不同稳定化材料对水稻吸收转运镉的影响

杨梢娜， 杨佳恒， 林林

(1.舟山市农业技术推广中心，浙江 舟山 316021； 2.舟山市优质农产品开发服务中心，浙江 舟山 316021)

随着城市化发展、工矿产业开发、集约型农业生产的快速推进，耕地土壤中重金属问题越来越严重[1]。大部分农作物极易吸收和积累重金属，甚至超出安全生产标准，严重影响了粮食安全生产和人类健康[2]。根据我国生态环境部和自然资源部2014年发布的《全国土壤污染状况调查公告》显示，我国受重金属污染的耕地约2 000万hm2，约占总耕地面积的1/5，其中Cd的点位超标率居所有无机污染物之首，为7.0%[3-4]。Cd的毒性取决于其在土壤中的生物有效性，目前主要通过原位修复技术对Cd超标农田进行修复，以保证受污染耕地能安全利用。

当前我国主要利用表面吸附、溶解沉淀、氧化还原、有机络合等物理、化学以及生物技术等原位修复技术，向污染土壤中投加不同稳定化材料以降低土壤Cd的迁移性和生物有效性，进而达到减轻其生物毒性的目的[5-6]。常用的稳定化材料主要为石灰等含钙材料、钙镁磷肥等含磷材料以及生物炭等高pH类材料。崔红标等[7]研究发现，向Cd污染土壤中添加2%的粉煤灰能够使土壤pH提高0.44个单位，使离子交换态Cd降低35.9%。韩宝红等[8]对生物炭与纳米改性生物炭研究发现，在不同温度条件下，纳米改性生物炭在0 ℃和30 ℃时残渣态Cd含量分别达到77.26%和71.67%，显著降低了Cd的移动性。为探究不同稳定化材料对土壤Cd的修复效果及Cd在植物体内吸收积累的影响，本研究在舟山市某Cd超标农田开展4种不同稳定化材料对水稻田土壤修复及植株Cd吸收影响的田间试验，探寻修复镉污染土壤的最适宜稳定化材料，为受污染土壤安全利用提供有力依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地点位于浙江省舟山市，属亚热带季风气候，四季分明、雨量充沛，该地块土壤pH 6.4，Cd含量为0.41 mg·kg-1，高于国家土壤质量标准，属于镉轻度污染土壤。供试水稻品种为秀水14，属常规单季粳稻。供试稳定化材料为土壤调理剂、石灰、甲壳素和生物炭。

1.2 处理设计

试验采用大田试验，共设置5个处理：1)空白对照(不添加材料)；2)生物炭(每667 m2添加1 000 kg)；3)石灰(每667 m2添加70 kg)；4)甲壳素(每667 m2添加20 kg)；5)土壤调理剂(每667 m2添加125 kg)。稳定化材料于水稻种植前添加，并进行翻耕，每个处理设置3个重复，随机排列，共设计15个小区(每个小区面积不低于100 m2)，小区之间采用田埂并覆盖薄膜进行隔离与防渗处理。试验于2020年5月初布置，2020年11月收获采样，水稻采用人工育秧移栽，整个试验区除稳定化材料投加种类不同外，其他农艺管理(水分管理、虫害管理、肥料管理)保持一致。

1.3 样品采集与分析

水稻成熟后，每小区采集0～20 cm土层样品，过10目尼龙筛后储存备用。土壤的pH采用pH计测定，土液比为1∶2.5。土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾-浓硫酸消解法，土壤有效态Cd含量的测定采用原子吸收分光光度法。

水稻成熟后，每小区采集整株水稻样品，用去离子水冲洗，晾干，放于烘箱在105 ℃下杀青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，采用小型粉碎机研磨过100目(孔径0.149 mm)尼龙筛后备用。水稻不同部位重金属Cd通过浓硫酸-双氧水消解法进行提取，用原子吸收分光光度法测定。

1.4 数据处理

数据整理采用Excel 2016，数据统计分析采用SPSS 17.0，图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 稳定化材料对土壤pH和有机质含量的影响

