楊文弢，張 佳，廖柏寒

(1. 貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025; 2. 中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程學院，湖南 長沙 410004; 3. 貴州大學 地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室， 貴州 貴陽 550025)

由于采礦和冶煉活動的快速發(fā)展，大量重金屬如鎘(Cd)、鉛(Pb)、汞(Hg)和砷(As)等被釋放到土壤環(huán)境中。在中國東部和南部的一些采礦和冶煉地區(qū)，土壤中的重金屬污染日益嚴重[1]。水稻(OryzasativaL.)是亞洲人日常飲食的重要主食[2]，超過60%的人口以大米為主食，大米消費量占中國每年消費谷物的一半以上。土壤中的Cd會通過水稻籽粒積累進入食物鏈，對人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)存在嚴重的健康風險[3]。

近年來，稻田重金屬的原位修復是主要的修復手段，也是研究熱點[4,5]。向受到重金屬污染的農(nóng)田中施用鈍化劑能有效降低土壤中重金屬的生物有效性，如石灰石[6]，沸石[7]，海泡石[8]，蒙脫石[9]，大理石[10]和粉煤灰[11]等，也有一些研究將鈍化劑進行組配[12-15]。但大多數(shù)研究以降低水稻籽粒中重金屬含量為研究目的，往往忽視了這些材料對水稻產(chǎn)量的影響。目前，在中、輕度Cd污染稻田中種植水稻，如何在保證糙米中Cd含量不超標的前提下提高產(chǎn)量是現(xiàn)階段研究的熱點。一些研究表明[16,17]，施用有機肥在一定程度上能降低土壤中重金屬活性，并能增加土壤肥力、提高農(nóng)作物產(chǎn)量。黎秋君[18]等研究了三種有機肥如蠶、椰子泥炭和泥炭來修復鎘污染土壤，發(fā)現(xiàn)施用6%的蠶沙能分別降低中性和酸性土壤中59.02%和59.65%的酸可提取態(tài)Cd含量。也有一些研究指出，在稻田中施用有機肥能顯著提高水稻產(chǎn)量[19]，但對Cd污染土壤中的Cd無顯著鈍化效果，甚至會增強其有效性[20，21]。因此，施用有機肥對Cd污染稻田土壤中Cd的有效性、水稻籽粒中Cd的含量以及對水稻產(chǎn)量的影響亟待研究。以菜枯為外源有機肥來研究Cd污染土壤中有機肥對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)影響的報道還很少見。本研究以菜枯為有機添加物，通過盆栽試驗和TCLP毒性浸出試驗，對土壤-水稻系統(tǒng)中Cd的生物有效性進行評價，研究不同施用量下有機肥對水稻產(chǎn)量及糙米中Cd累積的影響，以期為我國Cd污染耕地的糧食安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤來源于湖南省寧鄉(xiāng)縣雙江口鎮(zhèn)某地區(qū)(北緯28°27.716'，東經(jīng)113°16.356')土稻田耕作層土壤；有機肥選用湖南農(nóng)村地區(qū)常見的菜枯，由湖南婁底市天之源榨油坊提供；盆栽用盆為白色圓柱形桶(直徑 = 300 mm，高 = 240 mm)；水稻(OryzasativaL.)品種選自湖南常規(guī)晚稻湘晚秈12號，由湖南亞華種子有限公司提供。供試土壤和有機肥基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試稻田土壤和有機肥基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic properties of the tested paddy soils and rapeseed dregs

1.2 試驗設計

供試土壤自然風干后，去除石頭、根莖等雜物。每桶裝入風干土4.0±0.1 kg。土壤樣品設置3個采樣時期：水稻分蘗期、灌漿期、成熟期。設置2個Cd污染程度，低污染和高污染濃度。有機肥設置4個施用量梯度(0、7.5、15、30 g/kg)，每個施用量3個平行樣，共24盆。盆栽試驗在中南林業(yè)科技大學生命科學樓3層水稻栽培基地進行。

