趙方杰，趙星宇，陶祎敏，王漢卿，汪鵬

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京210095）

我國(guó)部分地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬鎘（Cd）污染問(wèn)題比較突出，造成農(nóng)產(chǎn)品Cd 含量超標(biāo)，不僅影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，還可能對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響[1-3]。按照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）劃分，土壤Cd 含量高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但低于風(fēng)險(xiǎn)管制值的農(nóng)用地為“安全利用類(lèi)”，在這類(lèi)農(nóng)用地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須采取措施以確保農(nóng)產(chǎn)品達(dá)標(biāo)。土壤Cd 的風(fēng)險(xiǎn)篩選值和風(fēng)險(xiǎn)管制值因土壤pH 不同而異，前者為0.3～0.6 mg·kg-1，后 者 為1.5～4.0 mg·kg-1。“安全利用類(lèi)”屬于中低污染，占污染農(nóng)用地的絕大部分。我國(guó)2016 年頒布的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》要求，到2020年和2030 年，受污染耕地安全利用率要分別達(dá)到90%左右和95%以上。因此，全國(guó)各地都在開(kāi)展污染耕地阻抗農(nóng)產(chǎn)品重金屬積累的措施研究。一個(gè)廣泛采用的措施是秸稈移除，其目的是通過(guò)移除積累在秸稈中的重金屬，逐步降低土壤重金屬含量。這個(gè)措施的效果如何，很少見(jiàn)到報(bào)道。本文通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，評(píng)估水稻秸稈移除對(duì)降低土壤Cd含量的效果。

1 材料與方法

通過(guò)對(duì)發(fā)表于1998 年至2020 年的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索和篩查，從中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算。英文文獻(xiàn)檢索自Web of Science 與Google Scholar，以“Rice”“China”“Cadmium”；“Rice”“har?vest index”等組合的關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索。中文文獻(xiàn)檢索自《中國(guó)知網(wǎng)》，檢索關(guān)鍵詞為“水稻”“鎘”；“水稻”“收獲指數(shù)”。首先對(duì)檢索出的論文進(jìn)行篩選與剔除，剔除標(biāo)準(zhǔn)為：（1）非田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（2）沒(méi)有重復(fù)或沒(méi)有明確標(biāo)明重復(fù)次數(shù)的數(shù)據(jù)；（3）試驗(yàn)場(chǎng)地非中國(guó)地區(qū)的數(shù)據(jù)。對(duì)篩選后的文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和匯總，包括試驗(yàn)?zāi)攴?、地點(diǎn)、土壤Cd 含量、水稻品種、秸稈生物量、秸稈Cd 濃度、稻谷產(chǎn)量、稻米Cd濃度、收獲指數(shù)等。

2 結(jié)果與討論

通過(guò)文獻(xiàn)檢索，共查到基于大田試驗(yàn)并同時(shí)提供土壤Cd 全量和水稻成熟期秸稈Cd 含量數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)22 篇（表1），包括了44 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)點(diǎn)分布在我國(guó)12 個(gè)省份（圖1a）。有些試驗(yàn)點(diǎn)包括多個(gè)水稻品種，本研究取其不同品種秸稈Cd 含量的平均值。將秸稈Cd 濃度與土壤Cd 濃度作圖（圖1b）可見(jiàn)，兩者具有顯著的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，回歸分析得到的方程如下：

式中：y代表水稻秸稈Cd濃度，mg·kg-1；x代表土壤Cd總濃度，mg·kg-1。

對(duì)22 篇文獻(xiàn)報(bào)道的籽粒和秸稈Cd濃度（表2）作圖可見(jiàn)，兩者呈現(xiàn)顯著的線(xiàn)性關(guān)系（圖2），回歸方程的斜率為0.11，該斜率與Duan 等[25]基于兩試驗(yàn)點(diǎn)466 份水稻品種的結(jié)果（斜率為0.12）相似。秸稈Cd 濃度與籽粒Cd 濃度的比率變幅為2.8～43.8，中值為8.0。

為了計(jì)算水稻秸稈積累Cd 量，首先需要知道秸稈的生物量。絕大多數(shù)文獻(xiàn)未報(bào)道秸稈生物量，但是根據(jù)稻谷產(chǎn)量和收獲指數(shù)可以計(jì)算秸稈生物量。從32 篇我國(guó)基于田間試驗(yàn)文獻(xiàn)中，得到水稻稻谷的生物量（平均值±SD）為8.01±1.9 t·hm-2（n=168），收獲指數(shù)為0.50±0.06（n=139），即秸稈與稻谷生物量相等。

