复配肥料对土壤镉生物有效性和水稻镉累积的影响

杨耀东，陈奕暄，邓潇，杨文俊，艾米兰·努尔哈拉木，曾清如

(湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128)

据2014 年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤镉(Cd)超标率达7.0%，严重危害农作物生产和人体健康[1，2]。近年来，针对如何降低稻米中的Cd 积累进行了很多研究，主要有添加土壤钝化剂、水分管理、叶面阻控、筛选镉低累积品种以及微生物修复等[3]。施加钝化剂是一种通过改变土壤理化性质以及降低土壤Cd 生物有效性的方法[4]。石灰[5]、海泡石、沸石[6，7]、生物炭、有机物料[8-10]等土壤钝化剂均能有效降低土壤Cd 的生物有效性以及糙米中Cd 的累积量，但是有些土壤钝化剂的施用会对土壤环境产生不利影响。Diggelen等[11]研究表明，Ca(OH)2的长期施用会导致土壤质量的降低以及土壤微生物菌群结构显著变化。Wang 等[12]也发现，生物炭施入土壤后可能会导致多环芳烃再释放，对植物以及人体造成有机污染。因此，选择钝化剂种类和确定使用剂量时需慎重。肥料为水稻生长提供必需营养元素，而近年来相关研究发现，添加适当的肥料还可以降低重金属生物有效性[13]。以不同肥料形式添加的氮以及磷元素通过促进植物的正常代谢以及改变土壤中重金属赋存形态从而改变重金属的生物有效性[14]。施用钙镁磷肥能显著降低土壤中标准毒性浸出提取态Cd(Toxicity Characteristic Leaching Procedure，TCLP)含量，使水稻糙米中镉的积累量减少36.8%～75.6%[15]。但也有研究表明，普遍使用的氯化钾中含有的Cl 离子具有很强的配位能力，能与Cd 形成络合物，从而提高Cd 的生物有效性[16]。

本研究开展大田试验，分析不同复配肥料处理对酸性土壤pH、土壤阳离子交换量(CEC)、有机质含量(OM)以及Cd 生物有效性的影响，探究复配肥料对水稻各部位吸收转运Cd 的影响，筛选最优的降Cd 肥料组合，以期为南方酸性镉污染区的水稻安全生产提高理论指导及技术支撑。

1 研究材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种选用当地常用品种天优华占，复合肥、尿素、氯化钾、硅钾钙肥和钙镁磷肥均购自长沙丰凯农业科技公司。石灰和白云石均由尚杰矿石粉厂提供。

试验地址为湖南醴陵某中度重金属污染农田，土壤类型为第四纪红壤母质发育而来的水稻土。土壤基本理化性质如表1 所示，属酸性土壤。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of the tested soil

1.2 复配肥料施用方案

对照组(CK)施用600 kg/hm2复合肥作为基肥，150 kg/hm2尿素加75 kg/hm2氯化钾作为追肥。在CK 处理的基础上，T1 处理增施1 500 kg/hm2石灰作为基肥，T2 处理则增施1 500 kg/hm2白云石粉作为基肥，T3 处理在基肥中增施钙镁磷肥及硅钾钙肥各750 kg/hm2，但追肥仅施用150 kg/hm2尿素。

1.3 试验设计

试验田除草整地后，田埂覆膜，并设置进水口与排水口。试验田划分为12 个试验样方，样方大小为5 m×4 m。共设置4 个处理，3 次重复，所有处理随机区组排列。每个试验样方外设3 行保护行。于2019 年6 月28 日施入基肥，并将基肥与耕作层(0～20 cm)土壤充分混匀。于2019 年6 月3 日育秧，7月5 日移栽，水稻秧苗种植密度为25 cm×25 cm。待水稻进入分蘖期后，于2019 年7 月19 日各样方同步补施追肥。追肥时，将配置肥料均匀撒施至试验田。水稻种植期间灌水排水都按当地种植习惯，田间进行精细管理并及时防治病虫害。

