硒肥与钝化材料组配对土壤Cd钝化及稻米Cd消减效果

柴冠群，刘桂华，罗沐欣键，秦 松，范成五

（贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳 550006）

0 引言

耕地土壤和农产品重金属污染是中国农业生产上不可忽视的环境问题，中国耕地土壤点位超标率达19.4%，污染类型以无机型为主，尤以镉污染最为严重，点位超标率达7%[1]。据统计，中国每年因重金属污染导致粮食减产高达1000万t，污染粮食多达1200万t，造成经济损失至少200亿元[2]，其中“镉米”食品安全问题最为突出。水稻是中国第一大粮食作物，也是对镉吸收最强的大宗谷类作物[3]，通过进食镉污染稻米而产生的长期低剂量暴露，将会威胁食用人群健康[4]。

土壤镉是水稻吸收镉的主要来源[5]，水稻吸收土壤镉与土壤中有效镉含量相关，而土壤有效镉受pH、有机质及阳离子交换量等影响[6]。向土壤中施用碱性材料、粘土矿物等钝化药剂，调控土壤pH、有机质及阳离子交换量等，降低土壤镉有效态含量[8-9]，是目前镉污染耕地安全利用的措施之一。施用硒等重金属拮抗元素阻隔稻米对镉的吸收，也是目前消减稻米镉含量的有效措施之一[6,10]。有研究表明，在植物体内，硒虽然不是作物生长必需的营养元素，但其有助于促进作物生长发育，提高作物对逆境胁迫的抵抗能力[11-12]，并且与镉等重金属元素具有一定的拮抗作用，可减少镉等重金属在稻米中的积累,但不同用量的硒肥对不同品种的水稻作用效果存在差异[13]，并且也鲜见关于硒肥施用方式对稻米镉消减效果比较的相关报道。

在镉污染较为严重的稻田，要使稻米镉含量符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)，往往单一技术难以达到要求，而联合修复技术更受青睐[6-7]。本研究采用盆栽试验方法，选用钙镁磷肥（碱性）、硅藻土（粘土矿物）、硒肥（拮抗元素）3种材料按一定比例进行组配，研究其不同用量及硒肥施用方式对镉污染酸性稻田土壤修复与安全利用的影响，以期为保障当地稻米安全生产和镉污染稻田土壤的修复治理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤采自贵阳市某郊区的稻田耕作土壤，其基本理化性质见表1。供试水稻品种为采自贵州省水稻研究所育苗基地的‘F优498’。该试验的钙镁磷肥与硅藻土分别购置于贵州省农业科学院农资店与河北鑫旭矿产品有限公司，其Cd含量分别为0.008、0.012 mg/kg，硒肥采用分析纯亚硒酸钠进行配制，其Cd含量未检出。

表1 土壤基本理化性质

1.2 试验设计

本试验将钙镁磷肥（碱性）、硅藻土（粘土矿物）、硒肥（拮抗元素）3种材料按比例(700:300:1)进行组配，研究其不同用量对中度镉污染酸性稻田土壤修复与安全利用的影响。该试验共设置11个处理，每个处理5盆作为重复，每盆土壤重量为20 kg，每个处理钙镁磷肥、硅藻土、硒肥用量及硒肥施用方式见表2。试验在贵州省土壤肥料研究所温室大棚，于2019年5月—10月进行。

表2 各处理材料添加量与施用方式

1.3 样品采集与分析方法

1.3.1 样品采集与制备

（1）稻米样品采集与制备。水稻完全成熟后，用不锈钢剪刀采集稻穗，用去离子水清洗，并用吸水纸吸干，放入105℃烘箱杀青30 min，65℃烘干至恒重，用小型脱粒机脱粒，并研磨过60目尼龙筛，保存备用。

（2）土壤样品采集与制备。采集稻穗的同时，采集土壤样品约1 kg，将其均匀铺在清洁的牛皮纸上，自然风干。风干后的土壤磨细分别过10目与100目尼龙筛，保存备用。

1.3.2 分析方法

（1）土壤指标检测。pH采用电位法，有机质采用重铬酸钾外加热法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用Olsen法，速效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度法测定，CEC采用乙酸铵交换法[14]。

（2）稻米与土壤Cd含量检测。稻米样品采用混合酸(HNO3:HClO4=4:1)湿法消解，稀HCl定容；土壤样品采用HNO3-HClO4-HF-HCl消解，稀HCl定容；土壤有效Cd用DTPA溶液浸提，采用电感耦合等离子体质谱仪测定Cd含量[15]。所有试验用品均经稀酸浸泡，减少器皿对重金属的吸附，试验用水均为去离子超纯水。同时检测3个空白样品和标准物质（GBW07403和GBW10014）控制试验准确度。

1.4 数据分析

数据处理、分析和制图采用软件SPSS20.0与Sigmaplot12.5。

2 结果与分析

2.1 不同处理对稻米产量的影响

从图1可知，与对照(CK)相比，基施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理与叶面喷施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理均能够增加稻米产量，且随着施用量的增加，稻米产量增加；整体比较两种硒肥施用方式稻米平均产量差异可知，基施硒肥略高于叶面喷施硒肥，产量差为2.115 g/pot，T3，T4，T5 稻米产量差异不显著，与对照(CK)相比，基施0.28%钙镁磷肥+0.12%硅藻土+0.004‰硒(T3)能够提高1.68倍的稻米产量。

