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镉污染稻田中农艺措施类安全利用综合技术研究

2024-09-20 62 上传者：管理员

摘要：通过在上海市某镉污染稻田开展田间试验，研究镉污染稻田土壤的不同农艺措施类安全利用综合技术对土壤和植株中镉的影响。在大田试验中，设置不同处理：品种替换+优化施肥(处理1)、品种替换+水分调控+优化施肥(处理2)、品种替换+水分调控(处理3)不同农艺措施组合，与常规水稻种植(CK)进行对照，探讨不同综合技术下对土壤、水稻糙米及秸秆中不同形态Cd迁移转化的影响。结果表明：与CK相比，各处理的土壤Cd和有效态Cd含量、糙米中镉含量均有所下降，与试验前比，处理2土壤全量Cd和有效态Cd含量下降最为显著，分别下降12.86%、18.33%。处理1、处理2、处理3糙米中的Cd富集系数分别下降43.18%、51.90%、25.74%。与CK相比，处理1水稻产量提高了4.9%。综上所述，选用Cd低积累水稻品种、配施生物质炭有机肥和叶面阻控剂能在保持水稻产量基础上，降低水稻中的Cd含量，调节Cd在作物中的富集与转运。

关键词：
农艺措施
土壤
安全利用综合技术
水稻
镉
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土壤镉污染是农田土壤重金属中主要的污染物质，在所有重金属中镉是对人类健康威胁最大的有害元素之一[1]。环境保护部与国土资源部联合公布的全国土壤污染公报显示，全国耕地土壤点位超标率高达19.4%,其中以镉污染最为严重[2]。我国每年因重金属污染造成的粮食减产超过1 000万t,每年被重金属污染的粮食也达1 200万t之多。稻米作为我国居民的主要粮食作物之一，全国有65%以上的人口以稻米为主食，稻米质量的安全与否在很大程度上反映了我国粮食安全的总体情况[3-4]。

重金属镉污染范围广，持续时间长，一旦进入人体，将对人类身体健康造成严重的危害。因此，根据相关条例，预防和控制耕地及农产品中重金属污染具有重要意义[5-7]。近年来，国内许多专家学者认为污染农田治理应走安全利用的道路，并认为通过农艺措施可在一定程度上控制农产品重金属的积累[8-9]。有研究表明，农田水分调控、低镉积累品种种植、土壤pH值调节、叶面喷施拮抗物质和合理施用化肥等单项农艺措施均能有效降低土壤镉的有效性，减少植株对镉的吸收[10-12]。然而，在通常情况下，单一的农艺调控措施往往很难达到安全生产的要求，研究不同安全利用技术组合控制水稻吸收和积累镉的效果具有重要现实意义[13]。因此，本研究通过对上海市某镉污染地块实施安全利用综合技术，研究了试验前后稻田土壤镉、有效态镉及籽粒镉吸收、pH值变化及对水稻产量结构的影响，探究适宜于本地较优农艺措施类安全利用技术组合，旨在为镉污染风险型安全利用地块农业安全生产提供理论依据和技术模式。

1、材料与方法

1.1试验区概况

试验地位于上海市嘉定工业区某镉污染安全利用类典型水稻种植地块。供试地块土壤为水稻土，表层土壤(0～20 cm)检测结果为：有机质含量26.4 g·kg-1,全氮含量1.6 g·kg-1,有效磷含量116 mg·kg-1,速效钾含量254 mg·kg-1,pH值为7.7,总镉含量1.4 mg·kg-1,有效镉含量0.6 mg·kg-1。与当地地力水平比较属于中等，土壤中总镉含量已超过土壤环境质量农用地土壤污染风险值(GB 15618—2018)0.75倍。

1.2供试材料

供试水稻品种为南粳46、沪香106。根据项目前期研究结果，沪香106为镉相对低积累水稻品种。

叶面阻控剂，购自上海绿乐生物有限公司，其技术原理是：叶面阻控是指通过叶面喷施锌、硅等有益元素，提高作物抗逆性，抑制作物向可食用部位转运重金属。

生物质炭基肥，购自时科生物科技(上海)有限公司，生物质炭含量≥20%,有机质≥50%,有效活菌数≥2亿·g-1。增施生物质炭基肥，可以改善土壤团粒结构，提升作物营养环境，增加对重金属毒害的抵抗作用，同时生物质炭能够吸附固化土壤中的重金属，降低植物对重金属的吸收。

