营养型阻控剂影响菜园土中水稻生长及其Cd吸收

摘要：为了探索以钙硅钾等营养元素为主要成分的土壤调理剂（营养型阻控剂）对镉（Cd）超标菜园土旱改水时水稻（Oryza Sativa L.）生长及其Cd吸收的影响，于2014年下半年在Cd超标菜园土中施用营养型阻控剂，对不同用量（分别为0、1.5、3.0、4.5、6.0 g·kg-1，分别记作CK、T1、T2、T3、T4）营养型阻控剂的水稻盆栽试验开展研究。结果表明：营养型阻控剂对菜园土中水稻生长没有较好的促进作用，没有提高稻谷产量。供试水稻品种黄超占各部位Cd质量分数大小顺序为根gt;茎叶gt;稻米gt;稻壳，且各部位间达到显著差异水平；所有处理稻米Cd质量分数均低于现行的食品安全国家标准中Cd限量指标；与CK相比，营养型阻控剂显著降低糙米、水稻茎叶、水稻根的Cd质量分数，且呈现随营养型阻控剂用量增加而降低效应更佳的剂量效应；与CK相比，处理T4对稻米、水稻茎叶、水稻根三者Cd质量分数的降低效应最佳，降幅分别为32.8％、39.7％、24.4％；营养型阻控剂显著降低水稻根、茎叶和稻谷中Cd的累积量。施用营养型阻控剂显著提高了土壤pH值，提高的最大值为0.3个单位，但对土壤DTPA-Cd质量分数有提高作用（处理T1的DTPA-Cd质量分数显著大于CK、T3）、对土壤有效态硅质量分数有降低效应（处理T2、T3的有效态硅质量分数显著小于CK）。营养型阻控剂可适用于Cd超标菜园土，通过降低根Cd生物富集系数来显著降低水稻根、茎叶和稻米Cd质量分数，本盆栽试验中营养型阻控剂降低稻米Cd质量分数的最佳用量为6.0 g·kg-1。

关键词：调理剂；Cd；水稻；土壤；重金属钝化

中图分类号：X173 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）02-0331-08 doi：10.11654/jaes.2023-0295

水稻（Oryza Saliva L.）是镉（Cd）吸收最强的大宗谷类作物。稻米是我国多数国民的主粮，21世纪初的调查表明，我国稻米Cd暴露风险非常高，尤其是南方酸性土壤区。

2014年全国土壤污染状况调查公报显示，耕地重金属点位超标率Cd排在第一位。相关文献研究表明，在Cd污染稻田土壤上，目前应用最广泛的是成本低、见效快、操作方便、农户易接受、不影响农事的原位钝化技术（土壤改良类技术），即通过施用钝化剂、土壤调理剂等，改变土壤pH值、降低土壤Cd活性，从而降低稻米Cd质量分数。但由于Cd污染土壤治理的复杂性，国内外仍缺乏成熟且能大面积推广应用的修复技术，Cd污染稻田的安全利用（或修复）仍有很长的探索之路。随着我国治理修复技术规范和相关标准的出台（NY/T 3343-2018等），重金属质量分数超过标准限值的土壤调理剂不能再应用到稻田，需要研发符合标准的土壤调理剂。

熟石灰可显著降低酸性土壤稻米Cd质量分数，硫酸钾能降低水稻Cd吸收，无机硅能降低水稻Cd质量分数，镁能抑制Cd从秸秆向籽粒迁移。综合以上物质能降低稻米Cd质量分数的优势，王艳红等以硅酸钙、熟石灰、硫酸钾和硫酸镁等水稻需要的钙、硅、钾、硫、镁等营养元素组配成新型土壤调理剂，该土壤调理剂符合相关标准（GB 15618-2018），已有试验结果表明该新型土壤调理剂具有较好的降低稻米Cd质量分数的效果。

我国对重金属污染土壤非常重视，2016年《土壤污染防治行动计划》颁布以来，主管部门相继出台了许多工作方案和技术规范，其中《轻中度污染耕地安全利用与治理修复推荐技术名录（2019年版）》就将“土壤改良类技术”作为Ⅱ类耕地安全利用的技术之一，Ⅱ类耕地改种蔬菜也是其安全利用的技术之一。菜园土与水稻土均属人为土纲，菜园土没有受到长期淹水影响，没有犁底层且施肥量大，土壤中残留的磷、钾等大量营养元素质量分数较高，超过水稻土。一般而言，长期淹水水稻稻米Cd的质量分数低于淹水时间短的水稻。为防止受污染耕地非粮化及保障口粮生产，Ⅱ类耕地中菜园土有可能用于种植水稻以保障粮食安全，但目前没有受污染菜园土中稻米重金属质量分数的报道，更没有受污染菜园土施用土壤调理剂后稻米重金属质量分数的报道。

