潘 婷 孫星星 張嘉偉 魏 泓 許 健 徐軼群

(揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225100)

近年來(lái)，我國(guó)水稻Cd超標(biāo)嚴(yán)重，引起了社會(huì)廣泛關(guān)注，人們把水稻Cd超標(biāo)歸因于我國(guó)嚴(yán)重的土壤污染。根據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，我國(guó)土壤重金屬污染現(xiàn)狀嚴(yán)峻，其中Cd點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7.0%，是污染最為嚴(yán)重的重金屬之一[1-2]。水稻是我國(guó)和其他一些亞洲國(guó)家最重要的糧食作物，易積累Cd，是人體攝入Cd的最主要來(lái)源，過(guò)量Cd的攝取將對(duì)人體健康帶來(lái)嚴(yán)重影響[3]。為了降低Cd在水稻中的積累，科研工作者在工程技術(shù)和農(nóng)藝措施等方面進(jìn)行了大量的研究，其中運(yùn)用水分管理阻控水稻Cd積累的研究得到了廣泛關(guān)注，成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。而水分管理阻控水稻Cd積累的核心是在水稻成長(zhǎng)至抽穗期前后淹水，這和我國(guó)水稻傳統(tǒng)灌溉方式基本一致。

基于此，本研究利用盆栽試驗(yàn)，在傳統(tǒng)水分管理下，研究Cd污染土壤水稻種植過(guò)程中，不同生長(zhǎng)時(shí)期施用生物質(zhì)炭及不同含量有機(jī)物對(duì)水稻不同部位Cd積累的影響，為我國(guó)農(nóng)業(yè)施肥及糧食安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水稻品種為江蘇省江陰市農(nóng)科所培育的“淮稻5號(hào)”；選用水稻田的耕層土壤作為試驗(yàn)盆栽土壤，風(fēng)干研磨后過(guò)篩用于盆栽試驗(yàn)，土壤的pH為7.13，有機(jī)質(zhì)為41.19 g/kg，速效磷為0.32 g/kg，速效鉀為0.31 g/kg，堿性氮為0.21 g/kg，全Cd為2.23 mg/kg，有效態(tài)Cd為0.48 mg/kg。前期向土壤添加外源Cd溶液，將土壤與外源Cd溶液充分混合均勻后，使試驗(yàn)土壤Cd約為10 mg/kg，常溫固化穩(wěn)定兩個(gè)月后作為污染土壤。外源有機(jī)物選用牛糞有機(jī)肥，取自于揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)牧場(chǎng)，有機(jī)質(zhì)為286.65 g/kg。生物質(zhì)炭購(gòu)于溧陽(yáng)市某炭業(yè)公司，為木屑源，pH為8.79。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)采用聚丙烯塑料盆(高24 cm，內(nèi)徑22 cm)，每盆裝土5.5 kg(以干質(zhì)量計(jì))，并施入定量基肥(1.10 g CH4N2O、1.05 g KH2PO4、0.30 g KCl)。按表1中的外源有機(jī)物添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，將過(guò)篩后的外源有機(jī)物與土壤充分混合；參照生物質(zhì)炭在重金屬污染土壤中施用的有關(guān)研究[11-12]，在保證水稻正常生長(zhǎng)的前提下，試驗(yàn)中生物質(zhì)炭按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的劑量施加，采取兩種施用方式，分別為秧苗移栽前(前期)和分蘗期末(后期)施用；采用農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)灌溉方式，根據(jù)水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期采用不同水量控制；水稻秧苗于6月統(tǒng)一移栽。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)置Table 1 Treatments of the experiment

1.3 樣品采集與分析

水稻成熟后，將水稻連同根一起取出，去除雜土清洗干凈，再用去離子水清洗3～4次，105 ℃殺青2 h后，65 ℃烘干至恒重。在分蘗期和成熟期采集土壤，風(fēng)干后研磨過(guò)10目篩，采用二乙三胺五乙酸(DTPA)提取法提取土壤有效態(tài)Cd，原子吸收分光光度計(jì)(AAS,Solaar MK2-M6)測(cè)定。利用萬(wàn)能粉碎機(jī)(FW100)將水稻各部位粉碎，過(guò)100目篩，干灰化法消解后，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Elan DRC-e)測(cè)定樣品Cd含量。

