环境科学  2022, Vol. 43 Issue (8): 4271-4281   PDF    
引用本文
彭华, 邓凯, 石宇, 魏维, 柳赛花, 纪雄辉. 连续施硅对双季稻镉硅累积效应的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(8): 4271-4281.
PENG Hua, DENG Kai, SHI Yu, WEI Wei, LIU Sai-hua, JI Xiong-hui. Impacts of Uptake and Accumulation of Cd on Double Rice-Paddy Soil by Silicon Fertilizer Continuous Application[J]. Environmental Science, 2022, 43(8): 4271-4281.
连续施硅对双季稻镉硅累积效应的影响
彭华1,2,3, 邓凯1,2,3, 石宇4, 魏维5, 柳赛花1,2,3, 纪雄辉1,2,3,5     
1. 湖南省农业科学院, 湖南省农业环境生态研究所, 长沙 410125;
2. 农业农村部长江中游平原农业环境重点实验室, 长沙 410125;
3. 稻田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室, 长沙 410125;
4. 湖南湘西州农业农村局土壤肥料工作站, 吉首 416000;
5. 湖南大学隆平分院, 长沙 410000
收稿日期: 2021-10-28; 修订日期: 2021-12-15
基金项目: 湖南省重点研发计划项目（2019WK2031）；湖南省农业科学院创新项目（2020CX56）
作者简介: 彭华(1982~), 男, 博士, 副研究员, 主要研究方向为土壤重金属污染修复治理, E-mail: penghua@hunaas.cn
通信作者: 纪雄辉, E-mail: 1546861600@qq.com
摘要: 为研究硅肥对土壤镉生物有效性以及双季稻对镉硅积累的影响，在稻田土壤镉较高[ω（总Cd）为1.03 mg·kg-1]污染条件下，开展双季稻连续基施硅肥180 kg·hm-2（以SiO2计）的田间定位试验.结果表明，双季稻田连续施用硅肥能够增加土壤有效硅含量，增幅为108.1%~275.0%，同时提高土壤1.15~1.33个pH单位，施用硅肥早、晚稻土壤DTPA-Cd含量降幅分别为12.3%和15.9%，差异达显著水平；施硅促进了土壤镉向稳定形态的转化，土壤可交换态EXC-Cd含量降幅为2.6%~5.1%，QW处理降低达显著水平；施硅肥处理，碳酸盐结合态CAR-Cd含量降低，降幅为8.6%~24.9%，显著增加了铁锰氧化态FMO-Cd含量，增加了土壤有机结合态OR-Cd含量，增幅为2.3%~12.8%，残渣态RES-Cd含量增幅为2.3%~6.0%；连续施硅肥降低了水稻对镉的积累，早稻根、茎叶和稻米平均降幅分别为38.4%、49.7%和50.9%，晚稻根、茎叶和稻米平均降幅分别为30.6%、34.4%和39.2%；硅处理显著降低了水稻根吸收系数（AF土/根），降幅为25.5%~49.6%，同时降低了水稻根向茎叶的转运系数（T根/茎叶），降幅为13.5%~52.6%，差异显著，早、晚稻稻米镉富集系数（BAF）分别平均降低6.0%和8.0%，其中粉末状硅肥对降低水稻镉吸收效果最佳.综上表明硅肥能够降低水稻对镉的吸收积累，然而硅肥持续性降镉效应不明显.
关键词: 双季稻      硅肥      镉(Cd)      生物有效性      迁移转运     
Impacts of Uptake and Accumulation of Cd on Double Rice-Paddy Soil by Silicon Fertilizer Continuous Application
PENG Hua1,2,3 , DENG Kai1,2,3 , SHI Yu4 , WEI Wei5 , LIU Sai-hua1,2,3 , JI Xiong-hui1,2,3,5     
1. Hunan Institute of Agricultural Environment and Ecology, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China;
2. Ministry of Agriculture and Rural Affairs Key Laboratory of Agriculture Environment in Middle Reach Plain of Yangtze River, Changsha 410125, China;
3. Key Laboratory of Prevention, Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province, Changsha 410125, China;
4. Xiangxi Station of Soil and Fertilizer, Jishou 416000, China;
5. Long Ping Branch of Hunan University, Changsha 410000, China
Abstract: The impacts of silicon (Si) fertilizers on cadmium (Cd) bioavailability in soil and Cd accumulation in paddy-rice plants were investigated in a field positioning test. The results indicated that the continuous application of 180 kg·hm-2 Si fertilizers improved soil bioavailable Si in paddy-rice fields by 108.1%-275.0% and improved pH values by 1.15-1.33 in soil. The difference in the contents of DTPA-Cd in soil by 12.3% and 15.9% was significant in early and late rice, respectively. The continuous application of silicon promoted the transformation of soil cadmium to a stable form and reduced the contents of exchangeable Cd and carbonate binding state Cd in the soil by 2.6%-5.1% and 8.6%-24.9%. The contents of ferric manganese oxide binding state Cd were increased significantly; meanwhile, the contents of organic binding state Cd and residue state Cd in soil were improved by 2.3%-12.8% and 2.3%-6.0%, respectively. The contents of Cd in the root, shoot, and rice were reduced by 38.4%, 49.7%, and 50.9% in early season rice and by 30.6%, 34.4%, and 39.2% in late season rice, respectively. The absorption factors and translocation factors were reduced significantly by 25.5%-49.6% and 13.5%-52.6%, and the average bioaccumulation factors were decreased by 6.0% and 8.0% in early and late season rice. The powder Si fertilizer had the best results overall. In conclusion, Si fertilizer could reduce the absorption and accumulation in rice; however, the continuous Cd reduction effect of continuous application Si fertilizer was not obvious.
Key words: double cropping rice      silicon fertilizers      cadmium(Cd)      bioavailability      migration and transformation     