本文在菜园土中施用不同剂量营养型阻控剂，开展水稻盆栽试验，探索营养型阻控剂影响菜园土中水稻Cd吸收的效应、营养型阻控剂适用的Cd超标土壤类型，进而为营养型阻控剂在Cd超标菜园土旱改水或菜稻轮作中的推广应用提供参考。

1材料与方法

1.1供试土壤

盆栽试验供试菜园土采自广州市白云区多年菜地，系由河流沉积物发育而来的普通肥熟旱耕人为土（Typic Fimi-orthic Anthrosols）。采集0-20 cm土壤，风干，过1 cm筛，备用。根据《土壤农业化学分析方法》，土壤的部分性状测定结果如下：pH 6.10，有机质29.0 g·kg-1，全氮1.80 g·kg-1、碱解氮209 mg·kg-1、有效磷61.4 mg·kg-1、速效钾168 mg·kg-1，Cd全量1.30 mg·kg-1，有效态Cd 0.624 mg·kg-1。可见该土壤肥力较高，但土壤Cd全量在农用地土壤污染风险筛选值（0.4 mg·kg-1）与管制值（2 mg·kg-1）之间（GB15618-2018），农产品可能存在一定的超标风险。

1.2供试营养型阻控剂

供试营养型阻控剂属专利产品，由硅酸钙、熟石灰、硫酸钾、硫酸镁等按一定比例均匀混合配制而成，其pH值为12.5，Cd质量分数为0.05 mg·kg-1。

1.3供试水稻

水稻品种名为黄超占，系广东省农业科学院水稻研究所经系谱法选择育成的常规籼稻品种，是广东省的主栽品种之一。

1.4试验设计及实施

每千克土壤施用营养型阻控剂的用量分别为1.5、3.0、4.5、6.0 g（对应的处理号分别为T1、T2、T3、T4），另设置不施营养型阻控剂的菜园土为对照（CK），每个处理4次重复，共20盆。将8 kg土壤和对应量的营养型阻控剂（0、12、24、36、48 g）及3.43 g过磷酸钙肥料，混合均匀装入塑料盆（底径、口径、高分别为21、30、21 cm），加1000 mL自来水平衡2d。选择大小一致的黄超占水稻种子，用10％过氧化氢消毒30 min。2014年7月29日进行直接播种，每盆播种3穴，每穴10颗水稻种子。2014年8月1日种子出芽，2014年8月15日每穴定苗至3株。尿素（3.43 g·盆-1）和硫酸钾（2.37 g·盆-1）以追肥形式按50％、30％、20％分成3次溶于水浇灌（时间分别为2014年8月23日、8月31日、10月3日）。参考大田水稻种植方式进行水分管理：淹水-分蘖后晒田-淹水-灌浆后期自然落干。根据水稻病虫害情况适时进行防治。2014年1 1月1日收获盆栽水稻，采集水稻植株样品、稻谷样品和土壤样品。

1.5样品前处理及测定

盆栽水稻植株样品用不锈钢剪刀从土面分为地上部和根，将地上部脱粒分为茎叶和稻谷。用自来水冲洗根和茎叶，冲洗干净后用去离子水泡洗2次，沥干水后装于纸袋；稻谷样品直接装于纸袋。水稻根、茎叶、稻谷样品于烘箱中105℃杀青30 min，75℃恒温烘干至恒质量；称量记录水稻根、茎叶、稻谷样品的质量。利用不锈钢砻谷机脱壳稻谷样品，分为稻壳和糙米，分别记录稻壳和糙米的质量。用不锈钢粉碎机粉碎水稻根、茎叶、稻壳、糙米样品，样品过40目尼龙筛后装入纸袋存放于干燥器中待测Cd质量分数。用不锈钢土钻在塑料盆中均匀钻取土壤样品，土样风干、过20目尼龙筛，待测土壤pH值、有效态Cd、有效态硅。

