摘 要： 为实现镉污染稻田的安全生产,通过野外田间小区试验,探究9种土壤改良剂对稻米中Cd含量的影响。结果表明:与空白对照相比,添加9种土壤改良剂均能降低水稻各器官Cd含量及水稻根和米Cd吸收系数,但不同土壤改良剂对土壤pH影响却不同;其中添加石灰、硅肥、镁肥、赤泥和钙镁磷肥对水稻根和米中Cd吸收系数降幅较大,效果较好。该研究可为土壤改良剂的复合配施提供数据支撑。
关键词： 土壤改良剂; Cd污染稻田; 安全生产;
Abstract： In order to achieve safe production of cadmium-contaminated paddy fields, the effects of nine soil amendments on Cd content in rice were investigated through field plot experiments. The results showed that: Compared with the blank control, the addition of nine soil amendments could reduce the Cd content of all organs of rice and the Cd absorption coefficient of rice roots and rice, but different soil amendments had different effects on soil pH. The addition of lime, silicon fertilizer, magnesium fertilizer, red mud and calcium magnesium phosphate fertilizer has a large decrease in the Cd absorption coefficient of rice roots and rice, and the effect is better. This study could provide data support for the compounding of soil amendments.
Keyword： Soil amendments; Cadmium contaminated rice fields; Safe production;
水稻是重金属镉的易富集植物。农田镉污染会导致稻米中镉含量超标。镉是肾毒性物质,滞留在人体中会引发肾结石以及肾功能衰竭等病症,也会增加癌症风险。j?rup等[1]研究还发现,镉对吸烟者肾脏有更高的损害。稻米作为被人类直接食用的粮食,其安全与否直接关系到人类生命安全。因此,降低稻米中镉含量是我国急需解决的重大粮食安全问题。
农田施用土壤改良剂是对土壤环境中重金属进行钝化阻隔,其原理是改变土壤中重金属的形态和降低重金属的活性,从而减少水稻对重金属的吸收,以达到污染农田安全利用的目的。根据对重金属的不同作用机理,土壤改良剂可分为碱性物质、元素拮抗物质、沉淀物质、有机物、吸附物质和中微量元素肥料等。
目前,国内外已在水稻Cd污染治理方面作了大量研究。在稻田中施用石灰[2,3]、赤泥[4]和钙镁磷肥[5]可以在提高土壤pH值的同时,实现土壤重金属由有效态向某些潜在有效态或无效态的转变。锌和镉之间有相似的化学性质,有研究表明[6],Zn可以与土壤中Cd竞争植物根系上的活性位点,从而对植物吸收积累镉造成影响。陈惠君[7]研究发现,部分磷肥可以与土壤环境中的镉结合形成迁移性较低的磷酸镉盐。硅肥[8,9]、铁肥[10]、锰肥[11]和镁肥[12]都可以降低稻米中Cd含量,还是植物生长过程中需要的营养元素。然而,长期施用单一无机肥料,会造成一系列的农业环境问题。在新的历史阶段下,土壤改良剂的配合施用是发展绿色农业的重要举措之一[13]。通过对大田小区单独施用石灰、镁肥、硅肥、磷肥、锌肥、锰肥、铁肥、赤泥以及钙镁磷肥,研究9种土壤改良剂单施对稻米中Cd含量的影响,评价9种土壤改良剂对稻田安全生产的效果,为土壤改良剂的复合配施提供数据支撑。
