含腐植酸复合肥料对水稻生长及镉吸收的影响

张洪江 刘志涛 王永红 马晓晶 马 强

1 龙蟒大地农业有限公司 德阳 618200

2 龙蟒农业技术研究院 德阳 618200

随着工业生产的快速发展和各种化学产品、农药及化肥的广泛使用，农田土壤重金属污染问题日益严峻。当前我国受Cd、Hg、As、Cr、Pb污染的耕地面积约2×107hm2，经济损失巨大[1，2]。重金属污染物对生态环境、食品安全和人体健康构成严重威胁[3]。在各种重金属污染中，镉（Cd）因分布范围广、毒性高、易积累而危害尤为严重[2，4]。大量的研究表明，我国土壤、蔬菜、粮食作物受到不同程度的镉污染[5]，过高的土壤镉含量导致蔬菜、粮食及经济作物食品安全性降低[4，6]。

水稻是我国的主要粮食作物，镉污染的案例也已屡见不鲜，为有效预防和治理镉污染，开展了大量的研究工作[2～5]，其中，腐植酸钾或腐植酸铵的应用是较为成功的处理办法之一[7，8]，但因推广成本高、劳动投入大和公众认识不足等原因阻碍了其大量推广应用。因此，与现有常用农资产品结合起来是最易实施的途径。本研究拟通过腐植酸类物质与复合肥料结合，探讨其结合对肥效、重金属有效性控制的可行性，为开发出可广泛推广的镉污染控制的肥料产品提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和供试品种

供试土壤为四川省石亭江冲积潮土，土壤基本理化性质：砂质，pH 5.72，有机质含量13.4 g/kg，碱解氮含量46.2 mg/kg，有效磷含量6.13 mg/kg，速效钾含量42.7 mg/kg，土壤总镉含量0.54 mg/kg，有效镉含量0.12 mg/kg。供试作物为水稻，品种为“川6优713”，采用常规旱育秧方式育苗。

1.2 供试肥料

供试肥料为含腐植酸复合肥料（龙蟒大地农业有限公司研制），由尿素、磷酸一铵、氯化钾、腐植酸钾等原料造粒而成，产品N-P2O5-K2O指标为22-8-10中氯，采用GB 15063-2009标准指定的检测方法，检测N 22.3%，P2O58.6%，K2O 10.1%，Cl 22.6%，pH 7.2，腐植酸含量按照HG/T 5046-2016的方法测定，活化腐植酸含量为5.2%。普通复合肥料（某公司市售）为不含腐植酸22-8-10中氯产品，采用相同检测方法，检测指标为N 22.4%，P2O57.9%，K2O 9.7%，Cl 24.2%，pH 6.3。

1.3 试验设计

试验于2018年3月12日至9月5日在龙蟒农业技术研究院试验基地（四川省德阳市绵竹市遵道镇保水村）大棚内进行。

试验共设6个处理，3个不添加镉污染处理：T0，普通复合肥料处理；T1，常量含腐植酸复合肥料处理；T2，减量含腐植酸复合肥料（减量20%）处理；3个添加镉污染处理：T3，普通复合肥料处理；T4，常量含腐植酸复合肥料处理；T5，减量含腐植酸复合肥料（减量20%）处理。每处理重复6次，试验处理见表1。添加镉污染土壤制作方法：将采回的土壤风干后过2 mm筛，每盆装土12 kg，模拟重度镉污染状况，每盆添加镉（3CdSO4·8H2O）40 mg，与土壤混合均匀后编号并与各施肥处理用肥混合均匀后老化30天。经老化后的盆钵采集土壤样品后加入去离子水，使盆内水面保持4～6 cm，培养至5月5日移栽秧苗。每盆移栽水稻3株，试验期间每2天补水1次，并保持盆内水面3～5 cm，于成熟期分别采集每盆全部3株并区分为根、茎、叶和籽粒部分，籽粒经风干称重后取部分籽粒制备为糙米用于检测。

表1 各处理重金属镉及肥料投入量Tab.1 The amount of Cd and fertilizer inputs of different treatments