称取0.5 g已制备的水稻根、茎叶、稻壳和糙米样品于聚四氟乙烯杯，加10 mL混酸（9 mL硝酸+1 mL高氯酸，均为优质纯）湿法消解，用石墨炉原子吸收分光光度计（PerkinElmer AAnalyst 600，下同）测定植株样品消解液中Cd浓度。称取10.00 g土壤，电位法测定土壤pH（土水质量比为1：2.5）；称取10.00 g土壤，加入50 mL DTPA溶液浸提1 h，用石墨炉原子吸收分光光度计测定滤液中的Cd浓度，计算得出有效态Cd质量分数。取5.00 g土壤，用柠檬酸提取-钼蓝比色法浸提、820 nm波长下比色测定土壤有效硅。

1.6数据处理与统计

数据经Excel 16.0处理，SPSS 10.0进行LSD法多重比较、T检验、相关性等统计分析。

全株生物量（g·盆-1）=根生物量（g·盆-1）+茎叶生物量（g·盆-1）+稻谷产量（g·盆-1）

水稻某部位Cd累积量=某部位Cd质量分数×该部位生物量，其中稻谷Cd累积量=稻壳Cd质量分数×稻壳质量+糙米Cd质量分数×糙米质量

根Cd生物富集系数（BCF根／土）=水稻根系Cd质量分数／土壤Cd全量

Cd转运系数=水稻茎叶Cd质量分数／根系Cd质量分数（TF茎叶／根），或稻米Cd质量分数／茎叶Cd质量分数（TF稻米／茎叶），或稻壳Cd质量分数／茎叶Cd质量分数（TF稻壳／茎叶）

2结果与分析

2.1水稻生物量及稻谷产量

由表1可知，与CK相比，施用营养型阻控剂后水稻根、茎叶的生物量先降低后增加，T4处理的根、茎叶生物量显著高于CK，相关性分析显示，水稻根或茎叶的生物量均与营养型阻控剂的施用量显著正相关，相关系数分别为0.461（Plt;0.05，n=20）、0.646（Plt;0.01，n=20）。然而，稻谷产量先降低后增加，再降低，甚至CK处理稻谷产量显著高于T1与T4。稻谷产量与营养型阻控剂的施用量呈负相关，相关系数为-0.316（Pgt;0.05，n=20）；与CK相比，T1稻谷产量降幅为13.15％。水稻全株生物量也呈现先降低后增加的趋势，营养型阻控剂用量与水稻全株生物量的相关系数为0.420（Pgt;0.05，n=20），无显著相关性；T1、T2全株生物量比CK低（其中Tl达显著水平），而T3、T4比对照高。

2.2水稻不同部位Cd质量分数

由表2可见，供试水稻不同部位Cd质量分数大小顺序为根gt;茎叶gt;糙米gt;稻壳，T检验结果表明，水稻根、茎叶、糙米、稻壳的Cd质量分数之间均达到显著差异水平。与CK相比，营养型阻控剂可降低水稻根、茎叶及糙米Cd质量分数，且部分处理达到显著水平（Plt;0.05，n=20），根、茎叶或糙米Cd质量分数与营养型阻控剂施用量显著负相关，相关系数分别为-0.721、-0.885、-0.662（Plt;0.01，n=20）；所有处理的糙米Cd质量分数均低于《食品中污染物的限量》（GB 2762-2022）中Cd的限量指标，其中处理T4的糙米Cd质量分数比CK降低32.8％。营养型阻控剂对该水稻品种的稻壳Cd质量分数没有显著影响（Pgt;0.05，n=20）。相关性分析表明，根Cd质量分数与水稻茎叶Cd质量分数极显著正相关，相关系数为0.842（Plt;0.01，n=20），水稻茎叶Cd质量分数与糙米Cd质量分数极显著正相关，相关系数为0.799（Plt;0.01，n=20），糙米与稻壳Cd质量分数极显著正相关，相关系数为0.693（Plt;0.01，n=20）。据此初步推断，营养型阻控剂通过增加土壤Cd的拮抗因子，调整土壤营养元素组成，从而降低水稻根部Cd质量分数；但本研究数据有限，还不能揭示营养型阻控剂降低水稻根部Cd质量分数的深层机制，需要后续进一步研究。

