李小飛 代兵 何曉峰 黃偉樂 鄭煜基 梁金明 楊國義 陳能場

摘要：為探究生物有機肥對水稻糙米的降鎘（Cd）效果，分別采用盆栽試驗和田間試驗研究了不同有機肥施用量對水稻土壤pH值、有機質(zhì)含量、有效態(tài)Cd含量以及糙米中Cd含量的影響。盆栽試驗結(jié)果表明，與對照相比，25～45 g/kg 增施量處理的酸性土壤pH值顯著提高0.97～1.12（P<0.05），有機質(zhì)含量顯著增加24.0%～32.4%，有效態(tài)Cd含量下降9.2%～36.8%，糙米中Cd含量顯著減少67.7%～72.3%;隨著有機肥施用量增加，土壤pH值、有機質(zhì)含量以及糙米中Cd含量并無顯著性差異。田間試驗結(jié)果表明，與對照相比，25～45 t/hm2增施量處理的稻田土壤pH值提高了009～0.68，有機質(zhì)含量增加4.7%～58.9%，有效態(tài)Cd含量顯著降低26.6%～34.2%，糙米中Cd積累量顯著減少30.6%～37.6%;施用量從25 t/hm2增加到35 t/hm2時，水稻成熟后土壤pH值和有機質(zhì)含量顯著增加，但有效態(tài)Cd含量和水稻糙米中Cd含量無明顯差異;隨著施用量繼續(xù)增加，土壤pH值、有機質(zhì)含量、有效態(tài)Cd含量和水稻糙米中Cd含量并無顯著性變化。綜上所述，相同水分管控條件下，盆栽試驗中增施生物有機肥對提升土壤pH值和有機質(zhì)含量、降低糙米中Cd含量的應(yīng)用效果優(yōu)于田間試驗，但在一定施用量條件下均能顯著提高酸性土壤的pH值和有機質(zhì)含量，增強土壤酸堿緩沖能力，從而達(dá)到降低土壤中有效態(tài)Cd含量，顯著減少水稻糙米中Cd積累量的目的。

關(guān)鍵詞：生物有機肥;水稻;糙米;鎘;土壤pH值;有機質(zhì)含量

中圖分類號： S511.06文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）08-0096-06

收稿日期：2020-08-07

基金項目：韶關(guān)市土壤污染防治科技專項（編號：2017sgtyfz202）;中山市社會公益科技研究項目（編號：2018B1014）。

作者簡介：李小飛（1990—），男，湖南郴州人，碩士，工程師，主要從事土壤污染與控制方面的研究。E-mail：xfli@soil.gd.cn。

通信作者：陳能場，博士，研究員，主要從事污染物環(huán)境化學(xué)行為及其生物修復(fù)方面的研究。E-mail：ncchen@soil.gd.cn。

隨著工礦業(yè)的發(fā)展，大量的重金屬污染物通過污水灌溉以及大氣沉降等途徑進(jìn)入到農(nóng)田土壤環(huán)境中，造成土壤重金屬含量超標(biāo)，嚴(yán)重威脅我國的糧食安全[1-2]。鎘（Cd）是自然界中分布廣泛的一種高危害有毒致癌類物質(zhì)，易被水稻吸收，具有蓄積性強、毒性持久等特點[3]。近年來，多地出現(xiàn)的“鎘大米”事件使得農(nóng)田鎘污染逐漸受到人們的關(guān)注，如何抑制水稻對隔的吸收，降低稻米中的鎘含量已成為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點之一[4-6]。

