梁源芳，李曉清，吳啟堂，陳楊梅，高婷，林賢柯，衛(wèi)澤斌

（華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理與環(huán)境安全重點實驗室，廣州 510640）

水稻是我國主要的糧食作物之一，其很容易富集鎘（Cd）。食用鎘米是我國人群主要的Cd暴露途徑[1]。Cd 對人體的腎臟具有嚴重的損害[2]。即使土壤中Cd非常微量（<0.3 mg?kg-1），水稻籽粒中的Cd 仍然很容易超標（>0.2 mg?kg-1）[3]。用Cd 超富集植物提取土壤中的Cd 是最常見的修復措施，東南景天和伴礦景天是應用最為廣泛的Cd超富集植物[4-6]。但用超富集植物修復土壤Cd 需農(nóng)田停產(chǎn)很長一段時間，影響糧食生產(chǎn)。不少研究者考慮在一些輕微Cd污染農(nóng)田上使用農(nóng)藝調(diào)控措施來降低水稻中的Cd，如施加鈍化劑或微量元素肥料、使農(nóng)田保持淹水等[7-9]，以盡可能在不影響生產(chǎn)的前提下降低水稻中的Cd累積。

利用Mn 降低水稻Cd 累積是微量元素肥料降低水稻Cd 的方法之一。Mn 降低水稻Cd 主要有以下途徑：①Mn 在土壤氧化還原條件不斷變化的情況下反復解吸和重新形成次生礦物，該過程中Mn會與Cd等重金屬離子發(fā)生共沉淀或者絡合作用，且鐵錳氧化物本身的隧道結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)對Cd也有顯著的吸附作用[10]；②外源Mn 的加入與Cd 競爭土壤和根際鐵膜上的吸附位點，這一方面會促使根際鐵膜上的Mn增加、Cd 減少，另一方面外源Mn 也有可能增加根際鐵膜的厚度，進而增加對Cd 的吸附量[11]；③Mn 與Cd 競爭植物細胞膜上的非特異性陽離子通道和具有特異性的其他金屬離子的載體蛋白，但過多的外源Mn 也有可能上調(diào)相關轉(zhuǎn)運蛋白的表達[12-14]。外源Mn對水稻Cd累積的影響與這三個過程密切相關。

土壤溶液中的Mn濃度受土壤氧化還原條件的影響很大，在淹水時，高價態(tài)Mn 被還原成Mn2+，活性較高；在落干時，Mn2+被再次氧化成高價態(tài)，以錳氧化物的形式被固定下來，活性降低[10]。因此對于間歇性淹水的稻田而言，Mn的活性波動較大。研究表明，在淹水條件下，水稻對Cd的吸收顯著下降，而在稻田落干情況下，水稻對Cd的吸收則顯著上升[9]。也有研究表明施加MnSO4能降低水稻Cd 含量[15]，但針對不同類型Mn肥對水稻Cd累積影響的對比研究尚未見報道。本研究試圖探究不同水分條件下幾種類型Mn肥對水稻Cd 累積的影響，所用的Mn 肥分為無機Mn 肥和有機Mn 肥，無機Mn 肥包括MnCO3、MnSO4、MnCl2，有機Mn肥通過楊木屑、米糠吸附無機MnCl2后烘干制備而成。以有機Mn 肥來代替Mn 鹽的直接投放，是考慮到在持續(xù)落干的條件下，如果Mn 處于被有機質(zhì)包裹的微還原環(huán)境中或許能保持較高的活性，從而能提供足夠的Mn與Cd競爭。本試驗對不同類型Mn肥的研究分別在淹水和落干兩種條件下進行，因為Mn 在土壤中的有效性與土壤水分條件密切相關，因此有必要在不同水分條件下比較不同Mn肥對水稻Cd累積的影響。本試驗中的水分條件選取了兩種較極端的情況：持續(xù)淹水和持續(xù)落干，這是考慮到如果在持續(xù)落干條件下施加Mn肥能降低水稻Cd含量，那么在干濕交替條件下Mn肥也極有可能降低水稻中的Cd含量。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種：①增城長絲苗（CSM）；②韶關翁源縣上壩村的本地品種（LOC）。土壤采自韶關翁源縣上壩村的一處污染水稻田，土壤的基本理化性質(zhì)和重金屬含量如表1 所示。種植盆為上直徑380 mm、高320 mm、底部直徑295 mm 的黑色牛筋桶。無機Mn 鹽為分析純試劑。楊木屑、米糠為粉末狀，均在市面購買。

