矿物调理剂对稻田土壤镉形态和水稻镉吸收的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

李超, 艾绍英, 唐明灯, 李林峰, 王艳红, 李义纯. 矿物调理剂对稻田土壤镉形态和水稻镉吸收的影响[J]. 中国农业科学, 2018, 51(11): 2143-2154 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.11.012
LI Chao, AI ShaoYing, TANG MingDeng, LI LinFeng, WANG YanHong, LI YiChun. Effects of a Mineral Conditioner on the Forms of Cd in Paddy Soil and Cd Uptake by Rice[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(11): 2143-2154 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.11.012

0 引言

【研究意义】水稻（Oryza sativa）是最主要的粮食作物之一,我国有近60%的人口以水稻为主食,水稻安全生产对确保我国粮食安全起到举足轻重的作用。2014年,环保部和国土资源部联合发布的调查公告显示,我国镉污染点位超标率达7%^[1]。雷鸣等2010年调查了湖南市场112份大米样品,发现镉含量平均值为0.28 mg·kg^-1,超过食品安全国家标准^[2]。甄艳红等调研全国6 个地区（华东、东北、华中、西南、华南、华北）县级以上市场,随机采购大米样品91个,镉含量超标（食品卫生质量标准）达10%^[3]。也有报道指出,目前我国人体镉摄取量是欧盟国家的两倍多^[4]。稻米镉超标已严重影响到我国粮食安全。因此,必须采取适当措施以降低土壤镉活性和稻米镉含量。【前人研究进展】施用调理剂是解决农田重金属污染问题的有效措施之一。调理剂加入土壤后,通过调节和改变土壤的物理化学性质,使重金属离子产生吸附、络合、沉淀、离子交换等一系列反应,降低其在土壤环境中的生物有效性和可迁移性,从而减少重金属对动植物的毒害和降低农产品中重金属含量^[5]。石灰^[6,13]、海泡石^[7]、膨润土^[8]、磷矿粉^[9]和硅酸钙^[10]]等是常用的无机调理剂,PING等^[11]认为施用石灰的阻控效果最好,而宗良纲等认为硅肥效果最好,钙镁磷肥次之,最后是石灰^[12]。不同土壤调理剂的修复效果存在显著差异^[13,14],选用合适的调理剂材料来降低稻米镉含量是当前亟需解决的问题。【本研究切入点】大量研究表明,单一类型调理剂施用效果低于复配处理^[13,15]。因此,本试验拟采用一种新型矿物源调理剂,该调理剂选取石灰石、硅石、海泡石及白云石等常用矿物材料,按一定配比混匀煅烧而成的粉末状材料。通过盆栽试验,采用动态取样方法,研究不同生育时期稻田土壤中镉的形态及水稻各部分镉含量的变化,揭示镉在土壤—水稻系统中的迁移规律。【拟解决的关键问题】探讨不同用量调理剂对土壤镉的钝化效果及水稻镉吸收、运输、累积的影响,为该调理剂的田间应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤采自广东省韶关市仁化县董塘镇高宅村某田块,其基本理化性质为：pH 6.15,总氮1.43 g·kg^-1,碱解氮61.4 mg·kg^-1,有效磷34.7 mg·kg^-1,速效钾23.0 mg·kg^-1,有机质27.3 g·kg^-1,全镉3.52 mg·kg^-1,DTPA-Cd 2.66 mg·kg^-1,根据土壤环境质量标准GB 15618—1995,该土壤属于重度镉污染土壤。
1.1.2 水稻品种为粤油丝苗,籼型常规水稻品种,平均生育期为112—114 d。
1.1.3 供试调理剂是采用白云石、硅石、石灰石及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,其主要成分详见表1。
Table 1
表1
表1本研究所用矿物调理剂的主要组成成分
Table 1Main components of the tested mineral conditioner

测试指标 Test index	数值 Value
全氮Total N (mg·kg^-1)	99.8
全磷（P₂O₅）Total P (%)	0.13
全钾（K₂O）Total K (%)	0.17
全硅（SiO₂）Total Si (g·kg^-1)	1.20
全镉Total Cd (mg·kg^-1)	4.41
全汞Total Hg (mg·kg^-1)	0.02
全砷Total As (mg·kg^-1)	7.78
全钙Total Ca (mg·kg^-1)	37.6
全镁Total Mg (mg·kg^-1)	0.45
pH	12.0

