水稻根茬还田对土壤及稻米中镉累积的影响

石含之 ，江棋 *，刘帆，文典 ，黄永东 ，邓腾灏博 ，王旭 ，徐爱平 ，李富荣 ，吴志超 ，李梅霞 ，彭锦芬 ，杜瑞英 **

1. 广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所，广东 广州 510640；2. 农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（广州），广东 广州 510640；3. 农业农村部农产品质量安全检测与评价重点实验室，广东 广州 510640；4. 广东省农业环境与耕地质量保护中心（广东省农业农村投资项目中心），广东 广州 510640

最新的全国污染状况调查公报显示，Cd是中国耕地重金属污染元素之首，超标率高达7.0%（陈能场等，2017）。红壤主要分布在中国南方地区，受成土母质及南方工业发展的影响，Cd污染问题尤为突出（张小敏等，2014；陈莹等，2021)。

根茬还田是秸秆还田的常见方式之一。根茬还田可以改善土壤的透气性，提高土壤的团粒结构及增加土壤有机质等养分含量（悦飞雪等，2018）。但水稻根茬还田会对土壤中 Cd形态及作物中 Cd积累造成影响。已有研究显示，水稻根茬还田促进了土壤中Cd向稳定形态的转化，降低了Cd生物有效性, 从而减少了作物对Cd累积（杨兰等，2015）。但也有研究发现，根茬还田有可能提高作物对 Cd的吸收富集（张晶等，2013）。水稻吸收的Cd，绝大部分集中在根部，根部 Cd含量一般为土壤 Cd的5—10倍（赵步洪等，2006）。在中国很多地区，人们在种植下一季水稻时，并不会把上季的水稻根茬挖出。这表明将Cd污染的根茬还田时，存在二次污染的风险。然而，不同剂量的水稻根茬还田对土壤-植物体系中造成的Cd污染风险尚不清楚。

土壤中Cd的生物有效性、毒性及可迁移性不是由其总量决定，而是由其形态决定（丁园等，2021；肖亮亮等，2019）。各形态中，有效态 Cd活性高，可被植物及微生物直接吸收利用。常见的土壤有效态重金属含量测定方法有CaCl2提取法，因其操作简单且能很好地评价土壤重金属有效性而广受关注。但此提取方法易受土壤理化性质如pH值、铁/锰氧化物等的影响，同时缺乏对提取过程中重金属再吸附与再分配问题的考虑（Chomchoei et al.，2002；Ding et al.，2013；Tian et al.，2018）。薄膜梯度扩散技术（DGT）是近年发展起来的一种快速评价重金属生物有效性的方法。该方法通过模拟金属离子在土壤中的扩散与固液界面的再释放过程，能较真实地反映土壤中重金属的有效性（黄界颍等，2020）。有研究表明，与传统的 Cd有效态提取法相比，DGT方法能更好地评估土壤中Cd的生物有效性（Luo et al.，2021；陈静等，2014；鄂倩等，2020）。然而也有研究发现，DGT法提取的有效态Cd含量与植物体内Cd含量无显著相关性（Almas et al.，2006；Soriano et al.，2010）。因此，DGT方法在评价土壤中Cd有效性的适用性上还有待进一步探讨。

基于此，本研究选取中国南方地区典型的地带性土壤——红壤，设计不同添加量的含Cd水稻根茬，采用盆栽试验方式，（1）研究不同剂量的水稻根茬还田对土壤有效态Cd、水稻Cd的影响；（2）比较CaCl2和DGT两种土壤有效态Cd的提取方法；（3）探讨红壤中有效态Cd、稻米Cd的影响因素。本研究可为调控红壤中有效态Cd含量及指导实际生产中水稻根茬还田量提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为水稻，品种为粤香占。供试土壤为红壤，采自广东省英德市董塘镇的Cd污染农田。土壤的基本理化性质如表1所示，土壤 pH值为6.06，总镉质量分数为0.47mg·kg−1，超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018，≤0.3mg·kg−1）。DGT 膜购置于农业农村部环境保护科研监测所，水稻根采自于广东韶关 Cd污染农田，水稻根中Cd质量分数为10.8 mg·kg−1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physico-chemical properties of tested soil

