水分管理模式与土壤Eh值对水稻Cd迁移与累积的影响

通过水稻盆栽试验,研究了4种水分管理模式[水稻全生育期湿润灌溉(M)、灌浆期湿润和灌浆期后淹水灌溉(M-F)、灌浆期淹水和灌浆后湿润灌溉(F-M)、全生育期淹水灌溉(F)]对土壤Eh值、Cd生物有效性及对水稻Cd迁移与累积的影响.结果表明土壤Eh值从负值变为正值时,土壤交换态Cd含量先升高后降低.与M处理相比,F-M、M-F、F处理显著降低水稻根、茎叶、谷壳、糙米Cd含量,其中M-F和F处理水稻糙米Cd含量分别为0.19 mg·kg~(-1)和0.10 mg·kg~(-1),均低于国家食品污染物限量0.2 mg·kg~(-1)的标准(GB 2762-2012).与M处理相比,F-M、M-F、F处理显著降低水稻地上部Cd累积量和水稻中Cd的转运系数.水稻地上部分Cd累积量、水稻中Cd的转运系数、水稻糙米Cd含量与土壤Eh值均存在正指数关系.4种水分管理模式中,M-F处理的水稻产量最高.虽然威优46被认为是Cd高累积水稻品种,但是在5 mg·kg~(-1)的Cd污染土壤中进行适当的水分管理,威优46糙米Cd含量也能够达到国家标准.因此,为了保证水稻的食品安全和水稻产量,建议采用M-F处理作为水分管理模式,且灌浆期后的土壤Eh值保持在-160~-130 m V范围.     

不同水分管理模式联合叶面喷施硅肥对水稻Cd累积的影响

在某重度Cd污染稻田(Cd含量2.83 mg·kg~(-1))开展8种水分管理措施联合叶面喷施硅肥的大田试验,研究不同处理对水稻生长及各部位Cd累积的影响.结果表明:①8种水分管理措施联合叶面喷施硅肥处理对水稻株高和分蘖数没有明显影响,但各处理均增加了水稻糙米生物量,增幅为1.7%～25.0%,其中成熟期淹水+叶面喷施硅肥处理(CY)下糙米生物量达到最高.②常规水分管理+叶面喷施硅肥处理(Si)对土壤Cd两种提取态含量无明显影响,而其他处理降低土壤交换态Cd含量7.8%～42.6%,降低土壤TCLP提取态Cd含量20.0%～40.8%.③常规水分管理+叶面喷施硅肥处理(Si)能降低水稻各部位Cd含量,糙米Cd含量下降了19.0%;其他处理显著降低了水稻各部位中Cd含量,其中仅成熟期湿润+叶面喷施硅肥处理(CS)降低糙米Cd含量降幅最大,降低了44.0%,其次为间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理(JX)和仅灌浆期湿润+叶面喷施硅肥处理(GS),分别降低36.4%和31.8%.④在中重度Cd污染稻田建议采用仅成熟期湿润+叶面喷施硅肥处理(CS)和间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理(JX),在不影响水稻产量的同时又显著降低糙米Cd含量.     