镉(Cd)是一种具有毒性的重金属微量元素, 它能被植物吸收富集并通过食物链威胁人类健康. 2014年全国土壤污染状况调查公报显示, 镉污染物点位超标率最高, 占比为7%.当前, 镉污染耕地安全利用是社会聚焦点, 镉也是我国农产品主要的重金属污染物[1].如何保障耕地和农产品质量安全面临重要挑战, 研发成本低、效果好和易操作的镉污染耕地安全利用技术是解决重金属污染问题的重点和难点.

我国是水稻生产大国, 双季稻是我国南方主要的种植制度, 稻米质量安全是人体身体健康的重要保障, 也是区域农业经济可持续发展的要求.施用化学改良剂是控制土壤重金属污染的有效措施, 以硅肥作为改良剂对重金属污染土壤治理的研究大量涌现[2~5].硅能够缓解作物重金属毒性已是不争的事实.有研究表明, 硅施入土壤能够提高土壤pH值, 改变土壤镉形态[6], 降低土壤镉生物有效性, 减少土壤镉的迁移[7], 降低了根系细胞质膜透性[8], 也通过增加水稻根部非蛋白巯基物质(NPT)降低水稻对镉的吸收积累[9], 同时降低水稻对镉的迁移转运系数, 减少镉向地上部运输等[4, 10].已有研究结论多数基于短期田间试验或培养模拟试验, 然而连续(5 a以上)施用硅肥对双季稻吸收积累镉的研究鲜见报道.为明确硅肥对镉污染稻田降镉效应的长效性和持续性(作用效果长久, 累加持续效果好), 本文通过连续施用硅肥定位试验, 监测连续施硅下双季稻植株、稻米镉硅含量, 探明连续多年施硅对双季稻田水稻对镉硅吸收积累的影响, 以期为镉污染耕地安全利用的硅肥施用技术提供理论基础.

1 材料与方法 1.1 试验材料

硅肥定位试验始于2013年, 地点位于湖南省长沙县北山镇农业技术推广站试验基地(113°03′27.70″E, 28°26′23.71″W), 区域属于亚热带季风湿润气候区, 具有热量丰富、降水充沛且日照充足的特点, 是南方典型的双季稻生产区.试验前基础土壤类型为麻砂泥, pH值为4.90, ω(有机质)为49.3 g·kg-1, ω(碱解氮)为173.0 mg·kg-1, ω(有效磷)为47.2 mg·kg-1, ω(速效钾)为72.0 mg·kg-1, 土壤中ω(全镉)为1.03 mg·kg-1, 是土壤环境质量农用地土壤风险管控标准(GB 15618-2018)的3.4倍, 其ω[有效态镉(DTPA-Cd)]为0.46 mg·kg-1, 区域主要是由于历史污水灌溉导致的稻田土壤重金属Cd污染现象, 土壤ω(有效硅)为18.93 mg·kg-1, 属于缺硅土壤.