原位鈍化修復(fù)是通過向農(nóng)田土壤中施加石灰等鈍化調(diào)理劑，改變鎘在土壤中的賦存形態(tài)和生物活性，從而抑制農(nóng)作物對鎘的吸收，達(dá)到受污染農(nóng)田土壤安全利用的目的，具有操作簡單以及見效快等優(yōu)點[7]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中有機肥料的大力推廣應(yīng)用，以生物有機肥作為土壤調(diào)理劑解決農(nóng)田鎘污染已成為研究的熱點。研究表明，施用有機肥可通過改變土壤中的有機質(zhì)含量和pH值，降低土壤中重金屬的生物有效性，從而抑制農(nóng)作物根系對重金屬的吸收，并且在重度污染農(nóng)田中效果更為顯著[8-9]。馬鐵錚等將含枯草芽孢桿菌的生物有機肥施用于水稻種植中，結(jié)果表明，該有機肥不僅提高了土壤pH值和養(yǎng)分含量，還顯著降低了土壤有效態(tài)鎘含量，糙米Cd含量下降了22%[10]。鄒傳等研究發(fā)現(xiàn)，施加不溶性腐殖酸濾渣可以顯著降低土壤中有效態(tài)Cd含量，并且鈍化效果隨著濾渣粒徑減小而增強[11]。然而，張佳等的研究則表明，在水稻種植過程中施用菜籽餅肥會導(dǎo)致土壤孔隙水中可溶性有機碳（DOC）、可溶性有機氮（DON）和可溶性鎘的含量升高，從而促進(jìn)了水稻對Cd的吸收和累積，不利于稻米的安全利用[12]。由此可知，前人在有機肥應(yīng)用于農(nóng)田土壤改良等方面已經(jīng)做了一定量的試驗性研究，但卻極少涉及以超高溫發(fā)酵條件下獲得的生物有機肥作為調(diào)理劑的應(yīng)用試驗，因此以該類生物有機肥作為土壤調(diào)理劑應(yīng)用于農(nóng)田重金屬污染治理中，對土壤中鎘有效性、糙米Cd含量等的影響亟待研究。YM菌生物有機肥為牲畜糞尿等經(jīng)超高溫發(fā)酵的產(chǎn)物，具有高有機質(zhì)和生物酶含量的特點。本研究以YM菌生物有機肥作為外源有機肥，通過盆栽試驗和田間試驗對生物有機肥在抑制水稻對土壤中Cd的吸收以及減少糙米中Cd積累方面進(jìn)行研究，初步探討不同增施量條件下水稻土壤pH值、有機質(zhì)含量、有效態(tài)Cd以及糙米中Cd含量的差異，旨在為當(dāng)前我國鎘污染農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)開發(fā)和糧食安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤來源于廣東省韶關(guān)市仁化縣董塘鎮(zhèn)某冶煉廠周邊農(nóng)田（113°39′36.17″E，25°06′35.39″N）水稻田耕作層。土壤pH值為5.15，呈酸性;總Cd含量為2.27 mg/kg，超過GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中水稻田土壤鎘濃度標(biāo)準(zhǔn)限值的6.5倍，屬重度污染;YM菌生物有機肥由鵬鷂環(huán)保股份有限公司提供;水稻由廣東省韶關(guān)市仁化縣當(dāng)?shù)剞r(nóng)資站提供，品種為廣東省韶關(guān)市常規(guī)水稻美香占2號。供試土壤、田間土壤以及YM菌生物有機肥基本理化性質(zhì)詳見表1。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗：將供試土壤置于陰涼處自然風(fēng)干，去除石塊、根系等雜物后破碎過18目篩，干燥保存待用。本試驗根據(jù)YM菌生物有機肥施用量梯度（0、25、35、45 g/kg）共設(shè)置4組處理（CK、YM25、YM35、YM45），每組處理3次重復(fù)。2018年3月28日筆者所在項目組根據(jù)試驗方案將有機肥與供試土壤充分混勻，用自來水將盆栽內(nèi)的土壤淹水熟化1周后進(jìn)行水稻秧苗移栽，每盆2株幼苗。在水稻前中期生長過程采取持續(xù)水淹處理，分蘗后期開始減少淹水水分以及烤田處理的水分管控措施，所有必要的處理中使用常用農(nóng)藥。2018年8月9日水稻移植 120 d 后成熟收獲，并分別采集土壤和水稻植株樣品。本次盆栽試驗在廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所內(nèi)的溫室大棚試驗基地內(nèi)開展完成。

田間試驗：根據(jù)生物有機肥施用量梯度（0、25、35、45 t/hm2）共設(shè)置4組處理（CK、YM25、YM35、YM45），每組處理3次重復(fù)。2018年3月21日筆者所在項目組根據(jù)試驗方案將有機肥與各小區(qū)耕作層土壤充分混勻，淹水靜置1周后進(jìn)行水稻插秧，秧苗間距為20 cm，行距為20 cm。在水稻前中期生長過程采取持續(xù)水淹處理，分蘗后期開始減少淹水水分以及烤田處理的水分管控措施，所有必要的處理中使用常用農(nóng)藥。2018年7月26日水稻插秧120 d后成熟收獲，分別采集土壤和水稻植株樣品。本次野外田間試驗在韶關(guān)市仁化縣某冶煉廠附近農(nóng)田受鎘污染區(qū)土壤中開展完成。

