营养型阻控剂在Cd 高风险双季稻田上的应用效果评价

王艳红，陈 勇，尹贻龙，艾绍英，徐梓盛，李林峰，李义纯，李 奇，唐明灯

（广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室/广东省农业面源污染监测评估与防控工程技术研究中心，广东 广州 510640）

【研究意义】水稻是我国最主要的粮食作物，对镉（Cd）具有较强的耐受性，易于吸收Cd［1］。2007—2014 年蔡文华等［2］检测了广东省21 个地级市辖区内的3 167 份大米样品，大米Cd 质量分数范围为7.08 mg/kg 以下，平均值为0.1140 mg/kg，对各年龄段人群均存在一定的风险。2017—2020 年杨建涛等［3］对肇庆市292 份市售大米样品进行检测，大米Cd 质量分数范围为0.40 mg/kg 以下，平均值为0.0885 mg/kg，超标率为1.03%，对4～7 岁人群有潜在健康风险。2018 年熊凡等［4］对流溪河流域63 个农产品样品重金属含量进行检测，谷物类重金属Cd、砷（As）和铬（Cr）的污染风险较高。研究表明，稻米Cd 含量受水稻品种［5］、土壤环境因子［6-7］、大气等多种因素影响。Hou 等［8］对珠三角110 组水稻和土壤样品的调查研究发现：土壤pH 值、有机质、阳离子交换量、黏粒、钙（Ca）、Cd、铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）含量是控制水稻籽粒中Cd 积累的最重要土壤性状和组分；水稻籽粒矿物质营养元素与Cd 存在着拮抗作用，能够降低Cd 向籽粒的迁移率或竞争Cd 的迁移位点。除水稻品种因素外，籽粒中Cd 主要来自于土壤，而大气对水稻籽粒中Cd 的平均贡献率仅为15.4%［7］。当土壤pH ＜7时，随着pH 值的增加，土壤Cd 活性呈直线性降低［9］。我国南方土壤普遍偏酸性，Cd 活性高，稻米Cd 超标问题尤为突出。因此，在尚缺乏快速、有效地清除农田土壤Cd 技术手段的前提下，从改善土壤理化性质的角度，研发并推广应用降低稻米Cd 含量的技术措施，对保障Cd 污染区域的稻米安全生产、降低人体Cd 暴露风险具有重要意义。

【前人研究进展】目前，农艺调控、替代种植等技术被公认为是实现农产品安全生产和受污染农田持续安全利用的有效措施，国内开展了大量的试验性研究与应用，取得较好进展。应用较为普遍的农艺措施主要有施肥调控、原位钝化、水分管理、低累积作物品种种植等［10-13］。矿质营养元素可通过沉淀、吸附作用或与Cd竞争细胞质膜上的转运体，从而降低植物对Cd 的吸收。在施肥过程中，合理调控矿质元素和Cd 之间的互作关系，如适当施用Fe、Ca、硅（Si）、硒（Se），在pH 值偏低的土壤中施用硝态氮（N）肥，在pH 值偏高的土壤中施用铵态氮肥等，均能有效阻控植物对Cd 的吸收［14］。在化肥全施或减肥30%条件下，增施Si 肥使水稻糙米和茎叶Cd 含量均显著下降，土壤有效态Cd 含量的下降和Si 在水稻各部位的聚集可能是阻碍Cd 向水稻籽粒运输的主要原因［15］。石灰类、含磷（P）材料、生物炭、金属氧化物、黏土矿物及其他有机物等钝化材料使农田土壤中有效态Cd 的平均质量分数分别降低了61.22%、53.45%、37.60%、36.88%、34.41%和23.32%［16］。据文献统计，在对轻、中度Cd 污染农田的安全利用中，无论是实施养分调控还是原位钝化技术，在一定范围内均显示出较好的效果，且多种单一技术措施的联合实施，优势更加明显［17-21］。然而，基于同步提高土壤肥力和阻控水稻籽粒吸收Cd 的相关产品应用效果研究鲜见报道。

