楊定清，李霞，周婭，羅麗卉，謝永紅，王棚，李旭毅

（1.四川省農(nóng)業(yè)科學院分析測試中心，成都610066；2.四川省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，成都610066）

秸稈是一種重要的有機物料，秸稈還田是提高稻麥輪作系統(tǒng)農(nóng)業(yè)資源利用效率的重要措施之一[1-3]。在稻麥輪作系統(tǒng)中，秸稈還田后釋放出一定量的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，能有效提升土壤肥力，提高作物產(chǎn)量，減少環(huán)境污染，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4-8]。然而，研究表明，秸稈還田在增肥增產(chǎn)的同時會增加作物對鎘（Cd）的吸收[9]。如在Cd污染農(nóng)田中，作物秸稈中的Cd含量大多高于作物籽粒，秸稈還田后其吸收富集的大部分Cd又重新歸還到稻田土壤中，給稻米帶來了潛在的Cd污染風險[10]。此外，秸稈還田還可增加土壤溶解性有機碳（DOC）含量，其對稻田重金屬污染與修復等方面有著重要影響[11]。因此，通過探索合理秸稈資源利用方式來減少稻米Cd污染風險對保障我國糧食安全具有重要的意義。

施用土壤調(diào)理劑是一種廣泛采用的農(nóng)田重金屬污染管控措施，其中，施用石灰作為常用的改良措施，可以通過改變土壤中重金屬Cd的形態(tài)分布，有效降低其遷移性和生物有效性，進而抑制作物對Cd的吸收[12-16]。如黃柏豪等[17]報道在成都平原Cd輕度污染稻田，施用石灰1 500～3 000 kg·hm-2能有效提高土壤pH值，降低土壤有效態(tài)Cd和稻米Cd含量。此外，秸稈還田配施一定量的石灰可作為一種有效的秸稈資源利用措施[18]。如倪中應等[19]報道秸稈還田配施石灰750 kg·hm-2能略微降低輕度污染土壤有效態(tài)Cd和稻米Cd含量。但過量施用石灰會造成銨態(tài)氮揮發(fā)、磷酸鈣鹽沉淀，土壤中鉀、鈣、鎂等營養(yǎng)元素平衡失調(diào)，阻礙作物對磷、鉀等營養(yǎng)元素的吸收，導致作物減產(chǎn)[20-22]。因此，在已有研究報道基礎上，探索秸稈還田條件下合理的石灰用量尤為重要。

成都平原氣候溫和，土地肥沃，是我國重要商品糧產(chǎn)區(qū)之一，對維持區(qū)域糧食安全具有重要的作用。《四川省土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，四川省耕地土壤污染總的點位超標率為34.3%，輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為27.8%、3.9%、1.4%和1.2%，其中成都平原區(qū)土壤污染問題較突出，Cd為主要特征污染物，以輕度污染為主[23]。因此，本試驗在已有研究的基礎上，針對成都平原Cd輕度污染的酸性稻田土壤，探討秸稈還田配施不同用量的石灰對水稻Cd吸收累積和產(chǎn)量的影響，并探究該區(qū)域秸稈還田的最佳石灰施用量，以期為該區(qū)域酸性輕度Cd污染土壤稻米的安全生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)與實踐指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗地位于成都平原新市鎮(zhèn)，該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫在16℃左右，年平均降水量800～1 000 mm，無霜期260 d以上。試驗區(qū)土壤為灰棕色沖積物發(fā)育的潴育型水稻土，試驗前耕層土壤（0～20 cm）基本理化性狀如下：土壤pH 5.52，容重1.14 g·cm-3，有機質(zhì)31.85 g·kg-1，全氮1.73 g·kg-1，全磷1.02 g·kg-1，全鉀17.82 g·kg-1，全Cd 0.58 mg·kg-1，土壤有效態(tài)Cd 0.27 mg·kg-1。試驗區(qū)土壤全Cd含量接近現(xiàn)行《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中農(nóng)用地土壤污染風險管控值（0.30 mg·kg-1，5.5＜pH≤6.5）2倍，為低風險區(qū)域。耕作制度為水稻小麥輪作。

1.2 供試材料

供試材料主要包括來自上一季的小麥秸稈、石灰、尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，其Cd含量分別為：（1.12±0.01）、（0.004±＜0.001）、（0.003±0.001）、（0.18±0.03）、（0.11±0.01）mg·kg-1。水稻品種為當?shù)爻Ｒ?guī)品種宜香優(yōu)2115。水稻于2018年4月2日在無污染土壤中育秧，5月24日移栽，株距×行距為15 cm×20 cm，每穴種植2株，收獲日期為9月17日。插秧前5 d施入石灰。