1.4 样品采集及预处理

水稻成熟后，每个样方按五点法采集水稻5 株，用自来水和去离子水清洗后装入厚纸袋，置于105℃烘箱内杀青30 min，然后于60 ℃烘至恒重，将稻谷用小型砻谷机脱壳，按根、茎叶、谷壳和糙米分开用塑封袋保存待测。水稻样品采集后将样方内水稻全部收获，用打谷机将谷物与秸秆分离，分别装入袋中，测定样方内籽粒重量。水稻收获后，每个样方按梅花型布设5 个采样点，采集深度为0～20 cm 的水稻根系周边区域土壤，混合均匀带回实验室。去除土块中残根、杂物，自然风干研磨后分别过100 目和10 目尼龙筛，保存待测。

1.5 分析测定方法

土壤pH、有机质(OM)含量、阳离子交换量(CEC)和土壤总氮磷钾含量等理化性质指标参照文献[17]测定。土壤总重金属含量与水稻各部位重金属含量采用湿式消解法测定。土壤有效态重金属含量使用TCLP 毒性浸出法[18]和Mg(NO3)2溶液(1 mol/L)提取法测定。土壤和水稻样品中重金属含量分别采用电感耦合等离子体原子发射光谱(Optima 8300，PerkinElmer)测定。标准物质GBW07428-GSS-14 和GBW07603-GSV-2 分别用于土壤样品以及植物样品质量控制，分析过程采用样品空白，Cd 回收率为94.3%～105.6%。

1.6 数据处理

根据生物富集系数(Bioaccumulation Factor，BCF，水稻根系中的重金属含量与土壤中重金属含量的比值)、转运系数(Translocation Factor，TF，水稻后部位重金属含量与前部位重金属含量的比值)[19]分析Cd 在水稻各部位中的累积转运能力。

式中:Cr为根系中Cd 含量(mg/kg)；Cs为土壤中Cd 含量(mg/kg)；Clatter为后一部位Cd 的含量(mg/kg)；Cformer为前一部位Cd 的含量(mg/kg)。

采用软件Excel 2019 进行数据统计分析，数据表示为平均值±标准偏差(n＝3)，采用SPSS Duncan多重比较(P<0.05)和Pearson 法分析各处理差异和相关性，采用软件Origin 9.0 绘制图形。

2 结果与分析

2.1 复配肥料对土壤基本理化性质的影响

复配肥料对土壤基本理化性质的影响如表2 所示。与CK 相比，复配碱性肥料的添加均显著提升了土壤pH(P<0.05)。土壤pH 表现为T1>T3>T2>CK，其中T1 处理土壤pH 值为5.67，比CK 提高了1.05 个单位；T2 和T3 处理土壤pH 值也分别比CK提高了0.36 和0.50 个单位。各处理土壤CEC 和OM 含量范围分别为12.38～ 12.98 cmol/kg 和45.20～46.02 g/kg，处理间无显著性差异。

表2 不同复配肥料处理的土壤基本理化性质比较Table 2 Comparison of soil physical and chemical properties treated with different combined fertilizer

2.2 复配肥料对水稻产量的影响

各处理中，T3 处理水稻产量最高，达7 626.5 kg/hm2，其次为T1、T2 处理，分别为7 439.4 和7 399.0 kg/hm2，CK 处理产量最低，为7 369.6 kg/hm2，但处理间差异不显著。

2.3 复配肥料对土壤Cd 生物有效性的影响

综合TCLP 毒性浸出态和Mg(NO3)2提取态来评估土壤Cd 的生物有效性，结果表明，与CK 处理相比，施加不同复配碱性肥料后土壤TCLP 提取态Cd 含量均有一定程度的降低(图1)。CK 处理土壤中提取态Cd 含量为0.39 mg/kg，占总Cd 含量的34.30%，说明该试验田Cd 活性较高。T1、T2、T3 处理的TCLP 提取态Cd 含量分别0.27、0.29、0.24 mg/kg，比CK 分别降低了31.65%、26.58% 和40.00%，平均降幅为32.74%。CK 处理土壤中的Mg(NO3)2提取态Cd 含量为0.75 mg/kg，占总Cd含量的65.13%，占比同样较高。T1、T2、T3 处理土壤中Mg(NO3)2提取态Cd 含量的含量分别为0.48、0.50 和0.44 mg/kg，比CK分别降低了36.32%、33.65%和41.66%，平均降幅为37.21%。上述结果表明，复配肥料能有效地降低土壤中的Cd活性，可以通过改变土壤理化性质、离子吸附、络合、竞争等作用使土壤中较活跃态的Cd 向其他更稳定的形态转变，从而降低了土壤中Cd 的生物有效性。