【本研究切入点】基于前人研究成果及存在问题，从同步实现重金属活性降低和养分均衡供应角度，王艳红等［22］研发了一种可降低水稻稻米Cd 含量的营养型阻控剂，该阻控剂对降低稻米Cd 含量具有良好效果。【拟解决的关键问题】为实现营养型阻控剂配方从研究到大面积推广应用的突破，在珠三角3 个地市开展田间应用示范，从产量、稻米Cd 含量及土壤养分等指标评价该营养型阻控剂在田间的应用效果，为在更大范围内的推广应用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

3 个示范区（I、Ⅱ、Ⅲ）分别位于珠三角地区的广州、东莞和惠州3 个地市，属于亚热带季风气候，终年温暖湿润，年均降水量1 500 mm 以上。前期监测发现上述示范区水稻糙米Cd 含量超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2017）规定的限量值（0.2 mg/kg），经多次对灌溉水进行采样监测，其pH 值、铅（Pb）、Cd、Cr、汞（Hg）和As 含量均符合农田灌溉水质标准（GB 5084—2005）。3 个示范区土壤理化性质存在较大差异，示范区I 土壤呈微酸性，土壤Cd 含量是风险筛选值的1.26 倍，土壤有效P 含量丰富，水解性N 和速效K 含量均处于缺乏水平；示范区Ⅱ土壤呈强酸性，土壤Cd 含量低于风险筛选值；示范区Ⅲ土壤呈中性，土壤Cd 含量是风险筛选值的1.08 倍。示范区Ⅱ和Ⅲ土壤有效P 含量属丰富水平，水解性N 和速效K 含量均属中等水平（表1）。

表1 示范区土壤的理化性质Table 1 Physicochemical properties of soil in the demonstration areas

1.2 试验材料

营养型阻控剂由广东省农业科学院农业资源与环境研究所研发，主要成分为硅酸钙（CaSiO3）、氢氧化钙（Ca(OH)2）、硫酸钾（K2SO4）和硫酸镁（MgSO4）等［19］。该产品主要性质如下：pH 12.1，总As 含量 8.700 mg/kg，总Pb 含量＜0.100 mg/kg，总Cd 含量0.108 mg/kg，总Hg 含量＜0.003 mg/kg，总Cr 含量为13.100 mg/kg，重金属含量均低于《耕地污染治理效果评价准则》（NY/T 3343—2018）规定的限值。示范区种植水稻品种均为常规籼稻。

1.3 试验方法

2020 年在3 个示范区各选择约3.33 hm2水稻连片种植区，进行营养型阻控剂的应用示范。营养型阻控剂分别于早、晚造翻地前基施，用量均为2 250 kg/hm2。在各示范区内分别设置3 个监测区，每个监测区设置营养型阻控剂撒施区（TR）和未撒施营养型阻控剂的对照区（CK），面积均为333 m2。

按设计方案于示范区内均匀撒施营养型阻控剂，耙地时将营养型阻控剂与耕层土壤充分混匀，淹水，平衡2～3 d 后插秧。水稻生长期间，按照当地水稻常规方法进行追肥、灌排水和防虫，确保田间管理措施一致。

1.4 样品采集

水稻样品：至水稻收获期，每个监测区的处理区和对照区水稻全部收获，单独测定产量。同时，从各处理区和监测区中均随机选取1 kg 稻谷带回实验室，风干、脱壳、研磨粉碎后用于测定Cd 含量。

土壤样品: 水稻插秧前采集监测区深层0～20 cm 土层混合样品，测定土壤基本理化性质。水稻收获后，分别用土钻在各处理区和对照区随机采集10 个分样点的土壤，将10 个分样点土壤混合为一个土壤样品，于室温风干后分别过0.85 mm和0.25 mm 筛，备用待测。