基施硅肥对土壤镉生物有效性及水稻镉累积效应的影响

为研究硅肥对土壤Cd生物有效性以及水稻累积重金属Cd的影响,模拟土壤低Cd污染水平(Cd总量为0.72mg·kg~(-1))和土壤高Cd污染水平下(Cd总量为5.08 mg·kg~(-1)),土壤基施0、15、30、60 mg·kg~(-1)的硅肥,进行水稻盆栽种植实验.结果表明,施用15~60 mg·kg~(-1)硅肥能提升水稻各生育期土壤的pH值,降低土壤交换态Cd含量和TCLP提取态Cd含量24.2%~43.7%,12.7%~46.8%,土壤中Si能与Cd形成Si-Cd复合物,降低土壤Cd的生物有效性,且降低效果在土壤低Cd污染水平时优于高Cd污染水平.硅肥提升水稻地上部的生物量尤其是产量.土壤低Cd污染水平下,Si对土壤Cd向水稻地上部的转运有促进和阻碍两种作用,施用量过低(Si 15 mg·kg~(-1))或过高(Si 60 mg·kg~(-1))时均促进土壤Cd向水稻地上部转运,施用量为30 mg·kg~(-1)时则阻碍Cd向上转运.随着Si施用量的增大,糙米Cd含量先上升后下降,范围为0.07~0.15 mg·kg~(-1),均低于0.2 mg·kg~(-1).土壤高Cd污染水平下,Si阻碍Cd向水稻地上部的转运,糙米、谷壳、茎叶的Cd含量分别降低38.7%~48.5%、35.7%~70.7%、30.9%~40.7%,糙米Cd含量范围0.23~0.28 mg·kg~(-1).综合考虑产量和糙米Cd含量,土壤低Cd污染水平下,建议施用30 mg·kg~(-1)的Si;高Cd污染水平下,建议施用Si 15~60 mg·kg~(-1).     

调理剂+淹水措施对Cd污染稻田控Cd效果分析

为探明淹水措施、基施湘润邦土壤调理剂、矿物硅肥+喷施叶面肥、石膏粉以及综合处理对不同污染土壤修复效果和作用机制,通过在3个不同类型Cd污染耕地布置小区试验,研究了单一处理及综合措施对阻控污染耕地稻米吸收累积Cd的影响.结果表明,淹水措施、单一施用调理剂、综合施用结合淹水处理能降低土壤有效态Cd和水稻各器官Cd含量,土壤有效态Cd降低6. 58%～30. 01%,糙米Cd含量降低12. 65%～68. 68%,降低效果为综合处理(T6)基施石膏粉(T5)基施湘润邦土壤调理剂(T3)矿物硅肥+喷施叶面肥(T4)淹水处理(T2)(以两季水稻糙米Cd含量降低效果平均值计算).试验中5个处理使水稻各部位富集系下降,是引起糙米Cd含量下降的主要原因之一.根据田间小区试验显示,基施湘润邦土壤调理剂、矿物硅肥+喷施叶面肥和石膏粉组配施用结合淹水措施可作为Cd污染耕地稻米Cd阻控的有效方法.     

外源锌刺激下水稻对土壤镉的累积效应

采用水稻盆栽实验研究不同含量外源Zn对模拟Cd中度污染和重度污染土壤中水稻低累积品种湘晚籼12和高累积品种威优46水稻各部位累积Cd的影响.结果表明,在Cd中度污染水平,外源Zn分别增大2种水稻各部位Cd含量,湘晚籼12和威优46糙米Cd含量分别增加125.0%~275.0%和6.6%~91.2%,但各处理糙米Cd含量不高于0.2 mg·kg~(-1);在Cd重度污染水平,外源Zn有降低水稻各部位中Cd含量的作用,湘晚籼12和威优46糙米Cd含量相应降低了16.6%~63.5%和15.6%~74.4%,且威优46糙米Cd含量随外源Zn施用含量的增大而逐渐降低,使得糙米中Cd含量低于0.2 mg·kg~(-1).水稻糙米累积Cd含量与土壤中Cd、Zn交换态含量的相关关系,因Cd污染程度和水稻品种的不同而不同.在Cd中度污染水平,湘晚籼12水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Zn含量正线性相关,而威优46水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Cd和Zn含量正线性相关;在Cd重度污染水平,威优46水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Cd和Zn含量为负线性相关.在不造成土壤Zn污染的前提下,可向Cd重度污染土壤施用一定量的Zn肥,以降低糙米Cd含量,提高糙米品质.     