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the soil

1.2 試驗設計

采用裂區(qū)設計研究不同水分條件下多種Mn肥對水稻Cd 累積的影響。Mn 肥類型為主處理，Mn 肥類型處理分為對照、無機Mn 肥組、有機Mn 肥組。無機Mn 肥組包括MnCO3、MnSO4、MnCl2，土施Mn 量為250 mg?kg-1（以Mn 計，下同）。有機Mn 肥組包括楊木屑Mn 肥（PS-Mn）、米糠Mn 肥（RB-Mn）。有機Mn 肥以有機質(zhì)載體吸附水溶液中的Mn 制作而成。將1.4 kg的有機質(zhì)浸泡在50 g?L-1的MnCl2?4H2O 溶液中，浸泡時間為2 h。浸泡后撈出有機質(zhì)，烘干至恒質(zhì)量。每個盆栽加入200 g 的有機Mn 肥，PS-Mn 的Mn 含量為3 039 mg·kg-1，土施Mn 水平相當于380 mg·kg-1；RB-Mn 的Mn 含量為1 420 mg·kg-1，土施Mn 水平相當于177 mg·kg-1。水分條件為副處理，分別是落干和淹水。每種Mn 肥處理分別在淹水和落干條件下栽培。落干指的是澆水時土面沒有形成明顯的積水，淹水指的是水面總是保持在高于土面2～3 cm。每個水分條件×Mn 肥處理3 次重復。本試驗以盆栽形式在溫室中進行。每個盆裝入8 kg 土，再加入對應量的Mn肥和500 g雞糞有機肥，混勻。每盆種植兩個水稻品種，每個品種種植3 株。水稻種植時間為2019 年8月，收割時間為2019年12月。種植結(jié)束后，測定水稻莖葉和籽粒中Mn、Cd 含量，以及土壤中Mn、Cd 的全量和有效態(tài)含量及pH值。

1.3 采樣及測定方法

1.3.1 植物樣品預處理

收集每盆水稻地上部的莖葉和籽粒，記錄生物量。用去離子水洗凈擦干，于90 ℃殺青0.5 h，然后置于50 ℃的烘箱中烘干至恒質(zhì)量，將干植物研磨成粉狀，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 土壤樣品預處理

將盆栽土敲碎，取200 g 左右，待其自然風干，磨碎后分別過20目和100目篩，分開保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 土壤pH的測定

稱?。?0±0.1）g過20目篩風干土樣至50 mL聚乙烯塑料瓶中，加入25 mL 去離子水配制的1 mol?L-1KCl溶液，將容器密封后，在搖床上以180 r?min-1轉(zhuǎn)速振蕩30 min，靜置30 min后用pH計測定。

1.3.4 土壤DTPA提取態(tài)Cd、Mn的測定

配制浸提液：c（TEA，三乙醇胺）=0.1 mol?L-1，c（CaCl2）=0.01 mol?L-1，c（DTPA，二乙烯三胺五乙酸）=0.005 mol?L-1；pH=7.3。稱?。?0±0.01）g 過20 篩目土壤樣品，置于100 mL 三角瓶中，加入20.0 mL 浸提液，密封，以160～200 r?min-1的轉(zhuǎn)速振蕩2 h。振蕩結(jié)束后轉(zhuǎn)移至100 mL 離心管，于離心機中以5 000 r?min-1轉(zhuǎn)速離心5 min，上清液經(jīng)中速定量濾紙重力過濾后于48 h內(nèi)測定。

1.3.5 植物重金屬全量的測定

稱取0.4～0.5 g 粉狀植物樣，加入9 mL HNO3、2 mL H2O2，密封后放入微波消解儀中按設定的程序消煮至澄清，定容至25 mL 后經(jīng)中速定量濾紙重力過濾，于火焰原子吸收光譜儀中測定Cd、Mn含量。

