镉污染联合修复技术对水稻田修复效应

吴东涛，李小荣

(丽水市土肥植保能源总站，浙江 丽水 323000)

江浙地区作为我国“鱼米之乡”，是我国粮食主产区，但是由于长期不科学的耕作制度与工业活动导致粮食重金属污染问题已经逐渐演变为生态安全事件[1-2]。农田土壤中的重金属积累不仅会造成耕地质量下降与农产品减产，还会进入食物链成为危害人体健康的隐患。近年来，由重金属污染引发的社会问题频发，促使我国政府对粮食作物安全生产的严格把控[3-4]。《全国土壤污染状况公报》显示，全国土壤污染超标率为 16.1%，其中由重金属污染物造成的占80%，以重金属Cd的点位超标率最高(达7.0%)，涉及全国11省市的25个地区，已经严重制约了社会经济发展，影响了消费者身体健康[5-6]。因此，减少农作物对土壤重金属Cd的吸收积累，保障粮食安全生产成为当前亟待解决的问题。

目前，我国针对农田土壤Cd污染修复技术主要有：化学稳定化技术、低积累品种筛选技术、叶面生理阻控技术以及农艺调控措施[7-8]。化学稳定化技术主要通过向Cd污染农田投加化学钝化剂，调节土壤pH，改变土壤Cd赋存形态，从而降低土壤Cd的生物有效性与移动性[9]。低积累水稻品种筛选主要利用不同水稻品种对土壤Cd的吸收积累存在差异的特性，筛选出具有低吸收Cd特性的隧道式品种进行推广应用[10]。叶面阻控技术主要在水稻生育期喷施叶面阻控剂，阻碍水稻吸收的Cd进入可食部的籽粒中，从而达到生理阻控作用[11]。农艺调控措施主要依托调控技术对输入农田的肥料与水分进行综合管理，间接影响水稻田土壤中Cd的形态，进而影响水稻对土壤Cd的吸收积累[12]。目前，Cd污染稻田土壤修复技术主要集中在上述单项技术的独立运用，而对多项技术联合运用的研究甚少涉及。但面对我国稻田Cd污染的复杂化发展趋势，对于多种单项修复技术联合的需求日益凸显。因此，本文将聚焦于联合修复技术的研究，以期为Cd污染农田修复提供技术支持与理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省丽水市某现代农业园区内，气候四季分明，高温多雨，全年总降雨量平均为1 424 mm，多集中在6—9月，适宜水稻等喜高温、多湿的作物生长。供试土壤基本理化性质为pH值5.43，土壤全Cd含量1.03 mg·kg-1。

1.2 处理设计

采用的水稻低积累品种为甬优1540，非低积累品种为浙两优274；稳定化产品为生石灰(667 m2投加水平100 kg)；叶面阻控剂为正大速溶硅肥(667 m2施100 g)；水肥管理中肥料采用钙镁磷肥(667 m2施30 kg)，水分管理采用水稻分蘖后全生育期淹水。共设置6个处理，包括空白对照(CK)、低吸收品种+稳定化产品(LS)、低吸收品种+稳定化产品+水肥管理(LSW)、低吸收品种+稳定化产品+叶面阻控剂(LSF)、稳定化产品+水肥管理+叶面阻控剂(SWF)、低吸收品种+稳定化产品+水肥管理+叶面阻控剂(LSWF)。每处理设3个平行，共计18个试验区(试验区面积为100 m2)。各小区之间采用田埂覆膜进行隔离，小区周边设置0.5 m宽度的保护行。整个试验区除处理不同外，其他农艺管理均保持同步进行。

1.3 样品采集与分析

土样采集与分析。各小区按“S形”采集表层土壤样品，挑出石子、根系等杂质后带回实验室。土样经自然风干，磨碎，过2 mm尼龙筛后用pH计(土液比为1∶2.5)进行pH值测定。水稻产量测定通过试验小区的面积与其产出折算成单位产量。

植物样采集与分析。各处理小区按“S形”采集水稻样并带回实验室。将带回的整株水稻样品进行分蘖数与株高测定。将稻谷剪下用去离子水冲洗，放入烘箱在105 ℃下杀青30 min，然后在65 ℃下烘干至恒重后取出，研磨，过0.15 mm尼龙筛，将研磨后的籽粒样品在170 ℃下用浓HNO3进行提取，最后用原子吸收分光光度法测定籽粒中Cd含量。

1.4 数据处理

数据处理采用Excel 2010 进行统计，数据统计分析采用SPSS 17.0，图中不同小写字母表示组间差异具有统计学意义(P<0.05)。分析图制作采用Sigma Plot v.12.5。

