我国部分地区农田土壤重金属镉（Cd）污染问题比较突出，造成农产品Cd含量超标，不仅影响农产品质量安全，还可能对人体健康产生不良影响^[1-3]。按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）划分，土壤Cd含量高于风险筛选值，但低于风险管制值的农用地为“安全利用类”，在这类农用地进行农业生产必须采取措施以确保农产品达标。土壤Cd的风险筛选值和风险管制值因土壤pH不同而异，前者为0.3~ 0.6 mg·kg^-1，后者为1.5~4.0 mg·kg^-1。“安全利用类”属于中低污染，占污染农用地的绝大部分。我国2016年颁布的《土壤污染防治行动计划》要求，到2020年和2030年，受污染耕地安全利用率要分别达到90% 左右和95% 以上。因此，全国各地都在开展污染耕地阻抗农产品重金属积累的措施研究。一个广泛采用的措施是秸秆移除，其目的是通过移除积累在秸秆中的重金属，逐步降低土壤重金属含量。这个措施的效果如何，很少见到报道。本文通过对文献报道的数据进行模拟计算，评估水稻秸秆移除对降低土壤Cd含量的效果。

1 材料与方法

通过对发表于1998年至2020年的文献进行检索和筛查，从中获取相关数据进行分析与计算。英文文献检索自Web of Science与Google Scholar，以“Rice”“China”“Cadmium”；“Rice”“har⁃ vest index”等组合的关键词进行检索。中文文献检索自《中国知网》，检索关键词为“水稻”“镉”；“水稻”“收获指数”。首先对检索出的论文进行筛选与剔除，剔除标准为：（1）非田间试验数据；（2）没有重复或没有明确标明重复次数的数据；（3）试验场地非中国地区的数据。对筛选后的文献进行数据收集和汇总，包括试验年份、地点、土壤Cd含量、水稻品种、秸秆生物量、秸秆Cd浓度、稻谷产量、稻米Cd浓度、收获指数等。

2 结果与讨论

通过文献检索，共查到基于大田试验并同时提供土壤Cd全量和水稻成熟期秸秆Cd含量数据的文献22篇（表 1），包括了44个试验点，试验点分布在我国12个省份（图 1a）。有些试验点包括多个水稻品种，本研究取其不同品种秸秆Cd含量的平均值。将秸秆Cd浓度与土壤Cd浓度作图（图 1b）可见，两者具有显著的线性相关关系，回归分析得到的方程如下：

(1)

式中：y代表水稻秸秆Cd浓度，mg·kg^-1；x代表土壤Cd总浓度，mg·kg^-1。

对22篇文献报道的籽粒和秸秆Cd浓度（表 2）作图可见，两者呈现显著的线性关系（图 2），回归方程的斜率为0.11，该斜率与Duan等^[25]基于两试验点466份水稻品种的结果（斜率为0.12）相似。秸秆Cd浓度与籽粒Cd浓度的比率变幅为2.8~43.8，中值为8.0。

为了计算水稻秸秆积累Cd量，首先需要知道秸秆的生物量。绝大多数文献未报道秸秆生物量，但是根据稻谷产量和收获指数可以计算秸秆生物量。从32篇我国基于田间试验文献中，得到水稻稻谷的生物量（平均值±SD）为8.01±1.9 t·hm^-2（n=168），收获指数为0.50±0.06（n=139），即秸秆与稻谷生物量相等。

以8 t·hm^-2的秸秆生物量，再根据回归方程（1）计算得到的秸秆Cd浓度，可以计算秸秆Cd的积累量（表 3）。以耕层深度为0.2 m、土壤容重为1.3 g·cm^-3计算不同Cd浓度（0.5~5.0 mg·kg^-1）土壤Cd总量（表 3）。单季水稻秸秆可移除的Cd占耕层土壤Cd总量仅为0.23%~0.37%（平均值为0.27%；表 3），移除率随着土壤Cd浓度增加呈下降趋势。总体而言，水稻秸秆移除对降低土壤Cd的效果非常有限。考虑到水稻籽粒Cd含量仅为秸秆Cd含量的1/8左右，水稻秸秆和籽粒对土壤Cd的总移除率为0.30%左右，按此计算，种植100季水稻可移除30%的耕层土壤Cd。

假设植物吸收的Cd来自于土壤中的有效态Cd，那么，秸秆移除可能使得土壤中有效态Cd的下降幅度大于土壤总Cd的下降幅度。土壤中不同形态Cd处于动态平衡之中，用同位素交换的方法测定的Cd E值，反映了土壤Cd的活性库（Labile pool）。不同土壤Cd E值占Cd总量的百分比变幅在10%~90% 之间，平均值为60%^[27-28]。按此平均值计算，单季水稻秸秆和籽粒移除的Cd占土壤Cd活性库的0.5%。

以上计算结果代表我国不同土壤类型、不同水稻品种和栽培管理方式下的平均值。土壤性质中，pH值和土壤氧化还原状况对Cd的有效性影响很大。酸性和好氧条件下Cd有效性提高^{[2-3, 29-31]}，水稻对Cd的吸收增加，移除率也会相应增加。在一些有利于提高土壤Cd有效性的特定条件下，Cd移除率可比平均水平高3~5倍，即单季移除率可达土壤Cd总量的0.9%~1.5%。即使在这些情况下，水稻秸秆和籽粒对土壤Cd的移除效果仍然很有限。

根据已有的报道，我国不同地区大气沉降的Cd通量变化幅度为0.4~25 g·hm^-2·a^{-1 [31-34]}。与表 3比较可知，水稻秸秆Cd积累量与大气Cd沉降量基本相等。除了大气沉降外，灌溉水以及有些化肥和有机肥的施用也会向农田土壤输入Cd^{[2, 33]}。因此，考虑到Cd输入，秸秆移除很可能并不会降低土壤Cd含量。

与其他重金属或类金属（如Pb、As、Hg）相比，Cd从土壤向植物的移动性较强，秸秆与土壤Cd的浓度比值（即富集系数）远大于其他重金属^[35]。因此，秸秆移除对降低土壤中其他重金属或类金属含量的效果比Cd更低。

秸秆移除减少了有机质向土壤的输入。此外，水稻秸秆富含多种矿质元素，如Si的平均含量高达5%，每季秸秆Si的积累量平均值达400 kg·hm^-2[36]。Si对水稻抵抗生物和非生物胁迫起重要作用^[37-38]，长期秸秆移除可使土壤有效Si含量下降，导致水稻减产^[39]。此外，Si对水稻吸收Cd和As有抑制作用^[40-41]，长期秸秆移除可能削弱这种抑制作用。

3 结论

本研究基于文献报道的数据建立了水稻秸秆Cd浓度与土壤Cd浓度的线性回归方程，根据该方程计算了水稻秸秆对Cd的积累量，发现单季秸秆移除可降低耕层土壤Cd含量平均值为0.27%，降镉效果有限。考虑到秸秆移除可能带来的副作用，秸秆移除不宜作为中低污染农田安全生产广泛推广的措施。