1.3.6 土壤重金屬全量的測定

稱取0.4～0.5 g 過100 目篩風干土壤，加入9 mL HNO3、3 mL HCl 和5 mL HF，密封后放入微波消解儀中按設定的程序消煮至澄清，定容至25 mL 后經(jīng)中速定量濾紙重力過濾，于火焰原子吸收光譜儀中測定Cd、Mn含量。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

Cd、Mn轉(zhuǎn)運系數(shù)的計算：

運用Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)整理，在SPSS 23.0 中進行三因素方差分析，采用Duncan 法進行多重比較（α=0.05）。

2 結(jié)果與討論

2.1 水稻生物量的差異

Mn肥的類型對水稻莖葉和籽粒的生物量有明顯影響。表2 所示為水稻品種CSM 和LOC 莖葉和籽粒的生物量，表3 是水稻品種、Mn 肥處理和水分管理對水稻生物量的三因素方差分析結(jié)果。落干條件下，施加Mn 肥增加了水稻籽粒生物量。在淹水條件下，MnSO4對CSM水稻籽粒的增產(chǎn)效果更好，但使LOC水稻籽粒的生物量降低。在落干條件下，兩種有機Mn肥均降低了LOC 水稻莖葉的生物量，三因素方差分析結(jié)果表明水分會影響籽粒生物量（P<0.05），落干條件下籽粒的生物量平均值為37.18 g?盆-1，而淹水條件下籽粒的平均生物量34.83 g?盆-1。

表2 不同水分條件下各Mn肥處理的水稻生物量（g·盆-1）Table 2 Biomass of rice of different Mn fertilizer treatments under different water conditions（g·pot-1）

表3 水稻生物量的三因素方差分析Table 3 Three factor analysis of variance on rice biomass

2.2 水稻莖葉和籽粒Cd含量

表4所示為水稻莖葉和籽粒中的Cd含量，表5是水稻品種、Mn 肥類型和水分條件對水稻Cd 含量的三因素方差分析結(jié)果。兩個水稻品種莖葉和籽粒Cd含量存在差異，水稻品種LOC比CSM更容易累積Cd。

表4 不同水分條件下各Mn肥處理的水稻Cd含量（mg?kg-1，干質(zhì)量）Table 4 Rice Cd content of different Mn fertilizer treatments under different water conditions（mg?kg-1，DW）

表5 水稻Cd含量的三因素方差分析Table 5 Three factor analysis of variance on Cd content in rice

三因素方差分析結(jié)果表明，水分條件會影響水稻Cd 含量（P<0.05）。淹水使水稻莖葉、籽粒Cd 含量顯著降低，降幅為68.6%～85.5%。淹水條件下，莖葉Cd含量均值為0.049 mg ?kg-1，籽粒Cd含量均值為0.024 mg?kg-1。而在落干條件下，莖葉Cd 含量均值為0.345 mg?kg-1，籽粒Cd含量均值為0.249 mg?kg-1。

上述結(jié)果表明，落干條件下水稻更容易積累土壤中的Cd，且Mn 肥處理間水稻Cd 含量存在明顯差異。落干條件下，無機Mn 肥處理籽粒中的Cd 含量低于CK 處理，其中MnSO4和MnCO3處理的水稻籽粒Cd 含量低于《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）所規(guī)定的稻米Cd限值（0.2 mg?kg-1）。

三種無機Mn 肥中，MnSO4的降Cd 效果最好。尹曉輝等[15]研究發(fā)現(xiàn)，當土施MnSO4的水平在40 mg?kg-1時，籽粒Cd 的降幅為3%～12%。與之相比，本研究增加了Mn 的用量（土施MnSO4的水平為250 mg?kg-1），其降Cd 效果也有所增強，水稻莖葉Cd 的降幅為51.4%～60.0%，籽粒Cd 的降幅為75.9%～83.3%。MnCO3的降Cd效果次之，其莖葉Cd的降幅為42.8%～54.3%。MnCl2對水稻Cd 含量無顯著影響。MnSO4降Cd 效果較好可能是因為有S 元素的存在，S 參與植物合成金屬硫蛋白，金屬硫蛋白可螯合游離的Cd2+，降低其遷移性[16]。MnCl2降鎘效果不明顯可能是因為Cl-與Cd2+之間的絡合作用增強了土壤Cd 的有效性[17]。

