镉(Cd)被国际癌症研究机构^[1]和美国国家毒理学计划^[2]确证人类第一级致癌物. Cd广泛存在于环境中, 全国土壤污染状况调查公报显示, 7%的调查点位Cd含量超标, 其点位超标比例远高于其它污染物, Cd被证明为中国土壤污染中的首要污染物^[3].而且, 有证据表明近年来土壤平均Cd含量有大幅提高的趋势^[4].由于稻田土壤的Cd污染严重以及水稻对Cd的高吸收富集能力导致稻米中Cd含量容易超标(0.2 mg·kg^-1, GB 2762-2012), 近年来我国南方的大米Cd超标状况引起了社会各界的广泛关注^[5~9].

随着全社会对环境保护和生态建设的日益重视和关注, 以及农业机械化的推广, 秸秆还田在全国水稻产区得到广泛应用并日益推广, 其中也包括Cd污染稻田, 但迄今国内外仍不清楚在Cd污染稻田实施秸秆还田会如何影响水稻的Cd吸收积累以及Cd在水稻体内的分布.因为水稻秸秆中富含有机质、硅和硫等物质, 而这些物质和元素正是影响土壤中Cd生物有效性以及植物体内Cd迁移及分布的重要因子^[10~15].水稻秸秆中含硅量高达9%~13% (灰分中二氧化硅含量达70%以上)^[16], 水稻秸秆还田可增加土壤中有效硅的含量.硅是细胞壁的重要组成元素, 通过非损伤扫描离子选择电极技术、X射线光电子能谱, 以及电感耦合等离子体质谱的联用技术分析硅对水稻悬浮单细胞吸收Cd及Cd亚细胞分布的影响, 结果表明硅与Cd在细胞壁上结合并附着在细胞壁上, 加硅能强化细胞壁对Cd的截留作用, 从而减少Cd进入细胞的原生质体, 进而缓解Cd对细胞的毒性, 并减少游离的Cd进一步运输到水稻籽粒^[11].潘智立等^[14]利用差速分级离心技术也证明施硅可以强化细胞壁对Cd的截留作用, 随着施硅量的提升, 根和茎叶细胞壁中的Cd分布均显著提升, 并且根细胞壁中的提升幅度大于茎, 说明施硅不仅能缓解Cd对植物的毒性, 同时能增加根和茎叶细胞壁对Cd的截留, 进而降低大米中Cd的积累.水稻秸秆中的硫元素也含量丰富, 硫的氧化还原价态是影响土壤中Cd生物有效性的关键因子, 同时硫也是巯基化合物(如植络素, PCs)的重要组成部分, Cd被巯基化合物络合并被区隔化到液泡被认为是植物Cd解毒的重要机制^[17].大量研究表明施硫肥可以提升水稻根和茎叶中的非蛋白巯基(non-protein Thiols, NPT)含量, 增强对重金属的耐性, 同时增加根和茎叶细胞的液泡对重金属截留, 进而降低水稻籽粒中重金属的积累^{[14, 18]}.另外, 水稻秸秆也富含有机质, 土壤中可溶性有机质(dissolved organic matter, DOM)易与重金属发生络合反应, 成为重金属迁移活化的“载体”, 进而提高重金属在土壤中的生物有效性.单玉华等^[19]证明在淹水条件下, 秸秆还田明显提高了土壤DOC水平, 进而促进土壤中Cu、Cd等重金属的溶出.由此可见, 秸秆还田必然会对水稻Cd积累及其亚细胞分布产生不可忽视的影响, 且秸秆还田对水稻Cd吸收积累和大米中Cd含量的影响是多方面的, 既可能通过提高土壤有机质含量来活化土壤中的Cd, 并提高水稻对Cd的吸收, 也可能通过提高水稻硅和硫的含量来增加细胞壁和液泡对Cd的截留, 进而降低水稻籽粒中Cd的积累.

