环境科学  2020, Vol. 41 Issue (4): 1871-1879   PDF    
引用本文
刘师豆, 朱新萍, 韩耀光, 赵一, 金航, 贾宏涛. 棉秆炭对碱性水稻土壤-水稻中镉迁移转化的阻控作用[J]. 环境科学, 2020, 41(4): 1871-1879.
LIU Shi-dou, ZHU Xin-ping, HAN Yao-guang, ZHAO Yi, JIN Hang, JIA Hong-tao. Control of Cadmium Migration and Transformation in Alkaline Paddy Soil-Rice Using Cotton Stalk Biochar[J]. Environmental Science, 2020, 41(4): 1871-1879.
棉秆炭对碱性水稻土壤-水稻中镉迁移转化的阻控作用
刘师豆1, 朱新萍1,2, 韩耀光1, 赵一1, 金航1, 贾宏涛1,2     
1. 新疆农业大学草业与环境科学学院, 乌鲁木齐 830052;
2. 新疆土壤与植物生态过程重点实验室, 乌鲁木齐 830052
收稿日期: 2019-09-11; 修订日期: 2019-11-28
基金项目: 新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2017D01A36）
作者简介: 刘师豆(1994~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为环境污染控制与修复, E-mail:1436476722@qq.com
通信作者: 朱新萍, E-mail:zhuxinping1978@163.com
摘要: 为研究棉花秸秆生物质炭添加对碱性水稻土壤-水稻体系中镉迁移转化的影响，通过室外盆栽试验，以水稻品种特丰优2号为试验材料，在添加外源镉含量为0、1、4和8 mg·kg-1的碱性水稻土中分别施入炭土质量比分别为0%、1%、2.5%和5%的棉花秸秆生物质炭，待水稻收获后，分析不同含量镉胁迫处理下，施用不同量棉秆炭对碱性水稻土壤pH、养分和水稻体内镉富集、转移情况及镉在土壤中的赋存形态的影响.结果表明：①添加棉秆炭可以显著提高土壤养分（P < 0.05），其中5%量的棉秆炭添加后，相比于对照组土壤有机质增加了25.74~47.53%，速效钾提高了3.16~4.25倍.②施用生物质炭可以显著降低土壤及水稻体内镉含量（P < 0.05），尤其5%量的棉秆炭施用后，Cd4和Cd8含量下糙米镉含量分别由0.31 mg·kg-1和0.43 mg·kg-1降低到0.15 mg·kg-1和0.10 mg·kg-1，达到国家标准范围.生物质炭可以显著降低镉在土壤-水稻体系的富集、转移系数，并使残渣态镉含量增多，弱酸提取态、可还原态、可氧化态镉含量显著降低（P < 0.05）.③土壤pH、电导率和养分各指标与水稻体内镉含量和土壤中弱酸提取态、可还原态和可氧化态镉含量有极显著负相关关系，与残渣态镉含量呈正相关关系（P < 0.05）.上述研究结果说明，棉秆炭的施用可增加土壤养分，对碱性水稻土和水稻体内镉的富集、转化有显著的阻控作用.
关键词: 镉      棉秆炭      碱性土壤      理化性质      富集系数      转移系数      镉形态     
Control of Cadmium Migration and Transformation in Alkaline Paddy Soil-Rice Using Cotton Stalk Biochar
LIU Shi-dou1 , ZHU Xin-ping1,2 , HAN Yao-guang1 , ZHAO Yi1 , JIN Hang1 , JIA Hong-tao1,2     
1. College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China;
2. Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes, Urumqi 830052, China
Abstract: We investigated the effects of cotton stalk biochar addition on the soil nutrient characteristics of alkaline paddy soil and the migration and transformation of cadmium in a soil-rice system. An outdoor pot experiment was conducted with Tefengyou 2 rice as the testing material. We added cotton stalk biochar (0%, 1%, 2.5%, and 5%) in the alkaline paddy soil with cadmium content of 0, 1, 4, and 8 mg·kg-1. After rice harvesting, the effects of different concentrations of cotton stalk biochar on alkaline soil physical and chemical properties, cadmium enrichment and transfer in rice, and the occurrence of cadmium in soil were analyzed under different concentrations of cadmium stress. The results showed that ① adding cotton stalk biochar can effectively increase soil nutrient (P < 0.05). After the addition of cotton stalk biochar, the organic matter increased by 25.74%-47.53%, and the available potassium content increased by 3.16-4.25 times. ② Cotton stalk carbon can reduce the cadmium content in soil and rice, especially after the application of 5% cotton stalk carbon, The cadmium content of brown rice at Cd4 and Cd8 concentrations decreased from 0.31 mg·kg-1 and 0.43 mg·kg-1 to 0.15 mg·kg-1 and 0.10 mg·kg-1, respectively, reaching the national standard. Cotton stalk biochar can significantly reduce the enrichment and transfer coefficient of cadmium in soil-rice systems and can increase the cadmium content in the residual cadmium but decrease the acid extractable cadmium, reducible cadmium, and oxidizable cadmium content (P < 0.05). ③ Soil pH, conductivity, and nutrient indicators were significantly negatively correlated with cadmium content in rice and acid extractable cadmium, reducible cadmium, and oxidizable cadmium content in soil and were positively correlated with cadmium content in residual cadmium. The above results indicate that the application of cotton stalk biochar can significantly improve the soil nutrient of alkaline cadmium-contaminated paddy soil, and the application of cotton stalk biochar has a significant control effect on the migration and transformation of cadmium in alkaline soil and rice.
Key words: cadmium      cotton stalk biochar      alkaline soil      physical and chemical properties      bioaccumulation factor      translocation factor      fractions of cadmium     

