不同生物有機肥對鎘污染農田中水稻產量和土壤肥力的影響

何家眾 陳福明 葉正錢 柳丹 宋肖琴

摘要 ［目的］探討生物有機肥在鎘（Cd）污染農田中的修復效果，保障水稻的安全生產。［方法］選用牛糞生物有機肥、炭基生物有機肥、大豆生物有機肥和海藻生物有機肥，在鎘輕度污染稻田中開展為期2年的田間試驗，測定土壤理化性質、土壤有效態Cd、水稻生長狀況和產量、糙米Cd含量。［結果］田間試驗結果表明生物有機肥的施用土壤pH平均提高0.32，堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質分別平均提高9.38%、15.69%、10.62%、11.64%。水稻株高、穗長、根長、穗重、千粒重和產量分別提高5.86%、3.83%、16.54%、16.91%、7.14%、3.65%。土壤有效態Cd含量顯著下降0.10 mg/kg，降幅為39.12%，糙米Cd含量顯著下降45.36%。［結論］生物有機肥在降低土壤Cd生物有效性和水稻籽粒中Cd含量具有顯著作用，同時能夠促進水稻生長和提高土壤肥力，其中炭基生物有機肥作用效果最好，未來可作為保障水稻安全生產的一項技術措施。

關鍵詞 鎘污染；土壤肥力；重金屬；生物有機肥；微生物修復

中圖分類號 S 141? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2024）12-0139-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.030

Effects of Different Bio-organic Fertilizers on Rice Yield and Soil Fertility in Cadmium-contaminated Farmland

HE Jia-zhong1， CHEN Fu-ming2， YE Zheng-qian3? et al

（1.Yiwu New Rural Construction Guidance Station， Yiwu， Zhejiang 322000;2.Yiwu Agricultural Technology Extension Service Center， Yiwu， Zhejiang 322000;3. Zhejiang Agriculture and Forestry University/ Key Laboratory of Bio-remediation of Soil Pollution in Zhejiang Province， Hangzhou， Zhejiang 311300）

Abstract ［Objective］ To explore the remediation effect of bio-organic fertilizer on cadmium-contaminated farmland and ensure the safe production of rice. ［Method］ Cattle manure bio-organic fertilizer， biochar-based bio-organic fertilizer， soybean bio-organic fertilizer and seaweed bio-organic fertilizer were selected to carry out a two-year field experiment in paddy fields with mild cadmium pollution. Soil physical and chemical properties， soil available Cd， rice growth and yield， and brown rice Cd content were determined. ［Result］ The field test results showed that the application of bio-organic fertilizer increased soil pH by an average of 0.32， alkali-hydrolyzed nitrogen， available phosphorus， available potassium and organic matter were increased by an average of 9.38%， 15.69%， 10.62% and 11.64%， respectively. The plant height， panicle length， root length， panicle weight， 1 000-grain weight and yield of rice were increased by 5.86%， 3.83%， 16.54%，16.91%， 7.14% and 3.65%， respectively. The available Cd content in soil decreased significantly by 0.10 mg/kg， a decrease of 39.12%， and the Cd content in brown rice decreased significantly by 45.36%. ［Conclusion］Bio-organic fertilizer has a significant effect on reducing Cd bioavailability in soil and Cd content in rice grains， and can promote rice growth and improve soil fertility. Among them， carbon-based bio-organic fertilizer has the best effect， which can be used as a technical measure to ensure the safe production of rice in the future.

Key words Cadmium pollution;Soil fertility;Heavy metals;Bio-organic fertilizer;Microbial remediation