富硅肥料和水分管理对稻米镉污染阻控效果研究

在已筛选出的施硅方式(基施和叶面喷施相结合)基础上,选择典型单一镉污染稻田土壤(pH=4.97,总Cd 4.1 mg·kg~(-1)),并结合2种稻田水分管理方式,进一步开展不同水肥管理方式对常规早稻(湘早籼45)和杂交晚稻(丰源优299)的3个生育期内各部位中Cd含量及成熟期生物量的影响研究.实验设计4个处理:不施硅肥+常规间歇淹水措施(CK)、不施硅肥+全生育期淹水措施(W)、2种硅肥配施+常规间歇淹水措施(SiLsi)、2种硅肥配施+全生育期淹水措施(SiLsi+W).结果表明,4个处理下,早晚稻试验结果基本一致,但各试验处理对晚稻的阻镉效果更加明显;与CK相比,各处理都能显著降低水稻籽粒中Cd的含量且不会明显影响水稻产量,其中以SiLsi+W对籽粒的降Cd效果最佳(晚稻精米中Cd的含量为0.12 mg·kg~(-1),达到了国家粮食安全生产标准:Cd0.2 mg·kg~(-1)),分别使晚稻谷壳、糙米和精米的降Cd幅度达到93.65%、86.70%和91.18%,W和Si Lsi处理的降Cd效果次之.因此,SiLsi+W可作为一种有效的稻米镉污染控制技术.     

典型土壤双季稻对Cd吸收累积差异

用盆栽试验方法研究典型土壤双季稻条件下水稻对Cd的吸收累积差异.选取典型水稻土黄泥田(板页岩母质发育)和麻砂泥(花岗岩母质发育),通过添加不同浓度梯度外源Cd,进行盆栽试验,研究双季稻不同生育期土壤有效态Cd(DTPACd)、水稻植株各部位以及糙米Cd累积情况.结果表明,双季稻晚稻生育期土壤有效态Cd大于早稻,黄泥田大于麻砂泥,其差异性均达极显著水平(P0.01).水稻植株各器官(根、茎、叶、壳和糙米)Cd累积量随外源Cd增加和生育期的延长而呈现递增的趋势.不同生育期、不同土壤水稻糙米与植株各器官Cd累积量差异显著,具体表现为:早稻小于晚稻,黄泥田小于麻砂泥.水稻各器官(根、茎、叶、壳和糙米)中Cd含量与土壤有效Cd含量呈显著或极显著正相关关系.应用稻米Cd含量预测模型及水稻累积Cd的特征方程推算出土壤Cd安全阈值为:黄泥田早稻0.98 mg·kg~(-1)和晚稻:0.83 mg·kg~(-1);麻砂泥分别为0.86 mg·kg~(-1)和0.56 mg·kg~(-1).不同母质土壤的安全阈值与环境容量不同,其环境质量标准与污染修复控制措施应该有所区别.     

外源锌对水稻各部位镉吸收与累积的拮抗效应

为探明外源锌(Zn)对镉(Cd)污染稻田系统Cd吸收累积的影响,采用盆栽试验,向轻度(Cd含量为0.50 mg·kg~(-1))和中度(Cd含量为1.50 mg·kg~(-1))Cd污染土壤中施用不同浓度的外源Zn,研究Zn对土壤、水稻根表铁膜和水稻各部位中Cd、Zn含量变化的影响,探讨外源Zn对Cd污染稻田系统Cd吸收累积的交互作用.结果表明,在2种Cd污染土壤中,施用外源Zn显著降低了湘晚籼12糙米Cd含量,降低幅度为13.4%～78.4%;在轻度Cd污染土壤中,施用外源Zn显著降低了威优46糙米Cd含量,降低幅度为14.7%～79.8%,而在中度Cd污染土壤中,当外源Zn浓度超过40 mg·kg~(-1)将增加威优46糙米Cd含量;在2种Cd污染土壤下均显著增加2种水稻根表铁膜数量,分别增加14.7%～85.9%、5.8%～61.2%;但对土壤交换态Cd含量无显著影响.在2种Cd污染土壤中,2种水稻各部位Cd/Zn比值与Cd含量正线性相关,且各部位Cd/Zn比值呈下降趋势,2种水稻糙米、茎叶间Cd-Zn拮抗作用显著.轻度Cd污染土壤中,施加外源Zn可以降低湘晚籼12和威优46糙米中的Cd含量;中度Cd污染土壤中,外源Zn仍然可以降低湘晚籼12糙米Cd含量,而当外源Zn施加量高于40 mg·kg~(-1)时将增加威优46糙米的Cd含量.     

