钝化与淹水措施对水稻镉吸收积累的影响研究

褚傲南 杨 义 张全保 张文东 毛翀赟 屠 俊 江 淦

（1安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2江西洁地环境治理生态科技有限公司，江西鹰潭 335000；3江西省贵溪市滨江镇人民政府，江西贵溪 335000；4鹰潭市余江区农业农村粮食局，江西鹰潭 335200；5鹰潭市贵溪生态环境局，江西鹰潭 335000）

随着城市化和工业化进程加快，重金属污染物通过各种途径不断输入农田生态系统，严重威胁农产品质量安全[1-2]。水稻吸收过量镉（Cd）不仅会影响其生长发育，减少产量，更会通过食物链把毒性强、半衰期长的Cd 传递到人体中，给人体健康带来威胁[3-4]。据报道，我国当前土壤Cd 含量超标区域集中在长江流域和东南沿海地区[5-6]。同时，稻米是我国居民的重要主食，我国居民平均每日大米摄入量高达214.19 g/人，超过世界平均水平（148 g/人）45%[5]。稻米的高污染风险以及居民高水平的稻米摄入量，决定了我国稻田Cd 污染防控的必要性与紧迫性。

当前，关于水稻Cd 污染调控研究主要包括土壤pH 调控、选育镉低积累水稻品种、水分管理等农艺调控措施，以及这些措施对稻田土壤中Cd 迁移转化的机理及阻控水稻Cd 积累的效应[7-9]。Zhu 等[10]研究发现，施用石灰可以使土壤pH 升高0.5，同时使水稻籽粒Cd 含量降低35.3%。水分管理对Cd 的迁移富集影响很大，Huang 等[11]通过盆栽试验，研究了不同生育期水分管理模式对水稻籽粒Cd 累积的影响，结果发现灌浆期淹水较常规灌溉措施可以使水稻糙米Cd 含量下降90%。以上研究中，施用生石灰作为稻田控Cd 最具性价比的措施被广泛应用，灌浆期淹水也被发现是稻田水分管理中降Cd 效果更好、水资源更为节约的方式[6，12]。因此，探究生石灰钝化和水稻灌浆期淹水联合措施对实际稻田生产中的控Cd 具有重要意义。

本文以某轻度Cd污染农田为例，研究灌浆期淹水、施用生石灰以及综合处理措施对土壤中有效态Cd、离子交换态Cd和水稻各器官中Cd含量的影响，以期为Cd污染稻田的安全利用提供更多指导。

1 材料与方法

1.1 试验田与试验材料

试验地位于某水稻种植区，选取污染稻田0～20 cm 表土，经自然风干，研磨过100 目筛，测得土壤pH 5.24，总Cd 含量为0.82 mg/kg，属于轻度Cd 污染土壤；试验水稻品种为五优华占，采用的土壤钝化剂为生石灰（CaO 含量70%）。

1.2 试验设计

试验设计水分管理方式为灌浆期淹水，钝化剂选用生石灰，用量为3 000 kg/hm2。本研究为大田小区试验，试验设置4种处理：对照、淹水、钝化、淹水+钝化，每个处理重复3次，每个小区30 m2，共12个小区，小区间田埂包裹塑料薄膜，每个小区保证单排单灌，以防小区间串水，影响试验结果。各处理组栽培管理措施参考表1。

表1 标准处理具体规程及名称

1.3 样品处理与方法

采集成熟期各区长势均匀的水稻代表植株样，用自来水和去离子水洗净，再用剪刀将植株按根、茎、叶、谷粒分开，将谷粒样品置于室外晒干后用糙米机细分为谷壳和糙米，其他部位样品先在105 ℃烘箱中杀青30 min，再70 ℃烘干至恒重。将根、茎、叶、糙米粉碎后过100目筛，封袋保存。将采集相应的0～20 cm表层土壤，在室内自然风干，除去根系等杂物，置于研钵中研磨，分别过10目和100目尼龙筛后放入聚乙烯封口袋中保存。水稻根、茎、叶以及糙米植物样品用HNO3-HClO4体系消解，土壤样品采用HNO3-HF-HClO4体系消解，土壤样品和植物样品消解液及提取物中Cd的含量均用ICP-OES测定，土壤中有效态Cd 采用CaCl2试剂提取，离子交换态Cd 采用MgCl2试剂提取。土壤pH 测定：在室温下，以土水比1∶2.5 配制土壤悬浮液，于恒温振荡器上振荡1 h 后静置30 min 用pH 仪测定。水稻产量测定：分别收获试验田小区水稻，将水稻脱粒后，自然风干，计重。