落干條件下，兩種有機Mn肥促進了水稻對Cd的吸收。PS-Mn處理中LOC品種的莖葉Cd含量增加了54.3%，籽粒Cd 含量增加了31.0%；CSM 品種的Cd 含量沒有增加。RB-Mn 的兩個水稻品種的莖葉Cd 含量增加了17.1%～97.1%，籽粒Cd 含量增加了37.5%～172.4%，其中LOC品種的Cd增幅更高。有機Mn肥增加了水稻Cd累積，對此可能的解釋是外源有機質(zhì)在降解過程中產(chǎn)生了更多的溶解性有機物（DOC），增加了土壤Cd 的活性[18]，從而促進了水稻對Cd 的吸收。在施Mn 水平上，PS-Mn 高于無機Mn 肥，RB-Mn 低于無機Mn 肥，但兩種有機Mn 肥對水稻Cd 吸收的影響一致，說明Mn的用量不是主導因素?？傮w而言，RB-Mn增Cd 的作用比PS-Mn 強，這可能是因為RB-Mn 單位質(zhì)量的Mn含量比PS-Mn肥低，所提供的與Cd競爭的Mn不如PS-Mn多。

2.3 水稻莖葉和籽粒Mn含量

表6所示為水稻莖葉和籽粒中的Mn含量，表7是水稻品種、Mn肥類型及水分條件對水稻Mn含量的三因素方差分析結(jié)果。

表6 不同水分條件下各Mn肥處理的水稻Mn含量（mg?kg-1，干質(zhì)量）Table 6 Rice Mn content of different Mn fertilizer treatments under different water conditions（mg?kg-1，DW）

表7 水稻Mn含量的三因素方差分析Table 7 Three factor analysis of variance on Mn content in rice

兩個水稻品種籽粒Mn 的累積存在差異，LOC 籽粒對Mn 的累積量高于CSM。SASAKI 等[13]的研究表明水稻根部轉(zhuǎn)運Mn 的載體也是Cd 進入植物的主要通道，因此對Mn有更強吸收能力的水稻品種對Cd的吸收能力可能也更強。

三因素方差分析結(jié)果表明，水分條件會影響水稻Mn 含量（P<0.05），淹水降低了水稻對Mn 的吸收，其中莖葉Mn的降幅約為39.3%～54.8%，籽粒Mn的降幅約為14.8%～49.6%。一般認為，土壤淹水狀態(tài)下高價態(tài)的錳氧化物被還原并釋放出Mn2+，使植物吸收的Mn 含量增加[10]。但也有研究表明，如果淹水時間過長反而使Fe、Mn 元素逐漸轉(zhuǎn)化成提取性更低的礦物形態(tài)[19-20]。這可能是本研究中持續(xù)淹水條件下水稻對Mn的吸收量降低的原因之一。

土壤中的Mn 與Cd 競爭水稻根部的轉(zhuǎn)運載體可能是施用Mn使水稻Cd含量降低的主要原因，在這個過程中外源Mn 對Cd 進入量的影響是關鍵。從表8可以看出，水稻吸收的大部分Mn都積累在莖葉部，只有少部分轉(zhuǎn)運至籽粒，Mn 從莖葉到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)遠小于Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)。而且有研究表明，在植物體內(nèi)，大部分的Mn都會被儲存在細胞的囊泡結(jié)構(gòu)里，這部分Mn 很難再被轉(zhuǎn)運[10]，因此無法繼續(xù)通過與Cd 競爭轉(zhuǎn)運載體抑制Cd 向籽粒轉(zhuǎn)移。進入植物后，Mn 對降低水稻籽粒Cd 累積的作用可能很有限。因此，Mn與Cd的競爭主要發(fā)生在進入植物根部的階段。

表8 不同水分條件下各Mn肥處理Cd、Mn的轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 8 Transport coefficient of Cd and Mn in rice of different Mn fertilizer treatments under different water conditions