1 、材料与方法
1.1、 试验区概况
试验区位于湖南省浏阳市焦溪乡某中轻度Cd污染稻田。试验区属于亚热带季风湿润气候,光照充足,降雨充沛,年平均气温16.7～18.2 ℃,年降水量1 457～2 247 mm。试验区土壤(0～20 cm)基本理化性质见表1,土壤环境中Cd含量超过土壤环境质量标准Ⅱ级标准,属于中度重金属Cd污染稻田。
1.2 、供试材料
供试水稻为陵两优268,籼型两系杂交水稻,全生育期约112.2 d。
供试石灰从当地石灰厂购买,赤泥从河南长兴实业有限公司购买,其余土壤改良剂均从市场购买。
1.3 、试验设计
采用野外大田小区试验,每个小区面积为3.0 m×6.4 m=19.2 m2。每个小区由水泥田埂隔开,以防串水,并采用单排单灌,防止添加物互相影响。使用石灰、赤泥、硅肥、钙镁磷肥、镁肥、铁肥、锌肥、锰肥以及磷肥9种土壤改良剂进行单施研究,每个处理在野外设置3个平行,每个平行设置空白对照1个,具体设计处理见表2。在抛秧前3 d将土壤改良剂施入试验小区中并使用耙混匀静置,其他按当地水稻种植习惯进行田间管理,如追肥、除草、除虫、灌溉等。
表1 土壤基本理化性质
表2 试验设计
1.4、 样品采集与分析
1.4.1、 土壤样品采集与预处理。
在施入土壤改良剂前,对整块田采用五点梅花采样法采取5个基础土壤样品(0～20 cm)。待水稻成熟后,每个小区采5个土壤样品(0～20 cm)混合后装入自封袋带回实验室,随后立即放置于阴凉、通风处自然风干,研磨、过筛(0.149 mm)后备用。
1.4.2、 植物样品采集与预处理。
待水稻成熟时,采取水稻植物样品。每个小区内随机采取3～5兜植物,用自来水洗净泥土,稻穗剪下装入网袋中晒干并编号。根、茎叶分开后,装入牛皮纸袋并编号后置于105 ℃烘箱内杀青2 h,然后再65 ℃烘至恒重。晒干的稻谷用砻谷机将米壳分离。根、茎叶、壳、米粉碎后过筛(0.149 mm)备用。
1.4.3、 测定方法。
土壤pH采用电位法(水土比按2.5∶1)测定。土壤样品和植物样品用混合酸[土壤样品,王水∶高氯酸(HClO4)=5∶1;植物样品,HNO3∶HClO4=4∶1][14]在快速消解仪(EHD36,美国Labtech)上消解、过滤、定容后,用于测定重金属含量。为了确保试验准确性,每批样品消解时设2个空白样和2个质控样品[国家标准参比物质GBW07605(GSS-5)]。消煮液中Cd含量在0.1 mg/kg以上的样品用ICP-OES(美国PerkinElmer,Optima8300)测定,Cd含量在0.1 mg/kg以下的样品用石墨炉原子吸收分光光度计(美国VARIAN,AA240FS+GTA120)测定。试验所用试剂均为优级纯,试验所用器皿在浓度为5 %硝酸的酸桶中浸泡后用去离子水洗净烘干后使用。
1.5 、数据处理
用Microsoft Excel 2013进行数据处理,用SPSS19.0相关统计分析。
2、 结果与分析
2.1、 土壤改良剂对土壤pH的影响
添加不同土壤改良剂对土壤pH产生了不同的影响。与CK相比,石灰、赤泥和钙镁磷肥显着提高了土壤pH,而其余处理没有显着差别(P<0.05)。与CK相比,石灰、硅肥、赤泥和钙镁磷肥提升了土壤pH,提升范围在0.05～0.60,镁肥、磷肥、锌肥、锰肥和铁肥降低了土壤pH,降低范围在0.01～0.12。所有处理中石灰对土壤pH的提升最高,磷肥的提升最低。