以8 t·hm-2的秸稈生物量，再根據(jù)回歸方程（1）計(jì)算得到的秸稈Cd 濃度，可以計(jì)算秸稈Cd 的積累量（表3）。以耕層深度為0.2 m、土壤容重為1.3 g·cm-3計(jì)算不同Cd濃度（0.5～5.0 mg·kg-1）土壤Cd 總量（表3）。單季水稻秸稈可移除的Cd 占耕層土壤Cd 總量?jī)H為0.23%～0.37%（平均值為0.27%；表3），移除率隨著土壤Cd 濃度增加呈下降趨勢(shì)。總體而言，水稻秸稈移除對(duì)降低土壤Cd 的效果非常有限?？紤]到水稻籽粒Cd 含量?jī)H為秸稈Cd 含量的1/8 左右，水稻秸稈和籽粒對(duì)土壤Cd 的總移除率為0.30%左右，按此計(jì)算，種植100季水稻可移除30%的耕層土壤Cd。

表1 秸稈Cd濃度與土壤Cd濃度線(xiàn)性關(guān)系數(shù)據(jù)Table 1 Data of the linear relationship between straw Cd concentration and soil Cd concentration

假設(shè)植物吸收的Cd 來(lái)自于土壤中的有效態(tài)Cd，那么，秸稈移除可能使得土壤中有效態(tài)Cd 的下降幅度大于土壤總Cd的下降幅度。土壤中不同形態(tài)Cd處于動(dòng)態(tài)平衡之中，用同位素交換的方法測(cè)定的Cd E 值，反映了土壤Cd 的活性庫(kù)（Labile pool）。不同土壤Cd E值占Cd 總量的百分比變幅在10%～90%之間，平均值為60%[27-28]。按此平均值計(jì)算，單季水稻秸稈和籽粒移除的Cd 占土壤Cd活性庫(kù)的0.5%。

表2 籽粒Cd濃度與秸稈Cd濃度線(xiàn)性關(guān)系數(shù)據(jù)Table 2 Data of the linear relationship between grain Cd concentration and straw Cd concentration

表3 水稻秸稈對(duì)土壤鎘移除率Table 3 Removal rate of soil cadmium by rice straw

以上計(jì)算結(jié)果代表我國(guó)不同土壤類(lèi)型、不同水稻品種和栽培管理方式下的平均值。土壤性質(zhì)中，pH 值和土壤氧化還原狀況對(duì)Cd 的有效性影響很大。酸性和好氧條件下Cd 有效性提高[2-3，29-31]，水稻對(duì)Cd 的吸收增加，移除率也會(huì)相應(yīng)增加。在一些有利于提高土壤Cd 有效性的特定條件下，Cd 移除率可比平均水平高3～5 倍，即單季移除率可達(dá)土壤Cd 總量的0.9%～1.5%。即使在這些情況下，水稻秸稈和籽粒對(duì)土壤Cd的移除效果仍然很有限。

根據(jù)已有的報(bào)道，我國(guó)不同地區(qū)大氣沉降的Cd 通量變化幅度為0.4～25 g·hm-2·a-1[31-34]。與表3 比較可知，水稻秸稈Cd 積累量與大氣Cd 沉降量基本相等。除了大氣沉降外，灌溉水以及有些化肥和有機(jī)肥的施用也會(huì)向農(nóng)田土壤輸入Cd[2，33]。因此，考慮到Cd 輸入，秸稈移除很可能并不會(huì)降低土壤Cd含量。

與其他重金屬或類(lèi)金屬（如Pb、As、Hg）相比，Cd 從土壤向植物的移動(dòng)性較強(qiáng)，秸稈與土壤Cd 的濃度比值（即富集系數(shù)）遠(yuǎn)大于其他重金屬[35]。因此，秸稈移除對(duì)降低土壤中其他重金屬或類(lèi)金屬含量的效果比Cd更低。

秸稈移除減少了有機(jī)質(zhì)向土壤的輸入。此外，水稻秸稈富含多種礦質(zhì)元素，如Si的平均含量高達(dá)5%，每季秸稈Si的積累量平均值達(dá)400 kg·hm-2[36]。Si對(duì)水稻抵抗生物和非生物脅迫起重要作用[37-38]，長(zhǎng)期秸稈移除可使土壤有效Si含量下降，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[39]。此外，Si對(duì)水稻吸收Cd 和As 有抑制作用[40-41]，長(zhǎng)期秸稈移除可能削弱這種抑制作用。

3 結(jié)論

本研究基于文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)建立了水稻秸稈Cd 濃度與土壤Cd 濃度的線(xiàn)性回歸方程，根據(jù)該方程計(jì)算了水稻秸稈對(duì)Cd 的積累量，發(fā)現(xiàn)單季秸稈移除可降低耕層土壤Cd 含量平均值為0.27%，降鎘效果有限?？紤]到秸稈移除可能帶來(lái)的副作用，秸稈移除不宜作為中低污染農(nóng)田安全生產(chǎn)廣泛推廣的措施。