外源碳酸鹽對土壤-水稻系統中鎘遷移的影響

徐 彤，毛 旭

（貴州地礦一一二地質工程勘查有限責任公司，貴州安順 561000）

重金屬鎘（Cd）的生態環境風險是以其生物有效性為基礎的[1-2]，而土壤中Cd 的有效態含量往往是影響其被作物吸收的主要因子，降低土壤中鎘的有效態含量可降低作物對鎘的吸收[3]。當前國內外學者在受鎘污染土壤的安全利用和農作物安全生產領域的研究較廣泛。有研究表明，解析作物吸收鎘的關鍵驅動因子，然后根據關鍵因子實施合理阻控途徑可有效降低作物對鎘的吸收[4]。作物吸收鎘的關鍵驅動因子主要是土壤pH 值、土壤礦物、土壤有機質、拮抗元素、伴隨離子及作物品種等[5]。

土壤原位鈍化技術因效果明顯、經濟成本低、可復制性強等優勢已成為受污染土壤安全利用研究領域的熱點[6]。碳酸鹽礦物因礦產資源豐富，取材方便經濟實惠，對土壤中的重金屬有較好的鈍化作用，是土壤重金屬原位鈍化研究領域的熱門材料。馮敬云等將碳酸鹽作為鈍化劑修復鎘污染稻田，結果表明，施用碳酸鹽可顯著提高土壤pH 值，土壤pH 值與水稻子粒Cd 含量呈顯著負相關，相關系數達0.73[7]。丁園[8]的研究結果表明，石灰石添加量為2.076、4.152 g·kg-1時，土壤pH 值分別提高0.93、1.91，同時土壤中鎘的活性顯著降低，土壤Cd 形態由可交換及碳酸鹽結合態（9.78%～4.39%）向殘渣態（3.57%～8.90%）轉化。

本研究以外源添加碳酸鹽的方式，研究受鎘污染的土壤中添加碳酸鹽對土壤-水稻系統中鎘遷移的影響，以期豐富受鎘污染農用地安全利用與農作物安全生產的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為雜交品種宜香優2115，是由宜賓市農業科學院選育的不育系宜香1A 與四川農業大學農學院選育的恢復系雅恢2115組配而成的中秈遲熟優質雜交水稻組合。

供試土壤為2022 年4 月5 日采集自貴州省黔東南州黎平縣九潮鎮賴洞村下壩小盆地（北緯26°07'15.8″，東經108°43'26.9″）的表層水稻土，土壤類型為典型黃壤，pH值5.29，鈣（Ca）、鎂（Mg）、鎘（Cd）全量分別為0.33 g·kg-1、1.29 g·kg-1、0.48 mg·kg-1。可交 換鈣、可交換鎂、有效態鎘含量分別為212.78 mg·kg-1、61.98 mg·kg-1、0.17 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

于2022 年5—9 月在貴州省農業科學院土壤肥料研究所試驗大棚開展受鎘污染土壤的水稻盆栽試驗。本試驗設計4 個處理：在典型黃壤上進行水稻盆栽試驗（T1）；在典型黃壤中引入外源氯化鎘后進行水稻盆栽試驗（T2）；在典型黃壤中添加碳酸鹽礦物后進行水稻盆栽試驗（T3）;在典型黃壤中添加碳酸鹽礦物的基礎上引入外源氯化鎘進行水稻盆栽試驗（T4）。其中T1、T3中土壤鎘濃度為土壤背景值（0.48 mg·kg-1），T2、T4中土壤鎘濃度模擬農用地風險管控閾值設置為3.2 mg·kg-1，采用外源添加氯化鎘的方式模擬。每個處理1個盆栽，3次重復，共12個盆栽。

