朱靖 孫星星 張曉緒 陶潤(rùn)萍 張嘉偉 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 225000；第一作者：zj17857026165@163.com；*通訊作者：qunxyq@163.com）

根據(jù)2014年發(fā)布的中華人民共和國(guó)土壤調(diào)查報(bào)告顯示，重金屬鎘（Cd）是我國(guó)農(nóng)田重金屬污染中的首要污染物，約7%的土壤被Cd 污染[1]。水稻是世界上最重要的糧食作物之一，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類健康密切相關(guān)，但因其具有易積累Cd 的特性，需要制定有效措施減少Cd 的生物利用度和在水稻中的積累，以遏制Cd對(duì)生物體的威脅[2]。

化肥的施用對(duì)我國(guó)糧食增產(chǎn)增收發(fā)揮了重要作用，然而長(zhǎng)期過量使用化肥也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題[3]。一方面，過量使用化肥使畜禽養(yǎng)殖廢棄物和作物秸稈等有機(jī)物減少了還田利用的可能，未被利用的畜禽養(yǎng)殖廢棄物和作物秸稈等有機(jī)物進(jìn)入環(huán)境，會(huì)污染水體，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化；另一方面，土壤性狀因此退化（如土壤酸化、板結(jié)），使Cd 等有毒重金屬活化，更易在水稻等作物中積累。已有研究表明，施用有機(jī)物料可顯著降低Cd 在水稻籽粒中的積累[4-5]。但有機(jī)物料來源廣泛，施用后對(duì)土壤Cd 的影響效果不一致，進(jìn)而對(duì)水稻Cd 積累也產(chǎn)生不同影響。蚓糞是一種良好的腐熟有機(jī)物料；紫花苜蓿常用于畜牧養(yǎng)殖中，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值[6]。目前對(duì)蚓糞和紫花苜蓿降低重金屬Cd 在水稻中積累的研究鮮有報(bào)道?；诖?，本研究采用盆栽試驗(yàn)，探究在同等有機(jī)質(zhì)含量下蚯蚓糞和紫花苜蓿對(duì)水稻不同部位Cd 積累的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

參試水稻品種為南粳5505，屬早熟晚粳類型。試驗(yàn)土壤采自江蘇省揚(yáng)州市某稻田0~20 cm 耕作層土壤。土樣風(fēng)干后去除雜物，研磨過10 目篩混勻備用。土壤基本理化性質(zhì)：pH 值7.42，有機(jī)質(zhì)8.70 g/kg，有效磷61.10 mg/kg，速效鉀 223.81 mg/kg，堿解氮 85.70 mg/kg，總鎘0.73 mg/kg。

選用蚓糞和紫花苜蓿作為兩種外源有機(jī)物料。蚓糞有機(jī)質(zhì)含量為432.50 g/kg，全N 含量為24.73 mg/kg，全Cd 含量為0.41 mg/kg；紫花苜蓿有機(jī)質(zhì)含量為143.45 g/kg，全 N 含量為31.95 mg/kg，全Cd 含量為0.17 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱取適量土壤，添加CdCl2溶液，使土壤Cd 含量達(dá)到5.0 mg/kg 的重度污染水平，室溫下陳化60 d 后備用。盆栽試驗(yàn)中每個(gè)盆裝制備好的土壤5.0 kg（以干質(zhì)量計(jì)），有機(jī)物料添加量以有機(jī)質(zhì)含量計(jì)，具體施用量如表1 所示。秧苗于2019年6月移栽，每盆3 叢，每叢3 株，各處理組重復(fù)3 次，全生育期淹水（淹水高度3~5 cm）。

表1 試驗(yàn)處理

1.3 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

分別于水稻分蘗期、抽穗揚(yáng)花期、完熟期采集土壤，自然風(fēng)干后研磨，過100 目篩用于Cd 形態(tài)的測(cè)定。水稻植株洗凈后置于105 ℃的烘箱中殺青2 h 后，60 ℃烘干至恒質(zhì)量，隨后用粉碎機(jī)粉碎后過100 目篩用于Cd 含量的測(cè)定。

