镉污染稻田水分调控与石灰耦合的季节性休耕修复效应

张子叶，谢运河，黄伯军，纪雄辉,，刘昭兵，张玉烛

（1. 湖南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；2. 湖南省农业环境生态研究所，农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410125；3. 南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410125；4. 农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125；5. 湖南省农业对外经济技术合作中心，湖南 长沙 410005；6. 湖南杂交水稻研究中心，湖南 长沙 410125）

近年来，我国粮食产量出现“十二连增”，国内 粮食供应充足，但在粮食连年增产的同时，耕地长期处于高负荷的运转状态，耕地地力严重透支，耕作层变浅，土壤质量退化，已成为制约农业可持续发展的突出矛盾[1-2]，由于不合理的耕作方式和施肥，湖南部分地区稻田有机质含量下降50%以上[3]；另一方面，土壤持续酸化[4-5]，耕地重金属污染加剧[6]，采用物理、化学钝化的原位修复技术可实现“边修复边生产”的需求[7-8]，确保粮食数量和质量安全，但在实际应用过程中，受施用土壤调理剂理化性质、水稻种植农时等因素的影响，存在实施时间紧、难度大等缺点，极大的限制了产品的修复效果。因此，在国际粮价持续走低，而我国经济实力持续增强的背景下，开展耕地轮作休耕制度试点，充分体现了尊重人与自然和谐发展的新理念，为我国实现“藏粮于地、藏粮于技”的重大战略目标打下坚实的基础，为农业可持续发展开辟了新的道路[9-11]。研究针对水稻种植期间土壤调理剂施用困难的缺陷，结合国家休耕政策，选择休耕的镉（Cd）污染稻田，在休耕季节实行不同的水分管理和石灰施用，拟探明季节性休耕条件下不同水分管理和石灰施用下对土壤主要理化性状、土壤有效态Cd含量以及复耕后水稻产量及稻米Cd含量的影响，为Cd污染稻田采用修复式休耕提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为花岗岩发育的麻砂泥水稻土，地处长沙县北山镇常乐村（28°26′38″N，113°03′50″E）。土壤pH值5.45，土壤全氮2.45 g/kg，全磷1.32 g/kg，全钾34.6 g/kg，有机质43.4 g/kg，碱解氮231 mg/kg，有效磷25.7 mg/kg，速效钾168 mg/kg。土壤全Cd 0.57 mg/kg，土壤有效态（1 mol/L乙酸铵提取）Cd含量0.11 mg/kg。供试水稻品种为籼型三系杂交水稻H优518，全生育期108 d。供试石灰的CaO含量70.5%。

1.2 试验方法

试验于2016年采用季节性（3～7月）休耕方式，按照裂区随机区组排列方法，将试验田一分为二，一半在休耕季节干旱管理，设置施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的用量处理，处理编号依次为H0、H1、H2、H3、H4；另一半在休耕季进行淹水管理，淹水深度3～10 cm，设置施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的用量处理，处理编号依次为Y0、Y1、Y2、Y3、Y4，并在淹水处理的区域设置常规管理下种植双季稻的对照（CK）。所有处理3次重复，单排单灌，小区面积30 m2，小区间田埂铺盖塑料薄膜至田面20 cm以下，防止小区间串肥串水。其中，石灰在3月10日施入并翻田耙匀，所有休耕小区在5月中旬再翻耕一次，小区内杂草直接翻耕还田。所有小区种植晚稻，对照的早稻及所有小区的晚稻按照当地常规方法进行种植，分蘖盛期晒田一次，水分则按照当地干湿交替的管理方法进行。分别于5月5日、7月5日、9月5日和11月5日共4次取各小区土壤样品测定pH值和有效态Cd含量；晚稻成熟期测产，并测定土壤有机质含量、阳离子交换量以及稻米Cd含量。

1.3 数据分析方法

数据处理：采用SPSS 17.0及Microsoft Excel 2003进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 休耕季水分管理与石灰施用条件下稻田土壤pH值的变化

