增施有機肥對水稻生長及硒、鎘富集的影響

馮時欽，韋鴻雁，黃業葵，張真建

（1.欽州市浦北縣農業發展中心，廣西浦北 535300；2.廣西壯族自治區土壤肥料工作站，廣西南寧 530007）

土壤重金屬污染已成為我國農業生產上不可忽視的環境問題，由于重金屬污染具有隱秘性、潛伏性和長期性等特征，因而，受到越來越多的關注，在南方酸性土壤上種植的水稻，鎘污染最為嚴重[1]。水稻是我國第一大糧食作物，也是對鎘吸收最強的大宗谷類作物[2]，近年來頻頻曝光的“鎘米”表明了水稻的安全問題也越來越突出，稻米產量高低和品質優劣直接關系到國家糧食安全和人民健康。因此，降低稻米中鎘含量是目前農業生產上急需解決的問題之一。研究證明硒能夠與多種重金屬元素產生拮抗效應，降低作物對多種重金屬的吸收和拮抗其引起的毒性[3-4]，同時，硒還是一種天然的解毒劑，它能夠與鎘、汞、砷等有毒重金屬元素形成金屬硒蛋白復合體，從而達到抵消毒性的效果[5]。外源有機物可用作重金屬污染土壤的鈍化修復材料[6]，有機質的腐解過程會產生大量腐植酸。目前，已有大量的研究表明，腐植酸可以與土壤中包含鎘離子在內的重金屬離子形成金屬絡合物[7-8]，從而改變土壤中重金屬的形態，降低土壤中可溶性鎘的含量。為此，本研究擬通過探討增施有機肥對水稻籽粒產量及硒、鎘含量的影響，從而為降低水稻鎘污染提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

1.1.1 試驗地點

位于欽州市浦北縣福旺鎮北蘭村，供試土壤為水稻土，質地為壤土，中等肥力，排灌方便。試驗前取耕層土壤進行理化性質分析，pH 值4.8，有機質52.4 g·kg-1，全氮2.69 g·kg-1，有效鉀62.5 mg·kg-1，有效磷42.7 mg·kg-1，全硒0.39 mg·kg-1，鎘0.29 mg·kg-1。

1.1.2 試驗材料

1）水稻。品種為晶兩優8612。2）參試肥料?！皹藘灻馈庇袡C肥，N、P、K 含量分別為1.45%、1.34%、3.75%，硒含量為0.006 mg·kg-1，鎘含量為0.7 mg·kg-1，有機質含量為49.98%，腐植酸含量為15.47%，水分含量28.38%；尿素（N含量為46%）；過磷酸鈣（P2O5含量為14%）；氯化鉀（K2O含量為60%）。

1.2 試驗設計

試驗設置5 個處理，3 次重復，處理小區面積為33.3 m2，隨機排列。

處理1(CK)：常規施肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=12∶4∶8，T1]；處理2：常規施肥+3 000 kg·hm-2有機肥（T2）；處理3：常規施肥+4 500kg·hm-2有機肥（T3）；處理4：常規施肥+6 000 kg·hm-2有機肥（T4）；處理5：常規施肥+7 500 kg·hm-2有機肥（T5）。

全部有機肥和磷肥、40%氮肥、50%鉀肥作基肥，于移栽前2 d 施下。40%氮肥、40%鉀肥作追肥,于水稻回青時撒施。20%氮肥、10%鉀肥作追肥，于水稻幼穗分化期時撒施。其他措施按當地常規田間管理進行。

1.3 樣品采集與測試指標

1.3.1 樣品采集

在收獲時，分別取各處理植株（稻稈、稻谷）和耕層土壤樣。采集后的植株樣品及時曬干、除雜，裝入自封袋。采集后的土壤樣品在室內陰涼處自然風干、粉碎、除雜，裝入自封袋。將處理好樣品送至第三方檢測機構進行檢測。

1.3.2 測試指標與方法

植物硒含量用GB 5009.93—2017 第一法檢測，鎘含量用GB 5009.15—2014 檢測。土壤硒含量用GB/T 1104—2006檢測、鎘含量用GB/T 17141—1997檢測。土壤pH 值，有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量參照2006年4月《測土配方施肥管理與技術培訓教材》檢測。

1.4 數據分析

試驗數據為3 次重復的平均值和標準誤差，采用Excel 2007 和SPSS 進行方差分析、LSD 多重比較和繪制圖表。

富集系數是指某種元素或污染物在生物體內的濃度與其生長環境中該物質或元素的濃度之比[9]，能夠很好地表征作物從土壤中富集某種物質的能力。本次試驗中富集系數的計算見公式（1）。

