2021, Vol. 40
农田重金属污染近年来受到人们的关注，特别是镉(Cd)，影响到了农产品的质量安全和人类的健康[1-2]。从2014年原环境保护部与原国土资源部联合开展的土壤污染调查结果来看，我国部分地区土壤污染严重，其中Cd是重金属污染元素中污染超标率最高的元素，点位超标率高达7%[3]。水稻土中高浓度Cd及其在稻米和食物链中的易位和后续积累是一个全球性的环境问题[4]。红壤是我国亚热带地区的主要土壤类型，其中水稻土与人类耕作活动密切相关。由于红壤pH较低，加上水稻耕作过程中施用化肥、农药等，造成土壤中Cd的生物可利用度较高，容易被植物吸收利用，进而通过食物链进入人体，影响人类健康[1, 5]。因此，如何解决水稻土中Cd污染问题显得极为重要且迫切。
通常认为土壤的理化性质影响镉的生物可利用度[6-7]，与植株各部位镉含量密切相关。不同的耕作方式会改变土壤理化性质[8]，合理的土壤耕作方式可以改善土壤水热状态、土壤结构、化学养分、土壤微生物性状等，促进作物生长，提高作物产量[9]。土壤耕作措施通常有翻耕、旋耕和少免耕等。其中，翻耕是传统的土壤耕作方式，对土壤含水量、总孔隙度、水稳性团聚体含量及团聚体结构稳定系数均有较大影响；旋耕耕作深度一般低于翻耕，为8~15 cm；免耕则是一种保护性耕作方式，但长期免耕会使得土壤耕作层变浅、土壤板结[10-11]。李友军等[12]发现免耕秸秆还田相对于传统耕作能提高土壤蓄水量、土壤有机质及氮、磷、钾含量。常同举等[13]的研究结果表明，耕作方式主要通过影响土壤pH进而影响土壤重金属的有效量及水稻重金属的含量。汤文光等[14]在比较不同耕作措施下双季稻田土壤结构、养分及重金属含量的变化规律时发现，长期免耕虽然降低了土壤镉含量，但同时也降低了土壤养分库容，长期翻(旋)耕虽然增加了土壤养分库容，但同时也增加了土壤镉含量。目前关于长期耕作方式与秸秆还田对土壤-水稻系统中镉生物有效性影响及迁移转运特征的研究较少，因此，本研究以湖南省典型双季稻区的土壤-水稻系统为研究对象，分析不同耕作方式与秸秆还田对土壤理化性质以及镉形态的影响，并进一步了解不同耕作方式与秸秆还田下镉在湖南红壤区土壤-水稻系统中的迁移转运特征，为解决湖南双季稻区存在的镉污染治理问题提供科学依据。
1 研究方法 1.1 研究区域概况本长期保护性耕作定位试验开始于2006年，地点位于湖南省长沙市宁乡市回龙铺镇天鹅村(112° 18′ E，28°07′ N)。试验前采用冬闲-早稻-晚稻种植模式，由农户统一采取传统耕法进行耕种。该区域属于亚热带季风性湿润气候，年均气温约为16.8 ℃，年均降雨量约为1 358 mm，年蒸散量约为1 354 mm，年日照时数约为1 738 h，年平均无霜期为274 d，光热雨水资源充足。试验区土壤为典型的红壤丘陵区水稻土[15]，试验前测得0~20 cm耕层土壤的理化性质为：土壤容重1.21 g·cm-3，有机质34.9 g·kg-1，速效氮224.1 mg·kg-1，有效磷4.38 mg·kg-1，速效钾97.1 mg·kg-1，全氮1.29 g·kg-1，全磷1.23 g·kg-1，全钾17.63 g·kg-1，总镉0.35 mg·kg-1，pH 6.30。
1.2 试验设计试验采用早-晚稻生产体系，采用秧盘育苗和抛秧技术，早稻品种为湘早籼45号，抛秧前施用复合肥391 kg · hm-2(N 195.5 kg · hm-2，P2O5 34.14 kg · hm-2，K2O 97.33 kg·hm-2)作基肥，返青后追施尿素47 kg· hm-2(N 21.62 kg·hm-2)。晚稻品种为湘晚稻13号，抛秧前基肥施用复合肥469 kg·hm-2(N 234.50 kg·hm-2，P2O5 40.95 kg·hm-2，K2O 116.75 kg·hm-2)，返青后追施尿素39 kg·hm-2(N 17.94 kg·hm-2)。两季土壤耕作前灌水深约2 cm，收获后留茬高度约25 cm，还田处理的秸秆年还田量约为12 500 kg·hm-2。本试验共设4个处理：(1)翻耕秸秆不还田(CT)：早、晚稻收获后秸秆不还田，全量移出稻田，抛秧前翻耕，耕深约20 cm；(2)翻耕秸秆还田(CTS)：早、晚稻收获后秸秆全量还田，抛秧前翻耕，耕深约20 cm；(3)旋耕秸秆还田(RTS)：早、晚稻收获后秸秆全量还田，抛秧前旋耕，耕深约8~15 cm；(4)免耕秸秆还田(NTS)：早、晚稻收获后秸秆全量覆盖还田，土壤不翻耕，直接抛秧。每个处理重复3次，共12个小区，每个小区面积为64 m2，小区中间田埂用塑料薄膜覆盖，高度30 cm，各小区分别排水和灌溉。