1.2 试验设计

定位试验采用田间小区试验, 设置4个处理, 随机排列, 每个处理重复4次.每小区面积4×5=20 m2.设置处理: ①对照处理(CK): 习惯施肥, 不施硅肥处理; ②山东领先生物硅肥(LX): 习惯施肥, 施用颗粒硅钙肥(有效硅含量18.8%); ③山西曲沃硅肥(QW): 习惯施肥, 施用粉末硅钙肥(有效硅含量20.0%); ④北京哈斯科硅肥(HSK): 习惯施肥, 施用钢渣硅肥(有效硅含量26.0%).

早、晚稻常规施肥情况为: 早、晚稻施用复合肥40%(22-8-10)作基肥, 施肥量分别为600 kg·hm-2和675 kg·hm-2, 水稻分蘖期追施尿素75 kg·hm-2.硅肥与复合肥一起基施入稻田, 硅肥施用量(SiO2计)为180 kg·hm-2, 施肥为撒施, 施肥后耙匀, 使土壤和肥料充分混合.为了避免小区相互串水, 小区田埂采用薄膜覆盖, 保证每个小区独立性, 化学肥料于水稻移栽前1 d施入.早、晚稻品种分别为: 株两优819和湘晚籼12号, 水稻统一育秧, 施入基肥后进行移栽, 生产中病虫害防治与灌溉和当地习惯保持一致.

硅肥种类和来源: 3种硅肥来源分别为山东领先生物农业股份有限公司、山西曲沃县瑞丰硅肥厂和北京哈斯科公司, 3种类型硅肥均是以炼钢废弃物钢渣作为硅肥原料生产而成, 重金属含量符合国家标准(GB 38400-2019)的要求.其形貌特征及理化性状见表 1.

表 1 不同类型硅肥基本理化性状 Table 1 Morphological characteristics and physiochemical properties of the silicon fertilizers

1.3 样品采集

按照“梅花形”或者“S形”5点法分别于早、晚稻分蘖期和成熟期采集0~15 cm稻田耕层土壤样品, 土壤样品自然风干, 去除杂质, 粉碎, 分别过20目和100目筛, 备用.早、晚稻水稻分蘖期、成熟期采集水稻整株样品(根、茎叶和籽粒), 用清水将泥土冲洗干净, 然后用去离子水冲洗3遍, 分根系、茎叶和籽粒分别烘干, 粉碎, 待测.

1.4 检测方法

土壤全量Cd测定[11], 土壤有效态Cd测定采用DTPA浸提法, 土壤镉形态测定采用Tessier方法[12], 植株Cd含量用微波消解仪消解, 后用ICP-MS测定溶液中Cd含量(土壤镉标样GSS-30, 植物镉标准样品采用GSB-27大葱样品, 土壤和植株样品检测回收率为90% ~105%), 土壤有效硅测定采用钼蓝比色法[13], 植株全硅采用一种简易的方法测定[14].

1.5 数据处理

本试验数据选取2015~2019年的数据和结果, 用Microsoft Excel和SPSS 17.0软件进行处理与分析, 采用LSD法进行差异显著性比较, 用Origin 8.0软件作图.

计算方法, ①生物富集系数(bioaccumulation factor, BAF): 作物籽粒某物质的含量与土壤中该物质的含量之比[15]; ②转运系数(translocation factor, TF): 水稻后一部位中重金属含量与前一部位中重金属含量的比值[15]; ③根吸收系数(absorption factor, AF): 根部某物质的含量与土壤中该物质含量比值.