供试用水稻缓释掺混肥(N 30%,P2O56%,K2O 6%),购自上海金美盛肥料科技有限公司，其中除了大量元素外，还另外添加锌、硅等中微量元素，利用锌硅元素对重金属镉有拮抗作用，降低土壤中重金属镉活性。

常规种植使用的复混肥(N 30%,P2O56%,K2O 6%)、尿素(N 46%),当地农资门店采购。

1.3试验设计

试验以当地常规水稻品种南粳46,常规水肥管理为对照(CK);处理1为品种替换+优化施肥，水稻品种沪香106,进行常规水相管理，优化施肥：施用生物质炭有机肥，增施叶面阻控剂以及专用掺混肥；处理2为品种替换+水分调控+优化施肥，水稻品种沪香106,进行水分调控，优化施肥：施用生物质炭有机肥，增施叶面阻控剂以及专用掺混肥；处理3为品种替换+水分调控，水稻品种沪香106,进行水分调控，常规施肥管理，共4个农艺措施处理(表1),重复3次，随机区组排列，各小区面积50 m2,小区间设置小田埂，田埂宽30 cm,高出大田30 cm;田埂内侧嵌HDPE防渗膜，嵌入土体深度不低于30 cm,高出田埂30 cm,防止相互窜肥。在各小区两头开通灌水沟和排水沟，灌排分开，沟宽约0.3 m,深约0.3 m。

当地常规施肥：移栽前施基肥(复混肥375 kg·hm-2)、于移栽后7 d施第一次分蘖肥(尿素150 kg·hm-2)、于移栽后17 d施第二次分蘖肥(尿素150 kg·hm-2)、于8月初施穗肥(尿素150 kg·hm-2),共4个时期分别施肥。

优化施肥：基肥使用生物质炭基肥用量为4 500～7 500 kg·hm-2;使用供试水稻缓释掺混肥替代常规复混肥，减少一次分蘖肥，分3个时期施肥。叶面阻控剂，用量为1 500 mL·hm-2,稀释500倍，在拔节期和灌浆期各使用一次。

表1试验点处理设置

试验于2021年5月下旬开始进行，5月21日施用生物质炭基肥，8月18日喷施叶面阻控剂(拔节期),9月16日喷施叶面阻控剂(灌浆期),10月下旬试验结束。

1.4样品采集与分析

水稻成熟收获时，各小区随机采取30株进行穗粒数、千粒重等考察，并进行理论测产；同步采集稻穗，稻谷用微型脱壳机分离为糙米与稻壳，糙米进行镉含量测定，用石墨炉原子吸收光谱法测定糙米中的镉含量[14]。水稻收获后，每个小区均用梅花形多点取样法，采集0～20 cm表层土壤样品，多点样混合后用四分法取1 kg样品待测。土壤pH值的测定采用电位法[15];土壤有效态镉(Cd)采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提，其含量的测定采用电感耦合等离子体质谱法[16],土壤镉含量用石墨炉原子吸收分光光度计法[17]。

重金属Cd富集系数(AF)=籽粒中重金属Cd含量/土壤中重金属Cd含量[18]。

评估方法采用农产品单因子指数法[19],计算公式如下：Ei=Ai/Si。式中：Ei为稻米中重金属i的单因子指数；Ai为农产品中重金属i的实测浓度；Si为农产品中重金属i的限量标准值。稻米镉质量安全等级划分为3个等级(表2)。

表2农产品质量安全等级划分依据

2、结果与分析

2.1不同安全利用综合技术对土壤Cd含量的影响

由表3可见，与基础土样比较，经试验后各处理土壤pH值有所下降，其中处理1降低显著。除CK对照区外，其余各处理的土壤Cd和有效态Cd含量基本稳中有降，土壤Cd含量从低到高呈现为处理2<处理3<处理1

