秸秆移除对降低土壤镉含量的效果有限

赵方杰，赵星宇，陶祎敏，王汉卿，汪鹏

（南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095）

我国部分地区农田土壤重金属镉（Cd）污染问题比较突出，造成农产品Cd 含量超标，不仅影响农产品质量安全，还可能对人体健康产生不良影响[1-3]。按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）划分，土壤Cd 含量高于风险筛选值，但低于风险管制值的农用地为“安全利用类”，在这类农用地进行农业生产必须采取措施以确保农产品达标。土壤Cd 的风险筛选值和风险管制值因土壤pH 不同而异，前者为0.3～0.6 mg·kg-1，后 者 为1.5～4.0 mg·kg-1。“安全利用类”属于中低污染，占污染农用地的绝大部分。我国2016 年颁布的《土壤污染防治行动计划》要求，到2020年和2030 年，受污染耕地安全利用率要分别达到90%左右和95%以上。因此，全国各地都在开展污染耕地阻抗农产品重金属积累的措施研究。一个广泛采用的措施是秸秆移除，其目的是通过移除积累在秸秆中的重金属，逐步降低土壤重金属含量。这个措施的效果如何，很少见到报道。本文通过对文献报道的数据进行模拟计算，评估水稻秸秆移除对降低土壤Cd含量的效果。

1 材料与方法

通过对发表于1998 年至2020 年的文献进行检索和筛查，从中获取相关数据进行分析与计算。英文文献检索自Web of Science 与Google Scholar，以“Rice”“China”“Cadmium”；“Rice”“har⁃vest index”等组合的关键词进行检索。中文文献检索自《中国知网》，检索关键词为“水稻”“镉”；“水稻”“收获指数”。首先对检索出的论文进行筛选与剔除，剔除标准为：（1）非田间试验数据；（2）没有重复或没有明确标明重复次数的数据；（3）试验场地非中国地区的数据。对筛选后的文献进行数据收集和汇总，包括试验年份、地点、土壤Cd 含量、水稻品种、秸秆生物量、秸秆Cd 浓度、稻谷产量、稻米Cd浓度、收获指数等。

2 结果与讨论

通过文献检索，共查到基于大田试验并同时提供土壤Cd 全量和水稻成熟期秸秆Cd 含量数据的文献22 篇（表1），包括了44 个试验点，试验点分布在我国12 个省份（图1a）。有些试验点包括多个水稻品种，本研究取其不同品种秸秆Cd 含量的平均值。将秸秆Cd 浓度与土壤Cd 浓度作图（图1b）可见，两者具有显著的线性相关关系，回归分析得到的方程如下：

式中：y代表水稻秸秆Cd浓度，mg·kg-1；x代表土壤Cd总浓度，mg·kg-1。

对22 篇文献报道的籽粒和秸秆Cd浓度（表2）作图可见，两者呈现显著的线性关系（图2），回归方程的斜率为0.11，该斜率与Duan 等[25]基于两试验点466 份水稻品种的结果（斜率为0.12）相似。秸秆Cd 浓度与籽粒Cd 浓度的比率变幅为2.8～43.8，中值为8.0。

为了计算水稻秸秆积累Cd 量，首先需要知道秸秆的生物量。绝大多数文献未报道秸秆生物量，但是根据稻谷产量和收获指数可以计算秸秆生物量。从32 篇我国基于田间试验文献中，得到水稻稻谷的生物量（平均值±SD）为8.01±1.9 t·hm-2（n=168），收获指数为0.50±0.06（n=139），即秸秆与稻谷生物量相等。

以8 t·hm-2的秸秆生物量，再根据回归方程（1）计算得到的秸秆Cd 浓度，可以计算秸秆Cd 的积累量（表3）。以耕层深度为0.2 m、土壤容重为1.3 g·cm-3计算不同Cd浓度（0.5～5.0 mg·kg-1）土壤Cd 总量（表3）。单季水稻秸秆可移除的Cd 占耕层土壤Cd 总量仅为0.23%～0.37%（平均值为0.27%；表3），移除率随着土壤Cd 浓度增加呈下降趋势。总体而言，水稻秸秆移除对降低土壤Cd 的效果非常有限。考虑到水稻籽粒Cd 含量仅为秸秆Cd 含量的1/8 左右，水稻秸秆和籽粒对土壤Cd 的总移除率为0.30%左右，按此计算，种植100季水稻可移除30%的耕层土壤Cd。

表1 秸秆Cd浓度与土壤Cd浓度线性关系数据Table 1 Data of the linear relationship between straw Cd concentration and soil Cd concentration

假设植物吸收的Cd 来自于土壤中的有效态Cd，那么，秸秆移除可能使得土壤中有效态Cd 的下降幅度大于土壤总Cd的下降幅度。土壤中不同形态Cd处于动态平衡之中，用同位素交换的方法测定的Cd E 值，反映了土壤Cd 的活性库（Labile pool）。不同土壤Cd E值占Cd 总量的百分比变幅在10%～90%之间，平均值为60%[27-28]。按此平均值计算，单季水稻秸秆和籽粒移除的Cd 占土壤Cd活性库的0.5%。

表2 籽粒Cd浓度与秸秆Cd浓度线性关系数据Table 2 Data of the linear relationship between grain Cd concentration and straw Cd concentration

表3 水稻秸秆对土壤镉移除率Table 3 Removal rate of soil cadmium by rice straw

以上计算结果代表我国不同土壤类型、不同水稻品种和栽培管理方式下的平均值。土壤性质中，pH 值和土壤氧化还原状况对Cd 的有效性影响很大。酸性和好氧条件下Cd 有效性提高[2-3，29-31]，水稻对Cd 的吸收增加，移除率也会相应增加。在一些有利于提高土壤Cd 有效性的特定条件下，Cd 移除率可比平均水平高3～5 倍，即单季移除率可达土壤Cd 总量的0.9%～1.5%。即使在这些情况下，水稻秸秆和籽粒对土壤Cd的移除效果仍然很有限。

根据已有的报道，我国不同地区大气沉降的Cd 通量变化幅度为0.4～25 g·hm-2·a-1[31-34]。与表3 比较可知，水稻秸秆Cd 积累量与大气Cd 沉降量基本相等。除了大气沉降外，灌溉水以及有些化肥和有机肥的施用也会向农田土壤输入Cd[2，33]。因此，考虑到Cd 输入，秸秆移除很可能并不会降低土壤Cd含量。

与其他重金属或类金属（如Pb、As、Hg）相比，Cd 从土壤向植物的移动性较强，秸秆与土壤Cd 的浓度比值（即富集系数）远大于其他重金属[35]。因此，秸秆移除对降低土壤中其他重金属或类金属含量的效果比Cd更低。

秸秆移除减少了有机质向土壤的输入。此外，水稻秸秆富含多种矿质元素，如Si的平均含量高达5%，每季秸秆Si的积累量平均值达400 kg·hm-2[36]。Si对水稻抵抗生物和非生物胁迫起重要作用[37-38]，长期秸秆移除可使土壤有效Si含量下降，导致水稻减产[39]。此外，Si对水稻吸收Cd 和As 有抑制作用[40-41]，长期秸秆移除可能削弱这种抑制作用。

3 结论

本研究基于文献报道的数据建立了水稻秸秆Cd 浓度与土壤Cd 浓度的线性回归方程，根据该方程计算了水稻秸秆对Cd 的积累量，发现单季秸秆移除可降低耕层土壤Cd 含量平均值为0.27%，降镉效果有限。考虑到秸秆移除可能带来的副作用，秸秆移除不宜作为中低污染农田安全生产广泛推广的措施。