我国水稻产量约占粮食总产量的40%, 且60%以上人口以大米为主食^[1].华南稻区历来是我国最大的稻米主产区之一, 20世纪90年代以来, 随着工业化和城市化的快速发展, 大量重金属等污染物涌入农田环境.由于华南稻区土壤的有机质含量较低, 且土壤酸性, 导致土壤中重金属的生物有效性高, 土壤总Cd含量未超标但糙米存在超标风险的情况屡屡发生.长江三角洲地区土壤和水稻糙米中Cd含量空间分布研究表明, 在ω(Cd)为0.6~1.5 mg ·kg^-1的土壤中, 水稻糙米Cd含量未超过食品安全国家标准, 而在ω(Cd) < 0.2 mg ·kg^-1的土壤中, 糙米ω(Cd)却能达到0.25 mg ·kg^-1[2]; 尽管湖南某水稻种植区土壤ω(Cd) < 0.3 mg ·kg^-1, 但区域内水稻糙米Cd含量超标率可达43.3%^[3]; 基于农产品安全的土壤重金属有效态限值研究表明, 要保证95%水稻品种糙米重金属含量不超标, 其土壤中ω(有效态Cd)应低于0.02 mg ·kg^-1[4].因此, 如何有效降低土壤中重金属的生物有效性, 阻控其从土壤向水稻籽粒的运移, 减少糙米的重金属累积, 是维持稻田正常生产能力、保证粮食安全的重大科学问题.近年来国内学者从农艺调控和土壤改良的角度出发, 构建了一套以土壤钝化和生理阻隔为核心的重金属阻控技术体系, 即“水稻低积累品种(varieties)+全生育期淹水灌溉(irrigation)+外源碱性物料调节酸碱度(pH)+辅助措施(N)”的VIP+N^[5~7].石灰(CaO)作为最典型的碱性土壤调理剂, 通过提高土壤pH, 降低重金属活性, 减少水稻糙米的重金属累积^[8].然而, 长期施用石灰可能加速土壤有机质的分解和养分离子淋失, 并导致土壤复酸化的发生^[9], 而且由于其作用机制单一, 在实际应用中往往难以达到理想的修复效果.利用营养元素复配天然矿物制成的复合型调理剂——富硅调理剂(JD)和钙镁调理剂(YY)不仅能够调节土壤酸性还可为作物提供大量有益元素, 被证实是一种比石灰阻控效果更好的调理剂类型^{[10, 11]}.然而, 两种调理剂在田间不同水分条件下对糙米重金属含量的阻控效应及其调控机制目前仍未十分明确.本文以华南地区土壤重金属总量未超标而糙米超标的典型稻田为研究对象, 以耕层土壤重金属有效态和元素生理阻隔为切入点, 开展早、晚稻田间小区试验, 比较JD、YY和调理剂耦合淹水灌溉组合措施对糙米重金属累积的阻控效果, 通过分析影响水稻糙米中重金属累积的关键因素, 阐明两种调理剂耦合水分管理抑制水稻重金属吸收和转运的相关机制, 以期为华南双季稻区的水稻安全生产提供数据支撑.

基于2019年开展的水稻种植区的土壤和糙米样品调查结果(表 1), 综合考虑糙米超标情况、种植现状和灌溉条件等因素, 选择在广州市郊一常年水稻种植区稻田开展田间小区试验(N23.236 002°, E113.663 671°), 该试验点的土壤和水稻糙米的重金属含量见表 1, 水稻品种为广8优.本试验时间为2020年3~11月, 该稻田土壤质地为黏壤, 属于南亚热带季风气候, 近10年平均年降雨量2 193.8 mm, 年均最高气温26.7℃, 土壤ω(有机质)27.5 g ·kg^-1, 阳离子交换量(CEC)5.9 cmol ·kg^-1, ω(碱解氮)255 mg ·kg^-1, ω(有效磷)37.4 mg ·kg^-1, ω(速效钾)112.5 mg ·kg^-1, 土壤pH值5.4.