基金項目 義烏市省級水稻安全利用技術試驗及推廣項目（SJZJZC20-22240GK）。

作者簡介 何家眾（1987—），男，浙江義烏人，高級農藝師，從事植保和土壤肥料技術推廣研究。*通信作者，高級農藝師，從事土壤污染與生態修復研究。

收稿日期 2023-08-16

水稻是南方絕大部分地區的主食，保障水稻安全對人體健康具有重要意義。近年來，隨著工業化的發展導致農田土壤受到不同程度的污染，其中重金屬污染最為嚴重［1］。重金屬對人體具有很強的危害性，如鎘（Cd）是毒性最強的重金屬元素之一，對腎、肺、肝、睪丸、腦、骨骼、血液等均可產生毒性并有致癌作用［2］。鉛（Pb）可迅速進入血液循環發生鉛中毒，最突出的表現是抑制血紅素和細胞色素的生成［3］。汞（Hg）會對中樞神經造成損傷，導致感覺障礙，嚴重者可出現全身癱瘓、精神錯亂，甚至死亡［4］。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示目前我國82.8%的超標點位為Cd、Pb、As等污染［5］。據統計，每年由耕地重金屬污染導致1 000多萬t糧食受到Cd污染［6］。土壤重金屬的活性會隨著土壤pH的下降而逐漸增強，而在水稻田中為了追求產量注重化肥投入輕視有機肥施用，造成土壤不斷酸化，因此重金屬的生物有效性也在不斷提高［7］。如何在保障農業生產的過程中，降低水稻籽粒中的重金屬尤其是Cd含量是一項值得研究的問題。目前常見的主要有施用化學改良劑，如施用石灰、鈣鎂磷肥、礦渣等堿性物質，通過提高土壤pH來降低有效態Cd含量［8］。或者采用葉面噴施硅肥、硒肥等，抑制Cd向籽粒中的轉運［9］。但這些方式都存在一定的弊端和風險性，長期施用石灰等堿性物質，一方面會造成土壤板結，破壞土壤結構，導致土壤環境惡化［10］。另一方面，改良劑本身所攜帶的重金屬會隨著時間的積累對人體健康造成影響［11］。葉面肥則受到環境、氣候等多重因素的影響，使其作用效果不佳［12］。因此開發新的技術措施，從而保障水稻的安全生產顯得尤為重要。微生物修復技術被認為是一項高效、環保的措施，其修復的機理主要是通過微生物吸附、礦化、沉淀等方式降低重金屬的生物有效性［13］。高玉振等［14］研究膠質芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）能夠通過絡合吸附Cr6+，林海等［15］證實芽孢桿菌（Bacillussp）可以通過物理吸附能固定Cd2+。但微生物的增殖需要一定的環境，因此其不能直接運用到農田中。尋找合適的載體來提高其作用效果是進行微生物修復的關鍵，生物有機肥是通過在有機載體上接種一種或多種功能性微生物的一種新型肥料［16］。將其施用到農田中不僅能夠為微生物提供載體還能為土壤補充大量的有機質。研究表明，施用生物有機肥不僅能夠提高土壤肥力還能改善作物產量和品質。張志鵬等［17］研究發現，施用復合微生物菌肥可顯著促進小麥生長，提高小麥產量，增加小麥種植的經濟效益。段文學等［18］發現在甘薯種植中施用枯草芽孢桿菌可顯著提高土壤脫氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性及土壤有效磷、速效鉀和有機質含量，顯著提高甘薯可溶性糖和維生素C含量。生物有機肥在各類作物中的研究均有涉及，但其在修復Cd污染農田中的應用較少。因此筆者基于前人的研究基礎，選用4種生物有機肥，在Cd輕度污染水稻田中開展了為期2年的田間試驗，探究其對土壤肥力、土壤Cd生物有效性以及籽粒Cd含量的影響，以期為Cd污染耕地的安全生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江省義烏市某農田，該地區屬亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，四季分明，年平均氣溫在17 ℃左右，年平均降水量為1 100～1 600 mm。土壤類型為水稻土，土壤基礎理化性質：pH 5.34，有機質16.72 g/kg，堿解氮150.48 mg/kg，有效磷18.64 mg/kg，速效鉀65.17 mg/kg，有效態Cd 0.24 mg/kg，Cd全量0.46 mg/kg。按照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），該試驗地土壤屬于Cd輕微污染。

1.2 試驗材料

水稻種子：水稻品種選擇當地主栽品種單季稻華浙優1號，水稻種子來源于金華市種子公司。肥料：水稻專用配方肥N∶P2O5∶K2O=20∶10∶15，來源于安徽道爾肥業有限公司。生物有機肥：牛糞生物有機肥來自金華市惠君有機肥制造公司，主要菌種為枯草芽孢桿菌，有效活菌數≥5 億/g，pH 7.12，有機質35.37%，N+P2O5+K2O=6%，全氮1.33%，全磷3.32%，全鉀1.34%；炭基生物有機肥來自中化（煙臺）作物營養有限公司，原材料為秸稈生物炭和羊糞有機肥，主要菌種為枯草芽孢桿菌和固氮紅螺菌，有效活菌數≥3 億/g，pH 7.43，有機質46.15%，N+P2O5+K2O=5%，全氮2.61%，全磷4.15%，全鉀2.47%；大豆生物有機肥來自史丹利農業集團股份有限公司，原材料為大豆，主要菌種為枯草芽孢桿菌，有效活菌數≥5 億/g，pH 7.15，有機質71.24%，N+P2O5+K2O=8%，全氮1.35%，全磷3.42%，全鉀2.14%；海藻生物有機肥來自山東日照沃力生物科技有限公司，原材料為海藻和木薯渣，主要菌種為地衣芽孢桿菌和木霉菌，有效活菌數≥2 億/g，pH 7.26，有機質51.26%，N+P2O5+K2O=4%，全氮1.24%，全磷1.02%，全鉀2.11%，海藻蛋白5%。

