耕作方式对成都平原稻麦轮作系统吸收累积镉的影响

张 奇，刘海涛，田 静，姚 莉，王 宏，林超文

（四川省农业科学院农业资源与环境研究所，成都 610066）

0 引言

耕地是国民经济的基础，同时承担着国家粮食安全、生态安全和社会稳定的责任。随着中国工业化与社会经济的飞速发展，工业和生活废水排放、污水灌溉、汽车废气排放、含重金属农药和化肥的不合理使用等造成的土壤环境重金属污染问题日益严重[1-2]。重金属在环境中具有不可降解和生物累积的特性，可通过土壤和大气进入农作物，再经食物链进入人体，给人体健康带来潜在威胁[3]。根据2014年国家公布的《全国土壤污染状况调查公报》，全国耕地土壤点位超标率为19.4%，Cd污染比例远超过其他几种土壤重金属元素。重金属污染农田的安全生产是实现我国生态文明、粮食安全战略的基本要求。成都处于四川盆地的核心地带，是西南地区最大的粮油生产基地，但重金属Cd污染形势不容乐观。德阳市作为成都平原区重要的工业基地，耕地土壤Cd含量超标现象严重[4]。因此，对成都平原Cd污染农田的污染防控和安全生产利用技术开展研究具有重要意义。

目前，对土壤重金属污染的防控技术主要集中在控制土壤污染源、改良剂的应用、筛选和培育低积累作物或作物品种、优化施肥和灌溉方式等农业管理措施方面[5-10]。粮食生产过程中，耕作是重要的农田管理措施，主要包括翻耕、旋耕、免耕、秸秆还田等方式。虽然国内外学者针对不同耕作方式下土壤理化性质、作物的养分吸收和产量作了大量研究，但对不同耕作方式下土壤重金属累积效应的研究相对较少[11-13]。在成都平原多为一年两季的轮作模式，小麦与水稻轮作是常见的一种种植方式，不同耕作方式对小麦-水稻轮作系统吸收累积重金属Cd的影响也需要进一步研究。

基于此，笔者在轻度污染农田开展了2年定位试验，研究不同耕作方式对水稻-小麦轮作系统吸收累积重金属Cd的影响，进一步阐明不同耕作方式对重金属Cd富集的影响机制，旨在为重金属Cd污染农田的安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本研究试验区位于四川省德阳市绵竹市文凤村。试验区气候类型为亚热带季风气候，年均降雨量为1053.2 mm，年最大降水量为1421.4 mm，最少降水量为608.7 mm，降水的季节分配极不均匀，主要集中在7—9月。种植制度主要为小麦-水稻轮作。

本研究选取一块水田为试验地。该试验地的土壤类型为水稻土，土壤基础理化性质如表1所示。该水田试验地的土壤pH 6.49，总Cd含量为0.61 mg/kg，总Cd含量超过了农业用地国家标准(GB 15618—2018)的限定值0.4 mg/kg(5.5＜pH≤6.5)，属于轻度污染农田。

表1 供试土壤(0～20 cm)基本理化性状

2周年田间试验于2015年11月—2017年10月进行。共设置5个耕作方式处理，处理1为翻耕（机械耕作，深度25 cm），秸秆还田覆盖；处理2为翻耕，无秸秆覆盖；处理3为旋耕（耕作深度10 cm），秸秆还田覆盖；处理4为旋耕，无秸秆覆盖；处理5为免耕，秸秆还田覆盖；处理6为免耕，无秸秆覆盖。每个处理设置3个重复，小区长7 m、宽3 m，按照随机区组试验排列进行。

冬小麦于11月初播种，次年5月初收获。小麦品种为‘川麦104’，播种量为195 kg/hm2。化肥施用量根据当地习惯施肥量确定，在播种前施用基肥，施肥量为75 kg/hm2N、75 kg/hm2P2O5和75 kg/hm2K2O。在小麦三叶期追肥75 kg/hm2N。

小麦收获后于5月初种植水稻，水稻品种为‘川优6203’，水稻栽秧规格为25 cm×20 cm。在播种前施肥90 kg/hm2N、90 kg/hm2P2O5、90 kg/hm2K2O。在7月初追施氮肥105 kg/hm2N。