表 1 (Table 1)

表 1 田间小区试验土壤和糙米重金属含量情况1)/mg ·kg-1 Table 1 Content of heavy metals in the soil and brown rice in the field experiment/mg ·kg-1 位置/标准 样品 测定指标 ω(Cd) ω(Pb) ω(Cr) ω(Hg) ω(As) 小区试验田 糙米 0.24 0.01 0.01 < 0.003 0.1 土壤 0.15 82.3 41.8 0.16 2.49 国家标准值 糙米 0.2 0.2 1.0 0.02 0.2(无机砷) 土壤 0.3 80 250 0.5 30 1)糙米重金属含量标准依据《食品安全国家标准》(GB 2762-2017), 土壤重金属含量标准依据《农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)

表 1 田间小区试验土壤和糙米重金属含量情况1)/mg ·kg-1 Table 1 Content of heavy metals in the soil and brown rice in the field experiment/mg ·kg-1

供试肥料: 基肥为常规尿素(含N 46%)和硫酸钾(含K₂ O 50%), 追肥为水稻专用复合肥(N ∶P ∶K=16 ∶8 ∶16, 江苏科邦生态肥有限公司).供试土壤调理剂: JD是采用白云石、硅石、石灰石和海泡石等材料经特定工艺煅烧而成的一种粉末状矿物调理剂^[11], YY为自主研发产品, 主要成分为熟石灰、硫酸钾和无水硫酸镁^[12], 两种改良剂的pH值、重金属和成分含量见表 2.两种调理剂的重金属含量均符合《受污染耕地治理与修复导则》(NY/T 3499-2019)中对土壤调理剂等农业投入品中重金属含量的相关规定.供试水稻品种根据当地水稻种植习惯, 早稻为杂交稻(广8优), 晚稻为常规稻(象牙香占).

表 2 (Table 2)

表 2 供试调理剂的pH值、重金属含量及钙、镁和硅的质量分数 Table 2 The pH value, heavy metal concentration, and percentage content of calcium, magnesium, and silicon in the soil amendment 调理剂 pH ω(Pb)/mg·kg-1 ω(Cr)/mg·kg-1 ω(Cd)/mg·kg-1 ω(As)/mg·kg-1 ω(Hg)/mg·kg-1 ω(SiO2)/% ω(CaO)/% ω(MgO)/% JD 11.8 19.2 44.7 0.28 6.59 0.03 9.47 43.94 3.94 YY 12 < 0.1 13.1 0.108 8.7 < 0.003 / 33.7 4.07

表 2 供试调理剂的pH值、重金属含量及钙、镁和硅的质量分数 Table 2 The pH value, heavy metal concentration, and percentage content of calcium, magnesium, and silicon in the soil amendment

试验田包括试验小区、隔离行、排水渠、进水渠和保护行.试验小区采用随机排列, 每个小区间用田埂隔开, 并用黑色地膜进行覆盖, 防止杂草生长和小区间窜水窜肥.小区面积统一为20 m²(长5 m×宽4 m), 设置1个对照处理和4种不同措施处理: 对照(CK)不施加任何土壤调理剂, 水分管理为常规灌溉, 即分蘖末期烤田控制无效分蘖, 此后水稻生育期待田面水自然落干后再进行灌溉, 直至成熟.JD和YY处理是在CK基础上, 分别于早、晚稻插秧前3~5 d, 采用人工撒施土壤调理剂, 施用量均为2 250 kg ·hm^-2, 该用量参考了广东省耕地安全利用土壤调理剂的全年最大用量(粤农农〔2019〕440号).富硅调理剂+淹水灌溉(JD+YS)和钙镁调理剂+淹水灌溉处理(YY+YS)是在撒施调理剂的基础上结合淹水灌溉, 具体是从分蘖末期至成熟期间, 始终保持3~5 cm的田面水层, 维持小区的淹水状态.各处理均设3个重复.除处理不同以外, 水稻生育期按当地种植习惯统一进行施肥、喷药和杀虫等田间管理.

水稻成熟后, 采用人工收割各个小区的稻谷, 现场进行脱粒和称重, 记录各小区的产量.随后从各个小区稻谷中随机抽取1 kg稻谷样品带回实验室, 待风干、脱粒后研磨粉碎, 装入自封袋保存待测.糙米样品用混合酸(10 mL硝酸和1 mL高氯酸)湿法消解, 定容后分别采用石墨炉原子吸收分光光度计(AAnalyst 800, PerkinElmer, Boston, MA, USA)和原子荧光光度计(AFS-8220, JiTian Instruments, Beijing, China)测定糙米中的Cd、Pb、Cr和总As含量.采用国家成分分析标准物质GBW10048(GSB-26)对整个消解和分析测定过程进行质量控制, 标样总Cd、Pb、Cr和As回收率分别为104.2%、96.9%、91.5%和98.4%.