2 結果與分析

2.1 增施有機肥對水稻產量構成的影響

2.1.1 增施有機肥對水稻籽粒實粒數、總粒數和產量的影響

從表1 可知，增施有機肥T2、T3、T4 三個處理的水稻產量分別比T1(CK)增3.4%、11.5%、4.9%，而T5下降0.9%；5 個處理下，T1(CK)、T2、T3、T4、T5 的結實率分別67.5%、67.2%、72.4%、67.6%、64.2%，水稻平均每穗總粒數T3＞T2＞T1(CK)＞T4＞T5，T3、T2 總粒數分別比T1(CK)增1.2%、1.5%，而T4、T5 分別下降0.8%、1.8%；水稻平均每穗實粒數T3＞T2＞T1(CK)＞T4＞T5，T3、T2 實粒數分別比T1(CK)增8.4%、0.9%，而T4、T5 分別下降0.7%、6.7%。方差分析結果顯示（總粒數p=0.001＜0.05，實粒數p=0.000＜0.05、產量p=0.000＜0.05），差異顯著；采用LSD 法進行多重比較，T2、T3 水稻總粒數之間差異不明顯，但顯著高于T1(CK)、T4、T5；T3水稻實粒數顯著高于其他處理，T2、T1(CK)、T4 水稻實粒數次之，T5 實粒數最低；T3 水稻產量顯著高于其他處理產量，T2、T4水稻產量次之，均較T1(CK)、T5增產明顯。

表1 各處理對水稻籽粒實粒數、總粒數和產量的影響

2.1.2 增施有機肥對水稻平均穗長、千粒重和總穗數的影響

從圖1 可以看出，隨有機肥用量的增加，水稻平均穗長呈先增后降態勢，T4＞T3＞T2＞T1(CK)＞T5，T4、T3、T2 平均穗長分別比T1(CK)提高11.7%、3.0%、1.7%，而T5 下降3.0%；T1(CK)水稻籽粒千粒重為22.9g，其他處理水稻籽粒千粒重均為23.1 g；T2、T3、T4、T5處理下，水稻每667 m2總穗數分別比T1(CK)多1.8%、1.4%、2.5%、2.7%。

圖1 各處理對水稻的穗長、總穗數和千粒重的影響

2.2 增施有機肥對土壤主要理化性狀的影響

從圖2 可以看出，各處理的土壤有機質含量范圍在4.0%～5.0%，處理T4 顯著高于其他處理，T3、T2、T5 和T1(CK)之間無顯著變化。土壤pH 值有所變化，在5.5～6.5，T3＞T2＞T4＞T5＞T1(CK)，T3、T2、T4 與T1(CK)差異顯著，說明增施有機肥能提高酸性土壤的pH 值。土壤硒含量(0.1 mg·kg-1)總體變化范圍在0.45～0.49 mg·kg-1之間，處理T2 為0.49 mg·kg-1最高，其次處理T4 為0.48 mg·kg-1、處 理T3 和T5 為0.47 mg·kg-1，CK 最低為0.45 mg·kg-1。土壤鎘含量(0.1 mg·kg-1)變化為T2＞（CK=T3）＞T4＞T5，說明增施有機肥可以降低土壤鎘含量。

圖2 各處理對土壤pH值、有機質、硒和鎘含量的影響

2.3 增施有機肥對水稻籽粒硒和鎘含量的影響

2.3.1 水稻籽粒硒含量及其富集系數

由表2 可知，增施有機肥的各處理，土壤硒含量有所增加，T2、T3、T4、T5 分別比T1(CK)增8.9%、4.4%、6.7%、4.4%，T2、T4 的土壤硒含量顯著高于T1(CK)，T3、T5 次之，略高于對照，但未達到統計學意義的顯著差異。各處理之間水稻籽粒的硒含量差異顯著，較T1(CK)增幅在19.4%～122.6%，其含量表現為T4＞T5＞T3＞T2，分別是T1(CK)的2.2、2.1、1.6、1.2 倍，并隨施肥量增加出現先增后降的趨勢。其中，以常規施肥+4 500 kg·hm-2有機肥處理（T4）最佳。水稻籽粒對土壤硒的富集系數范圍在6.9%～14.4%，富集系數表現為T4＞T5＞T3＞T2，分別較T1(CK)增加108.7%、97.1%、55.1%、10.1%，說明增施有機肥能夠提高水稻籽粒對土壤硒的富集能力。