镉是一种迁移性高、毒性高、隐蔽性强的重金属[1].全国土壤污染点位超标率达16.1%, 其中土壤镉超标率为7.0%[2].水稻(Oryza sativa L.)作为镉富集作物之一[3], Cd通过根系吸收和体内转运在水稻籽粒部分积累, 从而进入食物链被人体摄入, 影响人体健康[4].因此合理选择一种改良剂, 阻控镉的迁移转化, 降低镉的生物有效性, 从而保障农作物的安全生产, 是目前亟待解决的问题之一.

生物质炭(biochar, BC)是生物质在缺氧条件下高温裂解生成的一类新型环境功能材料[5], 其具有性质稳定、比表面积大、孔隙丰富、表面能高和吸附性强等特点[6].生物质炭可以改善土壤理化性质[7], 提高农产品产量[8], 尤其在吸附重金属, 降低其生物有效性方面有很好的应用潜力[9].生物质炭的种类来源可分为木炭[10]、竹炭[11]、秸秆炭[12]、稻壳炭[13]和动物粪便炭[14]等, 不同品种生物质炭对重金属的调控效果不一[15].有报道称新疆乌鲁木齐大米主产区之一的米东区[16], 引用污水灌溉已有30多年的历史[17], 并且部分区域土壤母质为半荒漠棕钙土或荒漠灰钙土母质[18], 其部分农田土壤Cd含量高于新疆土壤背景值约1.5倍, 明显高过全国背景值[19, 20], 甚至某水稻种植地附近检出镉的浓度达34.83 mg·kg-1 [21, 22], 可见在乌鲁木齐市部分水稻种植区存在农作物生长受镉污染影响的风险.新疆是我国最大和最重要的商品棉生产基地, 具有丰富的棉花秸秆资源[23], 其就地应用于农田土壤改良与修复具有广大的前景.新疆土壤pH值普遍>8.0, 为高碱性土壤[24].近年来研究生物质炭减缓镉对水稻胁迫效应的研究多在中国东南部的酸性土壤区域开展[25], 生物质炭在酸性土壤中可以提高pH值, 促进镉向更稳定的形态转化, 减少有效态镉含量[9], 阻控镉在土壤-作物体系中迁移, 在碱性土壤中这种阻控效果是否依然存在？棉秆生物质炭施用后对碱性土壤养分有何影响？对土壤中镉的生物有效性及在水稻体内镉的富集、转运能力又有何影响？这关系到新疆棉秆生物质炭在农田环境中的推广应用和碱性重金属污染农田土壤中农作物的安全生产.

