鈍化與淹水措施對水稻鎘吸收積累的影響研究

褚傲南 楊 義 張全保 張文東 毛翀赟 屠 俊 江 淦

（1安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南 232001；2江西潔地環境治理生態科技有限公司，江西鷹潭 335000；3江西省貴溪市濱江鎮人民政府，江西貴溪 335000；4鷹潭市余江區農業農村糧食局，江西鷹潭 335200；5鷹潭市貴溪生態環境局，江西鷹潭 335000）

隨著城市化和工業化進程加快，重金屬污染物通過各種途徑不斷輸入農田生態系統，嚴重威脅農產品質量安全[1-2]。水稻吸收過量鎘（Cd）不僅會影響其生長發育，減少產量，更會通過食物鏈把毒性強、半衰期長的Cd 傳遞到人體中，給人體健康帶來威脅[3-4]。據報道，我國當前土壤Cd 含量超標區域集中在長江流域和東南沿海地區[5-6]。同時，稻米是我國居民的重要主食，我國居民平均每日大米攝入量高達214.19 g/人，超過世界平均水平（148 g/人）45%[5]。稻米的高污染風險以及居民高水平的稻米攝入量，決定了我國稻田Cd 污染防控的必要性與緊迫性。

當前，關于水稻Cd 污染調控研究主要包括土壤pH 調控、選育鎘低積累水稻品種、水分管理等農藝調控措施，以及這些措施對稻田土壤中Cd 遷移轉化的機理及阻控水稻Cd 積累的效應[7-9]。Zhu 等[10]研究發現，施用石灰可以使土壤pH 升高0.5，同時使水稻籽粒Cd 含量降低35.3%。水分管理對Cd 的遷移富集影響很大，Huang 等[11]通過盆栽試驗，研究了不同生育期水分管理模式對水稻籽粒Cd 累積的影響，結果發現灌漿期淹水較常規灌溉措施可以使水稻糙米Cd 含量下降90%。以上研究中，施用生石灰作為稻田控Cd 最具性價比的措施被廣泛應用，灌漿期淹水也被發現是稻田水分管理中降Cd 效果更好、水資源更為節約的方式[6，12]。因此，探究生石灰鈍化和水稻灌漿期淹水聯合措施對實際稻田生產中的控Cd 具有重要意義。

本文以某輕度Cd污染農田為例，研究灌漿期淹水、施用生石灰以及綜合處理措施對土壤中有效態Cd、離子交換態Cd和水稻各器官中Cd含量的影響，以期為Cd污染稻田的安全利用提供更多指導。

1 材料與方法

1.1 試驗田與試驗材料

試驗地位于某水稻種植區，選取污染稻田0～20 cm 表土，經自然風干，研磨過100 目篩，測得土壤pH 5.24，總Cd 含量為0.82 mg/kg，屬于輕度Cd 污染土壤；試驗水稻品種為五優華占，采用的土壤鈍化劑為生石灰（CaO 含量70%）。

1.2 試驗設計

試驗設計水分管理方式為灌漿期淹水，鈍化劑選用生石灰，用量為3 000 kg/hm2。本研究為大田小區試驗，試驗設置4種處理：對照、淹水、鈍化、淹水+鈍化，每個處理重復3次，每個小區30 m2，共12個小區，小區間田埂包裹塑料薄膜，每個小區保證單排單灌，以防小區間串水，影響試驗結果。各處理組栽培管理措施參考表1。

表1 標準處理具體規程及名稱

1.3 樣品處理與方法

采集成熟期各區長勢均勻的水稻代表植株樣，用自來水和去離子水洗凈，再用剪刀將植株按根、莖、葉、谷粒分開，將谷粒樣品置于室外曬干后用糙米機細分為谷殼和糙米，其他部位樣品先在105 ℃烘箱中殺青30 min，再70 ℃烘干至恒重。將根、莖、葉、糙米粉碎后過100目篩，封袋保存。將采集相應的0～20 cm表層土壤，在室內自然風干，除去根系等雜物，置于研缽中研磨，分別過10目和100目尼龍篩后放入聚乙烯封口袋中保存。水稻根、莖、葉以及糙米植物樣品用HNO3-HClO4體系消解，土壤樣品采用HNO3-HF-HClO4體系消解，土壤樣品和植物樣品消解液及提取物中Cd的含量均用ICP-OES測定，土壤中有效態Cd 采用CaCl2試劑提取，離子交換態Cd 采用MgCl2試劑提取。土壤pH 測定：在室溫下，以土水比1∶2.5 配制土壤懸浮液，于恒溫振蕩器上振蕩1 h 后靜置30 min 用pH 儀測定。水稻產量測定：分別收獲試驗田小區水稻，將水稻脫粒后，自然風干，計重。