利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 10043(GSB-22)控制糙米樣品Cd總量的準(zhǔn)確度；采用SPSS 18.0進(jìn)行單因素方差分析(顯著性水平為0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭與有機(jī)物對(duì)土壤氧化還原電位(Eh)、pH和有效態(tài)Cd的影響

土壤Eh變化見(jiàn)圖1。各處理組土壤Eh整體呈下降趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)炭的施用對(duì)土壤Eh沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響，如圖1(a)所示，不添加有機(jī)物時(shí)，只施用生物質(zhì)炭的處理組和對(duì)照組(CWW)相似，Eh在第70天左右達(dá)到最低值(約-200 mV)，而后上升。圖1(b)和圖1(c)中，低含量有機(jī)物處理組及高含量有機(jī)物處理組無(wú)論是否添加生物質(zhì)炭，Eh在前期均隨淹水時(shí)間增加而急劇下降，且均在第63天左右出現(xiàn)最低值，最低值處于-300～-250 mV，而后稍有上升?？傮w來(lái)說(shuō)，相較于無(wú)有機(jī)物處理組，添加有機(jī)物的處理組Eh降低更為明顯。

圖1 各處理組的土壤EhFig.1 Eh of soil in different treatments

圖2為各處理組的pH變化趨勢(shì)。各處理組pH波動(dòng)較大，隨淹水時(shí)間增加pH趨近中性(pH=7)。這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭屬于堿性物質(zhì)，粒子表面帶有大量官能團(tuán)，可以與土壤中的酸性物質(zhì)結(jié)合[13]。研究表明，無(wú)論是堿性土還是酸性土，土壤淹水后，由于微生物的活動(dòng)消耗O2，產(chǎn)生厭氧和還原條件，Eh降低，而pH朝中性變化[14]，與其他研究結(jié)果[15-16]相似。

圖2 各處理組的土壤pHFig.2 pH of soil in different treatments

水稻不同生長(zhǎng)階段土壤有效態(tài)Cd變化見(jiàn)表2。淹水后，土壤有效態(tài)Cd含量在水稻不同生長(zhǎng)階段均有不同程度降低，且成熟期低于分蘗期。土壤Cd的形態(tài)受有機(jī)物影響較大，在相同的生長(zhǎng)期，有機(jī)物含量相同時(shí)，各處理組間(如CDH、CDQ和CDW)無(wú)顯著差異，但土壤有效態(tài)Cd含量隨有機(jī)物含量升高而降低，有機(jī)物添加組和不添加組相比有顯著差異。

表2 水稻不同生長(zhǎng)階段土壤有效態(tài)Cd1)Table 2 Available Cd in soil at different growth stages of rice

在水稻分蘗期，生物質(zhì)炭無(wú)論前期還是后期施用，和對(duì)照組(不施用生物質(zhì)炭)相比，土壤有效態(tài)Cd含量稍有下降但無(wú)顯著差異。在水稻成熟期，有機(jī)物添加相同的處理組，生物質(zhì)炭無(wú)論前期施用還是后期施用，和不施用生物質(zhì)炭相比，土壤有效態(tài)Cd含量無(wú)顯著差異。

作者簡(jiǎn)介：儀海平，女，鄄城縣教師進(jìn)修學(xué)校，菏澤市開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)衛(wèi)計(jì)局，檔案管理初級(jí)，研究方向：健康扶貧、檔案管理。

2.2 有機(jī)物與生物質(zhì)炭對(duì)水稻Cd積累的影響

2.2.1 生物質(zhì)炭的添加時(shí)期對(duì)水稻積累Cd的影響

由圖3可知，生物質(zhì)炭的施用可顯著降低糙米Cd的含量，生物質(zhì)炭單獨(dú)作用時(shí)，后期施用較前期施用對(duì)糙米Cd的積累抑制更為顯著，和對(duì)照組相比，糙米Cd分別降低了21.4%(前期施用)和51.4%(后期施用)。水稻根部Cd的積累量遠(yuǎn)高于其他部位，且各處理組間差異顯著；不同處理組中莖葉部位Cd無(wú)顯著差異；其他處理組稻殼Cd含量顯著低于對(duì)照組，前期和后期施用處理組較之對(duì)照組分別降低了47.9%和46.0%。