采用五点取样法于水稻成熟期在各小区内采集0~20 cm的耕层土壤, 每个小区的土壤样品混合成一个样品.将土壤样品带回实验室风干后研磨过0.15 mm尼龙筛, 装入自封袋保存待测.土壤理化性质的测定参照土壤检测标准(NY/T 1121-2006), 其中, 土壤pH(2.5 ∶1)用酸度计电位法测定, 土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定, 土壤交换态钙、镁采用乙酸铵浸提法测定, 土壤有效硅采用柠檬酸浸提法测定, 土壤有效态Cd和Pb采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提法测定.土壤Cd和Pb形态分级采用BCR顺序提取法测定^[13].

重金属富集系数用于反映田间条件下土壤中重金属向糙米中转运和累积的综合能力.重金属富集系数=糙米重金属含量/土壤中重金属总量.

采用IBM SPSS 25.0进行单因素方差分析, 最小显著性法(LSD)进行不同处理间样本均值的多重比较, 检验水平0.05; 采用Microsoft Excel 2019对数据进行计算、整理和作图; 采用Canoco for windows 4.5软件进行冗余分析(RDA).

不同处理下早、晚稻的产量结果如表 3所示.对于早稻, 与CK相比, JD、JD+YS和YY+YS处理均表现出增加稻谷产量的趋势, 但未达到显著性水平(P>0.05); 对于晚稻, 除JD处理外, 其余3个处理的稻谷产量均表现出下降的趋势, 尽管仍未达到显著性差异(P>0.05).综合早、晚稻的产量结果, 施加土壤调理剂和淹水灌溉没有明显减少早稻产量, 说明其本身并不会严重抑制水稻的正常生长.尽管已经按当地水稻种植经验做好了农药喷施, 但2020年下半年因病虫源基数、作物布局和气候特点等因素导致的地区性稻飞虱虫害则可能是晚稻产量呈下降趋势的重要原因^[14].因此, 调理剂与淹水灌溉对早、晚稻产量的影响可能还需要进一步的田间试验验证.

表 3 (Table 3)

表 3 不同处理下的水稻产量1) Table 3 Rice yield treated with different treatments 作物 处理 各小区产量/kg·(20 m2)-1 亩产(湿重)/kg·亩-1 增产/% 早稻 CK 19.01±0.1A 633.3±3.33A / JD 19.65±1.15A 655.6±38.5A 3.5 YY 19.00±0.5A 633.3±16.7A 0 JD+YS 19.85±0.75A 661.1±25.5A 4.4 YY+YS 19.35±0.3A 644.4±9.6A 1.8 晚稻 CK 12.40±1a 413.9±33.7a / JD 12.50±2.8a 416.7±92.8a 0.7 YY 11.75±1.55a 391.7±52.0a -5.4 JD+YS 11.60±1.2a 386.1±39.4a -6.7 YY+YS 11.25±0.9a 375.0±30.0a -9.4 1)数值为平均值±标准差(n=3); 相同大写字母表示早稻不同处理间差异不显著(P>0.05), 相同小写字母表示晚稻不同处理间差异不显著(P>0.05); 1 hm2=15亩

表 3 不同处理下的水稻产量1) Table 3 Rice yield treated with different treatments

不同处理下早、晚稻糙米重金属含量结果见图 1(糙米Hg含量因低于检出限未列出).对于早稻, CK处理糙米ω(Cd)为0.193 mg ·kg^-1, JD和YY处理分别降低了7.77%和9.33%, 但未达到显著性水平(P>0.05); 相比之下, 在结合淹水灌溉后, JD+YS和YY+YS均显著降低了糙米Cd含量达65.8%和59.59%[图 1(a), P < 0.05].糙米Pb的含量变化与Cd类似, 单施JD和YY未明显地减少糙米Pb含量(P>0.05), 但JD+YS和YY+YS均显著降低糙米Pb含量达68%和72%[图 1(b), P < 0.05], 表明施用土壤改良剂和淹水灌溉之间存在明显地耦合效应, 两者结合使用可显著促进对早稻糙米Cd和Pb的降低效果.然而, JD+YS和YY+YS处理仍未能影响早稻糙米Cr和As的累积[图 1(c)和1(d), P>0.05].

