镉低积累品种与调理剂降低黑色岩系农田水稻镉吸收的效果

项佳敏,谢国雄,章明奎*

(1.浙江大学 环境与资源学院,浙江 杭州 310058;2.浙江省杭州市植保土肥总站,浙江 杭州 310020)

原环境保护部的《全国土壤污染状况调查公报》显示,中国耕地土壤重金属等污染物点位超标率达19.4%,轻微、轻度、中度与重度污染点位的比例分别为13.7%、2.8%、1.8%及1.1%,并以镉的污染最为突出。据相关报道[1～3],中国污染或超标耕地主要分布在南方的湘鄂皖赣区、闽粤琼区与西南区。土壤中重金属有自然来源和人为活动等两大污染源,根据《中国耕地地球化学调查报告》(2015),耕地土壤重金属超标的主要原因是地质高背景、成土过程次生富集和人类活动,其中,湘江上游地区、西南岩溶区等土壤重金属超标80%以上是由区域地质高背景与成土风化作用引起的[4～6]。为了治理耕地土壤重金属的污染问题,国内许多科研单位对重金属污染耕地的修复技术做了大量的探讨[7～12],近年来提出了分类治理的思路,在生产镉含量达0.2～0.4 mg/kg的大米的农田推行达标生产;在生产镉含量高于0.4 mg/kg的大米的农田推行作物替代种植区,改种非直接食用、非口粮的农作物。研究者和农田管理部门建议的用于粮食安全生产的技术主要有农艺调控措施和钝化修复技术。常用的农艺调控措施主要指水分管理、施肥调控、低累积品种替换、调节土壤pH值等[13～16];原位钝化修复技术主要是通过调节土壤的理化性质降低重金属的生物有效性,从而阻止重金属从土壤通过植物根部向农作物地上部的迁移累积[17～19]。

黑色岩系是含有较多有机碳及硫化物的暗灰-黑色的硅岩、碳酸盐岩、泥质岩及其相应变质岩石组合的总称,在我国南方地区有较广泛的分布[20～22]。因其特殊的成因,黑色岩系常含有大量重金属元素以及硒、硫、砷、汞等(其中以镉的积累最为明显),其出露地表风化可形成重金属地质高背景土壤[23]。在南方的高温、高湿地区，这些土壤可呈明显的酸性,从而加重土壤重金属的污染风险,直接影响其上生产的农产品的安全。黑色岩系上形成的土壤中的重金属主要来自成土母质本身[23,24],与外源污染土壤有一定的差异。当前,国内重金属污染农田修复试验主要在人为污染源的耕地上进行,而有关黑色岩系等自然形成的污染土壤治理的试验研究不多。因此,我们探讨了镉低积累品种与土壤调理剂相结合的方法对控制黑色岩系农田水稻镉吸收的效果。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

供试土壤为寒武系下统荷花塘组碳质硅页岩发育的水田,采自浙江省西北部丘陵地区,土壤类型为淹育型水稻土。供试土壤镉含量为0.87 mg/kg,其基本性状见表1。

表1 试验土壤的基本性状

1.2 盆栽试验

盆栽试验于2018年5月至10月在温室内进行,为2个水稻品种与5种土壤处理方式的组合,共10个处理(表2)。2个水稻品种分别为秀水519和浙优18,其中秀水519为镉低积累品种;5种土壤处理方式包括不施调理剂、施用石灰石粉4500 kg/hm2、施用硅肥(硅钙镁钾肥,下同)3000 kg/hm2、施用生物质炭4500 kg/hm2和施用石灰石粉2250 kg/hm2+硅肥1500 kg/hm2。盆栽试验在直径为30 cm、高为30 cm的塑料容器中进行,每盆装土量为10 kg,重复3次。在试验前根据以上试验处理设置的调理剂用量(每公顷土重量以2250000 kg计),添加调理剂并与土壤充分混匀,每盆分别施N(尿素)、P(磷酸二铵)和K(硫酸钾)1.0、0.6和1.0 g作为底肥。水稻采用移栽方式,每盆3株。在分蘖期加施肥料1次,施用量同底肥。在试验结束时(水稻黄熟期)分别采集土壤样品和水稻样品,分析土壤中镉的化学形态;先用自来水冲洗采集的水稻植株样品，以去除附着的土壤和其他杂物,然后再用去离子水冲洗植株。将经冲洗的植株按器官分为根、茎、叶、稻壳和糙米等5个部分,用于镉含量分析。所有处理的水分管理等其他管理措施相同。