1.3 樣品采集與處理

盆栽試驗直接采集各處理的土壤和糙米樣品，田間試驗采用五點采樣法分別采集各小區(qū)的土壤和糙米樣品。采集的土壤樣品置于陰涼處自然風(fēng)干，去除根系后破碎，依次過10目和100目篩，待測。水稻糙米樣品用去離子水洗凈，置于80 ℃烘箱內(nèi)烘干，脫殼碾磨后過40目篩，待測。

1.4 測試分析

采用0.01 mol/L氯化鈣浸提，用電位法測定土壤pH值;采用重鉻酸鉀比鈀法測定土壤有機質(zhì)（OM）含量;采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提、電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）儀測定土壤中有效態(tài)Cd含量;采用硝酸+高氯酸（9+1）混酸消解，原子吸收分光光度計石墨爐法測定糙米中Cd含量。

1.5 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2013和SigmaPlot進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖形處理;采用SPSS 20.0軟件中Duncans檢驗法進(jìn)行各處理間的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物有機肥對土壤pH值的影響

盆栽試驗結(jié)果（圖1-a）表明，增施生物有機肥能有效提高土壤pH值，改善土壤酸堿緩沖能力。與對照相比，25～45 g/kg施用量處理的土壤pH值顯著提高，提高了0.97～1.13，促使土壤由酸性向中性條件轉(zhuǎn)變，從而改善了水稻生長過程中的土壤酸堿環(huán)境，這與陳紅金等得出的有機肥能提高酸性土壤pH值的研究結(jié)果[13]基本一致。此外，3種施用量處理的土壤pH值均大于6.5，但并無顯著性差異，說明25～45 g/kg 范圍內(nèi)的生物有機肥施用量對土壤pH值的變化影響不大。

田間試驗結(jié)果（圖1-b）表明，與對照相比，25 t/hm2 有機肥增施量處理的稻田土壤pH值雖有升高趨勢，但并無顯著性差異;當(dāng)施用量增加到 35 t/hm2 時，土壤pH值顯著提高，但隨著施用量進(jìn)一步增加，土壤pH值并無顯著性變化，說明酸性稻田中增施生物有機肥有利于改善土壤酸堿環(huán)境，其影響效果與施用量有關(guān)。3種增施生物有機肥處理的土壤pH值均未超過6.0，說明其在野外大田應(yīng)用中對酸性稻田土壤的酸堿改良效果稍差于盆栽試驗，但當(dāng)施用量超過35 t/hm2時仍能達(dá)到顯著水平。

2.2 生物有機肥對土壤有機質(zhì)含量的影響

盆栽試驗結(jié)果（圖2-a）表明，增施生物有機肥能有效提高土壤中的有機質(zhì)含量。與對照相比，25～45 g/kg施用量處理的土壤中有機質(zhì)含量顯著增加，增加了24.1%～32.4%，土壤肥力提升且土壤中羥基、氨基等官活性能團(tuán)數(shù)量增加，這與陸成杰等得出的施用外源有機肥有利于提高土壤有機質(zhì)含量的研究成果[14]基本一致。此外，3種增施生物有機肥處理的土壤有機質(zhì)含量均超過了33 g/kg，但并無顯著性差異，說明在25～45 g/kg范圍內(nèi)增加有機肥施用量對土壤有機質(zhì)的含量影響不大。

田間試驗結(jié)果（圖2-b）表明，與對照相比，25 t/hm2 有機肥增施量處理的稻田土壤有機質(zhì)含量雖有增加趨勢，但并無顯著性差異;當(dāng)施用量提高到35 t/hm2時，土壤有機質(zhì)含量顯著增加，增加了13.4 g/kg，但隨著施用量的進(jìn)一步增加，土壤有機質(zhì)含量并無顯著性變化，說明酸性稻田中增施生物有機肥有利于提高土壤有機質(zhì)含量，增加土壤肥力，其影響效果與施用量有關(guān)。與盆栽試驗相比，野外田間試驗中利用生物有機肥增加土壤有機質(zhì)含量的效果稍差，但當(dāng)施用量超過35 t/hm2時仍能達(dá)到顯著水平。