钙镁磷肥对石灰、海泡石组配修复镉污染稻田土壤的影响

改良剂组配(例如羟基磷灰石和沸石)可有效降低土壤中重金属的生物有效性,抑制水稻对重金属的积累,从而提高农产品的安全水平.本文通过田间试验,研究钙镁磷肥施用对石灰、海泡石组配降低稻田土壤有效态Cd含量、水稻各部分中Cd含量的影响.结果表明,施用钙镁磷肥可显著促进石灰、海泡石组配的钝化修复效果.与石灰、海泡石组配处理相比,施用钙镁磷肥,土壤中有效态Cd含量和糙米中Cd含量显著降低,在施用2 250 kg·hm~(-2)钙镁磷肥的条件下,土壤中Cd~(2+)发生沉淀或络合反应生成难溶性磷酸镉而降低土壤酸可提取态、可还原态和可氧化态Cd的占比,土壤中有效态Cd含量显著(P0.05)降低46.97%,糙米中Cd含量降低至0.04 mg·kg~(-1),低于《食品安全国家标准》(GB 2762-2017)中糙米镉限量(0.2 mg·kg~(-1))标准,且糙米产量增加28.34%.相关性分析结果表明,水稻根、茎叶和糙米中Cd含量与土壤中有效态Cd含量,水稻糙米中Cd含量与根和茎叶中Cd含量呈极显著正相关关系(P0.01),土壤有效态Cd含量是影响水稻糙米中Cd含量的关键性因素,钙镁磷肥可提高石灰与海泡石对土壤中有效态Cd降低效果来减少水稻根和茎叶对Cd的吸收,进而降低糙米中Cd含量.上述结果表明,施用钙镁磷肥提高了石灰、海泡石组配降低糙米中Cd含量的效果,可实现Cd污染稻田水稻安全生产和增产.     

施加盐基离子调控水稻Cd的吸收与累积

盐基离子含量是土壤肥力的重要指标,也是决定土壤Cd生物有效性的重要因素.为探明盐基离子对稻田系统中Cd迁移、转运与累积的影响,本研究通过水稻盆栽试验,按照土壤中盐基离子的物质的量比施加不同浓度梯度KCl、CaCl_2、NaCl和MgCl_2到模拟制备的轻度(0.5 mg·kg~(-1))和中度(1.5 mg·kg~(-1))Cd污染土壤,分析盐基离子对土壤CaCl_2提取态Cd含量和水稻吸收累积Cd的影响.结果表明:施加盐基离子能够增加土壤阳离子交换量(CEC),在轻度和中度Cd污染土壤中,土壤CaCl_2提取态Cd含量分别下降了24.6%～56.1%和17.0%～71.1%,糙米Cd含量分别降低了9.1%～60.5%和7.2%～36.0%.在轻度和中度Cd污染土壤中,糙米Cd含量与土壤CaCl_2提取态Cd含量之间存在线性正相关关系,根、茎、叶Cd含量与Ca含量均呈线性负相关.     