1.3 試驗設計

試驗共設6個處理：CK（秸稈不還?田）、CKL（0秸稈還田）、L60（0秸稈還田+石灰600 kg·hm-2）、L120（0秸稈還田+石灰1 200 kg·hm-2）、L180（0秸稈還田+石灰1 800 kg·hm-2）和L240（0秸稈還田+石灰2 400 kg·hm-2）。

試驗小區(qū)采用隨機區(qū)組排列，每個處理重復3次，每個小區(qū)的面積為20 m（24 m×5 m）。小區(qū)間筑土埂，并使用塑料薄膜包裹并牽至犁底層，各小區(qū)均設有相互獨立的排灌系統(tǒng)，以防止各處理間水肥側(cè)滲而相互污染，水稻栽培過程中的水肥管理、病蟲害防治等農(nóng)藝操作參照當?shù)卦耘嗔晳T進行。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 土壤樣品采集與測定

分別于水稻各生育期（分蘗期、拔節(jié)期、齊穗期、成熟期）采用5點混合取樣法采集各小區(qū)0～20 cm耕作層土樣。剔除植物根系和石礫后，將土樣混合均勻分為兩個部分：一部分新鮮土樣置于冰箱中4℃保鮮保存，供測定土壤溶解性有機碳（DOC）；另一部分土壤自然風干后過2 mm和0.25 mm尼龍篩供其他指標測定。土壤pH采用酸度計法（土水比1∶2.5）測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；全氮采用H2SO4消煮-半微量開氏法測定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測定；溶解性有機碳采用1 mol·L-1的KCl溶液浸提-重鉻酸鉀容量法外加熱法測定；土壤全Cd采用HF-HClO4-HNO3（V∶V∶V=1∶1∶3）消解-石墨爐原子吸收光譜儀測定；土壤有效Cd采用DTPA浸提-石墨爐原子吸收光譜儀測定[24-26]。樣品分析過程中采用國家標準樣品GBW07404（GSS-4）和GBW07460（ASA-9）進行質(zhì)量控制。標樣回收率范圍為89%～112%。

1.4.2 植物樣品采集與測定

分別于水稻各生育期采集植株各部位，每個小區(qū)隨機取10株植物樣，并將植株分為根、莖、葉、籽粒，于105℃殺青30 min，60℃烘干至恒質(zhì)量后粉碎。水稻植株Cd含量采用HNO3-HClO4（V∶V=1∶1）消解-石墨爐原子吸收光譜儀測定[26]。各小區(qū)水稻單打單收，分別統(tǒng)計水稻產(chǎn)量。標樣回收率范圍為87%～110%。

1.5 試驗數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）、Pearson參數(shù)和LSD法進行方差分析、相關性分析和多重比較（P＜0.05）。用Origin 9.0軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田下不同石灰用量對土壤pH的影響

土壤pH是影響土壤Cd生物有效性的重要因素之一。由表1可知，秸稈還田可降低土壤pH，配施石灰則能提高土壤pH，且隨著石灰用量的增加而提高。與CK相比，CKL0處理土壤pH下降0.04～0.09個單位，差異不顯著（P＞0.05）。秸稈還田配施石灰處理提升土壤pH效果顯著，L600、L1200、L1800和L2400處理土壤pH較CK處理分別提高0.11～0.20、0.24～0.46、0.50～0.69和0.54～0.77個單位，較CKL0處理分別提高0.15～0.27、0.28～0.53、0.54～0.76和0.58～0.85個單位，差異均達顯著水平（P＜0.05），但L1800與L2400處理間差異不顯著（P＞0.05）。這是因為秸稈還田后在分解過程中易釋放有機酸、CO2等，在一定程度上會降低土壤pH，而配施石灰則能有效提高土壤pH。

表1秸稈還田下不同石灰用量對土壤pH值的影響Table 1 Effects of straw returning with different lime dosage on soil pH value