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1.2 试验设计

试验采用塑料盆钵,每盆装8 kg过1 cm筛风干土。试验设7个调理剂用量水平：每千克土壤添加0、1.67、3.34、5.01、10.02、15.03、20.04 g矿物调理剂,依次标记为CK、T1、T2、T3、T4、T5、T6。每处理20次重复,共140盆,随机排列。
施肥量按照每千克土施N 0.2 g、P₂O₅0.15 g、K₂O 0.2 g,以尿素、磷酸氢二铵、硫酸钾为肥源。分2次施入,分别为基施（50% N、100% P、50% K）、分蘖肥（50% N、50% K）。土壤调理剂基施,与土样混合均匀后装盆。试验于广东省农业科学院农业资源与环境研究所网室进行,网室设有玻璃钢网防雨棚。水稻于2015年5月9日插秧,每盆3穴,每穴3株,水稻全生育期按照常规方法栽培管理。
采用动态性采样方法,分别于返青期（5月21日）、分蘖期（6月9日）、拔节期（7月1日）、孕穗期（7月15日）、成熟期（8月6日）采集样品。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 样品的前处理土壤经风干、研磨、过筛（20目与100目）、混匀等一系列操作后,装入密封袋以备用。采集的植株样品用去离子水反复冲洗干净,然后将水稻各器官分别装袋,称鲜重后放入烘箱105℃杀青45 min,再调至75℃烘干至恒重。稻谷晒干后脱壳处理,将烘干的样品称重、粉碎后装入纸袋,干燥器中保存。
1.3.2 土壤镉的测定土壤有效态镉含量采用DTPA浸提-火焰原子吸收分光光度法^[16]测定。土壤中镉的不同形态用修正的BCR连续提取法^[17]进行提取,石墨炉原子吸收分光光度计测定。
1.3.3 植株中镉的测定称取0.25 g（±0.0002）经干燥研磨成粉末状的植株样品于100 mL三角瓶中,缓缓加入8 mL浓硝酸、1 mL高氯酸。放于150℃石墨炉上消化至澄清,然后180℃赶酸至0.5 mL左右。冷却后转移至50 mL容量瓶中,超纯水定容。消煮时做空白试验以校正试剂误差,用标准物质（Gsb-6）进行质控^[18]。石墨炉原子吸收分光光度计测定镉的含量。

1.4 计算公式

生物富集系数（BCF）=水稻某部分镉的含量/土壤镉的全量转运系数（TF）=水稻地上部镉含量/水稻地下部镉含量水稻镉的富集系数划分为BCF_根系、BCF_茎叶、BCF_谷壳、BCF_糙米,水稻对镉的转运系数划为从根部向茎叶的转运系数（TF_茎叶/根）、茎叶向稻谷的转运系数（TF_{稻谷/茎叶}）。

1.5 数据处理

使用EXCEL 2003整理数据,SPSS 19.0 进行平均数的差异显著性检验（LSD法）和相关性分析。

2 结果

2.1 调理剂对水稻不同生育时期土壤pH的影响

土壤酸碱度是土壤重要的化学性质之一,土壤pH的改变会影响土壤对镉离子的吸附行为。表2显示,水稻返青期时,矿物调理剂显著提高了土壤pH,且土壤pH与调理剂用量呈显著正相关（P<0.05）,分蘖期、拔节期、孕穗期及成熟期土壤pH的变化规律与返青期一致。与对照相比,处理T6从返青期到成熟期pH值依次增加了2.58、2.21、1.60、2.06、2.09个单位。此外,本试验基础土样pH为6.15,由对照可知,从插秧到分蘖期土壤pH逐渐降低,拔节期有一个升高的过程,拔节期以后逐渐降低。说明不同生育时期水稻根系分泌物及泌氧量不同,导致土壤pH改变。水稻生育时期和调理剂用量对土壤pH的双因素方差分析结果可知,调理剂用量与水稻生育时期均极显著影响土壤pH,且二者的交互作用也极显著影响土壤pH（F=7.072**）。
Table 2
表2
表2水稻不同生育时期的土壤pH变化
Table 2Variation of soil pH at different growth stages of rice

处理 Treatment	调理剂用量 Application level of conditioner (g/pot)	pH
处理 Treatment	调理剂用量 Application level of conditioner (g/pot)	返青期 Regreening stage	分蘖期 Tillering stage	拔节期 Jointing stage	孕穗期 Booting stage	成熟期 Mature stage
CK	0	5.96±0.04g	5.87±0.05g	6.36±0.24d	5.84±0.10f	5.73±0.06f
T1	13.4	6.74±0.11f	6.74±0.15f	6.64±0.14d	6.30±0.19e	6.47±0.11e
T2	26.4	7.41±0.11e	7.32±0.05e	7.18±0.11c	6.86±0.13d	6.94±0.04d
T3	40.0	7.76±0.05d	7.46±0.04d	7.57±0.07b	7.21±0.13c	7.28±0.03c
T4	80.0	8.05±0.01c	7.80±0.04c	7.89±0.03a	7.69±0.04b	7.76±0.05b
T5	120	8.30±0.11b	7.92±0.05b	8.00±0.07a	7.81±0.06ab	7.86±0.04a
T6	160	8.54±0.12a	8.08±0.14a	7.96±0.10a	7.90±0.05a	7.82±0.03ab

