长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉条件下海泡石修复镉污染水稻土效应
李剑睿 徐应明
摘要：采用盆栽试验，于长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉条件下，研究海泡石对镉污染水稻土的修复效应及对水稻抗氧化胁迫和土壤养分含量的影响。结果表明，施加海泡石后，土壤pH值显著升高，土壤镉形态由酸提取态向残渣态转化。长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉条件下，土壤有效镉含量分别下降16.3%～37.2%、7.8%～37.3%、14.8%～32.8%，稻米镉含量降幅分别为26.7%～60.0%、19.2%～46.2%、18.6%～50.0%，稻草镉含量分别降低25.0%～58.3%、15.2%～43.6%、15.4%～43.5%（P<0.05）;土壤有效磷含量分别增加5.3%～26.2%、9.0%～33.6%、9.5%～25.1%，有效铁含量分别降低8.4%～19.5%、8.5%～15.1%、12.8%～18.9%，有效锌含量分别降低20.5%～45.5%、21.8%～60.0%、8.8%～52.9%，有效铜含量降幅分别为22.4%～32.7%、13.3%～33.6%、17.6%～32.8%（P<0.05）;叶片CAT（过氧化氢酶）活性增幅分别为15.1%～130.2%、15.6%～93.3%、18.9%～137.8%，叶片GSH（蛋白类谷胱甘肽）含量最大增幅分别为33.5%、31.7%、39.9%（P<0.05）。得出结论，长期淹水下，1.5%海泡石處理可使稻米镉满足我国食品中污染物含量限量值 0.20 mg/kg（GB 2762—2012），长期淹水是一种推荐的镉污染稻田修复水分管理模式。
关键词：水分管理;镉;水稻土;海泡石;修复;长期淹水;传统灌溉;湿润灌溉
中图分类号：X53 文献标志码：
A
文章编号：1002-1302（2021）17-0226-05
收稿日期：2020-12-16
基金项目：国家自然科学基金（编号：21177068）。
作者简介：李剑睿（1981—），男，山西朔州人，博士，副教授，主要从事土壤生态与修复研究。E-mail：jianrui-419@163.com。
工业化、城镇化过程中所产生的大量工矿企业三废、农用化学品和城镇生活垃圾等，使我国超过10%的耕地受到不同程度的污染。其中，重金属污染因隐蔽性、不可降解性、生物危害性、长期性等生态特点，成为社会关注的热点[1-3]。我国是水稻种植大国，稻米年产量约占粮食总产的50%。农业农村部针对稻米质量安全的一项抽检表明，镉超标率达10.3%，给人们健康带来隐患。
原位修复技术是指将一些活性物质施入污染土壤耕层，通过发生氧化还原、共沉淀、表面吸附、有机络合等反应，来控制重金属在土壤固-液相的平衡、形态分布、价态变化等过程，最终降低重金属的移动性和生物可利用性。黏土具有比表面积大、离子交换性强等特点，又是土壤胶体的组分之一，使用黏土钝化土壤重金属已成为环境修复的重要研究领域[4-7]。
本试验在不同水分条件下，探究了施加黏土海泡石对土壤pH值、镉形态分布、有效态镉含量，以及对稻米镉含量的影响;同时，开展了对土壤养分元素含量、水稻抗氧化生理指标的评价，以期为在合理的土壤水分管理条件下，利用黏土修复重金属污染稻田提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试土壤采自湖南省红壤性水稻田，理化性质为pH值5.01，全氮含量1.15 g/kg，全磷含量 0.47 g/kg，有机质含量18.8 g/kg，总镉含量 1.51 mg/kg，阳离子交换量17.8 cmol/kg。供试作物为水稻，品种为籼型两系杂交稻T优118。污染土壤镉钝化剂为黏土海泡石原矿粉，白色粉末，主要成分为碳酸钙，阳离子代换量51.3 cmol/kg，pH值为9.83。
1.2 方案设计