1.4 數據處理及分析

運用Microsoft Excel 2010、IMB SPSS 27.0 對數據進行統計分析處理，運用Origin 2021 軟件對數據進行圖表處理。

2 結果與分析

2.1 不同調控措施對水稻產量的影響

不同處理下水稻產量由圖1可知，與對照相比，鈍化和淹水+鈍化處理組水稻產量均有增長，分別增長了2.79%和0.63%，而淹水處理組水稻產量有所下降，降低幅度為0.50%。各處理組水稻產量由高到低排列順序依次為鈍化、淹水＋鈍化、對照、淹水，各處理組水稻產量雖有偏差，但均未達到顯著性水平（P＞0.05），表明3 種調控處理措施對水稻產量的影響較小。

圖1 不同調控措施對水稻產量的影響

2.2 不同調控措施對土壤pH、土壤有效態Cd和離子交換態Cd含量的影響

分別對試驗基地水稻成熟期的土壤樣品進行分析，結果如圖2a 所示，與對照組CK 相比，大田試驗土壤pH 有不同幅度的升高，但差異不顯著。采用3 種調控措施后土壤pH提高了0.20～0.31。其中，淹水+鈍化處理降低土壤酸性的效果最好，土壤pH 達到了5.55，對耕地土壤pH的提高率約為6.05%；淹水處理和鈍化處理對改良耕地酸性土壤的效果相當，提高率分別為4.04%和4.48%。

圖2 不同調控措施對土壤pH、土壤有效態Cd和離子交換態Cd含量的影響

圖2b 為試驗稻田土壤樣品中有效態Cd 和離子交換態Cd 的含量示意圖，結果表明，灌漿期淹水處理、施加生石灰鈍化及綜合措施對土壤有效態Cd和離子交換態Cd含量有一定影響，較對照組都不同程度地降低有效態Cd和離子交換態Cd的含量。對于土壤有效態Cd 而言，3 種調控措施處理后含量均有小幅度下降，平均下降0.01～0.02 個單位，降幅約為7.69%～15.38%。

與稻田土壤有效態Cd相比，不同處理組間離子交換態Cd 含量的變化差異顯著（P＜0.05），3 種調控措施較對照組相比離子交換態Cd 含量平均減少0.04～0.05 個單位，其中淹水+鈍化措施下離子交換態Cd 的鈍化效率最高，降鎘率達到13.51%，其次是淹水處理和鈍化處理，降Cd效果相當，約為10.81%。

2.3 不同調控措施對水稻各部位Cd含量的影響

由圖3 所示，在Cd 污染試驗田區內，水稻各部位重金屬Cd含量表現出根＞莖＞糙米＞葉的規律。由圖3可知，3種調控措施都能在不同程度上減少水稻根系以及莖鞘Cd含量。其中水稻根系Cd含量除淹水+鈍化處理外，其他兩種單一處理的降Cd 效果并不顯著，經過淹水或鈍化后水稻根系的Cd含量約在20.42～21.39 mg/kg，與對照組相比，降低范圍為0.37%～4.89%；淹水+鈍化處理后水稻根系Cd 含量約降低5.08個單位，降鎘率達23.66%。而對于水稻莖鞘，降Cd 效果排序為淹水+鈍化＞淹水＞鈍化＞對照，Cd 含量降幅為0.63%～2.79%，且差異并不顯著，說明3種處理措施對水稻莖鞘Cd含量的影響較小；在水稻的3個試驗處理中，葉片和糙米Cd含量相比于對照處理降低效果顯著（P＜0.05）。采用3種調控措施后，水稻葉片的Cd含量約在182.82～267.10 mg/kg，與對照組相比，降Cd 范圍為18.28%～44.06%，綜合處理的效果最好。對于水稻糙米而言，鈍化、淹水和淹水+鈍化處理分別使Cd 的含量降低21.46%、60.71%和70.36%。

圖3 不同調控措施對水稻Cd含量的影響

3 討論

本研究中，淹水處理較對照處理的水稻產量略有下降，但并未產生顯著差異，這與前人研究結果類似[13]。事實上，水分管理會對水稻的生長產生影響，但是其產量是多方面綜合影響的結果，陳新紅等[14]研究發現，水稻結實期水分脅迫會通過影響葉片光合速率導致植株加快衰老，但同時也能促進植株物質轉運量的增加，因此會出現水分脅迫處理與非脅迫處理間產量差異不明顯的情況。而鈍化處理較對照的水稻產量則略有上升，但差異仍不顯著，這與婁飛等[15]研究結果一致。有研究認為[16]，常規的土壤鈍化劑添加對土壤pH有升高作用，但對水稻產量并無顯著影響。綜合處理對水稻產量的影響與單一處理結果類似。由此可見，灌漿期淹水以及石灰鈍化可以保證水稻的產量。