为探索秸秆还田对水稻Cd积累的影响及其相关机制, 本研究采用温室盆栽试验, 向Cd污染水稻土中添加不同量的水稻秸秆, 于分蘖期和灌浆期采集水稻样品, 通过差速分级离心技术, 分析秸秆还田对Cd在水稻根和茎叶细胞中分布的影响; 为指导实践, 本研究开展了大田试验, 在Cd污染稻田添加不同用量秸秆、生物炭及其与石灰一起施用, 待水稻成熟后分析秸秆的不同施用方法与施用量对水稻各组织中Cd积累的影响, 以期为Cd污染农田稻米的安全生产与农业废弃物循环利用提供理论与实践指导.

供试土壤采自湖南攸县Cd轻中度污染水稻田.土壤风干、磨碎, 去除土壤中的碎石和植物残留等, 过2 mm筛.试验秸秆为浙江嘉兴收集的未污染稻田生产秸秆, 秸秆用粉碎机粉碎成粉末备用.土壤粉碎后过筛后与秸秆混合均匀, 秸秆共设4种处理：不加秸秆的对照处理; 分别按质量比1%、2.5%和5%添加水稻秸秆(1%秸秆、2.5%秸秆和5%秸秆).把秸秆与土壤混合混匀后进行装盆, 每盆6 kg, 每个处理设4组重复.尿素(含N 46.6%)6.48 g, 氯化钾(含K₂O 62.9%)0.72 g和过磷酸钙(含P₂O₅ 14.0%)1.20 g, 磷钾肥作基肥一次性施用, 氮肥按基肥:苗肥:分蘖肥:穗肥为30%:25%:20%:25%的比例施用.为保证秸秆与土壤的充分混合和分解, 加水保持3~4 cm水位平衡1个月后用于水稻移栽.

盆栽试验在浙江省嘉兴市农业科学研究院的温室大棚内进行.供试作物为水稻品种秀水134.水稻种子催芽后育秧, 25 d后, 将秧苗移栽到已淹水平衡1个月的盆钵, 每盆栽2株水稻秧苗.所有的试验盆在温室里随机摆设, 不定期加水, 并且随机调换塑料盆的位置, 直到样品收获完成.

为验证盆栽试验的结果, 本研究同时开展了田间试验.大田试验在湖南攸县大同桥镇(N 27°08′, E 113°22′)进行, 试验所用田块的土壤属于轻度Cd污染的酸性土壤, 添加的秸秆为本试验田前茬所生产的水稻或油菜秸秆, 添加的生物炭购自南京勤丰秸秆科技有限公司的水稻秸秆质生物炭.第一年的试验包括19个处理(如表 1), 第二年的试验不包括油菜秸秆的处理, 共有13个处理(如表 1).每个处理设4个重复, 选择平整并排水系统良好的田块, 将田块分成76小区, 小区面积20 m², 各小区之间作田埂分隔, 且田埂用塑料薄膜包裹, 以防止处理间水分渗漏而相互污染.各处理在田间的分布随机安排.

表 1 (Table 1)

表 1 田间的秸秆、生物炭与石灰的处理方式与用量/kg·hm-2 Table 1 Treatments for field trials/kg·hm-2 处理 处理名称 秸秆用量 生物炭用量 生石灰用量 1 对照 — — — 2 稻秆1 3 750 — — 3 稻秆2 7 500 — — 4 稻秆3 15 000 — — 5 稻秆1+石灰 3 750 — 1 500 6 稻秆2+石灰 7 500 — 1 500 7 稻秆3+石灰 15 000 — 1 500 8 生物炭1 — 3 750 — 9 生物炭2 — 7 500 — 10 生物炭3 — 15 000 — 11 生物炭1+石灰 — 3 750 1 500 12 生物炭2+石灰 — 7 500 1 500 13 生物炭3+石灰 — 15 000 1 500 14 油秆1 3 750 — — 15 油秆2 7 500 — — 16 油秆3 15 000 — — 17 油秆1+石灰 3 750 — 1 500 18 油秆2+石灰 7 500 — 1 500 19 油秆3+石灰 15 000 — 1 500

