王雪，張麗，宋寧寧，王芳麗，林大松*，杜兆林*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150038；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院青島市農(nóng)村環(huán)境工程研究中心，山東 青島 266109）

2014 年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國耕地污染以鎘（Cd）污染最為突出，《2019 年全國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量簡況》也指出，Cd 為農(nóng)地土壤主要污染物。Cd 具有毒性高、遷移性強(qiáng)和易富集等特點(diǎn)，是食品安全中最受關(guān)注的重金屬元素[1-2]。Cd是我國水稻主產(chǎn)區(qū)的主要污染物之一，由于水稻從土壤中吸收Cd 的能力較強(qiáng)，且Cd 易在谷物中積累[3-4]，因此解決Cd 污染土壤問題、生產(chǎn)安全水稻、保障人類健康是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)[5-6]。

作為一種操作簡單、見效快、成本低的原位鈍化劑，海泡石已被應(yīng)用在重金屬污染農(nóng)田修復(fù)治理實(shí)踐中且取得了較好的效果[7]。海泡石是一種含鎂硅酸鹽的纖維狀物質(zhì)，其化學(xué)式為Mg8（H2O）4[Si6O15]2（OH）4·8H2O[8]，其具有獨(dú)特的鏈?zhǔn)綄訝罱Y(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、高陽離子交換量（如K+、Na+和Ca2+）和大量的硅烷醇（Si—OH）基團(tuán)，可以提高土壤pH 值[9]，同時(shí)通過表面絡(luò)合和（共）沉淀作用將有機(jī)基團(tuán)和無機(jī)離子摻入結(jié)構(gòu)中，從而降低土壤中重金屬的轉(zhuǎn)移性及生物可利用性[10-12]。國內(nèi)外開展的海泡石修復(fù)重金屬污染土壤研究多通過盆栽和大田試驗(yàn)研究其對(duì)土壤中Cd有效性及植物對(duì)重金屬的富集作用[13-14]，而鮮有研究關(guān)注耕層深度對(duì)海泡石修復(fù)重金屬污染土壤效果的影響。

耕作深度是影響土壤理化性質(zhì)的重要因素，施加海泡石構(gòu)建土壤重金屬鈍化層能夠改善土壤結(jié)構(gòu)且影響重金屬的生物有效性。為明確在不同耕層深度施加海泡石對(duì)Cd 污染土壤作物生長和吸收Cd 的影響，本研究選取湖南湘潭土壤和當(dāng)?shù)厮酒贩N，通過根際箱試驗(yàn)測定在不同耕層深度施加海泡石對(duì)生物有效態(tài)Cd 及作物不同部位吸收Cd 的影響，以明確海泡石調(diào)控作物Cd吸收的耕層深度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試水稻

供試水稻品種為湖南當(dāng)?shù)氐聂~鱗稻欣榮優(yōu)華占，由湖南湘潭種子公司提供。

1.1.2 鈍化材料

海泡石：主要組分為CaO 41.7%、MgO 16.8%、Al2O37.4%、SiO232.5%，pH 值為10.1，陽離子交換量為18.0 cmol·kg-1，比表面積為22.3 m2·kg-1，孔徑為1.4 nm，未檢出Cd。

1.1.3 供試土壤

于湖南湘潭某農(nóng)用地采集Cd 污染土壤，自然風(fēng)干，備用。土壤基本理化性質(zhì)見表1。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018），所取土壤Cd 含量高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，低于風(fēng)險(xiǎn)管制值，可能存在水稻不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險(xiǎn)。

表1 試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用多隔層根際箱水稻盆栽裝置（圖1）。根際箱采用有機(jī)玻璃制成，規(guī)格20 cm×20 cm×20 cm，內(nèi)部分為根系生長室（2 cm 寬）和根際土室（0.3 cm寬），兩側(cè)各使用5 張300 目尼龍網(wǎng)隔開，分為非根際第1 至第5 層（N1、N2、N3、N4 和N5），尼龍網(wǎng)可以避免水稻根系向下延伸進(jìn)入下邊的隔層，阻止根系的自由穿入與穿出，并且將根際與非根際土壤隔開，保證植物根系不進(jìn)入非根際土壤，但水分、肥料以及土壤重金屬等物質(zhì)可以通過。