图 1

Fig. 1

1. CK, 2. JD, 3. YY, 4. JD+YS, 5. YY+YS; 不同大写字母表示早稻不同处理间差异显著(P < 0.05), 不同小写字母表示晚稻不同处理间差异显著(P < 0.05) 图 1 不同处理的早、晚稻糙米重金属含量 Fig. 1 Heavy metal content of brown rice in early and late rice under different treatments

对于晚稻, 4个处理均不同程度地降低了糙米Cd含量(P < 0.05), 按其降幅依次为: JD+YS(71.43%)>YY+YS(53.38%)>YY(51.13%)>JD(48.12%)[图 1(a)]; 除YY处理外, 其余3个处理均不同程度地降低了糙米Pb含量(P < 0.05), YY+YS(52.54%)>JD+YS(49.15%)>JD(40.68%)[图 1(b)].综合早、晚稻的结果可知: ①JD+YS处理对于早、晚稻糙米Cd和Pb的降低效果最为明显, 且对晚稻的降Cd幅度优于早稻, 但对糙米Cr和总As均无明显阻控作用; ②晚稻(常规稻)的糙米Cd和总As含量均明显低于早稻(杂交稻), 而Pb含量则明显高于早稻, 表明杂交稻对土壤中Cd和As的富集能力强于常规稻, 而对Pb的富集能力弱于常规稻.

对稻田实施安全利用措施的前提是不能造成土壤环境的二次污染.土壤调理剂的原材料中含天然矿物成分, 其本身会含有少量重金属元素(表 2).我们对施加了早、晚稻土壤调理剂处理后的土壤重金属含量进行了测定(表 4), 在本田间小区试验的施用量前提下, JD和YY的添加均不会导致土壤重金属总量的增加, 但在更高用量下是否会增加土壤重金属总量还需进一步验证.

表 4 (Table 4)

表 4 不同处理的土壤重金属总量1)/mg ·kg-1 Table 4 Total content of heavy metals in the soil with different treatments/mg ·kg-1 处理 ω(总Cd) ω(总Pb) ω(总Cr) ω(总Hg) ω(总As) CK 0.13±0.03a 81.65±7.43a 40.91±2.04a 0.17±0.04a 2.56±0.23a JD 0.14±0.02a 80.16±13.10a 43.98±4.21a 0.17±0.05a 2.63±0.32a YY 0.12±0.02a 77.87±7.76a 41.65±3.29a 0.16±0.02a 2.33±0.30a JD+YS 0.15±0.04a 85.10±17.88a 44.47±5.87a 0.17±0.02a 2.51±0.35a YY+YS 0.11±0.02a 75.60±12.18a 41.66±4.71a 0.15±0.03a 2.40±0.27a 1)数值为平均值±标准差(n=3); 相同小写字母表示不同处理间差异不显著(P>0.05)

表 4 不同处理的土壤重金属总量1)/mg ·kg-1 Table 4 Total content of heavy metals in the soil with different treatments/mg ·kg-1

无论在哪种处理条件下, 早、晚稻糙米Cd的富集系数均远大于Pb、Cr和总As(表 5), 反映了Cd在土壤-水稻系统中较强的移动和转运能力, 这也是导致Cd能够通过食物链累积威胁人体健康的重要原因.就早稻而言, JD+YS和YY+YS处理显著降低了Cd和Pb的富集系数, 而单独施加JD和YY均未能降低Cd、Pb、Cr和总As的富集系数(P>0.05); 对于晚稻, JD、JD+YS和YY+YS处理显著降低了Cd和Pb的富集系数, 而单独施加YY虽降低了Cd的富集系数, 但未能对Pb的富集系数产生抑制作用(P>0.05).总体上, 调理剂联合水分灌溉可显著地降低早、晚稻糙米Cd和Pb富集系数, 且降幅明显优于单施处理.

