生物有机肥对稻田土壤Cd形态和糙米Cd含量的影响

李小飞 代兵 何晓峰

摘要 [目的]探究不同生物有机肥施用量对稻田土壤Cd形态和糙米Cd含量的影响。[方法]采用盆栽试验研究了不同有机肥增施量对水稻主要生育期内土壤pH、有机质和Cd赋存形态的动态变化以及糙米中Cd含量的影响。[结果]与对照相比，25～45 g/kg有机肥增施量条件下，水稻分蘖期土壤pH显著提高0.40～0.42，有机质含量显著增加1.74～3.1 mg/kg，有效态Cd下降15.7%～40.7%;孕穗期土壤pH显著提高1.08～1.14，有机质含量显著增加7.48～9.68 mg/kg，有效态Cd下降13.6%～38.8%;扬花期土壤pH显著提高1.30～1.53，有機质含量显著增加8.38～9.19 mg/kg，有效态Cd下降10.0%～36.7%;成熟期土壤pH显著提高0.97～1.13，有机质含量显著增加6.54～8.81 mg/kg，有效态Cd下降9.2%～36.8%;水稻成熟后的糙米中Cd含量显著下降67.7%～72.3%。随着有机肥施用量增加，土壤pH、有机质含量以及糙米中Cd含量并无明显的变化。[结论]水稻种植过程中增施生物有机肥能有效提高酸性土壤的pH，增强土壤的酸碱缓冲能力，并显著提升土壤中的有机质含量，促使土壤中Cd由生物活性较强的弱酸提取态向可还原态转化，从而达到抑制水稻对Cd的吸收，显著减少糙米中Cd积累的目的。

关键词 生物有机肥;水稻;水稻生育期;糙米;镉

Abstract [Objective]To explore the effects of bio-organic fertilizer on soil cadmium fractions and cadmium accumulation in rice. [Method]Pot experiment was conducted to investigate the dynamic changes of soil pH， organic matter （OM）， cadmium （Cd） fractions in rice growth period and the accumulation of Cd in brown rice. [Result]Compared with CK， under the condition of 25-45 g/kg bio-organic fertilizer， the pH of soil increased by 0.40-0.42， the OM increased by 1.74-3.10 mg/kg， and the available Cd decreased by 15.7%-40.7% during tillering period;the soil pH increased by 1.08-1.14， the OM increased by 7.48-9.68 mg/kg， and the available Cd decreased by 13.6%-38.8% during booting period;the soil pH increased by 1.30-1.53， the OM increased by 8.38-9.19 mg/kg， and the available Cd decreased by 10.0%-36.7% during flowering period;the soil pH increased by 0.97-1.13， the OM increased by 6.54-8.81 mg/kg， and the available Cd decreased by 9.2%-36.8% during maturing period. In addition， the efficiency of reducing Cd increased with the increase of bio-organic fertilizer application. As the amount of bio-organic fertilizer applied increased， there was no significant difference in soil pH，OM， and brown rice Cd content.[Conclusion]The application of bio-organic fertilizer could effectively improve the pH value and acid-base buffer capacity of soil， increase the OM content， and promote the transformation of Cd in the soil from acid-extractable fraction with biological activity to reducible fraction， thus inhibiting the absorption of Cd by rice and significantly reducing the Cd content in brown rice.

