生物炭与水分管理耦合对晚稻镉迁移与积累的影响

王 义，王勃然，周文涛，祝志娟，刘 莉，祝博文，傅志强*

（1.湖南农业大学农学院，长沙410128；2.农业农村部华中地区作物栽培科学观测实验站，长沙410128）

镉是自然界中广泛存在的一种人体非必需重金属元素，在环境中具有化学活性强、移动性大、毒性持久（半衰期超过20 a）、隐秘性强等特点[1]。相关研究表明，在土壤可溶性镉含量达到0.43 mg·kg-1时，水稻减产10%，当含量为8.1 mg·kg-1时，水稻减产达25%，并且，稻米的氨基酸、支链淀粉和直链淀粉比例发生改变，水稻品质变差；当镉元素通过食物链的富集作用进入人体，会对人类自身的健康造成伤害[2-4]。因此，如何安全有效地修复镉污染农田、降低镉污染地区稻米镉含量，成为了一个亟须解决的技术难题[5]。

已有研究表明，水稻全生育期淹水是一种低成本、操作便利的降镉手段，淹水条件下水稻籽粒中镉含量能够大幅降低[6]。有研究认为，长期淹水能够更好地改善土壤氧化还原环境，改变土壤中变价元素如铁、锰、硫的价位及存在形式，进而改变镉的存在形式，影响其生物有效性[7-8]；生物炭是指生物有机质在缺氧或低氧环境下经过裂解形成的固体产物[9]。常用的生物炭有稻壳炭、竹炭等，其具有较大的孔隙度和比表面积，具有负电荷多、离子交换能力强、吸附性能优异等特点，其表现出对重金属阳离子较强的吸附能力，在提高重金属稳定性、控制污染和修复土壤等方面具有非常广阔的应用前景[10-13]。在中重度污染区域，采用单一技术很难达到理想的效果，因此，需要采用联合修复技术。有研究表明，优化水分管理方式与施用生石灰相结合一方面能够降低土壤有效镉含量，另一方面能够显著降低镉活性，进而达到降低稻谷镉总积累量的目的[14]。李剑睿[15]研究发现，通过长期淹水联合生物炭复配有机肥对水稻土镉污染进行修复，能够有效提高土壤pH，促使土壤镉形态由交换态向铁锰氧化物结合态转化，同时能够降低土壤氧化还原电位，降低水稻根系镉含量，减少糙米镉含量。目前，针对联合修复技术的研究基础较为薄弱，考虑到实际生产过程中外界条件的多变性，大多研究采用盆栽的方式进行，着重探索其作用机制，而实际用于田间生产不多。以探索实际操作中的降镉效果为目的，本研究选择湖南中度镉污染稻田为试验地点，将施用生物炭与水分管理两种措施相结合，研究两种技术联合对水稻镉吸收、迁移与积累的影响，以期为降低稻米镉含量提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018 年7—11 月在湖南省长沙县北山镇荣合桥社区镉污染稻田区进行。试验田块地处湖南省东部偏北，东经112°56′15″，北纬27°54′55″。该地位于东亚季风区，属于亚热带季风湿润气候。春季15～25 ℃，夏季18～36 ℃，冬季5～15 ℃。常年降雨量1 000～1 200 mm。供试土壤为花岗岩发育的麻砂泥水稻土，其基本理化性质为：pH 5.3，全氮3.08 g·kg-1，全磷0.92 g·kg-1，全钾29.8 g·kg-1，碱解氮107 mg·kg-1，有效磷30.8 mg·kg-1，速效钾125 mg·kg-1，有机质30.7 g·kg-1，阳离子交换量10.8 cmol·kg-1，全镉0.43 mg·kg-1，有效镉0.22 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验地前茬为空闲。供试材料为H 优518，该品种属籼型三系杂交水稻，全生育期平均112.9 d，重金属吸收能力较强。试验采用裂区设计，以水分管理模式为主处理（W），设4 个水平：W1 为水稻灌浆期前干后淹，开花前与常规水分管理相同，开花后3～5 d，田间排水，保持7 d，然后再灌水深3 cm，直至成熟；W2为灌浆期前淹后干，开花前与常规水分管理相同，开花后3～5 d，田间水深3 cm，保持7 d，然后排水落干，直至成熟；W3为全生育期淹水灌溉，田间一直保持水深3 cm；W4 为常规管理，前期浅水分蘖，水深3 cm，分蘖盛期排水晒田，孕穗抽穗期灌浅水，灌浆后期干湿交替直到蜡熟期，黄熟期排水，直至收获。施生物炭为副处理（C），设4个水平，分别为C1：5 t·hm-2、C2：7.5 t·hm-2、C3：10 t·hm-2、C4：0 t·hm-2。主副处理两两组合，共16 个处理，按随机区组排列，3 次重复，副区面积35 m2（5 m×7 m），小区间用铺塑料薄膜的田埂隔开。