盆栽试验于2015年在农业农村部环境保护科研监测所温室大棚内完成。试验用盆按随机区组排列，包含土壤海泡石施加量和水分管理2个因子。供试土壤风干过2.0 mm筛后装盆，每盆装土 8.0 kg，海泡石施加量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%，与盆内土壤混合均匀，75%田间持水量下稳定2周，将培育好的水稻秧苗移入盆内，每盆3株。水分管理包括长期淹水：生育期土壤表层维持4～5 cm 水层;传统灌溉：分蘖后期、灌浆期土壤表层保持湿润状态（田间持水量75%），其余生育阶段淹水;湿润灌溉：土壤表层保持湿润状态。试验共计12（4×3）个处理，每个处理重复3次。水稻移栽110 d后收获，植株分稻草和稻米（去壳）2个部分，用自来水-去离子水洗净后于65 ℃恒温烘干、称质量。
1.3 指标测定
盆中土样风干过1.0 mm筛备用，植物样粉碎后待测。土壤、海泡石pH值采取去离子水提取（2.5 ∶1水土比）、pH计（FAJ-6，南京雷磁）测定。土壤总镉含量利用HNO3-HF（3 ∶1体积比）消化，植物样镉含量采取HNO3消解，消化液镉原子吸收光谱仪（AA-6880，日本岛津公司）测定。土壤镉形态分布采取土壤重金属顺序提取形态标准物质（BCR）法测定，包括酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态[8]。土壤1.0 mol/L CH3COONH4提取态分数作为有效镉含量。此外，稻草-稻米镉转移系数=稻米镉/稻草镉。
土壤有效磷含量采取0.025 mol/L HCl-0.03 mol/L NH4F提取，比色法测定;土壤有效锌、有效铜采用0.10 mol/L HCl浸提，原子吸收分光光度法测定;土壤有效铁含量采取DTPA-CaCl2-TEA（DTPA为二乙基三胺五乙酸）提取，原子光谱法测定[9]。
水稻扬花期采集新鲜叶片，磷酸缓冲液粉碎处理，离心获得上清液，作为抗氧化酶待测液：SOD（超氧化物歧化酶）活性以NBT光化学还原能力测算[10]，CAT（过氧化氢酶）活性以H2O2的降解速度来计算，酶活性基于蛋白质量以U/g表示[11]，叶片中巯基化合物含量测定参照参考文献[12]进行。
1.4 统计分析
使用Microsoft Excel 2010进行数据平均值和标准差的运算，SAS 9.2软件进行方差分析，最小显著性差异测验（LSD）进行数据差异显著性检验。
2 结果与分析
2.1 土壤镉形态和有效镉含量
重金属镉形态分布控制其移动性和生物有效性。酸性稻田镉形态以有效性较高的酸提取态为主（图1）。未施加海泡石条件下，长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉处理3种方式，其酸提取态镉分数分别为48%、55%、71%，残渣态镉为18%、15%、10%，持续淹水过程促进了土壤胶体对镉的吸附固定，有效性降低。施加0.5%～1.5%海泡石后，酸提取态镉含量显著下降，3种方式降幅分别为8.3%～18.8%、5.5%～16.4%、4.2%～14.1%（P<0.05），残渣态镉含量升高，增幅分别为11.1%～33.3%、13.3%～40.0%、10.0%～30.0%（P<0.05）。海泡石对土壤pH值的提升及其结构表面对镉的离子交换、络合和共沉淀吸附作用，促进了镉形态由酸提取态向残渣态转变，有效性显著降低。
由图2可见，未添加海泡石时，与传统灌溉比，长期淹水处理的有效镉含量下降15.7%，湿润灌溉的有效镉含量增加19.6%（P<0.05）。海泡石处理的土壤有效镉含量显著下降，长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉处理3种水分管理方式下，降幅分别为16.3%～37.2%、7.8%～37.3%、14.8%～32.8%（P<0.05）。
2.2 稻米和稻草镉含量