1.3 分析方法

土壤pH值采用常规方法[25]测定。土壤有机质含量采用元素分析仪测定。对植物样品用高氯酸消化法消化,用石墨炉-原子吸收光谱法测定镉含量。土壤中的全镉含量用盐酸-硝酸-高氯酸消解,用石墨炉原子吸收分光光度法测定。土壤中有效态镉含量用DTPA方法(0.005 mol/L, pH 7.3,土液比1∶5,振荡2 h)提取,用石墨炉-原子吸收光谱法测定。土壤镉分级参考Amacher程序[26],共分为水溶性、交换态、碳酸盐结合态、氧化物结合态、有机质结合态和残余态等6种组分,顺次用去离子水、0.01 mol/L Mg(NO3)2、1 mol/L NaOAc (pH 5.0)、0.2 mol/L草酸铵+0.2 mol/L草酸+0.1 mol/L抗环血酸(pH 3.3)和30% H2O2(pH 2.0)提取水溶性、交换态、碳酸盐结合态、氧化物结合态、有机结合态镉。残余态镉含量用HNO3-HClO4-HF三酸消化提取,提取液中镉浓度用石墨炉-原子吸收光谱法测定。6种组分的生物有效性:水溶性>交换态>碳酸盐结合态>氧化物结合态、有机质结合态>残余态。采用Microsoft Excel 2003处理分析试验数据,差异显著性统计分析在DPS 3.0软件上实现。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤镉形态的影响

表3表明,4种调理剂处理均可改变土壤镉的化学形态,降低土壤水溶性镉和交换态镉含量,增加土壤碳酸盐结合态镉含量,轻微增加土壤残余态镉含量,但对有机质结合态和氧化物结合态镉含量的影响较小。说明4种调理剂均可促进土壤水溶性镉和交换态镉向碳酸盐结合态镉或残余态镉的转变。降低水溶性镉和交换态镉含量的效果以施用石灰最为明显,其次为施用石灰石粉+硅肥;增加碳酸盐结合态镉含量的效果以施用石灰最为显著。在施用硅肥后,土壤中残余态镉含量增加最为明显。与对照比较,施用石灰石粉、硅肥、生物质炭和石灰石粉+硅肥后,土壤水溶性镉含量分别下降了43.06%、31.94%、26.39%和40.28%;土壤交换性镉含量分别下降了46.62%、42.21%、30.76%和45.10%;土壤碳酸盐结合态镉含量分别增加了237.78%、101.48%、63.70%和98.52%;土壤残余态镉含量分别增加了-0.35%、5.50%、2.57%和0.68%。

表2 试验处理设置情况

表3 调理剂对土壤镉形态的影响 %

4种调理剂的施用均增加了土壤pH值,显著降低了土壤有效镉含量,并以施用石灰石粉处理对土壤pH值的增加和有效镉的降低的效果最为显著，施用石灰石粉+硅肥处理的效果次之。与对照相比,施用石灰石粉、硅肥、生物质炭和石灰石粉+硅肥后,土壤有效镉含量分别下降了24.4%、15.85%、18.58%和21.31%(表4)。

表4 不同调理剂处理对土壤pH值和有效镉含量的影响

2.2 不同处理对水稻产量和镉吸收的影响

从表5可以看出，4种调理剂的施用均增加了水稻的产量,其中浙优18的产量明显高于秀水519的。产量最高的为施硅肥处理,其次为石灰石粉+硅肥处理。水稻吸收的镉在浙优18中明显高于秀水519,说明种植低积累镉品种可明显降低水稻中镉的积累。秀水519的根、茎、叶、稻壳和糙米中镉的含量分别比浙优18下降了18.64%～32.92%、31.33%～48.69%、30.99%～37.61%、39.91%～47.27%和45.90%～57.24%。

