风干和冻干对稻田土壤镉形态分析的影响

2022-08-02卢兰唐开钊吴聪王帅廖文娟尹力初周卫军崔浩杰

农业环境科学学报 2022年7期

卢兰，唐开钊，吴聪，王帅，廖文娟，尹力初，周卫军，崔浩杰

（湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128）

土壤镉污染导致稻米镉超标问题严重威胁着我国粮食安全和人体健康。水稻生长过程中主要通过吸收、转运土壤中的有效镉而将其富集于稻米中。因此，稻田土壤中有效镉的含量影响或决定其在稻米中的富集效应。镉污染土壤或稻米镉超标稻田的土壤中有效镉的含量一直是土壤污染及其安全利用效果评价的重要监测指标。

目前，稻田土壤样品经采集、干燥和添加不同形态试剂进行化学提取，然后测定分析提取液中镉含量，是国内外常用的稻田土壤有效镉分析的主要方法。这类方法使用的化学提取剂主要有无机盐提取剂（如CaCl、NaNO、NHOAc）、酸类提取剂（如CHCOOH、HCl、MehlichⅠ）和螯合试剂（如DTPA、EDTA、MehlichⅢ）等。其中DTPA法是我国土壤中有效态镉的标准提取方法，但DTPA法主要适用于中性和偏碱性的旱作土壤，而对我国南方酸性土壤效果不佳。通过对比不同化学提取剂提取效果，发现利用0.1 mol·LCaCl溶液作为我国南方酸性稻田土壤有效态镉的提取剂，其分析结果与稻米镉含量的相关性在上述化学提取剂中效果相对较好。可见，不同提取剂对有效态镉的提取效果与土壤理化性质密切相关。

作为土壤有效态镉化学提取的前处理过程，自然风干和冷冻干燥是两种常用的样品干燥方式。两种干燥方式处理过程中，土壤微生物活性、还原性物质的氧化等生物地球化学反应明显不同。自然风干和冷冻干燥处理均可降低沉积物土壤中可交换态和碳酸盐结合态铁含量，其中风干处理下主要向铁氧化物转化，而冷冻干燥处理下则主要向锰氧化物结合态转化。与冻干处理相比，自然风干过程中土壤微生物活性高，氧化反应强度大，导致土壤有机质含量低于冻干样品，而腐殖化程度却高于冻干样品。此外，稻田土壤在风干处理过程中，土壤中的硫化矿物、含Fe（Ⅱ）矿物等还原性物质易发生氧化反应，而厌氧环境下的冷冻干燥处理则可抑制还原性物质的氧化反应。两种干燥方式下的土壤生物地球化学过程差异导致干燥后样品中铁氧化物、有机质、含Fe（Ⅱ）矿物、硫化物等活性物质数量和形态变化明显不同，这些活性物质特别是铁形态变化可显著影响土壤中镉的赋存形态和活性。作为稻田土壤中镉的主要赋存载体之一，土壤中铁氧化物在淹水过程中会发生还原溶解和二次成矿反应，促进弱晶质水铁矿和磁铁矿形成，有利于铁氧化物通过吸附和同晶替代提高对土壤中镉的固持。而在落干氧化过程中，弱晶质铁氧化物逐渐向晶质铁氧化物转化，对镉的固持性能也相应降低，进而提高了土壤中镉的活性。此外，稻田淹水过程中形成的FeS在落干氧化时，可通过氧化反应活化O形成具有强氧化性的活性氧自由基，促进CdS氧化，提高镉的活性。

可见，两种干燥方式下稻田土壤活性组分特别是铁形态变化差异可能对有效态镉的提取分析结果产生不同的影响。另外，两种干燥方式下不同施肥稻田土壤镉形态变化的特性也可能不同。然而，目前关于自然风干和冷冻干燥过程中不同施肥稻田土壤镉形态变化的差异尚未明确。因此，本研究以3种长期不同施肥稻田土壤为研究对象，通过对比自然风干和冷冻干燥两种干燥方式下土壤中镉化学形态和提取数量变化，探讨不同干燥方式对化学提取有效镉分析结果的影响，明确不同干燥方式下稻田土壤镉形态变化规律及作用机制。研究结果可为拓展化学提取稻田土壤有效镉分析方法和更加科学地评估区域稻田土壤环境质量、保障稻米安全提供一定的理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验小区概况