2.3土壤pH值、DTPA-Cd质量分数与有效态硅质量分数

与初始土壤pH 6.10相比，种植水稻后所有处理土壤pH值都升高至7.00左右（表3）；土壤pH值随营养型阻控剂用量的增加而提高，土壤pH值与营养型阻控剂用量极显著正相关，相关系数为0.827（P0.05，n=20）。营养型阻控剂降低土壤有效态硅质量分数，其中处理T2、T3显著低于CK，营养型阻控剂用量与菜园土土壤有效态硅质量分数两者之间无显著相关关系，相关系数为-0.434（Pgt;0.05，n=20）（表3），由此推测，随营养型阻控剂施入菜园土的硅酸钙被土壤固持后，水溶性硅酸盐对土壤有效态硅没有贡献。土壤pH值与土壤DTPA-Cd质量分数没有显著相关性，土壤DTPA-Cd质量分数与有效态硅质量分数也无显著相关性，但土壤pH值与土壤有效态硅质量分数之间显著负相关，相关系数为-0.505（Plt;0.05，n=20）。因此推断，营养型阻控剂不是通过提高土壤pH值，降低土壤DTPA-Cd质量分数，提高土壤有效态硅质量分数，进而降低水稻根、茎叶、糙米等部位Cd质量分数的。

2.4水稻植株不同部位的Cd累积量

与CK相比，施用营养型阻控剂降低了试验水稻根、茎叶、稻谷的Cd累积量（表4）。从表4可看出，水稻吸收的Cd大部分累积在水稻茎叶中，水稻Cd累积量表现为茎叶gt;根gt;稻谷，且T检验表明，水稻茎叶、根、稻谷三者的Cd累积量之间均有显著差异。经综合所有处理后得出，根平均Cd累积量：茎叶平均Cd累积量：稻谷平均Cd累积量≈2：5：1。

2.5水稻Cd的生物富集系数与转运系数

水稻根Cd生物富集系数（BCF根／土）的大小表示水稻对土壤重金属Cd富集能力的强弱；水稻Cd的转运系数大小表示水稻从根向茎叶（TF茎叶／根）、或从茎叶向稻米（TF稻米／茎叶）、或从茎叶向稻壳（TF稻壳／茎叶）转运重金属Cd的能力强弱。由表5可见，所有处理的BCF根／土均大于1，表明试验水稻的Cd富集能力比较强，施用营养型阻控剂能显著降低水稻BCF根／土，且BCF根／土与营养型阻控剂用量显著负相关，相关系数为-0.721（Plt;0.01，n=20）。水稻Cd的TF茎叶／根、TF稻米／茎叶、TF稻壳／茎叶均远小于1，表明试验水稻植株对Cd的转运能力较弱，不是重金属Cd的富集植物。营养型阻控剂降低试验水稻的BCF根／土（显著）和TF茎叶／根（不显著），显著提高试验水稻的TF稻米／茎叶、TF稻壳／茎叶。由此推测可知，营养型阻控剂降低试验水稻Cd的吸收主要是依靠降低BCF根／土来实现的。

3讨论

水稻植株中根Cd质量分数远大于地上部Cd质量分数，但地上不同部分的Cd质量分数会有差异。野外调查水稻样品植株Cd质量分数大小顺序为根gt;茎gt;叶gt;糙米，田间小区试验水稻不同部位Cd质量分数大小顺序为根gt;茎叶gt;稻壳gt;糙米，盆栽试验水稻不同部位Cd质量分数大小顺序为根gt;茎叶gt;糙米gt;稻壳，本试验水稻不同部位Cd质量分数大小顺序与李超等的结果一致。

水稻Cd吸收是一个复杂过程，其受外部环境和内在遗传基因的共同调控，施用营养型阻控剂使水稻Cd吸收量下降属于外部环境调控。王艳红等在Cd质量分数为0.448

mg·kg-1的大田开展小区试验，营养型阻控剂用量为2 250 kg·hm-2时，糙米Cd质量分数降幅为60.5％，与本试验糙米Cd质量分数降低的结果呈现一致性，但该小区试验稻谷产量有提高趋势、稻壳Cd质量分数降幅为41％，与本试验稻谷产量和稻壳Cd质量分数的变化规律不一致，以上区别的主要原因可能是供试水稻品种不一致。王艳红等的研究还表明，营养型阻控剂使小区试验土壤pH值提高0.2个单位，没有显著降低土壤DTPA-Cd质量分数，也没有显著提高土壤有效态硅质量分数，与本试验土壤理化性质的变化趋势一致；另外营养型阻控剂能降低水稻土中稻米Cd质量分数，也能降低本试验菜园土中稻米Cd质量分数。初步推测，营养型阻控剂降低水稻Cd吸收可以适用于多种类型的土壤，是一种相对比较广谱的土壤调理剂，但还需要后续试验进行验证。