表 1 田间的秸秆、生物炭与石灰的处理方式与用量/kg·hm-2 Table 1 Treatments for field trials/kg·hm-2

秸秆经切碎过秤后, 于栽秧前3周左右均匀撒入各小区内, 浸泡3~4 d后耕翻至0~20 cm土层, 插秧前1~2 d翻耕均匀并耙平.水稻栽培过程中的水肥管理、病虫害防治等农艺操作参照当地栽培习惯.待水稻成熟后, 收割水稻, 茎叶(地上部10 cm至穗梗基部)用自来水冲洗干净, 再用去离子水清洗3遍, 擦干水分, 然后放入70℃烘箱烘干.手工将稻谷从稻穗上脱落下来, 装入网袋, 于室内通风处自然风干.自然风干后用糙米机将稻谷分成谷壳和糙米两部分.最后茎叶和糙米都用不锈钢粉碎机粉碎成粉, 室温保存待分析.

在水稻分蘖期和灌浆期，分别采集水稻新鲜样品，用去离子水清洗3次，分开根和茎秆两部分.分别取部分根和茎秆样品用于Cd含量分析，剩余样品用于亚细胞组分提取.具体提取步骤如下：将样品剪成约2 mm的小段, 在预冷的研钵下加入液氮研磨, 研磨成粉末后放入4℃下保存.采用分级离心法分离细胞不同组分^[20], 亚细胞各组分提取剂为：250 mmol·L^-1蔗糖、50 mmol·L^-1 tris-HCl、1.0 mmol·L^-1二硫赤藓糖醇、5.0 mmol·L^-1抗坏血酸、1.0%(质量分数)Polyclar AT PVPP, pH为7.5.样品和提取剂以1:5的比例充分混合, 用240 μmol·L^-1尼龙膜过滤, 尼龙膜上残骸作为细胞壁组分; 上清液在5 000 r·min^-1离心20 min后, 沉淀为细胞器组分; 而上清液继续在65 000 r·min^-1离心3 h, 所得上清液为可溶性组分.所有的操作步骤都在4℃操作.将各组分移入三角瓶中, 在电热板上蒸发至5 mL左右, 加入10 mL硝酸和3 mL高氯酸, 消煮至澄清透明后定容, 过滤(0.45 μm)后放入4℃冰箱保存, 待测.

植物样品消解与测定：称取秸秆、生物炭、茎叶和糙米粉末各0.2 g于50 mL离心管中, 加入2 mL优级纯硝酸, 混合均匀后室温下放置过夜, 然后用微波消煮炉(MARS5, CEM Microwave Technology Ltd. Matthews, 美国)消煮, 消煮程序是55℃, 10 min; 75℃, 10 min; 95℃, 30 min.同时消煮空白硝酸和标准样品(GBW08502, 大米粉成分分析标准物质, 国家标准物质研究中心), 以确保消煮过程的准确度, 并用于回收率的计算.消煮后的样品用2%的硝酸溶液稀释至40 mL, 过0.45μm滤膜, 4℃保存待测.消解液中重金属浓度用电感耦合等离子体质谱系统(ICP-MS 7500, 安捷伦科技, 美国)进行测定.

土壤样品的消解与测定：称取0.2 g土壤样品于石英玻璃管, 加入5 mL王水(HCl:HNO₃=3:1), 混匀后室温下平衡过夜.平衡后的土壤样品采用开放式消煮炉消解, 消解程序是100℃, 1 h; 120℃, 1 h; 保持140℃到溶液清澈, 消解后的样品置于通风橱挥发酸, 然后用2%的硝酸溶液定容到20 mL, 过0.45 μm滤膜后备用.空白和标准样品(GBW07405, 土壤成分分析标准物质, 国家标准物质研究中心)同时消煮.消煮液中的重金属浓度用ICP-OES(Optima 2000 DV, Perkin Elmer, 美国)进行测定.