1.2 试验设计及样品采集

水稻盆栽试验于2020年8—12月在广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所盆栽场进行。试验共设置4个处理，分别为：（1）CK，不添加水稻根茬；（2）RT-1，水稻根茬添加量为0.24%（水稻根茬与土壤质量比，下同）；（3）RT-2，水稻根茬添加量为0.48%；（4）RT-3，水稻根茬添加量为0.72%。每个处理设置3个重复。供试土壤经自然风干、过2 mm筛后，装于PVC盆中（长25 cm，宽20 cm，高28 cm），每个盆中放置5 kg土壤。水稻根系剪碎至0.5 cm后，加入土壤并搅拌均匀，调节土壤含水量至田间持水量的60%。土壤平衡一个月后，8月底选取长势一致的水稻幼苗进行移栽，每个盆中种植两棵水稻。种植过程中的管理方式与当地种植及管理方式保持一致。

2020年12 月中旬采集土壤及水稻样品。水稻成熟后，采用土钻按五点取样法分别在每个盆中采集表层0—20 cm深土样，混匀风干后分别过1.00 mm和0.15 mm尼龙筛，保存备用。水稻植株连根部整株取出，再采集水稻根及其籽粒。用自来水将水稻根部、籽粒冲洗干净，放入 90 ℃烘箱中杀青20 min，再于60 ℃下烘干至恒定质量。干燥后的植物样品，磨后过0.15 mm尼龙筛，用塑料封口袋保存。

1.3 测定指标与方法

土壤pH值按照水土比2.5꞉1，加入去二氧化碳的超纯水，振荡2 h，静置0.5 h，用pH计测定（鲁如坤，2000）。土壤总有机质采用硫酸-重铬酸钾外加热法测定（鲍士旦，2000）。土壤及植物样品中总 Cd含量的测定：土壤使用 HNO3、HClO4、HF混合酸进行消解；稻米、稻根采用浓 HNO3、HClO4混合酸进行消解。ICP-MS测定土壤及植物样品中Cd含量（文典等，2018）。分别采用0.01 mol·L−1CaCl2（田衍等，2019）和 DGT 两种方法提取土壤中有效态元素，ICP-MS测定浸提液中Cd、Fe、Mn含量（贵州省市场监督管理，2019；鄂倩等，2020）。

土壤重金属测定选用国家标准物质GBW07405（GSS-5）进行质量控制。水根、稻米测定选用国家标准物质进行质量控制 GBW10010a（GSB-1a）。

1.4 数据分析

应用SPSS 22.0对所有测得的数据进行显著差异性分析及 Pearson相关性分析； SigmaPlot 12.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水稻根茬还田对土壤有效态Cd的影响

不同剂量水稻根茬还田，土壤有效态Cd质量分数变化如图1所示。随根茬添加量增加，土壤CaCl2-Cd质量分数先降低后增加。RT-1、RT-2处理与对照间差异不显著。RT-3处理中，土壤有效态Cd质量分数较对照显著增加 88.2%（P<0.05）。DGT-Cd质量分数的变化趋势与CaCl2-Cd质量分数的变化趋势一致。RT-1处理下DGT-Cd质量分散与对照间无显著性差异。RT-2、RT-3处理中DGT-Cd质量分数较对照显著增加8.2%、14.4%（P<0.05）。试验结果表明，当根茬还田量大于或等于0.48%时，土壤有效态Cd质量分数较对照显著提高，导致土壤中Cd污染风险增加。

图1 不同处理对土壤有效态Cd的影响Figure 1 Effects of different treatments on available Cd in soil

2.2 水稻根茬还田对稻根、稻米中Cd含量的影响

不同剂量水稻根茬还田下，稻根与稻米中 Cd质量分数变化如图2所示。RT-1、RT-2和RT-3中稻根Cd质量分数较对照分别显著提高2.0、2.5和4.0倍。

图2 不同处理下水稻根与稻米中镉质量分数Figure 2 Cd contents in root and rice under the different treatments