1.4 样品测定和数据处理

收获的根、茎、叶分别烘干至恒重后称量计产，糙米采用试验电动砻谷机（京奥JLGJ-45型，浙江台州）进行制备。植物样品、糙米粉碎后经过硝酸-高氯酸消化，采用ICP-OES（Avio 200，PerkinElmer，美国）测定总镉含量，采用大米标准物质GBW10010（GSB-1）进行检测结果标定。土壤样品经风干，分别制备过2 mm和过0.149 mm尼龙筛的样品，取过0.149 mm筛土壤样品，采用盐酸-硝酸-高氯酸消化，ICP-OES测定总镉含量，取过2 mm筛土壤样品，采用DTPA（二乙基三胺五乙酸）浸提（参照GB/T23739-2009），ICP-OES测定有效镉含量。镉转移系数用于计量镉在作物各部位的迁移能力，分别按照茎秆与根系，叶片与茎秆，籽粒与叶片和糙米与籽粒的镉含量比率进行计算。采用Excel对试验数据进行统计分析，采用SPSS软件进行数据的差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 水稻生物量

不同处理水稻各部位生物量情况见表2。由表可知，未添加镉污染条件下，与施用普通复合肥料相比，施用常量含腐植酸复合肥料对水稻各部分和总生物量有促进作用，且对根部、茎秆、叶片的生物量促进作用显著，分别增加13.2%、10.2%、9.7%；减量含腐植酸复合肥料处理条件下，仍对水稻各部位及总生物量有促进作用，且对根部和叶片的生物量促进作用显著。添加镉污染条件下，与施用普通复合肥料相比，施用常量含腐植酸复合肥料对水稻各部位和总生物量有促进作用，且对根部、茎秆、籽粒的生物量促进作用显著，分别为17.6%、9.4%、12.1%；减量含腐植酸复合肥料处理条件下，仍对水稻各部位及总生物量有促进作用，且对根部、茎秆和叶片的生物量促进作用显著。对比未添加和添加镉污染的相同施肥量处理，除普通复合肥料处理叶片的生物量外，重金属镉污染并未显著地影响植株各部位的生物量。另外，减量含腐植酸复合肥料处理并未减弱植株的生长和产物形成，说明含腐植酸复合肥料在保证水稻不减产的条件下，可以减少肥料施用量。

表2 不同处理水稻各部位生物量情况Tab.2 Biomass of different parts of rice under different treatments 克 /盆

2.2 水稻植株的镉积累

不同处理水稻各部位镉含量的差异见表3。由表可知，6个处理均为水稻根系中的镉含量最高，并依此由根系、茎秆、叶片向籽粒中递减。土壤添加镉污染后，水稻各部位镉含量显著增加。未添加镉污染的处理中，与普通复合肥料处理相比，施用常量和减量含腐植酸复合肥料处理的水稻各部位镉含量均无显著差异。在添加镉污染的处理中，与普通复合肥料处理相比，常量含腐植酸复合肥料显著地降低了水稻根部、茎秆、叶片和籽粒中的镉含量，其抑制率分别达到31.0%、20.3%、31.7%和21.4%，减量含腐植酸复合肥料处理条件下，水稻根系、叶片和籽粒中的镉含量均显著降低，而茎秆中镉含量降低不显著。综上说明，腐植酸对镉的吸收和转移有控制作用。

水稻各部位镉的积累体现镉的吸收和转移能力，不同处理水稻各部位镉积累量的变化见表4。由表可知，在未添加镉污染的处理中，水稻茎秆中镉积累量最大，在添加镉污染的处理中，水稻根部的镉积累量最大，表明在镉污染情况下，水稻植株表达出控制镉转移的能力。在未添加镉污染的处理中，与普通复合肥料处理相比，施用常量含腐植酸复合肥料能使水稻根部、籽粒、总镉积累量显著降低，而茎秆和叶片镉积累量降低不显著；减量含腐植酸复合肥料处理能使植株根部、籽粒及植株总镉积累量显著降低，而叶片镉积累量降低不显著。在添加镉污染的处理中，与普通复合肥料处理相比，施用常量含腐植酸复合肥料能使水稻根部、茎秆、叶片、籽粒及植株总镉积累量显著降低，减量含腐植酸复合肥料处理能使水稻根部、茎秆、叶片、籽粒镉积累量显著降低，而总镉积累量降低不显著。不同镉污染条件下，常量与减量含腐植酸复合肥料处理各部位和总镉积累量无显著差异，但积累量数据前者低于后者，说明抑制镉吸收的能力与腐植酸的添加量正相关。

表3 不同处理水稻各部位镉含量差异Tab.3 Difference of Cd content in different parts of rice under different treatments mg/kg

表4 不同处理水稻各部位镉积累量的变化Tab.4 Variation of Cd accumulation in different parts of rice under different treatments 微克 /盆