长期定位试验小区位于湖南农业大学逸苑（28°18'N，113°08'E），年平均气温为17.2℃，年降水量1 362 mm，供试土壤母质为第四纪红壤发育而来的水稻土。试验占地51.84 m，由3组双排平行的水泥池组成，采用小区设计，共36个小区，每个小区1.44 m，试验设置20 cm和80 cm两个不同的地下水位。于1982年开始设置3种不同施肥方式：单施化肥处理（C）、常量有机肥处理（L）和高量有机肥处理（H），各处理重复3～12次。以化肥处理施肥水平为标准，其施肥量为每季施N 150 kg·hm，N、P、K的比例为1∶0.5∶0.67，无机N、P、K肥分别以尿素、氯化钾、过磷酸钙施入，高量有机肥氮为总氮的2/3，常量有机肥氮为总氮的1/3，为确保各处理间施肥水平一致，有机肥处理N、P、K的不足用化肥补足。有机肥源为粉碎过后的玉米秸秆（粉碎后过10 mm筛）；其C、N、P、K含量分别为449.8、10.4、5.9、12.6 g·kg，常量或高量有机肥处理下每年的秸秆用量分别为9.6 t·hm和19.2 t·hm。耕作制度为稻-稻-冬闲。

1.2 样品采集与处理

试验样品采集于2020年10月底晚稻成熟期。在C、L和H处理中分别选取3个平行小区，利用带刻度的采样器，按五点采样法采集0～20 cm的表层湿土柱作为土壤样品。每个土柱用塑料刀由表到底快速切分为对称的两部分并装袋密封，分别用于自然风干（10 d）和冷冻干燥（48 h）处理。风干样品处理在通风良好条件下进行，且在风干过程中为加快干燥速度，对较大土块进行了手工掰碎。冷冻干燥的样品先在-18℃冰箱中冷冻24 h，然后置于冷冻干燥机中，在-56℃下冷冻干燥48 h至样品质量恒定。两种处理方式干燥后土壤样品过筛过程中均无明显湿感。样品干燥后，将不同施肥处理的样品充分混匀后过2 mm筛，密封保存备用。分别称取5.00 g两种干燥土壤样品置于105℃下烘干至质量恒定，分析含水率，C、L和H风干样品的含水率分别为3.43%、3.53%和3.66%，冻干样品的含水率分别为3.68%、1.99%和2.83%。根据风干和冻干土壤样品含水率，以下样品元素含量分析均按单位质量干土计。

1.3 土壤基本理化性质分析

土壤pH和有机质含量分别采用电位法和重铬酸钾-硫酸消化法分析。土壤铁形态分析采用分步提取法，具体提取步骤和详细操作如表1所示，提取液用紫外分光光度计测定各形态中的铁含量。每个样品设置3个平行，取平均值。

表1 土壤中不同形态铁提取方法Table 1 Methods of extractable Fe species in soils

1.4 土壤镉形态分析

土壤有效态镉的提取分别采用0.1 mol·LCaCl、0.01 mol·LCaCl、DTPA 3种方法提取。为明确不同干燥方式下可能存在土壤颗粒大小差异对有效态镉提取的影响，将风干和冻干土壤分别过10（2.0 mm）、60目（0.3 mm）和100目（0.15 mm）筛，相应化肥、常量有机肥和高量有机肥施肥处理的土壤样品分别标记为C10、C60、C100、L10、L60、L100、H10、H60和H100，然后利用0.1 mol·LCaCl进行土壤有效态镉的提取。土壤中的镉形态分级参照Tessier五步提取法，分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形态，提取实验在50 mL塑料离心管中进行。每一形态提取后离心分离，取其上清液进行元素测定，洗涤后的残留物供下一步提取。所有提取液中镉含量用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，NexION300X，PerkinElmer，美国）进行测定，每个样品设置3个平行，取平均值。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2010、SPSS和Origin 8.0对所有统计数据进行综合分析和数据处理，同时采用最小显著差异法进行多重比较。

