摘要:
通过连续3年的田间定点定位随机区组对比试验，研究评价了土壤调理剂对湘东酸性黄泥田土壤改良及镉污染治理效果。结果表明，基肥增施调理剂，对酸性黄泥田改良效果稳定，土壤有效镉、交换性铝和有效锰含量降低，土壤pH值、盐基饱和度提高，有机质和碱解氮含量增加，土壤养分供给能力进一步优化，促进水稻丰产稳产；并显著降低稻米镉含量(p < 0.05)，其中基肥增施土壤调理剂150 kg/667m
2处理平均降镉幅度为30.00%，增施200 kg/667m
2处理平均降镉幅度为35.10%，二者降镉差异不显著。田间实际生产中，建议施用土壤调理剂与叶面喷施阻镉剂等降镉措施配合使用，采用“VIP + N”方式进行综合修复治理，确保稻米中镉等重金属指标合格。
Abstract:
Objective: The effects of soil conditioner on soil improvement and cadmium pollution control in acid yellow mud field in eastern Hunan were studied and evaluated by field fixed-point and random block comparative experiment for three consecutive years. Result: The results showed that adding conditioner to the base fertilizer had a stable effect on the improvement of acid yellow soil field, and the contents of available cadmium, exchangeable aluminum and available manganese in soil decreased, the pH value and base saturation of soil increased, the contents of organic matter and alkali-hydrolyzable nitrogen increased, and the supply capacity of soil nutrients was further optimized, which promoted the high and stable yield of rice. And the Cd content of rice was signif-icantly reduced (p < 0.05), in which the average reduction of Cd was 30.00% when the base fertilizer was added with soil conditioner 150 kg/667m2 and 35.10% when it was added with soil conditioner 200 kg/667m2, with no significant difference between them. Conclusion: In actual field production, it is suggested that soil conditioner should be used in combination with cadmium reduction measures such as spraying cadmium inhibitor on leaf surface, and comprehensive remediation should be carried out by “VIP + N” mode to ensure that the indexes of heavy metals such as cadmium in rice are qualified.
1. 引言
土地资源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，耕地是土地的精华，具有养育、生态以及社会保障等多种功能，耕地资源的量和质不仅关系到国家的粮食安全和社会稳定，也关系到国家经济和社会的可持续发展 [1] [2]。土壤酸化是土壤内部产生和外部输入的氢离子引起土壤pH值降低和盐基饱和度减少的过程 [3] [4]。镉是土壤中主要重金属污染元素之一，水稻镉吸收与富集能力强，稻米镉含量浓度与土壤镉浓度呈显著正相关关系 [5] [6]。土壤酸化和镉污染已成为制约湖南农业可持续发展的两个主要因素，如何改良稻田酸性土壤，阻止或减少稻株对镉等重金属的吸收与富集，提高稻米品质，保护稻田生态环境，是促进湖南双季稻生产持续稳定发展的重要课题 [7] [8]。为此，笔者于2018年~2020年进行了本研究，以期为农户改良稻田酸性土壤、修复治理镉污染稻田、降低稻米镉含量，确保稻米安全性提供理论依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验田概况