1.5 测定项目及方法

土壤样品：土壤pH、有机质、水解性N、有效P、速效K、交换性Ca/镁（Mg）、有效Si、总Cd、有效态Cd 含量。其中，土壤pH 采用电位法（HJ 962-2018）、有机质根据《土壤检测第6 部分：土壤有机质的测定》（NY/T1121.6—2009）、水解性N根据《森林土壤水解性氮的测定》（LY/T1229—1999）、有效P 根据《土壤检测第7部分：土壤有效磷的测定》（NY/T1121.7—2014）、速效K根据《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》（NY/T889—2004）、交换性Ca 和Mg根据《森林土壤交换性钙和镁的测定》（GB7865—1987）、有效Si 根据《森林土壤有效硅的测定》（LY/T1266—1999）、土壤总Cd 根据《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T17141—1997）、有效态Cd 根据《土壤质量有效态铅和镉的测定原子吸收法》（GB/T23739—2009）测定。

水稻样品：产量、糙米Cd 质量分数。根据《食品安全国家标准 食品中镉的测定》（GB5009.15—2014）测定Cd 含量。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 软件整理数据,利用SAS 8.1 软件进行数据统计分析，对同一个地点3 个监测区的处理区和对照区数据采用T检验在α=0.05的显著水平上进行分析。

对3 个示范区中营养型阻控剂的应用效果采用综合评价法进行分析。以水稻产量、糙米Cd质量分数、土壤pH 值、土壤有效态Cd 质量分数、交换性Ca/Mg 质量分数、有效Si 质量分数、水解性N 质量分数、有效P 质量分数、速效K 质量分数等为评价指标，其中，水稻糙米Cd 质量分数和土壤有效态Cd 质量分数为极小型指标（其取值越小越好），其余指标均为极大型指标。首先将数据一致化，极小型数据用倒数法，化为极大型数据，再将数据无量纲化，最后运用主成分法进行综合评价，综合加权平均值越高，总体效果越好。

2 结果与分析

2.1 营养型阻控剂对水稻产量和糙米Cd 质量分数的影响

经T 检验，与对照相比，营养型阻控剂对3个示范区水稻产量均无显著影响，表明营养型阻控剂不会影响水稻正常生长（图1A）。由图1B可见，营养型阻控剂显著降低早、晚造水稻糙米Cd 质量分数（示范区Ⅱ早造水稻除外），示范区I 的营养型阻控剂处理区早、晚造水稻糙米Cd 质量分数分别比对照区降低45.3%和59.5%；示范区Ⅱ晚造水稻糙米Cd 质量分数降低47.0%；示范区Ⅲ早、晚造水稻糙米Cd 质量分数分别降低72.5%和66.4%。示范区I 和Ⅲ对照早造糙米Cd质量分数均高于0.2 mg/kg，营养型阻控剂均使早稻糙米Cd 质量分数降至污染物限量0.2 mg/kg 以下，符合国家食品卫生标准。示范区Ⅱ水稻糙米Cd 质量分数均超过限量值，推测可能与水稻品种有关。

图1 营养型阻控剂对水稻产量（A）和糙米Cd 质量分数（B）的影响Fig.1 Effects of nutrient inhibitor on rice yield (A) and Cd mass fraction in brow n rice（B）

2.2 营养型阻控剂对土壤pH 及有效态Cd 质量分数的影响

营养型阻控剂对3 个示范区土壤pH 值均有不同程度的提升作用。营养型阻控剂显著提高示范区I 早造土壤和示范区Ⅲ早、晚造土壤的pH 值，分别比对照增加0.26、0.29和0.35个单位（P＜0.05）；而示范区I 晚造和示范区Ⅱ早、晚造土壤pH 值较对照区增幅未达显著差异水平（图2A）。

图2 营养型阻控剂对土壤pH（A）及有效态Cd 质量分数（B）的影响Fig.2 Effects of the nutrient inhibitor on soil pH(A) and DTPA-Cd mass fraction(B) in soils

营养型阻控剂对3 个示范区土壤DTPA-Cd质量分数的影响存在差异。营养型阻控剂降低了示范区I 早、晚造土壤DTPA-Cd 质量分数（早造时达显著差异水平，P＜0.05）；营养型阻控剂对示范区Ⅱ和Ⅲ土壤DTPA-Cd 质量分数影响均不显著（图2B）。