2 结果与分析 2.1 施硅对土壤pH值的影响

总体而言, 土壤pH值年份和季节性差异显著(P<0.05), 硅肥、水稻季和年份这3个因子两两交互作用对土壤pH值影响达到显著水平(P<0.05), 如图 1所示.与2013年基础土壤pH值(4.90)相比, 2019年晚稻收获后, 连续施用硅肥处理提高1.15~1.33个pH单位, 而比当年的CK处理增加0.90~0.11个pH单位.连续施硅肥早稻收获期土壤pH值增加0.37~0.78个pH单位, 晚稻收获期土壤pH值增加0.57~1.30个pH单位.与CK处理相比, LX、QW和HSK处理均能够显著提高土壤pH值, 顺序为: QW>HSK>LX, 连续施用硅肥能够持续提高土壤pH值, 对缓解土壤酸化和钝化重金属镉具有重要作用.

图 1 土壤pH值动态变化 Fig. 1 Dynamic changes in soil pH

2.2 施硅对双季稻田土壤有效镉、硅含量的影响

施硅对双季稻田土壤有效镉含量情况如图 2.土壤有效镉含量(DTPA-Cd)受施硅、年份、水稻季节和年份与水稻季交互作用的影响, 差异显著(P<0.05).施硅肥显著降低土壤DTPA-Cd含量, 平均降低幅度为14.1%, 早、晚稻土壤DTPA-Cd含量降幅分别为12.3%和15.9%, 差异均达显著水平.与CK处理相比, LX、QW和HSK各施硅处理均显著降低土壤DTPA-Cd, 平均降幅分别为13.6%、15.8%和13.9%. 2015~2019年, LX、QW和HSK处理早稻季土壤DTPA-Cd含量降幅为0.9% ~31.1%, LX、QW和HSK处理晚稻季土壤DTPA-Cd含量降幅为0.6% ~44.4%.综上表明连续施用硅肥能够降低土壤镉生物有效性, 然而并没有呈持续降低的线性关系.

不同小写字母表示同一年份不同处理间差异达显著水平(P<0.05), 下同 图 2 不同处理土壤有效镉含量差异 Fig. 2 Difference in soil availably Cd concentrations in soil under different treatments

不同处理土壤不同形态镉差异如图 3.可以看出, 2019年成熟期土壤5种镉形态占比情况为: 残渣态(RES-Cd)(38% ~41%)>可交换态(EXC-Cd)(33% ~35%)>铁锰氧化态(FMO-Cd)(20% ~22%)>碳酸盐结合态(CAR-Cd)(3% ~5%)>有机结合态(OR-Cd)(1%).与CK处理相比, 硅肥处理降低了可交换态EXC-Cd含量, 降幅为2.6% ~5.1%, 其中QW处理降低达显著水平; LX和HSK处理显著降低了碳酸盐结合态CAR-Cd含量, 降幅分别为8.6%和24.9%; LX和QW处理增加了铁锰氧化态FMO-Cd含量, 其中QW增幅为9.1%, 差异显著; 硅肥处理增加了土壤有机结合态OR-Cd含量, 增幅为2.3% ~12.8%之间, 其中QW和HSK处理增加显著; 对残渣态而言, LX和HSK处理残渣态RES-Cd含量, 增幅为2.3% ~6.0%, HSK处理增加显著, 而QW处理RES-Cd含量有所降低, 但没有显著差异.综上表明, 施硅促进了土壤镉向稳定形态的转变, 从而减少了水稻吸收.

图 3 施硅对土壤不同形态镉含量占比的影响 Fig. 3 Effects of Si application on Cd speciation concentrations ratios in soil

不同处理土壤有效硅含量变化如图 4.总体而言, 施硅、水稻季节、年份间及其交互作用均显著影响土壤有效硅含量(P<0.05). 2019年晚稻收获后, 连续施硅肥土壤ω(有效硅)平均值为52.7 mg·kg-1, 较2013年试验基础土壤有效硅含量增加, 增幅为108.1% ~275.0%, 其中LX处理增加有效硅效果最佳.水稻成熟期晚稻季ω(有效硅)(平均值为32.3 mg·kg-1)较早稻季(平均值为23.0 mg·kg-1)高, 差异达显著水平, 与CK处理相比, 施硅显著增加有效硅含量, 平均增幅为43.6%, 其中早稻土壤ω(有效硅)增幅为1.3% ~68.1%, 晚稻土壤ω(有效硅)增幅为3.5% ~274.8%.