2.4 土壤中Cd、Mn含量

表9、表10所示分別為不同處理水稻收獲后土壤Cd、Mn 含量。Cd 隨著植物吸水的過程被富集到根際，根際土Cd 含量與水稻對Cd 的吸收量成反比，水稻對Cd 的吸收量越多，其根際土Cd 含量越低。無機Mn 肥減少了水稻對Cd 的吸收，有機Mn 肥增加了水稻對Cd 的吸收，因此有機Mn 肥處理根際土Cd 全量比無機Mn 肥處理低。有機Mn 肥增加了土壤根際土有效態(tài)Cd，有機Mn 肥處理有效態(tài)Cd 含量比無機Mn肥處理高，可能是因為有機質(zhì)在降解過程中產(chǎn)生的物質(zhì)增強了Cd 的活性，這也可能是有機Mn 肥降Cd 效果不如無機Mn肥的原因。

表9 不同水分條件下各Mn肥處理土壤Cd含量（mg?kg-1）Table 9 Soil Cd content of different Mn fertilizer treatments under different water conditions（mg?kg-1）

表10 不同水分條件下不同Mn肥處理土壤Mn含量（mg?kg-1）Table 10 Soil Mn content of different Mn fertilizer treatments under different water conditions（mg?kg-1）

施加Mn肥顯著提高了土壤Mn全量和有效態(tài)Mn含量，其中有機Mn 肥土壤有效態(tài)Mn 含量增加幅度最大。有機Mn 肥處理的有效態(tài)Mn 含量均高于CK處理和無機Mn肥處理。

2.5 土壤pH值

表11 所示為各Mn 肥處理的土壤pH 值。淹水處理的土壤pH 均高于落干處理。研究表明，pH 對土壤Cd 活性的影響很大，隨著pH 的增加，土壤對Cd 的吸附量顯著增加[21]。因此，淹水條件下，pH 值的升高可能是導致水稻Cd累積量下降的原因之一。

表11 不同水分條件下各Mn肥處理土壤pH值Table 11 Soil pH value of different Mn fertilizer treatments under different water conditions

楊木屑、米糠降解過程中產(chǎn)生的有機酸等物質(zhì)降低了土壤pH 值，導致土壤Cd 有效態(tài)含量增加。有機Mn 肥處理的土壤有效態(tài)Cd 含量比CK 處理增加43%，即使此時其土壤有效態(tài)Mn含量是CK處理的6～19 倍，也無法有效地降低水稻對Cd 的吸收含量。這從側(cè)面反映了Cd有效態(tài)含量的增加對水稻Cd吸收的影響是顯著的，意味著即使Cd的有效態(tài)僅少量增加，Mn的有效態(tài)也需要大幅提升才能抵消Cd有效態(tài)增加帶來的影響。

3 結(jié)論

（1）淹水后土壤的pH 值有所上升，水稻中的Cd含量顯著下降至食用安全限值（0.2 mg?kg-1）以下。在淹水條件下施加Mn 肥會使水稻籽粒中Cd 含量進一步降低。淹水條件下水稻對Mn 的吸收能力會降低，持續(xù)淹水會使水稻籽粒的生物量減少。

（2）落干條件下，水稻中的Cd 含量易升高，且不同類型Mn 肥在落干情況下對水稻Cd 累積的影響差異明顯。施加MnSO4、MnCO3能使水稻中Cd 含量降至0.2 mg?kg-1以下，施加MnCl2沒有明顯的降Cd 效果，施加有機Mn肥則使水稻籽粒Cd含量增加。

（3）2 個水稻品種對Mn 肥處理、水分管理的響應較為一致，這說明本研究的結(jié)果并不是僅出現(xiàn)在一個水稻品種中的特殊現(xiàn)象。

綜上，落干條件下施加MnSO4能明顯降低水稻Cd 含量。在沒有條件長期淹水和以干濕交替為主要管理模式的地區(qū)，可采用該種農(nóng)藝措施對水稻Cd累積進行適當調(diào)控。長期淹水雖然能顯著降低水稻Cd 含量，但同時也可能降低水稻籽粒產(chǎn)量，在應用上有一定的局限性。