土壤酸堿度（pH 值）、氧化還原電位（Eh 值）使用雷磁PHS-3C 型精密pH 計(jì)原位測(cè)定；土壤Cd 形態(tài)采用BCR 四步浸提后用火焰原子吸收分光光度計(jì)（AAS,Solaar MK 2-M 6）測(cè)定；水稻根、莖葉及籽粒中Cd 含量采用干法灰化消解完全后用1% HNO3定容、過濾，用 ICP-MS（Elan DRC-e）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制

分析過程以土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07431、莖葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10020（GSB-11）和大米成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GBW10043（GSB-21）和加標(biāo)回收試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量控制。

Cd 富集系數(shù)（Bioconcentration Factor，BCF）=植株根部重金屬含量/土壤中重金屬含量；Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（Translocation Factor，TF）=植株上面部分重金屬含量/下面部分重金屬含量。采用SPSS 23.0 進(jìn)行單因素ANOVA 分析（差異水平 P<0.05 和 P<0.01），用 Origin 2018 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤pH、Eh 值的影響

如圖1 所示，各處理土壤pH 值隨淹水時(shí)間先大幅度下降，而后波動(dòng)變化且趨近于7；在淹水前期，添加紫花苜蓿的處理較添加蚓糞的處理土壤pH 值下降更為顯著，隨后兩者變化趨勢(shì)相近，差異變小。

圖1 各處理土壤pH 值變化

從圖2 可以看出，所有處理土壤Eh 值隨淹水時(shí)間延長(zhǎng)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，添加有機(jī)物料處理土壤Eh 值均顯著低于CK。V 處理組土壤Eh 值隨有機(jī)物料添加量的升高而降低，至分蘗期（第 28 天），V3 處理 Eh 值降至-150 mV，V1 和 V2 處理 Eh 值則處于-100~-150 mV之間；分蘗結(jié)束后，所有處理Eh 值均降至-150 mV 以下。與CK 相比，M 處理組土壤Eh 均顯著降低，且在水稻整個(gè)生育期，土壤Eh 值均低于-150 mV。結(jié)果表明，植物性有機(jī)質(zhì)（紫花苜蓿）較動(dòng)物源有機(jī)質(zhì)（蚓糞）對(duì)土壤Eh 值的降低效果更加顯著。

圖2 各處理土壤Eh 值變化

2.2 對(duì)土壤不同形態(tài)Cd 的影響

如圖3 所示。在水稻3個(gè)生育期內(nèi)，土壤中各形態(tài)Cd 含量高低總體表現(xiàn)為可交換態(tài)Cd>可還原態(tài)Cd>可氧化態(tài)Cd>殘?jiān)鼞B(tài)Cd。CK 的可還原態(tài)Cd 和可氧化態(tài)Cd 含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降幅度分別為43.03%和33.20%；可交換態(tài)Cd 先下降后上升，上升幅度為35.68%；殘?jiān)鼞B(tài)Cd 呈上升趨勢(shì)，上升幅度為138.3%。V處理組可還原態(tài)Cd 含量逐漸下降，下降幅度為47.97%~50.12%；可氧化態(tài)Cd 含量逐漸上升，上升幅度為40.35%~65.23%。M 處理組變化趨勢(shì)與V 處理組相同，但其變化幅度較V 處理組小。

圖3 水稻不同生育期土壤Cd 形態(tài)及含量

與CK 比，在水稻分蘗期，各處理土壤交換態(tài)Cd和可還原態(tài)Cd 含量顯著升高，M 處理組可還原態(tài)Cd含量隨著有機(jī)物料添加量增加而下降；在水稻抽穗揚(yáng)花期，兩種有機(jī)物料對(duì)土壤中可交換態(tài)Cd 和可還原態(tài)Cd 影響相似，均隨著有機(jī)物料添加量的增加呈顯著下降趨勢(shì)。在同等添加量下，蚓糞處理可還原態(tài)Cd 含量高于紫花苜蓿處理。兩種有機(jī)物料處理土壤殘?jiān)鼞B(tài)Cd含量均較CK 顯著增加。在水稻完熟期，兩種有機(jī)物料處理可交換態(tài)Cd 含量較CK 降低9.46%~15.31%；可氧化態(tài)Cd 和殘?jiān)鼞B(tài)Cd 含量較CK 均顯著上升，上升幅度分別為3.17%~28.22% 和25.87%~104.28%，且殘?jiān)鼞B(tài)Cd 的含量隨著有機(jī)物料添加量的增加而增加。