图 4 不同处理土壤有效硅含量 Fig. 4 Available silicon concentrations in soil by different treatments

2.3 施硅对双季稻植株镉硅积累的影响

施硅对双季稻水稻镉积累的影响如图 5.结果表明, 施硅对双季稻不同年份和不同水稻季镉含量的影响显著(P<0.05). 2015~2019年, 与CK处理相比, 硅肥(LX、QW和HSK)处理显著降低早稻分蘖期根和茎叶含量, 降幅分别为28.4% ~50.2%和44.4% ~54.2%, 早稻成熟期根、茎叶和稻米镉含量显著降低, 降幅分别为36.6% ~45.8%、54.2% ~60.6%和55.2% ~61.8%; 硅肥处理下降低了晚稻分蘖期根和茎叶镉含量, 降幅为26.1% ~50.5%和42.7% ~50.0%, 晚稻季成熟根、茎叶和稻米镉含量降幅为24.5% ~35.8%、34.1% ~34.8%和39.3% ~48.6%, 差异均达显著水平.综上表明, 连续施用硅肥能够降低水稻对镉的吸收积累, 然而本试验镉污染条件下[ω(Cd)1.03 mg·kg-1], 施硅量(SiO2计)为180 kg·hm-2, 虽降低了水稻对镉的吸收和积累, 但不能保障稻米质量安全, 仅2017年QW处理稻米ω(镉含量)为0.148 mg·kg-1未超过国家食品限量标准(0.2 mg·kg-1).

图 5 不同处理下水稻根、茎叶和稻米镉含量变化 Fig. 5 Changes in Cd concentrations in roots, shoots and rice under different treatments

2015~2019年水稻不同时期和不同部位硅累积情况如图 6.无论水稻分蘖期还是成熟期, 水稻硅积累部位主要是茎叶, 其次为根部, 茎叶中硅平均含量较根部增加, 增幅为55.5%.与CK处理相比, 施硅肥增加水稻根和茎叶硅含量, 平均增幅分别为21.9%和39.2%, 差异达显著水平.早稻分蘖期水稻根ω(Si)为0.55% ~4.51%, 早稻分蘖期茎叶ω(Si)为1.26% ~8.47%, 早稻成熟期根ω(Si)为1.57% ~5.94%, 平均值为2.79%; 成熟期茎叶ω(Si)为1.79% ~10.72%, 平均值为4.30%.晚稻分蘖期根和茎叶ω(Si)分别为0.66% ~6.14%和1.61% ~6.75%; 晚稻成熟期根和茎叶ω(Si)分别为1.02% ~5.57%和0.97% ~6.73%.

图 6 不同处理水稻根和茎叶硅含量变化 Fig. 6 Changes in Si concentrations in roots and shoots under different treatments