Date in the table are means ± SD (standard deviation) of four replicates, and values followed by the same letter within the same column have no significant difference by LSD test. The same as below表中数据为4 次重复的平均值±标准差, 同一列的数据采用LSD 进行多重比较, 相同字母表示在5%水平差异不显著。下同

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2.2 调理剂对水稻不同生育时期的土壤DTPA浸提态镉影响

表3显示,水稻返青期时,施用调理剂显著降低DTPA-Cd含量,降低幅度为13.5%—29.7%,其中处理T6含量最低,处理T1、T2、T4及T5之间差异不显著（P>0.05）。分蘖期与孕穗期土壤DTPA-Cd的变化规律与返青期相似。拔节期时,处理T2和T4差异不显著（P>0.05）。成熟期时,各处理对土壤DTPA-Cd 的降低幅度为7.7%—23.2%,其中处理T6含量最低。本试验基础土样DTPA-Cd含量为2.66 mg·kg^-1,由对照可知,从返青期到成熟期土壤DTPA-Cd有一个先降低,后升高,再降低的过程,与返青期相比,孕穗期增加了5.6%,而拔节期降低了10.8%。由水稻生育时期和调理剂用量对土壤DTPA-Cd含量的双因素方差分析结果可知,水稻生育时期显著影响土壤DTPA-Cd含量,调理剂用量极显著影响土壤DTPA-Cd含量,且二者的交互作用也显著影响土壤DTPA-Cd（F=4.097**）。
Table 3
表3
表3水稻不同生育时期的土壤DTPA浸提态镉含量变化
Table 3Variation of soil DTPA-Cd content at different growth stages of rice

处理 Treatment	DTPA-Cd (mg·kg^-1)
处理 Treatment	返青期Regreening stage	分蘖期Tillering stage	拔节期Jointing stage	孕穗期Booting stage	成熟期Mature stage
CK	1.95±0.18a	1.93±0.12a	1.74±0.04a	2.06±0.11a	1.81±0.17a
T1	1.69±0.03b	1.64±0.06b	1.54±0.06bc	1.79±0.12b	1.57±0.05b
T2	1.57±0.07bc	1.56±0.02bc	1.63±0.12ab	1.65±0.04bc	1.67±0.02b
T3	1.51±0.03c	1.44±0.09c	1.42±0.09c	1.67±0.06b	1.59±0.04b
T4	1.58±0.05bc	1.47±0.04bc	1.61±0.08ab	1.74±0.03b	1.55±0.15b
T5	1.67±0.05b	1.59±0.01b	1.54±0.15bc	1.53±0.1cd	1.65±0.19b
T6	1.37±0.12d	1.49±0.2d	1.53±0.1bc	1.45±0.05d	1.39±0.08c

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2.3 调理剂对水稻不同生育时期的土壤中镉形态的影响

土壤镉的形态变化如表4所示,与对照相比,随着调理剂用量的增加,返青期土壤可交换态镉(Ex-Cd)含量逐渐降低,T4、T5和T6显著降低。各处理T3除外）之间土壤可还原态镉（De-Cd）及可氧化态镉（Re-Cd）含量无显著差异。调理剂增加了土壤残渣态镉（Ox-Cd）含量,且处理T4、T5与T6均显著提高。
Table 4
表4
表4水稻不同生育时期土壤中不同镉形态的含量
Table 4The fractions of Cd in paddy soil at different growth periods of rice