本研究选取碱性水稻土壤和棉花秸秆生物质炭, 采用室外盆栽试验, 以新疆常种植水稻品种特丰优2号为试验材料, 分析不同浓度镉胁迫处理下, 施用不同量的棉秆炭对镉在碱性土壤-水稻体系中迁移、转化的影响, 探寻土壤养分与水稻各器官中镉分布含量及土壤中镉的赋存形态之间的关系, 通过明确棉秆炭对镉在碱性土壤-水稻中富集、迁移的阻控效果, 以期为棉秆炭资源利用及其对重金属镉在土壤-作物中富集转化的阻控效应研究提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验材料

以水稻品种特丰优2号为研究材料, 供试土壤为乌鲁木齐市米东区稻田土壤, 土壤pH为8.07(水土比2.5 :1), 有机质含量为31.27 g·kg-1, 全氮含量为0.83 g·kg-1, 全磷含量为0.79 g·kg-1, 全钾含量为5.29 g·kg-1, 碱解氮含量为17.7mg·kg-1, 速效磷含量为38.02mg·kg-1, 速效钾含量为1 005 mg·kg-1, 镉含量为0.32mg·kg-1.供试生物质炭为棉花秸秆生物质炭, 由新疆农业科学院提供, 炭化温度为360℃, 炭化时间为16 h, 过0.5 mm筛备用.棉秆生物质炭pH值为9.37, 全氮含量为21.76 g·kg-1, 全磷含量为10.58 g·kg-1, 全钾含量为21.45 g·kg-1, 碱解氮含量为5.38mg·kg-1, 速效磷含量为200.94mg·kg-1, 镉含量为0.083mg·kg-1.

1.2 试验设计

水稻室外盆栽试验在新疆农业大学农科楼试验地进行.将稻田土壤风干后过5 mm筛, 装入聚乙烯桶(高50 cm, 直径42 cm), 每盆装土15 kg.试验设有两个处理因素, 镉和棉秆炭.参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)及相关论文中对乌鲁木齐市农作物种植区中镉浓度的调查结果[19~22], 将CdCl2·2.5H2 O配置为所需镉量的镉溶液, 用注射器喷施并与土混合均匀, 向土壤中添加镉含量分别为0、1、4和8 mg·kg-1, 分别记为Cd0、Cd1、Cd4和Cd8, 稳定2个月；将生物质炭按照与土壤质量比分别为0%、1%、2.5%和5%的比例混入不同镉含量处理土壤中, 分别记为C0、C1、C2.5和C5, 再稳定2周后覆水插秧, 水深5 cm.试验共16个处理, 每处理4次重复, 每盆定苗3株.以不加镉不加生物质炭的处理为对照组(Cd0C0).基肥施用量参考乌鲁木齐本地水稻种植农田用量, 尿素180 kg·hm-2, 磷酸氢二胺225 kg·hm-2, 硫酸钾52.5 kg·hm-2, 折合盆栽试验中, 每盆施用尿素1.2 g, 磷酸氢二胺1.5 g, 硫酸钾0.4 g, 出穗期“晒田”10 d.整个生育期165 d(2018年5月20日至10月5日), 全生育期水肥条件一致.水稻收获后, 测定水稻各器官和稻土镉含量, 测定土壤中镉的赋存形态及土壤理化性质.

