水稻(Oryza sativa L.)是我国最主要的粮食作物, 它对土壤中的镉(Cd)有较强的富集能力, 导致稻米容易发生Cd污染.由于南方地区稻田土壤普遍酸化加剧了稻米Cd污染, 导致“镉米”问题频发^[1].如何治理Cd污染农田, 保障稻米食品安全是我国农产品安全的重要内容.目前, Cd污染稻田水稻安全生产的主要措施是采用低Cd积累水稻品种、原位钝化、水分管理和优化施肥等技术^[2].其中低Cd积累水稻品种和原位钝化技术结合是目前广泛推荐的技术, 石灰等无机钝化剂以成本低、效果好和二次污染少的优势在污染土壤修复实践中得到广泛应用.

有田间和盆栽试验研究证明^{[3, 4]}, 石灰等无机钝化剂可以显著提高土壤pH, 并降低土壤有效态Cd含量和作物各部位Cd含量, 一定程度上增加作物产量; 硅钙镁钾肥作为近年来新兴的一种富含Si、Ca、Mg和K的碱性矿质肥料, 其施用可以显著增加土壤pH和交换性阳离子, 并将镉转变为更稳定的形态, 减少镉的生物富集系数, 并满足作物对钙、镁、硅元素的吸收利用^{[5, 6]}; 钙镁磷肥由于强碱性和富含Ca和Mg等元素广泛应用于重金属污染土壤修复^{[7, 8]}, 它们是浙江南部受污染耕地安全利用中的主要推荐产品.由于土壤酸化往往提高土壤中镉的生物有效性, 促进水稻对Cd的吸收^[9].有研究表明^{[9, 10]}, pH越低土壤中重金属越活跃, 农作物Cd越易超标.因此, 酸化土壤中Cd污染修复必须考虑治理酸化, 从根本上控制土壤中Cd的生物有效性.

根据文献[11], 我国已经全面开展了受污染耕地安全利用工作, 农业部门也针对污染稻田安全利用推荐了数种钝化剂, 但存在钝化机制不明确且缺乏合理的钝化剂施用量等问题.本研究以浙江地区广泛应用的3种无机钝化剂为材料, 通过大田试验探讨了不同钝化剂用量对Cd污染酸化稻田的修复效果, 分析钝化剂对水稻产量、土壤酸度、交换性阳离子、土壤镉有效性与形态和稻米镉含量的影响, 通过相关分析和偏最小二乘路径模型(PLS-PM)明确影响Cd生物有效性及其在水稻中积累的土壤性质, 通过探明无机钝化剂改良土壤酸化和治理重金属污染的机制, 以期为稻田Cd污染耕地安全利用与酸化治理提供科学依据.

田间试验在浙江省南部某污染酸性水稻田, 试验田表层土壤(0~20 cm)pH为5.19, ω(全氮)为2.1 g·kg^-1, ω(速效磷)为10.51 mg·kg^-1, ω(黏粒)为234.3 g·kg^-1, ω(有机碳)为19.33 g·kg^-1, ω(土壤总Cd)为0.61 mg·kg^-1.试验土壤总Cd含量高于生态环境部规定的风险筛选值^[12], 农产品监测表明稻米Cd超标, 存在农产品污染风险.根据国家土壤环境质量类别划分, 该田块为安全利用类耕地.本试验所用3种钝化剂为当地农业部门受污染耕地安全利用主推的土壤调理剂, 分别是硅钙镁钾肥, 钙镁磷肥和石灰.本试验用材料均为市场成品, 其中硅钙镁钾肥主要成分为CaSiO₃、Ca₃(PO₄)₂和MgSiO₃.

本文采用田间小区试验, 共设30个小区, 每个小区面积为30 m², 小区之间用田埂分隔, 田埂用两层黑色塑料薄膜扎住, 防止小区之间水分和肥料交换.每种钝化剂采用3个施用量(750、1 500和2 250 kg·hm^-2), 分别用Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示, 每个处理设3个重复, 随机区组设计.钝化剂在水稻播种前15 d施入耕层翻耕后充分混匀, 按照常规水稻种植季节播种、插秧、施肥和收割.水稻灌浆-蜡熟期保持田面水位3~5 cm, 蜡熟期后排干水分.其他田间管理和防病虫害措施相同.试验水稻品种为前期筛选出的低积累水稻品种——甬优15.水稻成熟后每个小区单独测产, 测定每个小区的实际产量, 并同步采集土壤和水稻样品.土壤样品按小区内多点随机取样法采集, 经自然风干磨细过筛备用.水稻样品用超纯水清洗后, 在烘箱于105℃下杀青30 min, 籽粒部分在70℃烘干, 脱粒去壳后制得糙米样品, 研磨粉碎过100目筛保存备用.