试验于2018年~2020年在湖南省醴陵市茶山镇大西垅村某农户责任田中进行。试验田海拔59米，土壤为酸性黄泥田，质地疏松，肥力中等。土壤理化性状详见表1。种植模式为双季稻。
Table 1. Statistical table of soil physical and chemical properties in experimental field
表1. 试验田土壤理化性状统计表
2.2. 供试材料
试验选用“洁农宝”牌土壤调理剂，主要技术指标：CaO ≥ 25.0%，SiO2 ≥ 20.0%，有机质 ≥ 12%，pH值10~12，水分 ≤ 15.00%。肥料选用40% (20:8:12)的复混肥，总氮46.40%的尿素，含钾62%的氯化钾。供试品种：双季早稻选用株两优819，双季晚稻选用桃优香占。
2.3. 试验设计
采用定点定位试验，即三个试验周年，在同一丘田进行，且小区田间布局固定不变、各处理土壤调理剂施用量和方法均保持一致。试验设3处理，分别是处理1 (对照T1)：常规施肥(大田基施40%复混肥25 kg/667m2，蘖肥施尿素10 kg/667m2、氯化钾10 kg/667m2)，处理2 (T2)：常规施肥 + 基施土壤调理剂150 kg/667m2，处理3 (T3)：常规施肥 + 基施土壤调理剂200 kg/667m2。随机区组排列，3次重复，小区面积30 m2。小区间做高20 cm、宽30 cm土埂，并覆膜隔离，单排单灌，四周设置1.5 m宽保护行。
2.4. 田间管理
试验采用湿润育秧，划行移栽，株行距20 cm × 20 cm，早稻插2粒谷苗/蔸，晚稻插1粒谷苗/蔸。移栽前1天按试验要求分小区基施复混肥和土壤调理剂，蘖肥于插后7天分小区均匀撒施。水分管理和病虫防治等其它措施按品种高产栽培及农事季节要求进行，且处理间相互保持一致。
2.5. 测定指标与方法
基础土样于2018年早季稻田翻耕前按“S”形9点取样法采集1 kg，风干过筛后测定土壤中Cd含量和其它理化指标。收获前1天每个小区调查50蔸的有效穗，并按穗数平均值取5蔸有代表性的稻株考察穗部性状。各小区单收单晒测实产，并随机取500 g稻谷测定稻米镉、蛋白质和硝酸盐含量。稻谷收割后，各小区5点取表层20 cm混合土样500 g，风干后过20目和100目筛，测定土壤镉含量及土壤理化性状。土壤全镉采用王水–高氯酸消煮–原子吸收光谱法，有效态镉测定采用原子吸收法(GB/T 23739-2009)；稻谷Cd全量采用HNO3-H2O2微波消煮、ICP-MS测定；土壤pH采用水提玻璃电极法测定，土壤理化性状详细测定方法参照土壤农化分析 [9]。
所有的数据采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17.0统计分析。
3. 结果
3.1. 土壤调理剂对土壤镉、铝、锰的影响
每季水稻成熟后土样镉、铝、锰检测结果表明(表2)，有效态镉含量六季的变化趋势一致，T3 < T2 < T1，试验第1年每季3个处理间差异不显著，试验第2年和第3年每季T3和T2之间差异不显著，但与T1差异显著。交换性铝和有效锰含量六季变化趋势与有效态镉含量变化趋势相似，T2、T3均低于T1，差异达到显著水平，但T2和T3差异不显著。随着施用次数的增加，处理2) 和处理3) 土壤有效镉、交换性铝和有效锰含量呈依次减少趋势。说明在本试验条件下，基肥增施土壤调理剂可降低土壤有效镉、交换性铝和有效锰含量，土壤调理剂施用量由150 kg/667m2增加到200 kg/667m2，降低效果差异不显著。
Table 2. Test results of cadmium, aluminum and manganese in soil
表2. 土壤镉、铝、锰含量检测结果
注：表中同列数据后不同小写字母分别表示处理间差异达到5%显著水平，下同。
3.2. 土壤调理剂对土壤pH和盐基饱和度的影响
从每季水稻成熟后土样pH和盐基饱和度检测结果来看(表3)，土壤pH值随着土壤调理剂施用量的增加上升，即T3 > T2 > T1，且每季变化趋势相同；T2和T3差异不显著，二者与T1的差异由不显著向显著递增。盐基饱和度的变化趋势与pH值相似，随着土壤调理剂施用量的增加而提高，T2、T3与T1的差异显著。说明本试验条件下，基肥增施土壤调理剂可降低土壤酸性。