表3不同安全利用技术对土壤中Cd含量的影响

2.2不同安全利用综合技术对稻谷Cd含量的影响

如图1所示，不同农艺措施类安全利用综合技术处理下均显著降低糙米中重金属Cd含量，以处理2效果最好，糙米中Cd含量为0.05 mg·kg-1,较CK处理(0.12 mg·kg-1)降幅达到61%,糙米降Cd效果依次是处理2>处理1>处理3>CK。各处理糙米Cd含量均低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2022)中糙米Cd的限定值(0.2 mg·kg-1),同时镉污染指数Ei均小于1,如表4所示，均达到水稻质量安全水平。秸秆中重金属Cd含量从高到低依次为CK>处理3>处理1>处理2,处理2秸秆中Cd含量最低，处理CK的秸秆中Cd含量显著高于其他处理。

图1各处理籽粒和秸秆重金属含量

柱上无相同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05),图2同。

表4不同处理对水稻质量安全水平的影响

综上可见，不同处理下，水稻地上部分积累镉的规律为稻草>糙米，这与唐贞[20]、赵步洪等[21]的研究结果一致，表明了水稻吸收并运输到地上部分的镉主要分配于稻草中，稻谷中占的比例较小，从另一角度来说也减弱了镉进入食物链的风险。本试验条件下，Cd低积累水稻品种较常规水稻品种可显著降低糙米Cd含量，且施用生物质炭基有机肥和叶面阻控剂，加强水分管理可进一步降低糙米中的重金属Cd含量。

2.3不同安全利用综合技术对糙米富集能力的影响

以富集系数(AF)表征糙米对土壤Cd的迁移转运能力，由图2可知，各处理间籽粒对土壤Cd的富集系数呈现显著性差异(P<0.05)。CK处理糙米Cd富集系数最高，达0.071,处理2最低为0.034,呈现处理2<处理1<处理3

图2各处理糙米Cd富集系数

2.4不同安全利用综合技术对水稻产量的影响

由表5可知，不同安全利用处理的每穗实粒数均高于对照处理CK;千粒重最高为处理2,CK次之，处理3、处理1均低于对照处理CK。对产量比较，处理1产量最高，为8 500.5 kg·hm-2,常规种植处理CK水稻产量平均为8 104.5 kg·hm-2,处理1较对照CK水稻产量提高了4.9%,各处理间差异不显著。

表5不同处理水稻产量及其构成

3、讨论与结论

本试验结果表明，选用不同农艺措施类安全利用技术组合均未发生农产品重金属超标情况，并且可以降低土壤中镉的富集量，降低糙米镉含量以及降低积累富集效果，其中以品种替换+水分调控+优化施肥(处理2)的安全利用组合技术效果最佳。根据文献可知，全生育期淹水灌溉能降低污染土壤中镉的活性，从而控制其在土壤-植株系统中的迁移[22]。生物质炭在耕地修复方面表现出极大的潜力，可以降低重金属在土壤中富集量，因此，常将生物质炭做钝化材料[23]。胡洁等[24]研究发现，施用钙镁磷肥可通过提高土壤pH值而降低土壤中有效态镉含量，还可降低普通白菜体内镉含量。在刘昭兵等[9]的试验中，单项农艺措施可以通过降低土壤镉有效性而降低糙米镉含量，但是综合农艺措施处理降低作物体内镉含量的效果更加显著[1]。此外，产量研究表明，品种替换+优化施肥(处理1)和品种替换+水分调控+优化施肥(处理2),较常规种植模式还能提高水稻产量。综合而言，以处理2效果最佳，因此，种植低镉积累品种，结合淹水水相管理、喷施生物质炭有机肥和叶面阻控剂以及选择含硅、锌等元素的肥料，对镉污染稻田的安全利用具有重要意义。

参考文献:

[1]沈欣,朱奇宏,朱捍华,等.农艺调控措施对水稻镉积累的影响及其机理研究[J].农业环境科学学报,2015,34(8):1449-1454.

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基金资助:上海市科技兴农项目(2020-02-08-00-08-F01449);

文章来源:杨晓磊,王站付,陈宇佳,等.镉污染稻田中农艺措施类安全利用综合技术研究[J].浙江农业科学,2024,65(09):2023-2027.