?生物質電廠灰與硅肥組配對水稻Cd吸收的影響

摘 要：以生物質電廠灰和硅肥為供試肥料，在常規施肥基礎上研究了單施生物質電廠灰（BFA）、單施硅肥（Si）、生物質電廠灰與硅肥組配施用（A–Si）對水稻各部位鎘（Cd）含量以及各部位對重金屬Cd的生物富集系數和轉運系數。結果表明：與空白對照（常規施肥，不施生物質電廠灰和硅肥）相比，A–Si處理的稻米Cd含量下降了59.5%；同時，A–Si處理下稻米和葉片對Cd的富集系數最低，根對Cd的富集系數最高；而且，該組配處理能有效降低Cd從莖稈向稻米的轉運，從而有效減少Cd在稻米中的累積；而單獨施用生物質電廠灰不利于稻米Cd的降低和稻草Cd的富集，對Cd的阻控效果不佳。

關鍵詞：生物質電廠灰；硅；鎘污染；水稻

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號： 1006-060X（2023）03-0046-04

Abstract：In this paper， biofuel ash discharged by the power plant and silicon fertilizer were used as test materials to compare effects of three treatments （BFA： biofuel ash; Si： silicon fertilizer; A-Si： biofuel ash + silicon fertilizer） on cadmium （Cd） content， and bioaccumulation coefficient and transfer coefficient of Cd in various parts of rice. The results showed that compared with CK （rountine fertilization without biofuel ash and silicon fertilizer），" in A-Si treatment， rice Cd content reduced by 59.5%; the bioaccumulation coefficients of Cd in rice grains and leaves were the lowest， while the bioaccumulation coefficient of Cd in roots was the highest; at the same time， A-Si treatment effectively reduced the transfer of Cd from rice straw to rice grain， thus effectively reducing the accumulation of Cd in rice grain. Conversely， applying biofuel ash alone was not conducive to Cd reduction in rice grain and Cd enrichment in rice straw， which was not ideal in blocking Cd.

Key words：biofuel ash; silicon; Cd pollution; rice

近年來，由于污水灌溉、大氣沉降以及化肥農藥的大量使用，土壤重金屬污染日趨嚴重[1]。根據2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總的超標率為16.1%，其中鎘（Cd）的超標率為7.0%，問題尤為突出[2]。Cd是一種毒性極強的重金屬，不但對土壤環境本身和農產品質量造成威脅，還會通過食物鏈進入人體累積，危害人類健康[3]。水稻（Oryza sativa L.）是我國最主要的糧食作物，在保障糧食安全中起到重要作用[4]。因此，如何減少作物對Cd的吸收，特別是如何減少Cd在水稻中的積累意義重大。

草木灰是指草本或木本植物燃燒后的殘余物，富含礦質元素，主要成分是碳酸鉀[5]，因其來源廣泛、成本低廉、養分齊全，在農業生產中運用廣泛。生物質電廠灰（Biofuel Ash，BFA）是生物質電廠通過燃燒生物質發電產生的灰，是草木灰中的一種，通過合理技術加以回收利用就可以變廢為寶。相關研究發現，草木灰與污泥混合施用可讓土壤中的Cd形態重新分配，特別是有效態Cd 含量明顯降低，土壤水溶態Cd和交換態Cd 含量較對照分別降低56.60%和68.38%[6]；鋼渣和生物質炭配合施用可以中和紅壤酸度，提高土壤pH值，增加土壤交換性鹽基陽離子含量，降低土壤交換性鋁含量[7]；生物質電廠灰經過改性加工就可制成安全高效的重金屬鈍化劑，在水中對Cd 的吸附量可達16 mg/g以上[8]；將生物質熱電廠焚燒廢棄物與聚天冬氨酸（30%水溶劑）按6 g∶1 mL復配，可有效解決生物質熱電廠焚燒廢棄物制作復合肥過程中出現的元素循環中斷、草木灰環境污染、運輸過程中復合肥易碎、純草木灰肥效低等問題[9]。