处理 Treatment		可交换态镉 Ex-Cd (mg·kg^-1)	可还原态镉 De-Cd (mg·kg^-1)	可氧化态镉 Ox-Cd (mg·kg^-1)	残渣态镉 Re-Cd (mg·kg^-1)
返青期 Regreening stage	CK	2.72±0.09a	0.53±0.07a	0.11±0.02de	0.21±0.04a
	T1	2.64±0.10ab	0.45±0.08ab	0.10±0.01e	0.20±0.04a
	T2	2.72±0.02a	0.51±0.02a	0.12±0.01de	0.20±0.02a
	T3	2.65±0.11ab	0.42±0.03b	0.13±0.02cd	0.19±0.02a
	T4	2.57±0.04bc	0.49±0.05a	0.17±0.02a	0.19±0.05a
	T5	2.51±0.01c	0.53±0.05a	0.16±0.02ab	0.19±0.02a
	T6	2.40±0.09d	0.46±0.05ab	0.14±0.01bc	0.20±0.04a
孕穗期 Booting stage	CK	2.61±0.04a	0.70±0.12b	0.12±0.02a	0.22±0.02d
	T1	2.57±0.14a	0.68±0.06b	0.12±0.02a	0.29±0.02bc
	T2	2.62±0.02a	0.64±0.08b	0.13±0.01a	0.34±0.03ab
	T3	2.33±0.14bc	0.72±0.03b	0.11±0.00a	0.36±0.02a
	T4	2.52±0.17ab	0.81±0.02a	0.14±0.01a	0.23±0.02d
	T5	2.27±0.16c	0.88±0.09a	0.13±0.01a	0.24±0.04cd
	T6	2.05±0.10d	0.85±0.06a	0.13±0.04a	0.25±0.06cd
成熟期 Mature stage	CK	2.52±0.15a	0.45±0.09c	0.14±0.02c	0.16±0.03ab
	T1	2.56±0.11a	0.46±0.04b	0.15±0.02b	0.12±0.03bc
	T2	2.72±0.05a	0.54±0.04ab	0.18±0.01a	0.13±0.02bc
	T3	2.68±0.17a	0.42±0.02c	0.18±0.04a	0.11±0.02c
	T4	2.67±0.21a	0.44±0.06c	0.15±0.01ab	0.18±0.03a
	T5	2.64±0.16a	0.54±0.04a	0.18±0.03ab	0.17±0.03a
	T6	2.54±0.08a	0.54±0.04a	0.17±0.01ab	0.19±0.04a

Rice was in a flooded state during the time from planting to booting stage, dry field seven days before sampling at mature stage. The same as below水稻从插秧到孕穗期间一直处于淹水状态,成熟期采样前晾田7 d。下同

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水稻插秧至孕穗期间,土壤一直处于淹水状态。孕穗期时,施用调理剂增加土壤De-Cd含量,降低土壤Ex-Cd的含量,其中T4、T5与T6处理达到显著增加水平,T3、T5与T6处理显著降低。各处理之间关于土壤Ox-Cd无显著差异。施用调理剂提高了土壤Re-Cd含量,与对照相比,处理T1、T2与T3达到显著水平（P<0.05）。
水稻成熟采样前晾田7 d。成熟期时,随着调理剂用量增加,土壤Ex-Cd含量均有升高趋势,但差异不显著（P>0.05）。与对照相比,低用量处理降低土壤Re-Cd含量且处理T3显著降低,高用量处理提高土壤Re-Cd含量,但差异不显著。
综上可知,返青期至孕穗期,各处理Ex-Cd含量均有所降低,Ox-Cd含量变化不显著,但De-Cd和Re-Cd含量会明显提高。孕穗期至成熟期,各处理Ex-Cd和Ox-Cd含量有回升的趋势,但De-Cd和Re-Cd含量会明显降低。即返青期至孕穗期,土壤中易提取态镉逐渐向难提取态或残渣态转化;孕穗期至成熟期,土壤不可提取态和难提取态镉有向可交换态转化的趋势。

2.4 土壤调理剂对不同生育时期水稻植株各部位镉含量的影响

水稻根部与土壤环境直接接触,是重金属镉进入植株的第一门户。水稻根系镉含量直接影响地上部对镉的吸收与分配。调理剂显著降低根系镉含量（表5）,且根系镉含量与调理剂用量呈显著负相关（P<0.05）。由对照可知,水稻不同生育时期根系镉含量大小顺序为：成熟期≈返青期>拔节期>分蘖期>孕穗期。从水稻生育时期和调理剂用量对根系镉含量的双因素方差分析结果可知,水稻生育时期和调理剂用量均极显著（P<0.01）影响根系镉含量,二者的交互作用也显著（P<0.05）影响根系镉含量。
Table 5
表5
表5不同生育时期水稻根系中镉含量的变化
Table 5Variation of Cd content in rice root at different growth stages

处理 Treatment	根系镉含量Dry root Cd content (mg·kg^-1)
处理 Treatment	返青期 Regreening stage	分蘖期 Tillering stage	拔节期 Jointing stage	孕穗期 Booting stage	成熟期 Mature stage
CK	27.2±0.88a	13.2±0.17a	15.9±0.21a	9.49±0.10a	29.2±0.85a
T1	21.8±0.86b	9.24±0.33b	11.1±0.42b	6.71±0.10b	17.3±1.38b
T2	20.7±0.08b	4.68±0.23c	8.88±0.52c	4.41±0.18c	20.1±0.82b
T3	19.6±0.55bc	3.55±0.18cd	7.30±0.21d	4.31±0.14c	7.27±0.25c
T4	17.2±0.46c	3.23±0.14de	3.24±0.24e	2.08±0.06e	3.40±0.27d
T5	12.8±0.54d	2.85±0.13e	1.88±0.05ef	3.07±0.02d	2.34±0.06d
T6	13.8±0.27d	2.85±0.07e	1.36±0.09f	0.88±0.07f	2.41±0.08d