圖1 根際箱試驗(yàn)裝置Figure 1 Experiment device of rhizosphere box

試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)耕層深度處理（表2），每個(gè)處理6次重復(fù)。海泡石以8%比例添加至土壤中，每個(gè)根際箱裝土10 kg，種植方式為直播。根際箱內(nèi)放置不同耕層深度處理的土壤，將水稻種子直播于根際箱中間，每個(gè)處理4 粒，保持水分充足，研究耕層不同深度處理下水稻根系富集重金屬Cd 的情況。除耕層外，試驗(yàn)期間各處理的管理措施均一致。

表2 耕層深度處理Table 2 Different tillage depth treatments

1.3 樣品采集與處理

土壤樣品：用竹質(zhì)采樣器分別采集水稻根際土壤（R0）和非根際層土壤（N1、N2、N3、N4、N5），按均勻分布的5個(gè)點(diǎn)位采集。采集的土壤風(fēng)干后，分別過10目和100目篩，待測。

水稻樣品：種植方式為直播，5月播種，11月黃熟期后采樣。先割取地上部分，測產(chǎn)量和株高。將水稻根系從根際箱中小心挖出，使泥土和根系分離，用水漂洗干凈，用紙吸干根系表面水分。分根、莖、稻穗剪取，用清水沖洗，確保無灰塵、雜質(zhì)殘留后，再用蒸餾水少量多次沖洗。于烘箱105 ℃殺青0.5 h、85 ℃烘干至恒質(zhì)量后測定干物質(zhì)量。分裝在食品級(jí)保鮮袋中保存，測定水稻產(chǎn)量，莖葉部、根部Cd含量，以及稻米中Cd含量。

1.4 測定方法

（1）土壤樣品

習(xí)近平總書記曾強(qiáng)調(diào)：國無德不興，人無德不立。文化育人的最終目標(biāo)便是提高學(xué)生的人文精神，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)為人處世之道，成為“正能量”的繼承者與傳播者?，F(xiàn)今，拜金主義、享樂主義、極端個(gè)人主義等不良風(fēng)氣盛行，摧殘著青年大學(xué)生的身心健康，這時(shí)候便更需要發(fā)揮優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的巨大作用，來提高學(xué)生的道德素質(zhì)和職業(yè)素質(zhì)。正處于社會(huì)轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時(shí)期的中國，不僅需要技能水平高超的人才，更需要德才兼?zhèn)涞娜苄腿瞬?，將?yōu)秀傳統(tǒng)文化植根于學(xué)生心中，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，加強(qiáng)學(xué)生道德意識(shí)，深入貫徹落實(shí)立德樹人的根本原則。

土壤pH 測定：土壤溶液采集后，立刻使用pH 計(jì)測得pH值，并置于4 ℃冰箱中保存待分析。

土壤Cd 有效態(tài)測定：稱取過2 mm 孔徑尼龍篩的風(fēng)干試樣2.00 g 于50 mL 離心管中，加入0.1 mol·L-1HCl 提取劑10.0 mL，在（25±1）℃條件下，放入水平回旋恒溫振蕩機(jī)上，以180 r·min-1的速度振蕩1 h，立即過濾于15 mL測樣管中，采用ICP-MS儀測定。

（2）農(nóng)作物樣品

水稻產(chǎn)量和株高：收樣后測定作物產(chǎn)量和株高。于水稻成熟期收獲每盆中所有水稻，并以曬干稻谷質(zhì)量計(jì)算產(chǎn)量。株高用刻度尺測量各個(gè)試驗(yàn)桶中隨機(jī)抽取的3株水稻并求其平均值。

稻米Cd含量采用ICP-MS進(jìn)行測定，稻米樣處理方法參見文獻(xiàn)[15]。

莖葉部、根部Cd含量測定：取作物干樣0.25 g，加入8 mL HNO3浸泡12 h 后進(jìn)行消煮，消煮至剩余1～2 mL，加去離子水轉(zhuǎn)移定容至50 mL 容量瓶，過濾后待測。

（3）海泡石對(duì)Cd2+等溫吸附試驗(yàn)

稱取1.000 g 海泡石置于50 mL 離心管中，加入20 mL 已調(diào)節(jié)好pH 值的分析純CdCl2·2.5H2O 配成的含Cd2+溶液（50、100、200、300、400、500、600 mg·L-1），25 ℃下恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩24 h，然后靜置24 h。將上清液倒入20 mL離心管中，在4 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心30 min，過濾上清液，用火焰原子吸收光譜儀測定Cd2+質(zhì)量濃度，計(jì)算吸附量。