3 種調控措施均使土壤pH 有所提升，其中鈍化處理的提升效果略優于淹水處理，但提升不顯著，這可能是因為生石灰的添加量較小，又在土壤的緩沖體系作用下，使酸堿逐漸趨于平衡[17]。土壤中Cd的形態與其遷移轉化能力密切相關，3 個處理組的有效態Cd和離子交換態Cd含量相較于對照均有不同程度的下降，表明淹水、添加生石灰措施降低了Cd的活性。關于石灰降低Cd活性的機理，主要觀點是石灰所帶來的pH升高，導致土壤膠體表面負電荷增加以及鐵、錳羥基化合物的生成，增強了對Cd2+的吸附；游離態Cd2+向CdCO3、Cd（OH）2的轉化，降低Cd的遷移能力[17-20]。此外，還有研究認為生石灰的加入會提升土壤中的有效磷，進而有利于生成P-Cd沉淀物[21]；通過增加土壤中的Ca2+，促進土壤中礦物表面膠體的形成，可以增強對Cd 的吸附[22]；影響土壤中的鐵還原菌群落的豐度，進而降低Cd 的有效性[23]。眾多研究表明淹水措施可以有效降低稻田土壤Cd 的活性，主要有以下2 個方面的原因：①淹水條件下土壤呈還原環境，高價硫會在微生物的作用下被還原成低價態的硫，還原產生的HS-、S2-等能與Cd 形成不溶的CdS 沉淀，這會大大降低土壤中游離Cd2+含量[24-26]。②淹水提高土壤pH 并且降低了土壤的Eh，一方面，土壤中的膠體負電荷增多以及土壤中鐵氧化物由結晶態向無定形態轉化，進一步增強了對Cd2+的吸附；另一方面，這能降低含Cd 礦物的溶解度，降低Cd的有效性[26-28]。

水稻各部位重金屬Cd含量表現出根＞莖＞糙米＞葉的規律，這與張子葉等[29]的研究結果一致。添加生石灰以及淹水措施對水稻根系和莖鞘Cd 含量影響較小，而對葉和糙米的Cd 含量影響顯著，這與史磊等[30]研究結果相似。生石灰的添加可以減少水稻籽粒對Cd 的吸收，除了生石灰降低了土壤中Cd 的活性外，還與水稻Cd 吸收的增多，會抑制水稻根系吸收Cd向莖稈的轉運有關[31]。在水稻灌漿階段，木質部會運輸大量的Cd 到節部的韌皮部，使Cd 更容易被水稻籽粒吸收，該階段是調控Cd 的重要時期[11-12]。灌漿期淹水導致的Cd 由離子交換態轉化成更難被植物利用的有機結合態等形態是水稻籽粒Cd 降低的重要原因[27-28，32]。紀雄輝等[33]研究認為，淹水會導致土壤中生成大量的Fe2+、Mn2+，而水稻作為耐漬水植物，可以通過吸收氧使其根系處于氧化狀態，從而在根表形成鐵、錳的（氫）氧化物膜，而膜的厚度會決定該膜是促進還是抑制水稻對Cd 的吸收。劉昭兵等[34]認為，水稻根系吸收Cd需要借助于Fe 的轉運蛋白，而淹水導致土壤中增多的Fe2+會與Fe轉運蛋白優先結合，大大降低該蛋白與Cd的結合概率，從而降低水稻對Cd 的吸收。同時，淹水措施還會影響水稻內部相關基因的表達，抑制Cd向籽粒的運輸[26，35]，進而導致籽粒Cd含量下降。

4 結論

灌漿期淹水以及添加適量生石灰可以保證水稻產量，并且單一的淹水、添加生石灰處理以及綜合處理使耕地土壤pH 提高了0.20～0.31 個單位，而有效態Cd 和離子交換態Cd 的含量則均有不同程度下降。在水稻的根和莖中，實驗處理未對其Cd含量產生顯著影響，而在水稻的糙米和葉中，單一的淹水、添加生石灰處理以及綜合處理措施則顯著降低其Cd的含量，糙米Cd含量降幅為21.46%～70.36%。淹水降Cd 效果優于添加生石灰，綜合處理措施降Cd效果優于單一措施。通過對水稻進行灌漿期淹水并配合添加適量生石灰，可以有效降低土壤Cd的活性以及水稻糙米Cd含量。