向每個桶中分別添加一定量含有25.0 mg Cd L-1(由CdCl2·2.5H2O制備)的Cd加標溶液，使土壤中的Cd含量分別達到0.72 mg/kg(低污染)和5.20 mg/kg(高污染)。自來水將每個桶培養(yǎng)2周，保持最大田間持水能力的70%。2周后，以75、15、30 g/kg的比例施用有機肥；以未改良土壤作為對照(CK)再熟化2周，在此期間用木棍將土壤不斷攪拌。完成土壤熟化后，將水稻幼苗(湘晚秈12號)移植到盆栽中，每個盆栽2個幼苗。在水稻生長季節(jié)，土壤持續(xù)浸泡在2～5 cm的水下，除了水稻拔節(jié)期曬田(用于改善水稻根系生長和分蘗期的有效分蘗)，并在所有必要的處理中使用常用農(nóng)藥。水稻移植后95天收獲。

1.3 樣品采集

分別于移栽后35天(水稻分蘗期)、65天(水稻灌漿期)、95天(水稻成熟期)采集土壤和水稻植株樣品。將土壤樣品風干并輕輕壓碎，以通過2.0 mm(用于測定土壤pH)和0.149 mm(用于測定土壤OM、CEC和總鎘)尼龍網(wǎng)。用去離子水清洗水稻植株樣品，置于105°C烘箱中30分鐘，然后置于70°C烘箱中，直到樣品的重量保持不變。將所有水稻植株樣品分離成2～4個組織(根、莖、殼和糙米)，然后使用不銹鋼研磨機(DEMASHI-SY400)粉碎，過0.149 mm尼龍網(wǎng)。分析前，所有土壤和水稻植物樣本均保存在清潔的聚乙烯容器中。

1.4 樣品測定方法

采用去離子水/土比分別為2.5/1和5/1的酸度計(PHS-3C)測定土壤和有機肥pH值。有機質(zhì)含量(OM)的測定采用重鉻酸鉀比色法測定[22]。所有土壤樣品均采用王水和高氯酸進行酸消化，水稻樣品采用干灰化法進行消化[22]。使用比重計法分析土壤沙粒、粉粒和黏粒含量。采用堿性水解擴散法測定土壤和有機肥有效N、碳酸氫鈉法測定土壤和有機肥有效P、醋酸銨法測定土壤和有機肥有效K[22]。土壤Cd有效性采用TCLP毒性浸出試驗[23]評價，水稻根表鐵膜采用DCB法提取。采用ICP-OES 6300(Thermo Fisher Scientific)測定了土壤TCLP可提取Cd含量、水稻根表鐵膜、根、莖和外殼中總Cd含量。采用ICE-AAS 3500(Thermo Fisher Scientific)測定糙米中的總Cd含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

實驗中的數(shù)據(jù)結果均為平均值±標準偏差。本研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析均采用 SPSS 19.0 顯著性Duncan檢驗法檢測不同處理間的顯著差異，圖形均采用 OriginPro 2015進行處理。

2 結果與分析

2.1 外源有機肥對土壤pH值和有機質(zhì)含量的影響

如圖1所示，施用有機肥對土壤pH值和有機質(zhì)含量影響顯著。隨著施用量的增加，土壤pH值顯著增加。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，土壤pH值在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別上升了0.40～0.68、0.55～0.65、0.56～0.52和0.15～0.33個單位，且均與對照呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。從熟化期到分蘗期土壤pH值在各有機肥施用量下均顯著下降，之后隨著水稻生育期的延長呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。與熟化期相比，施用0、7.5、15和30 g/kg的有機肥使土壤pH值在分蘗期分別下降了0.75、0.59、0.45和0.77個單位，之后土壤pH值逐漸上升；與分蘗期相比，成熟期分別上升了0.81、0.41、0.50、0.48個單位。