測試過程中利用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行全程質(zhì)量控制，各元素的回收率均在國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)通過Excel 和SPSS 進(jìn)行處理，采用Turkey 法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性檢驗(yàn)設(shè)α=0.05，多重比較結(jié)果以小寫英文字母表示，并利用軟件Origin 8.6制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)根際與非根際土壤中pH的影響

海泡石在不同耕層深度處理下對(duì)土壤pH值的影響見圖2。從圖2 可以看出，污染土壤在T1、T2、T3、T4和T5耕層深度處理下，與CK相比，根際土壤pH值分別提升了1.16、1.06、0.89、0.70 和1.00 個(gè)單位，且在耕層深度T1、T2 和T5 顯著增加（P<0.05）。在耕層不同深度處理下非根際層土壤pH 值均有上升，非根際第1層至第5層土壤pH值在T1、T2、T3、T4、T5處理下升高范圍分別為0.75～1.10、0.66～1.21、0.68～1.21、0.66～1.13、0.59～0.89 個(gè)單位。其中，非根際第1、5 層在耕層深度T1 處理下pH 值上升幅度最大，非根際第3、4 層在耕層深度T3 處理下pH 值上升幅度最大，非根際第2 層在耕層深度T2 處理下pH 值上升幅度最大，且非根際第1、2、3、4層土壤pH 值在T1和T2處理與對(duì)照處理差異顯著（P<0.05）。

圖2 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)土壤pH的影響Figure 2 Effects of sepiolite on soil pH under different tillage depth treatments

2.2 海泡石對(duì)Cd2+的等溫吸附性能

在25 ℃下檢測了海泡石對(duì)50～500 mg·L-1濃度Cd2+的吸附量，并以平衡時(shí)溶液中Cd2+的濃度（Ce）為橫坐標(biāo)，平衡時(shí)海泡石對(duì)Cd2+的吸附量（Qe）為縱坐標(biāo)，得到海泡石對(duì)Cd2+的等溫吸附曲線（圖3）。從圖3 可看出，隨著初始濃度C0由50 mg·L-1增加到500 mg·L-1，平衡液Cd2+濃度逐漸增大，平衡吸附量也逐漸增大。海泡石的吸附曲線符合Langmuir方程，海泡石的飽和吸附量為7.15。因此，海泡石對(duì)Cd2+具有很強(qiáng)的吸附性，利用海泡石鈍化污染土壤中的Cd 是很有效的。

圖3 海泡石對(duì)Cd2+的等溫吸附曲線Figure 3 Sepiolite adsorption isotherm curve for Cd2+

2.3 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)根際與非根際土壤中有效態(tài)Cd含量的影響

海泡石在耕層不同深度處理下對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響見圖4。污染土壤在T1、T2、T3、T4 和T5耕層深度處理下，與CK 相比，根際土壤有效態(tài)Cd 含量均有降低，在T1、T2、T3、T4 和T5 處理下降幅分別為2.70%、3.40%、0.02%、3.10%和0.90%?？梢姼H土壤有效態(tài)Cd 含量在T2 處理降低效果最明顯，但與CK差異不顯著（P>0.05）。

圖4 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)土壤Cd有效態(tài)含量的影響Figure 4 Effects of sepiolite on the soil available Cd content under different tillage depth treatments

與CK 相比，非根際層土壤有效態(tài)Cd含量均有不同程度下降，非根際第1層至第5層土壤有效態(tài)Cd含量降幅在T1、T2、T3、T4 和T5 處理下分別為1.00%～3.90%、1.41%～4.80%、1.70%～4.91%、1.31%～4.02%和3.20%～7.80%。非根際第1、3 層在耕層深度T4 處理下土壤有效態(tài)Cd 含量降幅最大，且在非根際第3 層與CK 具有顯著差異（P<0.05）；非根際第2、4、5 層在耕層深度T2 處理下降Cd 效果最佳，且均與CK 差異顯著（P<0.05）。

由此可見，海泡石在淺耕層5 cm 處理下，根際土壤與非根際土壤中有效態(tài)Cd含量降幅最明顯。

2.4 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)水稻各部位Cd含量的影響

如圖5 所示，不同耕層深度處理下水稻各部位的Cd 含量均有下降。水稻根、莖、葉和糙米Cd 含量降幅在T1、T2、T3、T4 和T5 耕層深度處理下分別為3.01%～19.00%、1.00%～6.01%、3.02%～6.01%、1.01%～2.00%，根部Cd含量在不同耕層深度處理下與對(duì)照相比均差異顯著（P<0.05），而莖、葉和糙米中Cd 含量降幅均不顯著（P>0.05）。水稻根、莖、葉和糙米Cd 含量均在T4 處理下降幅最高。水稻各部位Cd 含量表現(xiàn)為根>莖>葉>糙米。