2.3 對(duì)水稻各部位Cd 含量的影響

如圖4 所示，水稻各部位Cd 含量表現(xiàn)為籽粒<莖葉<根。與CK 相比，施用兩種外源有機(jī)物料的處理均顯著降低了水稻根部和莖葉Cd 含量。其中，V 處理組根部Cd 含量下降12.71%~26.40%，莖葉Cd 含量下降23.00%~68.69%；M 處理組根部Cd 含量下降66.27%~71.42%，莖葉Cd 含量下降80%以上。同一有機(jī)物料處理，水稻各部位Cd 含量隨著施用量的增加而降低；當(dāng)施用的有機(jī)質(zhì)含量相同時(shí)，M 處理組水稻各部位Cd 含量均低于V 處理組。與CK 相比，V1 處理糙米Cd 含量差異不顯著，其他處理糙米Cd 含量均顯著降低。當(dāng)施用的有機(jī)質(zhì)含量相同時(shí)，紫花苜蓿處理較蚓糞處理更能降低水稻Cd 積累量。本研究中，M3 處理使水稻糙米Cd 含量降低至0.17 mg/kg，已低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值（0.20 mg/kg），M1、M2 處理糙米 Cd 含量接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，約為0.21 mg/kg。

圖4 水稻植株各部位Cd 含量

2.4 對(duì)Cd 在水稻中富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）的影響

如表2 所示，添加兩種有機(jī)物料均降低了Cd 從水稻根部向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)了Cd 從莖葉向水稻籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)，并且M 處理組較V 處理組莖葉/根轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)更小，籽粒/莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)更大。根/土富集系數(shù)均隨著有機(jī)物料添加量的增加而降低，V1、V2 處理組富集系數(shù)較CK 高。

表2 Cd 在土壤-水稻系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)率（單位：%）

3 討論

有機(jī)物料的應(yīng)用對(duì)改善農(nóng)村環(huán)境、提高土壤肥力、調(diào)控土壤中重金屬的活性具有重要意義[8]。在本研究中，蚓糞和紫花苜蓿進(jìn)入土壤易被微生物分解，產(chǎn)生有機(jī)酸和CO2并且產(chǎn)生質(zhì)子，引起淹水前期pH 值下降[9]。在淹水前期，紫花苜蓿降低土壤pH 值的效果較蚓糞更為顯著，這可能是由于這兩種有機(jī)質(zhì)的腐化速率不同造成。當(dāng)外源有機(jī)物料中易分解的有機(jī)質(zhì)較高時(shí)，其分解產(chǎn)生的有機(jī)酸等物質(zhì)的種類和數(shù)量也會(huì)增多，對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響也越大。時(shí)向東等[10]研究指出，紫云英礦化分解速率顯著高于雞糞和菜籽餅，是因?yàn)樽显朴⒌染G肥C/N 低，易于被微生物分解。紫花苜蓿作為綠肥，其C/N 較蚓糞低，因此紫花苜蓿中的有機(jī)質(zhì)較蚓糞更易于被微生物分解，從而對(duì)土壤pH 值影響更大。土壤淹水后Eh 值降低，有機(jī)物料進(jìn)入土壤后被分解加劇了土壤中溶解氧的消耗，使Eh 值進(jìn)一步降低，紫花苜蓿因其分解速率較快，對(duì)土壤中氧氣的消耗速率大于蚓糞，從而導(dǎo)致土壤Eh 值在同等有機(jī)物質(zhì)添加量下低于蚓糞處理[11]。