2.3 营养型阻控剂对土壤养分质量分数的影响

3 个示范区的2 造土壤交换性Ca、Mg 质量分数差异较大，以示范区I ＞示范区Ⅱ＞示范区Ⅲ。由图3A 可知，营养型阻控剂显著提高了3个示范区的交换性Ca 和交换性Mg 质量分数，增幅达7.8%～60.3%（示范区Ⅲ早造土壤交换性Ca 质量分数除外，营养型阻控剂施用区较对照区降低1.1%，但差异不显著，P＞0.05）。3 个示范区营养型阻控剂处理的土壤交换性Mg 质量分数比对照区增加9.9%～108.7%，且示范区I 和Ⅲ的早、晚造土壤，及示范区Ⅱ的晚造土壤与对照区之间的差异达显著水平（图3B）。营养型阻控剂对3 个示范区的早造土壤和示范区I 的晚造土壤有效Si 质量分数无显著影响，但显著增加了示范区Ⅱ和Ⅲ晚造土壤有效Si 质量分数，增幅分别为53.0%和29.5%（图3C）。

图3 营养型阻控剂对土壤养分质量分数的影响Fig.3 Effects of nutrient inhibitor on soil nutrient mass fraction

营养型阻控剂增加了示范区I 的2 造土壤水解性N 质量分数，示范区Ⅱ和Ⅲ的2 造土壤水解性N 质量分数较对照区则有所降低，但差异性均不显著（图3D）。营养型阻控剂对示范区I 和Ⅲ的2 造土壤有效P 质量分数均无显著影响，示范区Ⅱ的2 造土壤有效P 质量分数则显著增加，增幅分别为70.0%和78.3%（图3E）。与对照区相比，除示范区Ⅲ的早造土壤速效K 质量分数有所降低外，其余各示范区的土壤速效K 质量分数均有所增加，其中，示范区I 的晚造土壤和示范区Ⅱ的早造土壤速效K 质量分数显著增加，分别增加6.9%和11.7%（图3F）。

2.4 水稻糙米Cd 质量分数与产量及土壤养分质量分数的相关性分析

综合3 个示范区相应处理的数据，分别对营养型阻控剂施用区和对照区的早、晚造水稻糙米Cd 质量分数与水稻产量及土壤养分质量分数进行相关性分析。由表2 可知，无论是对照区还是营养型阻控剂施用区，早造糙米Cd 质量分数与水稻产量、土壤pH 值及有效态Cd 质量分数均呈极显著负相关（P＜0.01），与土壤交换性Ca/Mg、有效Si、水解性N、有效P 和速效K 质量分数均无显著相关性。晚造糙米Cd 质量分数与土壤pH 值和有效态Cd 质量分数也呈极显著负相关（P＜0.01），但与水稻产量无显著相关性，与土壤交换性Ca/Mg、有效Si、水解性N、有效P 和速效K 质量分数也均无显著相关性。

表2 水稻糙米Cd 质量分数与其产量及土壤养分质量分数的相关性分析Table 2 Correlation analysis of rice Cd mass fraction with rice yield and soil nutrient mass fraction

2.5 示范区修复效果综合评价

由表3 可知，总体上，对于同一示范区的2造水稻而言，营养型阻控剂施用区的综合加权平均值均高于对照区，表明施用营养型阻控剂均表现出正效应。就营养型阻控剂施用区的综合加权平均值与对照区的差值而言，差值越大，表明营养型阻控剂的综合效果越显著。通过计算各示范区2 造水稻不同处理的综合加权平均值差值可知，示范区Ⅱ＞示范区Ⅲ＞示范区I，表明营养型阻控剂在示范区Ⅱ的综合应用效果最好，其次是示范区Ⅲ，示范区I 的应用效果相对较弱。

表3 3 个示范区的综合加权平均值Table 3 Comprehensive weighted average values of three demonstration areas

