随着我国工业化和城镇化进程的加快，土壤重金属污染已经成为威胁粮食安全生产的主要因素之一，土壤重金属污染不仅会引起农作物产量和品质的下降，还能通过食物链危害人体健康^{[1, 2]}。2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公告》指出，全国土壤总超标率为16.1%，其中土壤铅、镉的点位超标率分别达到1.5%和7.0%，因此重金属污染土壤的修复一直是人们关注的重点问题之一。目前常见的针对重金属污染土壤的修复技术有原位钝化修复、植物修复、淋洗和电动修复等^[3]。由于原位钝化修复能快速、简便、大幅降低土壤重金属毒性，对于大面积的中轻度污染土壤，原位钝化修复是较好的选择。然而，常见重金属钝化剂的大量施用会对土壤结构产生不良影响，同时可能带入其他有害重金属元素，造成二次污染^{[4, 5]}。因此，寻找更加合适有效的重金属钝化修复剂也是目前研究的热点和难点。研究发现，在镉铅复合污染土壤中施用钾肥可以明显促进植物生长，增加植物干重，降低镉、铅污染的风险^[6]。虽然我国可溶性钾矿资源短缺，但我国难溶性钾源丰富，如钾长石、明矾石和伊利石分布广泛。钾硅肥作为一种以钾长石为原料，经过新型工艺开发的钾肥，其K₂O含量达25%，可以满足作物生长过程对钾的需求，并且含有丰富的硅、钙、镁等元素，是一种潜在的土壤重金属钝化修复剂。为探索钾硅肥钝化土壤重金属的效果，于2014年6—11月在湖北武汉华中农业大学盆栽试验场布置盆栽试验，研究钾硅肥施用对土壤中铅和镉植物有效性的影响，旨在为施肥和重金属钝化修复剂的良好结合提供依据。

供试土壤采自湖北省武穴市花岗片麻岩母质发育的水稻土，土壤的基本理化性质如下：pH5.60，有机质33.21 g·kg^-1，全氮1.27 g·kg^-1，有效磷8.03 mg·kg^-1，全钾20.5 g·kg^-1，速效钾91.1 mg·kg^-1，土壤全铅和全镉含量分别为110 mg·kg^-1和1.32 mg·kg^-1。供试作物为水稻，品种为扬两优6号。

供试肥料为钾硅肥，是由霞长石正长岩经过高温煅烧和化学溶解等新工艺制成的一种新产品，钾硅肥不溶于水，但能溶于2%柠檬酸，以2%的柠檬酸浸提后用肥料钾标准测定方法测定，钾(K₂O)含量为25%，有效硅(SiO₂)含量约为20%，pH11.2。氮肥选用尿素，氮含量为46%；磷肥选用过磷酸钙，磷(P₂O₅)含量为12%；水溶性钾肥选用硫酸钾，钾(K₂O)含量为54%。

试验于2014年6月26日至11月5日在华中农业大学盆栽试验场进行。将田间采回的土壤风干后过2 mm筛，每盆装土10 kg，添加镉(3CdSO₄·8H₂O) 5 mg·kg^-1和铅(PbSO₄·7H₂O)650 mg·kg^-1，与土壤混合均匀后根据各处理施用相同的氮磷肥和不同量的钾肥装盆。加入去离子水，调整土壤含水量在田间持水量的90%~100%，预培养1个月后种植水稻。每盆移栽水稻5株，移栽7 d后根据水稻长势，每盆保留3株长势一致的水稻。试验期间每隔1 d补充1次水分，保持盆内水面约3~5 cm。