1.3 試驗設計

第1年試驗于2021年5月開展，當年10月收獲，第2年與第1年時間保持一致。共設置5個處理，分別為：不施用生物有機肥（CK），牛糞生物有機肥（BF1），炭基生物有機肥（BF2），大豆生物有機肥（BF3），海藻生物有機肥（BF4）。試驗小區面積為100 m2（長20 m，寬5 m），每個處理3次重復，共15個小區，各小區之間構筑田埂并覆膜，每個小區均設置單獨進、出水口，防止串水串肥。采用人工移栽的插秧方式，采用25 cm×10 cm的株行距種植，每穴2～3株，淺插勻植。生物有機肥在水稻移栽前1 d，按照600 kg/hm2用量進行人工撒施，確保施用均勻，同時在種植前按照375 kg/hm2的水稻專用復合肥（20-10-15）作為基肥，在秧苗移栽大田后10 d進行追肥，追肥采用150 kg/hm2尿素。其他水肥管理與當地常規管理模式保持一致。

1.4 樣品采集

土壤樣品：在每年水稻成熟時按照五點取樣法，在每個小區利用不銹鋼土鉆進行取土，每份樣品1 kg，充分混勻后剔除雜物，土壤樣品帶至實驗室進行自然風干，磨碎分別過2.00和0.15 mm標準篩用于測定土壤基本理化性質和有效態Cd。

水稻樣品：在收獲時每個小區取3株水稻整株樣品，將根部樣品洗凈后測定株高、穗長、根長，后將水稻105 ℃殺青30 min后，轉至80 ℃烘干至恒重。籽粒樣品采用小型水稻脫殼機進行脫殼，磨碎，放置于4 ℃冰箱保存待測。

1.5 樣品測定

土壤基礎理化性質參考《土壤農化分析》［19］，土壤pH采用pH計（Orion 3 Star，Thermo Ltd.，USA）測定（土∶水=1∶2.5），土壤有效磷用HCl-NH4F萃取，然后用鉬藍法測定，堿解氮采用堿解擴散法，速效鉀采用CH3COONH4浸提-火焰光度計法，有機碳采用K2Cr2O7氧化容量法-外加熱法，土壤有機質=土壤有機碳×1.724。土壤有效態Cd含量參考《土壤質量 有效態鉛和鎘的測定 原子吸收法》（GB/T 23739—2009）［20］。土壤Cd全量參考《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）［21］。水稻株高、根長、穗長采用2 m卷尺進行測量，穗重、千粒重采用百分之一天平進行稱重，小區產量采取全小區收割后換算1 hm2產量［22］。糙米Cd含量參考《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》（GB 5009.15—2014）［23］。

1.6 數據分析

使用SPSS 23軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）對數據進行差異顯著性檢驗，用鄧肯法做多重比較，利用origin 2021進行繪圖，試驗數據采用平均值±標準差（SD）表示。

2 結果與分析

2.1 不同生物有機肥對土壤肥力的影響

由表1可知，在施用生物有機肥的第一年，土壤有機質含量表現出BF2（18.20 g/kg）>BF1（17.74 g/kg）>BF4（17.68 g/kg）>BF3（16.75 g/kg）>CK（16.50 g/kg）。與CK處理相比，施用生物有機肥后土壤有機質含量增加1.52%～10.30%。BF2處理堿解氮含量最高為170.24 mg/kg，其次是BF3處理為166.14 mg/kg，與CK處理（155.56 mg/kg）相比，分別增加9.44%、6.80%。生物有機肥處理土壤有效磷含量與CK處理相比增加2.37～5.86 mg/kg，其中BF2處理含量最高為26.81 mg/kg，較CK處理增幅為27.97%。土壤速效鉀含量BF2處理最高為80.65 mg/kg，與CK處理相比顯著增加13.27 mg/kg，增幅為19.69%（P<0.05）。在施用生物有機肥的第2年，土壤有機質含量較第1年均有所增加，其中BF2處理有機質含量最高，為19.82 g/kg，較第一年增加1.62 g/kg，與CK處理相比顯著增加26.48%。BF2處理土壤堿解氮和速效鉀含量與第一年效果一致，與CK處理相比分別顯著增加25.92、15.65 mg/kg，增幅分別為16.16%、22.29%（P<0.05）。土壤有效磷含量以BF2處理最高，為28.01 mg/kg，BF4處理次之，為25.57 mg/kg。