注：小寫(xiě)字母不同表示具有顯著差異(P<0.05)，圖4同。圖3 不同時(shí)期施加生物炭處理下水稻各部位的CdFig.3 Cd in various parts of rice under biochar application at different periods

2.2.2 不同含量有機(jī)物對(duì)水稻積累Cd的影響

不同含量有機(jī)物處理下水稻各部位Cd見(jiàn)圖4。除了莖葉外，有機(jī)物的添加顯著降低了水稻糙米、根部和稻殼Cd的含量，且糙米、根部和稻殼Cd的含量隨有機(jī)物含量的升高而降低，差異顯著。劉高云[17]研究發(fā)現(xiàn)，添加3種有機(jī)物料后，水稻的根部、莖葉和糙米部位中的Cd含量均有顯著降低，這與本研究結(jié)果相似。

圖4 不同有機(jī)物添加量處理下水稻各部位的CdFig.4 Cd in various parts of rice in different organic dosage treatments

2.2.3 有機(jī)物與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用對(duì)水稻Cd積累的影響

生物質(zhì)炭和有機(jī)物聯(lián)合施用于淹水土壤后，水稻各部位Cd見(jiàn)表3。可以看出，和對(duì)照組相比，有機(jī)物與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用的各處理組均能顯著降低糙米Cd的積累量，其中CDH、CDQ和CGH效果更為顯著。根部Cd的含量，高含量有機(jī)物與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用顯著低于其他處理組，而莖葉除了CDH的Cd含量較高外，其他處理組無(wú)顯著差異。

表3 有機(jī)物與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用下水稻不同部位CdTable 3 Cd in different parts of rice under the combined treatment of organic matter and biochar

稻殼Cd含量各處理組低于對(duì)照組，且各處理組間存在顯著差異。

本研究中，有機(jī)物和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用于水稻田時(shí)，在一定程度上可以降低糙米Cd的含量，低含量有機(jī)物與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用的處理組(CDH、CDQ)和高含量有機(jī)物后期施用生物質(zhì)炭的處理組(CGH)較其他處理組糙米Cd含量較低，但和有機(jī)物、生物質(zhì)炭單獨(dú)施用相比，糙米Cd的降低效果不如高含量有機(jī)物處理組(CGW)和后期施用生物質(zhì)炭處理組(CWH)。

3 討 論

本研究中生物質(zhì)炭的施用可顯著降低糙米Cd的含量，生物質(zhì)炭作為土壤改良劑在改善土壤理化性質(zhì)的同時(shí)還可以利用自身疏松多孔的結(jié)構(gòu)及表面豐富的含氧官能團(tuán)吸附土壤中的金屬污染物，改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)和遷移性，從而降低水稻糙米中Cd的含量。添加生物質(zhì)炭能降低水稻根部、糙米等器官中Cd的累積，并且相應(yīng)地影響了水稻地上部分Cd的分配。生物質(zhì)炭降低Cd在水稻糙米中的積累主要基于生物質(zhì)炭的“pH效應(yīng)”[18]。此外，生物質(zhì)炭還能提高土壤中pH和有機(jī)碳含量，促使土壤中酸溶態(tài)Cd轉(zhuǎn)化為可還原態(tài)，從而降低了土壤中Cd的生物有效性，進(jìn)而降低糙米Cd含量[19]。本研究中，在水稻分蘗期添加生物質(zhì)炭，土壤有效態(tài)Cd稍有下降，因?yàn)樯镔|(zhì)炭屬于堿性物質(zhì)，粒子表面帶有大量官能團(tuán)，土壤中有效態(tài)Cd主要受Eh控制。水稻能吸收的Cd形態(tài)主要為Cd2+，在還原條件下，Eh降低，Cd主要以CdS的形態(tài)存在，Cd的吸收被抑制[20]。