Key words Bio-organic fertilizer;Rice;Rice growth period;Brown rice;Cadmium

随着工矿业的发展，大量的重金属污染物通过污水灌溉以及大气沉降等途径进入到农田土壤环境中，造成农产品重金属含量超标，严重威胁我国的粮食安全[1-2]。镉（Cd）是自然界中分布广泛的一种高危害有毒致癌类物质，易被水稻吸收，具有蓄积性强、毒性持久的特点[3]。近年来，多地出现的镉大米事件使得农田镉污染逐渐受到人们的关注，如何抑制水稻对镉的吸收，降低稻米中的镉含量已成为农业生态环境领域研究的热点之一[4-6]。原位钝化修复是通过向农田土壤中施加石灰等钝化理调剂，改变镉在土壤中的赋存形态和生物活性，从而抑制农作物对镉的吸收，达到受污染农田土壤安全利用的目的，具有操作简单以及见效快等优点[7]。近年来，随着农业生产过程中有机肥料的大力推广应用，以生物有机肥作为土壤调理剂解决农田镉污染已成为研究热点。研究表明，施用有机肥可改变土壤中的有机质含量和pH，降低土壤中重金属的生物有效性，从而抑制农作物根系对重金属的吸收，且在重度污染农田中效果更为显著[8-9]。马铁铮等[10]将含枯草芽孢杆菌生物有机肥施用于水稻种植，结果表明该有机肥不仅提高了土壤pH和养分，并显著降低土壤有效态镉含量，糙米Cd含量下降了22%。邹传等[11]研究发现，施加不溶性腐殖酸滤渣可显著降低土壤中有效态Cd含量，且钝化效果随着滤渣粒径减小而增强。然而，张佳等[12]研究表明，在水稻种植过程中施用菜籽饼肥会导致土壤孔隙水中DOC、DON和可溶性镉含量升高，从而促进了水稻对Cd的吸收和累积，不利于稻米的安全利用。YM菌生物有机肥为牲畜粪尿等经超高温发酵的产物，具有高有机质和生物酶的特点。虽然前人在有机肥应用于农田土壤改良等方面已经做了一定量的研究，但极少涉及以超高温发酵条件下获得的生物有机肥作为调理剂的应用试验，因此以该类生物有机肥作为土壤调理剂应用于农田重金属污染治理中对土壤中镉有效性、糙米Cd含量等的影响亟待研究。笔者以YM菌生物有机肥作为外源有机肥，通过大棚盆栽试验对水稻生育期内土壤Cd赋存形态的动态变化以及糙米中Cd含量进行了研究，初步探讨了不同有机肥施用量处理的水稻在分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期共4个阶段中土壤的pH、有机质、Cd赋存形态以及糙米Cd含量的差异，旨在为当前我国镉污染农田土壤修复技术开发和粮食安全生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤来源于广东省韶关市仁化县董塘镇某冶炼厂周边农田（113°39′36.17″E，25°06′35.39″N）水稻田耕作层。土壤pH 5.15，总Cd含量2.27 mg/kg，超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中水稻田土壤镉浓度标准限值6.5倍，属重度污染;YM菌生物有机肥由鹏鹞环保股份有限公司提供;水稻由广东省韶关市仁化县當地农资站提供，品种为广东省韶关市常规晚稻美香粘2号。供试土壤和YM菌生物有机肥基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

将供试土壤置于阴凉处自然风干，去除石块、根系等杂物后破碎过18目筛，干燥保存待用。根据YM菌生物有机肥施用量梯度（0、25、35、45 g/kg）共设置4组处理（CK、YM25、YM35、YM45），每组处理9个重复，在各组水稻分蘖期、孕穗期、扬花期、成熟期分别采集土壤和水稻植株样品。盆栽试验在广东省生态环境技术研究所内的温室大棚试验基地内进行。

2018年4月4日根据试验方案将有机肥与供试土壤充分混匀，用自来水将盆栽内的土壤均淹水熟化7 d;2018年4月11日进行水稻秧苗移栽，每盆2株幼苗。在水稻前中期生长过程中均持续水淹处理，但在分蘖后期开始减少淹水水分以及烤田处理，在所有必要的处理中使用常用农药。2018年8月9日水稻移植后120 d成熟收获。

1.3 样品采集与处理

分别于水稻移栽后39 d（分蘖期）、64 d（孕穗期）、93 d（扬花期）、120 d（成熟期）采集土壤和水稻糙米样品。将采集的土壤样品置于阴凉处自然风干，去除根系后破碎依次过10目和100目筛，待测。将水稻糙米样品用去离子水洗净，置于80 ℃烘箱内烘干，碾磨待测。

1.4 测试项目与方法

采用0.01 mol/L氯化钙浸提，电位法测定土壤pH;采用去极化法测定土壤氧化还原电位（Eh）;采用重铬酸钾比色法测定土壤有机质含量（OM）;采用中性乙酸铵交换法测定土壤阳离子交换量（CEC）;采用石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤Cd全量;采用BCR连续提取法对土壤中Cd进行赋存形态分析;采用硝酸-高氯酸（9+1）混酸消解，原子吸收分光光度计石墨炉法测定糙米中Cd含量[13]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2013和SigmaPlot进行数据和图形处理，采用SPSS 20.0显著性Ducan检验法进行各处理间的差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥对土壤pH和有机质的影响