2.2 不同生物有機肥對水稻生長狀況的影響

由表2可知，第一年各處理間水稻株高表現出較大差異，其中BF2處理最高（107.13 cm），其次是BF1（101.42 cm）和BF4處理（101.38 cm）。與CK處理相比，生物有機肥處理株高平均增加5.16 cm。各處理水稻穗長變化不大，其中以BF2處理最長（19.62 cm），與CK處理相比增加2.18 cm，增幅為12.50%。水稻根長表現出BF2（15.41 cm）>BF3（14.41 cm）>BF1（13.25 cm）>BF4（12.54 cm）>CK（11.39 cm）。在施用生物有機肥后的第二年，水稻株高以BF2處理最高為108.73 cm，其次是BF4處理（104.67 cm），BF1和BF3處理較為接近，分別為102.72、102.23 cm。第二年生物有機肥處理水稻穗長差異不顯著，與CK相比增幅為1.06%～4.75%（P>0.05）。水稻根長以BF2處理（15.23 cm）最長，其次是BF3處理（15.16 cm），與CK處理相比分別增加2.30和2.23 cm。

2.3 不同生物有機肥對水稻產量的影響

對各處理產量指標進行分析發現，生物有機肥能夠增加水稻穗重和千粒重從而提高水稻產量。由表3可知，第一年各處理穗重在28.64～33.67 g，BF4處理最大，與CK處理相比增加5.03 g，增幅為17.56%。水稻千粒重以BF2處理最大為25.63 g，其次是BF3處理為25.19 g，與CK處理相比分別增加2.68、2.24 g。各水稻產量表現為BF2>BF1>BF3>BF4>CK，與CK處理相比BF1和BF2處理分別增加481.20、612.00 kg/hm2，增幅分別為6.36%、8.09%。在生物有機肥施用后第二年，BF2處理水稻穗重最大為35.11 g，與CK處理相比顯著增加8.06 g，增幅為29.80%（P<0.05）。各處理水稻千粒重為23.05～25.56 g，其中BF2處理最大，與CK處理相比增幅為10.89%。水稻產量以BF2處理（8 379.60 kg/hm2）最大，其次是BF3處理為7 899.75 kg/hm2，與CK處理相比，分別增加615.45、135.60 kg/hm2。

2.4 不同生物有機肥對土壤pH和有效Cd含量的影響

由圖1a可知，第一年和第二年施用生物有機肥后土壤有效態Cd含量顯著下降，其中BF2處理含量最低。第一年施用生物有機肥后與CK處理相比，BF2處理土壤有效態Cd含量顯著下降0.11 mg/kg，降幅為45.83%（P<0.05）。BF1、BF3和BF4處理分別顯著下降25.00%、33.33%、33.48%（P<0.05）。第二年與第一年相比，施用生物有機肥后，土壤有效態Cd含量逐漸下降。其中表現出與第一年相同的規律，表現為CK（0.26 mg/kg）>BF1（0.17 mg/kg）>BF3（0.15 mg/kg）>BF4（0.14 mg/kg）>BF2（0.12 mg/kg），與CK處理相比生物有機肥處理土壤有效態Cd含量下降0.09～0.14 mg/kg，降幅為34.62%～53.85%。從圖1b可以看出，各處理土壤pH變化幅度不大，較CK處理，生物有機肥的施用可以提高土壤pH。其中BF1、BF2、BF3和BF4處理土壤pH分別提高0.29、0.37、0.17和0.22。在施用生物有機肥后的第二年，BF2處理pH為5.72，與CK相比提高0.50，生物有機肥處理平均提高0.38。

2.5 不同生物有機肥對水稻籽粒中Cd含量的影響

對不同處理水稻籽粒（糙米）中的Cd含量進行分析發現（圖2），生物有機肥處理能夠顯著降低水稻籽粒中Cd含量。其中第一年BF1、BF2、BF3和BF4處理分別顯著降低0.11、0.17、0.08和0.12 mg/kg，降幅分別為42.31%、65.38%、30.77%和46.15%（P<0.05）。第二年施用后發現與第一年表現出同樣的規律，其中與CK相比BF2處理顯著下降0.15 mg/kg，降幅為65.22%（P<0.05）。生物有機肥處理平均下降0.10 mg/kg，降幅為39.13%～65.22%。