隨著菜枯施用量的增加，土壤有機質(zhì)含量顯著增加。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，土壤有機質(zhì)含量在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別上升了8.3%～47.6%、6.2%～27.7%、12.0%～14.6%和4.8%～13.9%，且在施用30 g/kg的有機肥時，均與對照呈現(xiàn)顯著差異(P < 0.05)。隨著水稻生育期的延長各有機肥施用量下土壤有機質(zhì)含量顯著下降(P < 0.05)，與熟化期相比，成熟期土壤有機質(zhì)含量在0、7.5、15、30 mg/kg施用量下分別下降了21.4%、24.0%、21.8%和39.3%。

不同小寫字母表示同一有機肥施用量下差異顯著(P < 0.05)，*表示同一生育時間下與CK相比差異顯著(P < 0.05)，下同圖1 外源有機肥對水稻各時期土壤pH值(a)和有機質(zhì)(b)含量的影響Fig.1 Effects of external organic matter on pH values (a) and organic matter (b) in soil at different rice growth stages

2.2 外源有機肥對水稻各時期土壤TCLP提取態(tài)Cd含量的影響

不同水稻生育期土壤TCLP提取態(tài)Cd含量如圖2所示?？梢钥闯觯S著有機肥施用量的增加，除在Cd低污染土壤水稻灌漿期、成熟期和Cd高污染土壤水稻成熟期時下降不顯著(P > 0.05)外，2個Cd污染程度土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量在各采樣時間均顯著下降(P < 0.05)。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥使Cd低污染中TCLP提取態(tài)Cd含量在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別下降了60.2%～77.3%、38.1%～56.4%、30.3%～39.9%和10.0%～38.6%，使Cd高污染土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量，除灌漿期有機肥施用量7.5 g/kg略有上升之外，分別下降了34.2%～61.5%、12.1%～42.3%、3.0%～8.9%、39.3%～15.8%。

2.3 外源有機肥水稻生長的影響

施用有機肥對成熟期水稻生長影響顯著(表2)。隨著有機肥施用量的增加，水稻株高及各部位生物量均顯著增加。與未施用有機肥處理相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，使Cd低污染和高污染土壤中水稻株高分別上升了5.1%～6.1%和5.5%～6.5%(P < 0.01)；使水稻生物量分別增加了15.2%～27.9%和10.6%～18.2%(P < 0.05)，其中根分別增加了18.8%～50.6%和22.5%～42.7%，莖葉分別增加了14.0%～21.9%和5.9%～18.0%，稻谷分別增加了14.9%～21.3%和8.0%～16.6%。

圖2 外源有機肥對水稻各時期Cd低污染(a)和高污染(b)土壤中TCLP提取態(tài)含量的影響Fig.2 Effects of external organic matter on soil TCLP extractable Cd contents at different rice growth stages

表2 外源有機肥對成熟期水稻生物量的影響Tab.2 Effects ofexternal organic matter on agronomic characters and biomass at rice maturation stage

不同小寫字母表示同一土壤類型下差異顯著(P < 0.05)，不同大寫字母表示同一土壤類型下差異極顯著(P < 0.01)，下同

2.4 外源有機肥對水稻成熟期糙米中Cd含量的影響

從圖3可以看出，施用有機肥顯著提高了水稻糙米中Cd含量(P < 0.05)。施用7.5～30 g/kg的有機肥，2個Cd污染土壤糙米中的Cd含量分別為0.05～0.13 mg/kg和0.20～2.24 mg/kg，與對照相比分別提高了17.4%～183.2%和5.3%～1067.7%。

3 討論

圖3 外源有機肥對水稻成熟期糙米中Cd含量的影響Fig.3 Effects of external organic matter on Cd contents in brown rice at rice maturation stage