1.3 样品采集采用“S”形多点取样法，分别在2019年7月和10月早、晚稻成熟时采集植株样品，晚稻收获后采集0~ 20 cm土层原状土壤样品。植株样品清洗根际土后烘干，分为根、茎叶和稻谷三部分保存。土壤样品在土壤田间持水量10% 左右时，按其结构纹理剥离成直径10 mm左右的细小土块，去除有机残体和碎石后置于阴凉处自然风干，备用。
1.4 测定方法镉的不同形态通过Tessier法进行提取[16]，采用原子吸收分光光度法测定(表 1)。土壤pH用pH计(ST 2100，奥豪斯仪器常州有限公司)测定，水土比为2.5∶ 1。阳离子交换量(CEC)使用BaCl2-MgSO4法测定[17]。可溶性有机碳(DOC)含量采用重铬酸钾加热法测定。供试土样的机械组成(粗砂2~0.25 mm、细砂0.25~ 0.05 mm、粉粒0.05~0.001 mm和黏粒 < 0.001 mm)采用干筛法测定。
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表 1 Tessier五步法提取土壤不同形态的镉 Table 1 Tessier five-step method for extracting different forms of Cd from different forms in soil |
采用转运系数和富集系数分析镉在土壤-水稻系统的迁移特性，公式如下：
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式中：TF为转运系数；BCF为富集系数；CS、CRo、CLe和CRi分别代表土壤、水稻根、水稻茎叶和水稻糙米中的镉含量，mg·kg-1。
本试验使用R软件进行数据分析，不同组别之间的显著差异性分析通过单因素方差分析完成(Oneway ANOVA)，多重比较通过Duncan法检验，相关性分析通过Pearson方法完成，采用偏最小二乘路径模型(The partial least squares path mode，PLS-PM)解析耕作方式、秸秆还田、土壤理化性质、土壤镉生物有效性和水稻镉含量之间的相互关系，所有绘图均通过R软件和Origin 2020完成。
2 结果与分析 2.1 土壤理化性质和镉形态不同耕作方式与秸秆还田对土壤理化性质的影响如表 2所示。各处理之间土壤粗砂、细砂和黏粒占比无显著差异(P>0.05)，但CTS(65.04%±2.06%)粉粒占比显著大于NTS(59.69%±3.86%，P < 0.05)。NTS处理CEC含量为(11.20±0.20)cmol·kg-1，显著高于CT和CTS处理(P < 0.05)。各处理的土壤pH和DOC均无显著差异(P>0.05)。试验小区土壤均呈弱酸性，各处理pH平均值为5.70~5.93。
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表 2 不同处理土壤的理化性质 Table 2 Physical and chemical properties of soils under different treatments |
如图 1所示，不同耕作方式与秸秆还田对土壤中镉形态分布特征产生了显著影响。CTS和NTS处理离子交换态镉含量分别为(0.35 ± 0.01)mg · kg-1和(0.35±0.02)mg·kg-1，均显著高于CT处理的(0.29± 0.04)mg·kg-1(P < 0.05)。NTS处理碳酸盐结合态镉含量显著高于其他处理，CT处理最低(P < 0.05)。土壤铁锰氧化物结合态镉含量CTS处理显著低于NTS处理(P < 0.05)，CT处理显著低于NTS和RTS处理(P < 0.05)，但与CTS无显著差异(P>0.05)。此外，CT处理土壤总镉含量为(0.39±0.05)mg·kg-1，显著低于CTS处理的(0.46 ± 0.02)mg · kg-1和NTS处理的(0.48 ± 0.01)mg·kg-1( P < 0.05)。