在早、晚稻不同时间测定稻田土壤pH值，结果表明（图 1），淹水休耕（Y0～Y4）或干旱休耕（H0～H4）下，不同时间测定的稻田土壤pH值皆随石灰施用量的增加而增加，但不同测定时期间略有波动。计算4次土壤pH值测定平均值可知，不施石灰的淹水休耕处理（Y0）和干旱休耕处理（H0），其土壤pH值与CK无显著差异；而施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的淹水休耕处理，其土壤pH值比干旱休耕处理分别低0.26、0.31、0.51、0.31和0.19个单位，平均低0.32个单位，表明淹水降低了土壤的pH值。建立石灰施用量（x，单位：103 kg/hm2）与土壤pH值（y1）的线性方程：

计算可得，干旱休耕条件下每施用石灰1 000 kg/hm2可提高土壤pH值0.238 2个单位，而淹水休耕条件下每施用石灰1 000 kg/hm2可提高土壤pH值0.246 5个单位。由此可见，淹水休耕降低了土壤的基准土壤pH值，但施用生石灰提高土壤pH值的效果略高于干旱休耕。

图1 不同处理下的稻田土壤pH值

2.2 休耕季水分管理与石灰施用条件下稻田土壤有效态Cd含量的变化

在早、晚稻不同时间测定稻田土壤有效态Cd含量结果表明（图2），淹水休耕（Y0～Y4）或干旱休耕（H0～H4）下，土壤有效态Cd含量皆随石灰施用量的增加而逐渐下降；且同一处理的土壤有效态Cd含量除第一次（5月5日）差异较大外，其余3次之间的波动较小。第一次测定的土壤有效态Cd含量，不施石灰的淹水休耕处理（Y0）土壤有效态Cd含量与CK无显著差异，但Y0和CK处理的土壤有效态Cd含量皆显著低于不施石灰的干旱休耕处理（H0），其原因主要是CK的双季稻种植过程中，早稻季雨水丰富，淹水时间较多，其水分管理上与H0较为接近所致；干旱休耕下不同石灰施用量处理（H0～H4）第一次测定的土壤有效态Cd含量显著高于后期测定的土壤有效态Cd含量，而淹水休耕下则为第一次测定的土壤有效态Cd含量显著低于后期测定的土壤有效态Cd含量，表明季节性休耕下，水分管理主要是影响前期（早稻分蘖盛期）的土壤有效态Cd含量，淹水降低土壤有效态Cd含量，而干旱则增加土壤有效态Cd含量，但随处理时间的后移，土壤有效态Cd含量趋于稳定，且淹水休耕或干旱休耕下土壤有效态Cd含量主要受石灰施用量的影响，土壤有效态Cd含量皆随石灰施用量的增加而下降。计算4次土壤有效态Cd平均含量，建立石灰施用量（x，单位：103 kg/hm2）与土壤有效态Cd含量（y2）的线性方程：

干旱休耕：y2=-0.007 5 x+0.097 0 （R2=0.779 4） （3）

淹水休耕：y2=-0.007 5 x+0.083 4 （R2=0.844 4） （4）

计算可得，干旱休耕和淹水休耕下，每施用石灰1 000 kg/hm2皆可降低土壤有效态Cd含量0.007 5 mg/kg，表明干旱休耕下与淹水休耕下施用石灰降低土壤有效态Cd含量的效果相当。

图2 不同处理下的稻田土壤有效态Cd含量

2.3 休耕季水分管理与石灰施用条件下稻田土壤有机质及阳离子交换量的变化

测定晚稻成熟期土壤有机质含量结果表明（图3），干旱休耕处理（H0～H4）的土壤有机质含量显著低于双季稻种植的CK处理和淹水休耕处理（T0～Y4），但干旱休耕或淹水休耕下不同石灰施用量处理间无显著差异，表明石灰施用量对土壤有机质含量无显著影响，土壤有机质含量主要受水分管理的调节，淹水休耕有利于土壤有机质含量的增加。

测定晚稻成熟期土壤阳离子交换量结果表明（图4），干旱休耕处理（H0～H4）的土壤阳离子交换量显著低于双季稻种植的CK处理和淹水休耕处理（T0～Y4），但干旱休耕或淹水休耕下，不同石灰用量处理间无显著差异，表明石灰施用量对土壤阳离子交换量无显著影响，土壤阳离子交换量也主要受水分管理的调控，淹水休耕条件也有利于土壤阳离子交换量的增加。

