石灰降低稻米镉含量的效果及其影响因素

胡召华，靳 磊，朱捍华

（1.湘潭市农业委员会，湖南 湘潭 411100；2. 湖南省微生物研究院，湖南 长沙 410009；3.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125）

石灰降低稻米镉含量的效果及其影响因素

胡召华1，靳 磊2，朱捍华3

（1.湘潭市农业委员会，湖南 湘潭 411100；2. 湖南省微生物研究院，湖南 长沙 410009；3.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125）

为探明施石灰降低镉污染酸性稻田米镉含量的效果及其影响因素，在湘潭市16个不同地点，开展石灰施用试验。以稻米镉含量的降幅为主要评价指标，分析了管理措施和土壤环境条件对施石灰降低稻米镉含量效果的影响。试验结果显示，施用生石灰750～1 800 kg/hm2，土壤pH值平均提升0.16个单位，稻米镉平均含量由对照的0.29 mg/kg降至0.13 mg/kg。石灰施用量以1 800 kg/hm2最佳，其稻米平均降幅可达58.3%。土壤本底pH值低于6.5时，随pH值的升高，施石灰降低稻米镉含量的效果增强。而随着土壤有机质含量和CEC的升高，施石灰降低稻米镉含量的效果呈明显的减弱趋势。

石灰；土壤；镉污染；水稻；管理措施；土壤环境条件

根据国家环境保护部和国土资源部2014年公布的调查结果显示，我国农田土壤最主要的重金属污染元素是镉，其点位超标率高达7.0%[1]。而近年来我国农田土壤酸化趋势明显，加剧了土壤镉污染的危害，全国年产镉超标农产品约为150万t，稻米镉含量超过国家食品卫生标准限值的比例高达10%[2-3]。农田土壤镉污染已威胁到我国农产品质量安全和粮食安全，成为制约我国农业可持续发展的重要环境问题。

施用钝化剂降低土壤中镉的有效性，进而实现农产品的安全生产，被认为是较为经济有效的一项技术措施，石灰是其中应用最为广泛、成本较为低廉的一种钝化材料。国内外的大量研究结果显示，在酸性土壤上施用石灰后，显著提高了土壤pH值，降低了土壤有效态镉含量和植物的镉吸收量[1,4-6]。然而，也有部分研究得到不同的结果，Bolan等[7]发现，在以可变电荷为主的土壤上施用高量石灰，使土壤溶液中Cd2+的浓度提高，并导致植物对镉的吸收量增加；Brown等[8]研究结果表明，施用石灰仅能降低土壤NH4NO3提取Cd含量，对作物吸收镉无明显效果影响。由此可知，镉污染土壤施用石灰的效果，受到石灰用量、土壤状况和管理措施等的影响。为此，笔者利用多点田间试验，拟探讨在镉污染酸性稻田，施用石灰降低稻米镉积累的效果，并分析其与管理措施、石灰用量及土壤环境状况的关系，以期为镉污染酸性稻田的安全生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015年晚稻季在湘潭市的湘潭县、雨湖区和湘乡市开展，设置了16个试验点，每个点种植2个水稻品种，每个品种重复3次，共计96组试验，每组试验设对照（CK）和施石灰处理（L），小区面积30 m2，供试土壤基本性质如表1所示。对照处理按照当地常规种植习惯进行管理，施石灰处理在水稻分蘖期（8月中旬）撒施750～1 800 kg/hm2的生石灰，其他管理方式与对照一致。参试水稻品种有湘晚籼13号、湘晚籼12号、天优华占、金优59、岳优27、里优6602、农丰优2号、H优207、T优259和欣荣优华占。

表1供试稻田土壤基本性质

1.2 样品采集与检测

在试验开始前，采集每个小区耕层土壤样品，风干过20目和100目筛，备用；在水稻成熟期采集稻谷样品，分离出糙米后，粉碎，过100目筛，备用；同时采集耕层土壤样品，风干过20目筛，备用。试验基础土壤样品，主要检测土壤pH值、全镉、有效态镉、有机质和CEC等指标，稻米样品主要检测全镉含量，水稻成熟土壤样品主要检测pH值和有效态镉含量。全部样品均委托具有检测资质的第三方检测机构分析，所有指标测定按照《土壤农化分析》进行[9]。