1.2.1 盆栽裝置設計

試驗盆長×寬×高為60 cm×40 cm×50 cm，裝填25 cm 深土壤。盆栽土基肥為氮磷肥（NH4）3PO4，施用量為501 kg·hm-2；氮肥尿素施用量為138 kg·hm-2；鉀肥KCl 施用量為278 kg·hm-2，基肥與土壤混勻后淹水處理1周以上，再移栽水稻秧苗，每個盆栽種植4穴水稻。分蘗期施加尿素（183 kg·hm-2）作為追肥，孕穗期施加尿素（138 kg·hm-2）、氯化鉀（184 kg·hm-2）作為穗肥。試驗過程中灌漿前全生育期保持淹水3～5 cm，試驗用水為純水。水稻全生長期按常規要求管理，觀測水稻長勢。

1.2.2 供試土壤處理

將采集的供試稻田表層土置于室內自然風干，過1 cm 篩后備用。將過篩后的黃壤一半不添加任何物質，作為典型黃壤；另一半人為添加碳酸鹽巖礦物（方解石、白云石），其中，方解石與白云石比例為6∶1，碳酸鹽添加至鈣全量為5.76 mg·kg-1，鎂全量為2.16 mg·kg-1。

1.2.3 樣品采集與預處理

土壤樣品：待試驗期滿，采用五點法采集水稻根系土，按照四角及中心點采集1 kg 土壤帶回實驗室，置于室內自然風干，研磨過10 目篩與100 目篩，置于聚乙烯自封袋保存備用。

植物樣品：每個試驗盆隨機采集兩整株水稻混合成一個樣，使用超純水反復將水稻植株清洗干凈，水稻樣品分根、莖、葉、穗4 個部分，記錄各個部分鮮質量后置于105 ℃烘箱殺青2 h，調節溫度為65 ℃烘干至恒重，記錄水稻各部位干質量后將穗細分為穗莖、糙米兩個部分。將水稻各個部位用不銹鋼植物粉碎機粉碎后置于聚乙烯自封袋保存備用。

1.2.4 樣品分析測試

土壤樣品的分析測試包括pH 值、Cd 全量、有效態Cd、形態Cd 及植物Cd 含量，具體分析測試方法見表1。

1.3 數據處理

使用Microsoft Excel 2019 對數據進行簡單統計處理，采用SPSS 22.0 進行正態分布檢驗及單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 外源碳酸鹽對土壤鎘活性的影響

土壤pH 值是影響土壤鎘活性的重要因素。黃壤添加碳酸鹽后，土壤pH 值變化如表2所示。在鎘濃度為土壤背景值水平下，黃壤添加碳酸鹽后pH 值上升了0.70，鎘濃度在T2 水平下，添加碳酸鹽后土壤pH值上升了0.66。兩種鎘濃度土壤在添加碳酸鹽后pH值皆顯著提升，表明在特定條件下，土壤添加碳酸鹽可提升土壤pH值。

表2 外源碳酸鹽對土壤pH值及鎘活性的影響

土壤中生物有效性鎘可用DTPA 混合溶液提取。土壤添加碳酸鹽后對鎘生物有效性的影響如表2。黃壤中添加碳酸鹽后，在T1鎘濃度下，成熟期水稻土生物有效性鎘含量降低至原來的60%，生物有效性鎘是作物可直接吸收的成分，其活性的降低能減少作物對鎘的吸收，有利于糧食安全生產。

鎘的形態分布是深度剖析鎘生物有效性的重要依據，黃壤添加碳酸鹽進行淹水處理后，土壤中鎘的形態分布變化如表2 所示。添加碳酸鹽后的黃壤，兩種鎘濃度下可還原態鎘占比變化不明顯，可交換態占比顯著降低，殘渣態和可氧化態的占比顯著增加。其中鎘濃度在土壤背景值下土壤添加碳酸鹽對鎘的形態分布影響最大，可交換態占比降低了35.04%，殘渣態含量百分比增加了21.33%，可氧化態鎘百分比增加了2倍。土壤鎘可交換態是活性最強的形態，作物可直接吸收；土壤中鎘氧化態和還原態在特定的氧化還原環境條件下是穩定的，作物不容易吸收；土壤中殘渣態鎘需要特定的環境才會被釋放出來，屬于最穩定的鎘形態[11]。土壤添加碳酸鹽后鎘的殘渣態、可氧化態增加，可交換態減少，表明在特定環境下，土壤添加碳酸鹽可有效降低鎘的活性。