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CT：翻耕秸秆不还田，CTS：翻耕秸秆还田，RTS：旋耕秸秆还田，NTS：免耕秸秆还田。不同小写字母代表不同处理间差异显著（P < 0.05）。下同 CT: Plow tillage with residue removed, CTS: Plow tillage with residue retention, RTS: Rotary tillage with residue retention, NTS: No-tillage with residue retention.Different lowercase letters represent significant differences between different treatments(P < 0.05). The same below 图 1 不同处理土壤镉形态分布特征 Figure 1 Distribution characteristics of different cadmium forms in soil under different treatments |
如图 2所示，各处理早稻、晚稻的根和茎叶中镉含量没有显著差异(P>0.05)。但NTS处理早稻糙米镉含量为(0.30±0.04)mg·kg-1，显著高于CT处理的(0.10 ± 0.02)mg · kg-1(P < 0.05)和CTS处理的(0.16 ± 0.04)mg·kg-1(P < 0.05)。NTS处理晚稻糙米镉含量高达(0.60±0.07)mg·kg-1，显著高于CT、CTS和RTS处理的(0.36±0.01)、(0.40±0.01)、(0.46±0.04)mg·kg-1(P < 0.05)。NTS处理晚稻糙米总镉含量高于早稻，且均超过0.2 mg·kg-1的国家食品安全标准(GB 2762— 2017)。CT和CTS处理早、晚稻糙米镉含量均无显著差异(P>0.05)。
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图 2 不同处理水稻各部位镉含量特征 Figure 2 Characteristics of cadmium content in various parts of rice under different treatments |
镉在土壤-水稻系统中的转运系数和富集系数如表 3所示，NTS处理早稻TFS-Ro为12.18±1.75，显著高于CT处理的5.11±0.99(P < 0.05)，但各处理之间TFRo-Le和TFLe-Ri均无显著差异(P>0.05)。不同于早稻，晚稻CT处理TFS-Ro最高为10.04±0.70，显著高于其他处理(P < 0.05)，NTS处理(0.33±0.06)TFLe-Ri显著大于CT处理的0.18±0.05(P < 0.05)和RTS处理的0.18±0.02 (P < 0.05)。NTS处理早稻和晚稻的BCF分别为0.66±0.10和1.27±0.17，均高于其他处理，说明NTS处理下镉更容易在水稻糙米中富集。
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表 3 不同处理早稻和晚稻的转运系数和富集系数 Table 3 Transport and enrichment coefficients of early and late rice under different treatments |