土壤基本理化性质采用常规分析方法^[13].土壤pH(土水比为1∶2.5)采用pH计(PB-21, Sartorius)测定, 交换性酸采用氯化钾交换-中和滴定法, 有机质的测定采用重铬酸钾外加热法, 全氮采用半微量开氏法, 速效磷为碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法(Olsen法), 土壤颗粒分析采用吸管法.土壤交换性阳离子采用乙酸铵(pH 7.0)浸提-等离子体原子发射光谱测定(ICP-AES).

土壤总Cd采用HNO₃-HF-H₂O₂ (6∶2∶2, 体积比)-微波消解法(MASTER40 SINEO, 中国), 土壤有效态Cd采用二乙烯三胺五乙酸-氯化钙-三乙醇胺(DTPA-CaCl₂-TEA)缓冲溶提取.糙米采用HNO₃-H₂O₂微波消解法.土壤中重金属形态分析参照欧盟标准物质局BCR连续提取法^[14], 具体为：弱酸提取态或可交换态及碳酸盐结合态(F1)采用0.11 mol·L^-1 CH₃COOH提取, 可还原态或铁锰氧化物结合态(F2)为0.5 mol·L^-1 NH₂OH·HCl提取, 可氧化态或有机物及硫化物结合态(F3)为0.02 mol·L^-1HNO₃ (30% H₂O₂)+3.2 mol·L^-1NH₄OAc (20% HNO₃)(pH 2.0)提取, 残渣态(F4)为HNO₃-HF-HCl溶解.提取液中Cd浓度采用石墨炉原子吸收光谱仪(PerkinElmer AAnalyst 800)测定.土壤和糙米分析过程采用标准物质GBW07405 (GSS-5)和GBW10044 (GSB-22)作质量控制.

数据整理和统计分析分别采用Excel 2020和SPSS 26.0, 采用单因素方差分析(ANOVA), 处理间的差异用Duncan法作显著性检验(P < 0.05和P < 0.01).可视化分析作图采用origin 2022和R(4.1.2), 其中偏最小二乘路径模型分析用“plspm”包分析, 相关性分析用“corrplot”包分析, 方法采用皮尔逊相关性分析.

无机钝化剂对水稻产量的影响见图 1.结果表明施用钝化剂对水稻产量具有一定的增产效应, 水稻产量随着钝化剂用量增加而增加, 但与对照比较, 钝化剂硅钙镁钾肥和石灰对水稻产量的影响未达显著水平, 钙镁磷肥Ⅱ和Ⅲ处理组水稻产量较对照组分别提高4.5%和6.3%, 钙镁磷肥用量达1 500 kg·hm^-2以上时, 水稻产量显著增加.

图 1

Fig. 1

不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05); Ⅰ表示施用量为750 kg·hm-2, Ⅱ表示施用量为1 500 kg·hm-2, Ⅲ表示施用量为2 250 kg·hm-2; 虚线为空白组产量的平均值 图 1 无机钝化剂对水稻产量的影响 Fig. 1 Effect of inorganic passivators on rice yield

不同钝化剂对水稻糙米镉含量影响见图 2.对照处理的糙米ω(Cd)为0.44 mg·kg^-1, 超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中对糙米中Cd污染物的限量标准(0.2 mg·kg^-1), 稻米Cd严重超标.施用钝化剂后稻米Cd含量显著降低, 钝化剂用量达2 250 kg·hm^-2时, 糙米Cd含量降至0.2 mg·kg^-1以下, 符合国家食品安全标准.与对照比较, 钝化剂用量为2 250 kg·hm^-2时, 3种钝化剂降低糙米镉含量68%~70%.本试验的3种钝化剂降低糙米Cd的效果以石灰较好, 硅钙镁钾肥次之.田间小区试验表明, 研究区轻度Cd污染酸性水稻田要实现水稻安全生产的钝化剂用量需在2 250 kg·hm^-2以上.