氯基和硫基肥对土壤镉水稻生物有效性的影响

为探明氯基和硫基化肥单施或混施对土壤镉（Cd）水稻生物有效性的影响,选取典型水稻土红黄泥（第四纪红色黏土母质发育）,按不同比例添加氯基肥（KCl、NH₄Cl）和硫基肥［K₂SO₄、（NH₄）₂SO₄］,在3种外源Cd水平下（0、0.5和2.0 mg ·kg^-1）进行水稻盆栽试验,研究土壤pH、Cd形态、水稻植株各部位和糙米Cd富集情况.结果表明,施用氯基和硫基肥均会使土壤酸化,但氯基肥的影响更显著.水稻灌浆期,单施氯基肥较单施硫基肥的土壤pH值平均降低了0.28;水稻成熟期,氯基肥对残渣态Cd具有活化作用,而硫基肥会将酸可提取态Cd钝化为残渣态;氯基和硫基肥混施较单施同种肥料更易促进水稻植株富集Cd;糙米Cd富集量在氯基和硫基肥1 ：1处理时最高,为0.21 mg ·kg^-1（2.0 mg ·kg^-1外源Cd水平）,较单施氯基肥提高了16.4%,较单施硫基肥显著提高了113.3%.因此,氯基肥和硫基肥混施会使水稻糙米Cd富集量上升,为保障粮食品质安全,水稻种植更宜单施硫基肥.     

组配改良剂对稻田系统Pb、Cd和As生物有效性的协同调控

通过水稻盆栽种植试验,研究了两种组配改良剂LST(石灰石+海泡石+二氧化钛)和LSF(石灰石+海泡石+硫酸铁)在不同添加量(0、1、2、4、8、16 g·kg-1)下对水稻土壤Pb、Cd和As的生物有效性以及水稻吸收累积Pb、Cd和As的影响.结果表明:1与对照相比,组配改良剂LST和LSF均使土壤p H值上升,且与对照之间均存在显著差异(P0.05);两种组配改良剂相比,LST比LSF使土壤p H值上升得更多.2施用1~16 g·kg-1的LST和LSF使土壤中Pb、Cd和As的交换态含量分别降低16.8%~88.3%、22.4%~73.7%、2.25%~43.8%和20.2%~86.9%、20.7%~51.2%、18.0%~55.1%,均与对照之间存在显著差异.LST和LSF均能显著降低水稻植株对Pb、Cd和As的吸收.当LST和LSF施加量为16 g·kg-1时,糙米中Pb、Cd和As的含量最高分别降低了50.7%、64.7%、34.1%和40.7%、40.7%、36.2%.3水稻各部位对Pb和As的转运能力为谷壳茎叶根系,对Cd的转运能力为谷壳根系茎叶,水稻中谷壳向糙米转运Pb、Cd和As的能力为CdAsPb.4施加LST和LSF后,水稻糙米中Pb、Cd和As含量与土壤Pb、Cd和As交换态含量之间存在极显著的正相关关系,与土壤p H值之间存在显著的负相关关系.     

稻田土壤Cd污染与安全种植分区:以重庆市某区为例

水稻对土壤中Cd的富集积累能力强,开展稻田土壤Cd污染与安全种植分区研究对于区域土地有效利用具有重要意义.在重庆市某区22个镇同步采集稻田土壤-水稻样品300套,测定土壤pH、Cd全量和有效态含量、糙米Cd含量,采用地累积指数、生物富集系数和单因子污染指数评价土壤Cd污染状况;结合土壤和糙米Cd污染指数进行水稻安全种植分区.结果表明,研究区稻田土壤总体偏酸性,Cd全量为0.09~1.60 mg ·kg^-1,超过风险筛选值的点位占35.0%;糙米Cd含量为0.002~0.808 mg ·kg^-1,超过食品安全限量值的点位占13.7%.Pearson相关分析表明,糙米Cd含量与土壤Cd全量、有效态Cd含量均呈极显著正相关（P<0.01）.污染评价显示,稻田土壤呈现明显的Cd累积,部分土壤表现为轻-中度污染;糙米对土壤Cd的富集系数为0.004~1.72.研究区稻田土壤总体为安全或基本安全,低风险区在南部、西部和东部均有分布;中高风险区面积较小,主要分散在8个地区.     

