張子葉，謝運(yùn)河，黃伯軍，紀(jì)雄輝,，劉昭兵，張玉燭

（1. 湖南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410125；4. 農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；5. 湖南省農(nóng)業(yè)對(duì)外經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心，湖南 長(zhǎng)沙 410005；6. 湖南雜交水稻研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

近年來(lái)，我國(guó)糧食產(chǎn)量出現(xiàn)“十二連增”，國(guó)內(nèi) 糧食供應(yīng)充足，但在糧食連年增產(chǎn)的同時(shí)，耕地長(zhǎng)期處于高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，耕地地力嚴(yán)重透支，耕作層變淺，土壤質(zhì)量退化，已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出矛盾[1-2]，由于不合理的耕作方式和施肥，湖南部分地區(qū)稻田有機(jī)質(zhì)含量下降50%以上[3]；另一方面，土壤持續(xù)酸化[4-5]，耕地重金屬污染加劇[6]，采用物理、化學(xué)鈍化的原位修復(fù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)“邊修復(fù)邊生產(chǎn)”的需求[7-8]，確保糧食數(shù)量和質(zhì)量安全，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，受施用土壤調(diào)理劑理化性質(zhì)、水稻種植農(nóng)時(shí)等因素的影響，存在實(shí)施時(shí)間緊、難度大等缺點(diǎn)，極大的限制了產(chǎn)品的修復(fù)效果。因此，在國(guó)際糧價(jià)持續(xù)走低，而我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力持續(xù)增強(qiáng)的背景下，開(kāi)展耕地輪作休耕制度試點(diǎn)，充分體現(xiàn)了尊重人與自然和諧發(fā)展的新理念，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”的重大戰(zhàn)略目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟了新的道路[9-11]。研究針對(duì)水稻種植期間土壤調(diào)理劑施用困難的缺陷，結(jié)合國(guó)家休耕政策，選擇休耕的鎘（Cd）污染稻田，在休耕季節(jié)實(shí)行不同的水分管理和石灰施用，擬探明季節(jié)性休耕條件下不同水分管理和石灰施用下對(duì)土壤主要理化性狀、土壤有效態(tài)Cd含量以及復(fù)耕后水稻產(chǎn)量及稻米Cd含量的影響，為Cd污染稻田采用修復(fù)式休耕提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為花崗巖發(fā)育的麻砂泥水稻土，地處長(zhǎng)沙縣北山鎮(zhèn)常樂(lè)村（28°26′38″N，113°03′50″E）。土壤pH值5.45，土壤全氮2.45 g/kg，全磷1.32 g/kg，全鉀34.6 g/kg，有機(jī)質(zhì)43.4 g/kg，堿解氮231 mg/kg，有效磷25.7 mg/kg，速效鉀168 mg/kg。土壤全Cd 0.57 mg/kg，土壤有效態(tài)（1 mol/L乙酸銨提?。〤d含量0.11 mg/kg。供試水稻品種為秈型三系雜交水稻H優(yōu)518，全生育期108 d。供試石灰的CaO含量70.5%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年采用季節(jié)性（3～7月）休耕方式，按照裂區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列方法，將試驗(yàn)田一分為二，一半在休耕季節(jié)干旱管理，設(shè)置施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的用量處理，處理編號(hào)依次為H0、H1、H2、H3、H4；另一半在休耕季進(jìn)行淹水管理，淹水深度3～10 cm，設(shè)置施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的用量處理，處理編號(hào)依次為Y0、Y1、Y2、Y3、Y4，并在淹水處理的區(qū)域設(shè)置常規(guī)管理下種植雙季稻的對(duì)照（CK）。所有處理3次重復(fù)，單排單灌，小區(qū)面積30 m2，小區(qū)間田埂鋪蓋塑料薄膜至田面20 cm以下，防止小區(qū)間串肥串水。其中，石灰在3月10日施入并翻田耙勻，所有休耕小區(qū)在5月中旬再翻耕一次，小區(qū)內(nèi)雜草直接翻耕還田。所有小區(qū)種植晚稻，對(duì)照的早稻及所有小區(qū)的晚稻按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法進(jìn)行種植，分蘗盛期曬田一次，水分則按照當(dāng)?shù)馗蓾窠惶娴墓芾矸椒ㄟM(jìn)行。分別于5月5日、7月5日、9月5日和11月5日共4次取各小區(qū)土壤樣品測(cè)定pH值和有效態(tài)Cd含量；晚稻成熟期測(cè)產(chǎn)，并測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量以及稻米Cd含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)處理：采用SPSS 17.0及Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 休耕季水分管理與石灰施用條件下稻田土壤pH值的變化