2 结果与分析

2.1 镉污染修复联合技术对土壤pH的影响

如图1所示，所有Cd污染联合修复技术均能显著提升土壤pH值，比CK增加0.12～0.70个单位。本研究中，联合技术LSWF对土壤pH的增加幅度最大，较CK增12.8%；其次为联合技术LSW，较CK增加9.3%。而联合技术LS、LSF与SWF间对土壤pH的增效无显著差异。各类联合技术对土壤pH增加效果表现为LSWF>LSW>SWF=LS>LSF。联合技术LSWF与LSW处理均是添加钝化剂石灰与分蘖后期进行全生育期淹水。由此可见，钝化剂与淹水处理有助于提升土壤pH。朱丹妹等[13]研究发现，稻田土壤在长期淹水条件下pH呈上升趋势，逐步趋于中性；高译丹等[14]在研究中指出，添加稳定化材料生石灰会直接提升土壤pH值。这与本研究结果一致，究其原因，是由于淹水条件切断了土壤的氧供应，使土壤从氧化态转变为还原态，土壤中铁氧化物还原生成新的铁氧化物，从而促使土壤pH趋于中性变化[15]。投加稳定化材料会直接影响土壤pH，因为生石灰属于碱性物质，当输入到土壤中会对土壤酸碱平衡系统产生直接冲击，进而提升土壤pH值[16]。

图1 镉污染修复联合技术对土壤pH值的影响

2.2 镉污染修复联合技术对水稻株高与分蘖数的影响

水稻分蘖数与株高是反应水稻在污染土壤中胁迫效应的一个关键指标。有研究显示，在水稻生长受到胁迫时，水稻的株高与分蘖数将会下降。由图2可知，联合技术LSWF、LSF、LSW与LS均能显著增加水稻株高，而联合技术LSF与LSWF显著增加水稻分蘖数。LSWF处理对水稻株高增加幅度最大；与CK比较，联合技术LSWF、LSF、LSW与LS水稻株高增幅依次为24.7%、22.6%、14.0%、11.8%。此外，联合技术LSWF与LSF对水稻分蘖数的增加效果最好，分蘖数分别为21.67和17.67个·株-1。由此可见，联合技术LSWF与LSF不仅能有效缓解土壤Cd对水稻的胁迫效应，还能有效促进水稻生长。

图2 镉污染修复联合技术对水稻生长的影响

2.3 镉污染修复联合技术对水稻产量的影响

由图3可知，除联合技术LS与LSW外，其他各类联合技术均能促进水稻产量的增加。其中，联合技术LSF、SWF与LSWF对水稻产量增加的促进作用达显著水平，较空白对照依次增加15.4%、6.7%与19.9%。但联合技术LS与LSW却降低了水稻产量，降低幅度为LS>LSW。比较LSW与LSF可知，投加叶面阻控剂能显著提升水稻产量。主要由于本试验采用的叶面阻控剂为速溶硅肥，在生理上不仅能阻控水稻体内Cd的运输，还能补充水稻生长所必需的硅元素等微肥促进水稻生长[17]。比较于联合技术SWF与LSWF可知，低积累品种甬优1540产量比非低积累水稻品种浙两优274高。因此，在镉污染农田耕作时，选用低积累品种并喷施叶面肥有助于提升水稻产量。徐奕等[18]研究表明，硅被水稻叶片吸收后，能增大水稻叶面积，调整冠层对光的接受姿态，增强水稻生理活性，提升光合能力，进而增加水稻生物量。与本试验的结果一致。

图3 镉污染修复联合技术对水稻产量的影响

2.4 镉污染修复联合技术对水稻籽粒Cd含量的影响

水稻籽粒中Cd含量是直接关乎食品健康安全的关键所在。由图4可知，所有联合技术均能显著降低水稻籽粒中Cd含量，其中以联合技术LSWF与SWF为最佳。对比CK，联合技术LSWF与SWF对水稻籽粒中Cd含量降幅为45.0%与40.2%。相较于其他联合技术，LSWF对降低水稻籽粒中Cd含量的效果较好，降低17%～30%。究其原因，主要是由于石灰属于碱性物质，能有效增加土壤pH值，并促进土壤中游离态Cd与酸根离子发生沉淀反应，生成碳酸盐、磷酸盐以及氢氧化物等惰性物质，从而减少水稻对Cd的吸收积累[19]。同时，淹水条件有利于水稻土壤从氧化态转化为还原态，增加土壤中S2-浓度，促使硫化物沉淀的生成，进而抑制土壤Cd进入水稻体内[20]。此外，本试验采用的叶面阻控剂主要是硅肥，而水稻体内硅结合蛋白会促进水稻根系纤维层细胞与Cd形成Si-Cd的复合物共沉淀，阻塞细胞壁孔隙，使Cd进入共质体受阻，从而抑制水稻根系吸收土壤Cd[21]。因此，联合技术(低积累品种+钝化剂+水分管理+叶面阻控)LSWF有助于Cd污染农田中水稻安全生产。

图4 镉污染修复联合技术对水稻籽粒Cd含量的影响

3 小结

本试验以不同Cd污染修复联合技术为研究对象，筛选出高效的抑制水稻籽粒吸收积累土壤Cd的联合技术。通过大田研究发现，相比空白对照，低吸收品种+稳定化产品+水肥管理+叶面阻控剂能有效促进土壤pH增加12.8%，水稻分蘖数、株高与产量依次增加71.1%、24.7%与19.9%，水稻籽粒中Cd含量降低45.0%，糙米Cd含量降至食品安全国家标准食品中污染物糙米中Cd限量值以下。综上所述，联合技术低吸收品种+钝化剂+水分管理+叶面阻控剂有助于在Cd污染耕地上实现农产品安全生产的目标。