2.3 生物有機肥對土壤中有效態(tài)Cd含量的影響

盆栽試驗結(jié)果（圖3-a）表明，增施生物有機肥有利于降低土壤中有效態(tài)Cd的含量，從而抑制水稻對土壤中Cd的吸收。與對照相比，25 g/kg有機肥增施量處理的土壤有效態(tài)Cd雖有下降趨勢，但并無顯著性差異;當(dāng)施用量增加到35～45 g/kg時，土壤有效態(tài)Cd含量顯著降低，降低了17.6%～372%，并且降幅隨著施用量的增加而增大。由此可知，酸性土壤中增加生物有機肥施用量有利于降低土壤有效態(tài)Cd含量，其影響效果與施用量呈正相關(guān)。

田間試驗結(jié)果（圖3-b）表明，與對照相比，25～45 t/hm2 有機肥增施量處理的稻田土壤有效態(tài)Cd含量顯著下降，下降了26.6%～34.2%，但3種增施量處理間土壤有效態(tài)Cd含量差異不大，說明酸性稻田中增施生物有機肥能有效降低土壤中有效態(tài)Cd含量，有利于減少水稻對Cd的積累。

2.4 有機肥對糙米中Cd含量的影響

盆栽試驗結(jié)果（圖4-a）表明，與對照相比，3種增施生物有機肥處理的水稻糙米中Cd含量顯著下降，下降了67.7%～72.3%，說明增施該生物有機肥能有效抑制水稻對土壤中Cd的吸收，顯著降低糙米中的Cd含量，這與駱文軒等得出的有機肥施用能有效減少糙米中Cd積累量的結(jié)論[15]一致。隨著生物有機肥施用量增加，糙米中Cd含量有逐漸下降的趨勢，但并無顯著性差異，說明增加施用量對水稻糙米的降鎘效果影響不大。此外，45 g/kg增施處理的水稻糙米Cd含量為0.18 mg/kg，已低于GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》中糙米中Cd含量的標(biāo)準(zhǔn)限值（0.2 mg/kg），達(dá)到了糧食安全生產(chǎn)的要求。

田間試驗結(jié)果（圖4-b）表明，與對照相比，3種增施生物有機肥處理的水稻糙米中Cd含量顯著下降，下降了30.6%～37.6%，說明以該有機肥作為基肥應(yīng)用于受鎘污染的酸性稻田土壤中能有效降低水稻糙米中Cd含量，但降鎘效果低于盆栽試驗。隨著生物有機肥施用量增加，糙米中Cd含量變化并無顯著性差異，說明該范圍內(nèi)增加有機肥施用量對水稻糙米的降鎘效果影響不大。

3 討論

有機肥中含有能與H+和重金屬陽離子相互作用的羥基、氨基等官能團(tuán)，因此能有效提高土壤pH值[16]。本研究中無論是盆栽試驗還是田間試驗結(jié)果均表明，施用生物有機肥有利于提高土壤pH值，其研究結(jié)果與前人的基本一致，但也發(fā)現(xiàn)不同的應(yīng)用環(huán)境下還存在一定的效果差異。相同水分管控條件下，盆栽試驗中施用生物有機肥對土壤pH值和有機質(zhì)含量的改良效果優(yōu)于田間試驗，但在一定施用量條件下均能顯著提高酸性土壤的pH值和有機質(zhì)含量，增強土壤酸堿緩沖能力，從而達(dá)到降低土壤中有效態(tài)Cd含量的目的。盆栽試驗中，25 g/kg 施用量就能顯著提高酸性土壤的pH值，并且3種增施處理的土壤pH值均大于6.5;田間試驗中，35 t/hm2施用量才能達(dá)到顯著提高土壤pH值的效果，并且3種增施處理的土壤pH值均未超過60，造成該效果差異可能有2個方面的原因：一方面，水稻生長過程中根系會分泌部分酸性物質(zhì)，促使土壤pH值下降，由于田間栽培的水稻生長情況優(yōu)于盆栽，根系更為發(fā)達(dá)，因此分泌的酸性物質(zhì)更多[17-18]，導(dǎo)致大田中增施有機肥對土壤pH值的提升效果低于盆栽;另一方面，雖然增施有機肥具有提高土壤pH值、增強酸堿緩沖能力的作用，但由于田間試驗中的水稻發(fā)育較好，根系酸性物質(zhì)分泌以及土壤有機肥礦化分解速率更快，雙重作用致使土壤酸堿緩沖能力下降，從而導(dǎo)致田間試驗中的稻田土壤pH值低于盆栽試驗，以及增施25 t/hm2有機肥處理的稻田土壤pH值與對照組并無明顯差異的情況。