在早、晚稻不同時(shí)間測(cè)定稻田土壤pH值，結(jié)果表明（圖 1），淹水休耕（Y0～Y4）或干旱休耕（H0～H4）下，不同時(shí)間測(cè)定的稻田土壤pH值皆隨石灰施用量的增加而增加，但不同測(cè)定時(shí)期間略有波動(dòng)。計(jì)算4次土壤pH值測(cè)定平均值可知，不施石灰的淹水休耕處理（Y0）和干旱休耕處理（H0），其土壤pH值與CK無(wú)顯著差異；而施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的淹水休耕處理，其土壤pH值比干旱休耕處理分別低0.26、0.31、0.51、0.31和0.19個(gè)單位，平均低0.32個(gè)單位，表明淹水降低了土壤的pH值。建立石灰施用量（x，單位：103 kg/hm2）與土壤pH值（y1）的線(xiàn)性方程：

計(jì)算可得，干旱休耕條件下每施用石灰1 000 kg/hm2可提高土壤pH值0.238 2個(gè)單位，而淹水休耕條件下每施用石灰1 000 kg/hm2可提高土壤pH值0.246 5個(gè)單位。由此可見(jiàn)，淹水休耕降低了土壤的基準(zhǔn)土壤pH值，但施用生石灰提高土壤pH值的效果略高于干旱休耕。

圖1 不同處理下的稻田土壤pH值

2.2 休耕季水分管理與石灰施用條件下稻田土壤有效態(tài)Cd含量的變化

在早、晚稻不同時(shí)間測(cè)定稻田土壤有效態(tài)Cd含量結(jié)果表明（圖2），淹水休耕（Y0～Y4）或干旱休耕（H0～H4）下，土壤有效態(tài)Cd含量皆隨石灰施用量的增加而逐漸下降；且同一處理的土壤有效態(tài)Cd含量除第一次（5月5日）差異較大外，其余3次之間的波動(dòng)較小。第一次測(cè)定的土壤有效態(tài)Cd含量，不施石灰的淹水休耕處理（Y0）土壤有效態(tài)Cd含量與CK無(wú)顯著差異，但Y0和CK處理的土壤有效態(tài)Cd含量皆顯著低于不施石灰的干旱休耕處理（H0），其原因主要是CK的雙季稻種植過(guò)程中，早稻季雨水豐富，淹水時(shí)間較多，其水分管理上與H0較為接近所致；干旱休耕下不同石灰施用量處理（H0～H4）第一次測(cè)定的土壤有效態(tài)Cd含量顯著高于后期測(cè)定的土壤有效態(tài)Cd含量，而淹水休耕下則為第一次測(cè)定的土壤有效態(tài)Cd含量顯著低于后期測(cè)定的土壤有效態(tài)Cd含量，表明季節(jié)性休耕下，水分管理主要是影響前期（早稻分蘗盛期）的土壤有效態(tài)Cd含量，淹水降低土壤有效態(tài)Cd含量，而干旱則增加土壤有效態(tài)Cd含量，但隨處理時(shí)間的后移，土壤有效態(tài)Cd含量趨于穩(wěn)定，且淹水休耕或干旱休耕下土壤有效態(tài)Cd含量主要受石灰施用量的影響，土壤有效態(tài)Cd含量皆隨石灰施用量的增加而下降。計(jì)算4次土壤有效態(tài)Cd平均含量，建立石灰施用量（x，單位：103 kg/hm2）與土壤有效態(tài)Cd含量（y2）的線(xiàn)性方程：

干旱休耕：y2=-0.007 5 x+0.097 0 （R2=0.779 4） （3）

淹水休耕：y2=-0.007 5 x+0.083 4 （R2=0.844 4） （4）

計(jì)算可得，干旱休耕和淹水休耕下，每施用石灰1 000 kg/hm2皆可降低土壤有效態(tài)Cd含量0.007 5 mg/kg，表明干旱休耕下與淹水休耕下施用石灰降低土壤有效態(tài)Cd含量的效果相當(dāng)。

圖2 不同處理下的稻田土壤有效態(tài)Cd含量

2.3 休耕季水分管理與石灰施用條件下稻田土壤有機(jī)質(zhì)及陽(yáng)離子交換量的變化

測(cè)定晚稻成熟期土壤有機(jī)質(zhì)含量結(jié)果表明（圖3），干旱休耕處理（H0～H4）的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于雙季稻種植的CK處理和淹水休耕處理（T0～Y4），但干旱休耕或淹水休耕下不同石灰施用量處理間無(wú)顯著差異，表明石灰施用量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著影響，土壤有機(jī)質(zhì)含量主要受水分管理的調(diào)節(jié)，淹水休耕有利于土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加。