如表 1所示，试验共设7个处理，分别为：K₀，对照处理，未添加重金属土壤习惯氮磷肥处理，氮磷肥的用量分别为0.20 g N·kg^-1和0.10 g P₂O₅·kg^-1；K₁(K₂SO₄)，未添加重金属土壤习惯氮磷钾施肥处理，氮、磷肥用量与K₀处理相同，钾肥用量为0.15 g K₂O·kg^-1，钾肥选用硫酸钾；K₁(钾硅肥)，未添加重金属土壤氮磷钾处理，氮磷肥用量与K₀处理相同，钾肥用量为0.15 g K₂O·kg^-1，钾肥选用钾硅肥；K₁(K₂SO₄)+重金属，添加重金属土壤习惯氮磷钾施肥，氮磷钾肥用量与K₀处理相同，钾肥用量为0.15 g K₂O·kg^-1，钾肥选用硫酸钾；K₁(钾硅肥)+重金属，添加重金属土壤习惯氮磷钾施肥，氮磷钾肥用量与K₀处理相同，钾肥用量为0.15 g K₂O·kg^-1，钾肥选用钾硅肥；K₂(K₂SO₄)+重金属，添加重金属土壤习惯氮磷钾施肥，氮磷肥用量与K0处理相同，钾肥用量为0.3 g K₂O·kg^-1，钾肥选用硫酸钾；K₂(钾硅肥)+重金属，添加重金属土壤习惯氮磷钾施肥，氮磷肥用量与K0处理相同，钾肥用量为0.3 g K₂O·kg^-1，钾肥为钾硅肥。每个处理4次重复，完全随机排列。

表 1 试验各处理肥料及重金属投入量 Table 1 Fertilizer and heavy metal inputs of different treatments

表选项

水稻收获后将根、茎、叶和籽粒4个部位分开烘干至恒重后称量计产。植物样品经过硝酸-高氯酸消化后，采用火焰光度计测定植株钾含量，采用原子吸收分光光度计(AA240FS，varian，美国)测定植株铅和镉含量^[7]。

于水稻种植前和收获当天每盆分别取土，经风干，过2 mm尼龙筛后测定土壤的重金属有效态含量。有效态铅和镉含量采用DTPA浸提后，用原子吸收分光光度计(AA240FS，varian，美国)测定^[8]。

采用Excel对试验数据进行统计分析，采用SPSS软件进行数据的差异显著性分析(LSD，P < 0.05)。

施钾能明显提高水稻各部位的生物量(表 2)，与不施钾处理相比，施钾处理水稻总生物量增加了41.0%~51.5%，施钾量相同时，钾硅肥处理和硫酸钾处理的生物量并无明显差异。无论是硫酸钾处理还是钾硅肥处理，2倍钾肥投入并没有明显提高水稻的生物量；重金属的添加也未对水稻的生物量产生明显的影响。水稻植株不同部位对施钾响应略有差异，施钾明显提高了水稻茎秆、籽粒和根部的生物量，但各处理叶片的生物量并无明显差异。

表 2 不同处理水稻各部位生物量 Table 2 Biomass of different parts of rice under different treatments

表选项

由各部位钾素积累量(表 3)可知，钾肥的施用可以明显提高水稻各部位钾素积累量，与不施钾处理相比，水稻钾素积累量增加率最高可达252%。相同钾肥用量情况下，施用钾硅肥处理的水稻各部位钾素积累量比硫酸钾处理的略低，但两者差异不显著。2倍钾肥投入并未明显提高水稻钾素积累量，重金属的添加也未对水稻吸收钾素产生明显影响。不同部位钾素积累量及施钾响应不同，各部位钾的积累量依次为茎秆>叶片>籽粒>根部，施用钾肥后叶片钾素积累量比不施钾肥增加了111%~144%，水稻茎秆钾素积累量施用钾肥后增加327%~381%，且施用钾硅肥处理的茎秆钾素积累量高于施用硫酸钾处理的。水稻根中钾素积累量较低，施用钾硅肥处理的水稻根钾素积累量低于施用硫酸钾处理的。

表 3 不同处理水稻各部位钾素积累量 Table 3 Potassium accumulation in different parts of rice under different treatments

表选项

添加重金属后水稻根部铅含量最高，其后依次为叶片、茎秆和籽粒(图 1)。钾硅肥处理茎秆、叶片和籽粒铅含量要明显低于硫酸钾处理，尤其是2倍钾硅肥用量情况下，水稻茎秆、叶片和籽粒中铅含量最低，分别为38.5、87.7、7.1 mg·kg^-1。钾硅肥处理和硫酸钾处理的水稻根中铅含量并没有明显差异。

图 1 不同处理水稻各部位铅和镉含量 Figure 1 Content of Pb and Cd in different parts of rice under different treatments