表 5 (Table 5)

表 5 不同处理的早、晚稻糙米重金属富集系数1) Table 5 Heavy metal enrichment coefficients of brown rice in early and late rice with different treatments 作物 处理 糙米-土壤 早稻 CK 1.52±0.08A 0.0003±0.0001A 0.003±0.003A 0.074±0.012A JD 1.24±0.11A 0.0002±0.0001A 0.003±0.003A 0.073±0.016A YY 1.54±0.35A 0.0003±0.0001A 0.011±0.015A 0.093±0.008A JD+YS 0.47±0.24B 0.0001±0B 0.001±0.000A 0.086±0.012A YY+YS 0.71±0.13B 0.0001±0B 0.001±0.000A 0.096±0.021A 晚稻 CK 1.06±0.14a 0.0007±0.0002a 0.001±0.000a 0.028±0.001a JD 0.47±0.16bc 0.0004±0.0001b 0.002±0.001a 0.028±0.003a YY 0.57±0.17bc 0.0006±0.0002ab 0.002±0.001a 0.031±0.007a JD+YS 0.26±0.08c 0.000 3±0.000 1b 0.002±0.001a 0.031±0.006a YY+YS 0.55±0.04bc 0.000 4±0.000 1b 0.001±0.000a 0.032±0.003a 1)数值为平均值±标准差(n=3); 不同大写字母表示早稻不同处理间差异显著(P < 0.05), 不同小写字母表示晚稻不同处理间差异显著(P < 0.05)

表 5 不同处理的早、晚稻糙米重金属富集系数1) Table 5 Heavy metal enrichment coefficients of brown rice in early and late rice with different treatments

不同处理下的土壤pH、土壤交换性Ca、Mg和有效Si含量具有显著差异(表 6, P < 0.05).对于土壤pH值, 与CK相比(pH 5.69), 除YY处理以外, 其余3个处理均显著提高了土壤pH值, 按提升幅度依次为: JD+YS(31%)>JD(23.2%)>YY+YS(22.8%); 对于土壤交换性Ca, JD和JD+YS处理较CK分别增加了4.5倍和5倍(P < 0.05), YY和YY+YS处理则与CK无明显差异(P>0.05); 而对于土壤交换性Mg, JD、YY和JD+YS处理与CK相比分别增加了4.3、4.2和4.6倍(P < 0.05);与CK相比, JD和JD+YS处理的土壤有效Si含量分别增加了4.7倍和5.1倍(P < 0.05).以上结果说明, 持续淹水条件下施加土壤调理剂可使土壤交换态Ca、Mg和Si的增加幅度更加明显, 这可能是由于持续淹水条件更有利于土壤调理剂中的矿物组分的充分水解, 向土壤中补充大量有效态Ca、Mg和Si可供水稻吸收和利用.

表 6 (Table 6)

表 6 不同处理下的土壤理化性质1) Table 6 Physiochemical properties of the soil with different treatments 处理 土壤pH ω(有机质)/g·kg-1 交换性钙(以1/2Ca2+计)/cmol·kg-1 交换性镁(以1/2Mg2+计)/cmol·kg-1 ω(有效硅)/mg·kg-1 ω(DTPA-Cd)/mg·kg-1 ω(DTPA-Pb)/mg·kg-1 CK 5.69±0.37c 28.21±1.78a 2.6±0.56b 0.21±0.03b 40.53±3.82c 0.07±0.02a 12.63±1.56a JD 7.01±0.81ab 26.74±2.33a 11.6±8.8a 0.91±0.74a 191.57±157.45ab 0.06±0.01a 9.27±2.86b YY 6.67±0.86abc 26.25±2.64a 6.55±3.41ab 0.88±0.48a 69.63±19.8c 0.06±0.01a 9.97±0.84ab JD+YS 7.45±0.09a 28.52±2.07a 13.01±2.1a 0.96±0.22a 207.10±40.83a 0.04±0.01b 8.38±1.69b YY+YS 6.99±0.19ab 25.92±3.42a 6.12±0.91ab 0.59±0.07ab 65.00±6.36c 0.05±0.01b 10.61±0.92ab 1)数值为平均值±标准差(n=3); 不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05)

表 6 不同处理下的土壤理化性质1) Table 6 Physiochemical properties of the soil with different treatments

由2.2节的结果可知, 调理剂耦合淹水灌溉显著降低了糙米Cd和Pb含量, 而对Cr和As含量没有明显影响, 因此对土壤有效态Cd和Pb进行了DTPA浸提与测定, 结果表明, 单独施用土壤调理剂JD和YY对土壤DTPA-Cd和DTPA-Pb含量均没有显著影响(P>0.05), 但JD+YS和YY+YS处理分别降低了土壤DTPA-Cd含量54.2%和42.8%, JD和JD+YS处理降低了土壤DTPA-Pb含量26.6%和33.6%(P < 0.05), 证实富硅调理剂和淹水灌溉的耦合效应可显著降低Cd和Pb在土壤中的生物有效性.