图 2

Fig. 2

不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05); 虚线为《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中对糙米中Cd污染物的限量标准(0.2 mg·kg-1) 图 2 无机钝化剂对糙米中Cd含量的影响 Fig. 2 Effect of inorganic passivators on the content of Cd in brown rice

不同钝化剂处理对土壤pH值和交换性酸的影响见图 3.结果表明, 3种无机钝化剂施用明显提高土壤pH, 但750 kg·hm^-2施用量的钙镁磷肥和硅钙镁钾肥对提高土壤pH的效果未达显著差异.与对照比较, 2 250 kg·hm^-2硅钙镁钾肥、钙镁磷肥和石灰分别提高土壤pH值0.62、0.65和0.86个单位.石灰提高土壤pH值的效果优于钙镁磷肥和硅钙镁钾肥[图 3(a)].不同钝化剂处理对土壤交换性酸和交换性铝离子的影响表明[图 3(b)], 钝化剂显著地降低土壤的交换性酸(EA)和交换性铝离子(EAl)含量.与对照比较, 钝化剂用量为2 250 kg·hm^-2时, 硅钙镁钾肥、钙镁磷肥和石灰分别降低交换性酸67%、69%和78%, 交换性铝含量94%、81%和88%.然而, 钝化剂增加土壤交换性氢离子(EH)含量.

图 3

Fig. 3

不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05);红色虚线表示空白组中pH的均值 图 3 不同无机钝化剂对土壤酸度的影响 Fig. 3 Effect of inorganic passivators on soil acidity

不同无机钝化剂处理对土壤交换性盐基离子的影响见图 4, 与对照比较, 3种钝化剂施用都不同程度地增加了各盐基离子含量, 且随着钝化剂用量的增加, 交换性盐基离子含量增多. 3种钝化剂用量为750 kg·hm^-2时, 土壤中交换性钾含量没有显著增加, 当用量为1 500 kg·hm^-2和2 250 kg·hm^-2时, 钙镁磷肥和硅钙镁钾肥处理显著增加交换性钾含量, 而石灰只在2 250 kg·hm^-2时显著增加; 当钝化剂用量达2 250 kg·hm^-2时, 3种钝化剂均显著增加交换性钠、交换性钙和镁离子含量, 750 kg·hm^-2和1 500 kg·hm^-2硅钙镁钾肥处理未能显著增加土壤交换性镁离子.不同无机钝化剂对土壤pH、交换性酸和交换性阳离子影响的F检验表明(表 1), 钝化剂对pH、交换性酸总量(EA)、EAl、交换性K、Na和Ca有极显著影响.

图 4

Fig. 4

柱中竖线表示标准差; 不同小写字母表示处理间交换性盐基离子的显著差异(P < 0.05); 虚线表示空白组土壤交换性盐基离子的平均值 图 4 不同无机钝化剂对土壤交换性盐基离子的影响 Fig. 4 Effect of inorganic passivators on exchangeable base in soils

表 1 (Table 1)

表 1 不同无机钝化剂对土壤pH、交换性酸和交换性阳离子影响的F检验1) Table 1 The F-test on the effects of inorganic passivators on soil pH, exchangeable acid, and exchangeable cations in soils 项目 pH EH EAl EA K Na Ca Mg Total 硅钙镁钾肥 6** 3.8* 47.9** 23.5** 16** 14.4** 16.5** 2.8 130.9 钙镁磷肥 6.1** 3.8* 32.6** 15.5** 19.1** 11** 9.1** 145.2** 242.6 石灰 10.4** 1.1 44.7** 26** 12.1** 11.4** 13.7** 164** 283.4 1) F值是显著性差异的水平, 值越大, 处理的效果越显著; *表示P < 0.05; **表示P < 0.01, 下同

表 1 不同无机钝化剂对土壤pH、交换性酸和交换性阳离子影响的F检验1) Table 1 The F-test on the effects of inorganic passivators on soil pH, exchangeable acid, and exchangeable cations in soils

图 5是不同无机钝化剂处理对土壤DTPA提取态镉含量的影响, 与CK比较, 无机钝化剂的施用显著降低土壤中有效态镉含量, 并且随着钝化剂施用量增加, 土壤中DTPA提取的有效态镉含量显著减少.当钝化剂用量达2 250 kg·hm^-2时, 硅钙镁钾肥、钙镁磷肥和石灰处理分别降低DTPA-Cd含量28%、28%和31%.