图选项

添加重金属的处理水稻根、茎、叶和籽粒中镉含量明显高于未添加重金属处理。由图 1可知，添加重金属后水稻根部镉含量最大，其次为茎秆，叶片和稻谷中镉含量相近。重金属的添加显著提高了水稻各部位对镉的吸收，钾硅肥的施用减少了水稻茎秆和叶片中镉的含量；与硫酸钾处理相比，钾硅肥处理籽粒中镉的含量明显降低，两者差异显著。钾素投入量的增加并没有对各部位镉的含量产生明显影响，相同钾素投入形态下，2倍钾肥处理和1倍钾肥处理水稻各部位镉含量没有显著性差异。

从土壤有效态铅含量来看(表 4)，对于添加重金属处理，经过一季水稻种植后，土壤有效铅含量显著降低，从占土壤全量的39.8%~50.7%降低到10.3%~11.7%。水稻收获后钾硅肥和硫酸钾处理土壤有效铅含量并无明显差异，两者土壤有效铅降低量接近，和未添加重金属处理相比，重金属添加后有效铅降低率显著增大，但钾硅肥和硫酸钾处理之间没有显著差别。对于有效镉含量来讲，添加重金属处理和未添加重金属处理降低率没有显著差异，重金属添加后，钾硅肥处理的镉降低率略高于硫酸钾处理，尤其2倍钾硅肥处理的镉降低率最高。

表 4 水稻种植前后土壤有效态铅镉含量 Table 4 Content of available Pb and Cd in soils before and after rice planting

表选项

钾可以促进蛋白质的合成，增强植株的抗逆性从而维持作物的高产及优质^{[9, 10, 11]}，在植物生长过程中起着重要作用。本试验研究结果表明，在等量钾养分投入下，硫酸钾和钾硅肥处理均能提高水稻生物量和钾素累积量，水稻生物量和钾素积累量分别增加了40.4%~47.0%和170%~252%，两者间没有显著性差异，与张洋洋等^[12]研究结果相似。重金属的添加未对水稻生物量产生影响，植株生长过程中未出现镉铅中毒症状^{[13, 14]}。

钾硅肥的施用显著降低了水稻茎、叶和籽粒中铅和镉的含量，与硫酸钾处理相比，水稻茎、叶和籽粒中铅和镉的含量分别降低了23.6%、35.6%、28.7%和15.6%、29.7%、26.8%。通过水稻不同部位重金属含量计算出的各部位转移系数(表 5)可知，钾硅肥处理根部-茎秆、茎秆-叶片和叶片-籽粒铅的转移系数均小于硫酸钾处理，随着钾硅肥用量的增加，转移系数进一步减小，钾硅肥处理水稻根部-茎秆和叶片-籽粒镉的转移系数小于硫酸钾处理，但茎秆-叶片的转移系数没有明显规律。铅和镉表现出不同的变化规律，可能是由于Pb可夺取Cd在土壤中的吸附点位而使Cd移动性更强，生物有效性更高^[15]。但从水稻各部分重金属含量来看，在根系铅和镉含量没有差异的情况下，水稻地上部，尤其是籽粒的重金属含量，钾硅肥处理明显低于硫酸钾处理，钾硅肥的施用可能抑制了重金属由水稻根部向地上部转移。

表 5 不同处理水稻各部位重金属转移系数 Table 5 Transfer coefficients of Pb and Cd between different parts of rice under different treatments

