石灰、海泡石等鈍化劑對土壤全氮含量無顯著影響，但T2處理顯著降低了土壤堿解氮的含量，降幅為20.7%。各鈍化劑處理對土壤全磷含量無顯著影響，但T2處理降低了土壤有效磷含量，降幅為21.0%。

表1 不同鈍化劑處理對土壤養分含量的影響

3 小結與討論

本研究表明，單一及復合施用生石灰、海泡石等鈍化劑均能有效降低水稻籽粒中Cd的含量，且能將籽粒中Cd的含量降到0.2 mg·kg-1之下，確保了稻米的安全生產。其主要原因是生石灰、海泡石等堿性鈍化劑的添加提高了酸性土壤的pH，從而提高了土壤顆粒表面負電荷，增加其對土壤中Cd2+的吸附、絡合，甚至形成沉淀，降低了土壤中Cd的有效性[4]。眾多研究表明，水稻籽粒中Cd的含量與土壤有效態Cd含量呈顯著相關關系，而土壤有效態Cd含量與土壤pH則呈顯著負相關關系[5-6]。本研究結果也表明，石灰用量并非越高越好，如3.75 t·hm-2的用量可能會造成土壤堿解氮、有效磷降低，而3.00 t·hm-2的用量則能在有效降低土壤中Cd生物有效性的同時，不對土壤養分造成太大的影響。袁興超等[7]研究表明，當海泡石和石灰的用量分別為45.00、2.25 t·hm-2時，其對土壤Cd和Pb的修復效果最佳，說明對于不同鈍化劑而言，其最佳用量存在差異。雖然生石灰和海泡石均能有效降低水稻籽粒中Cd的含量，但有研究表明，石灰對土壤重金屬的鈍化效果持續性較差，而海泡石盡管用量通常多于石灰，但其對土壤中Cd等重金屬的鈍化持續性更好[8-9]。而石灰和海泡石復合也能很好地降低土壤Cd的有效性和水稻對Cd的吸收。有研究表明，不同鈍化劑配合施用能克服單一鈍化劑的缺陷，從而獲得更好的綜合效應[10]。本研究中石灰和海泡石配合施用雖然未取得最佳的效果，但其持續性效果值得關注。值得注意的是，本研究所用的水稻品種中嘉早17屬于Cd吸收能力低的品種，因此，本研究取得的結果是鈍化劑配合低積累品種2種措施共同作用的結果，在實際生產中可能會因為品種的不同甚至氣候條件(如降雨、氣溫)等的改變而影響水稻籽粒中Cd的含量[11]，這值得進一步關注。

本研究結果表明，生石灰、海泡石及其混合鈍化劑添加能顯著有效降低水稻籽粒中Cd的含量，降幅在60.0%～72.5%，并使得水稻籽粒中Cd含量降至0.2 mg·kg-1以下，其中海泡石效果最佳，生石灰次之。生石灰、海泡石等鈍化劑的添加均顯著提高了土壤pH值，并有效降低了土壤有效態Cd的含量，降幅在64.9%～93.2%，其中海泡石處理土壤有效態Cd的降幅最高。各鈍化劑的施用對土壤有機質和主要養分含量總體影響不大，但3.75 t·hm-2生石灰處理能降低土壤堿解氮和有效磷含量，降幅分別為20.7%和21.0%。原位鈍化結合低積累水稻品種的種植可有效降低土壤-水稻系統Cd的生物有效性，實現中輕度Cd污染耕地的安全利用及稻米的安全生產。