2 结果与讨论

2.1 干燥方式对长期不同施肥稻田土壤有效态镉提取的影响

图1是两种干燥方式下长期施用化肥（C）、常量有机肥（L）和高量有机肥（H）稻田土壤有效态镉提取量的变化结果。由图1可见，冻干处理的长期不同施肥稻田土壤有效态镉提取量均显著低于风干处理样品。其中0.1 mol·LCaCl提取风干样品有效态镉的含量在0.11～0.22 mg·kg，而相应冻干样品提取的有效态镉含量在0.03～0.18 mg·kg，施用化肥、常量有机肥和高量有机肥冻干样品提取有效态镉降幅分别为69.2%、19.4%和66.3%（图1a）。利用0.01 mol·LCaCl提取3种风干样品有效态镉的含量在0.07～0.15 mg·kg，而相应冻干样品提取的有效态镉含量在0.02～0.13 mg·kg，施用化肥、常量有机肥和高量有机肥冻干样品提取有效态镉降幅分别为68.2%、16.9%和66.1%（图1b）。通过DTPA提取风干样品有效态镉的含量在0.12～0.21 mg·kg，而相应冻干样品提取的有效态镉含量在0.05～0.16 mg·kg，施用化肥、常量有机肥和高量有机肥冻干样品提取有效态镉降幅分别为56.5%、22.3%和50.8%（图1c）。风干和冻干样品提取结果差异性分析表明，0.1 mol·LCaCl提取风干和冻干常量有机肥土壤有效态镉差异不显著，而其他提取处理中，风干和冻干样品相应有效态镉含量均差异显著（＜0.05）。上述结果表明，风干和冻干处理方式可显著影响稻田土壤有效态镉的提取数量，且对不同提取剂的影响程度也存在差异。

图1 两种干燥方式下长期不同施肥稻田土壤有效态镉提取量的变化Figure 1 Contents of available Cd extracted from the soils with air drying and freeze drying under different long-time fertilization practices

3种提取剂中，DTPA溶液适用于中性和碱性土壤有效态镉的提取，而本研究中土壤偏酸性，提取的有效态镉包括了水溶态、交换态、碳酸盐结合态和部分有机结合态和铁锰氧化物结合态的镉。中性盐CaCl溶液对土壤pH和土壤结构的影响较小，提取镉的形态一般为水溶态和可交换态，但提高CaCl提取剂浓度后，氯化物与镉的螯合作用以及钙离子对土壤胶体表面吸附镉离子置换作用加强，从而提高对土壤中镉的提取能力。因此，上述冻干和风干样品有效态镉提取结果的差异，可能与两种干燥方式下不同施肥稻田土壤中交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态镉含量变化特性的不同有关。

2.2 干燥方式对长期不同施肥稻田土壤镉形态变化的影响

为进一步明确风干和冻干处理过程中土壤镉形态变化差异对有效态镉提取的影响，本研究采用逐级提取的方法，分析了长期不同施肥稻田土壤风干和冻干后样品中可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态镉的含量变化，结果如图2所示。对于3种长期不同施肥稻田土壤，冻干处理样品中可交换态镉占土壤总镉的比例为22.6%～43.5%，均明显低于风干土壤（37.6%～54.0%），两种干燥方式结果差异均达到显著水平（＜0.05）。风干处理后不同施肥处理土壤碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态镉的比例分别为14.4%～20.2%、12.9%～18.1%、13.9%～21.2%和4.4%～5.3%，含量均低于冻干处理样品相应形态的19.9%～22.9%、13.7%～25.3%、14.5%～26.3%和5.0%～6.0%。两种干燥方式下4种形态镉含量的差异性分析结果表明，长期施用常量有机肥土壤风干和冻干样品中碳酸盐结合态镉含量差异达到显著水平（＜0.05），长期施用高量有机肥土壤风干和冻干样品中有机质结合态镉含量差异达到显著水平（＜0.05）。对于铁锰氧化物结合态镉，长期施用化肥和高量有机肥稻田土壤风干和冻干样品中的含量差异均达到了显著水平（＜0.05）。可见，干燥方式对不同施肥稻田土壤中可交换态镉含量均有显著影响，而对土壤中碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态镉含量的影响程度则与施肥类型密切相关，不同施肥稻田土壤镉形态的变化特性不尽相同。

图2 不同干燥方式下土壤镉各化学形态比例变化Figure 2 Varies of Cd chemical species in paddy soils with air drying and freeze drying

本研究结果表明，与冻干处理相比，风干处理促进了碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态镉向可交换态镉的转化。而这3种形态镉含量变化与土壤pH值、有机质数量和结构形态、铁锰氧化物形态等土壤理化性质变化关系密切。本研究中3种施肥处理土壤酸性较强，土壤pH值均在5.0左右（表2），干燥过程中易于发生碳酸盐结合态镉向可交换态镉的转化反应。与冻干相比，风干处理时间相对较长，有利于上述转化反应的持续进行，这可能是风干样品碳酸盐结合态镉含量低于冻干样品的原因。风干样品中铁锰氧化物结合态镉含量低于冻干样品，可能与风干过程中土壤中弱晶质铁氧化物向晶质铁氧化物转化，降低了对镉的固持性能有关。稻田土壤落干氧化过程中，微生物活性的增强和活性氧自由基的形成可分解矿化土壤有机质，降低土壤中有机质的数量；同时，落干氧化过程可降低土壤有机质中芳香族物质含量，进而降低对镉的固持性能。这些可能是风干样品中有机质结合态镉含量低于冻干样品的主要原因。结合本研究中不同干燥方式下土壤镉形态变化的主要特性，为明确两种干燥方式下主要土壤理化性质变化差异对有效态镉提取的影响，进一步分析了两种干燥方式下不同稻田土壤中pH、有机质、氧化铁形态等主要理化性质变化特性。

