廖建勛，顧祝禹，涂圣梅，黃博陽(yáng)，孫國(guó)鋒，周志遠(yuǎn)，湯園園

（1.建始縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖北 恩施 445300；2.武漢市秀谷科技有限公司，武漢 430000）

農(nóng)田污染成為限制中國(guó)糧食安全生產(chǎn)的重要因素［1，2］。土壤重金屬元素鎘（Cd）具有較高的生物毒性［3-5］，原位鈍化技術(shù)是中輕度Cd 污染農(nóng)田主要修復(fù)技術(shù)［6-10］。利用土壤調(diào)理劑實(shí)施原位鈍化技術(shù)，具有可操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、見(jiàn)效快、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛用于農(nóng)田Cd 污染治理與修復(fù)。

酸性稻田中Cd 具有活性高、遷移性強(qiáng)等特點(diǎn)，且容易被作物吸收，并在作物體內(nèi)轉(zhuǎn)移與富集，進(jìn)而造成稻米中Cd 超標(biāo)問(wèn)題。土壤調(diào)理劑不僅能調(diào)節(jié)土壤pH，而且能有效降低農(nóng)田有效態(tài)Cd 的含量，進(jìn)而減少水稻各部位對(duì)Cd 的富集［11-14］。本試驗(yàn)選用的土壤調(diào)理劑是由天然礦物質(zhì)原料制備而成，該土壤調(diào)理劑對(duì)Cd 污染農(nóng)田具有較好的修復(fù)效果，能降低農(nóng)產(chǎn)品對(duì)Cd 的富集［15］。選取建始縣高坪鎮(zhèn)Cd 中度污染且分布相對(duì)均勻的水稻田進(jìn)行大田試驗(yàn)，研究不同用量土壤調(diào)理劑對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)與稻米Cd 含量的影響，分析其用量與水稻植株不同部位富集Cd 的關(guān)聯(lián)性，選出土壤調(diào)理劑最佳用量，以期為Cd 污染農(nóng)田治理與修復(fù)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地設(shè)在湖北省恩施市高坪鎮(zhèn)，該區(qū)域位于湖北省西南部，地勢(shì)西高東低，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，降雨充沛，年均氣溫14.9 ℃，年降水量1 400～2 300 mm。耕作方式采用旋耕，主要種植水稻和玉米。耕地類(lèi)型主要包括旱地、水田和水澆地。土壤pH 為6.04，有機(jī)質(zhì)為19.36 g∕kg，土壤Cd 含量為0.38 mg∕kg，超過(guò)了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.30 mg∕kg，屬于中度污染，土壤有效態(tài)Cd 含量均值為0.13 mg∕kg，灌溉水中未檢出Cd。

1.2 供試材料

水稻品種為Q 優(yōu)18 號(hào)，全生育期為150 d 左右。供試土壤調(diào)理劑采用天然礦物質(zhì)原料制備而成，主要原料為鉀長(zhǎng)石和生石灰，含有大量的硅、鈣、鎂、鉀等礦物質(zhì)元素。試驗(yàn)材料經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)，pH 為10.39，氧化鈣含量為32.51%，二氧化硅含量為26.42%，氧化鎂含量為4.83%，水分含量3.45%，細(xì)度（粒徑≤0.25 mm）為99.70%，Pb含量為34.50 mg∕kg，Cd含量為0.19 mg∕kg，As含量為0.23 mg∕kg，Cr含量為3.26 mg∕kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在恩施市高坪鎮(zhèn)選取中度鎘污染區(qū)域，且鎘分布相對(duì)均勻的稻田進(jìn)行大田試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)置7 個(gè)處理，分別為CK、T1、T2、T3、T4、T5 和T6，對(duì)應(yīng)添加土壤調(diào)理劑的含量分別為0、1 500、3 000、4 500、6 000、7 500、9 000 kg∕hm2。每個(gè)處理做3 次重復(fù)試驗(yàn)，共21個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為50 m2（5 m×10 m），且各小區(qū)之間隨機(jī)區(qū)組排列。為防止修復(fù)材料、灌溉水等對(duì)各小區(qū)間的相互影響，對(duì)各小區(qū)田埂進(jìn)行加高加固，鋪設(shè)薄膜，灌溉采用單排單罐的方式。水稻播種前1 周，將土壤調(diào)理劑進(jìn)行一次性撒施，配合整地翻耕，使其與稻田土壤充分混勻。中稻Q 優(yōu)18號(hào)于2021 年5 月初開(kāi)始播種育秧，6 月初進(jìn)行水稻秧苗移栽，秧苗移栽的密度約為0.2 m×0.2 m，大田試驗(yàn)的種植密度、水肥與病蟲(chóng)害管理參照當(dāng)?shù)貙?shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，確保試驗(yàn)各小區(qū)管理?xiàng)l件一致。