图1 土壤改良剂对土壤pH的影响
Fig.1 Effects of soil amendment on soil pH
2.2、 土壤改良剂对稻田土壤和水稻各器官中Cd含量的影响
成熟期稻田土壤和水稻各器官中Cd含量见表3。与CK相比,添加土壤改良剂可降低了水稻各器官中Cd含量,且不同处理降幅不同。从表中可知,无论是否施用土壤改良剂,成熟期水稻各器官中Cd含量呈现相似的规律:根>茎叶>壳>米,并且米、壳和茎叶中Cd含量远远低于根。
与CK相比,石灰、锌肥、锰肥、镁肥、赤泥和钙镁磷肥均能显着降低水稻根部Cd含量,降幅范围在26.89%～57.23%。而铁肥、磷肥和硅肥对水稻根部Cd含量降低效果不明显。其中,石灰对水稻根部Cd含量降低效果最好,降幅为57.23%,而铁肥降低水稻根部Cd含量效果最差。
锰肥、磷肥和硅肥对水稻茎叶中Cd含量降低效果不明显。其余土壤改良剂均能显着降低水稻茎叶中Cd含量,降幅范围在21.08%～43.63%。其中,石灰效果最好,降幅为43.63%,而磷肥效果最差。除磷肥外,其余土壤改良剂均能显着降低水稻壳和稻米中Cd含量。其中石灰效果最好,降幅分别为43.44%、46.67%,而磷肥效果最差。
表3 成熟期稻田土壤以及水稻各器官中Cd含量
注:同列不同小写字母表示不同处理在0.05水平上差异显着
Note:Different lowercase letters in the same column stand for significant differences between different treatments at 0.05 level
2.3 、土壤改良剂对稻米和水稻根部Cd吸收系数的影响
表3可见,各处理的小区土壤Cd含量存在一定差异。为削减土壤Cd含量不同对各土壤改良剂施用效果对比的干扰,进一步对根部和稻米的Cd吸收系数进行分析讨论。成熟期水稻稻米、根部对Cd的吸收系数如表4中所示。与CK相比,添加土壤改良剂对水稻稻米及根部的Cd吸收系数有不同程度的降低。并且在所有处理中,水稻根部Cd的吸收系数比稻米Cd吸收系数要大得多。
石灰、镁肥、硅肥、锰肥、赤泥和钙镁磷肥均能显着降低水稻根部Cd吸收系数,降幅为22.81%～49.77%。磷肥、锌肥和铁肥对水稻根部Cd吸收系数没有显着影响。石灰降低水稻根部Cd吸收系数效果最好,降幅为49.77%,而铁肥效果最差。
石灰、镁肥、硅肥、赤泥和钙镁磷肥均能降低水稻米中Cd吸收系数,降幅为23.81%～38.10%。磷肥、锌肥、锰肥和铁肥对水稻米中Cd吸收系数降低效果不显着。所有处理中,石灰效果最好,降幅为38.10%,而磷肥效果最差。
表4 成熟期水稻根部和米中Cd吸收系数
注:同列不同小写字母表示不同处理在0.05水平上差异显着
Note:Different lowercase letters in the same column stand for significant differences between different treatments at 0.05 level
3、 结果与讨论
不同的土壤改良剂对成熟期稻田土壤pH产生了不同的影响。石灰、赤泥和钙镁磷肥能够显着提升土壤pH,这是因为三者均为碱性材料。磷肥显着降低了土壤pH,可能是该研究施用磷肥主要成分为(NH4)2HPO4,一方面其中所包含的H+进入土壤中降低了土壤pH,另一方面可能由于NH4+发生了硝化作用,从而降低了土壤pH[15]。镁肥、硅肥、锌肥、锰肥和铁肥对土壤pH影响不大,但镁肥、锌肥、锰肥和铁肥用量较低,其在较高施用量条件下对土壤pH的影响有待进一步研究,而硅肥中主要成分为SiO2,其对土壤pH的影响不大。