1.3 样品测定方法

用陶瓷剪刀将水稻植株分为根、茎、叶、稻壳和糙米, 各器官于烘箱(NY881-1, 南亚烘箱有限公司)中105℃杀青20 min, 80℃烘至恒重后研磨备用.用四分法取待测土壤, 自然风干后过0.25 mm筛备用.土壤和水稻各器官采用HNO3-HClO4体系消解, 使用石墨炉原子吸收仪(TAS-990, 北京普析通用有限责任公司)测定水稻各器官和土壤中镉含量.采用BCR逐步提取法[26]测定土壤中镉的赋存形态(酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态), 土壤理化性质(pH、电导率、速效钾、速效磷、碱解氮和有机质)测定方法参考文献[27].植物重金属富集系数、转移系数的计算方法如下：

 1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016进行数据统计分析, 用SPSS 17.0进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)和多重比较分析(Duncan法), 不同小写字母表示α=0.05水平上差异显著, 使用Origin 8.5进行绘图.

2 结果与分析 2.1 棉秆炭对镉污染碱性水稻土壤养分的影响

由表 1可知, 不同浓度镉胁迫和不同施用量的棉秆炭处理均对水稻土壤pH、电导率和养分(有机质和速效养分)有极显著影响(P < 0.001).在相同炭量处理下(0% ~5%), 与对照Cd0相比, 土壤pH、电导率和养分各指标均随镉含量递增而降低(P < 0.05).在不同镉含量处理下(0~8 mg·kg-1), 较对照组C0, 各指标均随棉秆炭施用量增多而升高(P < 0.05), 其中施加5%量的棉秆炭能更有效提高土壤pH、电导率和各养分含量, 在各镉浓度胁迫处理下, 5%量的棉秆炭使土壤pH增加了3.85% ~5.47%, 电导率增加了21.87% ~42.9%, 有机质增加了25.74% ~47.53%, 速效钾提高了3.16~4.25倍, 速效磷增加了0.76~2.63倍, 碱解氮增加了3.21~4.07倍.根据全国土壤肥力等级标准判定(表 2), 施用棉秆炭后土壤中有机质、速效钾含量显著增多, 并且其余养分指标含量也有所提高, 说明棉秆生物质炭的施用能显著改善镉污染土壤环境, 提高土壤养分.

表 1 不同含量镉胁迫和棉秆炭处理对碱性水稻土壤养分的影响1) Table 1 Effects of different concentrations of cadmium stress and cottonstalk biochar treatment on alkaline paddy soil nutrients

表 2 全国土壤肥力等级标准 Table 2 National soil nutrient rating standard

2.2 棉秆炭对镉在碱性稻土-水稻体系中积累和迁移的影响

由图 1可知, 外界环境镉含量的增加会导致水稻体内镉含量增加.重金属镉在水稻各器官的含量分布情况为：根>叶>茎>稻壳>糙米.在相同镉浓度处理下, 与C0相比, 增加棉秆炭的施用量会显著降低水稻各器官中镉含量(P < 0.05).当土壤镉含量处理超过1mg·kg-1, 添加生物质炭量在2.5%以下, 水稻糙米中镉含量超过《食品安全国家标准》 (GB 2762-2017食品中污染物限量)中的规定范围(糙米中镉≤0.2mg·kg-1).而Cd4和Cd8浓度处理中, 与对照组C0相比, 施用5%量的棉秆生物质炭处理后, Cd4含量中糙米镉含量由0.31 mg·kg-1降低到0.15 mg·kg-1, Cd8含量中糙米镉含量由0.43 mg·kg-1降低到0.10 mg·kg-1, 即C5处理后糙米镉含量均达到国家标准.上述研究结果说明在土壤镉含量为0~8 mg·kg-1处理下, 随棉秆炭施用量的增多, 稻土和水稻各器官中镉含量逐渐降低(P < 0.05), 5%施用量的棉秆炭可以有效阻控重金属镉向水稻籽粒中转移, 并可使水稻糙米镉含量下降达到国家标准范围内.