硅（Si）肥屬于微量元素肥料，既可為作物提供養分，又可用作土壤調理劑，改良土壤；此外，還兼有防病、防蟲和減毒的作用。近年來，硅肥以其無毒、無味、不變質、不流失、無公害等突出優點逐漸成為發展綠色生態農業的高效優質肥料。

該試驗以生物質電廠灰和硅肥為供試肥料，研究了不同肥料對水稻Cd吸收的阻控效果，以期為生物質電廠灰的回收利用和水稻Cd污染治理提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及供試材料

試驗在湖南省寧鄉市回龍鋪鎮水稻田進行，供試土壤為第四紀紅土發育的紅黃泥，土壤基本理化性質如下：pH值5.64，有機質35.2 g/kg，全氮1.94 g/kg，全磷0.70 g/kg，全鉀20.7 g/kg，堿解氮204 mg/kg，有效磷18.0 mg/kg，速效鉀134 mg/kg，總Cd 0.48 mg/kg。

試驗所用生物質電廠灰來自河北某發電廠（pH值7.92，K2O≥15.3 g/kg），硅肥來自湖南長沙某公司（pH值8.3，含硅量≥30%）。供試水稻品種為濟優1127。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗共設4個處理，分別為：CK，空白對照，不施生物質電廠灰和硅肥； BFA，施生物質電廠灰1 500 kg/hm2；Si，施硅肥1 500 kg/hm2；A–Si，生物質電廠灰和硅肥按1∶1比例混合施用，施用量為750+750 kg/hm2。各處理均在當地習慣施肥基礎上應用。每個處理重復3次，小區面積為0.2 hm2，水稻種植規格為15 cm×20 cm。

1.2.2 樣品采集與檢測 水稻移栽30和60 d后，根據“S”形五點取樣法在各小區選取5株有代表性的水稻植株進行取樣，樣品按根、莖、葉、谷部位分離，置于烘箱中先在105℃下殺青，然后60℃烘干至恒重，稱量后將樣品粉碎過篩。粉碎樣品用微波消解儀消解，然后用ICP–MS測定溶液中Cd含量。

1.2.3 數據計算 Cd在水稻各器官中的生物富集系數（BCF，各部位Cd含量與土壤Cd含量的比值）和Cd在水稻不同器官間的轉運系數（TF，水稻不同器官間Cd含量的比值）可以用來評價Cd在水稻植株中的有效性和轉運積累效率[10]，通過公式（1）和（2）計算。

BCF= C組織/C土" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

其中，C組織為水稻根、莖、葉、稻米中的Cd含量；C土為水稻土土壤Cd含量。

TF = C器官1/C器官2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

其中，C器官 為水稻不同器官中的Cd含量。研究中計算了TF地上部/根、TF莖/根、TF葉/莖和TF稻米/莖。

1.3 數據分析

試驗數據采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件進行統計分析，采用單因素方差分析（Duncan，LSD與Pearson法，P＜0.05）對不同處理下各參數含量差異顯著性與相關性進行分析，采用Origin 9.1軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同肥料對水稻各器官Cd吸收效應的影響

由圖1可知，相對于CK，其他處理的稻米Cd含量均有下降，降幅為21.2%～59.5%，以A–Si處理降鎘效果最好，Cd含量為0.183±0.008 mg/kg，滿足稻米安全使用標準（GB 2762—2017）；施用生物質電廠灰和硅肥處理的莖Cd含量均高于CK，以A–Si處理累積的莖Cd含量最高，為2.75±0.053 mg/kg；A–Si處理的葉Cd含量最低，為0.511±0.031 mg/kg；根系Cd含量以A–Si處理最高，為7.98±0.13 mg/kg，Si處理次之，為7.08±0.18 mg/kg。上述結果表明，生物質電廠灰與硅肥組配處理可以顯著降低稻米和葉片中的Cd含量，顯著增加Cd在莖和根部的富集，從而有效降低土壤中重金屬Cd的濃度，但又不影響稻米的安全食用。