表选项

钾硅肥的施用降低了水稻地上各部位重金属的积累，抑制了重金属在水稻体内的转移，钾在其中可能起到非常重要的作用。研究表明在重金属污染土壤上施用钾肥可以提高作物的抗逆性，促进其生长，增加植物干重，从而降低作物体内重金属含量^[16]；有资料显示，随着土壤中钾含量的提高，大豆幼苗中镉浓度显著降低^[17]。研究认为钾离子交换作用可以对非专性吸附的重金属发生解吸，而钾与H+的置换导致pH下降又可以解吸部分专性吸附的重金属离子^[18]。Haghiri等^[19]研究发现钾肥施用能显著降低大豆地上部对镉的吸收，Grant等^[20]指出钾肥中的伴随阴离子对于土壤重金属形态变化也有一定的影响，衣纯真等^[21]研究表明SO₄^2-显著降低水稻对镉的吸收，降低糙米中镉的含量。这可能是由于SO₄^2-在淹水条件下氧化还原电位下降，转化成S^2-后，易与Cd²⁺形成CdS沉淀，降低了Cd的生物有效性。钾硅肥本身是一种由钾、硅等多种物质组成的复合体，许建光等^[22]研究认为硅进入土壤后也可以减少植物对重金属的吸收，抑制重金属在植物体内的转移，多数研究表明硅抑制重金属吸收和转移的机理是由于硅在水稻根的内皮层及纤维层细胞附近沉积，减小水稻根系细胞壁孔隙度，进而降低重金属在质外体的运输路径^{[23, 24]}。尽管本研究中水稻地上部铅、镉吸收量差异明显，但水稻根部重金属吸收量并没有显著变化，所以导致水稻地上部重金属积累量出现差异的原因并不仅仅是硅的作用。黄涓等^[25]研究发现钾硅肥施用后，水稻地上部各器官的镉含量明显降低，降低了稻米镉污染的风险。本研究中钾硅肥施用后水稻生物量增加，降低了水稻地上部重金属积累量，与前人研究结果相似。钾硅肥与重金属相互作用的机理研究对于指导将施肥与重金属钝化相结合具有重要意义，有待进一步探明。

植物对土壤重金属的吸收与土壤的pH、CEC、Eh、有机质含量等有关^[26]，大量研究表明，提高土壤pH值是抑制作物吸收镉、铅的重要途径^{[26, 27]}。本研究中，经过一季水稻种植后，土壤pH值均有小幅上升，可能是由于淹水条件下，土壤中的铁、锰氧化物等被还原过程中消耗了溶液中的氢离子从而使土壤pH升高。土壤pH值升高，增加了土壤对铅、镉的吸附^[28]，各处理土壤有效铅和镉含量明显降低。尽管钾硅肥的pH值为11.2，但淹水对土壤pH的影响可能大于钾硅肥本身对土壤pH的作用，本试验条件下各处理土壤pH值并没有明显差异(未显示数据)，钾硅肥处理土壤有效铅、镉的变化亦与硫酸钾处理相同。

本文仅利用一季盆栽试验研究发现钾硅肥施用显著提高了水稻各部位的生物量，明显降低了水稻地上各部位对重金属的吸收累积。王伟等^[29]对稻麦轮作条件下钾肥的肥效研究表明总体效果为枸溶性钾肥更好，枸溶性钾肥作为矿物态肥料更有利于养分释放，且枸溶性钾肥中的硅、钙、镁等元素对水稻和小麦生长亦有积极作用。这与张洋洋等^[30]研究的枸溶性钾肥在油菜中的施用效果类似。本研究结果与前人的结果相似。对于污染土壤重金属的钝化，前人研究中也有相似的结果，在镉污染稻田上施用钾硅肥可以显著降低水稻地上部对镉的积累^[25]。在田间条件下，开展钾硅肥适宜用量、后效以及长期施用钾硅肥对土壤理化性质、重金属形态影响的多年、多季的试验研究具有非常重要的意义。钾硅肥对土壤重金属的钝化只是降低了土壤重金属的生物有效性，并没有消除土壤重金属污染，其钝化的时间和稳定性还有待进一步研究。因此，加强污染土壤的钝化修复研究，并对长期修复进行评估，对于污染土壤的修复及相关科学发展具有重要的理论和实际意义。

(1)施用钾肥能明显提高水稻各部位的生物量和钾素累积量，施钾量相同时，钾硅肥处理和硫酸钾处理的生物量并无明显差异。

(2)钾硅肥的施用显著降低了水稻地上各部位铅、镉的含量，且随着钾硅肥用量的增加水稻中镉、铅的含量也显著降低，但钾硅肥处理和硫酸钾处理水稻根中铅、镉的含量并没有显著差异。

(3)水稻种植后，土壤有效态重金属均有不同程度降低，钾硅肥处理和硫酸钾处理土壤有效铅、镉降低率并无明显差异。