1.4 数据处理及分析

运用Microsoft Excel 2010、IMB SPSS 27.0 对数据进行统计分析处理，运用Origin 2021 软件对数据进行图表处理。

2 结果与分析

2.1 不同调控措施对水稻产量的影响

不同处理下水稻产量由图1可知，与对照相比，钝化和淹水+钝化处理组水稻产量均有增长，分别增长了2.79%和0.63%，而淹水处理组水稻产量有所下降，降低幅度为0.50%。各处理组水稻产量由高到低排列顺序依次为钝化、淹水＋钝化、对照、淹水，各处理组水稻产量虽有偏差，但均未达到显著性水平（P＞0.05），表明3 种调控处理措施对水稻产量的影响较小。

图1 不同调控措施对水稻产量的影响

2.2 不同调控措施对土壤pH、土壤有效态Cd和离子交换态Cd含量的影响

分别对试验基地水稻成熟期的土壤样品进行分析，结果如图2a 所示，与对照组CK 相比，大田试验土壤pH 有不同幅度的升高，但差异不显著。采用3 种调控措施后土壤pH提高了0.20～0.31。其中，淹水+钝化处理降低土壤酸性的效果最好，土壤pH 达到了5.55，对耕地土壤pH的提高率约为6.05%；淹水处理和钝化处理对改良耕地酸性土壤的效果相当，提高率分别为4.04%和4.48%。

图2 不同调控措施对土壤pH、土壤有效态Cd和离子交换态Cd含量的影响

图2b 为试验稻田土壤样品中有效态Cd 和离子交换态Cd 的含量示意图，结果表明，灌浆期淹水处理、施加生石灰钝化及综合措施对土壤有效态Cd和离子交换态Cd含量有一定影响，较对照组都不同程度地降低有效态Cd和离子交换态Cd的含量。对于土壤有效态Cd 而言，3 种调控措施处理后含量均有小幅度下降，平均下降0.01～0.02 个单位，降幅约为7.69%～15.38%。

与稻田土壤有效态Cd相比，不同处理组间离子交换态Cd 含量的变化差异显著（P＜0.05），3 种调控措施较对照组相比离子交换态Cd 含量平均减少0.04～0.05 个单位，其中淹水+钝化措施下离子交换态Cd 的钝化效率最高，降镉率达到13.51%，其次是淹水处理和钝化处理，降Cd效果相当，约为10.81%。

2.3 不同调控措施对水稻各部位Cd含量的影响

由图3 所示，在Cd 污染试验田区内，水稻各部位重金属Cd含量表现出根＞茎＞糙米＞叶的规律。由图3可知，3种调控措施都能在不同程度上减少水稻根系以及茎鞘Cd含量。其中水稻根系Cd含量除淹水+钝化处理外，其他两种单一处理的降Cd 效果并不显著，经过淹水或钝化后水稻根系的Cd含量约在20.42～21.39 mg/kg，与对照组相比，降低范围为0.37%～4.89%；淹水+钝化处理后水稻根系Cd 含量约降低5.08个单位，降镉率达23.66%。而对于水稻茎鞘，降Cd 效果排序为淹水+钝化＞淹水＞钝化＞对照，Cd 含量降幅为0.63%～2.79%，且差异并不显著，说明3种处理措施对水稻茎鞘Cd含量的影响较小；在水稻的3个试验处理中，叶片和糙米Cd含量相比于对照处理降低效果显著（P＜0.05）。采用3种调控措施后，水稻叶片的Cd含量约在182.82～267.10 mg/kg，与对照组相比，降Cd 范围为18.28%～44.06%，综合处理的效果最好。对于水稻糙米而言，钝化、淹水和淹水+钝化处理分别使Cd 的含量降低21.46%、60.71%和70.36%。

图3 不同调控措施对水稻Cd含量的影响

3 讨论

本研究中，淹水处理较对照处理的水稻产量略有下降，但并未产生显著差异，这与前人研究结果类似[13]。事实上，水分管理会对水稻的生长产生影响，但是其产量是多方面综合影响的结果，陈新红等[14]研究发现，水稻结实期水分胁迫会通过影响叶片光合速率导致植株加快衰老，但同时也能促进植株物质转运量的增加，因此会出现水分胁迫处理与非胁迫处理间产量差异不明显的情况。而钝化处理较对照的水稻产量则略有上升，但差异仍不显著，这与娄飞等[15]研究结果一致。有研究认为[16]，常规的土壤钝化剂添加对土壤pH有升高作用，但对水稻产量并无显著影响。综合处理对水稻产量的影响与单一处理结果类似。由此可见，灌浆期淹水以及石灰钝化可以保证水稻的产量。

