紫云英翻压条件下生物炭基肥配施量对水稻Cd迁移累积的影响

2020-12-04喻成龙汤建郑琴倪国荣谢志坚荣勤雷郭乃嘉王惠明周春火

农业环境科学学报 2020年11期

喻成龙，汤建，郑琴，倪国荣，谢志坚，荣勤雷，郭乃嘉，王惠明*，周春火，2*

（1.江西农业大学国土资源与环境学院/江西省农业废弃物资源化利用与面源污染防控产教融合重点创新中心，南昌330045；2.南昌市农业农田养分资源管理与农业面源污染防控重点实验室，南昌330045；3.万年县农业农村局，江西万年336100，4.江西省农业生态与资源保护站，南昌330046）

水稻土是我国主要的耕作土壤类型之一，随着经济和现代工业化的发展，稻田土壤污染日益加剧。稻田土壤重金属镉（Cd）是威胁人类健康的主要污染物之一，近年来由于Cd 污染引起的稻米安全问题常有报道，因其对人体健康产生严重威胁，已经引起了国内外科研工作者对稻田Cd污染问题的极大关注[1-3]。

农业生产中，施肥是提高作物产量、保证作物正常生长发育的重要措施，大量研究表明土壤重金属含量和活性会由于施肥产生一定程度的改变[4-5]。谢杰等[6]研究发现在22.5 t·hm-2的紫云英翻压施用下不同深度稻田土壤的有机质含量显著提高，且各土层中具有生物活性的Cd 形态占总Cd 的比例明显升高；倪幸等[7]研究发现，以紫云英等有机物料作活化剂，可有效提高土壤中重金属生物有效性；而杨滨娟等[8]研究表明，30%紫云英翻压配施100%氮肥处理能降低土壤中Cd 含量。因此，目前学界对于紫云英翻压条件下，肥料的配施如何影响土壤重金属含量和活性仍然没有明确结论。

生物炭是近年来研发出的一种治理重金属污染的新型材料，具有较大的比表面积、较强的吸附能力等特性[9-10]。但由于生物炭本身并不具备足够的养分，不能较好地促进作物生长。因此，将生物炭与肥料进行有机结合制成的生物炭基肥就成为在重金属污染土壤上种植作物的理想选择。使用生物炭基肥代替部分化肥，不仅可减施化肥，且在降低重金属污染风险方面具一定优势。魏张东[11]研究发现生物炭基肥表面富含的活性官能团（硅氧基、烷氧基、氨基、胺基、羧基等）能与Cd 发生络合反应，使生物炭基肥对土壤中Cd 起到稳定化作用。Zhao 等[12]将P 肥与生物质/炭（锯末和柳枝）进行混合后热解制成生物炭复合材料，研究表明，与单一生物炭相比，该含磷生物炭复合材料在养分的慢速释放及对土壤重金属稳定方面有明显作用。以上研究表明炭基肥料对土壤中重金属有明显的钝化作用，但目前关于翻压紫云英条件下，探究生物炭基肥对稻田土壤重金属影响的研究仍鲜有报道，且生物炭基肥用于重金属污染土壤治理的最佳施用量有待进一步研究。

因此，本文采用盆栽试验，在重金属Cd污染土壤上种植水稻，以生物炭基肥配施量作为不同试验处理，研究翻压紫云英条件下生物炭基肥配施量对水稻生长发育、水稻各器官Cd 含量及Cd 迁移转运的影响，以期找到翻压紫云英条件下生物炭基肥修复重金属污染稻田的最佳施用量，为重金属污染稻田安全高效生产提供一定的科学依据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻为早稻品种荣优华占，紫云英品种为余江大叶（鲜质量0.08 kg·pot-1）；化肥分别是尿素、钙镁磷肥和氯化钾。试验中所用生物炭基肥购自辽宁金和福农业科技股份有限公司（总养分：N∶P2O5∶K2O=24∶8∶10，以玉米秸秆为原料采用限氧裂解法制备混合而成，生物炭基肥中Cd 含量未检出）。供试土壤为江西农大化工厂周边Cd污染稻田土壤。供试土壤农化性质为：土壤pH为5.46，有机质含量为15.09 g·kg-1，碱解N含量为66.74 g·kg-1，有效P含量为22.59 g·kg-1，速效K含量为197.80 g·kg-1，总Cd含量为2.41 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验以翻压紫云英条件下不同生物炭基肥添加量为处理，共设置不添加生物炭基肥、添加量10%、20%、30%和40% 5个水平，具体处理设置见表1。所有处理施肥量相等。所有肥料均分3 次施入，其中基肥、分蘖肥、穗肥分别占总肥料的40%、30%和30%。将10 kg 风干过筛后的土壤装入直径30 cm、高40 cm的橡胶桶中，移栽长势相同的30 d 苗龄的水稻秧苗，每桶2 株，每个处理3 次重复。所有盆栽试验于2019年4 月在江西农业大学生态科技园进行，水稻整个生育期过程保持约3 cm的淹水状态。