2018年6月22日播种，7月26日移栽，移栽规格为17 cm×23 cm，10月20日收获。N、P2O5、K2O 施肥量分别为150、75、120 kg·hm-2。施肥时期及比例为：移栽前基肥，N-60%、P2O5-100%、K2O-60%；分蘖肥N-30%；穗肥，N-10%、K2O-40%。其余病虫害管理按当地高产栽培技术措施进行。

1.3 观测指标与方法

水稻收获后取样，采用水浸提法测定土壤pH[16]，水稻糙米及植株镉含量采用微波消解-石墨炉原子吸收光谱法测定[17]。

水稻成熟期取植株样品，分离各部位，置于80 ℃烘干箱中烘干，称质量测定其生物量。

1.4 数据处理

植株镉积累量=植株镉含量×每平方米植株生物量；镉从根系向茎叶的转运系数（TF茎叶/根）=水稻茎叶镉含量/水稻根系镉含量×100%；镉从根系向糙米的转运系数（TF糙米/根）=水稻糙米镉含量/水稻根系镉含量×100%；镉从茎叶向糙米的转运系数（TF糙米/茎叶）=水稻糙米镉含量/水稻茎叶镉含量×100%[18]。

试验数据采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 22.0统计软件进行差异显著性分析和相关分析。

2 结果与分析

2.1 水炭耦合对土壤pH的影响

由图1 可知，不同水分管理方式与生物炭结合处理对土壤的pH 具有显著影响，较试验前土壤pH，经各组合处理之后的土壤pH 均有明显增高，差值在0.65～1.37。在未施用生物炭（C4）的情况下，W4 增长幅度最小，其他3 种模式排序为W2＞W3＞W1。在施用生物炭的情况下，W1水分管理模式中，施炭量不同的4 个小区pH 差异显著，表现为W3＞W1＞W2＞W4；W2 水分管理模式下，C2 与C3、C1 差异不显著，其他各小区有显著差异，具体表现为C3＞C2＞C1＞C4；在W3 控水模式下，C2 与C3 没有显著差异，其他各小区差异显著，具体为C3＞C2＞C1＞C4；在W4 常规控水情况下，C2 与C3 没有显著差异，其他各小区差异显著，具体为C2＞C3＞C1＞C4；总体来说，在4 种水分管理模式下，pH 增长幅度大致排序为C3＞C2＞C1＞C4，在16个处理中，增幅最高的处理为W3-C3，增幅达到1.37个单位。

2.2 水炭耦合对水稻各部位镉含量的影响

图1 相同水分管理模式下不同施炭量对土壤pH的影响Figure 1 Effects of different carbon application rates on soil pH under the same water management model

由表1 可知，水分管理和生物炭均对水稻成熟期根系、茎叶、糙米的镉含量影响达到极显著水平，水分管理与生物炭耦合对根系、糙米镉含量的影响达到极显著水平，对茎叶镉含量的影响未达到显著水平。由表中根系镉含量可知，在未施用生物炭（副处理为C4）的情况下，W4 根部镉含量最高，W3 含量最低，与CK（W4-C4）相比，W1、W2、W3 镉含量分别降低了12.83%、24.46%、28.09%。在施用生物炭的情况下，根系镉含量最低的处理为W3-C1，与CK 相比其下降了48.67%。由表中茎叶镉含量可知，在未施用生物炭的情况下，W4 茎叶部分镉含量最高，W3含量最低，4 种模式对比，茎叶部镉含量由高到低依次为W4＞W2＞W1＞W3，与CK 相比，W1、W2、W3 分别降低了21.51%、18.82%、43.01%。在施用生物炭的情况下，茎叶镉含量最低的处理为W3-C3，其含量较CK 下降了51.63%。由表中糙米镉含量可知，在未施用生物炭的情况下，糙米镉含量最高的为W4，W3 镉含量最低，与CK 对比，W1、W2、W3 分别降低了18.18%、6.82%、38.64%。在施用生物炭的情况下，糙米镉含量最低的处理为W3-C3，其含量低于国家稻米镉含量标准，较CK 降低了59.10%。