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表6显示,随着调理剂用量的增加,水稻茎叶镉含量逐渐降低,且调理剂用量与茎叶镉含量呈显著负相关;水稻各生育时期茎叶镉含量变化规律相似,由对照可知,茎叶镉含量大小表现为：返青期>成熟期>分蘖期>拔节期>孕穗期。调理剂显著降低水稻糙米和谷壳中镉含量,且用量越高效果越显著（表7）。与对照相比,糙米镉的降低幅度为12.7%—80.6%,谷壳镉的降低幅度为35.6%— 86.3%。当调理剂用量为5 g·kg^-1时,糙米镉含量为0.145 mg·kg^-1,低于食品安全限量标准（0.2 mg·kg^-1）。此外,水稻不同部位镉含量的大小表现为：根部>茎叶>糙米>谷壳。
Table 6
表6
表6不同生育时期水稻茎叶中镉含量的变化
Table 6Variation of Cd content in rice stem and leaf at different growth stages

处理 Treatment	地上部茎叶镉含量Dry shoot Cd content (mg·kg^-1)
处理 Treatment	返青期 Regreening stage	分蘖期 Tillering stage	拔节期 Jointing stage	孕穗期 Booting stage	成熟期 Mature stage
CK	7.64±0.22a	3.20±0.15a	1.56±0.03a	0.87±0.03a	4.08±0.03a
T1	4.20±0.14b	2.11±0.07b	1.46±0.04ab	0.75±0.03a	3.27±0.04b
T2	3.00±0.06cd	0.98±0.02c	1.10±0.01b	0.64±0.02b	2.58±0.04c
T3	3.56±0.12bc	0.80±0.03c	0.62±0.03c	0.46±0.01c	1.11±0.03d
T4	2.68±0.08de	0.25±0.01d	0.37±0.01d	0.31±0.00de	0.44±0.00e
T5	2.18±0.07e	0.21±0.01d	0.10±0.00e	0.23±0.01e	0.28±0.00f
T6	2.96±0.16cd	0.14±0.00d	0.07±0.00e	0.20±0.01f	0.24±0.01f

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Table 7
表7
表7调理剂对水稻谷壳及糙米中镉含量的影响
Table 7Effect of tested conditioner on Cd content of rice hull and hulled rice

处理 Treatment	谷壳镉含量 Husk Cd content (mg·kg^-1)	降幅 Decline (%)	糙米镉含量 Brown rice Cd content (mg·kg^-1)	降幅 Decline (%)
CK	0.233±0.030a	___	0.298±0.041a	___
T1	0.150±0.020b	35.6	0.261±0.033b	12.7
T2	0.110±0.012c	52.7	0.222±0.026c	25.6
T3	0.046±0.007d	80.1	0.145±0.012d	51.6
T4	0.034±0.003d	85.4	0.096±0.006e	67.8
T5	0.032±0.004d	86.3	0.069±0.005ef	76.8
T6	0.037±0.001d	84.1	0.058±0.005f	80.6

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2.5 成熟期水稻各部位镉含量与不同形态镉之间的相关性分析

由表8可知,成熟期土壤DTPA-Cd含量与水稻各部位镉含量均呈极显著正相关;成熟期土壤Ex-Cd含量与谷壳、茎叶及根系镉含量呈显著负相关,与糙米镉含量相关性不显著;水稻各部位镉含量与返青期及孕穗期土壤Ex-Cd呈极显著正相关,与返青期土壤Ox-Cd及孕穗期土壤De-Cd呈极显著负相关。说明土壤可交换态镉是影响水稻对镉吸收的最主要形态。
Table 8
表8
表8土壤镉的不同形态与成熟期水稻各部位镉含量的相关性
Table 8The correlation on different forms of soil Cd and Cd content in different rice's parts at mature period