2.2 秸稈還田下不同石灰用量對土壤DOC含量的影響

由表2可知，從水稻分蘗到成熟期，整體上所有處理土壤DOC含量的變化趨勢一致，即先增加后減少并趨于穩(wěn)定，其中最高含量出現(xiàn)在拔節(jié)期或齊穗期，在46.28～70.08 mg·kg-1。方差分析顯示，所有秸稈還田處理土壤DOC含量均顯著提高，提高幅度隨配施石灰用量的增加而減少，以秸稈還田不施石灰（CKL0）處理最高。相較于CK，CKL0處理使得土壤DOC含量提高幅度為28.5%～95.7%，各生育期差異均達到顯著水平（P＜0.05），L600、L1200、L1800和L2400處理土壤DOC含量分別增加14.9%～72.4%、12.6%～62.5%、3.3%～42.4%和-1.1%～38.4%，L1800和L2400處理部分生育期差異達顯著水平（P＜0.05）。與CKL0處理相比，L600、L1200、L1800和L2400處理土壤DOC含量分別減少6.6%～13.7%、12.4%～16.9%、13.7%～27.2%和17.4%～29.3%，L1800和L2400處理部分生育期差異均達到顯著水平（P＜0.05），但L1800與L2400處理間差異不顯著（P＞0.05）。

表2秸稈還田下不同石灰用量對土壤DOC含量的影響（mg·kg-1）Table 2 Effects of straw returningwith different lime dosages on soil DOCconcentration（mg·kg-1）

2.3 秸稈還田下不同石灰用量對土壤Cd及其有效態(tài)含量的影響

2.3.1 對土壤Cd含量的影響

表3為秸稈還田下不同石灰用量對土壤Cd含量的影響。與CK相比，秸稈還田各處理在一定程度上能提高土壤Cd含量，但未達到顯著水平（P＞0.05）。方差分析顯示，不同石灰施用量處理間差異也不顯著（P＞0.05）。這說明，向Cd污染農(nóng)田添加Cd含量高的秸稈有利于土壤Cd積累，但其數(shù)量變化在短期內(nèi)并不顯著。

2.3.2 對土壤有效態(tài)Cd含量的影響

土壤有效態(tài)Cd是水稻植株可直接吸收利用的主要形態(tài)。由表4可知，秸稈還田可提高土壤有效態(tài)Cd含量，與CK相比，從水稻分蘗到成熟期，CKL0處理的土壤有效態(tài)Cd含量提高7.7%～18.9%，差異均達顯著水平（P＜0.05）。秸稈還田配施石灰能降低土壤有效態(tài)Cd含量，與CKL0相比，L600、L1200、L1800和L2400處理土壤有效態(tài)Cd含量分別降低11.4%～13.6%、19.0%～22.7%、26.2%～34.1%和29.5%～38.6%，其中L1800和L2400處理差異達顯著水平（P＜0.05）。與CK相比，秸稈還田配施石灰處理中除L600處理部分生育期土壤有效態(tài)Cd含量略增加外，L1200、L1800和L2400處理土壤有效Cd含量分別降低5.4%～12.8%、15.8%～21.6%和18.4%～27.0%。

表3秸稈還田下不同石灰用量對土壤Cd含量的影響（mg·kg-1）Table 3 Effects of straw returning with different lime dosages on soil Cd concentration（mg·kg-1）

表4秸稈還田下不同石灰用量對土壤有效態(tài)Cd含量的影響（mg·kg-1）Table 4 Effects of straw returning with different lime dosages on soil available Cd concentration（mg·kg-1）

2.4 秸稈還田下不同石灰用量對稻米Cd含量的影響

如圖1所示，秸稈還田可能導致稻米中Cd含量增加。與CK相比，CKL0處理的稻米Cd含量提高18.1%，差異不顯著（P＞0.05）。與CKL0處理相比，L600、L1200、L1800和L2400處理稻米Cd含量分別降低11.2%、26.5%、46.9%和44.9%，其中L1800和L2400處理降Cd效果顯著（P＜0.05），稻米Cd含量低于我國《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB2762—2017）中0.2 mg·kg-1的標準限值，但兩個石灰施用量水平間差異不顯著（P＞0.05）。與CK相比，秸稈還田配施石灰處理中除L600處理稻米Cd含量輕微增加外，L1200、L1800和L2400處理稻米Cd含量分別降低13.3%、37.3%和34.9%。表明秸稈還田配施石灰處理降Cd的效果隨石灰施用量的提高而減小，直至平穩(wěn)水平。