2.3 水炭耦合对水稻各部位镉积累量的影响

由表2 可知，水分管理对水稻各部位镉积累量都具有极显著的影响，生物炭对成熟期水稻根与糙米镉积累量的影响达到极显著水平，对茎叶的积累量影响显著，水分管理与生物炭耦合对水稻根与糙米的积累量影响水平达到极显著，对茎叶的积累量影响未达到显著水平。由表中成熟期根部镉积累量可知，未施用生物炭时，W4积累量最高，W3积累量最低，相较于CK，W1、W2、W3 分别降低了3.10%、23.50%、26.53%。在施用生物炭的情况下，对比各控水模式中各处理的积累量，积累量最小的处理为W2-C3，积累量最大的处理为W4-C1，相较于CK其分别降低了56.12%、-5.10%。由表中水稻成熟期茎叶部位的镉积累量可知，在未施用生物炭时，积累量最小的控水模式为W3，积累量最高的模式为W4，相较于CK，W1、W2、W3 分别降低了35.12%、3.68%、47.16%。在施用生物炭的情况下，控水模式中各处理相比，积累量最低的为W3-C3，积累量最高的处理为W4-C1。由表中糙米部位镉积累量可知，在未施用生物炭的情况下，W3模式镉积累量最低，最高的模式为W2，相较于CK，W1、W2、W3 分别降低了0.01%、-8.62%、17.24%。在施用生物炭的情况下，积累量最高的处理为W2-C2，积累量最低的处理为W3-C3，相较于CK 其分别降低了-8.62%、53.44%。

2.4 水炭耦合对水稻植株各部位镉转运系数的影响

由表3 可知，水分管理对TF茎叶/根、TF糙米/根的影响达到了极显著水平，对TF糙米/茎叶影响显著；生物炭处理 对TF茎叶/根的 影 响 达 到 显 著 水 平，对TF糙米/根、TF糙米/茎叶的影响未达到显著水平；水分管理与生物炭耦 合 对TF糙米/根达 到 了 极 显 著 水 平，对TF茎叶/根、TF糙米/茎叶影响不显著。由表中TF茎叶/根的数值可以看出，在未施用生物炭的情况下，TF茎叶/根由高到低为W2＞W4＞W1＞W3，在施用生物炭的情况下，4 种控水模式中各处理间差异大部分呈现不显著水平，转运系数最高的处理为W2-C2，最低的为W1-C3。由表中TF糙米/根可知，在未施用生物炭的情况下，TF糙米/根由高到低依次为W2＞W4＞W1＞W3。在施用生物炭的情况下，转运系数最高的处理为W2-C2，最低的处理为W3-C3。由表中TF糙米/茎叶可以看出，在未施用生物炭的情况下，TF糙米/茎叶由高到低依次为W3＞W1＞W2＞W4。在施用生物炭的情况下，各处理差异大多呈不显著水平，转运系数最高的处理为W2-C3，最小的处理为W3-C2。

表1 植株各部位镉含量（mg·kg-1）Table 1 Cadmium content in various parts during maturity（mg·kg-1）

表2 水稻植株各部位镉积累量（mg·m-2）Table 2 Cadmium accumulation in various parts of rice at maturity stage（mg·m-2）

2.5 糙米镉含量与相关指标间的关系

由表4 可知，水稻成熟期糙米的镉含量与土壤的pH 呈显著负相关关系，与根系镉含量、TF茎叶/根呈显著正相关关系，其相关系数分别为-0.52、0.56、0.70；糙米镉含量与茎叶镉含量、根系镉积累量、茎叶镉积累量、糙米镉积累量、TF糙米/根、TF糙米/茎叶呈极显著正相关关系，其相关系数分别为0.91、0.89、0.91、0.76、0.95、0.94。由此可知，随着根系以及茎叶部位镉含量及积累量的增加，糙米的镉含量会增长，糙米镉含量的增长对糙米镉积累也具有极大的影响，同时也将对糙米与其他部位的转运系数造成极大的影响。