3 种调控措施均使土壤pH 有所提升，其中钝化处理的提升效果略优于淹水处理，但提升不显著，这可能是因为生石灰的添加量较小，又在土壤的缓冲体系作用下，使酸碱逐渐趋于平衡[17]。土壤中Cd的形态与其迁移转化能力密切相关，3 个处理组的有效态Cd和离子交换态Cd含量相较于对照均有不同程度的下降，表明淹水、添加生石灰措施降低了Cd的活性。关于石灰降低Cd活性的机理，主要观点是石灰所带来的pH升高，导致土壤胶体表面负电荷增加以及铁、锰羟基化合物的生成，增强了对Cd2+的吸附；游离态Cd2+向CdCO3、Cd（OH）2的转化，降低Cd的迁移能力[17-20]。此外，还有研究认为生石灰的加入会提升土壤中的有效磷，进而有利于生成P-Cd沉淀物[21]；通过增加土壤中的Ca2+，促进土壤中矿物表面胶体的形成，可以增强对Cd 的吸附[22]；影响土壤中的铁还原菌群落的丰度，进而降低Cd 的有效性[23]。众多研究表明淹水措施可以有效降低稻田土壤Cd 的活性，主要有以下2 个方面的原因：①淹水条件下土壤呈还原环境，高价硫会在微生物的作用下被还原成低价态的硫，还原产生的HS-、S2-等能与Cd 形成不溶的CdS 沉淀，这会大大降低土壤中游离Cd2+含量[24-26]。②淹水提高土壤pH 并且降低了土壤的Eh，一方面，土壤中的胶体负电荷增多以及土壤中铁氧化物由结晶态向无定形态转化，进一步增强了对Cd2+的吸附；另一方面，这能降低含Cd 矿物的溶解度，降低Cd的有效性[26-28]。

水稻各部位重金属Cd含量表现出根＞茎＞糙米＞叶的规律，这与张子叶等[29]的研究结果一致。添加生石灰以及淹水措施对水稻根系和茎鞘Cd 含量影响较小，而对叶和糙米的Cd 含量影响显著，这与史磊等[30]研究结果相似。生石灰的添加可以减少水稻籽粒对Cd 的吸收，除了生石灰降低了土壤中Cd 的活性外，还与水稻Cd 吸收的增多，会抑制水稻根系吸收Cd向茎秆的转运有关[31]。在水稻灌浆阶段，木质部会运输大量的Cd 到节部的韧皮部，使Cd 更容易被水稻籽粒吸收，该阶段是调控Cd 的重要时期[11-12]。灌浆期淹水导致的Cd 由离子交换态转化成更难被植物利用的有机结合态等形态是水稻籽粒Cd 降低的重要原因[27-28，32]。纪雄辉等[33]研究认为，淹水会导致土壤中生成大量的Fe2+、Mn2+，而水稻作为耐渍水植物，可以通过吸收氧使其根系处于氧化状态，从而在根表形成铁、锰的（氢）氧化物膜，而膜的厚度会决定该膜是促进还是抑制水稻对Cd 的吸收。刘昭兵等[34]认为，水稻根系吸收Cd需要借助于Fe 的转运蛋白，而淹水导致土壤中增多的Fe2+会与Fe转运蛋白优先结合，大大降低该蛋白与Cd的结合概率，从而降低水稻对Cd 的吸收。同时，淹水措施还会影响水稻内部相关基因的表达，抑制Cd向籽粒的运输[26，35]，进而导致籽粒Cd含量下降。

4 结论

灌浆期淹水以及添加适量生石灰可以保证水稻产量，并且单一的淹水、添加生石灰处理以及综合处理使耕地土壤pH 提高了0.20～0.31 个单位，而有效态Cd 和离子交换态Cd 的含量则均有不同程度下降。在水稻的根和茎中，实验处理未对其Cd含量产生显著影响，而在水稻的糙米和叶中，单一的淹水、添加生石灰处理以及综合处理措施则显著降低其Cd的含量，糙米Cd含量降幅为21.46%～70.36%。淹水降Cd 效果优于添加生石灰，综合处理措施降Cd效果优于单一措施。通过对水稻进行灌浆期淹水并配合添加适量生石灰，可以有效降低土壤Cd的活性以及水稻糙米Cd含量。