1.3 样品采集及测定方法

水稻成熟后收获样品，将水稻分为根、秸秆和籽粒3部分，洗涤、杀青1 h后，80 ℃烘干至恒质量，然后使用天平测定植株各部位的干质量。水稻谷壳和糙米分开磨碎，根和秸秆使用植株粉碎机粉碎，过100目筛用于测定各器官的重金属Cd含量。

土壤pH值使用风干土以pH计（雷磁pHS-3C）测定。土壤碱解N、有效P、速效K和有机质分别采用碱解扩散法、Olsen 法、火焰光度计法和重铬酸钾容量法-外加热法进行测定[13]。水稻生物量用分析天平[TLE，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]称量测定。土壤有效态Cd 含量采用5 mmol·L-1的DTPA 浸提剂提取。土壤采用三酸消解法进行消解备用[14]，植株的消解参照Xu 等[15]的方法使用硝酸-微波消解法，分别使用原子吸收分光光度计（上海光谱仪器有限公司SP-3530和SP-3500GA）进行测定。

采用转运系数（Translocation factor，TF）来研究水稻前一部位向后一部位的转运Cd 的能力。计算公式[16]为：

式中：Ca为水稻后一部位（分别对应为秸秆、谷壳、糙米）中重金属Cd含量，mg·kg-1；Cb为水稻前一部位（分别对应为根系、秸秆、谷壳）中重金属Cd含量，mg·kg-1。

1.4 统计分析

所有数据利用SPSS 软件进行单因素ANOVA 分析和显著性分析（P＜0.05），利用Origin 2019软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭基肥配施量对水稻各部位干质量的影响

由图1 可以看出，紫云英替代30%氮肥的条件下，配施40%的生物炭基肥处理水稻各部位干质量在所有处理中均为最高。对于根干质量而言，FNG30B40 处理显著（P＜0.05）高于FNG30B10 处理，提高了33.3%；而水稻秸秆干质量随着生物炭基肥配施量的增加而增加，且FNG30B40 处理显著（P＜0.05）高于其他处理，较FNG30、FNG30B10、FNG30B20 和FNG30B30 处理分别提高了22.1%、40.1%、20.6%和16.6%；对于水稻籽粒来说，配施生物炭基肥均能提高水稻籽粒产量，且随着配施量的增加，籽粒产量逐渐提高。FNG30B30 和FNG30B40 处理显著（P＜0.05）高于FNG30 处理，分别提高了47.0%和37.2%。表明在30%紫云英还田量的条件下，配施生物炭基肥能明显提高水稻产量，且随着生物炭基肥用量的提高，水稻产量也明显提高。

图1 生物炭基肥配施量对水稻各部位干质量的影响Figure 1 Effects of different biochar-based fertilizer dosages on dry quality of different rice organs

2.2 生物炭基肥配施量对水稻各部位Cd含量的影响

由图2 可知，水稻各器官Cd 含量的分布为根＞秸秆＞谷壳＞籽粒。紫云英还田条件下生物炭基肥配施量对水稻各部位Cd含量有较为明显的影响。在加入生物炭基肥后，FNG30B20处理的水稻根部Cd含量较对照显著（P＜0.05）提高，FNG30B10、FNG30B30 和FNG30B40处理与对照相比均无显著差异，但Cd含量略有增加。对于水稻秸秆，加入生物炭基肥后除FNG30B20 处理高于对照，其他处理均低于对照，且在FNG30B30 和FNG30B40 处理时达到显著水平（P＜0.05），FNG30B10、FNG30B20 处理较对照无显著差异，FNG30B10、FNG30B30 和FNG30B40 分别降低了3.7%、12.3%和11.1%。加入生物炭基肥后的处理均降低了水稻谷壳和糙米中的Cd含量，对于谷壳来说，4 个处理中Cd 含量较对照分别降低了12.5%、17.5%、5%和17.5%，与对照相比，FNG30B10和FNG30B30处理的谷壳Cd 含量无显著差异，而FNG30B20 和FNG30B40 处理的谷壳Cd 含量显著（P＜0.05）降低。对于糙米来说，FNG30B10、FNG30B20、FNG30B30、FNG30B40 4 个处理相比于对照处理分别降低了8.3%、20.8%、29.2% 和19.6%，其中FNG30B10、FNG30B20 和FNG30B40 处理较对照无显著差异，但FNG30B30 处理显著（P＜0.05）低于对照，重金属降低效果最好。在30%的生物炭基肥配施处理时，糙米中重金属含量为0.167 mg·kg-1，低于我国《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）（0.2 mg·kg-1）。说明生物炭基肥能有效降低水稻籽粒中重金属Cd 的含量，且在生物炭基肥配施量为30%时降低效果最好。