稻米Cd质量分数随根茬还田量增加呈现先降低后增加的现象。其中，RT-1处理下稻米中Cd质量分数显著降低，降幅为 30.6%（P<0.05）；RT-2处理下稻米中Cd质量分数与对照间无显著性差异；RT-3处理下稻米 Cd质量分数较对照显著增加54.2%（P<0.05）。各处理下稻米中Cd质量分数均明显超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017，<0.2 mg·kg−1）2.0—5.0 倍。

2.3 水稻根茬还田对土壤pH值、有机质含量影响

不同处理中，土壤pH值和总有机质质量分数变化如表2所示。随水稻根茬还田量的增加，土壤pH值呈现先增加后降低的趋势，但各处理中土壤pH值均与CK无显著性差异。RT-3处理下土壤pH值较RT-1处理下土壤pH值显著降低（P<0.05）。对照及添加水稻根茬的各处理中，土壤总有机质质量分数无显著差异。

表2 不同处理对土壤pH值、有机质影响Table 2 Effects of different treatments on soil pH and SOM

2.4 水稻根茬还田对土壤总Cd及Fe、Mn有效性的影响

不同剂量水稻根茬还田下，土壤总Cd及有效态Fe、Mn的质量分数变化如表3所示。与CK相比，土壤中总Cd质量分数随稻根添加量的增加而均略有增加。除RT-1处理中，DGT提取的土壤有效态 Fe与对照无显著差异；其余处理中，两种方法提取的土壤有效态 Fe质量分数较对照均显著降低，降幅为4.6%—29.9%。仅CaCl2提取法的RT-1处理中，土壤有效态Mn质量分数较对照显著下降22.4%，其余处理间有效态 Mn质量分数与对照间无显著性差异。

表3 不同处理对土壤总Cd及有效态Fe、Mn的影响Table 3 Effects of different treatments on the total Cd and available Fe, Mn in soil

2.5 水稻中Cd与土壤性质及有效态元素的相关性分析

水稻中Cd与土壤性质及有效态元素的相关性分析如表4所示。DGT-Cd、CaCl2-Cd与水稻根部及稻米 Cd呈极显著正相关，相关系数分别为rDGT-Root=0.878（P<0.01）、rCaCl2-Root=0.862（P<0.01）和rDGT-Rice=0.848（P<0.01）、rCaCl2-Rice=0.904（P<0.01）。DGT与 CaCl2方法提取的土壤有效态 Cd间呈极显著正相关（r=0.904，P<0.01）。且 DGT和CaCl2提取的土壤有效态Cd与稻米Cd相关性系数接近，分别为 0.848（P<0.01）和 0.904（P<0.01），表明DGT是预测Cd生物有效性的理想方法。稻米Cd与土壤pH、有机质呈显著负相关，表明土壤pH、有机质会影响稻米Cd的富集；DGT-Fe与DGT-Cd、CaCl2-Cd、水稻根部 Cd呈极显著负相关，相关系数分别为rDGT-Fe-DGT-Cd= −0.896（P<0.01）、rDGT-Fe-CdCl2-Cd= −0.901（P<0.01）、rDGT-Fe-Root-Cd=−0.968（P<0.01），与稻米Cd中含量均呈显著负相关，表明土壤有效态Fe可通过影响土壤Cd有效性进而影响水稻对Cd的吸收。

表4 稻米、稻根Cd含量与土壤pH、有机质及有效态元素相关性Table 4 Correlation of Cd contents in rice, root and soil pH, SOM and available elements

3 讨论

不同添加量水稻还田对土壤有效态 Cd、稻米Cd的影响不同。以往研究表明，秸秆还田会显著增加土壤和水稻植株中Cd含量。Bai et al.（2013）发现施用0.5%的麦草秸秆后，水稻植株中Cd的含量对应增加了120%。汤文光等（2015）发现长期秸秆还田后糙米Cd含量和Cd累积量分别显著提高了20.8%和38.7%。本研究结果显示，当根茬还田量为 2.4 g·kg−1时，稻米中 Cd含量低于对照处理；当根茬还田量为 4.8 g·kg−1时，稻米中 Cd含量与对照处理无显著差异；当还田量为7.2 g·kg−1时，稻米中Cd含量显著高于对照处理。说明在本研究区土壤中，根茬还田量4.8 g·kg−1是临界值，当根茬还田量高于临界值时，会加剧稻米Cd污染。因此，在Cd污染农田进行根茬还田时，应考虑根茬中的Cd带来的二次污染。