1.2 样品采集与分析

在作物成熟后，将小区内小麦的籽粒部分及水稻的稻谷部分收获并风干测定质量，并根据小区面积换算出对应公顷产量。将小麦的风干籽粒及水稻的风干稻谷磨碎用于测定总Cd含量。每个小区分别取3株作物的地上部分样品，去除籽粒部分，样品在80℃烘干后粉碎测定秸秆的总Cd含量。2017年水稻试验开始前，采集所有小区0～20 cm土壤样品。将土样自然风干，过2 mm筛后测定土壤pH、总Cd和有效Cd。

土壤总Cd的测定方法为石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)，有效Cd的测定方法为DTPA提取原子吸收法(GB/T 23739—2009)。土壤基础性质采用常规分析方法。籽粒和秸秆的总Cd含量测定方法为石墨炉原子吸收光谱法(GB 5009.15—2014)。

1.3 数据统计与分析

数据采用方差分析的LSD法进行差异显著性检验，当P<0.05时，表示处理间存在显著性差异。采用Excel 2010和SPSS 17.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理下作物的产量

本研究中6种耕作方式下小麦和水稻的产量如图1所示。对于小麦，各耕作方式下年平均产量由小到大依次为免耕秸秆还田＜旋耕无秸秆＜免耕无秸秆＜旋耕秸秆还田＜翻耕无秸秆＜翻耕秸秆还田。对于水稻，各耕作方式下年平均产量由小到大依次为免耕秸秆还田＜旋耕秸秆还田＜免耕无秸秆＜旋耕无秸秆＜翻耕秸秆还田＜翻耕无秸秆。对于小麦，翻耕秸秆还田处理产量最高，达到7560 kg/hm2；对于水稻，旋耕无秸秆处理产量最高，达到11031 kg/hm2。免耕秸秆还田处理下，小麦和水稻的产量均最低，分别为6949、9242 kg/hm2。这可能与免耕条件下，秸秆覆盖会影响小麦和水稻的出苗和分蘖，同时免耕条件下土壤紧实度过高影响水稻小麦根系下扎生长有关[14]。在该试验区，同一作物在各耕作模式下产量之间的差异不显著。

图1 不同耕作方式下小麦和水稻产量

2.2 不同处理下小麦籽粒和水稻稻谷中的Cd含量

不同耕作方式能够显著影响小麦籽粒和水稻稻谷中的重金属Cd含量。如图2所示，水稻稻谷的重金属Cd含量要远高于冬小麦的籽粒。相同耕作方式下，是否秸秆还田对小麦籽粒和水稻籽粒重金属含量影响不显著。不同年份之间同一种作物籽粒的Cd含量也存在明显差异。对于冬小麦，2017年籽粒中的Cd含量要高于2016年同处理的40%～83%，这与年际间的降雨量差异造成土壤含水量差异进而影响土壤氧化还原电位有关[15]。翻耕秸秆还田处理下小麦籽粒中的Cd含量最低，平均值为0.12 mg/kg，低于其他处理的20%～40%。对于水稻，2017年稻谷中的Cd含量要低于2016年同处理的42%～67%，这与2017年水稻生长季的降雨量高于2016年，土壤中的有效镉含量降低有关[15]。翻耕无秸秆处理下水稻稻谷中的Cd含量最低，平均值为0.26 mg/kg，低于旋耕和免耕处理的66%～70%。可见，翻耕处理能够显著降低冬小麦籽粒和水稻稻谷的重金属Cd含量。

图2 不同耕作方式下小麦籽粒和水稻稻谷的Cd含量

2.3 不同处理下作物秸秆的Cd含量

本研究对不同耕作方式下小麦、水稻秸秆的总Cd和农田土壤样品的pH、有效Cd和总Cd进行了检测，如表2所示。在相同耕作方式下，是否秸秆还田对小麦、水稻秸秆的总Cd和农田土壤样品的pH、有效Cd和总Cd的影响不显著。耕作方式对土壤中有效Cd、总Cd含量以及秸秆中Cd含量有显著影响。翻耕处理表层土壤的有效Cd(0.26 mg/kg)和总Cd含量(0.43 mg/kg)要显著低于免耕和旋耕处理的。旋耕处理表层土壤的总Cd和有效Cd含量与免耕处理未存在显著性差异。翻耕处理小麦和水稻秸秆中Cd含量显著低于免耕和旋耕处理，但旋耕处理小麦和秸秆中Cd含量与免耕处理的未存在显著性差异。