采用冗余分析(redundancy analysis, RDA)解析了土壤理化性质与早、晚稻糙米Cd、Pb和总As含量的相关关系(图 2).结果显示, RDA分析第一轴和第二轴解释了土壤理化性质水平上早、晚稻糙米重金属含量变异程度的79.4%, 其中第一轴占67.6%, 第二轴占11.8%.红色箭头向量表示土壤理化性质(环境因子), 黑色箭头向量表示糙米重金属含量, 向量间的夹角表示两者的相关关系, 锐角表示正相关, 钝角表示负相关.拟合结果表明, 早、晚稻糙米Cd含量(eCd和lCd)和Pb含量(ePb和lPb)与土壤有效态Cd含量(DTPA-Cd)和土壤有效态Pb(DTPA-Pb)含量呈正相关, 与土壤pH值、土壤有效态Si(ASi)、可交换态Ca(ECa)和可交换态Mg(EMg)含量呈负相关, 而与土壤总Cd、总Pb和总As呈弱相关, 进一步明确土壤中重金属总量并不是影响糙米重金属累积的关键因素, 相比之下, 土壤DTPA-Cd和DTPA-Pb含量的下降, 以及土壤pH值、有效态Si、可交换态Ca和Mg含量的增加均有利于早、晚稻糙米中Cd和Pb含量的下降, 可以推测土壤调理剂和淹水灌溉显著减少早、晚稻糙米Cd和Pb累积的主要原因与其降低土壤Cd和Pb的生物有效性, 以及通过Si、Ca和Mg营养实现生理阻控密切相关.

图 2

Fig. 2

eCd: 早稻糙米Cd含量; lCd: 晚稻糙米Cd含量; ePb: 早稻糙米Pb含量; lPb: 晚稻糙米Pb含量; eAs: 早稻糙米总As含量; lAs: 晚稻糙米总As含量; Soil Cd: 土壤总Cd含量; Soil Pb: 土壤总Pb含量; Soil As: 土壤总As含量; DTPA-Cd: 土壤有效态Cd; DTPA-Pb: 土壤有效态Pb; om: 土壤有机质; ASi: 土壤有效态Si; ECa: 土壤交换态Ca; EMg: 土壤交换态Mg; Soil pH: 土壤pH值; 红色箭头向量表示土壤理化性质(环境因子), 黑色箭头向量表示糙米重金属含量, 向量间的夹角表示两者的相关关系, 锐角表示正相关, 钝角表示负相关 图 2 糙米重金属含量与土壤理化性质的冗余分析 Fig. 2 Redundancy analysis of brown rice Cd concentrations and soil environmental factors

为进一步明确不同处理对土壤Cd和Pb有效态的影响机制, 采用BCR顺序提取法对土壤Cd和Pb赋存形态进行了分析(图 3).对于Cd, 与CK相比, JD+YS、YY+YS和JD处理下的酸可提取态Cd(acid-soluble)占比呈不同程度地下降, 主要转化成可还原态(reducible), 少部分转化为氧化态(oxidizable)和残渣态(residual), 其中以JD+YS的降幅最大, 而单施YY对酸可提取态Cd占比几乎无影响, 这也与DTPA-Cd含量结果相互佐证(表 6).对于土壤Pb, 其酸可提取态占比不足15%, 远小于土壤Cd的酸可提取态占比, 说明土壤Pb的有效性明显低于Cd, 这也是导致水稻糙米对Pb的富集能力远弱于Cd的原因(表 5); 从Pb的形态分布看, 4种处理均不同程度地降低了酸可提取态Pb含量, 将其转化为可还原态和残渣态, 且仍以JD+YS的降幅最为明显.

图 3

Fig. 3

(a)Cd; (b)Pb 图 3 不同处理下土壤中Cd和Pb的BCR形态分级 Fig. 3 BCR distribution of Cd and Pb species in the soil with different treatments

