田间条件下石灰和生物炭对水稻稻谷吸收镉的影响

蒋敏华，丁懿，王星，孟浩然

(金华市婺城区植物保护和耕肥管理站，浙江 金华 321025)

2014年《全国土壤污染状况调查公报》[1]显示，影响农用地土壤环境质量的主要污染物是重金属，其中Cd为首要污染物。Cd是一种毒性很强的重金属，在土壤中积累过多，会引起土壤功能失调，造成土壤质量下降[2]。此外，Cd具有较强的积累性、移动性和生物可利用性，在环境中易积累且积累时间长，极易积累在农作物体内，能通过食物链进入人体，进而对人类健康造成威胁[3]。我国是水稻大国，年产量2.1亿t，约占我国粮食总产量的40%。每年受污染粮食达1.2×107t[4]，水稻安全面临重大威胁。因此，开展稻田重金属修复技术研究，降低水稻籽粒的Cd含量，对保障农产品安全具有重要的意义。

目前，土壤重金属的污染修复技术主要有原位修复和异位修复2种类型。通过施用钝化剂来原位钝化修复重金属污染，可以有效降低土壤重金属的有效性，被视为一种成本较低且行之有效的方法[5]。章明奎等[6]研究表明，土壤pH和有机质含量对土壤中重金属的迁移、形态分布以及转化有着重要的影响。王期凯等[7]研究表明，施用石灰可提高土壤中的pH，增强土壤的黏粒及土壤有机/无机胶体对重金属离子的吸附能力。李力等[6]研究表明，生物炭由于其特殊的理化性质，具有较大的比表面积、较高的化学和生物学活性，在提高土壤pH的同时，能够增强土壤对重金属离子的吸附能力，起到改善土壤质量的作用；因此，石灰和生物炭可作为土壤重金属钝化剂材料。

本研究选取生物炭和石灰作为重金属钝化剂材料进行田间试验，研究这2种钝化剂对土壤Cd、水稻稻谷中Cd含量的影响，以期筛选出有效的土壤重金属修复措施。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2020年在金华市婺城区进行，供试土壤Cd含量为0.38 mg·kg-1，供试水稻品种为甬优1540。

1.2 处理设计

设4个处理：对照，未添加生物炭和石灰；石灰，施用石灰1 500 kg·hm-2；生物炭，施用生物炭 4 500 kg·hm-2；石灰+生物炭，施用石灰1 500 kg·hm-2和生物炭 4 500 kg·hm-2。重复3次。除草、病虫害防治等其他田间管理与常规管理保持一致，待谷粒成熟后进行取样测定。

1.3 样品采集与测定

在水稻成熟期采集0～20 cm土壤样品与水稻稻谷样品。将土壤样品自然风干，除去其中的动植物残体，磨细后，过100目筛(0.149 mm)，备用待测。采集的水稻样品先后经过自来水和去离子水洗净，105 ℃杀青30 min后置于75 ℃烘干至恒重，粉碎研磨备用。

土壤有效态Cd用0.1 mol·L-1HCl溶液提取，植物Cd用HNO3-H2O2消解，土壤全量Cd用HNO3-HCl-HClO4消解，并用标准物质进行质量控制，用原子吸收光谱仪石墨炉法测定。

1.4 数据处理

应用Microsoft Excel 2013和SPSS 21.0软件进行差异显著性分析，采用Origin 9.0 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 对稻谷Cd含量的影响

图1显示，从稻谷Cd含量看，石灰、生物炭处理比对照分别降低65.9%和73.6%，石灰+生物炭处理比对照降低83.5%。单因素方差分析表明，各组间均存在显著差异，表明生物炭、石灰都能有效降低水稻稻谷中Cd的含量，且以共同施用效果更佳。

柱上无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)，图2～4同。图1 施用石灰、生物炭对水稻稻谷Cd含量的影响

2.2 对土壤中总Cd含量的影响

图2显示，与对照相比，土壤总Cd含量石灰处理下降20.0%，生物炭处理下降25.5%，石灰+生物炭处理降低41.8%。各处理间均差异显著。共同施加石灰和生物炭处理的土壤总Cd含量呈现显著下降趋势。