水稻Cd由根向地上部的转运系数(translocation factor, TF)计算公式如下：

试验数据采用Excel 2007和SPSS 13.0软件进行统计分析, 并采用One-Way ANOVA和T-test进行显著性检验, 采用Excel 2007和Sigma-Plot 10.0软件作图.

处理之前的土壤重金属含量及pH值如表 2所示, 土壤pH值小于5, 属于酸性土壤, Cd含量超过《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995) 的二级标准(土壤pH＜6.5, 0.3 mg·kg^-1), 其它重金属如As、Cu、Zn和Pb的含量均低于土壤环境质量二级标准, 说明试验所用土壤为Cd单一污染的酸性土壤.添加的秸秆呈弱酸性, 盆栽试验所用秸秆的重金属含量均较低; 大田试验所用秸秆为试验点收集, 水稻和油菜秸秆中的Cd含量均较高, 是盆栽试验所用秸秆Cd含量的约2倍, 其它重金属含量均较低.生物炭pH值较高, 为9.78.

表 2 (Table 2)

表 2 土壤pH及重金属含量/mg·kg-1 Table 2 Soil pH and heavy metal concentration/mg·kg-1 样品 pH Cd As Cu Zn Pb 盆栽用水稻秸秆 5.63 0.27 1.89 2.34 53.38 2.56 盆栽土壤 4.52 0.65 17.98 28.49 125.87 39.78 大田用水稻秸秆 5.34 0.49 2.42 2.96 65.48 1.91 大田用油菜秸秆 5.69 0.67 3.57 3.24 74.67 2.14 秸秆质生物炭 9.78 0.54 0.82 3.78 58.74 3.27 大田土壤(第一年) 4.68 0.58 22.10 27.36 115.26 42.30 大田土壤(第二年) 4.75 0.62 19.86 29.45 129.34 36.42 标准1) 0.3 30 50 200 250 1)《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995) 二级标准(土壤pH＜6.5)

表 2 土壤pH及重金属含量/mg·kg-1 Table 2 Soil pH and heavy metal concentration/mg·kg-1

在盆栽水稻的分蘖期收获水稻植株, 采用差速分级离心技术将植物细胞分离成3部分：细胞壁、叶绿体等细胞器以及细胞质等可溶部分.分蘖期水稻根细胞的细胞壁中Cd含量显著高于细胞器和可溶部分, 分别是细胞器和可溶部分38倍和14倍(图 1); 茎叶细胞各组分中的Cd含量均显著低于根细胞的Cd含量, 其中细胞壁中的Cd含量下降最显著, 仅为根细胞壁中Cd含量的2%~8%(图 1).水稻根细胞中的Cd主要分布在细胞壁中, 占总Cd的86%~95%(图 1); 茎叶细胞的细胞壁与可溶部分中的Cd含量相当, 分别占总Cd的30%~51%和35%~61%(图 1); 根和茎叶细胞的细胞器中Cd分布均较低.秸秆还田显著提高了细胞壁中的Cd含量及其分配比例, 当秸秆按1%和2.5%比例还田时, 根细胞壁中的Cd含量分别提高了55%和37%, 但按5%比例还田时, 根细胞壁中Cd含量反而降低了42%, 秸秆还田使茎叶细胞壁中Cd含量提高89%~112%;秸秆还田也显著提高了细胞器中的Cd含量, 根和茎叶细胞器中的Cd含量分别提高36%~65%和30%~78%;秸秆还田显著降低了细胞中可溶部分的Cd含量, 根和茎叶细胞中可溶部分分别降低28%~37%和23%~28%.可见, 秸秆还田可以提高分蘖期水稻根和茎叶细胞的细胞壁对Cd的截留, 降低可溶部分的Cd含量.