图 5

Fig. 5

不同字母表示处理间的差异显著(P < 0.05) 图 5 不同无机钝化剂处理对DTPA-Cd含量的影响 Fig. 5 Effect of inorganic passivators on the content of DTPA-extractable Cd in soils

不同钝化剂处理对土壤重金属Cd形态的影响见图 6.结果表明, 钝化剂显著降低了土壤中弱酸提取态(F1)和可还原态(F2)Cd含量, 显著增加了土壤中残渣态(F4)Cd含量, 表明3种钝化剂明显改变了土壤中Cd的化学形态, 将易溶性的F1和F2形态Cd转变为难溶性的F4形态.例如, 施用石灰降低F1含量20.8%~34.6%, 降低F2含量16.5%~20.7%, 增加F4含量12.4%~14.2%.结果表明(表 2), 无机钝化剂可以显著改变土壤中不同化学形态镉的分布, 降低可交换态镉含量, 形成更稳定的残渣态.

图 6

Fig. 6

图 6 不同无机钝化剂对土壤中Cd化学形态的影响 Fig. 6 Effect of inorganic passivators on chemical forms of Cd in soils

表 2 (Table 2)

表 2 不同无机改良剂对根际土壤镉形态和稻谷镉含量F检验的统计量 Table 2 The F-test on the effects of inorganic modifiers on cadmium forms in rhizosphere soil and cadmium content in rice 项目 DTPA-Cd Grain-Cd F1 F2 F3 F4 Total 硅钙镁钾肥 201.528** 148.971** 20.281** 9.714** 20.434** 7.412** 408.34 钙镁磷肥 205** 139.249** 21.277** 5.293** 6.483** 8.213** 385.515 石灰 233.75** 165.608** 34.193** 23.583** 3.175* 54.743** 515.052

表 2 不同无机改良剂对根际土壤镉形态和稻谷镉含量F检验的统计量 Table 2 The F-test on the effects of inorganic modifiers on cadmium forms in rhizosphere soil and cadmium content in rice

水稻糙米Cd含量与土壤中Cd有效态、化学形态和土壤性质的相关性分析见图 7(a).糙米Cd含量(Grain-Cd)与DTPA-Cd、F1-Cd和F2-Cd呈显著正相关, 而DTPA-Cd与F1-Cd、F2-Cd呈显著正相关, 与F3-Cd、F4-Cd、交换性K、Na、Ca和Mg呈显著负相关.土壤pH与Grain-Cd、DTPA-Cd、F1-Cd和F2-Cd呈显著负相关, 与F4-Cd、交换性K、Na、Ca和Mg呈显著正相关.土壤交换性铝离子(EAl)与pH、F4-Cd、土壤交换性K、Na和Ca呈显著负相关, 与Grain-Cd、DTPA-Cd、F1-Cd、F2-Cd呈显著正相关.F1-Cd和F2-Cd与F4-Cd、交换性K、Na和Mg呈显著负相关.相关性分析表明, 土壤DTPA-Cd与土壤pH呈显著负相关(r=-0.72^**), 与糙米Cd含量呈显著正相关(r=0.96^**), 表明稻米镉含量受土壤中镉的形态及土壤pH的强烈影响.在此基础上, 选出与糙米Cd含量和水稻产量相关性高的指标, 通过偏最小二乘路径模型分析各项指标之间的逻辑关系, 结果见图 7(b).该模型拟合优度(GoF)为0.634, 其中潜变量交换性阳离子(EC)用交换性氢离子(EH)、交换性铝(EAl)、交换性K、Na、Ca和Mg这6项可测量变量来表征; 潜变量生物有效镉(Bio-Cd)用F1-Cd、F2-Cd和DTPA-Cd这3项可测量变量表征.土壤pH对Bio-Cd的路径系数为-0.767, 达到显著水平.EC对水稻产量、糙米Cd和Bio-Cd的路径系数分别为0.873、-0.566和-0.866, 达到显著水平.潜变量Bio-Cd对糙米Cd的路径系数为0.392, 达到显著水平.土壤pH对糙米Cd和水稻产量的路径系数分别为-0.045和0.069, 未达到显著水平, pH对糙米Cd的影响主要是通过影响Bio-Cd而间接影响糙米Cd.而EC对产量和糙米Cd的间接效应系数分别为-0.414, Bio-Cd对糙米Cd的间接效应系数为0.034, 可见交换性阳离子和生物有效镉对水稻产量和镉含量的影响既有直接影响也有间接影响, 且直接影响更明显.