生育时期 Growth period	镉形态 Forms of Cd	相关性 Correlation
生育时期 Growth period	镉形态 Forms of Cd	糙米 Brown rice (mg·kg^-1)	谷壳 Husk (mg·kg^-1)	茎叶 Stem and leaves (mg·kg^-1)	根系 Root (mg·kg^-1)
返青期 Regreening stage	可交换态镉Ex-Cd	0.699**	0.543**	0.724**	0.699**
	可还原态镉De-Cd	-0.035	0.074	0.193	0.207
	可氧化态镉Ox-Cd	-0.734**	-0.684**	-0.702**	-0.674**
	残渣态镉Re-Cd	0.071	0.127	0.221	0.262
孕穗期 Booting stage	可交换态镉Ex-Cd	0.669**	0.567**	0.619**	0.567**
	可还原态镉De-Cd	-0.719**	-0.535**	-0.630**	-0.589**
	可氧化态镉Ox-Cd	-0.319*	-0.256	-0.254	-0.241
	残渣态镉Re-Cd	0.069	-0.115	0.151	0.092
成熟期 Mature stage	DTPA-Cd	0.670**	0.654**	0.669**	0.674**
	可交换态镉Ex-Cd	-0.243	-0.445**	-0.298*	-0.384*
	可还原态镉De-Cd	-0.187	-0.156	-0.057	-0.128
	可氧化态镉Ox-Cd	-0.277	-0.397*	-0.225	-0.308*
	残渣态镉Re-Cd	-0.412*	-0.174	-0.287	-0.228

*and** mean significant difference at the level of P<0.05 and P<0.01, respectively*代表显著（P<0.05）,**代表极显著（P<0.01）

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2.6 调理剂对水稻各部位镉的富集系数与转运系数的影响

生物富集系数代表水稻植株对土壤镉的吸收富集能力,富集系数越大其吸收富集镉的能力越强。由对照可知,成熟期水稻各部位富集系数的大小顺序为：根系>茎叶>糙米>谷壳,其中根系对镉的富集系数是茎叶的7.16倍,是谷壳的125.5倍,是糙米的97.8倍（表9）。这进一步说明根系是水稻吸收、累积镉的最重要的器官。与CK相比,施用调理剂显著降低水稻各器官对镉的富集系数,且对水稻根系、茎叶、谷壳、糙米富集系数的最大降低幅度依次为92.0%、94.1%、86.3%、80.6%。水稻各部位对镉的富集系数与水稻各部位镉含量的变化规律一致。
Table 9
表9
表9成熟期水稻不同部位镉的生物富集系数
Table 9Bio-concentration factors of Cd in different rice parts at mature period

处理 Treatment	富集系数 BCF
处理 Treatment	根系 Root	茎叶 Stem and leaves	谷壳 Husk	糙米 Brown rice
CK	8.297a	1.158a	0.066a	0.085a
T1	4.924b	0.732c	0.043b	0.074b
T2	5.701b	0.928b	0.031c	0.063c
T3	2.064c	0.284d	0.013d	0.041d
T4	0.664d	0.078f	0.010d	0.027e
T5	0.966d	0.126e	0.009d	0.020ef
T6	0.685d	0.068f	0.011d	0.016f

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转运系数是指重金属在植株体内的转运,转运系数越大表明重金属向下一个器官的迁移能力越强。从表10看到,随着水稻的生长,处理CK从根系到茎叶对镉的转运能力的大小顺序为：返青期>分蘖期>成熟期>孕穗期>拔节期,其中返青期的转运系数是拔节期的2.88倍。说明在返青期和分蘖期水稻对镉向地上部迁移的能力比较强。此外,由对照可知,成熟期水稻各部位的转运系数大小顺序为TF_茎叶/根>TF_{稻谷/茎叶},其中TF_茎叶/根是TF_{稻谷/茎叶}的2.09倍。即根系向茎叶的迁移是阻控镉进入水稻籽实的关键过程。
Table 10
表10
表10调理剂对水稻不同部位镉转运系数的影响
Table 10Effect of tested conditioner on Cd transfer coefficient at different growth stages

处理 Treatment	地下部向茎叶的转运系数 TF _{Stem and leaves/Root}					茎叶向稻谷的转运系数 TF _{Grain/Stem and leaves}
处理 Treatment	返青期 Regreening stage	分蘖期 Tillering stage	拔节期 Jointing stage	孕穗期 Booting stage	成熟期 Mature stage	成熟期 Mature stage
CK	0.282a	0.238a	0.098bc	0.125bc	0.146abc	0.070d
T1	0.193bc	0.234a	0.133a	0.079de	0.170a	0.072d
T2	0.145e	0.230a	0.128a	0.146b	0.158ab	0.078d
T3	0.182cd	0.212a	0.085c	0.106cd	0.138bcd	0.127c
T4	0.157de	0.076b	0.119ab	0.149b	0.131bcd	0.189b
T5	0.171cde	0.074b	0.051d	0.075e	0.118cd	0.223a
T6	0.212b	0.049b	0.054d	0.237a	0.111d	0.225a