本研究结果表明，DGT和CaCl2提取的土壤有效态Cd与稻米Cd相关性系数接近，分别为0.848和0.904（P<0.01）。鄂倩等（2020）的研究结果显示，DGT和CaCl2提取的土壤有效态Cd与稻米Cd含量呈显著相关，相关系数分别为0.765和0.692。与本研究结果稍有不同的是，本研究发现CaCl2提取的土壤有效态Cd与稻米Cd的相关系数略高于DGT法，可能由田间水分管理模式、水稻品种、土壤性质等差异造成。CaCl2提取土壤有效态Cd是当前认可度较高的一种方法（Ma et al.，2020；Luo et al.，2021）。本研究结果显示，DGT与CaCl2提取的土壤有效态 Cd间呈极显著正相关，r=0.904（P<0.01），且均与稻米Cd之间存在极显著正相关关系，说明DGT也是红壤中有效态Cd测定的较理想方法。

稻米Cd含量与土壤中pH和有机质含量呈显著负相关（r=0.723，P<0.05；r=0.742，P<0.05）。土壤pH值与有机质是影响土壤重金属有效性的重要因子。土壤pH升高，羟基和Cd离子共沉淀，降低土壤溶液中Cd的浓度（Tahervand et al.，2016；李志涛等，2017）。有机质上含有羟基、羧基等官能团，可以吸附土壤溶液中的Cd，降低Cd的生物有效性（Guo et al.，2006）。本研究结果显示pH、有机质与土壤有效态Cd均无相关性，但与稻米中Cd呈极显著正相关。可能原因是，pH和有机质的变化并未对土壤有效态Cd产生直接影响，可能通过影响土壤中其他形态Cd，进而影响Cd在稻米中的富集。

稻米Cd与土壤中有效态Fe呈显著负相关（r=−0.817，P<0.05），与土壤有效态 Mn之间无相关性。已有研究表明，土壤有效态Fe、Mn与稻米Cd无显著相关性（李慧敏等，2018）。根茬在土壤中分解产生有机酸，可还原溶解土壤中的铁氧化物，结合在铁氧化物上的Cd会释放到土壤中（Keiluweit et al.，2015）。本研究结果显示，稻米Cd与土壤有效态 Fe呈显著负相关。本研究结果显示，随根茬还田量逐渐增加，土壤中有效态铁的质量分数逐渐下降。土壤中有机质与铁氧化物存在复杂的相互作用。一方面有机物可以防止铁氧化物由晶型结构向非晶型转变；另一方面，铁氧化物可以保持有机质不被分解（Noellemeyer et al.，2008；Fernandez et al.，2010)。本试验结果显示，随根茬量逐渐增加，土壤有效态 Fe下降的幅度逐渐增加，说明有机质的加入提高了铁氧化物的稳定性，铁氧化物向非晶型结构的转化降低。同时，有机质与稻米Cd呈负相关，说明有机物络合土壤中Cd，从而降低水稻对Cd的吸收。综上，外源有机质在土壤中对Cd的吸附作用大于其还原溶解铁氧化物释放Cd的作用。

4 结论

（1）在中轻度 Cd污染土壤中，当水稻根茬还田量高于4.8 g·kg−1时，会增加土壤及稻米Cd污染风险。

（2）影响稻米Cd的因素有pH、有机质、土壤有效态Cd及有效态Fe。pH、有机质通过影响土壤中其他形态的Cd，进而影响稻米中Cd累积；有机质对土壤中Cd的吸附作用，大于其还原溶解土壤中金属氧化物的作用。

（3）DGT提取的土壤有效态Cd分别与CaCl2提取的土壤有效态Cd、稻米 Cd呈极显著正相关，表明DGT是预测红壤中Cd生物有效性的理想方法。