图 7

Fig. 7

(b)中虚线表示路径未达到显著水平, 蓝色线表示路径系数为正, 红色表示路径系数为负, 线条粗细表示路径系数大小; 可测量变量框外数值表示该观察变量对潜变量的贡献权重; *表示P < 0.05; **表示P < 0.01, ***表示P < 0.001 图 7 各项环境因子关联分析 Fig. 7 Correlation analysis of various environmental factors

田间试验结果表明, 硅钙镁钾肥、钙镁磷肥和石灰这3种无机钝化剂具有修复水稻土酸化和Cd污染的联合修复效应, 且钝化剂的修复效果随着钝化剂用量的增加而增强.当3种钝化剂的施用量达2 250 kg·hm^-2时, 可使中轻度Cd污染酸性稻田生产的糙米安全达标, 其中石灰在减少土壤镉移动性, 降低糙米镉含量上效果较好; 钙镁磷肥在施用量超过1 500 kg·hm^-2时, 水稻产量较其它处理组有显著增加. 3种钝化剂显著地提高土壤pH可能是由于试验材料本身pH值很高, 且含有Ca²⁺和Mg²⁺等盐基离子, 能与土壤胶体中H⁺和Al³⁺离子发生交换反应^{[5, 7]}, 从而提高土壤pH.施用钝化剂能显著减少土壤中交换性酸总量, 但从土壤交换性H⁺和Al³⁺的变化看, 钝化剂显著降低交换性Al³⁺含量, 而增加交换性H⁺含量, 这可能与土壤酸化过程中交换性H⁺与Al³⁺离子的消长关系有关, 强酸性土壤中的酸度主要由交换性Al³⁺贡献, 钝化剂中盐基离子替换Al³⁺后, Al³⁺的水解产生H⁺, 可能影响土壤中的交换性H⁺含量.钝化剂降低土壤中有效Cd和糙米中镉含量的化学机制可能是：钝化剂增加了土壤pH值和交换性盐基离子含量, 增强了镉的沉淀或吸附, 降低了镉的移动性, 进而降低了水稻对镉的吸收积累量.夏文建等^[15]的研究表明CEC和pH对土壤重金属有效态的影响起到了关键的调控作用.土壤中发生的溶解反应、沉淀反应、吸附解析等动态过程, 它们的反应平衡很大程度上受pH值变化的影响^[16], pH升高可以增加铁锰氧化物等变价胶体的负电荷, 增强土壤胶体对Cd²⁺的吸附能力^[17].理论模型表明, 控制镉迁移率最可能的沉淀物就是形成Cd(OH)₂, 土壤pH值升高可导致土壤OH^-的溶出, 进而和镉形成氢氧化物沉淀, 降低土壤Cd的有效性^[18].而毒性浸出程序(TCLP)结果证明：在pH < 7时, 随着pH升高, 土壤浸出液中可检测到的镉含量减少^[19].

本试验的钝化剂中较高的钙含量也可能是影响水稻吸收累积Cd的重要因素.含钙钝化材料中Ca²⁺和Cd²⁺具有相似的化学性质, 钝化剂中所含的盐基离子(Ca²⁺和Mg²⁺)能与水稻根表面的镉离子竞争吸收, 从而抑制水稻对镉的吸收^{[7, 8, 20]}.水培试验监测了在一定的镉胁迫下不同钙浓度溶液中水稻的生长, 结果表明钙的应用除了竞争吸附位点, 降低水稻对镉的吸收积累, 还可以间接保护细胞壁和质膜^[21].钝化剂中钾元素的存在可以提高作物的抗逆性, 有效降低水稻各营养器官重金属的积累^{[22, 23]}.元素镉对水稻是非必需元素, 但Cd很容易被吸收到水稻各部位^[24], 碱性肥料的施用可以有效缓解水稻镉的积累^[25~28].