该研究结果表明,与CK相比,该研究中所施用的土壤改良剂均对成熟期水稻中根、茎叶、壳、米中Cd含量以及水稻根部和稻米Cd吸收系数有不同程度的降低,说明这9种改良剂是降低稻米Cd含量的有效手段。石灰、赤泥、钙镁磷肥和硅肥能够降低稻米Cd累积的原因可能是,一方面添加这几种土壤改良剂提高了土壤pH,降低了土壤中Cd的生物有效性,从而减少植物吸收累积Cd含量;另一方面,添加石灰、赤泥、钙镁磷和硅肥能够为土壤提供钙、镁、铁、锰、磷和硅等元素,而这些元素或是与土壤中Cd存在拮抗作用,或是能够增强植物生理功能,从而降低稻米中Cd的累积[16,17,18]。添加镁肥、磷肥、锌肥、锰肥和铁肥虽然降低了土壤pH,但是该研究所用镁肥、锌肥、锰肥和铁肥成分中均含有硫元素,在淹水条件下S主要以S2-形式存在,而S2-能够与Cd2+形成CdS沉淀,降低了土壤中Cd的迁移能力[19]。通过施用磷肥增加土壤中P的浓度,能够促进土壤中Cd2+以磷酸盐形式沉淀,降低土壤中Cd的生物有效性[20]。
通过土壤改良剂对水稻根部和米中Cd吸收系数影响的研究分析发现,与CK相比,石灰、镁肥、硅肥、赤泥和钙镁磷肥能够显着降低水稻根部和米中Cd吸收系数,说明这5种材料在所研究施用量下效果更优于锌肥、铁肥、锰肥和磷肥。与CK相比,添加锰肥能够显着降低水稻根部Cd吸收系数,而对水稻米中Cd吸收系数没有显着影响,这可能与Mn在根表的物理化学行为和植物体内的活动有关。覃都等[21]研究发现,水稻根系在吸收Mn和Cd上存在显着的拮抗作用,但2种水稻材料地上部的Cd含量却随着培养液中Mn含量的提高而显着增加。也有研究表明[22],在根际铁锰氧化物中Mn相对含量增加可导致水稻地上部Cd含量大幅增加,两者存在显着的正相关,但与根系中的Cd含量无显着相关,其机理也待进一步研究。
一般情况下,植物各部位的Cd含量与植物各部位的吸收系数紧密相关。在该研究中锌肥能够显着降低水稻各器官中Cd含量,而对水稻根部Cd吸收系数以及米中Cd吸收系数的降低效果不显着,可能是由于田间试验中各个小区中Cd含量分布不均匀,而土壤中Cd含量是影响水稻吸收Cd的重要因素之一。土壤中Cd含量与植物体内Cd含量呈正相关,锌肥处理小区与其他小区相比土壤Cd含量平均值较低,从而造成了结果差异。因此,进行土壤改良剂的施用对降低稻米中Cd含量效果进行评估时,不应当仅对稻米中Cd含量进行检测,还应同时对迁移系数指标进行检验。
为实现镉污染稻田的安全生产,使用土壤改良剂是一种有效的方法。尽管,石灰对稻米中Cd含量影响最大,但长期使用石灰不仅会对土壤肥力有一定的影响,还会影响水稻对一些营养物质的吸收,甚至降低水稻的产量[23]。因此,对9种土壤改良剂在常规施用量下对稻米Cd含量影响的研究是农田无机肥配合施用的前提,为农田持续性发展提供理论支撑。
4、 结论
(1)添加土壤改良剂能够降低水稻成熟期各器官以及水稻根部和米中Cd吸收系数,但添加不同土壤改良剂对土壤pH有不同影响。
(2)添加石灰、赤泥和钙镁磷肥能够显着提高土壤pH,而其他土壤改良剂对土壤pH影响不大。相比其余土壤改良剂,添加石灰、硅肥、镁肥、赤泥和钙镁磷肥对水稻根和米中Cd吸收系数降低效果更好,与CK相比达到显着差异水平(P<0.05)。
(3)在进行野外田间试验时,土壤Cd含量分布不均匀可能会对结果造成一定影响,因此在探究土壤改良剂对水稻Cd吸收累积效果时,植物体对Cd的吸收系数比植物体Cd的含量更有参考价值。
参考文献
[1] J?RUP L,AKESSON A.Current status of cadmium as an environmental health problem[J].Toxicol Appl Pharmacol,2009,238(3):201-208.
