土壤深受重金属镉污染并日趋严重^[1]。近年来，根据湖南省农业环境质量监测和重金属污染专项调查表明：湖南省被污染的耕地面积已占全省总耕地面积的23.70%，还有25%左右的农田大气污染和27%左右的农田灌溉水污染，主要污染物为镉、铅等重金属^[2]。研究表明：稻田镉污染不仅影响水稻产量、品质及生态系统功能，还能通过食物链传递而危害人体健康，已成为影响中国水稻生产和提高稻米质量的主要限制因子之一^[3]。修复土壤重金属镉污染，降低稻米中镉含量已成为中国粮食安全生产的迫切需求。研究表明：水稻镉积累不仅受到土壤镉污染程度等的影响，而且存在种间和种内差异^[4]。不同生育时期不同部位对镉的吸收积累效应差异较大^[5-6]。施肥作为农业生产中重要的增产措施，对土壤中重金属生物有效性有显著的影响。施肥能改变土壤的pH、Eh和阳离子交换量等理化性质，或直接影响重金属的生物有效性^[7-8]。镉在土壤中的存在形式主要包括：水溶态、离子可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残留态^[9]。施用氮肥可以改变土壤pH，进而影响土壤中重金属活性和植物的吸收^[10]。在使用氮肥时，合适的氮肥施用量至关重要^[11-12]。氮肥作为重要的增产措施，由氮素调控的植物代谢失调也是引起植物镉毒害的重要因素之一^[13]。

本研究通过施用氮肥，以水稻为作物，利用盆栽试验探讨氮肥对镉污染稻田土壤中镉的形态特征，分析不同氮肥施用量对成熟期水稻各器官中镉含量以及镉在水稻中的迁移规律，以期为通过农艺措施调控来对污染稻田实现边修复边利用的原则提供一定的理论依据。

1.   材料与方法

1.1   试验设计

供试土壤和肥料主要理化性质见表1。供试水稻品种为湘晚籼13，种植方式为移栽。设置4个处理，分别为对照(不施氮，CK)、施用氮肥90 kg/hm² (尿素，CF90)、施用氮肥150 kg/hm²(尿素，CF150)、施用氮肥200 kg/hm² (尿素，CF200)，各处理施磷(P₂O₅)量67.5 kg/hm² (过磷酸钙)、施钾(K₂O)量225 kg/hm² (氯化钾)。每个处理3个重复，共12个盆。土壤和有机肥分别风干并过4 mm筛，每盆装土16 kg，把土壤和相应肥料充分混合均匀，土壤测定水分含量，用CdCl₂配置成溶液加进土壤中，使土壤模拟镉污染程度为5 mg/kg。盆栽过程中灌浆成熟期晒田7 d，其他时间保持盆栽土壤中1~2 cm水位高度。分别在分蘖期、拔节期、抽穗开花期、灌浆成熟期采取土壤样品。土壤样品风干，分别过1 mm和0.149 mm筛备用。植物样品在水稻收获后，采集各处理具有代表性的植物3穴，洗净，按照根茎叶三部分置于烘箱中105 ℃，杀青30 min，再70 ℃烘干至恒重称量。

表  1  供试土壤和肥料主要理化性质

Table  1.  The main physical and chemical properties of the soil and fertilizer

项目item	pH	w (OM)/%	w (N)/%	w (P2O5)/%	w (K2O)/%	w (Cd)/(mg·kg−1)
基础土壤original soil	6.3	1.8	1.2	0.9	0.6	0.215
尿素urea			46
磷肥phosphate fertilizer				52	34
钾肥potassic fertilizer					62

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1.2   测定项目及方法

1.2.1   Eh、pH及土壤肥料养分测定

Eh用ORP仪原位测定。取过1 mm筛的土壤样品测定土壤pH，测定方法采用去离子水浸提pH计法(水土比为2.5:1)。土壤和肥料有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法，全氮采用半微量开氏法，全磷采用硫酸—高氯酸消煮法，全钾采用氢氧化钠融熔法，土壤碱解氮用碱解扩散法，土壤速效磷用NaHCO₃法，有效钾用冷HNO₃浸提—火焰光度法，含水量采用热干燥法测定^[14]。