土壤pH值以及有機質(zhì)含量可直接影響土壤中Cd的賦存形態(tài)，pH值升高和有機質(zhì)含量增加都會降低土壤中Cd的生物有效性[19-20]。有機肥主要通過提高土壤pH值、有機質(zhì)含量和脫氫酶活性等從而降低土壤中有效態(tài)Cd含量[20-22]，其中土壤pH值升高有利于土壤中Cd由弱酸提取態(tài)向可還原態(tài)轉(zhuǎn)化;增加土壤中的有機質(zhì)含量能夠為重金屬提供更多的結(jié)合點位，有利于土壤中Cd由弱酸提取態(tài)向可氧化態(tài)轉(zhuǎn)化;生物酶活性通過影響微生物代謝從而影響土壤中Cd賦存形態(tài)。本試驗結(jié)果表明，盆栽試驗和田間試驗中增施生物有機肥均有利于提高土壤的pH值和酸堿緩沖能力;生物有機肥本身具有較高的有機質(zhì)含量，同時緩釋特征使得在整個水稻的生育期內(nèi)土壤有機質(zhì)含量均顯著提高;YM菌生物有機肥本身含有較高活性的生物酶等，以上因素共同促使了增施生物有機肥使得酸性土壤中Cd由生物活性較強的弱酸提取態(tài)向可還原態(tài)等轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致土壤中有效態(tài)Cd含量降低的情況。此外，與田間試驗相比，盆栽試驗中水稻成熟后的土壤有效態(tài)Cd含量明顯偏高，其原因可能一方面是由于水稻生長過程中采取淹水-烤田的水分管控措施，水稻生長后期由于排水烤田處理使得土壤pH值降低，有機質(zhì)對Cd的絡(luò)合和螯合能力下降[23-25]，土壤中部分可還原態(tài)和可氧化態(tài)Cd重新轉(zhuǎn)化為弱酸提取態(tài);另一方面，盆栽試驗中供試土壤的Cd含量相對較高，同時由于增施生物有機肥使得土壤中可還原態(tài)Cd含量增加[26]，但隨著水稻進(jìn)入成熟期以及烤田過程延長，土壤中未被水稻吸收利用的可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd重新轉(zhuǎn)化為弱酸提取態(tài)，從而導(dǎo)致盆栽試驗中水稻成熟后土壤有效態(tài)Cd含量高于田間試驗。此外，由于田間試驗更多的有效態(tài)Cd轉(zhuǎn)移到水稻植株體內(nèi)，導(dǎo)致土壤中有效態(tài)Cd含量減少，也是造成其土壤中有效態(tài)Cd含量低于盆栽試驗的原因之一。

糙米中Cd含量與土壤有效態(tài)Cd含量呈顯著正相關(guān)[27-28]。本研究中增施生物有機肥顯著提高了酸性土壤的pH值和有機質(zhì)含量，土壤中有效態(tài)Cd含量降低，有效減少了水稻糙米的Cd積累，但盆栽試驗中增施生物有機肥降低水稻糙米Cd積累量的效果優(yōu)于田間試驗。與田間試驗相比，盆栽試驗中水稻成熟后土壤中有效態(tài)Cd含量相對較高，但糙米中Cd含量卻相對較低，其原因可能與水稻具體生長情況和自然環(huán)境有關(guān)。孕穗期和灌漿期是抑制水稻鎘吸收、降低水稻糙米中Cd累積量的最關(guān)鍵生育時期[28-29]，調(diào)節(jié)土壤pH值大于6.5能有效降低糙米中Cd的積累量[30]。田間試驗中水稻根系的酸性物質(zhì)分泌物更多，土壤有機肥礦化分解速率更快，造成在阻隔水稻Cd吸收的關(guān)鍵生育期內(nèi)土壤pH值偏低，土壤中更多的有效態(tài)Cd容易被水稻吸收積累。此外，有機肥中的生物酶活性也會影響水稻對土壤中Cd的吸收效率，但由于野外田間試驗中的自然環(huán)境相對惡劣，可能會造成生物有機肥中的生物酶活性降低，從而影響其在水稻生長過程中的降鎘效果。

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