測(cè)定晚稻成熟期土壤陽(yáng)離子交換量結(jié)果表明（圖4），干旱休耕處理（H0～H4）的土壤陽(yáng)離子交換量顯著低于雙季稻種植的CK處理和淹水休耕處理（T0～Y4），但干旱休耕或淹水休耕下，不同石灰用量處理間無(wú)顯著差異，表明石灰施用量對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量無(wú)顯著影響，土壤陽(yáng)離子交換量也主要受水分管理的調(diào)控，淹水休耕條件也有利于土壤陽(yáng)離子交換量的增加。

圖3 不同處理下的休耕稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量

圖4 不同處理下的休耕稻田土壤陽(yáng)離子交換量

2.4 休耕季水分管理與石灰施用條件下復(fù)種水稻產(chǎn)量的變化

測(cè)定晚稻產(chǎn)量結(jié)果表明（圖5），CK的晚稻產(chǎn)量最低，淹水休耕和干旱休耕皆可增加水稻產(chǎn)量，且結(jié)合施用石灰的修復(fù)式休耕產(chǎn)量更高，干旱休耕結(jié)合施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的晚稻產(chǎn)量分別比CK增產(chǎn)8.25%、13.06%、24.70%、23.19%和10.04%；淹水休耕結(jié)合施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的晚稻產(chǎn)量分別比CK增產(chǎn)19.82%、24.52%、28.85%、27.37%和24.01%，全部高于干旱休耕處理。建立石灰施用量（x，單位：103 kg/hm2）與晚稻產(chǎn)量（y3）的二次曲線(xiàn)方程：

干旱休耕：y3=-70.451 x2+464.01 x+4 798.2

淹水休耕：y3=-31.475 x2+222.73 x+5 405.9

計(jì)算可得，干旱休耕時(shí)晚稻產(chǎn)量最高的石灰理論施用量為3 293 kg/hm2，晚稻理論最高產(chǎn)量為5 562 kg/hm2；淹水休耕時(shí)晚稻產(chǎn)量最高的石灰理論施用量為3 538 kg/hm2，晚稻理論最高產(chǎn)量為5 800 kg/hm2。

圖5 不同處理下的休耕稻田晚稻產(chǎn)量

2.5 休耕季水分管理與石灰施用條件下復(fù)種水稻稻米Cd含量的變化

測(cè)定晚稻稻米Cd含量結(jié)果表明（圖6），雙季稻種植對(duì)照（CK）的晚稻稻米Cd含量最高，淹水休耕（Y0）和干旱休耕（H0）皆可顯著降低稻米Cd含量，且稻米Cd含量皆隨石灰施用量的增加而下降。其中，干旱休耕下，石灰施用量高于4 500 kg/hm2時(shí)，稻米Cd含量不再下降；而淹水休耕下，石灰施用量為3 000 kg/hm2時(shí)，稻米Cd含量不再下降。表明淹水休耕條件下，Cd污染土壤修復(fù)式休耕的石灰最佳施用量為3 000 kg/hm2；而干旱休耕條件下Cd污染土壤修復(fù)式休耕的石灰最佳施用量為4 500 kg/hm2。干旱休耕下修復(fù)Cd污染稻田的最佳石灰施用量高于淹水休耕。建立石灰施用量（x，單位：103 kg/hm2）與晚稻稻米Cd含量（y4）的二次曲線(xiàn)方程：

計(jì)算可得，干旱休耕時(shí)晚稻稻米Cd含量最低的石灰理論施用量為5 120 kg/hm2，晚稻理論最低稻米Cd含量為0.124 2 mg/kg；淹水休耕時(shí)晚稻產(chǎn)量最高的石灰理論施用量為4 636 kg/hm2，晚稻理論最低稻米Cd含量為0.100 7 mg/kg。由此可見(jiàn)，干旱休耕下降低稻米Cd含量效果最高的石灰施用量高于淹水休耕，但其理論最低稻米Cd含量卻高于淹水休耕，表明淹水休耕條件下更有利于降低稻米Cd含量，并可減少石灰的用量。