图3 不同处理下的休耕稻田土壤有机质含量

图4 不同处理下的休耕稻田土壤阳离子交换量

2.4 休耕季水分管理与石灰施用条件下复种水稻产量的变化

测定晚稻产量结果表明（图5），CK的晚稻产量最低，淹水休耕和干旱休耕皆可增加水稻产量，且结合施用石灰的修复式休耕产量更高，干旱休耕结合施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的晚稻产量分别比CK增产8.25%、13.06%、24.70%、23.19%和10.04%；淹水休耕结合施用石灰0、1 500、3 000、4 500和6 000 kg/hm2的晚稻产量分别比CK增产19.82%、24.52%、28.85%、27.37%和24.01%，全部高于干旱休耕处理。建立石灰施用量（x，单位：103 kg/hm2）与晚稻产量（y3）的二次曲线方程：

干旱休耕：y3=-70.451 x2+464.01 x+4 798.2

淹水休耕：y3=-31.475 x2+222.73 x+5 405.9

计算可得，干旱休耕时晚稻产量最高的石灰理论施用量为3 293 kg/hm2，晚稻理论最高产量为5 562 kg/hm2；淹水休耕时晚稻产量最高的石灰理论施用量为3 538 kg/hm2，晚稻理论最高产量为5 800 kg/hm2。

图5 不同处理下的休耕稻田晚稻产量

2.5 休耕季水分管理与石灰施用条件下复种水稻稻米Cd含量的变化

测定晚稻稻米Cd含量结果表明（图6），双季稻种植对照（CK）的晚稻稻米Cd含量最高，淹水休耕（Y0）和干旱休耕（H0）皆可显著降低稻米Cd含量，且稻米Cd含量皆随石灰施用量的增加而下降。其中，干旱休耕下，石灰施用量高于4 500 kg/hm2时，稻米Cd含量不再下降；而淹水休耕下，石灰施用量为3 000 kg/hm2时，稻米Cd含量不再下降。表明淹水休耕条件下，Cd污染土壤修复式休耕的石灰最佳施用量为3 000 kg/hm2；而干旱休耕条件下Cd污染土壤修复式休耕的石灰最佳施用量为4 500 kg/hm2。干旱休耕下修复Cd污染稻田的最佳石灰施用量高于淹水休耕。建立石灰施用量（x，单位：103 kg/hm2）与晚稻稻米Cd含量（y4）的二次曲线方程：

计算可得，干旱休耕时晚稻稻米Cd含量最低的石灰理论施用量为5 120 kg/hm2，晚稻理论最低稻米Cd含量为0.124 2 mg/kg；淹水休耕时晚稻产量最高的石灰理论施用量为4 636 kg/hm2，晚稻理论最低稻米Cd含量为0.100 7 mg/kg。由此可见，干旱休耕下降低稻米Cd含量效果最高的石灰施用量高于淹水休耕，但其理论最低稻米Cd含量却高于淹水休耕，表明淹水休耕条件下更有利于降低稻米Cd含量，并可减少石灰的用量。