长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，稻米镉含量差异显著（图3）。长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉的稻米镉含量分别为0.45、0.78、1.02 mg/kg，均超过我国GB 2762—2012《食品中污染物限量》标注临界值0.20 mg/kg。施加0.5%～1.5%海泡石后，稻米镉含量降幅分别为26.7%～60.0%、19.2%～46.2%、18.6%～50.0%（P<0.05），施加1.5%海泡石后分别降至0.18、0.42、0.51 mg/kg。表明施加海泡石长期淹水处理，可使稻米镉含量达到国家标准0.20 mg/kg;传统灌溉下，1.5%海泡石处理可使稻米镉含量基本满足国际法典委员会标准规定的稻米镉限量值0.40 mg/kg（Codex Stan 193—1995，CAC标准 食品和饲料中污染物和毒素通用标准）。海泡石处理镉形态分布的变化和有效态镉含量的降低，是稻米镉含量下降的主要原因。
由圖4可知，未施加海泡石时，与传统灌溉比，长期淹水的稻草镉含量降低了37.4%，湿润灌溉下稻草镉含量增加了35.1%（P<0.05）。土壤海泡石处理后，长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，稻草镉含量分别降低25.0%～58.3%、15.2%～43.6%、15.4%～43.5%（P<0.05）。重金属转移系数是作物体内各部位重金属含量的比值，用于评价重金属在作物体内的迁移分配能力。表1表明，长期淹水下，稻草-稻米镉转移系数降低，施加海泡石后，地上部稻草-稻米镉转移系数整体下降。
2.3 土壤pH值和养分元素含量
pH值通过控制痕量元素的氧化还原、沉淀溶解、吸附解吸等行为，影响其土壤固液平衡和生物有效性。表2表明，长期淹水促进了土壤pH值的提升，分别比传统灌溉、湿润灌溉处理增加0.38、0.54个单位，淹水过程中还原力氢离子浓度逐步下降是pH值升高的主要原因。0.5%～1.5%海泡石处理后，pH值显著升高，长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，分别增加了0.60～1.36、0.70～1.55、0.58～1.46个单位（P<0.05），海泡石中的碳酸钙导致土壤pH值增加。
土壤养分元素含量见表2。未施加海泡石时，有效磷含量与传统灌溉比，长期淹水的增加40.3%，湿润灌溉的降低18.4%（P<0.05），持续淹水过程中，闭蓄态磷的还原溶解引起有效磷含量升高。施加海泡石后，有效磷含量整体显著升高。长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，有效磷含量分别增加5.3%～26.2%、9.9%～33.6%、9.5%～25.1%（P<0.05）。随着pH值不断升高至6.0～7.0时，被土壤固定的Fe（Al）-P逐步释放，有效磷含量显著增加。
土壤淹水导致高价铁的还原溶解和新旧铁氧化物的更替，尤其对于酸性土，长期淹水下，土壤铁有效性显著增加，比传统灌溉增加39.0%（P<0.05）。海泡石处理的有效铁含量呈逐步下降趋势，长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，分别降低了8.4%～19.5%、8.5%～15.1%、12.8%～18.9%（P<0.05），有效铁含量最低值均远高于土壤缺铁边缘值范围（4.5～6.0 mg/kg）。此外，土壤长期淹水促进pH值的提升和有效锌、有效铜含量的下降，与传统灌溉比，有效锌、有效铜分别降低20.0%、13.3%（P<0.05）。施加海泡石促进了土壤锌、铜形态由水溶态、交换态向矿物结合态转化，有效性显著降低，有效锌含量分别降低20.5%～45.5%、21.8%～60.0%、8.8%～52.9%（P<0.05），不同水分条件下，土壤有效锌最低含量均在1.6～3.0 mg/kg（中）和3.1～5.0 mg/kg（高）浓度范围内;海泡石处理的有效铜含量降幅分别为22.4%～32.7%、13.3%～33.6%、17.6%～32.8%（P<0.05），土壤最低铜含量均高于2.1～4.0 mg/kg（中）。总之，施加海泡石后，土壤有效铁、有效锌、有效铜含量虽有所下降，但不影响水稻正常生长所需。
2.4 水稻叶片抗氧化指标