有趣的是，在本研究中施用有機肥顯著升高了成熟期水稻糙米中Cd含量(圖3)，與土壤中Cd的TCLP提取態(tài)含量變化趨勢相反，也與一些學者的研究結果不同[29,30]。施用有機肥顯著增加了成熟期水稻的生物量(表2)，也增加了根系的生物量，更大生物量使得水稻植株需要更多水分和養(yǎng)分，因此增加了根系的對土壤中各元素的吸收，在這個過程中也包括了對Cd的吸收。同時，更強的水稻根系增加了根系有機酸和根際泌氧[31]，這會抑制硫化鎘沉淀的形成，從而增強了根際環(huán)境中Cd的有效性[32]。一些學者認為[33-35]，根際土壤是重金屬進入水稻植株的重要途徑，根際土壤中重金屬的活性一定程度上決定了水稻的受害程度；反過來，水稻根系的化學行為也顯著影響著重金屬對水稻本身的生物毒性。因此，在水稻根際的微環(huán)境中，Cd的有效性可能在水稻根系的作用下而增高。

現(xiàn)階段對有機肥修復土壤重金屬存在一定爭議。有研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥不能降低土壤中Cd的有效性，甚至會增加植物對Cd的吸收[36，37]。有機質(zhì)在土壤中的化學行為十分復雜，有機肥-重金屬絡合物的形成與分解[38]、有機肥對土壤pH、Eh的影響[39]、對水稻根際環(huán)境的影響[40]等都會影響其在土壤重金屬修復中的表現(xiàn)。在本研究中，施用菜枯的前期顯著降低了土壤Cd的有效性，但這種降低效果隨著水稻生育期的延長逐漸降低，同時施用有機肥也增加了水稻根系活動對根際土壤中Cd的活化。因此在這幾個方面的共同作用下，水稻糙米中Cd累積量顯著增加。

值得一提的是，在本研究中雖然施用有機肥顯著增加了水稻糙米中Cd含量，但在低污染程度下(0.72 mg/kg)施用7.5～30 g/kg的有機肥，水稻糙米中Cd含量分別為0.05～0.13 mg/kg，低于國家食品中污染物限量標準(GB 2762-2012，Cd < 0.2 mg/kg)，同時使水稻稻谷生物量增加了14.9%～21.3%。因此，在一定Cd污染的稻田中施用一定量的菜枯，可作為一種增加水稻產(chǎn)量的肥料。

4 結論

(1)施用有機肥(菜枯)顯著增加了土壤pH值和有機質(zhì)含量。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，土壤pH值在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別上升了0.40～0.68、0.55～0.65、0.56～0.52和0.15～0.33個單位，土壤有機質(zhì)含量分別上升了8.3%～47.6%、6.2%～27.7%、12.0%～14.6%和4.8%～13.9%。

(2)施用有機肥(菜枯)顯著降低了熟化期、分蘗期和灌漿期土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量，但在成熟期時下降不顯著(P > 0.05)。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥使Cd低污染中TCLP提取態(tài)Cd含量在水稻分蘗期、灌漿期和成熟期分別下降了60.2%～77.3%、38.1%～56.4%、30.3%～39.9%和10.0%～38.6%，使Cd高污染土壤中TCLP提取態(tài)Cd含量，除灌漿期有機肥施用量7.5 g/kg略有上升之外，分別下降了34.2%～61.5%、12.1%～42.3%、3.0%～8.9%、39.3%～15.8%，降低效果隨著生育期的延長逐漸減弱。

(3)施用有機肥(菜枯)顯著促進了水稻的生長和增加了水稻產(chǎn)量。與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥，使Cd低污染和高污染土壤中水稻稻谷生物量分別增加了14.9%～21.3%和8.0%～16.6%。

(4)施用有機肥(菜枯)顯著提高了成熟期水稻糙米中Cd含量，與對照相比，施用7.5～30 g/kg的有機肥使2個Cd污染土壤糙米中的Cd含量分別為0.05～0.13 mg/kg和0.20～2.24 mg/kg，與對照相比分別提高17.4%～183.2%和5.3%～1067.7%。