图1 不同处理对稻米产量的影响

2.2 不同处理对土壤理化性质的影响

从图2(A)可知，与对照(CK)相比，基施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理与叶面喷施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理均提高土壤pH，且随着施用量的增加，pH升高；整体比较两种硒肥施用方式土壤pH差异可知，基施硒肥与叶面喷施硒肥处理，土壤pH无差异。从图2(B)、(C)可知，与对照(CK)相比，基施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理与叶面喷施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理对土壤有机质与CEC影响较小。因此推测，硒肥施用方式对土壤pH、有机质、CEC影响不大。从图2(D)可知，基施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理与叶面喷施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理均能降低土壤有效Cd，且随着施用量的增加，土壤有效Cd减少；整体比较两种硒肥施用方式土壤有效Cd差异可知，基施硒肥处理土壤有效Cd含量略低于叶面喷施硒肥处理，T3、T4、T5对土壤Cd的钝化效果差异不显著，综合考虑，基施0.28%钙镁磷肥+0.12%硅藻土+0.004‰硒(T3)对土壤Cd的钝化效果较佳。

图2 不同处理对土壤属性的影响

2.3 不同处理对稻米Cd含量的影响

从图3可知，与对照(CK)相比，基施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理与叶面喷施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理均能降低稻米Cd含量，且随着施用量的增加，稻米Cd含量降低；整体比较两种硒肥施用方式稻米Cd含量差异可知，基施硒肥处理对稻米Cd的消减程度强于叶面喷施硒肥处理，相差0.021 mg/kg。比较不同处理稻米Cd含量可知，T3、T4、T5稻米Cd差异不显著，且远低于其他处理，与对照(CK)相比，基施0.28%钙镁磷肥+0.12%硅藻土+0.004‰硒(T3)处理稻米Cd降低0.063 mg/kg。

图3 不同处理对稻米Cd含量的影响

3 结论

整体来看，基施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理与叶面喷施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理对土壤pH、有机质、CEC差异不大，均可增加稻米产量，钝化土壤有效镉，消减稻米镉含量；基施硒肥的水稻产量略高于叶面喷施硒肥，产量差为2.115 g/pot，基施硒肥处理对稻米Cd的消减程度强于叶面喷施硒肥处理，相差达0.021 mg/kg。可见，硒对调控稻米镉累积具有重要作用，且基施硒肥强于叶面喷施。综合考虑，基施0.28%钙镁磷肥+0.12%硅藻土+0.004‰硒效果最佳。

4 讨论

杨建军等[16]研究发现基施硒肥与叶面喷施硒肥对水稻产量差异不显著，陈雪等[17]通过土壤和叶面施用亚硒酸钠对水稻生物量、产量及收获指数均无显著影响，而本研究中基施硒肥略高于叶面喷施硒肥，这可能是基施硒肥与钙镁磷肥和硅藻土互作的结果，有研究发现，在酸性土壤中亚硒酸盐主要通过根中的磷酸盐运载体吸收[18]，并且pH影响土壤中硒的赋存形态，进而影响植物对硒的利用度[19]，施入钙镁磷肥与硅藻土，会增加土壤磷酸根，并提升土壤pH，从而影响Se的吸收，导致水稻增产。

农作物对土壤元素的吸收程度，不仅取决于土壤中元素的含量，也会受到土壤中其他组份及理化性质（如pH、有机质、CEC等）的影响[20]。土壤pH升高可以改变土壤胶体颗粒表面可变电荷性质，增加土壤胶体表面吸附位点，利于土壤胶体对镉的吸附，同时，有利于OH-、CO32-与Cd2+形成氢氧化物或碳酸盐沉淀，从而降低土壤镉活性[21]。钙镁磷肥为碱性肥料，有研究指出，向土壤中添加碱性物质可以降低镉的活性，此外，钙镁磷肥主要成分为 Ca3(PO4)2、CaSiO3与 MgSiO3，钙与镉具有相似的化学性质，可以与镉竞争植物根系上的吸附位点，降低植物对镉的吸收[22]，本研究中，随着组配材料用量的增加，土壤pH升高，土壤有效镉降低。丰富的黏土矿物组成是土壤具有较高CEC的主要原因[23]，然而本研究中随着硅藻土用量的增加，土壤CEC并未发生较大变化，但随着组配材料用量的增加，土壤有效镉降低。

本研究中基施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理与叶面喷施硒肥+钙镁磷肥+硅藻土处理整体上对土壤pH、有机质、CEC差异不大，而基施硒肥处理土壤有效Cd含量略低于叶面喷施硒肥处理（图2D），基施硒肥处理对稻米Cd的消减程度强于叶面喷施硒肥处理，相差达0.021 mg/kg（图3），可能是因为亚硒酸盐在土壤中被还原为Se2-，在根际形成CdSe沉淀，导致植物无法吸收[24]，也有可能是硒进入根际需要能量代谢、蛋白质代谢以及与其他元素的相互作用，从而减缓根系对镉的吸收[25]，而喷施于叶面的硒需要被植物吸收后，才能与镉结合形成金属硒蛋白复合物，降低镉的转移[26]。