2.4 施硅对双季稻镉迁移转运的影响

连续施用硅肥试验结果表明(表 2), 双季稻施用硅肥对土壤-水稻系统镉迁移转运影响显著. 2015~2019年, 早稻根吸收系数(AF土/根)、根向茎叶迁移系数(T根/茎叶)和茎叶向稻米转运系数(T茎叶/稻米)平均值分别为9.023、0.172和0.209, 晚稻根吸收系数(AF土/根)、根向茎叶迁移系数(T根/茎叶)和茎叶向稻米转运系数(T茎叶/稻米)平均值分别为13.626, 0.260和0.187. 双季稻AF土/根、T根/茎叶和T茎叶/稻米平均值分别为11.324、0.216和0.198 0, AF土/根>T根/茎叶>T茎叶/稻米, 表明土壤-水稻系统水稻对镉的积累取决于根对水稻的吸收, 水稻作为高富集植物, 根对土壤镉吸收是土壤镉含量的11.3倍, 其中21.6%吸收的镉向地上部迁移转运, 积累在水稻茎叶中, 茎叶中19.8%的镉由茎叶向稻米迁移, 最终积累在稻米中.施硅减少了土壤向水稻根系的吸收系数, 但一定程度上增加了T根/茎叶, 成熟期T茎叶/稻米也略微增加, 表明硅主要是减少了水稻根对土壤镉的吸收过程, 从而降低了水稻镉积累, 硅减少水稻根对镉的吸收作用要远远强于硅降低镉在水稻体内由根系向茎叶、茎叶向稻米迁移转运作用, 其主要原因可能是硅肥提高了土壤pH值, 土壤镉活性降低.与CK处理相比, LX、QW和HSK处理显著降低早稻分蘖期AF土/根, 降低幅度分别为24.4%、48.9%和21.7%, 早稻成熟期AF土/根降低幅度分别为34.9%、44.4%和44.3%, 同时降低了水稻T根/茎叶, 分蘖期T根/茎叶降幅分别为52.5%、50.0%和44.6%, 成熟期T根/茎叶降幅分别为34.9%、13.6%和26.0%, 显著降低晚稻分蘖期AF土/根, 降幅分别为26.1%、50.0%和45.5%, 同时显著降低晚稻成熟期AF土/根, 降幅分别为23.2%、20.6%和33.5%. 另外, 分蘖期、成熟期T根/茎叶降幅分别为27.0%%、22.8%、10.4%和19.5%、21.7%、17.4%.除了HSK处理, LX和QW处理降低早稻T茎叶/稻米, 降幅分别为2.1%和17.6%, LX、QW和HSK处理降低了晚稻T茎叶/稻米, 降幅分别为0.4%、8.7%和5.9%.稻米镉富集系数(BAF)变化如图 7.BAF范围在0.126~0.343, 平均值为0.188, 晚稻较早稻稻米镉富集系数显著降低, 降幅为11.9%, 表明早、晚稻品种、气候和稻田微环境等因子影响水稻对镉的吸收富集.施硅早、晚稻稻米镉BAF分别平均降幅为6.0%和8.0%.与CK处理相比, 2015~2019年, LX和QW处理早稻稻米平均BAF降低, 降幅为2.1% ~21.4%, QW处理降低达显著水平; LX、QW和HSK处理晚稻BAF降幅为0.4% ~9.5%, 其中QW处理差异达显著水平.综上表明, 硅肥能够降低早、晚稻米镉富集系数(BAF), 然而不同硅肥差异不同, QW处理显著降低了稻米BAF.

表 2 土壤-水稻系统中镉迁移系数1) Table 2 Cd migration coefficient in soil and rice system

图 7 水稻稻米镉富集系数动态变化 Fig. 7 Dynamic change in Cd in rice bioaccumulation factor

对土壤和植株镉硅因子关联性分析发现(表 3), 土壤有效镉与稻米显著相关, 表明土壤有效镉含量决定了水稻镉吸收及稻米镉累积; 土壤有效硅含量与水稻成熟期根、茎叶硅显著正相关, 表明土壤中镉硅含量是水稻镉硅吸收积累的基础, 而由于早、晚的气候和降雨等差异导致水稻对元素吸收积累差异.分蘖期水稻根镉含量与分蘖期茎叶镉含量, 成熟期根镉含量与成熟期茎叶镉含量、成熟期稻米镉含量呈显著正相关, 表明水稻根吸收镉增加了地上部累积风险, 同时, 加硅增加水稻对硅的吸收积累, 根部吸收的硅对茎叶硅含量的贡献是显著的, 分蘖期茎叶硅与分蘖期茎叶镉显著负相关, 表明水稻茎叶积累镉对茎叶硅的积累具有重要影响, 这可能与土壤镉、硅含量, 生物有效性等因素有关.成熟期根、茎叶镉含量分别与成熟期根、茎叶硅含量呈显著负相关系, 表明硅减少了水稻根、茎叶对镉的积累, 表明硅在茎叶中富集也降低了镉的富集, 可能在调控水稻镉吸收的过程中, 除了土壤钝化, 降低根系吸收外, 还可以通过茎叶的阻隔积累作用, 减少镉在稻米中的积累.