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3 讨论

土壤pH与土壤镉的吸附存在密切联系,是影响水稻镉吸收的主要因子之一^[19,20]。周歆等^[21]研究表明,石灰石和海泡石组配显著提高了土壤pH,且土壤pH与土壤交换态镉呈显著负相关。黎秋君等^[22]发现,酸性土壤施用6%的蚕沙后,土壤pH提高了3.56个单位,土壤有效镉的降幅达59.6%;而中性土壤添加6%蚕沙后,土壤pH提高了1.36个单位,土壤有效镉的降幅达59.0%。本试验表明,矿物调理剂显著提高了土壤pH,降低了土壤DTPA-Cd含量,且土壤pH与DTPA-Cd极显著负相关（P<0.01）。说明土壤pH显著影响土壤镉的有效性。造成该现象的原因^[23,24]：一方面可能是提高土壤pH会增加土壤胶体表面的负电荷密度,导致土壤对镉离子吸附能力增强,从而降低土壤DTPA-Cd含量。另一方面可能是pH的提高导致镉离子水解成羟基化镉,增加了羟基化镉与土壤吸附点位的结合力,从而降低土壤DTPA-Cd含量。此外,该矿物调理剂具有较大的比表面积且含有大量的钙、镁、硅等元素,通过离子交换、离子拮抗和表面吸附也是降低土壤镉生物有效性的主要途径^[25,26]。
植物对镉的吸收不仅与土壤全镉的含量有关,更大程度上受土壤有效镉含量的影响,降低土壤有效镉含量能显著抑制作物对镉的吸收^[27,28,29]。本研究表明,土壤DTPA-Cd分别与水稻根系、茎叶、谷壳及糙米镉含量呈极显著正相关关系（P<0.01）。说明降低土壤DTPA-Cd含量是降低植株镉含量的主要途径之一,这与郭丽敏等^[30]和朱奇宏等^[31]的研究结论相一致。此外,本研究还发现,水稻生育时期也显著影响土壤DTPA-Cd。水稻返青期到成熟期,土壤DTPA-Cd有一个先降低,后升高,再降低的过程,其中孕穗期土壤DTPA-Cd含量最高,成熟期最低。这可能是水稻植株对镉的吸收速率造成的。由处理CK不同生育时期根系镉含量的变化可知,孕穗期根系镉含量最低,而成熟期最高（表5）,与土壤DTPA-Cd的变化相反。说明水稻根系对镉的吸收速率是影响土壤DTPA-Cd含量的主要因素之一。
重金属镉以不同的形态存在土壤中,镉的形态特征将影响其在生态系统中的迁移性及生物毒性的高低^[32,33]。熊仕娟等^[34]发现,沸石促进土壤Ex-Cd向难利用态或向残渣态转化,同时降低大白菜镉含量。孙文博等^[35]研究表明,羟基蔗渣降低土壤弱酸提取态镉,增加土壤残渣态镉含量,且显著抑制小白菜对镉的吸收。本研究表明,返青期时,矿物调理剂明显降低土壤Ex-Cd含量,且调理剂用量越高降低效果越显著。这与魏建宏等^[36]和范洪黎等^[37]的研究报道相类似。说明该矿物调理剂可促进土壤中镉由可利用态向难利用态或残渣态转化,有效的钝化土壤有效镉。其钝化机制可能是,一方面,该调理剂可以提高土壤pH,土壤pH通过镉离子水解、离子交换、吸附表面电荷等提高土壤对镉的吸附能力。另一方面,该调理剂本身含有Fe、Mg、Mn等金属元素,还原条件下,促使镉离子和铁锰氧化物、碳酸盐及有机质等紧密结合,从而促使重金属镉由可交换态向其他形态转化。从返青期到孕穗期,土壤一直处于淹水状态,与返青期相比,孕穗期各处理土壤Ex-Cd含量明显降低,而土壤Re-Cd与De-Cd含量明显增加。说明返青期到孕穗期土壤中镉的形态发生了再分配,且再分配的过程是持续缓慢的进行。水稻各生育时期,土壤镉主要以可交换态的形式存在,向其他形态转化较少。这与王秀丽^[38]等和LIM等^[39]的研究相一致。其原因一方面可能是该土壤属于重度镉污染水平,且土壤中镉活性较高。另一方面可能是土壤中镉的可交换态向可还原态和可氧化态转化的速度较慢。本研究也发现,返青期、孕穗期及成熟期土壤Ex-Cd均与水稻糙米镉、谷壳镉、茎叶镉及根系镉含量有显著相关性。说明土壤Ex-Cd是影响水稻镉吸收的最关键形态,矿物调理剂通过降低土壤Ex-Cd含量,抑制水稻对镉的吸收,从而达到降低水稻镉含量的目的。此外,本研究还发现,从孕穗期到成熟期,土壤Ex-Cd及Ox-Cd含量均有所升高,但Re-Cd和De-Cd会明显降低。这可能是由于成熟期采样前土壤回旱的过程所致。土壤回旱的过程显著增强了土壤环境的氧化能力,进而促使土壤中有机结合态、铁锰结合态等形态的镉向易提取态转化。该现象与陈莉娜等^[40]和齐雁冰等^[41]的研究结论相一致。
史静等^[42]发现,水稻不同生育时期对镉的吸收有所不同,其中分蘖期和成熟期是水稻的主要吸收时期。王凯荣等^[43]研究了不同品种的水稻在不同生育时期对镉吸收、分配与累积的差异,结果表明,水稻不同时期对镉的吸收速率表现为中期>后期>前期。而本试验表明,矿物调理剂显著降低了水稻植株镉含量,但由处理CK可知,水稻各生育时期根部镉含量表现为：成熟期≈返青期>拔节期>分蘖期>孕穗期,水稻各生育时期茎叶中镉含量的大小表现为：返青期>成熟期>分蘖期>拔节期>孕穗期。该现象与史静等^[42]和王凯荣等^[43]的研究结果不尽相同。这可能与试验材料与方法的不同有关,水稻品种、土壤类型及管理措施等均是影响水稻镉吸收的重要因素。糙米镉含量不仅与根系的吸收能力有关,更大程度上受地上部各器官转运能力的影响。URAGUCHI等^[44]发现,在两个水稻品种根部对镉吸收差异不大的情况下,木质部对镉的运输过程是造成其糙米镉含量不同的主要原因,且水稻不同生育时期镉从水稻根部向上转移的强度也有所不同。本研究发现,矿物调理剂对水稻生育前期TF_茎叶/根的降低效果优于水稻生育后期。这一方面与水稻不同生育时期根系向地上部的转运能力有关。由对照可知,水稻生育前期TF_茎叶/根的值远大于后期,即该调理剂对早期的阻控效果显著优于生育晚期。不同的水稻品种其根系向茎叶的迁移能力也有所不同。另一方面也可能与调理剂的作用效果有关。随着调理剂施入时间的的延伸,其钝化效果可能会出现变化,该调理剂的长效性有待于进一步的研究。此外,由本试验处理CK可知,成熟期水稻各器官镉含量表现为根系>茎叶>糙米>谷壳,而不同器官的转运系数表现为TF_茎叶/根>TF_{稻谷/茎叶}。这与肖美秀等^[45]和杨祥田等^[46]的研究报道不一致。这是因为受基因型、环境、基因型和环境互作等的影响,导致不同品种和类型之间的水稻镉积累存在显著差异^[47,48]。水稻镉积累存在差异的原因,可能是由于根系对镉的敏感性和吸收性差异造成的,也可能是水稻对镉的转运能力差异造成的。关于镉在该水稻品种各器官的迁移转化机制还有待于进一步研究。