1.3 数据处理

首先以稻米镉含量降低幅度为依据对数据进行筛选，每个试点单个品种3对数据，变异较大的（标准误差/均值）超过50%的点，采用其中较为一致的2对数据，如2对数据间重复较差，则该点数据舍弃。实际采用的数据为77组。

数据采用Excel 2010和Origin 7.5进行分析和制图。

2 结果与分析

2.1 施石灰对稻米镉含量、土壤有效态镉含量和pH值的影响

从整体来看（表2），对照处理稻米镉平均含量为0.29 mg/kg，分布区间为0.02～1.30 mg/kg；施用石灰处理后，稻米镉含量有明显的降低，平均含量降低至0.13 mg/kg，降低幅度达到55.2%，稻米镉的最高含量也由1.30 mg/kg降低至0.53 mg/kg。稻米镉含量符合国家食品卫生标准限值（＜0.20 mg/kg，GB 2762—2012）的比例也由对照的45.5%提升至77.9%。此外，土壤有效态镉含量和土壤pH值也均有所变化，对照处理的土壤有效态镉含量为0.68 mg/kg，施用石灰后略有降低，为0.66 mg/kg；土壤pH值在施用石灰后有明显提高，平均提高幅度为0.16个单位。

表2稻米镉含量、土壤有效态镉含量和pH值变化（n=77）

2.2 管理措施对施石灰降低稻米镉含量效果的影响

试验共采用了10个水稻品种，在筛选出的77对数据中，有5对以上数据的水稻品种包括H37优207（H207）、金优259（JY259）、天优华占（TYHZ）、湘晚籼12号（XW12）和湘晚籼13号（XW13）等，对其影响进行单独分析，其他水稻品种仅2～3对数据，不做单独分析。结果显示（图1），种植不同水稻品种条件下，施用石灰后稻米镉含量均有明显降低，米镉降幅最大的品种是H37优207，达到55.8%；其次为湘晚籼13号，降幅为48.7%；金优59与天优华占较为接近，分别为39.1%和38.1%；湘晚籼12号降幅最小，仅为32.1%，虽然不同品种间稻米镉含量降低幅度存在差异，但由于数据变异较大，统计结果显示，其差异并未达到显著水平（P＞0.05）。

图1不同水稻品种的石灰降低稻米镉含量效果（n表示样本数，下同）

试验共设置750、900、1 500和1 800 kg/hm2这4个石灰施用量（图2）。稻米镉含量降幅最大的是施用石灰1 800 kg/hm2，降幅达到58.3%，其次为施用量900 kg/hm2，降幅55.9%，施用量1 500和750 kg/hm2的降幅分别为40.7%和36.8%，基本呈现出随石灰施用量增大，稻米镉含量降幅提升的趋势。统计分析表明，仅施用量1 800 kg/hm2和施用量750 kg/hm2之间的差异达到显著水平（P＜0.05）。

2.3 土壤环境条件对施石灰降低稻米镉含量效果的影响

在不考虑其他外源污染的前提下，植物吸收和积累的镉主要来源于土壤，而土壤全镉含量是衡量土壤镉污染程度的重要指标。根据土壤环境质量标准，将供试土壤按照全镉含量的差异分为4个区间段，分别为＜0.3、0.3～0.6、0.6～0.9和＞0.9 mg/kg。不同镉污染程度稻田土壤施用石灰后均能明显降低稻米镉含量（图3），但并未呈现出明显的规律性变化。其中＜0.3、0.3～0.6和＞1.2 mg/kg这3个区间段土壤，在施用石灰后稻米镉含量的降低幅度均在50%以上，显著高于0.6～0.9 mg/kg的27.9%的降幅。