1.4 樣品的采集與分析

在水稻收獲期采集土壤與植株樣品，在試驗(yàn)田中按5 點(diǎn)取樣法對(duì)水稻樣品進(jìn)行采集，并對(duì)水稻根系附近表層土壤（0～20 cm）進(jìn)行采集。去除土樣雜質(zhì)，自然風(fēng)干至恒重，過(guò)100 目尼龍篩，裝袋備用。水稻用去離子水沖洗，105 ℃殺青10 min，烘干至恒重，水稻樣品分部位粉碎與過(guò)篩，備用。

土壤的理化性質(zhì)均按照常規(guī)的測(cè)定方法進(jìn)行檢測(cè)［16］。土樣pH采用電位計(jì)法測(cè)定，水土比為2.5∶1.0；土壤有效態(tài)Cd 含量采用CaCl2溶液浸提法提取［17］，并用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Cd 含量；水稻植株各部位Cd 含量的測(cè)定采用干灰法消解，稻米Cd 含量采用HNO3-HClO4消解，并用原子吸收分光光度計(jì)（石墨爐）測(cè)定水稻植株各部位和稻米樣品中的Cd含量，同時(shí)做全程空白試驗(yàn)（CK）。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel、Origin 和SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和簡(jiǎn)單分析，數(shù)據(jù)結(jié)果均為平均值，并進(jìn)行相應(yīng)的圖表繪制，各處理之間采用單因素方差分析（ANOYA）和Duncan 法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤pH 的影響

如圖1 所示，與CK 相比，施用土壤調(diào)理劑后，T1至T6 土壤pH 均有一定程度的提高，分別增加了0.99%、2.81%、4.14%、5.30%、5.96%、6.62%。其中T4、T5、T6 土壤pH 均顯著高于CK（P＜0.05），T1、T2、T3 與CK 差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同用量土壤調(diào)理劑對(duì)土壤pH 的影響

2.2 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤有效態(tài)Cd 含量的影響

土壤中有效態(tài)Cd 能被植物根系吸收利用并在植物體內(nèi)富集，也是評(píng)價(jià)Cd 元素對(duì)土壤毒性影響的重要指標(biāo)［18］。添加不同用量土壤調(diào)理劑對(duì)有效Cd的影響如圖2 所示，加入土壤調(diào)理劑后土壤有效態(tài)Cd 的含量均有不同程度的降低，其中T2 至T6 土壤有效態(tài)Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05），分別降低了26.87%、33.58%、37.31%、35.07%、28.36%。而T1土壤有效態(tài)Cd 含量與CK 差異不顯著（P＞0.05），土壤有效態(tài)Cd 含量下降了9.70%。隨著土壤調(diào)理劑用量的增加，土壤有效態(tài)Cd 含量呈先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)土壤調(diào)理劑用量為6 000 kg∕hm2時(shí)，有效態(tài)Cd 含量最低，為0.084 mg∕kg。