图 1

Fig. 1

图 1 分蘖期水稻根和茎叶细胞中Cd含量及其亚细胞分布比例 Fig. 1 Cadmium concentration and distribution in rice root and shoot cells at the tillering stage

水稻灌浆期是水稻籽粒中Cd积累的关键时期.在盆栽水稻的灌浆期收获水稻植株, 将根和茎叶细胞也分离成细胞壁、叶绿体等细胞器以及细胞质等可溶部分三部分.与分蘖期相比, 灌浆期的根细胞细胞壁中Cd含量显著减低, 但细胞器和可溶部分的Cd含量显著提高; 茎叶细胞的细胞壁、细胞器和可溶部分的Cd含量均显著提高(图 2).与分蘖期一致, 灌浆期的根细胞与茎叶细胞中的Cd仍主要分布在细胞壁中, 分别占总Cd的54%~85%和67%~85%;可溶部分的Cd在根和茎叶细胞中的占比都高于分蘖期, 分别占总Cd的8%~38%和11%~27%(图 2).

图 2

Fig. 2

图 2 灌浆期水稻根和茎叶细胞中Cd含量及其亚细胞分布比例 Fig. 2 Cadmium concentration and distribution in rice root and shoot cells at the grain filling stage

与分蘖期一致, 秸秆还田显著提高了细胞壁中的Cd含量及其分配比例.当秸秆按1%、2.5%和5%比例还田时, 根细胞壁中的Cd含量分别提高了112%、210%和80%, 茎叶细胞壁中分别提高了86%、68%和51%;秸秆还田也显著提高了细胞器中的Cd含量, 根和茎叶细胞中的Cd含量分别提高8%~90%和7%~96%;秸秆还田显著降低了细胞中可溶部分的Cd含量, 根和茎叶细胞中分布提高57%~70%和34%~39%.可见, 秸秆还田可以进一步提高灌浆期水稻根和茎叶细胞的细胞壁对Cd的截留, 降低可溶部分的Cd含量, 从而可减少Cd向水稻籽粒的转运.

秸秆还田对分蘖期和灌浆期水稻根及茎叶中Cd积累的影响如图 3所示, 在分蘖期, 1%和2.5%的秸秆还田显著提高了根中Cd的含量, 但5%的秸秆还田却显著降低了根中Cd的含量, 各种比例的秸秆还田均没有显著影响茎叶中Cd的含量; 在灌浆期, 3个比例的秸秆还田均显著提高了根中Cd的含量, 1%和2.5%的秸秆还田还显著提高了茎叶中Cd的含量, 但5%的秸秆还田没有显著影响茎叶中Cd的含量.

图 3

Fig. 3

不同字母表示同一细胞组分中不同秸秆处理间的Cd含量存在差异显著(P＜0.05); *表示Cd含量与对照存在差异显著(P＜0.05), **表示与对照存在差异极显著(P＜0.01), 下同 图 3 水稻体内Cd的含量及其由根向茎叶的转运系数 Fig. 3 Cd concentrations in rice and the translocation factor from the root to the shoot

水稻在分蘖期的TF较小(5.42%~13.60%), 灌浆期的TF显著大于分蘖期(24.13%~36.36%)(图 3), 这说明灌浆期是水稻地上部Cd积累的关键时期.当秸秆按1%和2.5%比例还田时, 水稻体内Cd由根向地上部的转运显著降低, 1%比例的秸秆还田分别使分蘖期和灌浆期的TF降低30%和23%; 2.5%比例的秸秆还田分别使分蘖期和灌浆期的TF降低25%和30%.但5%比例的秸秆还田却使分蘖期的TF提高77%, 对灌浆期的TF没有显著影响.