图2不同石灰施用量的稻米降镉效果

图3土壤全镉含量对石灰降低稻米镉效果的影响

土壤pH值是反映土壤酸碱程度的重要指标，也是影响土壤中镉赋存形态和植物有效性的一个关键因子。按照第二次土壤普查的土壤酸度等级划分标准，供试土壤pH值均在5.00～6.50之间，仅能划分为两个区间段，考虑样点的密集程度，在此将其分为4个区间段，分别为＜5.50、5.50～5.75、5.75～6.00和＞6.00（图4）。试验结果表明，不同pH值稻田土壤施用石灰后均能显著降低稻米镉的含量，平均降低幅度以土壤pH值＞6.00区间段最高，为51.2%，其次为5.75～6.00区间段，平均降幅49.0%，＜5.50和5.50～5.75区间段的稻米镉含量平均降幅分别为46.0%和43.2%。基本呈现出随pH值升高，稻米镉含量降低效果增强的趋势。

有机质是土壤最重要的成分之一，是决定土壤肥力的重要指标，其可通过与重金属元素发生络合、吸附等反应，影响土壤中重金属的有效性。总体来看，供试土壤的有机质较为丰富，其含量区间在17.9～74.9 g/kg之间，但平均含量高达45.9 g/kg，低于30 g/kg的样点数仅为3个，结合第二次土壤普查有机质丰缺程度划分标准和供试土壤现状，将其划分为＜40、40～50、50～60和＞60 g/kg这4个区间段（图5）。不同土壤有机质含量土壤，施用石灰后稻米镉含量的降低幅度存在明显的差异，总体上呈现出随土壤有机质含量增加，施用石灰降低稻米镉含量的效果减弱的趋势。上述4个有机质含量区间段的土壤，施用石灰后稻米镉含量的降低幅度依次为58.2%、41.2%、33.5%和44.5%。

图4不同土壤pH值的石灰降低米镉效果

图5不同土壤有机质含量的石灰降低米镉效果

土壤阳离子交换量（CEC）是土壤胶体所能吸附阳离子的总量，直接关系到土壤的缓冲能力，也是影响土壤中镉等重金属元素的赋存形态和植物有效性的重要指标。供试土壤CEC在9.1～23.8 cmol/kg之间，根据其变化情况，将其划分为＜14.0、14.0～15.5、15.5～17.0和＞17.0 com/kg这4个区间（图6）。土壤CEC在不同区间，施用石灰后稻米镉含量的降低效果存在较为明显的差异。稻米镉含量降低幅度最大的是CEC在14.0～15.5 cmol/kg，达到58.2%，随后依次为＜14.0 coml/kg （降幅49.1%）、15.5～17.0 coml/kg（降幅42.8%）和＞17.0 coml/kg（38.1%）。总体上呈现出随CEC升高，施用石灰降低稻米镉含量的效果减弱的趋势。

3 讨 论

图6不同土壤CEC的石灰降低米镉效果

施用石灰可以降低土壤中镉的有效性和植物对镉的吸收，其作用机理主要有2个方面：一是施用石灰后土壤pH值明显提高，导致土壤中有效性相对较高的形态向有效性较低的形态转化，进而降低土壤中镉的植物有效性；二是施用石灰带入大量的钙离子，其对植物吸收镉具有一定的拮抗作用[10]。该试验的结果也证实了施用石灰能有效降低土壤中镉的植物有效性，77个施用石灰的处理中，有73个稻米镉含量低于对照，占95%。施用石灰后，土壤pH值有明显提升，但土壤有效态镉含量变化幅度较小。这可能是由于该试验采取的有效态镉提取方法是DTPA法有关。施用石灰后，土壤中有效性较高的交换态主要转化为有效性相对较低的铁锰氧化物结合态和碳酸盐结合态，而DTPA提取法可以提取一定比例的铁锰氧化结合态镉[11]。

