施用生物有機肥可降低糙米Cd含量

李小飛 代兵 何曉峰 黃偉樂 鄭煜基 梁金明 楊國義 陳能場

摘要：為探究生物有機肥對水稻糙米的降鎘（Cd）效果，分別采用盆栽試驗和田間試驗研究了不同有機肥施用量對水稻土壤pH值、有機質含量、有效態Cd含量以及糙米中Cd含量的影響。盆栽試驗結果表明，與對照相比，25～45 g/kg 增施量處理的酸性土壤pH值顯著提高0.97～1.12（P<0.05），有機質含量顯著增加24.0%～32.4%，有效態Cd含量下降9.2%～36.8%，糙米中Cd含量顯著減少67.7%～72.3%;隨著有機肥施用量增加，土壤pH值、有機質含量以及糙米中Cd含量并無顯著性差異。田間試驗結果表明，與對照相比，25～45 t/hm2增施量處理的稻田土壤pH值提高了009～0.68，有機質含量增加4.7%～58.9%，有效態Cd含量顯著降低26.6%～34.2%，糙米中Cd積累量顯著減少30.6%～37.6%;施用量從25 t/hm2增加到35 t/hm2時，水稻成熟后土壤pH值和有機質含量顯著增加，但有效態Cd含量和水稻糙米中Cd含量無明顯差異;隨著施用量繼續增加，土壤pH值、有機質含量、有效態Cd含量和水稻糙米中Cd含量并無顯著性變化。綜上所述，相同水分管控條件下，盆栽試驗中增施生物有機肥對提升土壤pH值和有機質含量、降低糙米中Cd含量的應用效果優于田間試驗，但在一定施用量條件下均能顯著提高酸性土壤的pH值和有機質含量，增強土壤酸堿緩沖能力，從而達到降低土壤中有效態Cd含量，顯著減少水稻糙米中Cd積累量的目的。

關鍵詞：生物有機肥;水稻;糙米;鎘;土壤pH值;有機質含量

中圖分類號： S511.06文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）08-0096-06

收稿日期：2020-08-07

基金項目：韶關市土壤污染防治科技專項（編號：2017sgtyfz202）;中山市社會公益科技研究項目（編號：2018B1014）。

作者簡介：李小飛（1990—），男，湖南郴州人，碩士，工程師，主要從事土壤污染與控制方面的研究。E-mail：xfli@soil.gd.cn。

通信作者：陳能場，博士，研究員，主要從事污染物環境化學行為及其生物修復方面的研究。E-mail：ncchen@soil.gd.cn。

隨著工礦業的發展，大量的重金屬污染物通過污水灌溉以及大氣沉降等途徑進入到農田土壤環境中，造成土壤重金屬含量超標，嚴重威脅我國的糧食安全[1-2]。鎘（Cd）是自然界中分布廣泛的一種高危害有毒致癌類物質，易被水稻吸收，具有蓄積性強、毒性持久等特點[3]。近年來，多地出現的“鎘大米”事件使得農田鎘污染逐漸受到人們的關注，如何抑制水稻對隔的吸收，降低稻米中的鎘含量已成為農業生態環境領域研究的熱點之一[4-6]。

原位鈍化修復是通過向農田土壤中施加石灰等鈍化調理劑，改變鎘在土壤中的賦存形態和生物活性，從而抑制農作物對鎘的吸收，達到受污染農田土壤安全利用的目的，具有操作簡單以及見效快等優點[7]。近年來，隨著農業生產過程中有機肥料的大力推廣應用，以生物有機肥作為土壤調理劑解決農田鎘污染已成為研究的熱點。研究表明，施用有機肥可通過改變土壤中的有機質含量和pH值，降低土壤中重金屬的生物有效性，從而抑制農作物根系對重金屬的吸收，并且在重度污染農田中效果更為顯著[8-9]。馬鐵錚等將含枯草芽孢桿菌的生物有機肥施用于水稻種植中，結果表明，該有機肥不僅提高了土壤pH值和養分含量，還顯著降低了土壤有效態鎘含量，糙米Cd含量下降了22%[10]。鄒傳等研究發現，施加不溶性腐殖酸濾渣可以顯著降低土壤中有效態Cd含量，并且鈍化效果隨著濾渣粒徑減小而增強[11]。然而，張佳等的研究則表明，在水稻種植過程中施用菜籽餅肥會導致土壤孔隙水中可溶性有機碳（DOC）、可溶性有機氮（DON）和可溶性鎘的含量升高，從而促進了水稻對Cd的吸收和累積，不利于稻米的安全利用[12]。由此可知，前人在有機肥應用于農田土壤改良等方面已經做了一定量的試驗性研究，但卻極少涉及以超高溫發酵條件下獲得的生物有機肥作為調理劑的應用試驗，因此以該類生物有機肥作為土壤調理劑應用于農田重金屬污染治理中，對土壤中鎘有效性、糙米Cd含量等的影響亟待研究。YM菌生物有機肥為牲畜糞尿等經超高溫發酵的產物，具有高有機質和生物酶含量的特點。本研究以YM菌生物有機肥作為外源有機肥，通過盆栽試驗和田間試驗對生物有機肥在抑制水稻對土壤中Cd的吸收以及減少糙米中Cd積累方面進行研究，初步探討不同增施量條件下水稻土壤pH值、有機質含量、有效態Cd以及糙米中Cd含量的差異，旨在為當前我國鎘污染農田土壤修復技術開發和糧食安全生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤來源于廣東省韶關市仁化縣董塘鎮某冶煉廠周邊農田（113°39′36.17″E，25°06′35.39″N）水稻田耕作層。土壤pH值為5.15，呈酸性;總Cd含量為2.27 mg/kg，超過GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》中水稻田土壤鎘濃度標準限值的6.5倍，屬重度污染;YM菌生物有機肥由鵬鷂環保股份有限公司提供;水稻由廣東省韶關市仁化縣當地農資站提供，品種為廣東省韶關市常規水稻美香占2號。供試土壤、田間土壤以及YM菌生物有機肥基本理化性質詳見表1。