圖5 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)水稻各部位Cd含量的影響Figure 5 Effects of sepiolite on Cd contents in various parts of rice under different tillage depth treatments

2.5 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)水稻Cd 富集轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

如表3 所示，不同耕層深度處理下水稻根系Cd的富集系數(shù)均顯著低于CK 處理（P<0.05），其中T2 和T4 處理根系Cd 富集系數(shù)分別為1.04 和0.97，相對(duì)于其他處理更有效地抑制了水稻根系對(duì)土壤中Cd的吸收。根系-莖、根系-葉和根系-糙米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均低于CK處理，但與CK差異不顯著（P>0.05）。

表3 水稻中Cd的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 3 Bioaccumulation factor（BCF）and translocation factor（TF）of Cd in rice

2.6 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)水稻株高及產(chǎn)量的影響

由圖6 可見，不同耕層深度處理下水稻株高和產(chǎn)量均有提高。施用海泡石后，在T1～T5耕層深度處理下水稻株高升幅分別為15.63%、19.70%、17.88%、17.45%和4.38%，除T5處理外，其他處理均與CK處理差異顯著（P<0.05）；相應(yīng)地，水稻產(chǎn)量上升幅度分別為34.43%、85.29%、33.18%、87.32%和31.64%，且均與CK 差異顯著（P<0.05）。由此可見，水稻株高和產(chǎn)量分別在T2和T4處理下最優(yōu)。

圖6 不同耕層深度處理下海泡石對(duì)水稻株高和產(chǎn)量的影響Figure 6 Effects of sepiolite on rice plant height and yield under different tillage depth treatments

3 討論

施用海泡石均可提高根際和非根際土壤pH 值，根際與非根際層土壤有效態(tài)Cd 含量均呈下降趨勢，從而阻止部分Cd 從土壤進(jìn)入水稻內(nèi)，使得水稻各部位Cd 累積量均有下降，這與SUN 等[16]的研究結(jié)果一致?？赡苁且?yàn)楹Ｅ菔且环N多孔的硅酸鹽黏土礦物材料，其具有巨大的比表面積、較高的孔隙度和陽離子交換量（CEC），可通過離子交換、專性吸附或共沉淀反應(yīng)降低土壤中重金屬活性[17]。海泡石對(duì)Cd2+的吸附等溫試驗(yàn)表明其對(duì)Cd2+具有很強(qiáng)的吸附性，能夠有效地將土壤中的Cd2+鈍化，這與孫慧等[18]的研究結(jié)果一致。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，根際土壤Cd 有效態(tài)含量普遍低于非根際土壤。根際土壤環(huán)境是聯(lián)系植物與土壤之間的紐帶，根際環(huán)境與非根際環(huán)境在物理化學(xué)和生物特性方面存在較大差異，可直接影響重金屬從土壤向植物的遷移及其對(duì)植物的有效性[19]。研究發(fā)現(xiàn)水稻能通過產(chǎn)生和釋放根系分泌物改善根際環(huán)境的pH 和Eh，減少根系Cd 吸收量及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)[20]。這些根系分泌物中某些金屬結(jié)合蛋白、黏膠物質(zhì)和特殊的有機(jī)酸（如乳酸）可通過螯合、絡(luò)合、沉淀等作用將重金屬污染物滯留在根外，使得重金屬在根際沉淀物中主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，從而減少重金屬向植物體內(nèi)遷移轉(zhuǎn)運(yùn)[21-23]。根際分泌物可為微生物提供氮源和碳源，影響微生物的生態(tài)分布和活性，還會(huì)影響根際微生物的數(shù)量和種類[24]，微生物代謝活動(dòng)中分泌的各種產(chǎn)物，如有機(jī)物、質(zhì)子、酶等通過影響Cd 吸收和溶解降低重金屬的移動(dòng)性[25]。