水稻成熟后收集水稻籽粒和秸秆测定Cd含量.第一年所有处理的糙米中Cd含量均较低, 平均Cd含量在0.05~0.10 mg·kg^-1之间, 均低于《食品中污染物限量》(GB 2762-2012) 糙米中Cd安全限值(Cd≤0.2 mg·kg^-1)，见图 4.与对照相比, 水稻秸秆单独还田能使糙米中的平均Cd含量降低约20%~30%, 但重复之间误差较大, 不同秸秆还田量之间的糙米Cd含量没有显著差异, 与对照相比也没有显著差异.水稻秸秆与石灰一起还田的条件下, 当秸秆还田量在每亩500和1 000 kg时, 糙米中平均Cd含量显著低于对照, 分别降低约50%和40%.生物炭单独添加或生物炭与石灰一起添加均没有显著降低糙米中的Cd含量; 油菜秸秆单独还田或者与石灰一起添加也没有显著降低糙米中的Cd含量(图 4).不同处理的水稻秸秆中的平均Cd含量在0.22~0.54 mg·kg^-1之间(图 4), 与对照相比, 水稻秸秆单独还田或者与石灰一起添加均能使秸秆中的平均Cd含量降低, 但重复之间误差较大, 不同秸秆还田量之间的秸秆Cd含量没有显著差异, 与对照相比也没有显著差异.当生物炭施用量为每亩250 kg, 或每亩1 000 kg生物炭与石灰一起还田能使秸秆中的Cd含量显著低于对照.油菜秸秆单独还田或者与石灰一起添加没有显著影响秸秆中的Cd含量(图 4).

图 4

Fig. 4

图 4 第一年大田水稻糙米及秸秆中的Cd含量 Fig. 4 Cadmium concentrations in brown rice and straws harvested in the first year

由于第一年攸县当地雨水较多, 在水稻收获时稻田的水分仍未排干, 导致水稻糙米中Cd含量较低, 因此第二年在附近选择一块地势较高且平整, 排水方便的稻田重复试验.但因为油菜秸秆中Cd含量较高, 油菜秸秆还田导致秸秆中的Cd归还到土壤的风险, 所以第二年的试验未包含油菜秸秆的处理.第二年大田试验的糙米和秸秆中Cd含量如图 5所示, 对照和每亩添250 kg秸秆处理的糙米中平均Cd含量超过了食品中Cd的安全限值(0.2 mg·kg^-1), 其他秸秆和生物炭处理的糙米平均Cd均低于0.2 mg·kg^-1, 其中秸秆或生物炭与石灰一起还田的处理显著地降低了糙米中的Cd含量, 每亩1 000 kg生物炭与石灰一起还田能使糙米中的Cd含量降低约60%.秸秆或生物炭还田也能降低水稻秸秆中的Cd含量, 当与每亩500 kg或1 000 kg生物炭与石灰一起还田能使秸秆中的Cd降低约30%~50%.

图 5

Fig. 5

图 5 第二年大田水稻糙米及秸秆中的Cd含量 Fig. 5 Cadmium concentrations in brown rice and straws harvested in the second year

对于大多数植物, 根系从土壤中吸收的Cd绝大部分都滞留在根中, 仅有小部分的Cd会运输到地上部, 通常根中Cd含量是地上部分Cd含量的10倍左右, 可见根中Cd的滞留对于植物的Cd解毒和农作物的食品安全有重要意义^[21~24].本研究盆栽试验的水稻在分蘖期的转运系数是5.42%~13.60%, 即水稻地上部积累的Cd仅占水稻体内总Cd的5%~12%(图 3); 但在灌浆期, Cd向地上部的转运系数显著提高(30%左右), 可能是因为所用土壤中的有效Cd含量较高, 而此时地下部的Cd积累已经达到饱和, 导致向地上部运输的Cd较多.

植物根和茎叶细胞中Cd的亚细胞定位对于植物体内Cd的转运与分布有重要影响.细胞壁是植物根和茎叶细胞中Cd积累的主要亚细胞组织, 如水稻根系细胞壁中的Cd约占60%, 茎叶细胞壁中的Cd可达90%^{[23, 25]}, 大麦细胞壁中的Cd占35%~44%^[26], 小麦根系细胞壁中的Cd占26%~44%, 高粱茎叶细胞壁中的Cd占26%~44%^[27].与上述的报道一致, 本研究发现水稻根细胞壁中的Cd占总Cd的86%~95%, 茎叶细胞的细胞壁与可溶部分中的Cd含量相当, 分别占总Cd的30%~51%和35%~61%(图 1和图 2).