3 讨论

本研究中的营养型阻控剂，对3 个示范区的水稻产量无显著影响，对水稻糙米Cd 质量分数也无明显稀释作用，但不同程度地提高了3 个示范区的土壤pH 值，降低了示范区I 的土壤DTPACd 质量分数，对示范区Ⅱ和Ⅲ的土壤DTPA-Cd质量分数则表现出不同的降低或增加效果，但均未达到显著差异水平。相关分析结果表明，水稻糙米Cd 质量分数与土壤pH 值呈显著或极显著负相关，即通过提升土壤pH 值降低土壤植物可利用态Cd 质量分数，可能是营养型阻控剂降低水稻糙米Cd 质量分数的主要机制之一。营养型阻控剂配方中含有较高的Ca（OH）2，施入土壤后与水结合生成大量OH-，可中和土壤中的活性酸和潜性酸，进而提高土壤pH 值［23］。然而，本研究的土壤DTPA-Cd 质量分数并没有随着土壤pH 的升高而显著降低，可能土壤中存在与Cd2+相似的金属离子（Ca2+、Zn2+和Cu2+）与土壤稳定态Cd呈现竞争吸附关系，即随着营养型阻控剂进入土壤时间的延长，营养型阻控剂与土壤组分之间的交互作用导致土壤中稳定态 Cd 再次转化为土壤有效态Cd，导致土壤稳定态Cd 再释放［24］。也有研究表明，土壤中DTPA-Cd 含量与＞20 mm 团聚体的占比呈极显著负相关，即Cd2+在土壤＜20 mm 团聚体中富集，主要吸附在土壤黏粒、有机质、矿物表面的可交换态镉，DTPA 浸提后，Cd2+被释放到溶液［25］。

与对照区相比，施用营养型阻控剂后，示范区I 和Ⅲ的早、晚造水稻糙米Cd 质量分数均降至标准限量值以下（＜0.2 mg/kg），而示范区Ⅱ的早、晚造水稻糙米Cd 质量分数虽有所降低，但仍不符合国家食品卫生标准。经分析，该示范区土壤呈强酸性，土壤有效态Cd 质量分数占总量的60%以上，而示范区I 和示范区Ⅲ土壤有效态Cd质量分数分别占土壤Cd 总量的52%和40%左右，可见，示范区Ⅱ的土壤活性Cd 质量分数比例最高，可能是影响营养型阻控剂效果的原因之一。此外，该示范区的早、晚造水稻品种与其他示范区均不相同，水稻品种也可能在很大程度上影响水稻对Cd 的吸收累积。已有研究表明，水稻品种、土壤重金属含量、营养元素、根际环境、栽培农艺措施乃至大气沉降等都会影响水稻对重金属的吸收，进而影响稻米中重金属含量［26-28］。然而，由于土壤环境的复杂性和作物品种的多样性，目前尚无法确定哪个因素起主导作用。后续可结合调整水稻品种或实施水分管理等措施，深入研究营养型阻控剂对水稻吸收累积Cd的效应。总体上，本研究中3 个示范区的水稻品种不同，土壤性质差异也较大，土壤pH 分别呈强酸性、酸性和中性，但营养型阻控剂均起到较好的降低水稻糙米Cd 质量分数的效果，因此供试营养型阻控剂具有较广泛的适应性，具备在Cd 超标农田上推广应用的潜力。

4 结论

（1）营养型阻控剂能够降低珠三角3 个地市示范区早、晚造水稻糙米Cd 质量分数，降低幅度为8.4%～72.5%，且没有显著影响早、晚造水稻稻谷产量。

（2）营养型阻控剂可影响土壤理化性质和中微量营养元素的有效性：营养型阻控剂提高3个地市示范区早、晚造水稻收获后土壤pH 值，提高范围为0.10～0.42 个单位；增加土壤交换性Ca、交换性Mg 和有效Si 的质量分数，3 者的最高增幅分别达到66.2%、109%和53.0%。

（3）营养型阻控剂没有显著影响3 个地市示范区土壤的水解性N 质量分数和1 个地市示范区土壤的有效P 及速效K 质量分数；提高了2 个地市示范区土壤的有效P 和速效K 质量分数，最大提升幅度分别为78.3%、24.6%。

因此，营养型阻控剂在珠三角Cd 高风险水稻种植区具有大面积推广应用的可行性和前景。