1.2.2   重金属形态提取及测定

镉的分离提取方法见表2，镉含量的测定采用原子吸收光谱法 (novAA400-德国耶拿)^[15]。

表  2  不同处理对水稻各部位镉含量的影响

Table  2.  The influence of different treatments on the cadmium content of each part of rice

步骤 procedure	重金属形态 heavy matal form	提取剂 extractant	提取方法 extraction method
1	可交换态exchangeable	30 mL 0.1 mol/L CH3COOH	25 ℃水浴振荡16 h，离心20 min 25 ℃ water bath shaking method 16 h, centrifugal 20 min
2	可还原态reducible	30 mL 0.5 mol/L NH2OH·HCl (pH 2)	25 ℃水浴振荡16 h，离心20 min 25 ℃ water bath shaking method 16 h, centrifugal 20 min
3	可氧化态oxidizable	10 mL 8.8 mol/L H2O2 (pH 2.5)	室温轻微振荡1 h shaking at indoor temperature 1 h
			85 ℃水浴振荡1 h 85 ℃ water bath shaking method 1 h
		10 mL 8.8 mol/L H2O2 (pH 2.5)	85 ℃水浴振荡1 h 85 ℃ water bath shaking method 1 h
		30 mL 1.0 mol/L CH3COONH4 (pH 2)	25 ℃水浴振荡16 h, 离心20 min 25 ℃ water bath shaking method 16 h, centrifugal 20 min
4	残渣态residual	HNO3-HClO4	消解dissolving

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1.3   统计分析

用Excel 2013软件对数据进行处理及统计分析。

2.   结果与分析

2.1   pH值

由图1可知：整个生育期施用氮肥降低了土壤中的pH值，pH值变化幅度在5.7~6.9之间。pH值的变化在整个生育期与施氮量呈显著负相关。在水稻收获后CF200处理pH值下降明显。高施氮处理pH值由6.3下降到5.7。

图  1  不同处理对水稻土pH值的影响

Figure  1.  The influence of different treatments on the paddy soil pH

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2.2   Eh值

水稻生育期，Eh值的变化呈现先减少后增加再减少的趋势(图2)。高施氮量处理提高了水稻土壤中的Eh值。这一趋势在水稻拔节期尤为明显。随着Eh值的增大，土壤中水溶性镉含量、水稻吸收镉的总量及地上部镉含量随之增加。CK处理Eh值在水稻的整个生育期一直处于较低的水平，而高施氮处理(CF200) Eh值的变化幅度要高于其他处理。Eh较高，土壤处于氧化状态时，水稻根表形成的铁氧化物胶膜也会吸附土壤中的镉，从而影响根系对镉的吸收。

图  2  不同处理对水稻土Eh值的影响

Figure  2.  The influence of different treatments on the paddy soil Eh

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2.3   水稻各部位对镉的吸收及土壤镉形态的变化

由表3可知：水稻地上部分的镉含量随着施氮量的增加而增加，说明高施氮量促进了水稻植株中的镉向地上部分转移。CF150、CF200处理相比较于CF90处理，水稻籽粒中镉的质量增加了26%、36%。水稻茎中镉的质量增加了28%、33%。而高施氮量(CF200)处理并没有增加水稻根中镉的含量。但高施氮量处理促进了水稻根系的生长，因此水稻收获后，根中镉的含量明显高于其他处理。水稻中地上部分镉的含量与施氮量呈正相关。

表  3  不同处理对水稻各部位镉含量的影响

Table  3.  The influence of different treatments on the cadmium content of each part of rice