[2] 徐建明,孟俊,刘杏梅,等.我国农田土壤重金属污染防治与粮食安全保障[J].中国科学院院刊,2018,33(2):153-159.
[3] 孙丽娟,秦秦,宋科,等.镉污染农田土壤修复技术及安全利用方法研究进展[J].生态环境学报,2018,27(7):1377-1386.
[4] 朱雁鸣,韦朝阳,冯人伟,等.三种添加剂对矿冶区多种重金属污染土壤的修复效果评估——大豆苗期盆栽实验[J].环境科学学报,2011,31(6):1277-1284.
[5] 李平,王兴祥,郎漫,等.改良剂对Cu、Cd污染土壤重金属形态转化的影响[J].中国环境科学,2012,32(7):1241-1249.
[6] ABDEL-SABOUR M F,MORTVEDT J J,KELSOE J J.Cadmium-zinc interactions in plants and extractable cadmium and zinc fractions in soil[J].Soil science,1988,145(6):424-431.
[7] 陈惠君.磷形态对菜心根系活化、累积铁氧化物结合态Cd的影响[D].广州:暨南大学,2016.
[8] SONG A L,LI Z J,ZHANG J,et al.Silicon-enhanced resistance to cadmium toxicity in Brassica chinensis L.is attributed to Si-suppressed cadmium uptake and transport and Si-enhanced antioxidant defense capacity[J].Journal of hazardous materials,2009,172(1):74-83.
[9] 张淼,叶长城,喻理,等.矿物硅肥与微生物菌剂对水稻吸收积累镉的影响[J].农业环境科学学报,2016,35(4):627-633.
[10] 刘侯俊,胡向白,张俊伶,等.水稻根表铁膜吸附镉及植株吸收镉的动态[J].应用生态学报,2007,18(2):425-430.
[11] 尹晓辉.施锰对水稻镉吸收和积累的影响研究[D].长沙:湖南农业大学,2017.
[12] 罗婷.镁、锌和石灰等物质抑制土壤镉有效性及水稻吸收镉的研究[D].雅安:四川农业大学,2013.
[13] 林海波,夏忠敏,陈海燕.有机、无机肥料配施研究进展与展望[J].耕作与栽培,2017(4):67-69.
[14] 刘凤枝.农业环境监测实用手册[M].北京:中国标准出版社,2001:97-107
[15] 赵晶,冯文强,秦鱼生,等.不同氮磷钾肥对土壤pH和镉有效性的影响[J].土壤学报,2010,47(5):953-961.
[16] 张振兴,纪雄辉,谢运河,等.水稻不同生育期施用生石灰对稻米镉含量的影响[J].农业环境科学学报,2016,35(10):1867-1872.
[17] 蓝兰.不同中微量及有益元素对土壤镉有效性和小麦吸收镉的影响[D].雅安:四川农业大学,2010.
[18] 叶长城,陈喆,毛懿德,等.生物菌肥与石灰配施对水稻吸收积累Cd的影响[J].环境污染与防治,2015,37(6):49-54.
[19] 雷鸣,于志红,宋正国,等.不同铵态氮肥对土壤Cd生物有效性影响的研究进展[J].农业环境与发展,2012,29(6):55-58.
[20] 刘昭兵,纪雄辉,彭华,等.磷肥对土壤中镉的植物有效性影响及其机理[J].应用生态学报,2012,23(6):1585-1590.
[21] 覃都,陈铭学,周蓉,等.锰-镉互作对水稻生长和植株镉、锰含量的影响[J].中国水稻科学,2010,24(2):189-195.
[22] 刘敏超,李花粉,夏立江,等.根表铁锰氧化物胶膜对不同品种水稻吸镉的影响[J].生态学报,2001,21(4):598-602.
[23] 曹胜,欧阳梦云,周卫军,等.石灰对土壤重金属污染修复的研究进展[J].中国农学通报,2018,34(26):109-112.