图2 生物炭基肥配施量对水稻各部位Cd含量的影响Figure 2 Effects of biochar-based fertilizers dosage on Cd content in different rice organs

2.3 生物炭基肥配施量对水稻重金属转运系数的影响

从表2 中可以看出，不同生物炭基肥配施量处理的水稻根部向地上部位转移能力有所不同。所有处理根部到地上部位的转运系数TF地上部位/根均大于1.0，且在配施生物炭基肥后均低于未配施生物炭基肥的处理，其中FNG30B30 处理显著（P＜0.05）低于对照处理，降低了17.6%，FNG30B10、FNG30B20和FNG30B40处理分别降低了10.8%、13.4%和15.0%，说明在施加生物炭基肥后能抑制重金属Cd向水稻地上部位的转运，且在30%生物炭基肥配施处理时抑制效果最佳。

重金属Cd由根到秸秆的转运系数（TF秸秆/根）均接近1.0，说明Cd从根到秸秆的转运能力较强，且从表2中可以看出，施加生物炭基肥后，转运系数TF秸秆/根较对照处理均无显著下降，4 个处理分别降低了8.3%、4.6%、16.6%和12.2%。从重金属Cd 由秸秆至谷壳的转运系数（TF谷壳/秸秆）看出，5 个处理的转运系数TF谷壳/秸秆为0.398～0.542，说明重金属Cd 从秸秆到谷壳的转运能力较其他转运过程弱，除FNG30B30 处理外，FNG30B10、FNG30B20 和FNG30B40 均低于对照处理，分别降低了8.0%、18.3%和6.4%。对于重金属Cd 从谷壳到糙米的转运系数（TF糙米/谷壳），FNG30B20、FNG30B30 和FNG30B40 处理较对照处理都有所降低，在FNG30B30 处理时降低幅度最大，为29.8%，说明一定量的生物炭基肥配施能够减少水稻中Cd向糙米的转运。

表2 不同生物炭基肥配施量下水稻各器官间Cd的转运系数Table 2 Translocation factor of heavy metal in different rice organs of different biochar-based fertilizer dosages

2.4 水稻各器官间重金属含量与转运系数的关系

由表3 可知，水稻根中重金属含量与水稻各部位重金属的转运系数均无显著的线性相关关系。秸秆中重金属含量与根到秸秆的转运系数TF秸秆/根存在极显著的正线性相关关系（P＜0.01），与秸秆到谷壳的转运系数TF谷壳/秸秆存在显著的负线性相关关系（P＜0.05），这说明水稻秸秆中Cd的积累与根对Cd的转运能力呈正相关，与茎对Cd的转运能力呈负相关；谷壳中重金属含量与谷壳到糙米的转运系数TF糙米/谷壳存在显著的负线性相关关系（P＜0.05）；糙米中重金属含量与谷壳到糙米的转运系数TF糙米/谷壳存在极显著的正线性相关关系（P＜0.01），这表明谷壳转运Cd 到糙米的能力是影响糙米中Cd积累的关键。

表3 水稻各器官间Cd含量与TF的关系Table 3 Correlations between translocation factors and concentrations of Cd in rice tissues

2.5 生物炭基肥配施量对Cd 有效态含量及其在水稻中分配的影响

由图3 可知，在10%的生物炭基肥配施处理时，土壤中Cd 的有效态含量没有明显变化，说明少量生物炭基肥的施入对土壤Cd 的有效态含量影响不大。而随着生物炭基肥施入量增加，土壤Cd 有效态含量均有所降低，在30%生物炭基肥配施量时下降幅度最大，降幅为15.1%。这表明一定量的生物炭基肥的施用能降低土壤中Cd 的有效态含量，且在30%的生物炭基肥配施时土壤Cd有效态含量降低效果最佳。

