腐殖酸和水旱轮作对镉污染土壤种植的稻糙米品质的影响

李文蔚，张沁怡，罗亚成，杨捷茹，王惠群

（1. 湖南农业大学国际学院，湖南 长沙410128；2. 湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙410128）

土壤中的镉能在水稻籽粒中积累，对人体健康造成威胁[1]。腐殖酸（humic acid，HA）是动植物遗骸，主要是植物遗骸，经过微生物分解和转化以及地球化学的一系列过程形成的一类有机物质[2]。调查显示，腐殖酸已成为抗旱剂、叶面肥、调整剂及复配产品的主要成分，在农业领域应用广泛[3-5]。研究表明，腐殖酸能明显提高植物生长必需营养元素的利用率[6]；同时，因其带负电荷且阳离子代换量高，对土壤重金属离子有显著的络合吸附作用，在合适条件下，这种吸附作用可有效地阻止重金属离子进入植株体内，减轻重金属离子对农作物的毒害[7]。

水旱轮作（paddy-upland rotation）是指在同一田地上有顺序地轮换种植水稻和旱作作物的种植方式[8]。水旱轮作消除了水稻田因长期淹水对土壤结构的不良影响，随着旱作蔬菜种植年限增加，土壤有机质含量呈上升趋势，而pH 值也呈上升趋势[9]。在有机质和含硫化合物较丰富的土壤中，水旱轮作改变了土壤的氧化还原条件，从而增加了旱季时土壤重金属的活性，相对于只种植水稻时，重金属含量下降。而且水旱轮作可增加土壤供肥强度，有利于作物产量的提高[10-13]。

目前，水旱轮作条件下施入腐殖酸的相互作用对镉污染土壤稻糙米品质的影响还未见报道。试验通过土壤盆栽试验，了解腐殖酸和水旱轮作共同作用下对水稻品质的影响，旨在为有机农业生产中应用腐殖酸和水旱轮作提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验在湖南农业大学植物激素与生长发育湖南省重点实验室网室基地进行。供试稻田土壤和菜田土壤来自于益阳市三益有机农业专业合作社，供试稻田土壤的主要理化性质为pH 值5.97，有机质含量44.6 g/kg，全氮含量1.90 g/kg，碱解氮含量193.6 mg/kg，全磷含量0.6 g/kg，速效磷含量22.9 mg/kg，速效钾含量479.0 mg/kg，镉含量1.810 mg/kg。供试菜田土主要理化性质为pH 值6.52，有机质含量28.2 g/kg，全氮含量1.60 g/kg，碱解氮含量185.5 mg/kg，全磷含量1.24 g/kg，速效磷含量58.1 mg/kg，速效钾含量484.6 mg/kg，镉含量1.553 mg/kg。供试水稻品种为湘早籼45 号。

植物必需矿质元素标样（Fe、Zn、Mg 和Ca 元素标准溶液）和隔离子标准品均由国家环境保护总局标准样研究所提供。

1.2 试验设计

采用随机组合设计，每种土壤处理添加0、0.1、1.0和10.0 g/m2的腐殖酸，每个处理种植3 盆（圆柱形瓷盆，直径×高度=40 cm×35 cm），共种植24 盆，每盆插秧5蔸。于2013年3月26日催芽育苗，4月25日移栽秧苗，水肥栽培措施等参照常规大田管理。

1.3 稻糙米中金属元素的测定方法

1.3.1 样品前处理 必需金属营养元素铁、锌、镁和钙的测定参照杜锐方法[14]，稍作改进，稻谷收获后，人工去壳，得到稻糙米，于80℃烘干至恒重，称干重，然后将干样用玛瑙研钵研碎，待测。取每个处理的粉碎干样品0.100 g，放于50 mL 锥形瓶中，加入HNO3-HClO4（V︰V=4︰1）混合消化液10 mL，用封口膜封住瓶口，置通风橱柜中过夜，然后在调温电炉上小火加热微沸消化，反复添加几次2 mL 浓硝酸进一步消化，至消化液中有机物分解完全，溶液变为清亮为止。取下锥形瓶，待冷却后加重蒸水2 mL，继续加热至冒白烟并蒸干，取下冷却后用2%硝酸定容到25 mL，过滤溶液，过滤液待测。

1.3.2 必须金属元素含量测定 以2%的硝酸为介质，对Fe、Zn、Mg 和Ca 元素标准溶液逐级稀释。将这4种标准储备液用2%硝酸配制成各为10.0 μg/mL 的混合标准母液，再将其混合液配制成2 倍、5 倍、10 倍的稀释液，采用美国热电公司XSP 全谱直读等离子发射光谱仪进行测定，并依此绘制标准曲线，根据标准曲线确定样品中的矿质元素含量。ICP 分析条件如下：射频功率为1.15 kW，雾化气压力为130 MPa，工作电流为0.46 A，进样量1.5 mL/min，长波积分时间5 s、短波积分时间10 s。