2.5 秸稈還田下不同石灰用量對水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響

由表5可知，秸稈還田可增加水稻產(chǎn)量，與CK相比，CKL0、L600、L1200、L1800和L2400處理的產(chǎn)量分別提高3.3%、4.6%、5.1%、6.2%和5.1%，差異不顯著（P＞0.05）。方差分析顯示，在配施石灰梯度范圍內(nèi)，隨著石灰施用量的增加，水稻產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢，以L1800處理最高。與秸稈還田不施石灰CKL0處理相比，L600、L1200、L1800和L2400處理的產(chǎn)量分別提高1.2%、1.6%、2.8%和1.7%，差異均不顯著（P＞0.05）。有效穗數(shù)綜合表現(xiàn)為CK＞L1800＞L2400＞L1200＞L600＞CKL0處理。所有秸稈還田處理穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重均高于秸稈未還田CK處理，差異均不顯著（P＞0.05）。上述結(jié)果表明，秸稈還田配施石灰有利于水稻產(chǎn)量增加，但其數(shù)量變化在短期內(nèi)并不顯著。

2.6 秸稈還田與不同用量石灰配施下土壤因子和稻米相關性分析

秸稈還田與不同用量石灰配施下土壤因子與稻米Cd相關性分析見表6。總體上看，土壤因子中，土壤全Cd含量與稻米Cd含量沒有相關性，而土壤pH、DOC含量、有效態(tài)Cd含量與稻米Cd含量存在較好的相關性。其中，土壤pH與稻米Cd含量顯著負相關（P＜0.05），土壤有效態(tài)Cd含量與稻米Cd含量存在顯著正相關（P＜0.05）。此外，土壤有效態(tài)Cd與pH顯著負相關（P＜0.05）。

3 討論

3.1 對土壤pH、DOC、全Cd及其有效態(tài)含量的影響

還田后秸稈在微生物的作用下通過轉(zhuǎn)化與分配影響了土壤pH、DOC含量和重金屬Cd及其化學形態(tài)分布[27-28]。已有研究認為秸稈還田和石灰均提高了土壤pH。如賈樂等[29]研究表明玉米和菜豆秸稈還田可明顯提高土壤pH，培養(yǎng)4周后土壤pH提高了0.3～0.9個單位，與本試驗秸稈還田可降低土壤pH、配施石灰提高土壤pH，且隨著石灰用量的增加而提高的結(jié)果有所差異。原因可能和秸稈的類型有關，本試驗采用的小麥秸稈含碳量高達40%以上，有機成分以纖維素、半纖維素為主，還田后在腐解過程中會產(chǎn)生大量的小分子有機酸類物質(zhì)[30]。此外，報道指出，Cd脅迫會刺激根系分泌有機酸，雖然對根系分泌有機酸的種類影響較小，但對分泌量變化影響顯著，這些酸類物質(zhì)均能降低土壤pH[31]。石灰是堿性物質(zhì)，配施可提高土壤pH，且土壤pH隨石灰施用量的提高而增加，直至平穩(wěn)水平。

本試驗表明秸稈還田可增加土壤DOC含量，增加幅度隨配施石灰用量的增加而減少，這與大部分研究結(jié)果一致[32-33]。這是因為外源有機物是土壤DOC的主要來源之一，秸稈作為一種外源性有機物質(zhì)，含有大量的可利用性碳氮，施入土壤后，在腐解過程中氮元素被微生物分解，一部分形成N2O釋放到大氣中，另一部分碳元素則殘留在土壤內(nèi)，與原土有機質(zhì)重組，形成新的有機質(zhì)分子[34]。其次，秸稈還田后激發(fā)效應顯著促進了土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化生成DOC[35]。秸稈還田配施石灰能降低土壤DOC含量是因為石灰施入土壤后可增加土壤微生物的數(shù)量和活性，進而加快微生物對DOC的利用速率[36-37]。

表5秸稈還田下不同石灰用量對水稻產(chǎn)量及其構成的影響Table 5 Effectsof straw returning with different lime dosages on rice yield and itscomponents

表6土壤因子和稻米Cd含量相關性分析Table 6 Correlation analysis between soil factors and rice Cd concentration