三元土壤调理剂对田间水稻镉砷累积转运的影响

通过镉砷复合污染稻田的土壤调理剂原位治理,研究了三元土壤调理剂QFJ（羟基磷灰石+沸石+改性秸秆炭）对稻田土壤基本理化性质和水稻各部位镉砷累积转运的影响.结果表明,在土壤Cd总量3.58 mg·kg^-1,As总量124.79 mg·kg^-1污染程度下,施用QFJ后,水稻根际土壤pH值、阳离子交换量及有机质含量有增大的趋势;土壤交换态Cd和As含量可分别从0.37 mg·kg^-1、0.07 mg·kg^-1下降到0.12 mg·kg^-1、0.04 mg·kg^-1.QFJ的施用,可有效降低水稻各部位中Cd和As含量,在9.00 t·hm^-2施用量水平,可将糙米中Cd含量从0.46 mg·kg^-1下降到0.18 mg·kg^-1,无机As含量从0.25 mg·kg^-1降低到0.16 mg·kg^-1,同时低于国家食品污染物限量标准0.2 mg·kg^-1的要求,实现水稻安全生产.施用QFJ减少了水稻根系对Cd和As的富集,降低了水稻植株将Cd从地下部转运到地上部的能力,降低了根系转运Cd的能力以及茎叶、谷壳转运As的能力.     

碱性废弃物及添加锌肥对污染土壤镉生物有效性的影响及机制

采用盆栽方法,以石灰作对比研究了2种碱性废弃物(纸厂滤泥和赤泥)及添加锌肥对酸性镉污染稻田土壤的修复效应及其相关机制,同时利用大田试验进行了验证.结果表明,盆栽条件下施用石灰、纸厂滤泥和赤泥(2 g·kg^-1)后土壤 pH显著提高,在淹水平衡7 d和水稻移栽后30 d时土壤交换性钙含量显著高于不施的对照,增幅分别为33.1%～76.0%和31.0%～78.3%,同时土壤有效态镉含量显著降低,淹水平衡7 d时降幅为38.4%～45.0%,水稻移栽后30 d和60 d时降幅分别为37.4%～52.9%和33.2%～38.7%,水稻根系和糙米镉含量显著降低,降幅分别为24.0%～48.5%和26.3%～44.7%.等量碱性物质对提高土壤 pH和降低水稻镉累积的效果为石灰＞赤泥＞纸厂滤泥.纸厂滤泥和赤泥添加锌肥(0.2 g·kg^-1)对降低水稻镉累积的效果均比两者单施更明显.大田试验结果趋势基本相同,施入不同量的纸厂滤泥、赤泥及与锌肥配施后两季作物镉累积量显著减少,当季水稻糙米和第二季油菜籽粒镉含量分别较对照降低了27.1%～65.1%和16.4%～41.6%,糙米镉含量基本达到国家粮食卫生标准(GB 2715-2005).因此,对于中轻度酸性镉污染稻田土壤,利用纸厂滤泥、赤泥及与锌肥配合施用是一种可行的修复方法,通过构建与土壤镉污染程度等特征相适应的碱性废弃物用量与锌肥配施比例,可确保稻米质量安全.     

不同水稻品种对重金属的积累特性

采用田间试验法,以南方主要种植的129个水稻品种为研究对象,通过对稻米样品中镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、无机砷(As)和总汞(Hg)重金属含量的测定,分析不同品种和类型的水稻对重金属吸收能力的差异.结果表明,35个早稻糙米Cd含量在0. 35～0. 60 mg·kg~(-1)之间,超标率100%,糙米Pb含量在0. 08～0. 30 mg·kg~(-1)之间,超标率14. 29%; 54个中稻糙米Cd含量在0. 03～0. 45 mg·kg~(-1)之间,超标率33. 33%; 40个晚稻糙米Cd含量在0. 08～0. 20 mg·kg~(-1)之间,均未超过国家标准.早、中、晚稻都表现出三系杂交稻糙米Cd含量高于两系杂交稻,但是差异不明显;早稻三系杂交稻糙米Cr和总Hg含量显著高于两系杂交稻.中稻糙米Cd含量与Pb和总Hg含量间呈显著正相关;与糙米中无机As含量间存在极显著负相关;而与糙米中Cr含量间相关性不明显.总之,水稻对重金属的吸收积累,受遗传背景、品种类型和重金属互作的影响较大.