4 结论

4.1 矿物调理剂显著提高了土壤pH,进而降低了土壤DTPA-Cd含量。其用量与土壤pH呈极显著正相关,而与土壤DTPA-Cd呈极显著负相关关系。
4.2 矿物调理剂促进土壤中镉的可利用态向难利用态或残渣态转化。返青期Ex-Cd及孕穗期Ex-Cd与水稻各部位镉含量呈极显著正相关,而返青期Ox-Cd及孕穗期De-Cd与水稻各部位镉含量呈极显著负相关。成熟期时,土壤回旱的过程使土壤中部分低活性镉重新转化为高活性镉。
4.3 不同生育时期水稻根系镉含量大小顺序为：成熟期≈返青期>拔节期>分蘖期>孕穗期;而茎叶镉含量大小顺序为：返青期>成熟期>分蘖期>拔节期>孕穗期。该调理剂降低了水稻根系、茎叶、谷壳和糙米镉含量,最大降幅依次达到了92.0%、94.1%、86.3%、80.6%,当调理剂用量为5 g·kg^-1时,糙米镉含量低于食品安全国家标准（0.2 mg·kg^-1）。水稻各部位镉含量大小顺序为：根系>>茎叶>>糙米>谷壳。
4.4 由处理CK可知,成熟期水稻各部位的转运系数大小顺序为TF_茎叶/根>TF_{稻谷/茎叶},其中TF_茎叶/根是TF_{稻谷/茎叶}的2.09倍;而不同生育时期TF_茎叶/根也存在差异。矿物调理剂对于水稻生育前期的阻控效果优于生育后期。由水稻各部位镉的转运系数可知,根系向茎叶的迁移是阻控镉进入水稻籽粒的关键过程。
The authors have declared that no competing interests exist.