土壤中重金屬Cd及其有效態(tài)含量與外源添加物、土壤環(huán)境條件（如pH和DOC含量等）有關[38-39]。本試驗結(jié)果表明，向Cd污染農(nóng)田添加Cd含量高的秸稈有利于土壤全量和有效態(tài)Cd積累，配施石灰則有效降低土壤有效態(tài)Cd含量，且效果隨著石灰用量的增加而顯著增強，尤其以L1800和L2400處理降Cd效果顯著。這與張慶沛等[40]在成都平原德陽市旌陽區(qū)Cd污染稻田開展的小區(qū)試驗秸稈還田可降低土壤有效態(tài)Cd含量結(jié)果不同，可能是因為本試驗還田的小麥秸稈Cd含量高達1.12 mg·kg-1，將這些秸稈還田能使秸稈中富集的Cd重新歸還到稻田土壤中，從而使土壤Cd及其有效態(tài)含量提高；其次，秸稈還田后在腐解過程中釋放的有機酸類物質(zhì)在一定程度上降低土壤pH，導致土壤中有效態(tài)Cd含量增加。配施石灰可提高土壤pH，增加土壤膠體表面攜帶的負電荷量，促使土壤膠體對Cd離子的吸附；其次，由于氫離子濃度降低，競爭作用減弱，促使Cd離子與CO2-3或OH-結(jié)合形成碳酸鹽或氫氧化物等沉淀，有利于土壤對Cd的吸附，進而降低土壤Cd的有效性[41]。

3.2 對稻米中Cd含量的影響

前人試驗表明，秸稈還田配施石灰能降低稻米Cd含量。如段桂蘭等[42]研究表明，水稻秸稈配施石灰處理最多能使糙米中Cd含量減低50%。本試驗中秸稈還田與石灰配施均降低稻米Cd含量，且隨著石灰用量的增加降Cd效果遞增，直至低于我國《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）0.2 mg·kg-1的標準限值的平穩(wěn)水平。這可能是由于稻米Cd含量與土壤pH、DOC含量、有效態(tài)Cd含量均存在較好的相關性，石灰的施入能顯著提高土壤pH，降低土壤DOC含量、有效態(tài)Cd含量，使土壤中Cd的生物利用性降低，從而減少稻米的Cd含量。本試驗還表明，小麥秸稈單獨還田能輕微增加稻米的Cd含量，該結(jié)果與林鸞芳等[18]田間試驗結(jié)果不同，其試驗表明小麥秸稈單獨還田能顯著降低稻米Cd含量，其原因可能是使用的小麥秸稈Cd含量較低，僅為0.179 mg·kg-1，本試驗使用的小麥秸稈Cd含量較高，達1.12 mg·kg-1，高Cd含量的秸稈施入增加了稻米對Cd的吸收。也可能是秸稈還田顯著增加土壤DOC含量而增加土壤Cd的溶出，從而促進水稻對Cd的吸收[11]。

3.3 對水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響

研究表明，秸稈還田配施石灰對水稻有一定的增產(chǎn)作用[21]。倪中應等[19]小區(qū)試驗表明在重污染土壤和輕污染土壤中，水稻產(chǎn)量以秸稈配施石灰處理的最高，秸稈單獨還田處理次之，不施秸稈處理的最低。廖萍等[43]連續(xù)4 a在江西省開展的施石灰和秸稈還田雙因素田間試驗表明施石灰和秸稈還田均顯著提高了早、晚稻的產(chǎn)量，且二者具有顯著的協(xié)同促進效應。這主要是因為首先秸稈還田釋放出大量碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，能有效提升土壤肥力[44-45]；其次，秸稈還田能改善土壤物理性質(zhì)，降低土壤容重，增加土壤毛管孔隙度，減小根系阻力，促進水稻根系生長[36]。秸稈還田配施石灰增加水稻產(chǎn)量則是因為石灰能提高土壤碳氮代謝相關的酶活性，提高有機凋落物和土壤有機質(zhì)的礦化速率，二者配施協(xié)同促進水稻對氮素吸收利用、水稻光合作用和同化物向籽粒的轉(zhuǎn)運，增加水稻產(chǎn)量[46-48]。本試驗結(jié)果表明，秸稈還田配施石灰有利于水稻產(chǎn)量增加，但其數(shù)量變化在短期內(nèi)并不顯著，這與Singh等[49]報道秸稈還田在短期內(nèi)對水稻的增產(chǎn)效果不明顯結(jié)果相似。

4 結(jié)論

（1）秸稈還田配施石灰可通過有效提高土壤pH、降低土壤DOC含量、有效態(tài)Cd含量等方面降低稻米Cd含量，且隨著石灰用量的增加稻米降Cd效果遞增，直至平穩(wěn)水平，以秸稈還田配施石灰1 800 kg·hm-2和2 400 kg·hm-2處理表現(xiàn)最佳。

（2）秸稈還田配施石灰有利于水稻產(chǎn)量增加，但其數(shù)量變化在短期內(nèi)并不顯著。

（3）從水稻安全、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)角度來看，秸稈還田配施石灰的最佳用量為1 800 kg·hm-2，既能兼顧水稻產(chǎn)量，又能保障稻谷、土壤生態(tài)安全。