Table 3. Test results of soil pH value and base saturation
表3. 土壤pH值、盐基饱和度检测结果
3.3. 土壤调理剂对土壤养分的影响
每季水稻成熟后土壤养分检测结果显示(表4)，基肥增施土壤调理剂后，T3和T2的有机质和碱解氮均较T1增加，但每季3个处理间差异不显著。有效磷含量，T3和T2有5季较T1增加，1季减少，每季3个处理间差异不显著。速效钾含量，T2有4季较T1上升，T3有5季较T1上升；且每季3个处理间差异不显著。这说明，基肥增施土壤调理剂对增加有机质含量、提高碱解氮、有效磷和速效钾含量有一定作用。
Table 4. Test results of soil N, P, K and organic matter content
表4. 土壤氮、磷、钾和有机质含量检测结果
3.4. 土壤调理剂对稻米镉、蛋白质、硝酸盐含量的影响
稻米检测结果表明(表5)，每季水稻T2、T3稻米镉含量显著低于T1，随着施用年限的增加，降镉效果有逐年提高的趋势，2018年在21.4%~36.3%之间、2019年在26.7%~33.3%之间、2020年在32.5%~49.9%之间，T2与T3之间差异不显著。T2稻米镉含量6季平均值为0.281 mg/kg，较T1稻米镉含量6季平均值低0.126 mg/kg，平均降镉幅度30.0%；处理3) 稻米镉含量6季平均值为0.264 mg/kg，较T1米镉含量6季平均值低0.143 mg/kg，平均降镉幅度35.1%。稻米蛋白质含量，6季水稻变化趋势相同，随土壤调理剂施用量的增加而增加(T3 > T2 > T1)，每季3个处理间无显著差异。稻米硝酸盐含量变化趋势则相反，随土壤调理剂施用量的增加而减少(T3 < T2 < T1)，T2与T3之间差异不显著，二者与T1的差异显著。
Table 5. Detection results of cadmium, protein and nitrate in rice
表5. 稻米镉、蛋白质、硝酸盐含量检测结果
3.5. 土壤调理剂对水稻产量的影响
产量差异分析结果表明(表6)，2018年、2019年和2020年3个试验年度，早季T3比T1依次分别增产6.7%、8.4%和10.5%，增产差异显著；T2比T1依次分别增产5.9%、6.2%、4.1%，其中2019年增产差异显著，2018年和2020年增产差异不显著，T2和T3产量差异不显著。晚季T3比T1依次分别增产7.9%、7.1%和7.8%，增产差异显著；T2比T1依次分别增产5.4%、5.1%、5.8%，其中2019年和2020年增产差异显著，2018年增产差异不显著，T2和T3产量差异不显著。
Table 6. Comparison of significant differences in yield among different treatments
表6. 不同处理产量差异显著性比较
注：表中同列数据后不同大小写字母分别表示处理间差异达到1%和5%显著水平。
4. 讨论
1) 有机质含量是评价土壤肥力高低的主要指标之一，碱解氮是反映当期土壤氮素供应的重要指标。在本试验条件下，基肥增施土壤调理剂后，土壤有机质含量增加，碱解氮、有效磷和速效钾含量均上升，土壤的pH上升，盐基饱和度提高，为农作物养分吸收创造了有利条件，促进水稻丰产稳定，对酸性黄泥田改良效果持续稳定。
2) 谢运河等研究表明，土壤调理剂主要通过3个途径降低农作物对重金属的吸收：一是调理土壤酸碱度，提高土壤pH，降低土壤重金属镉活性；二是含大量硅、磷、钾、钙、镁、锰、锌以及其它微量元素等，为农作物提供养分的同时，与土壤中镉等重金属镉等产生拮抗或络合作用，降低农作物对镉的吸收转运；三是增加土壤有机质含量，提高土壤对重金属的吸附性能，扩大土壤环境容量，减少对土壤中重金属镉等被植物的吸收利用 [10]。本研究检测结果表明，供试土壤调理剂将3种降镉途径融合在一起，土壤有效镉、交换性铝和有效锰含量较对照明显下降，稻米中镉含量显著低于对照，所以对降低土壤重金属活性、及阻止稻株对镉的吸收有较好效果。
3) 稻米镉检测结果表明，施土壤调理剂150 kg/667m2处理，稻米镉含量6季平均减少30.0%，蛋白质平均提高0.53个百分点，硝酸盐平均减少0.9 mg/kg；施土壤调理剂200 kg/667m2处理，稻米镉含量6季平均减少35.1%，蛋白质平均提高0.80%，硝酸盐平均减少1.2 mg/kg，说明基肥增施土壤调理剂可有效改善稻米品质。但稻米镉含量仍高于0.2 mg/kg以下的品质标准要求，因此田间实际生产中建议与叶面喷施阻镉剂等降镉措施配合使用，采用“VIP + N”方式进行综合修复治理，确保稻米中镉等重金属指标合格。
基金项目
国家水稻产业技术体系项目(CARS-01-84)。
NOTES
*通讯作者。