无论是根、茎、叶中的镉含量,还是稻壳和糙米中的镉含量,在施用4种调理剂后均有明显的下降,但不同调理剂降低水稻各部位镉含量的程度有所差异。对于降低根和茎中的镉含量来说，最佳的处理为施用石灰石粉,其次为施用生物质炭;而对于降低叶、稻壳和糙米中的镉含量而言,以施用石灰石粉+硅肥的效果最为明显,其次为施用硅肥。对于浙优18,施用石灰石粉、硅肥、生物质炭和石灰石粉+硅肥后,根中镉含量较对照分别下降了26.05%、11.75%、19.29%和13.12%,茎中镉含量分别下降了29.14%、19.11%、26.27%和22.13%,叶中镉含量分别下降了37.50%、32.07%、25.36%和43.12%,稻壳中镉含量分别下降了40.63%、36.20%、30.21%和49.74%,糙米中镉含量分别下降了34.26%、28.69%、24.70%和42.23%;对于秀水319,施用石灰石粉、硅肥、生物质炭和石灰石粉+硅肥后,根中镉含量较对照分别下降了39.03%、19.58%、30.75%和26.48%,茎中镉含量分别下降了47.06%、33.50%、40.69%和38.48%,叶中镉含量分别下降了34.32%、31.59%、29.10%和42.28%,稻壳中镉含量分别下降了34.12%、29.89%、25.04%和42.72%,糙米中镉含量分别下降了46.17%、41.06%、35.60%和54.34%。

表5 不同调理剂对水稻产量和各器官中镉积累的影响

3 讨论

以上结果表明,水稻品种和调理剂均可影响水稻中镉的积累。种植镉低积累水稻品种秀水519,与杂交水稻浙优18比较,其根、茎、叶、稻壳和糙米中镉含量均有明显的减少,其中糙米中镉含量下降率达45.90%～57.24%。有关利用镉低积累品种控制农产品中镉的水平已有较多的研究报道[10,13]。本研究的结果也证实,在黑色岩系农田中种植镉低积累品种可有效地降低糙米中镉的积累,降低镉污染风险。

本试验结果也表明,4种调理剂均能明显降低不同品种水稻中镉的积累量,但其机理有所差异,施用石灰石粉主要通过提高土壤pH值、降低土壤镉活性而减少水稻对镉的吸收;施用生物质炭可增加土壤pH值和增强对土壤活性镉的吸附,降低土壤镉的生物有效性；施用硅肥也可明显提高土壤的pH值。本试验结果还表明,虽然4种调理剂均可降低水稻各器官中镉的含量,但是不同调理剂对水稻各器官中镉含量的降低效果有所差异。对水稻根和茎中镉积累的降低效果最为明显的是施用石灰石粉和生物质炭,而对水稻叶、稻壳和糙米中镉积累降低效果最为明显的是施用石灰石粉+硅肥和石灰石粉。表6的结果表明,施用硅肥可促进水稻茎部硅的含量，这可能与硅在水稻体内的积累可影响镉在水稻体内的迁移、降低镉从根向籽粒的迁移有关[26,27]。这一结果表明,根、茎中镉主要受土壤有效镉的控制,叶、稻壳及糙米中镉的水平除受土壤有效镉的影响外,还受植物硅营养的影响;而施硅可明显增加土壤有效硅的含量,增加水稻中硅的含量,从而阻隔镉从根部向地上的迁移。

4 结论

本盆栽试验结果表明,在镉超标的黑色岩系农田中,种植镉低积累水稻品种对降低糙米镉积累有明显的效果,秀水519糙米中镉含量仅为杂交水稻浙优18的50%左右。施用石灰石粉、硅肥、生物质炭和石灰石粉+硅肥等调理剂处理均增加了土壤pH值,改变了土壤重金属镉的化学形态,降低了土壤水溶性镉和交换态镉含量,增加了土壤碳酸盐结合态镉含量,轻微增加了土壤残余态镉含量,显著降低了土壤有效镉含量,但对有机质结合态和氧化物结合态镉含量的影响较小。降低根和茎中镉含量最佳的处理为施用石灰石粉,其次为施用生物质炭;而降低叶、稻壳和糙米中镉含量的效果以施用石灰石粉+硅肥最为明显,其次为施用硅肥。施用硅肥可降低镉由根部向籽粒的迁移。试验认为,种植镉低积累品种及施用石灰石粉+硅肥可有效地降低黑色岩系农田生产的糙米中镉的积累,达到安全生产的目的。

表6 调理剂对土壤中有效硅和水稻茎部硅含量的影响