土壤镉胁迫下，水稻体内活性氧清除酶系统功能受到抑制，产生大量活性自由基，破坏细胞原生质膜系统，引起一系列生理代谢紊乱，最终影响作物正常生长[13-14]。长期淹水的CAT、SOD酶活性分别是传统灌溉的1.18、1.16倍，是湿润灌溉的1.43、1.67倍（表3）。施加海泡石缓减了镉的氧化胁迫，叶片抗氧化酶活性升高，长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，CAT酶活性分别增加了15.1%～130.2%、15.6%～93.3%、18.9%～137.8%，SOD酶活性最大增幅达32.7%、41.7%、41.1%（P<0.05）。
逆境土壤条件下，巯基化合物与重金属络合作用是作物体内重金属减毒的重要机制[15]。表3表明，未施加钝化剂海泡石时，长期淹水提升了叶片巯基化合物含量，蛋白类谷胱甘肽（GSH）含量分别比传统灌溉、湿润灌溉增加了15.3%、68.8%，非蛋白类巯化物（NPT）含量增幅为6.5%、36.9%（P<0.05）。海泡石处理的巯基化合物含量显著升高，长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，GSH含量增幅分别为9.4%～33.5%、5.4%～31.7%、6.5%～39.9%，NPT最大增幅达14.7%、24.9%、33.0%（P<0.05）。
3 讨论与结论
天然黏土矿物是土壤无机胶体的组分之一，将其作为金属污染土壤修复剂充分尊重了自然规律。富含碳酸钙的海泡石对酸性稻田土壤具备提升其pH值的作用，促进了土壤胶体对重金属镉的吸附和钝化，使得土壤镉的生物有效性降低。王凯荣等的研究结果也证实了这点[16]。污灌区镉污染土壤修复表明，施加0.5%～5.0%海泡石后，土壤交换态镉降低到6.4%～9.4%，残渣态镉升高至23.2%～32.5%，土壤镉有效性下降[6]。王林等研究发现，黏土处理的DTPA提取态有效镉含量显著下降[5]，与本研究结果一致。此外，土壤海泡石处理后，有效磷含量显著升高（表2），形成了难溶性磷酸镉，造成土壤镉有效性下降。
本研究中土壤施加海泡石后，镉有效性下降，稻草-稻米镉转移系数减小，共同导致水稻地上部稻米镉含量显著降低。丁凌云等在利用不同改良剂修复重金属污染稻田中发现，传统灌溉下，土壤施加改良剂后，稻米镉含量较对照下降了45.1%[17]，符合国家限量标准要求。本研究传统水分管理下稻米镉含量最大降幅为46.2%，低于长期淹水下稻米镉含量的最大降幅60.0%，证明长期淹水有利于土壤镉的黏土钝化过程。究其原因，土壤持续淹水过程中，随着体系pH值逐步升高，羟基络合态镉浓度增加，同时随着镉离子与羟基负离子的缔合，降低了镉离子的平均电荷，也就降低了能障，镉离子与胶体表面的亲和力显著增加，最终促进了海泡石对重金属镉的吸附固定。其次，持续淹水下，土壤有效态镉含量较低，有利于海泡石对土壤镉的钝化过程，使镉更易由交换态转化为氧化物态和残渣态。此外，土壤长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，海泡石处理的叶片抗氧化酶活性增强，巯基化合物含量显著增加，巯基化物与植物细胞内的重金属镉结合后，使其以不具生物活性的无毒螯合物形式存在，从而减轻镉的生物毒害作用，是植物耐重金属污染的重要机制之一。Yin等研究发现，重金属污染土壤施加黏土后，根系、叶片中巯基化合物含量大幅升高，作物对重金属的抗性明显增强[18]。
综上得出结论：（1）土壤1.5%海泡石处理后，长期淹水下，稻米镉含量低于我国食品镉限量标准0.20 mg/kg，传统灌溉下，稻米镉含量仅满足国际法典委员会限量要求0.40 mg/kg。（2）长期淹水促进了海泡石对土壤镉的钝化和固定，长期淹水、传统灌溉、湿润灌溉3种水分管理方式下，海泡石处理的土壤有效镉含量最大降幅分别为37.2%、37.3%、32.8%;土壤有效磷含量最大增幅分别为26.2%、33.6%、25.1%;土壤有效铜、有效锌和有效铁含量均高于各自缺素臨界值范围。（3）海泡石处理的叶片抗氧化酶活性、巯基化合物含量显著增加，水稻的镉抗性提高。
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