2.1.1 土壤pH。

由表2可知，增施生物有机肥能有效改善酸性土壤的酸碱缓冲能力，提高水稻在生长过程中土壤的pH。CK处理的土壤pH自水稻分蘖期至扬花期逐渐降低，但之后随着水稻生育期的延长又出现回升的情况。其原因可能一方面由于淹水使土壤与空气隔绝，土壤铁氧化物的还原溶解作用使得酸性土壤pH向中性靠拢，但在水稻移植后至扬花期的快速生长过程中其根系会分泌部分酸性物质，促使土壤pH下降，造成该阶段内的土壤pH呈快速下降趋势[14];另一方面，随着扬花后期烤田过程的延长，土壤中的水分蒸发使得盐分在表层土壤中积累导致土壤pH又逐渐升高[15]。

与CK相比，增施25～45 g/kg生物有机肥的水稻在分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期土壤pH平均值分别显著提高0.4～0.42、1.08～1.14、1.3～1.53和0.97～1.13，整个水稻生育过程中的土壤pH保持在6.5以上，说明该有机肥施用能有效提高酸性稻田土壤的pH以及增强土壤的酸碱缓冲能力，与陈红金等[16]有机肥有利于改良酸性土壤的研究结果基本一致。此外，随着有机肥施用量增加，水稻各生育期内的土壤pH无显著变化，说明提高生物有机肥增施量对酸性土壤的pH改良效果影响不大。

2.1.2 土壤有机质。

由表3可知，增施生物有机肥能显著提高土壤的有机质含量。CK处理的土壤中有机质含量自水稻分蘖期至扬花期生长过程中减少6.38 g/kg，但之后随着水稻生育期延长至成熟期，土壤有机质又逐渐增加。其原因可能一方面，水稻在移植返青进入分蘖期后，快速生长过程需要吸收大量的养分，导致初期土壤有机质含量迅速减少，但随着水稻成熟以及烤田过程的延长，有机质矿化速率逐渐减慢;另一方面，水稻生育过程为淹水-烤田的水分管控，前期的淹水处理使得土壤中的可溶性有机碳进入到水体中，成熟期的持续烤田处理则促使部分溶解性有机质又重新进入到土壤中，从而导致后期有机质含量又出现微增的情况[17]。

与CK相比，增施25～45 g/kg生物有机肥处理的土壤有机质含量在水稻分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期分别显著提高1.74～3.1、7.48～9.68、8.38～9.19和6.54～8.81 g/kg，整个水稻生育过程中土壤有机质含量均超过33 g/kg，说明该有机肥施用能有效提高酸性稻田土壤中的有机质含量。在整个水稻生育过程中，YM25处理的土壤中有机质含量呈先减少后微增的趋势，YM35处理的土壤有机质含量呈逐渐升高的过程，而YM45处理的土壤有机质含量则出现先增加后逐渐减少的情况，其原因可能与有机肥施用的缓释效果以及水稻的生长情况有关[18]。水稻进入分蘖期后，快速生长过程中有机质矿化速率加快，由于25 g/kg有机肥增施量条件下的有机质缓释量低于消耗量，土壤中有机质呈下降趋势，但随着施用量提高到35～45 g/kg后缓释量逐渐高于消耗量，土壤中有机质含量呈增加趋势;随着生育期延长，水稻生长速率逐渐减慢，有机质缓释量与消耗量处于供给平衡状态，土壤中有机质含量无显著差异;水稻生长后期，由于持续烤田处理使得部分溶解性有机质又重新进入到土壤中，从而导致水稻成熟期的土壤有机质含量又呈增加趋势。由于有机质矿化速率与水稻生物量成正比，YM45处理的水稻生物量最大，有机质消耗速率更快，因此造成其在水稻孕穗期后土壤有机质含量呈逐渐减少的趋势。