圖2 不同用量土壤調(diào)理劑對(duì)土壤有效態(tài)Cd 含量的影響

2.3 土壤調(diào)理劑對(duì)水稻各部位Cd 含量的影響

圖3 顯示了不同用量土壤調(diào)理劑對(duì)水稻根、莖葉、谷殼、稻米中Cd 含量的影響。施用土壤調(diào)理劑能在一定程度上有效降低水稻根系中Cd 含量，降低幅度為9.09%～31.82%。當(dāng)施用量為4 500 kg∕hm2時(shí)，水稻根中Cd 含量最低，根中Cd 含量由CK 的1.98 mg∕kg 下降到1.35 mg∕kg。其中T2 至T6 水稻根中Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05），T1 水稻根中Cd含量與CK 差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 不同用量土壤調(diào)理劑對(duì)水稻各部位中Cd 含量的影響

與CK 相比，不同用量土壤調(diào)理劑均能降低水稻莖葉中Cd 含量，T1 至T6 水稻莖葉中Cd 的含量下降幅度為10.00%～40.00%，隨著土壤調(diào)理劑用量的增加，水稻莖葉中Cd 含量呈先降低后增加的趨勢(shì)。其中T2 至T6 水稻莖葉Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05）。

與CK 相比，不同處理谷殼中Cd 含量均有一定程度的降低（16.67%～50.00%），其中T3 至T5 水稻谷殼中Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05），T1、T2、T6 與CK 差異不顯著（P＞0.05）。

稻米Cd 含量呈先降低后增加的趨勢(shì)，T1 至T6稻米中Cd 含量分別降低了9.64%、22.84%、27.92%、31.98%、27.41%、21.83%，施用量為6 000 kg∕hm2時(shí)，稻米中Cd 含量最低，為0.134 mg∕kg，而后隨用量的增加稻米中Cd 含量呈上升趨勢(shì)。其中T2 至T6 稻米中Cd 含量均顯著低于CK（P＜0.05），T1 稻米中Cd含量與CK 差異不顯著（P＞0.05）。

綜上可知，施用一定量的土壤調(diào)理劑能有效降低水稻根、莖葉、谷殼與稻米中Cd 含量。

2.4 土壤理化性質(zhì)與水稻富集Cd 的相關(guān)性分析

土壤有效態(tài)Cd 含量不同程度地影響著作物根系對(duì)Cd 的吸收與富集。由表1 可知，土壤pH 與土壤有效態(tài)Cd、水稻根Cd、谷殼Cd 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與莖葉Cd、稻米Cd 含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；土壤有效態(tài)Cd 與水稻根Cd、谷殼Cd、稻米Cd 含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與莖葉Cd 含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；水稻根Cd 與莖葉Cd、谷殼Cd、稻米Cd 含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；莖葉Cd 與谷殼Cd、稻米Cd 的含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；谷殼Cd 與稻米Cd 含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。由于試驗(yàn)區(qū)土壤呈弱酸性，土壤調(diào)理劑本身具有較高的pH，且含有大量礦物質(zhì)元素，因此施用土壤調(diào)理劑能在一定程度上調(diào)節(jié)土壤pH，降低土壤中有效態(tài)Cd 含量，從而減少水稻植株對(duì)Cd 的吸收［19，20］。

表1 不同處理土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)

2.5 土壤調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從圖4 可知，施用土壤調(diào)理劑后各處理水稻產(chǎn)量較CK 均有一定程度的增產(chǎn)，但無(wú)顯著差異。與CK 相比，T1 至T6 水稻產(chǎn)量分別增加了3.27%、14.24%、12.75%、13.84%、9.76%、8.15%，其中T2 對(duì)水稻增產(chǎn)效果最好，每公頃產(chǎn)量為7 830.45 kg。