不同小写字母表示相同镉浓度处理下不同炭量处理间差异(P < 0.05) 图 1 各浓度镉胁迫下棉秆炭对碱性稻土及水稻体内各器官镉含量的影响 Fig. 1 Effect of cotton stalk biochar on cadmium content in alkaline paddy soil and rice body under different concentrations of cadmium stress

由土壤-水稻体系中镉的富集和转移系数可知(表 3), 在相同镉含量胁迫处理下, 水稻各器官的富集系数(BCF)随棉秆炭施用量的增多而递减(P < 0.05), 说明棉秆生物质炭可以有效降低植物体内各器官富集的镉含量.由转移系数(TF)可知, 镉从水稻地下部分转移至地上的分布情况为：TF(叶/根)>TF(茎/根)>TF(稻壳/根)>TF(糙米/根), 且除了Cd0含量下的C0和C1处理中TF(叶/根)>1, 其余处理各器官转移系数均小于1.在不同镉含量胁迫处理下, 各器官转移系数随棉秆炭施用量的增多随之降低(P < 0.05), 说明施用棉秆生物质炭后可以将镉元素固定在水稻根部, 阻控重金属镉从水稻地下部分向地上部分转移, 使镉在水稻体内的富集、转移能力下降, 达到减少重金属对作物的毒害作用.

表 3 棉秆炭对土壤-水稻体系中镉的富集和转移系数的影响1) Table 3 Effect of cotton stalk biochar on cadmium bioaccumulation factor and translocation factor in a soil-rice system

2.3 施用棉秆炭对镉在碱性稻土中赋存形态的影响

由表 4可知, 对照组Cd0含量下, 稻土中镉的不同赋存形态含量分布情况为：残渣态(44.11% ~87.43%)>可还原态(6.01% ~33.13%)>弱酸提取态(5.47% ~19.66%)>可氧化态(1.08% ~3.13%).在镉胁迫处理下(Cd1、Cd4和Cd8), 稻土中镉的不同赋存形态含量分布情况为：可还原态(41.22% ~74.42%)>残渣态(19.68% ~54.97%)>可氧化态(2.35% ~4.07%)>弱酸提取态(0.61% ~2.13%), 本试验水稻土壤中镉主要以可还原态的形式赋存, 酸提取态较少.在Cd0含量下残渣态镉的比例大于其他形态镉, 可能是对照处理(Cd0)土壤中长期存在的镉元素较稳定, 而在添加外源镉的短期镉胁迫处理下, 土壤中镉元素较不稳定, 更多的是以较活跃的形式在土壤中存在.研究发现, 在不同镉浓度胁迫处理下, 施用棉秆炭可显著降低稻土中可还原态镉含量(P < 0.05), 并随棉秆炭施用量的增多(0% ~5%), 可还原态镉含量降低幅度也增大, 在Cd0含量中, 与对照组C0相比, 可还原态镉含量经C5处理后降低了4.82倍, 在Cd1含量中, C5处理下可还原态镉含量降低了1.75倍, 在Cd4含量中, C5处理下降低了0.27倍, 在Cd8含量中, C5处理下降低了0.89倍.弱酸提取态和可氧化态镉含量随炭量变化的趋势与可还原态镉含量一致, 残渣态镉含量却随棉秆炭施用量的增加而增多(P < 0.05), 说明棉秆炭的添加能使残渣态镉含量增加, 使可还原态镉、弱酸提取态镉和可氧化态镉含量减少, 显著降低了镉的有效性.

表 4 棉秆生物质炭对碱性稻土中镉的赋存形态的影响1)/mg·kg-1 Table 4 Effect of cotton stalk biochar on the fractions of cadmium in alkaline paddy soil/mg·kg-1

2.4 土壤理化性质与土壤镉形态、水稻各器官镉含量的相关性分析

由表 5可知, 除速效钾分别与土壤镉全量和可氧化态镉含量未达到相关关系, 其它土壤理化性质指标均与土壤中镉全量和弱酸提取态、可还原态、可氧化态镉含量有负相关关系(P < 0.01), 但它们却与残渣态镉含量呈正相关关系(P < 0.01).由表 6可知, 土壤理化性质各指标与水稻各器官(根、茎、叶、稻壳、糙米)中镉含量均有负相关关系(P < 0.01).这也直接体现提高土壤理化性质能在一定程度上降低土壤中镉的有效性, 阻控镉在土壤-水稻体系的迁移能力, 达到钝化镉污染的效果.