图6 不同处理下的休耕稻田晚稻稻米Cd含量

3 讨 论

不同水分状态下，土壤中重金属的结合形态可互相转化。淹水还原条件下，有机结合态Cd最稳定；而氧化条件下，有机结合态Cd则被转化为生物可利用的水溶态、可交换态或溶解络合态而释放到水中，并随氧化还原电位的增大，释放量增加[12]。淹水土壤中，Ca2+和Mg2+等盐基离子对吸附点位的竞争、Cd2+与阴离子的配合、与可溶性有机质的螫合，均会促进土壤对Cd的解吸，淹水后土壤中所发生的一系列物理、化学变化都将直接或间接地对Cd在土—水界面上的吸附和解吸过程产生影响[13-15]。研究结果表明，相同石灰用量下，休耕期进行淹水可显著提高复种水稻后的土壤有机质含量及阳离子交换量，其土壤有效态Cd含量也皆低于干旱处理，并可显著降低稻米Cd含量。有研究表明，与通气良好的土壤相比，淹水土壤中O2的减少，可降低有机质的分解速率，从而导致有机质的累积[16-17]，且长时期淹水能够降低土壤盐分及速效养分含量，增加土壤耕层有机质含量[18]。表明休耕期进行淹水管理减缓了土壤有机质的分解，淹水休耕土壤的有机质含量高于干旱休耕土壤。而有机质既可通过改变土壤负电荷量、pH等理化性质以提高土壤对Cd的吸附；还因其具有大量的功能团，对Cd具有螯合作用，可导致Cd活性降低，且淹水后土壤有机质累积，水稳定性团聚体更加稳定，对Cd的吸附增强；进行淹水还可降低土壤阳离子浓度，减小与Cd对胶体吸附的竞争，促进土壤胶体对Cd的吸附；但有机质对土壤Cd的影响不稳定，随着有机质的分解，吸附的Cd会释放出来，并向交换态Cd转化，提高Cd的活性[19-22]。由此可见，休耕期进行淹水和干旱管理，并通过影响有机质的分解速度，进而影响到复种后土壤Cd的活性，淹水有利于Cd活性的降低，并可显著降低复种水稻稻米Cd含量。

大量研究也表明，施用石灰可提高土壤pH值，降低Cd的有效性，减少水稻对Cd的吸收及向籽粒的运输，施用石灰已成为修复稻田Cd污染的重要举措之一[23-24]。研究结果表明，不管是干旱休耕还是淹水休耕，随石灰施用量的增加，土壤pH值显著增加，土壤有效态Cd含量下降，稻米Cd含量也显著下降。休耕期施用石灰和水分管理不仅影响休耕季节的土壤理化性质，对复种后水稻Cd吸收也具有相应的作用，且二者间对土壤Cd生物有效性的影响呈加和作用，两项措施之间不存在效果抵消，可以单项或组合实施。稻田酸性土壤施加生石灰后，土壤溶质pH值升高将增加土壤胶体表面的负电荷容量，从而增强对重金属阳离子的吸附能力；pH值的升高也会促进重金属阳离子羟基态的形成，而羟基态金属阳离子与土壤吸附点位的亲和力高于自由阳离子，故有利于重金属形成碳酸盐等沉淀[25-26]。土壤中Ca含量的升高会降低砂质土壤对Cd的吸附能力，增加Cd在土壤体系中的移动性[27-28]，施用石灰不仅可降低土壤有效态Cd含量，减少根系对Cd的吸收，还可提高水稻茎秆中的Ca含量，进而抑制Cd由根系向茎秆的转移，以上两者的共同作用抑制了水稻稻米Cd的积累[23]。

4 结 论

休耕期施用石灰和水分管理不仅影响休耕季节的土壤理化性质，对复种后水稻Cd吸收也具有相应的作用，且二者间对土壤Cd生物有效性的影响呈加和作用。相同石灰用量下，休耕期进行淹水可显著提高复种水稻后的土壤有机质含量及阳离子交换量，并显著降低土壤有效态Cd含量和稻米Cd含量。而随石灰施用量的增加，土壤pH值显著增加，土壤有效态Cd含量下降，稻米Cd含量也显著下降。

参考文献：

[1] 钱晨晨，黄国勤，赵其国. 中国轮作休耕制度的应用进展[J]. 农学学报，2017，7（3）：37-41.

[2] 邓琳璐，王继红，刘景双，等. 休耕轮作对黑土酸化的影响[J]. 水土保持学报，2013，（3）：184-188.

[3] 杨曾平，张杨珠，曾希柏，等. 不合理施肥引起高产稻田土壤退化研究[J]. 湖南农业大学学报（自然科学版），2007，（2）：225-231.

[4] 孟红旗，刘 景，徐明岗，等. 长期施肥下我国典型农田耕层土壤的pH值演变[J]. 土壤学报，2013，50（6）：1109-1116.

[5] 周晓阳，周世伟，徐明岗. 中国南方水稻土酸化演变特征及影响因素[J]. 中国农业科学，2015，48（23）：4811- 4817.