水稻糙米中重金属的累积是土壤-水稻互作的结果, 土壤重金属有效态含量和水稻自身的生理活动共同决定糙米中重金属含量的高低^{[15, 16]}, 本田间小区试验的土壤重金属总量未超标而糙米重金属含量较高的原因应与此有关.一方面, 本田间小区土壤为典型赤红壤, 土壤酸性导致胶体颗粒中的重金属溶出率高, 加上有机质含量和阳离子交换量低, 没有充足的有机质基团或官能团与金属离子形成螯合物和(或)络合物, 导致土壤中重金属多以离子交换态存在, 其移动性强且活性高^[17]; 另一方面, 环境温度引起水稻生理活动的加剧也可能导致糙米重金属累积量的显著增加.根据中国气象局广州年均气温统计数据, 本小区试验点近3年来的年均气温持续升高, 2018年均气温26.5℃, 2019年26.58℃, 2020年26.67℃.环境温度升高不仅能够促进水稻侧生根生长, 提高根系表面积、体积以及根尖数, 增强根系对Cd的吸收, 而且还能加快叶片的蒸腾速率, 通过提升蒸腾拉力促进Cd从根系经维管束向茎叶以及糙米的转运^{[18, 19]}.此外, 不同水稻品种由于其生理特性差异也可显著影响对重金属的吸收和累积.本研究结果表明, 早稻(杂交稻)品种在糙米Cd和总As的富集能力上明显强于晚稻(常规稻)品种, 而在Pb的富集能力上弱于常规稻品种.杂交水稻品种根系较常规稻种更为发达, 具有更大的根冠比和根系吸水量, 因而对矿质元素离子的吸收能力更强, 但同时也可造成吸收的重金属离子浓度的增加, 而且杂交水稻比常规水稻对Cd具有更强的吸收和向地上部转运的能力^[20~22].由此可见, 土壤中Cd的生物有效性高和水稻对Cd的吸收转运能力强应是导致土壤Cd总量未超标的情况下糙米Cd含量较高的重要原因.本研究以重金属有效态和元素生理阻控为切入点, 研究了JD、YY和调理剂耦合淹水灌溉对早、晚稻糙米重金属含量的降低效果以及糙米重金属累积的差异, 明确了两种调理剂与淹水灌溉之间均存在显著的耦合效应, 且以JD+YS的效果更为明显, 可最大程度地减少糙米Cd和Pb累积, 其作用机制主要体现在两个方面, 一是通过降低土壤Cd和Pb的有效性抑制其在土壤-水稻系统中的运移; 二是通过Si、Ca和Mg养分供应以形成生理阻隔和离子竞争进一步抑制水稻对Cd和Pb的吸收及向糙米的转运.

土壤pH和氧化还原电位(Eh)是调节土壤固液平衡和元素形态分布进而影响重金属有效性的两个关键因素.JD+YS处理显著地提高了土壤pH值, 其原因在于JD调理剂含有的钙、镁氧化物在淹水环境下更有利于其充分水解, 促进去质子化反应(deprotonation reaction)进而提高土壤pH值^[23].土壤pH值的提高会导致土壤颗粒表面负电荷吸附位点的增加, 将进一步促进土壤颗粒对金属阳离子的吸附和共沉淀物的形成^[24], 有效抑制土壤Cd和Pb的移动能力, 降低其有效态含量, 这与DTPA-Cd和DTPA-Pb含量结果相互佐证(表 6).造成土壤有效态Cd和Pb含量下降的另一个关键原因是持续淹水导致的土壤Eh下降, Xiao等^[25]的研究报道在维持田面水3 cm的持续淹水条件下, 土壤Eh呈持续下降态势, 持续淹水期间土壤Eh稳定在-200~-370 mV之间.在这种强的还原条件下土壤铁/锰氧化物得以还原、溶解并恢复其胶体活性, 促进羟基化和高活性官能团的形成并增加胶体颗粒的比表面积和可变电荷, 导致土壤中游离的Cd和Pb离子被更强地固持于胶体颗粒表面^[26], 从而促进土壤中Cd和Pb赋存形态从移动能力较强的酸可提取态向移动能力较弱的还原态转化, 其运移能力被有效抑制.而在淹水条件下氧化结合态Cd含量的增加可能与强还原条件下产生的S^2-和Cd²⁺生成CdS沉淀有关^[27~29].残渣结合态被认为是金属离子移动能力最弱的形态, 研究发现富Si改良剂可促进土壤重金属由可交换态向残渣态的转化, 其机制与含Si矿物的丰富官能团和土壤中游离的Cd和Pb离子发生表面络合和共沉淀反应, 将可溶态Cd²⁺和Pb²⁺转化为金属硅酸盐和氢氧化物结合态, 从而减少土壤Cd从固相到液相的通量有关^{[30, 31]}.综上所述, 富Si调理剂耦合淹水灌溉的组合措施, 通过提高土壤pH值和维持较低的氧化还原电位来促进土壤中Cd和Pb从酸可提取态向还原态和残渣态转化, 明显降低土壤Cd和Pb的有效态含量, 从而达到抑制Cd和Pb从土壤向水稻根系运移的目的.