土壤pH 值和Eh 值可以直接或間接影響重金屬Cd 的有效性[12]。有研究表明，土壤酸堿性直接或間接影響土壤中陰陽離子的變化，從而影響重金屬氫氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽的溶解度，通常當(dāng)土壤pH 值升高，土壤溶液中的OH-1的濃度升高，更易與Cd2+結(jié)合產(chǎn)生Cd（OH）2沉淀，并且產(chǎn)生的氫氧化物沉淀又可以吸附Cd2+[13]。本研究中，添加蚓糞和紫花苜蓿在水稻分蘗期顯著增加了土壤可還原態(tài)Cd 含量，這是因?yàn)槲⑸飳⑼寥乐邪被峤到猱a(chǎn)生氨導(dǎo)致土壤pH 值升高[14]，進(jìn)而增加了土壤還原態(tài)Cd 含量。Eh 值也是影響土壤Cd 形態(tài)的重要因子。在淹水狀況下，Cd2+向難溶性的CdS 轉(zhuǎn)化，從而使土壤溶液中Cd2+的濃度大大降低[15]。本研究中，在兩種有機(jī)物料添加下，可氧化態(tài)Cd 含量隨著水稻生育期的延長(zhǎng)而增加。研究表明，隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量升高，土壤中可交換態(tài)Cd 和可還原態(tài)Cd 含量下降，可氧化態(tài)Cd 含量升高[16]，這與本研究結(jié)果基本一致。另外，大量研究表明，土壤中水溶性有機(jī)物（DOM）與Cd 存在吸附位的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，并且DOM 的組成及性質(zhì)對(duì)土壤重金屬的有效性有較大影響。親水性的DOM 多存在于土壤溶液中，不易被土壤吸附，可以促進(jìn)土壤重金屬的活化，疏水性的DOM 則更易被土壤吸附，可以降低重金屬的活性[17]。占新華等[18]用光譜法研究發(fā)現(xiàn)，綠肥DOM 分子極性高于豬糞，因此易于被土壤吸附，這可能是因?yàn)樽匣ㄜ俎］^蚓糞有機(jī)物料更能分解出含疏水性組分較多的DOM，從而增加了土壤對(duì)Cd 的吸附，降低了Cd 的活性。

降低土壤中Cd 的遷移轉(zhuǎn)換能力是降低植物對(duì)Cd富集積累的有效方法[19]。本研究中，添加兩種有機(jī)物料均顯著降低了水稻根、莖葉、糙米中的Cd 含量。與對(duì)照相比，添加蚓糞使籽粒Cd 含量降低13.81%~39.45%，同等有機(jī)質(zhì)添加量下紫花苜蓿對(duì)籽粒Cd 含量的降低效果達(dá)到64.26%~72.41%。因此，紫花苜蓿對(duì)土壤中Cd 活性比蚓糞有更好的抑制作用，從而更好降低了水稻對(duì)Cd 的吸收，并且有機(jī)物料添加對(duì)土壤-水稻系統(tǒng)中Cd 的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)存在一定影響[19]。

4 結(jié)論

與對(duì)照相比，在水稻生長(zhǎng)前期，兩種有機(jī)物料的添加均顯著降低了土壤pH 值，蚓糞處理組pH 值高于紫花苜蓿處理組，隨后兩者差異變小且趨近于7。在水稻全生育期內(nèi)，與對(duì)照相比，兩種有機(jī)物料的添加顯著降低土壤Eh 值，添加紫花苜蓿降低土壤Eh 值的效果較添加蚓糞更為顯著。

添加蚓糞和紫花苜蓿均不同程度影響了土壤中Cd 的存在形式，均使土壤中高活性態(tài)Cd 向低活性態(tài)Cd 轉(zhuǎn)化。當(dāng)有機(jī)質(zhì)添加量相同時(shí)，紫花苜蓿處理組土壤有效態(tài)Cd 含量總體上低于添加蚓糞處理組。

與對(duì)照相比，兩種有機(jī)物料均能顯著降低水稻根、莖葉、糙米中Cd 的含量，且隨著有機(jī)物料添加量的增加各部位Cd 含量逐漸下降；當(dāng)有機(jī)質(zhì)添加量相同時(shí)，紫花苜蓿處理組水稻各部位Cd 含量較蚓糞處理組更低。