1.2 試驗設計

盆栽試驗：將供試土壤置于陰涼處自然風干，去除石塊、根系等雜物后破碎過18目篩，干燥保存待用。本試驗根據YM菌生物有機肥施用量梯度（0、25、35、45 g/kg）共設置4組處理（CK、YM25、YM35、YM45），每組處理3次重復。2018年3月28日筆者所在項目組根據試驗方案將有機肥與供試土壤充分混勻，用自來水將盆栽內的土壤淹水熟化1周后進行水稻秧苗移栽，每盆2株幼苗。在水稻前中期生長過程采取持續水淹處理，分蘗后期開始減少淹水水分以及烤田處理的水分管控措施，所有必要的處理中使用常用農藥。2018年8月9日水稻移植 120 d 后成熟收獲，并分別采集土壤和水稻植株樣品。本次盆栽試驗在廣東省科學院生態環境與土壤研究所內的溫室大棚試驗基地內開展完成。

田間試驗：根據生物有機肥施用量梯度（0、25、35、45 t/hm2）共設置4組處理（CK、YM25、YM35、YM45），每組處理3次重復。2018年3月21日筆者所在項目組根據試驗方案將有機肥與各小區耕作層土壤充分混勻，淹水靜置1周后進行水稻插秧，秧苗間距為20 cm，行距為20 cm。在水稻前中期生長過程采取持續水淹處理，分蘗后期開始減少淹水水分以及烤田處理的水分管控措施，所有必要的處理中使用常用農藥。2018年7月26日水稻插秧120 d后成熟收獲，分別采集土壤和水稻植株樣品。本次野外田間試驗在韶關市仁化縣某冶煉廠附近農田受鎘污染區土壤中開展完成。

1.3 樣品采集與處理

盆栽試驗直接采集各處理的土壤和糙米樣品，田間試驗采用五點采樣法分別采集各小區的土壤和糙米樣品。采集的土壤樣品置于陰涼處自然風干，去除根系后破碎，依次過10目和100目篩，待測。水稻糙米樣品用去離子水洗凈，置于80 ℃烘箱內烘干，脫殼碾磨后過40目篩，待測。

1.4 測試分析

采用0.01 mol/L氯化鈣浸提，用電位法測定土壤pH值;采用重鉻酸鉀比鈀法測定土壤有機質（OM）含量;采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提、電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）儀測定土壤中有效態Cd含量;采用硝酸+高氯酸（9+1）混酸消解，原子吸收分光光度計石墨爐法測定糙米中Cd含量。

1.5 統計分析

采用Microsoft Excel 2013和SigmaPlot進行數據分析和圖形處理;采用SPSS 20.0軟件中Duncans檢驗法進行各處理間的差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥對土壤pH值的影響

盆栽試驗結果（圖1-a）表明，增施生物有機肥能有效提高土壤pH值，改善土壤酸堿緩沖能力。與對照相比，25～45 g/kg施用量處理的土壤pH值顯著提高，提高了0.97～1.13，促使土壤由酸性向中性條件轉變，從而改善了水稻生長過程中的土壤酸堿環境，這與陳紅金等得出的有機肥能提高酸性土壤pH值的研究結果[13]基本一致。此外，3種施用量處理的土壤pH值均大于6.5，但并無顯著性差異，說明25～45 g/kg 范圍內的生物有機肥施用量對土壤pH值的變化影響不大。