图2 施用石灰、生物炭对土壤总Cd含量的影响

2.3 对土壤有效态Cd含量的影响

图3显示，各处理与对照相比土壤有效态Cd含量均有显著差异，石灰、生物炭处理分别减少15.8%和23.7%，石灰+生物炭处理减少34.2%。生物炭和石灰的共同施用可以降低其在土壤中的移动性，效果优于单施生物炭或石灰。

图3 施用石灰、生物炭对土壤有效态Cd含量的影响

2.4 对水稻Cd富集系数的影响

图4显示，各处理相比对照水稻Cd富集系数均有下降，其中，石灰、生物炭处理分别为0.352 3和0.292 7，而同时施加石灰和生物炭处理显著下降，为0.234 4。由此可见，石灰和生物炭的施用，均可降低水稻Cd富集系数，进而降低Cd的生物有效性，且以两者共同施用效果更为显著。

图4 施用石灰、生物炭对水稻Cd富集系数的影响

3 讨论

在重金属污染土壤中，施用钝化剂会降低植物体内重金属的含量，提高作物产量[9]。Mao[10]研究发现，pH对土壤中重金属的形态分布、迁移和转化有着重要的影响。本试验采用了石灰和生物炭钝化剂，石灰能提高土壤中的pH值，诱导重金属形成氢氧化物沉淀，而且土壤中的Fe、Mn等离子能与氢氧根结合形成羟基化合物沉淀，为Cd等重金属离子提供更多的吸附位点[11]。石灰中的Ca2+和Cd2+存在竞争关系，从而降低了植物体内重金属的含量。朱奇宏等[12]研究表明，生物炭具有孔隙发达、表面积大、吸附性强等特点，在提高土壤pH的同时，可以改善土壤结构，增强土壤对重金属离子和有机物的吸附能力，达到钝化重金属的作用。田间试验结果表明，添加石灰和生物炭均能减少水稻中Cd的累积量，分别降低65.9%和73.6%，并且两者共同施用效果更佳，降低83.5%。原因在于钝化剂的施用降低了土壤Cd向水稻稻谷迁移，从而减少了水稻稻谷中的积累量。

土壤中的Cd以多种形态存在，其中有效态的含量对植物吸收转运Cd具有重要的作用[13]。钝化剂对重金属修复效果可能与钝化剂本身特性、施用量以及当地土壤的特性有关[14]。本研究中，相比对照，单施用石灰或生物炭土壤总Cd含量分别降低20.0%和25.5%，土壤有效Cd含量分别降低15.8%和23.7%。单施用一种钝化剂土壤总Cd含量呈下降趋势，原因可能是：(1)钝化剂的施用在提高土壤pH的同时，可以改善土壤结构，增强土壤对重金属离子和有机物的吸附能力，达到钝化重金属作用[12]；(2)不同的钝化材料对土壤的Cd含量影响有所差异，可能与石灰和生物炭本身特性、施用量以及当地土壤环境有关[15]。而同时施加石灰和生物炭的土壤总Cd含量、有效Cd含量也呈现下降趋势，这表明向土壤中同时施用生物炭和石灰，可以在一定程度上弥补单一材料长期影响的缺陷，与Cd发生了一系列沉淀、吸附和络合等反应，降低了Cd在土壤中的移动性[16-17]，从而使土壤中有效态Cd含量降低，达到更好修复土壤Cd污染的效果。

总体上而言，单独添加生物炭或者石灰相对于对照水稻中的Cd含量均有所下降，土壤中Cd的含量也显著下降，且两者共同施用水稻中Cd含量下降最为明显，达83.5%，土壤总Cd含量和有效Cd含量也出现下降趋势。

4 小结

施用石灰和生物炭均可降低稻谷中Cd含量，它们的修复效果有所差异，生物炭的修复效果相对石灰更好。

在田间试验中，石灰和生物炭的共同施用呈现效果最佳，稻谷Cd含量下降幅度最显著，土壤有效态Cd也表现出下降趋势。