重金属离子不是水稻生长发育的必需元素, 没有特定的转运蛋白负责它们的运输, 因此Cd和Pb离子需通过其它必需元素的离子转运通道才能进入水稻体内^[32].研究发现Cd²⁺和Ca²⁺具有相似的离子半径和化学性质, 通过添加适量Ca离子通道抑制剂可以明显缓解Cd胁迫对水稻幼苗生长的抑制作用, 表明Cd²⁺可能通过Ca²⁺的离子转运通道进入水稻体内.Cd胁迫条件下补充适量Ca²⁺和Mg²⁺可以明显增加水稻发芽率、发芽指数和活力指数, 减少根芽中的Cd含量, 降低Cd从水稻根向芽中的转移, 其原因可能与Ca²⁺、Mg²⁺和Cd²⁺竞争离子通道或膜表面离子配位体, 降低水稻根系对Cd²⁺的吸收有关^{[33, 34]}.本研究中, 两种调理剂耦合淹水灌溉均显著提高了土壤中有效态Ca和Mg含量, 可有效促进水稻根系对相应元素离子的吸收, 而充足的Ca²⁺和Mg²⁺离子供应则能通过离子竞争有效抑制水稻对Cd²⁺的吸收和转运.与钙镁调理剂不同, 富Si调理剂还可为水稻根系提供大量的有效态Si供其吸收利用.有研究表明^{[35, 36]}, 施加外源Si能够显著地缓解水稻受到的Cd、As和Pb等重金属胁迫, 并减少糙米中的重金属累积, 其中Si促进水稻根系质外体屏障发育、增强Cd的细胞壁固定和区隔化、以及调控OsLCD、OsNramp 5和OsHMA3等Cd转运关键基因的表达是其抑制水稻对Cd吸收和转运的主要机制.不仅如此, Si还能通过促进水稻根系抗氧化酶活性增强对活性氧自由基的清除能力, 将其代谢成水和分子氧(O₂), 并且通过诱导根系通气组织的形成和发育^[37], 增加根系径向泌氧(ROL), 促进水稻根表铁/锰膜的形成进而增强铁/锰膜对土壤中Cd和Pb的固定, 有效阻断水稻对Cd和Pb的吸收和转运^[38].综上所述, 富Si调理剂耦合淹水灌溉的组合措施一方面通过改变土壤中Cd和Pb的形态分布, 降低DTPA-Cd和DTPA-Pb的含量, 从而抑制土壤中Cd和Pb向水稻根系的运移; 另一方面则通过充足的有效态Si、Ca和Mg离子供应以形成生理阻控和离子竞争, 进一步抑制水稻对Cd和Pb的吸收及向糙米中的转运.

尽管本研究明确了两种调理剂与淹水灌溉之间存在明显的耦合效应, 但两个措施对降低水稻糙米Cd和Pb含量的相对贡献率还有待进一步研究.此外, 由于BCR顺序提取法是根据不同浸提剂的提取能力, 从“操作”层面来分析土壤中重金属的赋存形态, 因此调理剂和淹水灌溉措施对土壤Cd和Pb的钝化机制还需要采用更直接的微界面表征技术(如同步辐射等)来进一步明确.

(1) 土壤Cd的生物有效性高和水稻对Cd的吸收能力强是导致土壤Cd总量未超标的情况下糙米Cd含量较高的重要原因.杂交稻品种对Cd和总As的富集能力强于常规稻品种, 而对Pb的富集能力弱于常规稻品种.

(2) 两种调理剂和淹水灌溉之间均存在明显的耦合效应, 可显著提高对糙米Cd和Pb的降低效率, 且以富硅调理剂结合淹水灌溉效果更加明显.

(3) 富硅调理剂耦合淹水灌溉通过提高土壤pH值和维持较低的氧化还原电位, 促进土壤Cd和Pb由酸可提取态向还原态和残渣态的转化, 明显降低土壤Cd和Pb的有效态含量, 而且, 其提供的Si、Ca和Mg养分供应通过生理阻隔以及竞争离子通道, 进一步抑制早、晚稻对土壤中Cd和Pb的吸收及向糙米中的转运.