表 5 土壤理化性质与土壤中各镉形态含量相关性分析1) Table 5 Correlation between soil physical and chemical properties and cadmium occurrence in soil

表 6 土壤理化性质与水稻体内镉含量相关性分析 Table 6 Correlation between soil physical and chemical properties and cadmium content in rice

3 讨论 3.1 棉秆炭对碱性水稻土壤养分的影响

镉胁迫及生物质炭处理会对土壤pH、电导率和养分会产生一定的影响.棉花秸秆生物质炭制备后pH较高, pH升高会影响土壤溶解-吸附、吸附-解吸等反应.有机质是衡量土壤养分、也是影响土壤重金属行为的重要性质之一[28].电导率是反映土壤质量和物理性质的重要信息, 土壤速效养分是指作物当季利用的那一部分, 能表征作物的养分利用率[29].本研究中, 土壤有机质等养分含量随镉含量递增而降低, 原因可能是有机质与镉离子可形成不易被植物吸收的配位络合物, 在生物质炭成分的研究中表明, 生物质炭中含有大量的有机质、氮、磷等成分, 土壤中施入棉秆炭后随着镉含量的递增, 更多的有机质与镉结合, 使土壤有机质含量呈随镉增加而减少的趋势[30].本研究中5%量的棉秆炭对镉污染稻土pH、速效养分和有机质的提升效果最明显.原因主要为棉花为喜钾性植物, 在种植中施用的肥料会导致棉秆吸收, 因此作为生物质施入土壤后得到释放, 为土壤添加了足够的养分[7], 从而改善了镉污染水稻土壤的养分等指标, 这与他人的研究结果一致[22, 31].

3.2 棉秆炭对碱性水稻土壤中镉形态的影响

生物质炭本身具有高度芳香化的结构, 含有大量酚羟基、羧基和羰基, 这些基本性质使生物炭具备了良好的吸附特性及稳定性[32], 有研究表明生物质炭能够提高土壤的pH, 增加土壤有机质含量, 显著影响土壤中重金属迁移行为, 使土壤中镉离子向更稳定的形态转化, 从而起到钝化镉离子的效果[33].而较高的pH能诱导重金属形成氢氧化物沉淀, 从而达到钝化目的[34].生物质炭影响镉形态转化的机理主要有3个方面：①土壤pH的提高使土壤中黏土矿物、水合氧化物和有机质表面的负电荷也增加, 促进CdCO3和Cd(OH)2沉淀的生成, 使土壤碳酸盐结合态Cd含量升高.②土壤pH升高时H+含量减小, 降低了H+和Cd2+在吸附位点上的竞争, 使得土壤中的有机质、铁锰氧化物等与重金属的结合更紧密[35].③生物质炭表面富含的C C、C O和—OH等官能团可与Cd2+进行络合与离子交换等反应而钝化[36].生物质炭还可通过离子交换、专性吸附及共沉反应来降低重金属活性[37].同时生物质炭通过改善土壤理化性质而间接改善水稻根系微环境, 增强水稻根表铁膜吸附沉淀重金属的能力[38], 将重金属固定在根部, 阻控了镉在水稻体内富集、迁移能力, 降低了镉在水稻各器官中的累积.然而有研究发现, 在黄壤中施用竹炭后土壤镉含量增高, 镉的转移系数也略有增加, 可见生物质炭对土壤中镉含量的影响和镉在植物体内向上转移作用也因土壤类型和生物质炭种类不同而异.