值得注意的是，海泡石施用在耕層5 cm 范圍（T2和T4）內(nèi)，土壤有效態(tài)Cd 含量降幅最大，水稻株高和產(chǎn)量顯著提高（P<0.05）。這可能是因?yàn)椴煌疃鹊母麑油寥览砘再|(zhì)對(duì)重金屬的有效性和作物生長發(fā)育影響差異較大，研究表明土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著土壤深度的增加而減少，而土壤有機(jī)質(zhì)中存在著大量的低分子量有機(jī)酸，其可作為有機(jī)配體與重金屬結(jié)合，形成穩(wěn)定的有機(jī)絡(luò)合物，從而降低重金屬的遷移轉(zhuǎn)化能力[26]，這種作用隨著土壤深度的增加而減弱，使得有效態(tài)Cd含量降幅受施加深度的影響而有所差異。事實(shí)上，有研究表明海泡石本身可能會(huì)提高水稻根系活力，進(jìn)而促進(jìn)根系合成脫落酸和細(xì)胞分裂素等植物激素，對(duì)水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量有積極影響，可提高水稻在灌漿前期的灌漿速率和籽粒質(zhì)量，有效提高灌漿質(zhì)量及水稻產(chǎn)量[27-30]。而淺耕處理下土壤養(yǎng)分含量高于深耕處理，對(duì)土壤的擾動(dòng)更小，水分散失更少，土壤容重更小，更適宜水稻生長[31-32]。本試驗(yàn)雖表明海泡石在淺耕層降低土壤Cd有效態(tài)含量及提高水稻株高和產(chǎn)量上效果最佳，但需進(jìn)行大田試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

另外，Cd 污染土壤施用海泡石后水稻各部位Cd累積量均有下降，降幅為根>葉>莖>糙米。通過海泡石鈍化表層5 cm 土壤，且用尼龍網(wǎng)將下層15 cm 受重金屬污染土壤用尼龍網(wǎng)隔開（T4 處理），水稻根、莖、葉和糙米中Cd 含量降幅最大。T5 處理下土壤中Cd有效態(tài)含量降幅高于T3 處理，這可能是因?yàn)槭苣猃埦W(wǎng)的阻隔影響，大量根際分泌物在尼龍網(wǎng)處富集，通過水稻根系分泌物與海泡石的協(xié)同作用，鈍化土壤中Cd，進(jìn)而阻止水稻根部對(duì)Cd 的吸收。海泡石自身為堿性材料，pH 值為10.1，其施用減輕了土壤酸化程度，改善了土壤理化性狀，降低了土壤中鎘的生物有效性，并且抑制了植物對(duì)Cd 的吸收，減輕了Cd 對(duì)水稻的毒害，從而提高了水稻的產(chǎn)量[33-34]。值得注意的是，本試驗(yàn)結(jié)果表明海泡石的施用可使水稻產(chǎn)量提高31.64%～87.32%，從凈收益和產(chǎn)投比來看，施用海泡石有利于提高水稻種植的經(jīng)濟(jì)效益。但本研究結(jié)果為室內(nèi)根際箱試驗(yàn)得出，今后仍需通過大田試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證海泡石的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

總體來看，海泡石在耕層不同深度處理下均可降低土壤Cd 有效性和水稻Cd 含量，提高水稻株高和產(chǎn)量，且海泡石在表層5 cm 土壤施用鈍化效果最佳，本研究對(duì)實(shí)際土壤治理修復(fù)中有效合理地施用鈍化材料具有一定指導(dǎo)意義。但由于根際箱試驗(yàn)的局限性和大田環(huán)境的差異性，海泡石在耕層不同深度下對(duì)Cd 污染土壤的實(shí)際修復(fù)效果需進(jìn)一步通過大田試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）在耕層不同深度施用海泡石均提高了根際與非根際層土壤pH 值，分別增加1.00～1.16、0.59～1.21個(gè)單位。

（2）在耕層不同深度施用海泡石后，根際與非根際層土壤有效態(tài)Cd 含量均有降低，且在耕層5 cm 深度施用時(shí)與對(duì)照差異顯著（P<0.05），降幅分別為3.40%和7.80%。

（3）施加海泡石可降低水稻各部位Cd累積量，其中根部Cd 含量在耕層各深度處理下均顯著低于對(duì)照，且在鈍化耕層5 cm+隔離根系處理中降幅最大，達(dá)19.00%。

（4）海泡石在不同施加深度下均提高了水稻株高和產(chǎn)量，且水稻株高和產(chǎn)量分別在鈍化耕層5 cm 處理和鈍化耕層5 cm+隔離根系處理增幅最大，分別為19.70%和87.32%。