2.2 外源碳酸鹽對水稻鎘含量的影響

水稻各部位鎘含量如表3 所示，在兩種濃度土壤鎘含量下，黃壤添加碳酸鹽后的水稻鎘含量變化呈現一致的規律，表現為水稻根系鎘含量增加，其中T4相較于T2 增長顯著。水稻莖稈、葉片、穗軸、糙米4 個器官的鎘含量顯著降低。黃壤添加碳酸鹽后，T1 鎘濃度含量下，水稻根系鎘含量增至原來的1.31 倍，莖、葉、穗、糙米鎘含量分別降低至原來的27.65%、28.69%、28.11%、33.06%；T2 鎘濃度含量下，水稻根系鎘含量增至原來的1.88 倍，莖、葉鎘含量分別降低至原來的27.84%、37.64%、17.44%、32.98%，表明土壤中添加碳酸鹽能有效降低水稻地上部分的鎘含量。

表3 外源碳酸鹽對水稻各部位鎘含量的影響 單位：mg·kg-1

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 外源碳酸鹽添加對土壤鎘活性的影響

本試驗中土壤添加碳酸鹽后pH 值增加，有效態鎘含量降低，原因可能是土壤pH 值影響了土壤中鎘的活性。據研究表明，pH 值每降低1 個單位水平，土壤中鎘的活性增加1.5 倍[12]。土壤添加碳酸鹽后土壤pH值升高，這是由于外源碳酸鹽由方解石、白云石組成，其中方解石主要成分為CaCO3，白云巖主要成分為CaMg(CO3)2。土壤中碳酸鹽通過消耗土壤環境中H2O 和CO2分解為Ca2+、Mg2+、OH-、HCO3-等離子，HCO3-離子為堿性離子，通過消耗土壤水分進行水解反應，生成OH-和CO32-，OH-是影響土壤pH值的主要因素，OH-含量越高，土壤堿度越強[13]。從土壤中鎘的形態分布來看，土壤添加碳酸鹽后，可交換態鎘占比顯著降低，殘渣態和可氧化態鎘的占比顯著增加。土壤可交換態鎘是作物可以直接吸收的形態，也是DTPA 提取態鎘的主要成分，添加碳酸鹽后，可交換態鎘含量降低，殘渣態鎘含量和可氧化態鎘含量增加，表明部分可交換態鎘轉換為殘渣態和可氧化態，這也是土壤中DTPA提取態鎘含量顯著降低的原因。

3.1.2 外源碳酸鹽添加對水稻鎘含量的影響

土壤添加碳酸鹽后水稻根系鎘含量增加，可能是因為作物對逆環境有相應的調節機制，土壤中Cd進入根系后，會受到根細胞壁的封存和細胞膜隔離作用封存在細胞質中[14]，從而使根部鎘含量增加；土壤添加碳酸鹽后水稻莖、葉、穗、糙米中鎘含量不同程度降低，其中在0.48 mg·kg-1鎘濃度下，莖、葉、穗、糙米4 個器官鎘減少比例從大到小依次為葉片＞糙米＞穗＞莖；在3.2 mg·kg-1鎘濃度下，莖、葉、穗、糙米4 個器官鎘減少比例從大到小依次為糙米＞葉片＞莖＞穗。由此可見，土壤中添加碳酸鹽后，顯著減少了水稻地上部分各器官對鎘的積累，其中效果最好的器官是葉片和糙米。

3.2 結論

外源碳酸鹽添加后，可增加土壤中pH 值，降低土壤中鎘的生物有效性，使得土壤中鎘的殘渣態比例增加，可交換態鎘比例降低，從而降低土壤中鎘的活性。外源碳酸鹽添加顯著減少了水稻地上部分對鎘的積累。