指标indexes	处理treatments	根root	茎stem	籽粒grain
w (Cd)/(mg·kg−1)	CK	6.33±0.15	1.07±0.06	0.232±0.004
	CF90	3.22±0.11	0.061±0.003	0.172±0.007
	CF150	3.36±0.2	0.078±0.005	0.216±0.005
	CF200	2.98±0.12	0.081±0.003	0.234±0.003
m (Cd)/μg	CK	81.02±1.02	53.71±1.96	1.95±0.08
	CF90	60.54±0.46	4.58±0.1	3.75±0.07
	CF150	101.81±0.5	7.17±0.17	7.28±0.1
	CF200	142.15±2	9.16±0.01	8.49±0.1

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重金属的生物有效性是指在一定时间和条件下，土壤中重金属可能被生物吸收或对生物产生毒害的潜在性。土壤中镉形态变化如图3所示：外源镉主要增加了土壤中可交换态镉的含量。不同处理中，CF150在分蘖期土壤中残余态镉的含量高于其他处理。CF90与CK土壤中镉形态的变化趋势一致。CF150、CF200在水稻收获后土壤中可交换态镉的含量下降，而可氧化态镉的含量相比于其他处理有所升高，这一现象在CF200处理中尤为明显。

图  3  不同处理对水稻土壤镉形态的影响

Figure  3.  The influence of different treatments on the soil cadmium forms of rice

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3.   讨论

稻田生态系统在水稻生产过程中土壤理化性质会发生较大变化^[16]。土壤中镉的生物有效性受多种因素的影响，土壤中镉含量、土壤pH和氧化还原电位等都会影响植物对镉的吸收^[16]。土壤pH影响重金属镉有效性的主要机制有：(1)影响土壤中碳酸盐等的形成和溶解来影响镉的赋存形态；(2)改变土壤表面负电荷的多少来影响土壤对镉的吸收。施氮肥使土壤pH降低会增大土壤中重金属的溶解度^{[9, 17]}，本研究也发现施用氮肥降低了土壤中的pH值。pH值越高，重金属的溶解度越低，其活性就越低^[18]。pH值对酸性土壤中镉形态的分布影响明显，pH值由中性向酸性条件转化时，土壤中可提取态镉的含量随之增加^[19]。研究表明：生育后期处于淹水条件下的水稻含镉量较低，其原因可能是根际Eh下降；此时若排水烤田，根际Eh不下降，再加上根外土体镉CdS氧化，Cd²⁺活度增加，也就使镉有效性大大增加^[20]。研究发现：随着镉污染程度的增加，水稻根和茎叶镉含量和积累量明显增加；根和茎叶的镉富集系数、转移系数呈下降趋势，5 mg/kg的镉污染程度使水稻的生物量降低^[4]。合适的氮肥施用量可保证植物正常生长，抗逆性增强，同时能缓冲重金属引起的植物毒害，随着施氮水平的提高，毒性抑制作用降低^[21]。水稻收获后，土壤残余态镉的含量在CF200处理中最高。说明高施氮量相比较低施氮量降低了土壤中可交换态镉的含量(65%下降到50%)，增加了土壤中可氧化态镉的含量(5%上升到15%)，减少了土壤中镉的生物有效性。然而旱地的研究结果表明：随氮肥用量的增加，土壤中镉的生物有效性也增加^[22-23]，土壤中水分的变化会影响土壤的pH、Eh等进而影响金属有效性^[24]。土壤施肥时要考虑化肥对植物的营养作用，还要考虑到所施化肥的种类和施用量可能会导致植物吸收重金属发生改变，从而对人体健康产生影响，这对于重金属污染土壤来说尤其重要。

4.   结论

(1) 土壤pH与施氮量呈负相关，高施氮量提高了水稻土壤中的Eh值。

(2) 水稻中地上部分镉的含量与施氮量呈正相关，水稻各器官对镉的吸收主要集中在根部。

(3) 水稻收获后，高施氮量降低了土壤中可交换态镉的含量，增加了土壤中可氧化态镉的含量 ，减少了土壤中镉的生物有效性。