2.3 干燥方式对长期不同施肥稻田土壤基本理化性质分析的影响

表2是长期不同施肥稻田土壤风干和冻干后主要理化性质分析结果。不同施肥稻田土壤风干样品的pH值为4.87～5.05，而冻干样品的pH值为4.72～4.96，略低于风干土壤，两种干燥方式处理土壤pH差异均达到显著水平（＜0.05）。长期施用化肥、常量有机肥和高量有机肥稻田土壤风干样品中有机质含量分别为21.8、30.2、38.4 mg·kg，而冻干样品中有机质的含量分别为22.9、32.2、38.6 mg·kg，略高于风干土壤样品。其中，施用化肥和常量有机肥的土壤经风干和冻干后有机质含量差异均达到显著水平（＜0.05），而施用高量有机肥土壤经过两种干燥方式处理后有机质含量差异不显著。两种干燥方式处理的土壤铁形态分析结果表明，长期施用化肥冻干样品交换态铁含量（0.30 mg·kg）高于风干样品（0.21 mg·kg），而长期施用高量有机肥冻干样品中交换态铁含量（0.33 mg·kg）要低于风干样品（0.39 mg·kg），且差异均达到显著水平（＜0.05）。不同施肥稻田土壤的冻干样品中弱晶质氧化铁含量在2.67～2.84 mg·kg，均显著低于风干样品的2.83～3.62 mg·kg，而冻干样品中晶质氧化铁含量为14.9～17.7 mg·kg，均显著高于风干样品的13.5～15.6 mg·kg。不同施肥稻田土壤冻干样品中磁铁矿含量均略高于风干样品，而硅酸盐结合态铁含量均略低于风干样品，但两种干燥方式结果差异均不显著。

表2 不同干燥方式下土壤基本理化性质Table 2 Physicochemical properties of soils with air drying and freeze drying

本试验中，风干稻田土壤样品pH值均略高于冻干样品，这可能与两种干燥方式下有机官能团中弱酸解离和交换性铝置换与水解特性不同有关。淹水稻田土壤中还原性物质在有氧条件下的氧化会产生具有强氧化性的羟基自由基，这些自由基可以氧化分解部分土壤有机质，从而导致风干土壤中有机质含量的降低。两种干燥方式下长期施用高量有机肥土壤有机质含量变化差异不显著，可能与其有机质含量较高，对还原性Fe（Ⅱ）的络合作用相对较强，从而降低了风干过程中络合态Fe（Ⅱ）的氧化反应及有机质的降解。上述不同施肥土壤冻干和风干处理过程中铁形态变化的差异，可能是两种干燥处理过程中土壤化学反应和微生物活性不同两者共同作用的结果。在风干过程中，稻田土壤中胶体固持Fe（Ⅱ）的氧化受胶体类型影响较大，其中铁铝氧化物等无机胶体可促进Fe（Ⅱ）的氧化，而有机质通过络合作用降低了Fe（Ⅱ）的氧化速率。这可能是长期施用化肥土壤风干后交换态铁含量明显低于冻干样品的主要原因。另一方面，长期施用高量有机肥土壤风干过程中微生物活性要强于冻干处理，促进了部分有机质结合态铁的活化。有氧的风干处理比厌氧的冻干处理更能促进稻田土壤中胶体态Fe（Ⅱ）通过氧化反应形成水铁矿，从而使得风干样品中弱晶质氧化铁含量比冻干样品高。此外，弱晶质水铁矿在冻干过程中也可通过晶相团簇转化形成针铁矿，这可能是不同施肥土壤冻干样品中晶质氧化铁含量高于风干样品的原因之一。