如图 3所示，通过相关性热图分析土壤理化性质、土壤镉形态和水稻植株镉含量之间的关系。早稻和晚稻糙米镉含量与土壤中碳酸盐结合态镉、铁锰氧化物结合态镉和总镉含量呈显著正相关关系(P < 0.05)，与土壤残渣态镉含量呈显著负相关关系(P < 0.05)。土壤CEC与早稻根镉含量、茎叶镉含量、糙米镉含量和富集系数均呈显著正相关(P < 0.05)，与晚稻根镉含量和糙米镉含量也呈显著正相关关系(P < 0.05)。土壤中粉粒比例与晚稻根镉含量和糙米镉含量存在显著负相关关系(P < 0.05)，土壤pH与土壤不同形态镉含量和水稻各部位镉含量之间没有显著相关性。
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T-Cd：总镉，ION-Cd：离子交换态镉，CAR-Cd：碳酸盐结合态镉，FMO-Cd：铁锰氧化物结合态镉，ORG-Cd：有机结合态镉，RES-Cd：残渣态镉，Coarse：粗砂，Fine：细砂, Slit：粉粒, Clay：黏粒，DOC：可溶性有机碳，CEC：阳离子交换量, RoCd：根镉含量，LeCd：茎叶镉含量，RiCd：糙米镉含量，TFS-Ro、TFRo-Le和TFLe-Ri分别为镉在土-根，根-茎叶和茎叶-糙米的转运系数，BCF：富集系数。*表示相关性显著，P < 0.05 T-Cd: total cadimium, ION-Cd: ion-exchange cadmium, CAR-Cd: carbonate-bound cadmium, FMO-Cd: iron-manganese bound cadmium, ORG-Cd: organic-bound cadmium, RES-Cd: residual cadmium, Coarse: coarse sand, Fine: fine sand, Slit: silt, Clay: clay, DOC: dissolved organic carbon, CEC: cation exchange capacity, RoCd: cadmium content in root, LeCd: cadmium content in stems and leaves, RiCd: cadmium content in brown rice, TFS-Ro, TFRo-Le and TFLe-Ri are transport coefficient cadmium in soil-root, root-leaf and leaf-brown rice, respectively, BCF: enrichment coefficient.* indicates significant correlation, P < 0.05 图 3 双季稻植株镉含量特征与土壤理化性质、不同形态镉分布特征的相关性热图 Figure 3 Heat map of the correlation between cadmium content characteristics and soil physical and chemical properties and distribution characteristics of cadmium in rice |
通过PLS-PM分析，耕作方式、秸秆还田、土壤理化性质、土壤镉生物有效性和水稻镉含量之间的相关关系如图 4所示。不同强度耕作方式直接影响土壤理化性质(路径系数为-0.82)和土壤镉生物有效性(路径系数为-0.63)，且影响均达显著水平(P < 0.05)，而秸秆还田仅对土壤镉生物有效性产生显著影响(路径系数为0.43，P < 0.05)。进一步分析发现，土壤镉生物有效性显著影响水稻植株镉含量(路径系数为0.75，P < 0.05)，土壤镉生物有效性越高，水稻镉含量越高；而土壤理化性质未对土壤镉生物有效性和水稻镉含量产生显著影响(P>0.05)。这表明耕作强度越弱土壤中镉的生物有效性越高，秸秆还田相对于不还田处理增加了镉的生物有效性，土壤耕作方式和秸秆还田通过影响土壤镉生物有效性进而影响水稻镉含量。