田間試驗結果（圖1-b）表明，與對照相比，25 t/hm2 有機肥增施量處理的稻田土壤pH值雖有升高趨勢，但并無顯著性差異;當施用量增加到 35 t/hm2 時，土壤pH值顯著提高，但隨著施用量進一步增加，土壤pH值并無顯著性變化，說明酸性稻田中增施生物有機肥有利于改善土壤酸堿環境，其影響效果與施用量有關。3種增施生物有機肥處理的土壤pH值均未超過6.0，說明其在野外大田應用中對酸性稻田土壤的酸堿改良效果稍差于盆栽試驗，但當施用量超過35 t/hm2時仍能達到顯著水平。

2.2 生物有機肥對土壤有機質含量的影響

盆栽試驗結果（圖2-a）表明，增施生物有機肥能有效提高土壤中的有機質含量。與對照相比，25～45 g/kg施用量處理的土壤中有機質含量顯著增加，增加了24.1%～32.4%，土壤肥力提升且土壤中羥基、氨基等官活性能團數量增加，這與陸成杰等得出的施用外源有機肥有利于提高土壤有機質含量的研究成果[14]基本一致。此外，3種增施生物有機肥處理的土壤有機質含量均超過了33 g/kg，但并無顯著性差異，說明在25～45 g/kg范圍內增加有機肥施用量對土壤有機質的含量影響不大。

田間試驗結果（圖2-b）表明，與對照相比，25 t/hm2 有機肥增施量處理的稻田土壤有機質含量雖有增加趨勢，但并無顯著性差異;當施用量提高到35 t/hm2時，土壤有機質含量顯著增加，增加了13.4 g/kg，但隨著施用量的進一步增加，土壤有機質含量并無顯著性變化，說明酸性稻田中增施生物有機肥有利于提高土壤有機質含量，增加土壤肥力，其影響效果與施用量有關。與盆栽試驗相比，野外田間試驗中利用生物有機肥增加土壤有機質含量的效果稍差，但當施用量超過35 t/hm2時仍能達到顯著水平。

2.3 生物有機肥對土壤中有效態Cd含量的影響

盆栽試驗結果（圖3-a）表明，增施生物有機肥有利于降低土壤中有效態Cd的含量，從而抑制水稻對土壤中Cd的吸收。與對照相比，25 g/kg有機肥增施量處理的土壤有效態Cd雖有下降趨勢，但并無顯著性差異;當施用量增加到35～45 g/kg時，土壤有效態Cd含量顯著降低，降低了17.6%～372%，并且降幅隨著施用量的增加而增大。由此可知，酸性土壤中增加生物有機肥施用量有利于降低土壤有效態Cd含量，其影響效果與施用量呈正相關。

田間試驗結果（圖3-b）表明，與對照相比，25～45 t/hm2 有機肥增施量處理的稻田土壤有效態Cd含量顯著下降，下降了26.6%～34.2%，但3種增施量處理間土壤有效態Cd含量差異不大，說明酸性稻田中增施生物有機肥能有效降低土壤中有效態Cd含量，有利于減少水稻對Cd的積累。

2.4 有機肥對糙米中Cd含量的影響

盆栽試驗結果（圖4-a）表明，與對照相比，3種增施生物有機肥處理的水稻糙米中Cd含量顯著下降，下降了67.7%～72.3%，說明增施該生物有機肥能有效抑制水稻對土壤中Cd的吸收，顯著降低糙米中的Cd含量，這與駱文軒等得出的有機肥施用能有效減少糙米中Cd積累量的結論[15]一致。隨著生物有機肥施用量增加，糙米中Cd含量有逐漸下降的趨勢，但并無顯著性差異，說明增加施用量對水稻糙米的降鎘效果影響不大。此外，45 g/kg增施處理的水稻糙米Cd含量為0.18 mg/kg，已低于GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》中糙米中Cd含量的標準限值（0.2 mg/kg），達到了糧食安全生產的要求。

田間試驗結果（圖4-b）表明，與對照相比，3種增施生物有機肥處理的水稻糙米中Cd含量顯著下降，下降了30.6%～37.6%，說明以該有機肥作為基肥應用于受鎘污染的酸性稻田土壤中能有效降低水稻糙米中Cd含量，但降鎘效果低于盆栽試驗。隨著生物有機肥施用量增加，糙米中Cd含量變化并無顯著性差異，說明該范圍內增加有機肥施用量對水稻糙米的降鎘效果影響不大。