表2 各處理對水稻籽粒硒含量及其富集系數的影響

2.3.2 水稻籽粒鎘含量及其富集系數

從表3 可知，處理T5、T4 土壤鎘含量與T1(CK)之間差異顯著，比T1(CK)分別下降12.1%和6.1%，T2、T3和T1(CK)土壤鎘含量差異不顯著。施用有機肥的各處理（T2、T3、T4、T5）水稻籽粒的鎘含量與對照之間差異顯著，T3、T4與T2、T5差異顯著，但之間不顯著，并隨著有機肥施用量增加出現先降后升的趨勢。處理T2、T3、T4、T5水稻籽粒鎘含量分別為T1(CK)的50.1%、34.2%、39.5% 和50.0%，降幅在49.2%～65.8%，T3 降幅最大。水稻籽粒對土壤鎘的富集系數范圍在39.5%～115.4%，增施有機肥的各處理水稻籽粒鎘的富集系數為：T5＞T2＞T4＞T3，分別比T1(CK)下降43.2%、50.8%、58.1%和65.8%，說明隨著有機肥施用量增加，水稻籽粒對土壤鎘的富集能力先降后升，存在一定的用量范圍，并非施用有機肥越多越好。

表3 各處理對水稻籽粒鎘含量及其富集系數的影響

2.4 增施有機肥處理影響水稻籽粒硒、鎘含量因素的相關性

增施有機肥處理對水稻籽粒硒、鎘含量與土壤理化參數的皮爾森(pearson)相關性分析結果表明：水稻籽粒硒含量與土壤pH 值呈弱正相關關系（p=0.243），與土壤有機質含量呈現中度正相關關系（p=0.652**）。水稻籽粒鎘含量與土壤pH 值呈現中度負相關關系（p=-0.785**），與土壤有機質含量呈現中度負相關關系（p=-0.627*）。說明增施有機肥處理后，利于水稻籽粒對硒的吸收，而不利于水稻籽粒對鎘的吸收。

3 討論與小結

3.1 討論

本試驗研究結果與何松銀等試驗結果[10]有相似之處：增施有機肥，水稻籽粒產量先增后減，與單穗實粒數影響較大，水稻總穗數、千粒重影響不顯著，以處理3“常規施肥%+4 500 kg·hm-2有機肥”效果最好。

目前，針對土壤重金屬污染的治理主要是通過降低土壤中重金屬的活性和消減其總量來實現，前者主要通過向土壤中添加鈍化材料來改變重金屬在土壤中的存在形態，從而降低其生物利用程度，以達到降低農作物中重金屬含量為目的；后者則主要通過物理手段人工移除污染土壤或在污染土壤上直接覆蓋未被污染的土壤來降低土壤中污染物總量。瞿建國等的研究結果說明，土壤中硒的存在形態與土壤pH 和有機質含量是密切相關的[11]。

本試驗通過增施有機肥對水稻硒和鎘的效應研究，一方面活化富硒土壤中的有機硒[12]，提高水稻籽粒對土壤硒的吸收。試驗中施用有機肥，能調節劑能活化土壤中的有機硒，提高土壤中有效硒含量，進而促進作物對硒的吸收，這與李圣男等[13]、安夢魚等[14]研究一致。在水稻吸收硒的過程中，土壤中的硒形態和土壤性質又是制約其吸收效率的主要因素，表明為土壤硒含量與有機質之間存在一定的正相關，而與土壤pH 值的相關性卻要弱得多，這與胡艷華等[15]研究相符。另一方面以降低土壤重金屬鎘對水稻籽粒的污染，本試驗增施有機肥，由于有機質在腐解過程中產生大量高分子芳香性腐殖酸，由于腐植酸帶有多種活性官能團，如羧基、酚羥基、羰基等[16-17]有關，官能團吸附土壤中的重金屬，降低重金屬的生物有效性，也可以通過物理吸附作用固定一部分土壤鎘[1]。

試驗研究也表明，增施有機肥能夠提高水稻籽粒對土壤硒的富集能力，而水稻籽粒對土壤鎘的富集能力下降。有關研究[18]表明，外源有機物的加入會對土壤中的重金屬產生2 種作用：1）有機質可提高土壤pH值，同時通過表面官能團吸附土壤中的重金屬，降低重金屬的生物有效性；2）土壤中有機物的分解可能產生大量水溶性有機物，在一定程度上提高重金屬的有效性。究竟何種作用處于主導地位，還需要進一步研究證明。而近些年來越來越多的研究也證明了硒能夠與多種重金屬元素產生拮抗效應，降低作物對多種重金屬的吸收和拮抗其引起的毒性，如Cd、Hg、Cu 和As 等[3-4,19]。例如胡居吾等的研究發現，作物在土壤高硒背景下重金屬鎘累積速率較低硒緩慢[3]，這些均與本文研究結果相似。

3.2 小結

綜上，增施有機肥能明顯提高水稻單穗實粒數和水稻籽粒產量，提高水稻籽粒對土壤硒的富集能力，降低土壤鎘對水稻籽粒的污染；同時增施有機肥能改善土壤酸堿性，增加土壤有機質含量，為糧食安全生產和土壤生態環境保護提供基礎依據。