2.2 Cd在水稻不同器官中的分布比例

對Cd在水稻各器官的占比分析發現（圖2），各處理均以根系Cd占比最高，達到64.4%～69.8%；莖、葉次之；最低的是稻米Cd含量，僅占1.6%～4.6%。A–Si處理的根部Cd累積量最大，稻米Cd累積量最小。后續可以通過優化該組配模式，調節生物質電廠灰與硅肥的分配比例，促進調理劑中的鈍化成分與重金屬Cd絡合、沉淀等，從而實現降低土壤有效態Cd濃度、抑制稻米積累重金屬的目的[11]。

2.3 不同肥料對水稻各器官富集和轉運Cd的影響

生物富集系數（BCF）能夠反映水稻各部位富集Cd的情況，系數越大說明富集Cd的能力越強[12]。由表1可知，各處理中以A–Si處理的稻米Cd和葉片Cd富集系數最低，根Cd富集系數最高；而BFA

處理的稻米Cd和葉片Cd富集系數較高，根Cd的富集系數最低，莖部Cd的富集系數與其他處理差異不顯著。這說明單獨施用生物質電廠灰不利于稻米Cd的降低和稻草Cd的富集。

轉運系數（TF）可以反映出Cd在植株不同部位的富集趨勢，轉運系數越大，說明該器官對Cd的轉運能力越強[13]。由此在治理時可以重點作用于此轉運途徑，切斷Cd轉運路徑。由表2可知，Cd從水稻根向地上部分的轉移能力以A–Si處理最低，A–Si處理下Cd從莖到葉、從莖到稻米的轉運能力也最低，說明該處理能有效降低Cd在水稻中由稻草向稻米的轉運，從而有效降低Cd在稻米中的累積；BFA和Si處理中Cd從根到地上部分、從根到莖的轉運能力較強，其中，Si處理對Cd從莖到葉、從莖到稻米的轉運阻控效果優于BFA處理。

3 討論與結論

試驗中，生物質電廠灰和硅肥的施用降低了稻米Cd含量，主要原因是由于材料本身呈堿性，可以中和土壤酸性[14–15]，從而降低土壤中Cd的有效性；同時，生物質電廠灰具有疏松多孔的物理特性，其中帶弱負電荷的羧基和羥基等化學官能團對Cd2+有物理化學吸附作用，硅肥也可以吸附土壤溶液中的Cd，從而降低Cd的移動性；相似結論在Wang等[16]和Zhang等[17]的研究中也有報道。因此，將生物質電廠灰和硅肥組配使用對降低土壤Cd的有效性具有協同增強效果。朱雅蘭等[18]的研究表明，使用生物質電廠灰能增加土壤脲酶和過氧化氫酶的活性；胡瑞芝等[19]研究表明，Si可以與水稻中丙二醛結合形成絡合物，從而降低丙二醛含量，增強超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶的活性。二者組配使用能較大程度緩解重金屬對水稻的毒害作用。

生物質電廠灰富含豐富的鉀素，能促進水稻生長，提高水稻的生物量，促進Cd從根往地上部分的轉運[20]，而水稻吸收Si后會促進根部質外體和共質體中的單硅酸濃度增加，進而在細胞內外形成不溶性Cd–硅酸鹽，增加Cd在根部的累積，減少Cd向稻米的轉運[21]。彭鷗等[22]和彭華等[15]也發現，施Si肥能顯著降低水稻各部位的Cd轉運系數，有效阻控水稻根部對Cd的吸收轉運，降低稻米Cd含量；同時，施Si肥還能顯著增加莖稈、葉片和稻殼的Si含量。試驗結果顯示，各處理對Cd在水稻不同器官間的轉運阻控效果整體表現為A–Si處理最好，Si次之，BFA表現最差。

綜上所述，不同處理以生物質電廠灰與硅肥組配處理效果最好，稻米Cd含量為0.183 mg/kg，達到安全食用標準；同時，該處理增加了Cd在根部和莖部的富集。單獨施用生物質電廠灰不利于稻米Cd的降低和稻草Cd的富集，對Cd的阻控效果不佳。

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（責任編輯：肖彥資）