[6] 倪中应，谢国雄，章明奎. 酸化对耕地土壤镉铅有效性及农产品中镉铅积累的影响[J]. 江西农业学报，2017，29（8）：52-56.

[7] 陈 诚，铁柏清. 土壤调理剂对不同成土母质Cd污染稻田的修复效果[J]. 湖南农业科学，2016，（6）：26-29，35

在中小河流治理中存在如何在安全性保证的前提下进行近自然生态建设，如何改善水环境，如何进行生态湿地建设以及水质改善工程等一系列相关问题。

[8] 谢运河，纪雄辉，田发祥，等. 氮肥减量配施土壤调理剂对水稻产量及Cd含量的影响[J]. 华北农学报，2016，31 （增刊）：415-420.

[9] 崔和瑞，孟祥书. 基于休耕轮作的人与自然和谐的农村生态环境的构建[J]. 中国农学通报，2006，22（12）：502-504.

[10] 张慧芳，吴宇哲，何良将. 我国推行休耕制度的探讨[J]. 浙江农业学报，2013，25（1）：166-170.

[11] 揣小伟，黄贤金，钟太洋. 休耕模式下我国耕地保有量初探[J]. 山东师范大学学报（自然科学版），2008，23（3）：99-102.

[12] 周启星，孔繁翔，朱 琳. 生态毒理学[M]，北京：科学出版社，2004.

[13] Hatje V，Payne T E，Hill D M，et al. Kinetics of trace element uptake and release by particles in estuarine waters：effects of pH，salinity，and particle loading [J]. Environment International，2003，29（5）：619-629.

[14] 李义纯，葛 滢. 淹水土壤中镉活性变化及其制约机理[J]. 土壤学报，2011，48（4）：840-846.

[15] 葛 滢，李义纯，周权锁，等. 淹水还原作用下土壤镉的吸附与解吸特征的初步探讨[J]. 生态环境，2006，15（4）：730-734.

[17] Wershaw R. Model for humus in soils and sediments [J]. Environ.sci.technol，1993，27（5）：814-816.

[18] 潘瑞瑞，刘 野，江解增，等. 淹水栽培时间对土壤盐分及养分的影响[J]. 北方园艺，2015，（21）：178-182.

[19] 宋 波，曾炜铨. 土壤有机质对镉污染土壤修复的影响[J]. 土壤通报，2015，46（4）：1018-1024.

[20] 陈建斌. 有机物料对土壤的外源铜和镉形态变化的不同影响[J]. 农业环境科学学报，2002，21（5）：450-452.

[21] 陈莉娜. 淹水还原作用对土壤镉生物有效性的影响[D]. 南京：南京农业大学，2009.

[22] Li Z，Zhou L. Cadmium transport mediated by soil colloid and dissolved organic matter：a fi eld study [J]. 环境科学学报（英文版），2010，22（1）：106-115.

[23] 张振兴，纪雄辉，谢运河，等. 水稻不同生育期施用生石灰对稻米镉含量的影响[J]. 农业环境科学学报，2016，35（10）：1867-1872.

[24] Ok Y S，Kim S C，Kim D K，et al. Ameliorants to immobilize Cd in rice paddy soils contaminated by abandoned metal mines in Korea [J].Environmental Geochemistry & Health，2011，33（1）：23-30.

[25] 代允超，吕家珑，曹莹菲，等. 石灰和有机质对不同性质镉污染土壤中镉有效性的影响[J]. 农业环境科学学报，2014，33（3）：514-519.

[26] 殷 飞，王海娟，李燕燕，等. 不同钝化剂对重金属复合污染土壤的修复效应研究[J]. 农业环境科学学报，2015，34（3）：438-448.

[27] Christensen T H. Cadmium soil sorption at low concentrations：I.Effect of time，cadmium load，pH，and calcium [J]. Water Air & Soil Pollution，1984，21（1-4）：105-114.

[28] Makino T，Kamiya T，Takano H，et al. Remediation of cadmiumcontaminated paddy soils by washing with calcium chloride：verification of on-site washing [J]. Environmental Pollution，2007，147（1）：112.