表 3 各变量之间相互关系1) Table 3 Correlation between variables

综上表明, 硅促进水稻吸收积累硅, 同时降低根、茎叶稻米的富集, 水稻根、茎叶镉、硅含量具有较好相关性, 表明水稻对镉硅的积累主要取决于水稻生育前期的吸收及水稻生育后期的积累, 不同生育期水稻对镉硅吸收存在差异, 主要表现为晚稻分蘖期根镉、硅显著正相关, 而成熟期差异不显著, 而水稻分蘖期和成熟期茎叶镉硅含量显著负相关, 硅肥增加了水稻生育前期根部镉的积累, 但水稻体内镉硅相互竞争, 硅也可能影响根部镉向地上部迁移转运.

3 讨论 3.1 镉污染稻田安全利用硅肥施用技术

本试验条件下[ω(总Cd)为1.03 mg·kg-1], 连续施用硅肥能够降低土壤有效态镉含量, 降低水稻对镉的吸收积累, 但稻米镉含量仍超过食品安全国家标准(GB 2762-2017)的标准限值(0.2 mg·kg-1), 该条件下仅仅依靠施用硅肥单项措施可能无法解决稻米镉超标问题, 还需要其他措施(包括低积累品种、淹水灌溉等), 同时在施用硅肥修复稻田镉污染时, 外源镉污染如大气沉降、灌溉水等因子也会对效果造成一定的干扰, 必须在切断污染源的前提下开展稻田重金属镉污染修复治理.连续施用硅肥降低了水稻对镉的吸收, 年际之间存在一定差异, 总体而言, 与CK处理相比, 施用硅肥降低了土壤有效态镉、减少了水稻地上部吸收积累, 但并没有表现出持续降低水稻镉吸收积累的情况, 年际间差异可能受天气、施肥、土壤微环境等多方面因素的影响, 南方雨水充沛, 长期降雨增加水稻田水层深度, 稻田淹水厌氧条件下镉活性降低, 同时长期深淹水环境也不利于水稻生长, 减少了水稻对镉的吸收.试验结果表明, QW处理降镉效果较LX和HSK处理好, 可能由于QW硅肥属于粉末状, 其余硅肥均为颗粒状, 粉末状硅肥比表面积大, 有利于有效硅的释放参与反应、同时增加土壤及溶液中与镉的接触面[16], 增强了其效果.

3.2 硅对土壤镉生物有效性的影响

硅能够降低土壤镉生物有效性, 与已有的研究结果一致[3, 17~20], 施用硅肥仅仅降低了当季水稻收获期土壤镉有效性, 土壤中负电荷增加, 会增强黏土矿物和有机质等对Cd2+的吸附, 同时土壤溶液中阳离子和氢氧根离子的离子积增加, 生成Cd(OH)2沉淀的机会增加, 从而降低了镉生物有效性[21].土壤pH值对土壤镉生物有效性影响程度取决于土壤pH值的高低, 同时也与土壤中有机质含量[22, 23]、盐基饱和度[24, 25]和阳离子交换量[26, 27]等多种因素有关, 本试验施硅量(以SiO2计)为180 kg·hm-2, 虽然对土壤pH值提升具有一定效果, 但土壤镉生物有效性没有持续降低; 可能原因, 土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和其他有机酸等弱酸及其盐类是一个良好的缓冲体系, 对酸碱均具有缓冲作用, 同时土壤胶体吸附各种阳离子, 其中盐基离子和氢离子能对酸碱起缓冲作用[28].土壤中镉的物理化学变化主要有吸附与解吸、沉淀与溶解和配位与螯合等, 土壤镉的变化过程受土壤质地、粒径、pH值、Eh、有机质和其他离子的影响.利用硅肥调控土壤pH值今后将在不同类型、不同污染程度土壤中进一步开展研究.结果表明, 硅降低了土壤可交换态镉含量, 增加了有机结合态、铁锰氧化态和残渣态镉含量, 硅降低了土壤活性态镉含量, 并促进土壤镉向稳定态的转变, 减少了水稻吸收, 这与已有的研究结果一致[20].可能原因是土壤pH提高, 土壤负电荷增加, 发生沉淀、水解等反应吸附的影响增强, 进而生成碳酸盐结合态镉、铁(铝/锰)氧化物结合态镉, 升高土壤pH值有利于生成稳定的有机-重金属络合物及硫化物结合态镉[29], 同时氢氧化镉的比例会增加, 同时, 硅缓解了残渣态镉活化, 间接降低了镉生物有效性[30].目前, 镉在土壤中形态形成定性研究方面取得了一定进展, 但定量化镉沉淀、镉螯合物、镉的硫铁化合物以及不同镉形态转化等机制方面仍需要进一步研究.