2.4 不同干燥方式下土壤颗粒大小变化对有效态镉提取的影响

风干和冻干处理过程中土壤水分去除机制的不同影响土壤团聚体的稳定性。与风干样品相比，冷冻干燥样品团聚体具有更高的稳定性，这可能使两种干燥方式处理的样品中土壤颗粒大小分布存在一定的差异，进而影响其对镉的固持和解吸特性。为了明确不同干燥方式下土壤颗粒大小差异对稻田土壤有效态镉提取的影响，将风干和冻干土壤分别过10、60目和100目筛，然后选择0.1 mol·LCaCl进行土壤有效态镉的提取，结果如图3所示。风干处理下，过不同目数筛的长期施用化肥、常量有机肥和高量有机肥土壤中有效态镉提取量分别为0.099～0.113、0.206～0.216 mg·kg和0.176～0.179 mg·kg，而冻干处理下，过不同目数筛的长期施用化肥、常量有机肥和高量有机肥土壤中有效态镉提取量分别为0.034～0.041、0.172～0.196 mg·kg和0.057～0.080 mg·kg。两种干燥方式下不同颗粒大小土壤有效态镉提取量略有变化，但两种干燥方式差异不显著。上述结果表明，冻干和风干过程中可能存在的土壤颗粒大小分布差异对土壤有效态镉提取影响较小。这可能与土壤中颗粒大小分布及其与镉作用特性有关。土壤中颗粒尺寸较小的微团聚体和黏粒（＜250 µm）含有较多的铁锰氧化物和有机质，它们对镉的固持性能较高，所以微团聚体或黏粒中镉的含量和稳定性一般高于尺寸较大的大团聚体（＞250µm）。但另一方面，由于土壤中微团聚体和黏粒含量显著低于大团聚体，导致土壤中大团聚体固持镉的比例可以达到总镉的60%左右，高于微团聚体和粉黏粒。此外，土壤大团聚体主要通过表面静电吸附作用固持镉，交换态镉的比例可以达到44%～53%。可见，土壤中颗粒较大的团聚体固持态镉可能是有效态镉的主要来源。本研究中，稻田土壤在风干处理过程中，部分颗粒较小的微团聚体和粉黏粒可能发生再团聚作用，形成大团聚体；而冻干处理过程中这种再团聚作用较弱，土壤颗粒分布较稳定，这些可能的颗粒大小变化对镉固持和解吸特性影响较弱。

图3 土壤颗粒大小对有效态镉提取量的影响Figure 3 Effects of soil particle sizes on the contents of available Cd extracted from the soils with air drying and freeze drying

2.5 不同干燥方式下土壤理化性质与有效态镉的相关性分析

本试验对风干和冻干干燥方式下土壤主要理化性质与有效态镉提取量的相关关系进行了分析，结果如表3所示。两种不同干燥方式下，3种提取剂提取有效态镉的含量均与稻田土壤pH值呈极显著负相关（＜0.01）。风干土壤中有机质含量与0.1 mol·LCaCl和DTPA提取有效态镉含量呈显著正相关关系（＜0.05），而冻干土壤中有机质含量与3种提取剂提取有效态镉含量相关关系不显著。冻干土壤中交换态铁和弱晶质氧化铁含量与3种提取剂提取有效态镉含量均达到了极显著或显著负相关关系，而风干土壤交换态铁和弱晶质氧化铁含量与有效态镉提取量相关关系不显著。风干和冻干土壤中晶质氧化铁含量与3种提取剂提取有效态镉含量相关关系均不显著。风干和冻干土壤pH均对有效态镉的提取具有显著影响，主要是土壤pH的降低可通过竞争吸附、改变土壤胶体表面电荷性质等弱化土壤固相组分对镉的吸附性能，增加镉的有效性。土壤中增加有机质含量一般会降低镉的有效性，而本研究中风干土壤有机质含量与0.1 mol·LCaCl和DTPA提取有效态镉含量均呈显著正相关关系，这可能与风干过程中有机质组分和土壤性质变化弱化了有机质对镉的固持性能有关。冻干土壤中交换态铁和弱晶质氧化铁含量与有效态镉含量均达到了极显著或显著负相关关系，这是因为稻田淹水过程中形成的溶液Fe（Ⅱ）和交换态Fe（Ⅱ）/Fe（Ⅲ）有利于弱晶质水铁矿的形成，提高对土壤镉的固持性能，从而降低了镉的活性。上述结果表明，风干和冻干过程中土壤pH、有机质、交换态铁和弱晶质氧化铁性质变化对有效态镉提取的影响较大。

表3 风干和冻干土壤理化性质与提取有效态镉的相关系数（r）Table 3 Correlation coefficients between physicochemical properties of soils and extractable Cd in soils with different drying methods（r）