3 討論

有機肥中含有能與H+和重金屬陽離子相互作用的羥基、氨基等官能團，因此能有效提高土壤pH值[16]。本研究中無論是盆栽試驗還是田間試驗結果均表明，施用生物有機肥有利于提高土壤pH值，其研究結果與前人的基本一致，但也發現不同的應用環境下還存在一定的效果差異。相同水分管控條件下，盆栽試驗中施用生物有機肥對土壤pH值和有機質含量的改良效果優于田間試驗，但在一定施用量條件下均能顯著提高酸性土壤的pH值和有機質含量，增強土壤酸堿緩沖能力，從而達到降低土壤中有效態Cd含量的目的。盆栽試驗中，25 g/kg 施用量就能顯著提高酸性土壤的pH值，并且3種增施處理的土壤pH值均大于6.5;田間試驗中，35 t/hm2施用量才能達到顯著提高土壤pH值的效果，并且3種增施處理的土壤pH值均未超過60，造成該效果差異可能有2個方面的原因：一方面，水稻生長過程中根系會分泌部分酸性物質，促使土壤pH值下降，由于田間栽培的水稻生長情況優于盆栽，根系更為發達，因此分泌的酸性物質更多[17-18]，導致大田中增施有機肥對土壤pH值的提升效果低于盆栽;另一方面，雖然增施有機肥具有提高土壤pH值、增強酸堿緩沖能力的作用，但由于田間試驗中的水稻發育較好，根系酸性物質分泌以及土壤有機肥礦化分解速率更快，雙重作用致使土壤酸堿緩沖能力下降，從而導致田間試驗中的稻田土壤pH值低于盆栽試驗，以及增施25 t/hm2有機肥處理的稻田土壤pH值與對照組并無明顯差異的情況。

土壤pH值以及有機質含量可直接影響土壤中Cd的賦存形態，pH值升高和有機質含量增加都會降低土壤中Cd的生物有效性[19-20]。有機肥主要通過提高土壤pH值、有機質含量和脫氫酶活性等從而降低土壤中有效態Cd含量[20-22]，其中土壤pH值升高有利于土壤中Cd由弱酸提取態向可還原態轉化;增加土壤中的有機質含量能夠為重金屬提供更多的結合點位，有利于土壤中Cd由弱酸提取態向可氧化態轉化;生物酶活性通過影響微生物代謝從而影響土壤中Cd賦存形態。本試驗結果表明，盆栽試驗和田間試驗中增施生物有機肥均有利于提高土壤的pH值和酸堿緩沖能力;生物有機肥本身具有較高的有機質含量，同時緩釋特征使得在整個水稻的生育期內土壤有機質含量均顯著提高;YM菌生物有機肥本身含有較高活性的生物酶等，以上因素共同促使了增施生物有機肥使得酸性土壤中Cd由生物活性較強的弱酸提取態向可還原態等轉化，從而導致土壤中有效態Cd含量降低的情況。此外，與田間試驗相比，盆栽試驗中水稻成熟后的土壤有效態Cd含量明顯偏高，其原因可能一方面是由于水稻生長過程中采取淹水-烤田的水分管控措施，水稻生長后期由于排水烤田處理使得土壤pH值降低，有機質對Cd的絡合和螯合能力下降[23-25]，土壤中部分可還原態和可氧化態Cd重新轉化為弱酸提取態;另一方面，盆栽試驗中供試土壤的Cd含量相對較高，同時由于增施生物有機肥使得土壤中可還原態Cd含量增加[26]，但隨著水稻進入成熟期以及烤田過程延長，土壤中未被水稻吸收利用的可還原態Cd和可氧化態Cd重新轉化為弱酸提取態，從而導致盆栽試驗中水稻成熟后土壤有效態Cd含量高于田間試驗。此外，由于田間試驗更多的有效態Cd轉移到水稻植株體內，導致土壤中有效態Cd含量減少，也是造成其土壤中有效態Cd含量低于盆栽試驗的原因之一。

糙米中Cd含量與土壤有效態Cd含量呈顯著正相關[27-28]。本研究中增施生物有機肥顯著提高了酸性土壤的pH值和有機質含量，土壤中有效態Cd含量降低，有效減少了水稻糙米的Cd積累，但盆栽試驗中增施生物有機肥降低水稻糙米Cd積累量的效果優于田間試驗。與田間試驗相比，盆栽試驗中水稻成熟后土壤中有效態Cd含量相對較高，但糙米中Cd含量卻相對較低，其原因可能與水稻具體生長情況和自然環境有關。孕穗期和灌漿期是抑制水稻鎘吸收、降低水稻糙米中Cd累積量的最關鍵生育時期[28-29]，調節土壤pH值大于6.5能有效降低糙米中Cd的積累量[30]。田間試驗中水稻根系的酸性物質分泌物更多，土壤有機肥礦化分解速率更快，造成在阻隔水稻Cd吸收的關鍵生育期內土壤pH值偏低，土壤中更多的有效態Cd容易被水稻吸收積累。此外，有機肥中的生物酶活性也會影響水稻對土壤中Cd的吸收效率，但由于野外田間試驗中的自然環境相對惡劣，可能會造成生物有機肥中的生物酶活性降低，從而影響其在水稻生長過程中的降鎘效果。

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