石灰类钝化剂材料自身水解产生OH^-和CO₃^2-, 在土壤亲和力强的吸附点位上与Cd²⁺形成氢氧化物沉淀、碳酸盐沉淀、金属-碳酸盐共沉淀物或金属氧化物等溶解度较低的化合物, 从而降低Cd活性^[29].关于石灰修复土壤Cd污染的化学机制已有系统研究^[30], 主要原因是石灰可以有效增加土壤pH值和交换性钙离子量, 减少稻米对重金属的吸收, 并增加重金属的稳定性等机制.硅钙镁钾肥是富含Si、Ca、Mg和K的一种碱性肥料, 合理施用可以显著增加土壤pH值和交换性盐基离子^{[5, 6, 31]}.硅钙镁钾肥降低糙米Cd含量的机制除了提高土壤pH值, 也与多种元素共同作用降低Cd生物有效性有关.据报道, 硅可与重金属形成复合物沉淀, 抑制重金属在作物体内转运^[32].有研究表明, 硅钙镁钾肥可以有效改善土壤酸度, 增加土壤的阳离子交换能力^[33].因此, 施用硅钙镁钾肥可能通过提升土壤pH值降低土壤Cd活性, 硅钙等元素抑制水稻植株Cd吸收和积累量, 最终降低糙米Cd含量.钙镁磷肥主要是富含Ca、Mg和P的一种碱性肥料^[34], 其施用对作物重金属吸收和积累的影响与硅钙镁钾肥类似.此外, 钙镁磷肥中P元素的溶出进一步促进作物的生长^{[35, 36]}, 这与本研究的结果一致.

偏最小二乘路径模型分析表明[图 7(b)], 钝化剂施用后改变土壤pH值而直接影响Cd的生物有效性, 通过降低Cd的生物有效性间接影响糙米中Cd的含量.同样, 土壤交换性酸和阳离子组成也直接影响Cd的生物有效性, 进一步影响水稻中Cd的积累.土壤pH对水稻Cd积累的影响机制已有许多证明^{[37, 38]}, 本研究进一步证明了土壤交换性阳离子在控制水稻Cd积累的重要性, 为土壤钝化剂筛选提供了科学依据.

(1) 无机钝化剂硅钙镁钾肥、钙镁磷肥和石灰显著提高土壤pH, 降低土壤交换性酸总量和交换性铝离子含量, 增加土壤交换性盐基离子含量, 有效地阻控土壤酸化.

(2) 无机钝化剂显著降低土壤有效态Cd浓度, 降低水稻对土壤中Cd的吸收和积累, 降低水稻可食部分的Cd风险.对于Cd轻度污染酸性水稻土, 钝化剂施用量达2 250 kg·hm^-2可使糙米ω(Cd)低于0.2 mg·kg^-1, 达到国家食品安全标准, 实现污染耕地水稻安全生产.无机钝化剂能有效促进土壤中Cd由弱酸态和可还原态向残渣态转化, 降低Cd的生物有效性.钝化剂中含有的Si、Ca²⁺和Mg²⁺等盐基离子可与土壤中Cd²⁺发生竞争和拮抗作用, 从而抑制水稻对Cd的吸收.

(3) PLS-PM分析表明, EC和pH对土壤中生物有效镉有显著的直接影响, 它们通过影响Cd的生物有效性进而影响水稻Cd的积累.而土壤交换性阳离子也对水稻产量和水稻Cd的积累产生显著的直接影响, 表明土壤交换性阳离子在污染土壤水稻安全生产中起到重要作用. 3种钝化剂具有土壤酸化与重金属污染联合修复作用, 研究结果阐明了钝化剂调控土壤中Cd生物有效性的化学机制, 为污染耕地水稻安全生产和酸化土壤改良提供科学依据.