从图4 可以看出，配施生物炭基肥会增加重金属Cd 在水稻根部的分配，但不同生物炭基肥配施量对Cd 在根部积累的影响不同，在FNG30B30 处理时最高。对于秸秆而言，在30%生物炭基肥配施处理时秸秆Cd 在植株中占比最低，较对照处理下降了7.3%，这表明30%生物炭基肥配施处理能够抑制Cd从根部向秸秆中的迁移。在添加生物炭基肥后，所有处理的糙米中Cd 的百分比含量均有降低，在30%生物炭基肥配施处理时降幅最大，为34.6%。表明生物炭基肥的施用能够提高水稻根系Cd 的积累，减少水稻糙米中Cd 所占的百分比，且在30%生物炭基肥配施量时降低效果最好。

图3 不同生物炭基肥配施量处理下土壤有效态Cd质量分数Figure 3 Mass fraction of available Cd of different biochar-based fertilizers dosage

图4 生物炭基肥配施量对Cd在水稻中分配比的影响Figure 4 Effects of biochar-based fertilizers dosage on Cd distribution ratio in rice

3 讨论

本文研究发现种植水稻时施用生物炭基肥能明显提高水稻产量，且随着生物炭基肥施用量的增加，水稻产量提高，这与刘善良等[17]所得出的结论一致。水稻产量提高可能与生物炭基肥的肥料缓释效应存在一定关联，水稻能持续吸收利用养分，稳定提高产量。

同时本文在翻压紫云英条件下，通过不同量生物炭基肥与化肥配施研究重金属Cd 在土壤-水稻系统中的迁移积累规律，结果表明：生物炭基肥的施用会提高水稻根部的Cd 含量，促进土壤中Cd 向水稻根部的迁移。刘冲[18]研究表明，在桉树炭和钙镁磷肥一定比例的混施下，油麦菜地下部的富集系数BCRRoot较对照有所提高，这与本文研究结论类似。与对照相比，不同量生物炭基肥配施均可降低水稻谷壳和糙米中的Cd 含量，表明生物炭基肥能有效降低水稻籽粒中重金属Cd 的含量，减少Cd 污染的风险。这可能与生物炭的高pH 值、疏松多孔、比表面积大、容重小等特性有关，且生物炭表面具有丰富的官能团能增加阳离子吸附位点，从而易与重金属发生吸附、络合等反应[19-21]。不同生物炭基肥配施量对水稻糙米重金属吸收量影响不同，在生物炭基肥配施量为30%时，水稻糙米中Cd 含量最低。汪玉瑛等[22]研究发现，羊栖菜炭添加量对土壤Cd 形态变化有较为明显的影响，Cd 的交换态含量在羊栖菜炭2%的施用量时降幅最大，杜胜南[23]也发现添加3 g·kg-1生物炭比4.5 g·kg-1生物炭更能降低土壤可交换态重金属Cd含量。结合本研究的结果可以得出在施用生物炭或者生物炭基肥降低土壤重金属污染时，并不一定是施加量越多土壤修复效果越好，最适宜的施加量可能与土壤理化性质、生物炭种类等因素有关。施用生物炭基肥后，水稻Cd 从根部向地上部的转运系数TF地上部位/根较对照均有降低，其中在30%生物炭基肥配施处理时降幅最大，且达到显著水平，说明在施加生物炭基肥后能抑制重金属Cd 向水稻地上部位的转运。重金属Cd由根到秸秆的转运系数TF秸秆/根均接近1.0，且大于TF谷壳/秸秆和TF糙米/谷壳，说明Cd 从根到秸秆的转运能力强于秸秆到其他器官，这与沈浩然[24]的研究结论基本一致。水稻从秸秆到谷壳的转运系数大小规律为FNG30B30（0.542）＞FNG30（0.487）＞FNG30B40（0.456）＞FNG30B10（0.448）＞FNG30B20（0.398），在30%生物炭基肥配施处理时，水稻中Cd 从秸秆到谷壳的转运系数最高，这可能是因为在30%生物炭基肥配施处理下，Cd 从根到秸秆的转运系数TF秸秆/根在所有处理中最低，导致秸秆内Cd含量较低，在叶片解毒机制作用下，水稻叶片中的Cd 重新活化后转运到穗颈韧皮部，因此在成熟阶段水稻谷壳中Cd 又得到充分积累[25]，TF谷壳/秸秆相应提高。

综上，紫云英翻压条件下生物炭基肥与化肥配施不仅能提高水稻籽粒的产量，减少化肥的施用，同时在Cd 污染土壤中能有效抑制水稻籽粒对重金属Cd的吸收。该施肥方案为重金属污染稻田安全高效生产提供了一定的科学依据和参考价值。