土壤重金属生物有效性主要体现在有效形态.有研究表明在BCR提取法中, 弱酸提取态和可还原态较不稳定, 可以被作物吸收利用, 故将弱酸提取态和可还原态作为有效态镉[39].pH值的高低可以影响土壤中重金属的生物有效态, 本研究中随棉秆炭的增加, 稻土pH也增加, 同时土壤中镉的有效态降低, 结果与罗洋[29]、闫家普[31]和吴迪等[40]的研究结果一致.这可能因为随着土壤pH值的升高, 带负电荷的土壤胶体对带正电荷的重金属离子吸附能力增加, 易形成氢氧化物为重金属离子提供更多的吸附位点[41], 从而降低了重金属的生物有效性.而土壤和生物质炭中的有机质可与镉离子形成不易被作物吸收的配位络合物, 降低了重金属移动性和有效性, 进而减少作物对镉离子的利用[30].因此施用生物质炭能一定程度上降低土壤中镉的有效性, 达到钝化镉污染对作物毒害的效果.

3.3 水稻体内镉分布情况与棉秆炭阻控镉富集、转运能力的效应

根系是作物吸收和富集镉离子的主要器官, 镉离子可以通过细胞膜扩散至作物细胞内[42].水稻根部及根际微生物可对重金属元素吸收或固定, 增强根部对重金属的吸收能力[43].

镉在水稻根部富集最多, 而向地上部转移量较少, Rizwan等[44]也验证了相同结果.对于镉在水稻体内各器官的分布情况, 本研究中发现镉在特丰优2号水稻各器官分布的情况为：根>叶>茎>稻壳>糙米, 这与他人研究结果较不同.胡雪芳等[38]认为镉在盐梗-939水稻中的分布顺序为：根>籽粒>茎叶, 廖雄辉等[45]认为镉在深两优5814水稻不同器官中的分布顺序为：根>茎叶>籽粒, 这可能与供试水稻品种有关, 导致其重金属富集部位不同.棉秆炭对水稻体内镉含量有明显抑制作用.当土壤镉含量达到4 mg·kg-1和8 mg·kg-1时, 糙米镉含量超标部分在施用5%量的生物质炭后均降到国家标准要求范围.

棉秆炭不仅降低了水稻体内各器官镉含量, 对镉在土壤-水稻中的富集、转移能力也有明显的抑制作用.棉秆炭对钝化镉的富集、转运能力的影响可从富集系数和转移系数体现.富集系数反映植物对重金属富集能力的强弱, 转移系数体现植物向地上部位运输重金属的能力.在本试验中, 根据镉的富集系数和转移系数可知, 增加棉秆炭施用量(0% ~5%), 富集、转移系数显著降低(P < 0.05), 且在本试验中, 施加生物质炭后水稻地上部各器官的转运系数基本都小于1.有研究指出, 转移系数小于1的植物, 可以把重金属固定在根部[37], 限制重金属向地上部转移.这说明生物质炭可阻控重金属镉在水稻-土壤体系的转移, 从而表现为根部镉富集量最大, 而转移至糙米的镉含量最少[46].

4 结论

(1) 镉胁迫处理下施用棉秆生物质炭有效提升了土壤pH、电导率以及有机质等速效养分, 5%施用量的棉秆炭对碱性水稻土壤养分提升效果最好.

(2) 施用棉秆炭后重金属镉在水稻体内各器官分布规律为：根>叶>茎>稻壳>糙米.棉秆炭的添加可以显著降低土壤及水稻体内各器官(根、茎、叶、稻壳、糙米)中镉的富集量, 并阻控镉向籽粒转移, 其中在Cd4和Cd8处理下, 5%量的棉秆炭可使糙米镉含量超标情况降到国家标准范围, 削弱了重金属的毒害作用.

(3) 镉污染碱性水稻土壤中, 镉的不同赋存形态含量分布情况为：可还原态>残渣态>可氧化态>弱酸提取态.棉秆炭的添加可以有效降低可还原态、可氧化态和弱酸提取态镉含量, 同时使残渣态镉含量增加.土壤pH、电导率、有机质和速效养分与水稻各器官镉含量和土壤弱酸提取态、可还原态、可氧化态镉含量呈极显著负相关关系(P < 0.01), 与残渣态镉含量有极显著正相关关系(P < 0.01).

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