3 討論

3.1 生物有機肥對土壤肥力的影響

該試驗結果表明，施用2年生物有機肥后，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量均有所上升。生物有機肥作為一種新型有機肥料，在土壤中施用一方面能夠為土壤帶來養分［24］，另一方面，微生物會促進有機物質的分解，從而提高土壤有機碳和氮含量［25］。研究表明，在枸杞上施用生物有機肥料后，土壤中堿解氮和有機質含量顯著上升［26］，這與該研究結果一致。BF2處理（炭基生物有機肥）對土壤養分的提升作用較其他3種生物有機肥作用效果最為顯著。生物炭是以農林廢棄物等經過高溫所形成的特殊炭，其中含有豐富的氮、磷和鉀元素，在土壤中施用能夠顯著提高土壤中的養分含量［27］。李夏等［28］研究表明，在土壤中施用炭基生物有機肥顯著提高了土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量。此外，生物炭pH通常為9～11，在土壤中施用能顯著提高土壤pH［29］。研究表明，土壤pH的提高會增強硝化微生物活性，增強土壤硝化作用，從而提高土壤氮含量［30］。同時pH的提高會增強土壤磷酸還原酶活性，將不可溶性磷轉化為可溶性磷［31］。供試的生物有機肥中枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等，其具有固氮溶磷和解鉀的作用。李國君等［32］研究發現，在雷州半島磚紅壤施用微生物菌肥能夠增加單株瓜數和瓜重，對西洋小南瓜的增產效果明顯。

3.2 生物有機肥對水稻生長和產量的影響

生物有機肥的作用不僅在于提高土壤肥力，同時還可以促進水稻生長、提高水稻產量。該試驗結果表明，供試的4種生物有機肥施用能提高水稻株高、穗長、根長、穗重、千粒重和水稻產量。生物有機肥中的功能性微生物如芽孢桿菌類，其可以在增殖過程中合成生長素（IAA）、細胞分蘗素（CTK）、赤霉素（GA）、乙烯（ETH）和脫落酸等植物激素從而促進細胞分蘗、伸長分化［33-34］。岳宏忠等［35］研究表明，在黃瓜中施用生物有機肥后黃瓜產量顯著增加。王俊紅等［36］研究發現，在小麥上施用生物有機肥后產量增加9.3%，這與該研究結果一致。從試驗結果來看，以生物炭作為原料所制備的生物有機肥處理對水稻產量的提高作用最為顯著。這主要是由于生物炭可為水稻生長提供營養元素，改良土壤理化特性，促進水稻分蘗和干物質積累，從而提高水稻產量。劉慧敏等［37］研究表明，生物炭的施用能夠改善谷子葉面光合和根系對水分和礦質元素的吸收能力，從而提高谷子產量。寧川川等［38］研究表明，在水稻中施用秸稈生物炭能夠增加水稻中硅和氮含量，從而提高雙季稻產量。該研究結果表明，生物炭的施用對于水稻產量的提高具有積極作用，這與前人的研究結果一致。

3.3 生物有機肥對土壤和水稻籽粒中Cd含量的影響

土壤pH是影響土壤重金屬活性的重要因素，特別是Cd活性的提高與土壤pH下降存在顯著正相關關系。該試驗結果表明，生物有機肥能夠提高酸性水稻土壤pH，顯著降低土壤有效態Cd含量。生物有機肥因其在發酵過程中由于微生物的作用，使肥料pH提高，當其添加到土壤中后能夠提高土壤pH。此外炭基生物有機肥的施用對土壤pH的提升和有效態Cd含量的降低效果最為明顯。生物炭因其pH較高，常作為酸性土壤改良劑。研究表明，在Cd污染的土壤中施用生物炭能夠顯著提高土壤pH，降低土壤有效態Cd含量［39］。同時對籽粒中Cd含量進行分析發現，生物有機肥的施用能夠顯著降低籽粒中Cd含量。一方面土壤有效態Cd含量的下降，水稻從土壤中吸收的Cd含量就會相應減少。另一方面，生物有機肥中的微生物可以通過鈍化、吸附和固定作用減少Cd向水稻籽粒中的遷移。如枯草芽孢桿菌能夠通過產生脲酶生成CO32-，Cd2+與CO32-結合能夠產生CdCO3沉淀［40］。同時一些微生物的菌絲能夠分泌一種特殊的蛋白為球囊霉素相關土壤蛋白，其能夠與Cd2+結合并改變鎘的存在形態使其向殘渣態轉換并固定在土壤中［41］。

4 結論

該試驗結果表明，生物有機肥的施用能夠提升土壤肥力，促進水稻生長，提高水稻產量，降低水稻籽粒中Cd含量。其中施用炭基生物有機肥在供試的幾款生物有機肥中作用效果最為顯著，未來利用生物炭開發生物有機肥并將其運用到土壤修復和作物增產過程中是一項不錯的選擇。

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