1.3.3 重金属镉离子的测定及镉元素吸收系数计算土壤和稻糙米中的重金属镉离子的测定采用中华人民共和国国家标准GB/T 17141-1997，应用石墨炉原子吸收分光光度法进行测定。采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全消解的方法进行消解。将消解后的试液注入石墨炉中，经过预先设定的干燥、灰化、原子化等升温程序，在选择的最佳测定条件下，通过背景扣除，测定试液中镉的吸光度，并通过计算，得到镉的含量。稻糙米重金属镉元素的吸收系数（Ac）的计算公式如下：Ac=C/S（式中：C 为稻糙米中镉元素的单位重量；S 为土壤中镉元素的单位重量）。

试验所得数据采用Excel 2003 和SPSSI 7.0 等进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 腐殖酸和水旱轮作对稻糙米镉含量及其吸收系数的影响

由图1 可知，在稻田土种植的条件下，随着腐殖酸含量依次增加，稻糙米中镉含量却依次下降；未进行腐殖酸处理（空白对照）的稻糙米中镉含量为0.685 mg/kg，当腐殖酸量为10.0 g/m2时，稻糙米中镉含量为0.411 mg/kg，比空白对照降低了40%。由图2 可知，在菜田土种植的条件下，腐殖酸能降低稻糙米中镉含量；未进行腐殖酸处理（空白对照）的稻糙米中镉含量为0.452 mg/kg，当腐殖酸量为1.0 g/m2时，稻糙米中镉含量最少，为0.385 mg/kg，比空白对照降低了14.8%。

图1 腐殖酸对稻田土稻糙米镉含量的影响

图2 腐殖酸对菜田土稻糙米镉含量的影响

由图3 和图4 可知，随着腐殖酸量的浓度增加，稻糙米中镉元素的吸收系数有所降低。在稻田土种植的情况下，未加腐殖酸处理的稻糙米镉元素吸收系数为0.38；而在菜田土种植的情况下，未加腐殖酸处理的稻糙米镉元素吸收系数仅为0.29。加入腐殖酸的处理，在稻田土种植的情况下，腐殖酸添加量为10.0 g/m2时，稻糙米中镉元素吸收系数最低，为0.24；而在菜田土种植的情况下，腐殖酸添加量为1.0 g/m2时，稻糙米中镉元素吸收系数最低，为0.25。由此可见，未加腐殖酸的处理，菜田土种植的稻糙米中镉含量比稻田土种植的要低，即水旱轮作后有利于降低稻米对镉元素的吸收，从而提高稻米的品质。

2.2 腐殖酸和水旱轮作对稻糙米必需元素含量的影响

由表1 可知，在稻田土和菜田土种植情况下，添加腐殖酸处理的水稻，其稻糙米中必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 的含量均比未添加腐植酸处理的高，且差异显著；两种土壤种植，均以1.0 g/m2的腐殖酸添加量稻糙米Mg的含量最大，这说明在土壤中添加1.0 g/m2的腐殖酸将有利于增强植株的光合作用。对比稻田土和菜田土种植可知，在等量腐殖酸处理时，菜田土种植的稻糙米中所含必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 的含量均高于稻田土种植的稻糙米。由此可见，腐殖酸和水旱轮作都有利于提高水稻稻糙米必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 的含量，从而改善稻糙米的品质。

图3 腐殖酸对稻田土稻糙米镉元素吸收系数的影响

图4 腐殖酸对菜田土稻糙米镉元素吸收系数的影响

表1 腐殖酸对稻田土和菜田土种植的稻糙米必需元素的影响

3 结论与讨论

李焱等[15]在对黑麦草的研究中指出，在土壤中施用腐殖酸肥料能明显提高黑麦草的生物产量和光合色素含量；郑平[16]等的研究表明，在营养液中添加腐殖酸可明显增加黑麦草的叶绿素含量。Rauthan 等[17]的研究证明，在土壤或营养液中加入黄腐酸或胡敏酸，能促进黄瓜对N、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe 等元素的吸收；王晶等的研究表明，腐殖酸因带含氧负电荷，对土壤重金属离子可起到显著的络合吸附作用，可有效地阻止重金属Cd 离子进入植株中，减轻重金属离子对作物的毒害。

试验结果表明，腐殖酸在提高稻糙米品质方面作用显著，在稻田土和菜田土中分别添加10.0 和1.0 g/m2腐殖酸时，稻糙米中镉含量分别为0.411 和0.385 mg/kg，比空白对照降低了40%和14.8%，稻糙米中镉元素的吸收系数分别为0.24 和0.25。试验结果还表明，植物对必需元素的吸收受腐殖酸的影响，表现为添加腐殖酸处理的水稻，其稻糙米中必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 的含量均比未添加腐植酸处理的高，且差异显著；尤其是当腐殖酸添加量为1.0 g/m2时，稻糙米中Mg 含量增加了50.42～72.60 mg/kg，Mg 是叶绿素组成成分，这也能间接说明施用腐殖酸能提高植株的光合能力，从而改善稻糙米的品质。这些研究结果与上述前人的研究结果相符。

在添加等量的腐殖酸时，菜田土种植的稻糙米中镉含量要明显低于稻田土种植的稻糙米，而菜田土稻糙米中的必需元素Fe、Zn、Mg 和Ca 等含量都高于稻田种植的。这说明水旱轮作对于稻糙米品质的提高也有着重要影响。

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