图1 不同复配肥料处理的土壤Cd 生物有效性Fig.1 Bioavailability of Cd in soil treated with different combined fertilizer

2.4 土壤提取态Cd 与水稻Cd 含量的相关性

土壤中重金属的总量通常不能准确反映出重金属对植物的危害程度。因此，应根据不同方式的提取态重金属含量对受污土壤进行风险评估。

土壤提取态Cd 与水稻各部位Cd 含量的相关性如表3。除谷壳外，水稻各部位Cd 含量与TCLP和Mg(NO3)2两种方式的Cd 提取态均呈现出极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)正相关。其中，TCLP提取态Cd 与根、茎叶、糙米中Cd 含量的相关系数分别为0.998、0.955 以及0.988，Mg(NO3)2提取态Cd 与根、茎叶、糙米中Cd 含量的相关系数则分别为0.996、0.952 以及0.987。因此，降低土壤提取态Cd 含量能够有效降低水稻各部位中Cd 的含量。

表3 土壤提取态Cd 与水稻各部位Cd 含量相关性分析Table 3 Correlation analysis of Cd extracted state from soil and Cd content in various parts of rice

2.5 复配肥料对水稻各部位Cd 含量的影响

由表4 可知，复配肥料均能降低水稻植株根系、茎叶、谷壳、糙米中Cd 含量。与CK 相比，T1、T2 和T3 处理水稻根系中Cd 含量分别降低了23.64%、20.95%和28.93%，平均降低24.50%，差异显著(P<0.05)；水稻茎叶中Cd 含量分别降低了33.88%、20.53%和30.80%，平均降幅为28.41%，且差异显著(P<0.05)。各处理水稻谷壳中Cd 含量以CK 最高，其次为T1、T2 处理，最低的为T3 处理(0.49 mg/kg)，但各处理差异不显著。与CK 相比，T1、T2 和T3 处理糙米Cd 含量分别降低了28.57%，30.00%和40.00%，平均降幅为32.86%，且差异显著(P<0.05)，其中糙米Cd 含量最低的是T3 处理，为0.42 mg/kg。虽然各复配肥料都具有较好的降镉效果，但糙米Cd 含量仍然超过了国家食品安全标准(GB 2762-2017)。

表4 不同复配肥料处理的水稻各部位Cd 含量比较Table 4 Comparison of Cd accumulation in various parts of rice treated with different combined fertilizer mg·kg-1

2.6 复配肥料对水稻各部位Cd 转运系数的影响

根系吸收是重金属进入水稻体内的最主要途径。Cd 被吸收后首先富集在根系中，再通过水稻木质部运输进入水稻茎、叶部位，通过茎节韧皮部再分配、转运至穗、谷壳以及糙米中。由表5 可知，施用复配肥料降低了水稻根系的Cd 富集系数(BCF)，与CK 相比，T1、T2 和T3 处理根系的BCF 分别降低了23.61%、20.99%和29.71%。各处理Cd 从根系到茎叶的转运系数(TFrs)为0.35～0.41，茎叶至谷壳的Cd 转运系数(TFsh)为0.13～0.17，而谷壳至糙米的Cd 转运系数(TFhb)为0.86～1.23，表明水稻谷壳对于Cd 的转运能力最强，根系次之，茎叶可截留大部分的Cd。各复配肥料处理水稻TFrs和TFsh与CK 无显著差异，T1、T2 和T3 处理TFhb分别比CK 降低了21.95%、23.58%和30.08%，但T1、T2、CK 处理间差异不显著，T3 处理则显著低于其余各处理。

表5 不同复配肥料处理的水稻各部位Cd 富集转运系数Table 5 Bioaccumulation and translocation factors of Cd treated with different combined fertilizer