如图1所示，甲壳素、生物炭、石灰、土壤调理剂4种稳定化材料投加均能增加土壤pH，相较于对照处理增幅为0.52～1.78个单位。其中生物炭、石灰、土壤调理剂处理显著高于对照，分别增加1.78、1.56与1.62个单位，生物炭和土壤调节剂处理增加pH效果较佳。稳定化材料能提高土壤有机质的含量，以每667 m2投入70 kg的石灰处理表现最佳，相比于对照提高了32.57 g·kg-1。曾秀君等[9]在研究石灰组配有机改良剂对农田铅镉污染土壤微生物活性的影响时也发现，添加石灰能显著提升土壤pH与有机质的含量。代允超等[10]指出石灰主要成分为CaO，具有强碱性，溶于水后形成碱性的氢氧化钙，进而中和酸性土壤中的H+，缓解土壤的酸化，提升土壤的pH。

各处理无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。图2～3同。

2.2 稳定化材料对土壤有效态Cd含量的影响

土壤重金属对农产品安全的影响程度主要由其生物有效性决定，而土壤Cd的生物有效性主要由其在土壤中的有效态含量所决定[11-14]。如图2所示，与对照组相比，生物炭与石灰处理能显著降低土壤有效态Cd含量，分别降低0.06与0.09 mg·kg-1。本试验结果表明，石灰处理的土壤pH最高，而土壤有效态Cd含量则表现出最低水平，这极有可能是因为土壤pH变化与土壤有效态Cd含量的变化成负相关。石灰施入农田后转变成碱性的Cd(OH)2，对土壤的pH有着直接的提升作用，同时土壤溶液中OH-的增加有助于与土壤中Cd2+形成Ca(OH)2沉淀[15-16]。此外，Ca(OH)2随着时间推移也会转变成碳酸根离子与土壤中Cd形成碳酸盐沉淀，促使土壤中游离态的Cd向氧化物结合态或向更稳定的残渣态转化，降低土壤Cd的迁移与毒性。进而有助于减少水稻对土壤镉的吸收转运，保障了食品健康安全。

图2 稳定化材料对土壤有效态Cd含量的影响

2.3 稳定化材料对水稻Cd吸收积累的影响

图3 稳定化材料对水稻吸收积累土壤Cd的影响

2.4 稳定化材料对Cd在水稻体内转运的影响

转运系数(TF)指植物地上部Cd含量与地下部Cd含量的比值，转运系数越大，则表明根系对Cd的转运能力越强[20-22]。TF根-茎表示水稻根到茎中Cd的转运系数。研究显示，所有处理的转运系数均小于1，说明水稻根部积累了大量的Cd，只有其中一小部分Cd转运到了茎中，根成为阻隔水稻转运Cd的最大屏障，这可能是因为水稻根系表面形成的铁膜抑制了根系Cd向茎转运。由表1可知，转运系数依次为对照>土壤调理剂>生物炭>甲壳素>石灰，说明石灰处理对阻碍Cd从根系向茎转运的效果最佳。此外，石灰处理的TF叶-籽粒比其他稳定化处理都低，比对照降低了0.868，说明石灰处理下Cd从叶转移到籽粒的量最少。综上所述，施用石灰是降低Cd由水稻根系转运至地上部的重要措施。

表1 水稻中Cd的转运系数

3 小结

试验结果表明，甲壳素、生物炭、石灰、土壤调理剂4种稳定化材料投加均能增加土壤pH与有机质含量，其中生物炭处理的增效最佳。生物炭和石灰处理均能降低土壤有效态Cd含量，分别降低了0.06与0.09 mg·kg-1，石灰处理的降低效果最佳。从收获后的水稻植株化验分析结果可以看出，添加石灰处理能显著地降低水稻根、茎、叶、籽粒的Cd含量，依次降低3.20、1.23、0.34与0.23 mg·kg-1。同时，石灰处理水稻体内各部位的转运系数均表现出最低，能有效降低土壤中的Cd由水稻根系转运至地上部。