水稻对镉吸收积累能力品种间差异已被广泛证实[1]，但施石灰降低稻米镉含量效果对品种的响应机理有待进一步研究。石灰施用量的差异，对镉植物有效性有明显影响。该试验结果显示，施用1 800 kg/hm2的石灰，降低稻米镉含量的效果最好。屠乃美等[12]研究发现，在1 500、2 250和3 000 kg/hm2这3个用量下，以2 250 kg/hm2的石灰施用量降低稻米镉含量的效果最佳，但水稻有所减产。因此，在供试土壤条件下，石灰的推荐用量为1 800 kg/hm2。

土壤环境条件是影响施用石灰降低稻米镉含量效果的重要因子。土壤中镉的有效性基本随pH值升高而降低[13]，该试验结果表明，在土壤pH值低于6.5的条件下，施用石灰是能有效降低稻米镉含量，且降镉效果在pH值介于6～6.5区间时，效果最佳。土壤有机质含量和CEC越高的土壤，其酸碱缓冲能力越强，调节其pH值时所需的石灰用量也越高[14-15]。该试验的结果也显示，随着土壤有机质含量和CEC的提高，施用石灰降低稻米镉含量的效果减弱。该试验条件下，施用石灰后稻米镉含量降低的绝对量（对照与石灰处理稻米含量的差值）与土壤全镉含量呈极显著正相关关系（r=0.425，P＜0.01），但不同污染程度土壤施用石灰后，米镉含量降幅仅全镉含量在0.6～0.9 mg/kg时显著低于其他镉含量区间，这可能与该区间土壤有机质含量（仅低于＞0.9 mg/kg区间）和CEC（较其他区间高1.4～3.1 cmol/kg）相对较高有关。

4 结 论

通过多点田间试验研究发现，施用石灰可提高酸性土壤pH值，大幅度降低稻米镉含量。而且施用石灰降低稻米镉含量的效果受到管理措施和土壤环境条件的影响，在该区域的镉污染酸性稻田，石灰的适宜用量为1 800 kg/hm2。在土壤本底pH值低于6.5的条件下，随着pH值的升高，施石灰降低稻米镉含量的效果增强。土壤有机质含量低于40 g/kg和土壤CEC在14～15.5 cmol/kg时，施石灰降低稻米镉含量的效果较好，随土壤有机质含量和CEC的升高，施用石灰降低稻米镉含量的效果呈明显的减弱趋势。

[1] He Y B，Huang D Y，Zhu Q H，et al. A three-season field study on the in-situ remediation of Cd-contaminated paddy soil using lime，two industrial by-products，and a low-Cd-accumulation rice cultivar [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，2017，（136）：135-141.

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（责任编辑：肖彦资）

Effects of Lime on Reducing Cadmium Content in Rice and Its Influencing Factors

HU Zhao-hua1，JIN Lei2，ZHU Han-hua3
（1. Agriculture Commission of Xiangtan City, Xiangtan 411100, PRC; 2. Hunan Academy of Microbiology, Changsha 410009, PRC; 3. Institute of Subtropical Agriculture, the CAS, Changsha 410125, PRC）

In order to find out the effect of lime on reducing cadmium content in rice field polluted by acid cadmium pollution and its influencing factors, the lime test was carried out at 16 different sites in Xiangtan. Taking the decline of cadmium content of rice as the main evaluation index, the effects of management measures and soil environment conditions on the effect of lime on reducing cadmium content in rice were analyzed.The results showed that applying the lime 750-1 800 kg/hm2, the soil pH value increased by 0.16 units on average, and the average cadmium content of rice decreased from 0.29 mg/kg to 0.13 mg/kg. The optimum amount of lime was 1 800 kg/hm2, and the average decrease of cadmium content in rice was 58.3%. When soil background pH value was lower than 6.5, with the increase of pH value, the effect of lime on lower the cadmium content in rice was enhanced.With the increase of soil organic matter content and CEC, the effect of lime on lower the cadmium content of rice decreased obviously.

lime; soil; cadmium pollution; rice; management measures; soil environmental conditions

S511

：A

：1006-060X（2017）08-0020-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.006

2017-06-12

中国科学院STS项目（KFJ-STS-ZDTP-008）

胡召华（1984-），男，湖南湘潭市人，农艺师，主要从事土壤肥料和农业环境保护工作。

朱捍华