3 讨论

水稻是中国最重要的粮食作物，其产量是评判农业水平的标准之一。本试验中，施用复配肥料均未对水稻产量产生显著影响。有研究表明，在酸性Cd 污染土壤中施用石灰对水稻产量影响不明显[20]，这与本试验结果一致。文炯等[21]研究表明，施用钙镁磷肥能显著增加水稻产量。但由于本试验中对照处理施肥后土壤营养充足，因此复合肥＋钙镁磷肥未显著提升水稻产量，这可能也是施用白云石和硅钾钙对水稻产量无显著性影响的原因。

石灰、白云石、硅钾钙肥和钙镁磷肥均为碱性肥料，施用后会造成土壤pH 上升，减少氢离子和Cd离子之间对土壤吸附点位的竞争，增加了Cd(OH)2的沉淀[22]。随着土壤pH 值的增加，土壤表面的静电排斥力下降，大量水解态Cd 离子更易被土壤吸收[23]。同时，碱性肥料能使Cd 离子形成CdCO3沉淀，改变土壤中Cd 的有效性[24]。大量研究表明[18，20，21]，土壤pH 与土壤有效态Cd 含量呈负相关关系。

目前，氯化钾是普遍使用的钾肥形式。然而Cl-具有强配位能力，易与土壤Cd 形成络合物，提升其生物有效性[16]。本试验中，T3 处理以硅钾钙肥形式输入K，不仅能规避Cl-的输入，同时，硅在土壤中将形成复杂的聚硅酸凝胶，凝胶与Cd 形成Cd-Si复合物[25]，从而降低Cd 的有效性。此外，硅钾钙肥中含有大量Ca2＋离子，能增加土壤中的Ca2＋浓度，导致更多Ca2＋通过阳离子交换的形式与植物根系细胞壁Cd2＋发生交换，降低进入根系的Cd2＋含量[26]。另外，K＋和Ca2＋等土壤阳离子将与Cd2＋竞争水稻根系转运蛋白上的结合位点，阳离子浓度的升高能够降低根系对Cd2＋的吸收[27]。

水稻具有较强的Cd 转运能力。研究表明，20种典型水稻品种的富集系数和转运系数分别为4.629～22.271 和0.347～0.817[28]。在轻度和中度Cd 污染农田中，水稻糙米易累积大量Cd，对人体健康构成极大威胁。

在本试验中，供试土壤为中度Cd 污染土壤，活性较高。因此，虽然复配肥料的施用能够显著降低糙米Cd 含量，但其含量仍高于国家食品限量标准(GB 2762-2017)。为保障水稻的安全生产，在中度Cd 污染农田中，除施用复配肥料外，应同时采取其它的降镉措施。

研究表明，对水稻田进行适宜的水分管理[29]、施用不同的土壤调理剂[30]、喷施叶面肥[31，32]、筛选及培育镉低积累水稻品种[33]等方式均能有效降低糙米中的Cd 含量。在施用复配肥料的同时，联合应用上述控镉措施，能够保证实际应用中水稻的安全生产。

4 结论

本研究在大田试验中设置不同复配肥料处理，探究各处理对土壤基本理化性质、Cd 生物有效性以及水稻各部位累积转运Cd 的影响。各处理之间差异显著，其中，以复合肥、钙镁磷肥和硅钾钙为基肥、尿素为追肥的方式具有最佳的降Cd 效果。与对照相比，该处理土壤pH 提高了0.5 个单位，CEC 和OM 含量无显著变化，土壤TCLP 提取态Cd 含量降低40.0%，Mg(NO3)2提取态Cd 含量降低41.6%，水稻各部位Cd 含量有所降低，糙米Cd 含量从0.70 mg/kg 显著降至0.42 mg/kg，降幅40.0%，且水稻体内Cd 的转运能力降低。

在种植单季水稻时，合理施用复配肥料能够降低糙米中的Cd 含量。然而，对于多季水稻而言，复配肥料的具体效果仍有待进一步的考察。

本试验中，以复合肥、钙镁磷肥和硅钾钙肥为基肥、尿素为追肥的方式具有最佳的降Cd 效果。建议在实际生产中将该复配肥料与其它降镉措施联合应用，以保障镉污染农田的水稻安全生产。