土壤中能够被植物根系吸收利用的Cd形态为Cd有效态，有效态Cd一般用模拟土壤环境的化学试剂来浸提并测定。土壤有效态Cd又细分为水溶态和可交换态；土壤有效态Cd质量分数越大，Cd越容易被植物吸收利用。土壤有效态Cd的测定目前主要利用HC1、EDTA、DTPA、CaCl2和H2O 5种浸提剂，它们对土壤Cd的提取能力依次减弱，其中DTPA对土壤Cd的提取能力居于中等强度。因此，土壤有效态Cd的质量分数与土壤DTPA-Cd的质量分数不一定每个试验均具有较好的线性对应关系，即DTPA-Cd质量分数大的土壤，其有效态Cd质量分数不一定大，或者说，DTPA-Cd质量分数没有变化，不一定表明土壤有效态Cd质量分数也不变。土壤调理剂能降低土壤DTPA-Cd和有效态Cd质量分数，且降低水稻稻米Cd质量分数；施用的物料产品没有显著影响土壤DTPA-Cd质量分数，但提高了土壤有效态Cd质量分数和稻米Cd质量分数。王艳红等及本试验的结果中，营养型阻控剂对土壤DTPA-Cd质量分数没有显著影响，但降低了土壤有效态Cd和稻米Cd质量分数，推测本试验供试土壤的DTPA-Cd质量分数很可能高于土壤中有效态Cd质量分数，从而掩盖了营养型阻控剂降低土壤有效性Cd的特性。

营养型阻控剂是由熟石灰、硅酸钙、硫酸钾等混合而成。一方面石灰提高土壤pH值，促进土壤中Cd形成氧化物沉淀，降低Cd可交换态含量；另一方面石灰使土壤微生物群落结构发生改变，微生物产生的高分子聚合物与Cd形成络合物而使Cd固定。硫酸钾提供硫酸根，硫酸根还原为硫离子与Cd形成沉淀，而使Cd固定。硅酸钙中的硅，既是水稻的有益元素，也能改变土壤Cd的形态，降低Cd的生物有效性。营养型阻控剂中钙、钾、镁有效性高，对土壤Cd有一定的拮抗作用。因此，营养型阻控剂可依靠多种组分与土壤Cd发生相互作用，降低根Cd的生物富集系数，进而降低稻米Cd质量分数，但在该过程中哪一种组分起主导作用，还需要进一步试验研究。

营养型阻控剂中钙、硅、钾、硫、镁是水稻必需的大、中量营养元素，五者质量百分数分别约为40％、10％、3％、2％、1％，且五者较土壤中相应元素的活性更高而更容易被水稻吸收。随着土壤中施入营养型阻控剂，土壤中钙、钾、镁等碱金属和碱土金属能抑制水稻对Cd2+的吸收，这是因为钾、钙、镁等可与Cd竞争根系转运蛋白上的结合位点。在Cd从根向地上部转运过程中，钙通过在转录水平上抑制Cd的转运子（OsNRAMP5和OsHMA2）产生来降低Cd的转运量，而且钙还会与Cd竞争转运子（OsLCTl）；硅与Cd形成复合物结合在细胞壁上或在液泡内区隔化阻止Cd在水稻植株内的转运，而且硅可以通过抑制水稻Cd转运基因的表达来降低Cd在水稻植株内的转运；镁也具有显著抑制Cd从根部向地上部转运的作用。所以，营养型阻控剂具有较好的降低菜园土中水稻Cd吸收的效果。

4结论

（1）营养型阻控剂没有提高供试水稻稻谷产量。

（2）供试水稻各部位Cd质量分数具有显著差异，所有处理均表现为根gt;茎叶gt;稻米gt;稻壳；营养型阻控剂显著降低水稻根、茎叶和稻米Cd质量分数及三者的Cd累积量，且水稻Cd质量分数与营养型阻控剂用量存在显著的剂量效应。营养型阻控剂提高了菜园土pH值，同时也提高了土壤DTPA-Cd质量分数，降低了土壤有效态硅质量分数。

（3）从降低稻米Cd效率来看，盆栽试验中营养型阻控剂的最佳用量为6.0 g·kg-1。