圖4 不同用量土壤調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

3 討論

3.1 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤pH與有效態(tài)Cd含量的影響

土壤有效態(tài)Cd 含量易受土壤環(huán)境中酸堿度、CEC、與離子間的作用等因素的影響，而土壤調(diào)理劑能有效調(diào)節(jié)土壤酸堿度、提高陽(yáng)離子交換量、改善土壤結(jié)構(gòu)等，進(jìn)而影響土壤有效態(tài)Cd 含量［21，22］。土壤pH 不僅能影響土壤環(huán)境中的各種化學(xué)反應(yīng)與離子組成，還能影響Cd 的生物有效性及在土壤-植物系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移與富集。在一定范圍內(nèi)，pH 越高，土壤有效態(tài)Cd 的含量越低，主要是由于pH 逐漸升高，有利于促進(jìn)Cd 從活潑的游離態(tài)向穩(wěn)定的絡(luò)合態(tài)與殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，降低土壤有效態(tài)Cd 含量［23］。當(dāng)土壤處于偏酸環(huán)境時(shí)，黏土礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)表面對(duì)Cd 的吸附作用主要為靜電吸附，鎘離子容易被土壤溶液中的氫離子、鈣離子交換下來(lái)，使Cd 變成活潑的游離態(tài)而被植物吸收，隨著土壤pH 的升高，Cd 在黏土礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)表面的靜電吸附逐漸轉(zhuǎn)變成結(jié)合力較強(qiáng)的專(zhuān)性吸附，使Cd 的活性降低，從而導(dǎo)致有效態(tài)Cd 含量下降［24］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用一定量的土壤調(diào)理劑，土壤pH 顯著增加，土壤有效態(tài)Cd 含量呈不同程度的降低，產(chǎn)生這種原因可能是土壤調(diào)理劑本身呈堿性，pH 較高，含有大量的堿性基團(tuán)，同時(shí)土壤調(diào)理劑中豐富的硅、鈣、鎂、鉀等陽(yáng)離子與土壤環(huán)境中的H+發(fā)生離子交換，降低土壤中H+的含量，從而提升土壤的pH，隨著土壤pH 的增加，使Cd 在黏土礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)表面由靜電吸附向?qū)Ｐ晕睫D(zhuǎn)變，降低土壤中有效態(tài)Cd 含量；另外pH 升高會(huì)伴隨著土壤溶液中OH-的增加，促進(jìn)Cd2+離子與OH-結(jié)合形成Cd（OH）2，導(dǎo)致土壤對(duì)Cd2+吸附能力增強(qiáng)，降低有效態(tài)Cd 含量。這與李心等［18］的研究結(jié)果相似。李超等［20］的研究表明，土壤調(diào)理劑的用量與土壤pH 顯著相關(guān)。閆家普等［25］通過(guò)研究不同改良劑及其組合對(duì)土壤鎘形態(tài)和理化性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，土壤pH 與土壤有效態(tài)鎘含量呈顯著負(fù)相關(guān)，本研究結(jié)果也顯示土壤pH 與有效態(tài)鎘呈極顯著負(fù)相關(guān)。過(guò)量使用土壤調(diào)理劑可能會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)破壞，抑制土壤微生物的活性［26］。本研究結(jié)果表明，隨著土壤調(diào)理劑用量的增加，土壤有效態(tài)Cd 含量呈先降低后增加的趨勢(shì)，由此可見(jiàn)過(guò)量施用土壤調(diào)理劑不一定效果較好，可能會(huì)帶來(lái)一定的負(fù)面效果。林小兵等［13］研究也發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用過(guò)量的土壤調(diào)理劑可能會(huì)帶來(lái)不利影響，應(yīng)適量添加。