3.3 硅对水稻镉吸收转运的影响

一般而言, 根吸收系数与土壤元素含量、有效态和质地等因素有关, 本研究发现, 连续施硅降低了水稻镉吸收系数、根向茎叶的迁移转运系数, 即不仅降低了水稻对土壤镉的吸收, 同时也降低了镉的迁移转运, 硅处理下稻米镉富集系数显著降低, 与已有的研究结果一致[17].根吸收降低主要因为硅提高了土壤pH值, 土壤对阳离子吸收能力增加, 有利于重金属形成碳酸盐[31]和硅酸盐[32]等沉淀物, 从而降低了土壤有效态镉含量, 减少了水稻根对镉的吸收.同时硅使镉沉淀在根部内皮细胞壁, 增加锰膜对镉的积累, 减少了镉向地上部运输[10, 33], 硅没有影响根系分泌物, 但是增强了镉在根中的滞留, 减少其向地上部迁移转运.另外有研究表明外源硅可降低水稻吸收、转运镉的功能基因表达, 提高解毒基因表达, 抑制了镉从水稻根系向籽粒转运[34].硅可降低水稻镉吸收基因OsNramp5 和转运基因OsLCT1的表达, 提高镉解毒基因表达, 通过共沉淀定向调控水稻对镉的吸收转运[35], 因此镉迁移受到影响, 降低了镉在稻米中的富集.镉从土壤颗粒表面向根迁移是其有效性的关键, 这个过程受其形态、价态、土壤酸碱度、氧化还原状态决定[36, 37].有研究发现, 硅降低了根系向茎叶的迁移转运, 可能原因: ①水稻体内硅结合蛋白通过诱导硅在水稻根的内皮层及纤维层细胞附近沉积, 进而阻塞细胞壁孔隙度, 影响镉的质外体运输, 抑制镉向地上部的运输[38]; ②水稻根表铁膜能够降低镉向稻谷中转运[39], 加硅使镉沉淀在根部内皮细胞壁, 增加了锰膜对镉的积累, 减少其向上转运[40]; ③加硅使硅、镉沉积在植物茎秆细胞壁边缘或以植硅体形态存在于茎叶中, 降低镉向上运输[41]; ④硅降低水稻根和茎叶中易迁移的乙醇提取态和去离子水提取态镉, 增加醋酸提取态和盐酸提取态镉的生成从而降低水稻体内镉的迁移性[42].

4 结论

(1) 镉污染稻田连续施用硅肥能够增加土壤有效硅含量, 增幅为108.1% ~275.0%, 同时提高土壤1.15~1.33个pH单位, 施用硅肥早、晚稻土壤DTPA-Cd含量分别降低12.3%和15.9%, 差异达显著水平.

(2) 连续硅肥降低了水稻对镉的积累, 早稻根、茎叶和稻米平均降幅分别为38.4%、49.7%和50.9%; 晚稻根、茎叶和稻米平均降低30.6%、34.4%和39.2%.施硅降低了土壤活性态镉含量, 促进了土壤镉向稳定形态的转化, 减少了水稻吸收, 其中, 土壤可交换态EXC-Cd含量降低幅度在2.6% ~5.1%, QW处理降低达显著水平; 碳酸盐结合态CAR-Cd含量降低, 其降幅为8.6% ~24.9%; 硅显著增加了铁锰氧化态FMO-Cd含量; 硅增加了土壤有机结合态OR-Cd含量, 增加范围在2.3% ~12.8%之间; 残渣态RES-Cd含量增幅范围为2.3% ~6.0%.

(3) 硅处理显著降低了根吸收系数水稻AF土/根, 降幅在25.5% ~49.6%, 同时降低了水稻T根/茎叶, 转运系数分别降低了13.5% ~52.6%, 差异显著, 早、晚稻稻米镉富集系数(BAF)分别平均降低6.0%和8.0%, 其中QW硅肥(粉末状)对降低水稻镉吸收效果最佳.

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