2.3 水稻糙米镉含量

不同处理水稻糙米镉含量见图1。由图可知，在未添加镉污染的各处理中，水稻糙米的镉含量差异不显著，且均低于糙米中镉含量的限量标准（GB 2762-2017）0.2 mg/kg。说明，处于低镉含量的酸性土壤中，水稻食用部位的镉超标风险低。在添加镉污染的各处理中，水稻糙米镉含量均超过0.2 mg/kg的安全标准，普通复合肥料处理的糙米镉含量最高，施用常量和减量含腐植酸复合肥料处理使水稻糙米中镉含量分别比普通复合肥料处理减少38.2%和34.4%，差异达到显著水平。

图1 不同处理水稻糙米镉含量Fig.1 Cd content of brown rice under different treatments注：图中不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

2.4 镉的转移

不同处理水稻镉转移系数见表5。由表可知，未添加镉污染的处理，水稻镉的转移以叶片向籽粒的转移系数最高，以根部向茎秆处转移系数最低；添加镉污染的处理，除普通复合肥料的处理，水稻镉的转移以叶片向籽粒的转移系数最高，3个处理均以根部向茎秆处转移系数最低。与未添加镉污染的处理相比，添加镉污染的处理镉转移系数均显著降低，以叶片向籽粒的转移系数降低幅度最大。

表5 不同处理水稻镉转移系数Tab.5 Transfer coefficients of Cd between different parts of rice under different treatments

3 讨论

重金属污染是困扰农产品质量安全的重要因素之一，探索重金属防控的有效办法是研究和社会关注的热点。研究表明，腐植酸可与重金属发生钝化效应，有效降低重金属的植物吸收和可食用部位的食用风险[9]。重金属镉对水稻造成生长、生育障碍的浓度要求高[10，11]，本研究结果也表明镉污染并未对水稻生长和发育构成明显威胁，但与低浓度镉污染土壤相比，土壤添加镉处理会促进水稻对镉的吸收。

已有研究表明，腐植酸能降低作物的镉吸收和转移[5，12，13]，本研究也证明添加腐植酸可抑制水稻对镉吸收和转移。土壤施用含腐植酸复合肥能够保证复合肥的增产功效，还显著降低水稻根系、茎秆、叶片和籽粒的镉含量，这可能与腐植酸为有机物质和含有丰富官能团有关。研究表明，有机物质通过其配位或螯合作用影响重金属活性[14，15]。比较发现，施用腐植酸复合肥料比施用普通复合肥料可减少水稻植物镉积累量18.1%，其中籽粒中的积累量减少26.0%。

根据国家标准GB 2762-2017（食品安全国家标准 食品中污染物限量），糙米中镉含量以不超过0.2 mg/kg作为国家建议的卫生安全限度，因此有必要采用技术手段降低其含量。大量的研究表明，硅、合成制剂、有机质或其他碱性物质均可降低植物对镉的吸收。不过，这些技术始终存在着运用难度高、二次污染风险大或转化成本过高的问题，包括单质的腐植酸盐类。将具备有效控制重金属的物质直接融入复合肥料将大大降低运用难度，本研究通过含腐植酸复合肥料的运用，虽投入量并不大，使糙米的重金属含量减少超过30%，表明腐植酸与复合肥结合控制作物的重金属吸收具有可行性。

另外，减量含腐植酸复合肥料处理中发现，在减少含腐植酸复合肥料施肥量20%的情况下，仍与普通复合肥料具有相近的生物量和产量，且具有显著的抑制镉吸收和转移的表现，这体现了含腐植酸复合肥产品具有提高肥料利用效率的作用，也表现其抑制植物重金属的吸收作用，为进一步探讨化肥减量及优化腐植酸与复合肥的配比提供了支撑。

4 结论

（1）土壤施用含腐植酸复合肥料可显著提高水稻根系生物量和籽粒产量，与普通复合肥料相比，减量含腐植酸复合肥料处理对水稻籽粒产量有增产但不显著，与常量含腐植酸复混肥料相比，减量含腐植酸复合肥料处理对水稻籽粒产量有减产但不显著。

（2）在添加镉污染的处理中，常量和减量施用含腐植酸复合肥料与普通复合肥料相比，显著降低了水稻根部、叶片和糙米中的镉含量，降低了镉的转移能力。

（3）腐植酸与复合肥料有效组合，可用于水稻种植中控制土壤重金属和化肥减量，组合优化方式仍待研究。