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实线表示影响显著，虚线表示影响不显著，显著水平为0.05，模型拟合度0.67 The solid line indicates that the effect is significant, the dashed line indicates that the effect is not significant, level of significance is 0.05. Godness of fit is 0.67 图 4 基于偏最小二乘路径模型的耕作方式、秸秆还田、土壤镉生物有效性、土壤理化性质和水稻镉含量之间的相关关系 Figure 4 Correlation between tillage methods, straw returning, bioavailable cadmium in soil, physical and chemical properties of soil and cadmium content in rice based on the partial least squares path mode |
不同耕作方式会改变土壤的理化性质，影响作物的生长。本研究中，不同强度的耕作方式改变了土壤机械组成情况，翻耕还田处理的土壤粉粒比例显著高于免耕还田处理，前人的研究也有类似结果。李彤等[18]发现保护性耕作(免耕)相对于翻耕，提高了土壤黏粒和砂粒比例，降低了粉粒比例。一项关于长期保护性耕作对稻田土壤团聚体稳定性的研究中，王兴等[15]发现大团聚体含量随着耕作强度的减弱而提高。本文研究结果中，不同处理之间土壤的机械组成出现显著差异可能是因为不同强度的耕作方式对土壤物理结构的破坏程度不同，长期保护性耕作会使土壤团聚体朝大团聚体演变，从而使粉粒和黏粒含量降低，砂粒含量增加。汤文光等[19]发现秸秆还田显著增加土壤有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾、CEC和耕作层深度，伍佳等[20]和李录久等[21]也发现秸秆还田有利于提高土壤肥力。此外，本研究中免耕秸秆还田处理CEC含量最高，而翻耕秸秆还田处理的CEC和有机质含量与翻耕秸秆不还田处理差异未达到显著水平。对于DOC和pH，各处理之间均无显著差异，可能是因为田间条件下气候、田间持水量和其他外源输入等复杂因素的干扰所致。
3.2 不同耕作方式和秸秆还田对镉生物有效性的影响水稻对镉的吸收和积累不仅与土壤中的总镉含量相关，更受到土壤中镉的生物有效性的影响。结合相关性热图和路径分析结果可知，不同耕作方式和秸秆还田影响土壤中镉的形态分布，秸秆还田增加了土壤中总镉和离子交换态镉含量(CT < CTS)。在秸秆还田条件下，不同强度的耕作方式对土壤总镉和离子交换态镉影响较小，但各处理碳酸盐结合态镉和铁锰氧化物结合态镉含量差异显著，其中免耕秸秆还田处理高于其他处理。土壤中碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态镉通常不能被植物直接吸收利用，但在土壤环境发生特定变化时也会释放而被植物吸收利用，而有机结合态和残渣态镉很稳定，基本不会被植物吸收[22-23]。前人的研究也发现了不同耕作方式对土壤镉形态分布的影响。与本研究结果不同，帅泽宇等[24] 发现双季免耕明显提高了土壤有效态镉含量，而双季旋耕则相反。DÜRING等[25]发现免耕条件下土壤各层镉含量高于常规翻耕。在湖南醴陵双季稻田的5种不同耕作方式定位试验研究中(长期免耕、长期旋耕、长期翻耕、翻免轮耕和旋免轮耕)，汤文光等[14]也发现，长期不同耕作模式下，0~5 cm土层中土壤总镉和有效态镉含量表现为长期免耕显著高于其他耕作处理，且随着耕作频率减少，耕层土壤总镉和有效态镉含量逐渐降低。本研究中不同强度的耕作方式对耕层土壤总镉和有效态镉含量没有产生这种差异，原因是本研究的试验处理中设置了翻耕秸秆不还田处理，秸秆中的镉可能是造成不同试验处理土壤镉含量差异的主要原因，其大于不同强度耕作方式带来的影响，使得不同强度耕作方式下土壤总镉和有效态镉含量的差异未达到显著水平。本研究没有发现土壤pH与有效态镉存在显著相关性，易亚科等[26]的盆栽研究结果也发现移栽前土壤有效态镉含量与pH的相关性不显著，而文炯等[7]发现通过施用石灰增加土壤pH可降低土壤镉活性。本研究中土壤pH与有效态镉相关性不显著，可能是因为不同强度的耕作方式对土壤pH的影响较小，另外大田试验中存在较多的不可控因素会弱化pH与有效态镉之间的相关性。