3.2 土壤有效態(tài)Cd對(duì)水稻植株各部位Cd富集的影響

Cd 元素在土壤中具有較高的毒性與遷移性，土壤有效態(tài)Cd 可通過(guò)植物根系轉(zhuǎn)運(yùn)至植物體內(nèi)，并在植株各部位富集，而較高濃度的有效態(tài)Cd 可使農(nóng)作物可食部分Cd 含量超過(guò)食用限量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而影響人類(lèi)的健康［4，27］。Cd 元素在土壤環(huán)境中的生物有效性取決于其自由離子的活躍程度，其中交換態(tài)形式存在，Cd 離子遷移性與生物有效性最強(qiáng)。施用不同量的土壤調(diào)理劑后，有效態(tài)Cd 含量均有一定程度的降低，而水稻植株根、莖葉、谷殼與稻米中Cd 含量也隨之降低。辜嬌峰等［12］研究發(fā)現(xiàn)施用適量的土壤調(diào)理劑能調(diào)節(jié)土壤的理化性質(zhì)，降低土壤有效態(tài)Cd含量，影響Cd 元素在土壤環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化，并降低Cd 元素在農(nóng)產(chǎn)品中的富集。研究表明作物根表細(xì)胞對(duì)Cd2+與Ca2+吸收存在相互競(jìng)爭(zhēng)作用，Cd2+與Ca2+相互競(jìng)爭(zhēng)根表細(xì)胞膜上的吸收點(diǎn)位，當(dāng)Ca2+濃度較高時(shí)，使得作物對(duì)Cd2+的吸收與累積量大量減少［28，29］。許曉玲等［30］研究發(fā)現(xiàn)Si、Ca、Mg 等元素與Cd 產(chǎn)生拮抗作用，減少根部對(duì)Cd 的吸收量，進(jìn)而降低籽粒中Cd 的積累量。試驗(yàn)所用的土壤調(diào)理劑主要由SiO2、CaO、MgO 等構(gòu)成，容易與土壤中的Cd 發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的硅酸鹽沉淀，降低土壤有效態(tài)Cd 含量，有效阻止Cd 在水稻中的遷移與富集。同時(shí)土壤調(diào)理劑中含有豐富的Si、Ca、Mg 等元素，有利于作物的生長(zhǎng)，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，試驗(yàn)中各處理產(chǎn)量的增加也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)有效態(tài)Cd 含量與水稻根、谷殼與稻米中Cd 含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與莖葉Cd 含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），這與吳烈善等［31］的研究結(jié)論相似。當(dāng)土壤調(diào)理劑的用量超過(guò)6 000 kg∕hm2，隨著用量的增加，水稻根、莖葉、谷殼和稻米中Cd 含量呈上升趨勢(shì)，這可能是施用過(guò)量的土壤調(diào)理劑對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)、微生物多樣性與微生物酶活性等方面產(chǎn)生了負(fù)面影響，進(jìn)而影響土壤調(diào)理劑對(duì)稻田Cd 元素的修復(fù)效果。

不同地區(qū)土壤環(huán)境、污染種類(lèi)、污染程度、種植類(lèi)型等因素存在差異，導(dǎo)致土壤調(diào)理劑對(duì)Cd 有效態(tài)與農(nóng)作物Cd 含量影響程度也不同，因此需要在不同地區(qū)開(kāi)展相關(guān)Cd 污染修復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定最佳修復(fù)參數(shù)。從經(jīng)濟(jì)成本和降鎘效果等綜合因素考慮，施用量為3 000 kg∕hm2，成本低廉且效果最佳。

4 結(jié)論

施用土壤調(diào)理劑能有效調(diào)節(jié)土壤pH，降低有效態(tài)Cd 含量，土壤pH 增加了0.99%～6.62%，土壤有效態(tài)Cd 含量降低了9.70%～37.31%。

施用一定量的土壤調(diào)理劑能有效降低水稻中根、莖葉、谷殼和稻米中Cd 含量，降低幅度分別為9.09%～31.82%、10.00%～40.00%、16.67%～50.00%、9.64%～31.98%，且對(duì)重金屬Cd 富集量的順序?yàn)楦厩o葉＞谷殼＞稻米。

相關(guān)性分析表明，土壤pH 與土壤有效態(tài)Cd、水稻根Cd、谷殼Cd 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與莖葉Cd、稻米Cd 含量呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤有效態(tài)Cd 與水稻根Cd、谷殼Cd、稻米Cd 含量呈極顯著正相關(guān)，與莖葉Cd 含量呈顯著正相關(guān)。

從經(jīng)濟(jì)成本和降鎘效果等綜合因素考慮，土壤調(diào)理劑施用量為3 000 kg∕hm2時(shí)，成本低廉且效果最佳，此時(shí)稻米中Cd 含量從0.197 mg∕kg 下降到0.152 mg∕kg，產(chǎn)量增加了14.24%。