圖6 不同處理下的休耕稻田晚稻稻米Cd含量

3 討 論

不同水分狀態(tài)下，土壤中重金屬的結(jié)合形態(tài)可互相轉(zhuǎn)化。淹水還原條件下，有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd最穩(wěn)定；而氧化條件下，有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd則被轉(zhuǎn)化為生物可利用的水溶態(tài)、可交換態(tài)或溶解絡(luò)合態(tài)而釋放到水中，并隨氧化還原電位的增大，釋放量增加[12]。淹水土壤中，Ca2+和Mg2+等鹽基離子對(duì)吸附點(diǎn)位的競(jìng)爭(zhēng)、Cd2+與陰離子的配合、與可溶性有機(jī)質(zhì)的螫合，均會(huì)促進(jìn)土壤對(duì)Cd的解吸，淹水后土壤中所發(fā)生的一系列物理、化學(xué)變化都將直接或間接地對(duì)Cd在土—水界面上的吸附和解吸過(guò)程產(chǎn)生影響[13-15]。研究結(jié)果表明，相同石灰用量下，休耕期進(jìn)行淹水可顯著提高復(fù)種水稻后的土壤有機(jī)質(zhì)含量及陽(yáng)離子交換量，其土壤有效態(tài)Cd含量也皆低于干旱處理，并可顯著降低稻米Cd含量。有研究表明，與通氣良好的土壤相比，淹水土壤中O2的減少，可降低有機(jī)質(zhì)的分解速率，從而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的累積[16-17]，且長(zhǎng)時(shí)期淹水能夠降低土壤鹽分及速效養(yǎng)分含量，增加土壤耕層有機(jī)質(zhì)含量[18]。表明休耕期進(jìn)行淹水管理減緩了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，淹水休耕土壤的有機(jī)質(zhì)含量高于干旱休耕土壤。而有機(jī)質(zhì)既可通過(guò)改變土壤負(fù)電荷量、pH等理化性質(zhì)以提高土壤對(duì)Cd的吸附；還因其具有大量的功能團(tuán)，對(duì)Cd具有螯合作用，可導(dǎo)致Cd活性降低，且淹水后土壤有機(jī)質(zhì)累積，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體更加穩(wěn)定，對(duì)Cd的吸附增強(qiáng)；進(jìn)行淹水還可降低土壤陽(yáng)離子濃度，減小與Cd對(duì)膠體吸附的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)土壤膠體對(duì)Cd的吸附；但有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤Cd的影響不穩(wěn)定，隨著有機(jī)質(zhì)的分解，吸附的Cd會(huì)釋放出來(lái)，并向交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化，提高Cd的活性[19-22]。由此可見(jiàn)，休耕期進(jìn)行淹水和干旱管理，并通過(guò)影響有機(jī)質(zhì)的分解速度，進(jìn)而影響到復(fù)種后土壤Cd的活性，淹水有利于Cd活性的降低，并可顯著降低復(fù)種水稻稻米Cd含量。

大量研究也表明，施用石灰可提高土壤pH值，降低Cd的有效性，減少水稻對(duì)Cd的吸收及向籽粒的運(yùn)輸，施用石灰已成為修復(fù)稻田Cd污染的重要舉措之一[23-24]。研究結(jié)果表明，不管是干旱休耕還是淹水休耕，隨石灰施用量的增加，土壤pH值顯著增加，土壤有效態(tài)Cd含量下降，稻米Cd含量也顯著下降。休耕期施用石灰和水分管理不僅影響休耕季節(jié)的土壤理化性質(zhì)，對(duì)復(fù)種后水稻Cd吸收也具有相應(yīng)的作用，且二者間對(duì)土壤Cd生物有效性的影響呈加和作用，兩項(xiàng)措施之間不存在效果抵消，可以單項(xiàng)或組合實(shí)施。稻田酸性土壤施加生石灰后，土壤溶質(zhì)pH值升高將增加土壤膠體表面的負(fù)電荷容量，從而增強(qiáng)對(duì)重金屬陽(yáng)離子的吸附能力；pH值的升高也會(huì)促進(jìn)重金屬陽(yáng)離子羥基態(tài)的形成，而羥基態(tài)金屬陽(yáng)離子與土壤吸附點(diǎn)位的親和力高于自由陽(yáng)離子，故有利于重金屬形成碳酸鹽等沉淀[25-26]。土壤中Ca含量的升高會(huì)降低砂質(zhì)土壤對(duì)Cd的吸附能力，增加Cd在土壤體系中的移動(dòng)性[27-28]，施用石灰不僅可降低土壤有效態(tài)Cd含量，減少根系對(duì)Cd的吸收，還可提高水稻莖稈中的Ca含量，進(jìn)而抑制Cd由根系向莖稈的轉(zhuǎn)移，以上兩者的共同作用抑制了水稻稻米Cd的積累[23]。

4 結(jié) 論

休耕期施用石灰和水分管理不僅影響休耕季節(jié)的土壤理化性質(zhì)，對(duì)復(fù)種后水稻Cd吸收也具有相應(yīng)的作用，且二者間對(duì)土壤Cd生物有效性的影響呈加和作用。相同石灰用量下，休耕期進(jìn)行淹水可顯著提高復(fù)種水稻后的土壤有機(jī)質(zhì)含量及陽(yáng)離子交換量，并顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量和稻米Cd含量。而隨石灰施用量的增加，土壤pH值顯著增加，土壤有效態(tài)Cd含量下降，稻米Cd含量也顯著下降。

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在中小河流治理中存在如何在安全性保證的前提下進(jìn)行近自然生態(tài)建設(shè)，如何改善水環(huán)境，如何進(jìn)行生態(tài)濕地建設(shè)以及水質(zhì)改善工程等一系列相關(guān)問(wèn)題。

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