試驗(yàn)中，同等淹水的情況下，土壤Eh的降低主要受制于土壤有機(jī)物的含量，有機(jī)物含量會(huì)影響Cd的活性，因此，施用有機(jī)物可以促使Cd轉(zhuǎn)化形態(tài)，抑制作物吸收，進(jìn)而降低水稻地表部分的Cd積累量。KASHEM等[21]通過(guò)向污染的土壤添加不同的有機(jī)物，發(fā)現(xiàn)淹水情況下有機(jī)物能大幅降低土壤Eh，并顯著降低土壤Cd活性。本研究中，有機(jī)物的施用在一定程度上降低了土壤有效態(tài)Cd的含量，而糙米、根部和稻殼中Cd的含量隨有機(jī)物施加量的升高而降低。一方面，有機(jī)物有較大的比表面積，并攜帶大量的官能團(tuán)，能和土壤Cd形成螯合物，通過(guò)相互作用減少了Cd移動(dòng)性，從而導(dǎo)致植物對(duì)Cd吸收的減少[22]。另一方面，本研究中，和對(duì)照組相比，隨著有機(jī)物的添加，土壤Eh顯著降低，Cd的生物有效性降低，進(jìn)而降低水稻對(duì)Cd的吸收積累。

有機(jī)物和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用于水稻土壤時(shí)，在一定程度上亦可以降低水稻糙米Cd的含量。有機(jī)物和生物質(zhì)炭對(duì)水稻積累Cd的聯(lián)合作用影響較為復(fù)雜，可能的原因是生物質(zhì)炭和有機(jī)物阻控水稻吸收積累Cd的機(jī)制不同。生物質(zhì)炭主要是通過(guò)其巨大的比表面積和“pH效應(yīng)”對(duì)水稻土壤Cd遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，而無(wú)論是溶解性有機(jī)物還是固態(tài)有機(jī)物，都有很大的比表面積，可以提供高負(fù)電荷，是重金屬的強(qiáng)力吸附劑[23]。然而生物質(zhì)炭和有機(jī)物共同作用時(shí)，外源有機(jī)物可能吸附包埋部分生物質(zhì)炭，使各自對(duì)重金屬的影響效應(yīng)不能充分發(fā)揮，具體原因還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)研究生物質(zhì)炭和有機(jī)物對(duì)污染土壤種植水稻Cd積累的影響發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)水分管理?xiàng)l件下，Eh隨有機(jī)物的添加而降低，各處理組pH隨淹水時(shí)間增加而波動(dòng)變化最近趨近于中性。土壤有效態(tài)Cd在水稻不同生長(zhǎng)階段均有不同程度降低，且成熟期低于分蘗期，土壤有效態(tài)Cd隨有機(jī)物含量升高而降低。水稻植株根部Cd含量遠(yuǎn)高于的其他部位的Cd含量。

單獨(dú)施用時(shí)，生物質(zhì)炭的施用可顯著降低糙米Cd的含量，且后期施用較前期施用對(duì)水稻Cd的積累抑制效果更好。有機(jī)物的添加能顯著降低水稻糙米、根部和稻殼Cd的含量，且糙米、根部和稻殼中Cd含量隨有機(jī)物含量的升高而降低。有機(jī)物和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用于水稻田時(shí)，可一定程度上降低水稻糙米Cd的含量，不同處理組之間，低有機(jī)物生物質(zhì)炭組(CDH、CDQ)和高有機(jī)物后期施用生物質(zhì)炭組(CGH)施用效果較好，但和有機(jī)物、生物質(zhì)炭單獨(dú)施用組相比，糙米Cd含量的降低效果不如高含量有機(jī)物處理組(CGW)和后期施用生物質(zhì)炭處理組(CWH)。從有機(jī)物與生物質(zhì)炭聯(lián)合施用對(duì)水稻Cd的積累影響結(jié)果看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)施用生物質(zhì)炭或高含量有機(jī)物來(lái)最大程度降低水稻Cd的積累；考慮改善土壤質(zhì)量，兼顧水稻產(chǎn)量和品質(zhì)，建議采用前期施用高含量有機(jī)物和后期施用生物質(zhì)炭的聯(lián)合施用方式。