3 讨论

土壤pH是影响土壤中重金属溶解度及生物有效性的主要因素之一，根本原因在于其影响土壤中镉的吸附-解吸、溶解-沉淀，进而影响土壤中镉的生物有效性，土壤pH 为4.5～7.2 时，介质中水溶性镉含量与pH 呈显著负相关，当pH 为4 时，镉的溶出率为50%，pH 为7.5 时将很难溶出[19-20]。谢运河等[21]和王蜜安[22]研究发现，通常田间作物镉含量与土壤的pH 呈负相关关系，即土壤pH 越低，镉活性越强，越容易被作物吸收，糙米镉含量就越高，这与本试验结果一致。试验中，在施用生物炭的情况下，土壤pH 提升幅度较大，且呈现出随施炭量增加而趋向中性的趋势，但未施用生物炭的情况下pH 变化较小，且与同一水分管理模式下其他施炭处理的差异显著（图1），这可能是由于生物炭原料中含有钙、镁、钾、钠等离子，其在热解过程中转化成金属氧化物、氢氧化物或碳酸盐等[23]，施加到土壤中后会中和土壤的酸度，从而使土壤pH 提高[24]，而在未施用生物炭的情况下，淹水造成土壤中有机物厌氧分解生成有机酸，从而导致pH 变化较小[25]。在未施用生物炭的情况下，单一的长期淹水处理、两种湿润灌溉处理下土壤pH 较试验前仍有小幅度提升，可能是由于当地自然环境改善，自然雨水与灌溉用水较土壤本身酸碱度偏中性，日常降水以及灌溉用水下渗导致。

表3 水稻植株各部位的转运系数Table 3 Transfer coefficients of various parts of rice at maturity stage

表4 糙米镉含量与其他变量之间的相关性Table 4 Correlation between brown rice cadmium content and other variables

水稻各部位对镉的吸收、积累与转运是决定稻米中镉含量的关键。镉在水稻中的转运是一个由下往上的过程，水稻根系、茎叶部分镉浓度及积累量直接影响到稻米中镉含量的多少。李园星露等[26]通过盆栽试验研究了生物炭耦合水分管理对稻米镉积累的影响，结果显示添加生物炭与长期淹水管理能够有效降低土壤中镉的生物有效性，降低稻米镉含量，减少糙米镉积累量，这与本试验结果一致。这可能是因为生物炭自身多孔径的结构以及自身强大的吸附能力，能够与土壤中重金属结合形成沉淀，从而降低了土壤中镉的生物有效性，减少土壤有效镉含量。张振宇[27]认为，生物炭施入土中，也可以增加水稻镉库的相对容量，从而使籽粒镉含量下降。同时长期淹水能够降低土壤氧化还原电位，从而增加土壤中还原态铁、锰等阳离子和硫等阴离子含量，而施入生物炭后，pH 上升，加剧了还原态阳离子与镉离子的竞争吸附以及还原态阴离子的共沉淀作用，从而降低土壤中镉的生物有效性[28]。谷学佳等[29]研究发现，随着施炭量的增加，糙米镉含量呈现降低的趋势，这与本试验结果相一致。试验中，分别对比不施用生物炭时4 种水分管理模式以及常规水分管理模式下不同施炭量处理的糙米镉含量（表1），单一水分管理中下降最多的处理为长期淹水，糙米镉含量较常规水分管理下降38.64%，在常规水分管理中，仅考虑生物炭的影响情况下，单一生物炭处理中下降幅度最大的为施用量5 t·hm-2，相较于对照糙米镉含量下降45.45%，将两项单一处理与联合处理中降幅最大的处理相比较，其下降幅度分别减少20.46%、13.65%。由此可知，复合处理较单一处理具有一定的优势，通过试验中单一处理之间的比较情况，长期淹水的下降幅度小于生物炭处理的下降幅度，但考虑到两者作用机制不尽相同，以及水分管理受到外界影响的因素较多，所以很难在组合处理的情况下辨别两种手段的主次地位。

水稻从土壤中吸收镉总量不变的情况下，各器官间对镉的转运能力强弱是影响稻米中镉含量的重要因素之一。通过比较不同处理下水稻各器官间转运系数的差异表明，经过水分管理与生物炭耦合处理的水稻各器官间转运能力较对照大致呈现减弱的趋势（表3），此结果与杨定清等[30]的研究结果一致，转运能力的减弱使镉从根系、茎叶等部位向水稻籽粒的转运减少。但总体看来，转运能力的变化并无明显规律，甚至出现增强的现象，这可能是因为水分管理与生物炭耦合不会阻碍水稻自下而上的镉运输过程，而只是通过减少水稻从土壤中摄取镉的总量来影响水稻器官的镉含量与积累量[31]。

4 结论

（1）联合降镉技术相对单一手段降镉效果更加突出。联合处理中，长期淹水与生物炭耦合对水稻镉吸收、迁移及积累的抑制效果更强，对镉污染地区种植水稻是一种值得推荐的降镉方式。

（2）长期淹水模式降镉效果显著，水资源丰富地区，考虑到生物炭成本的情况下，选用长期淹水模式种植水稻对镉污染地区水稻降镉具有巨大的参考价值，在水资源缺乏地区，则应该重视生物炭等钝化剂及其他降镉措施的应用。