3.3 不同耕作方式和秸秆还田对水稻镉迁移转运特征的影响重金属在土壤中的迁移性取决于其赋存形态，如交换态和碳酸盐结合态极易迁移，铁锰氧化物结合态和有机物结合态迁移性相对较弱，而残渣态则不易迁移[22-23]。本研究中，由偏最小二乘路径模型结果可知，虽然秸秆还田条件下的翻耕、旋耕和免耕处理土壤总镉和离子交换态镉含量没有显著差异，但免耕秸秆还田处理土壤中潜在的生物可利用镉含量，即碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态镉含量高于翻耕秸秆还田和旋耕秸秆还田处理，这可能是导致免耕还田处理早稻和晚稻糙米中总镉含量均显著高于翻耕还田处理的原因之一，说明保护性耕作方式使土壤中的镉更容易被水稻吸收利用。相关性分析结果表明糙米中的镉与土壤总镉含量均呈显著正相关，与残渣态镉含量呈显著负相关。镉在早稻植株中的转运系数与耕作方式无相关性，但在晚稻糙米-茎叶中发现免耕还田处理的转运系数显著高于旋耕还田和翻耕不还田处理。镉在水稻植株体内迁移转运受多种因素的影响，如土壤性质、土壤镉的含量及形态、水稻品种等。常同举等[13]的研究发现土壤耕作方式对重金属在水稻根-茎叶中转运系数有影响，其主要通过影响土壤pH进而影响土壤重金属的有效量及水稻重金属的含量。也有研究表明[27-28]，作物的吸镉能力主要由自身性质决定，外部环境条件影响较小。本研究发现免耕还田处理镉在早稻和晚稻的富集系数分别为0.66±0.10和1.27±0.17，高于其他处理组，这可能是因为不同耕作强度下，水稻生长发育情况不同，从而影响了镉在水稻茎叶-糙米中的转运系数，这进一步导致免耕还田处理糙米镉含量高于其他处理，也可能是由于耕作方式引起的水稻根际微生物的变化而导致的。在之后的研究中，需进一步探究不同耕作方式对土壤微生物环境及水稻生长的影响。
本研究发现所有处理下晚稻糙米中的镉含量和富集系数均高于早稻，这可能是由早稻和晚稻生长过程中的气候条件差异导致的。研究区域属于亚热带季风气候，早稻生长季节降水相对较大，使得水稻根系附近土壤有效态镉含量降低，同时水稻的蒸腾作用降低，减少了镉向旗叶和穗部的转运，相反晚稻生长季节气候相对干燥[29-31]。前人的研究中也有类似结果[32-33]。韩潇潇等[32]通过叶面喷施不同浓度的ZnSO4，研究其对水稻各器官中镉含量的影响，结果表明不同处理间各器官镉含量均表现出晚稻高于早稻的特征。罗芬等[33]也发现衡阳地区和岳阳地区晚稻籽粒镉含量高于早稻。本研究中晚稻镉在根-茎叶中的转运系数均大于早稻，可能是早、晚稻生长期间蒸腾作用的差异影响了镉在水稻植株中的转运。晚稻镉在茎叶-糙米的转运系数均小于早稻。由于本研究缺少水稻生理状态及蒸腾作用等相关指标，尚不能解释土壤-水稻系统中早、晚稻镉转运系数差异的原因，今后研究可进一步从水稻植株本身角度出发，研究水稻镉的吸收转运机理。
4 结论(1) 不同耕作方式与秸秆还田处理，对土壤pH和DOC无显著影响，但免耕秸秆还田处理增加了土壤CEC含量，降低了土壤粉粒的比例。
(2) 耕作方式和秸秆还田均对土壤镉生物有效性产生显著影响，从而影响水稻镉含量。免耕秸秆还田处理下，土壤离子交换态镉、碳酸盐结合态镉、铁锰氧化物结合态镉和总镉含量增加，显著高于翻耕秸秆不还田处理。
(3) 耕作强度越弱，土壤中镉的生物有效性越高，秸秆还田相对于不还田处理增加了镉的生物有效性，土壤耕作方式和秸秆还田通过影响土壤镉生物有效性进而影响水稻镉含量。免耕秸秆还田处理早稻和晚稻糙米中的镉含量分别高达(0.30±0.04)mg·kg-1和(0.60±0.07)mg·kg-1，超过0.20 mg·kg-1的国家食品安全标准，显著高于其他处理，存在镉超标的安全风险。在推广对耕地进行保护性耕作的同时，不能忽视可能带来的粮食镉超标问题。
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