2.2 有机肥对土壤中Cd赋存形态的影响

由图1可知，随着水稻生育期的延长，各处理的土壤中Cd全量均呈逐渐下降的趋势。与分蘖期相比，CK和YM45处理的土壤在水稻成熟后Cd全量显著减少，说明该处理条件下更多土壤中的Cd被水稻吸收和积累。此外，CK处理的土壤中弱酸提取态Cd含量随着水稻由分蘖期至成熟期生长过程的延长，由1.08 mg/kg显著减少至0.87 mg/kg，其他形态的Cd则无显著变化，说明水稻在生长过程中主要吸收弱酸提取态Cd，而对其他形态的Cd影响不大。

与CK相比，增施25～45 g/kg生物有机肥处理的土壤中弱酸提取态Cd在水稻分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期分别下降15.7%～40.7%、13.6%～38.8%、10%～36.7%、9.2%～36.8%，且降幅与增施量成正比;可还原态Cd分别增加25%～37.1%、31.5%～44.8%、25.5%～38.8%、29.6%～40.6%，且增幅与增施量成正比;可氧化态Cd无显著变化，而残渣态Cd则略有增加。由此可知，增施生物有机肥能够促使土壤中弱酸提取态Cd向可还原态Cd和残渣态转化，有利于降低土壤中Cd的生物活性，与姚桂华等[19]有机肥施用能够显著降低土壤中有效态Cd含量，从而一定程度上降低环境风险等研究结果一致。

2.3 有机肥对糙米中Cd含量的影响

由图2可知，CK处理的水稻糙米中Cd含量为0.65 mg/kg，超过了《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）糙米中Cd的标准限值（0.2 mg/kg）2.2倍，说明未施加任何防控措施的情况下，在供试土壤中种植水稻易出现“镉大米”风险。

与CK相比，施用25～45 g/kg有机肥的3种处理水稻糙米中的Cd含量下降了67.7%～72.3%，且随着施用量增加降镉效果更为显著。由此可推断，YM菌生物有机肥施用能有效阻隔水稻对土壤中Cd的吸收，显著降低糙米中Cd含量。水稻对镉的吸收随土壤中Cd含量的升高而迅速增加，糙米中Cd含量与土壤有效态Cd含量呈显著正相关[20-21]。YM菌生物有机肥施用通过影响土壤pH和有机质，在整个水稻生育过程中维持pH高于6.5以及有机质含量高于33 g/kg的生长环境，促使土壤中Cd由活性较强的弱酸提取态向可还原态和残渣态转化，进而抑制了水稻对Cd的吸收，降低了糙米中Cd含量[22-23]。此外，当施用量为45 g/kg时，水稻糙米中Cd含量低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）标准限值（0.2 mg/kg），说明增加YM菌生物有机肥施用量有利于减少水稻糙米中的Cd，最終达到安全生产的标准要求。

3 结论与讨论

有机肥主要通过提高土壤pH、有机质含量以及生物酶活性等来降低土壤有效态Cd含量，其中土壤pH以及有机质含量可直接影响土壤中Cd的赋存形态[24-25]。该研究中施用生物有机肥处理能有效提高水稻主要生育期内土壤的pH和有机质含量，促使土壤中Cd赋存形态由弱酸提取态向可还原态转化，其研究结果与前人基本一致，但也发现不同施用量条件下存在一定的效果差异。增施25～45 g/kg生物有机肥条件下，虽然随着施用量增加土壤pH和有机质含量并无显著变化，但土壤中有效态Cd含量呈显著下降趋势，其原因可能与淹水-烤田的水分管控、有机质的缓释效应和水溶效应等因素有关。淹水和有机肥施用促使了水稻生长过程中土壤的pH向中性靠拢，但有机肥中有机质的缓释效应又使得土壤中有机质含量并无明显的变化;此外，由于土壤中Cd2+结合点位与有机肥施用量成正比，增加施用量从而促使了土壤中Cd由弱酸提取态向可还原态转化。

糙米中Cd含量与土壤有效态Cd含量呈显著正相关[26-27]。该研究中增施生物有机肥，一方面通过提高pH和有机质含量促使土壤中Cd由弱酸提取态向可还原态转化，另一方面生物有机肥中由于含有能够促进微生物代谢，从而降低土壤中有效态Cd的较高活性生物酶，多重因素共同抑制了水稻对土壤中Cd的吸收，进而显著减少了糙米中Cd积累量，糙米降镉率超过67%，达到了较好的修复效果。

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