表2 2017年不同耕作方式下土壤和秸秆中的Cd含量

3 结论

笔者通过在轻度Cd污染农田开展2年的田间试验，研究成都平原常见耕作方式对水稻-小麦轮作系统吸收累积重金属Cd的影响。研究发现，与旋耕和免耕处理相比，翻耕措施能显著降低小麦籽粒和水稻稻谷中的Cd含量，是否秸秆还田对小麦籽粒和水稻稻谷中的Cd含量影响不显著。翻耕处理表层土壤重金属总Cd和有效Cd含量显著低于其他处理，这是翻耕处理对应籽粒Cd含量较低的重要原因。综合考虑作物产量和农产品Cd含量，建议在成都平原地区轻中度Cd污染农田将翻耕作为一项重要安全生产措施，同时可配合使用土壤调理剂种植水稻和小麦，保证粮食的安全生产。

4 讨论

重金属主要通过大气沉降、污水灌溉、化肥和农药的施用等途径进入农田并在土壤中积累。德阳市作为成都平原区重要的工业基地，耕地土壤重金属Cd含量超标现象严重，农民最普遍采用的小麦-水稻轮作种植模式收获的小麦籽粒和水稻稻谷中均存在重金属Cd超标的现象[15-16]。本研究试验点农田的重金属Cd含量超过国家标准(GB 15618—2018)二级水平。

重金属在植株体内的吸收转运受多种因素的影响，如土壤理化性质、耕作栽培措施等。常同举等[12]研究发现，土壤pH、重金属有效量的变化是耕作方式影响水稻对重金属吸收的最主要因素。崔孝强等[17]研究发现，耕层土壤Cd、Cu和Zn有效量以垄作免耕处理最高，不同耕作方式下土壤有效Cd和Pb含量出现表聚现象。帅泽宇等[18]研究发现，长期免耕处理相较于翻耕、旋耕处理显著增加了0～10 cm耕层Cd的有效性，但免耕同时阻碍了Cd向穗迁移的能力，而翻耕、旋耕处理则促进了Cd向穗中迁移。在本研究中，小麦-水稻轮作中翻耕处理的小麦籽粒和水稻稻谷中的Cd平均含量分别为0.12、0.27 mg/kg，远低于旋耕和免耕处理，相比于小麦和水稻的安全标准值0.1、0.2 mg/kg，仅超出0.02、0.07 mg/kg。可见，翻耕是有效的重金属安全防控措施，能够显著降低小麦和水稻籽粒中的Cd含量，可基本实现轻度Cd污染农田的安全生产。根据翻耕处理土壤总Cd和有效Cd偏低的结果，可见土壤中Cd含量高是造成试验点小麦籽粒和水稻稻谷中Cd超标的重要原因。试验区域的重金属污染以大气沉降为主，因此土壤中的Cd污染主要集中在表层土壤。翻耕处理可将亚耕层低重金属含量的土壤翻至表层，而原表层高重金属含量的土壤则被深埋至较深土层，不利于根系吸收，从而缓解了土壤中的Cd对小麦和水稻的毒害，降低了小麦籽粒和水稻稻谷的重金属含量。

秸秆还田是一项提升耕地地力的有效措施。一方面，秸秆对重金属有一定的吸附作用，有研究认为其可用作修复污染水体和污染土壤，并在重金属污染的农田中施用有机肥和秸秆可降低土壤中的有效态重金属含量，减少作物对土壤重金属的吸收[19]。另一方面，重金属污染农田生产的秸秆中的重金属含量常常较高，秸秆还田会促进污染土壤重金属Cu、Cd的溶出，增加土壤溶液中重金属的浓度[20-21]。汤文光等[22]研究发现，长期翻耕和长期旋耕的土壤Cd含量显著偏高，水稻植株地上部分富集Cd能力相对较低，长期免耕则促进了水稻地上部分对Cd的富集。郑顺安等[23]研究发现，与秸秆不还田比较，秸秆还田在短期内对土壤、水稻秸秆和蔬菜重金属积累的影响较小，但4～5年后秸秆不还田农田土壤Cd、Hg积累及水稻秸秆和蔬菜中Cd、Pb、Hg积累明显低于秸秆还田农田。本试验中在相同耕作方式下是否秸秆还田对小麦籽粒和水稻稻谷、秸秆中的重金属Cd含量以及农田土壤样品的有效Cd和总Cd含量没有显著影响，这可能与秸秆还田时间短有关。