盆栽试验的结果表明秸秆还田能显著提高根和茎叶的细胞壁中Cd含量及其分配比例, 降低可溶部分的Cd含量, 从而减少水稻体内Cd由根向茎叶的转运(图 1和图 2).这可能是因为水稻秸秆中富含硅和硫^{[28, 29]}, 水稻秸秆还田可增加土壤中有效硅和硫的含量, 而硅能促进细胞壁对Cd的固持^[11], 硫能促进液泡对Cd的区隔化^{[14, 17]}, 通过增加细胞壁的固持或液泡的区隔化能减少Cd向地上部转运, 进而降低籽粒中Cd的积累, 多项研究已表明水稻施硅处理能显著降低糙米中的Cd含量^{[11, 13, 14, 30, 31]}.

从盆栽试验的结果来看, 可以推测秸秆还田在理论上可以降低水稻籽粒中Cd的积累.张庆沛等^[15]和林鸾芳等^[32]在成都平原德阳市旌阳区Cd污染稻田开展的小区试验证明油菜秸秆和小麦单独还田处理均能使糙米中的Cd含量显著降低.为实践指导Cd污染稻田的秸秆还田与水稻安全生产, 本研究开展了两年的田间试验, 但结果均表明水稻秸秆单独还田未能使糙米中的Cd能显著降低.大田秸秆还田不能显著降低糙米Cd含量原因可能是当地生产的水稻和油菜秸秆中均携带高含量的Cd, 分别为0.49 mg·kg^-1和0.67 mg·kg^-1.将这些秸秆还田能使秸秆中富集的Cd重新归还到稻田土壤中, 从而使土壤和水稻植株中的Cd含量显著提高^{[33, 34]}.在本研究中, 单独添加生物炭处理的糙米中Cd也没有显著低于对照(图 4和图 5).该结果也与部分已经报道的研究结果不一致^{[35, 36]}. Zheng等^[35]的田间试验表明稻秆炭处理能使水稻糙米和稻壳中的Cd含量分别降低71%和71%, 豆秆炭处理分别降低26%和46%.存在这种差异的原因可能是Zheng等^[35]使用的生物炭中Cd含量较低, 豆秆炭和稻秆炭的Cd含量分别为0.15 mg·kg^-1和0.10 mg·kg^-1, 而且本研究中使用的稻秆炭Cd含量分别为0.54 mg·kg^-1.由于当地土壤的pH值较低, 施石灰调pH是当地广泛推荐的控Cd措施, 多项研究也证明在当地施石灰或配套其它土壤改良措施能显著降低水稻对Cd的积累^{[37, 38]}, 本研究的两年大田试验均表明水稻秸秆或生物炭与石灰一起施用时能显著降低糙米中的Cd含量, 秸秆加石灰处理最多能使糙米中Cd含量减低50%, 生物炭加石灰处理最多减低60%(图 4和图 5).因此, 在南方Cd污染稻田实施秸秆或生物炭添加时需要考虑秸秆和生物炭中富集的Cd重新归还到稻田土壤中的风险, 推荐与石灰一起施用来提高控制水稻Cd积累的效果.

(1) 水稻根细胞中的Cd主要分布在细胞壁中, 占总Cd的86%~95%, 茎叶细胞的细胞壁与可溶部分的Cd分别占总Cd的30%~51%和35%~61%.

(2) 秸秆还田能提高了根和茎叶的细胞壁中Cd含量及其分配比例, 并降低水稻体内Cd由根向茎叶转运.

(3) 当地所产水稻和油菜秸秆中Cd含量均较高, 秸秆单独还田不能显著降低糙米中的Cd含量, 当生物炭Cd含量较高时, 单独添加生物炭也未能显著降低糙米中的Cd含量.

(4) 当秸秆或生物炭与石灰一起还田时, 糙米中的Cd含量均显著降低, 因此, 建议当地秸秆还田的同时添加一定量的石灰可达到显著降Cd的效果.