调理剂配合紫云英还田降低水稻土镉的生物有效性

高金涛，王晓玥，周 兴，鲁艳红，廖育林，聂 军*，孙 波*

（1 中国科学院南京土壤研究所 / 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 江苏南京 210008；
2 湖南省土壤肥料研究所,湖南长沙 410125；
3 中国科学院大学, 北京 100049）

镉 (Cd) 是一种有毒重金属，容易在土壤中积累和被水稻等作物吸收[1-2]。土壤Cd污染将增加农田生态系统的毒性，破坏水稻等作物的生理功能和产量，并通过食物链对人体健康构成潜在危害[3-4]。2014 年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%，Cd的点位超标率达7%，是污染最严重的重金属[5]，且Cd污染主要分布在我国南方酸性土壤稻作区，严重威胁稻米的质量安全和人们的身体健康[6]。因此，降低土壤和稻米中的Cd含量成为当今迫切需要解决的问题。

为从源头保障稻米等农产品的质量安全，许多学者对土壤重金属原位钝化修复方法进行了研究。该方法是利用有机物料、石灰、生物炭等土壤调理剂来调控土壤有效Cd和水稻对Cd的吸收，由于其具有成本低、效果好、周期短、易操作等特点而受到广泛关注[7]。绿肥作为绿色清洁的有机物料，是南方稻田地区广泛种植的一种提升耕地质量和改善稻田生态环境的有机肥源[8]，其中紫云英绿肥种植面积最大[9]。紫云英养分丰富，易被土壤微生物腐解，翻压还田紫云英对于提高土壤微生物多样性、培肥土壤、提高水稻产量和品质均有重要作用[10]。然而，紫云英的种植和还田对土壤Cd生物有效性的影响尚无明确结论[8-11]，这是由于紫云英等绿肥还田，一方面可以通过矿化新鲜有机质来促进土壤溶液中的可溶性有机质(DOM)与Cd形成螯合物而增加Cd的移动性和有效性[12]。另一方面也可以通过分解产生富里酸与Cd形成稳定的有机配合物，及促进根表铁膜对Cd的固持来降低土壤中有效Cd的含量和抑制水稻对Cd的吸收[13-14]。还有研究发现紫云英还田对土壤有效Cd没有显著影响[11]。这种不确定性可能与土壤类型、Cd污染程度和绿肥的性质及施用量等有关[14]。

石灰(CaO)可以通过提高土壤pH和改变铁还原菌多样性，来降低土壤有效态Cd的含量和减少水稻Cd累积量[9,15]，另外，土壤中增加的Ca2+会与Cd2+竞争水稻根表的吸附点位而减少水稻根系对Cd2+的吸收和转运[16]。周亮等[17]通过大田试验发现，施用石灰可以提高不同Cd污染程度稻田的土壤pH，降低土壤有效Cd含量和稻米Cd富集系数。生物炭是一类具有巨大比表面积、丰富官能团和较强阳离子交换能力的碱性物质[18-19]，其不仅可以提高土壤肥力，还可以通过物理吸附、离子交换、络合作用等方式固持土壤中的Cd2+，降低水稻Cd的累积量[20]。以往研究发现向Cd污染土壤中添加生物炭后，CaCl2提取的土壤有效态Cd含量显著降低[21]，对于Cd污染稻田修复具有较好的效果。目前，紫云英翻压还田是一项重要且富有前景的降Cd技术，Cd污染的酸性稻田中添加石灰、生物炭是一种常用且有效的调节方法，但是紫云英-水稻轮作种植系统中配套施用石灰或生物炭，对Cd在土壤-水稻系统中的生物有效性和迁移转运的影响尚不清楚[22-23]。

因此，本研究选取湖南省东部地区典型的Cd污染水稻土，设计盆栽试验，研究紫云英翻压还田及其分别配施石灰或生物炭，对土壤Cd有效性和水稻吸收富集Cd的影响，对于我国南方Cd污染稻田的绿色修复和水稻的安全生产具有重要意义。

1.1 试验地概况和供试材料

盆栽试验布置于湖南省土壤肥料研究所科研试验基地网室内 (28°20′N，113°09′E)。该地属亚热带季风湿润气候, 海拔30 m，年均气温17.2℃，年日照时数约1663 h，年降水量约1422 mm，无霜期274天。网室四周通风用铁丝网围拦，顶部用10目(0.25 mm)尼龙网覆盖。所用土壤来自湖南省长沙县福临镇某中度Cd污染稻田，为河流冲击发育成的河沙泥，其基本理化性质为：pH 5.8、有机碳21.3 g/kg、全氮2.0 g/kg、有效氮36.0 mg/kg、有效磷40.5 mg/kg、非晶质氧化铁5.2 mg/kg、总镉1.27 mg/kg、有效镉0.15 mg/kg。

试验用紫云英品种为湖南省农业科学院土壤肥料研究所选育的湘紫1号，紫云英的具体种植规程参照《中国主要农区绿肥作物生产与利用技术规程》[24]，播种量按37.5 kg/hm2计算，即每盆0.25 g(约70～80粒)，冬季撒播。供试的中稻品种为‘Y两优2108’, 水稻种子用10%的双氧水浸泡杀菌30 min，去离子水洗净，待其发芽后，播于装有无污染土壤的育秧盘中，20天后移苗至PVC盆中。插秧时每盆3穴、每穴3株，水稻生长过程中始终保持淹水(在PVC盆中维持2～3 cm左右的水层)。

1.2 试验设计

本研究采用盆栽试验的方法, 设置4个处理：1)对照(CT)，无紫云英和不施土壤调理剂；
2)紫云英处理(GM)，紫云英翻压还田量约10650 kg/hm2；
3)紫云英还田+石灰处理(GL)，紫云英还田量约10650 kg/hm2+ 石灰约2800 kg/hm2；
4)紫云英还田+生物炭处理(GB)，紫云英还田量约10650 kg/hm2+生物炭约14000 kg/hm2。每个处理8个重复，每个重复设置一个PVC盆(35 cm口径宽，30 cm高)，Cd污染稻田土壤经自然风干、去杂质、磨碎后过5 mm筛，每盆装土7 kg，共32盆。于紫云英盛花期收割地上部分测定鲜草产量，将其全部切碎与盆栽土壤混匀后翻压归还。本研究中，紫云英鲜草含水量为88.9%，干基养分含量为N 37.5 g/kg、P 3.5 g/kg、K 37.2 g/kg，Cd含量为11.8 mg/kg (鲜重)。本研究所用石灰(CaO)的pH为12.3；
生物炭pH为9.5，养分含量为 C 551 g/kg、N 2.3 g/kg、P 3.0 g/kg、K 32.9 g/kg。各处理中的化肥(追肥除外)、石灰、生物炭在紫云英还田时与土壤混匀施入。紫云英翻压淹水腐解15天后，于2018年5月6日进行水稻插秧，种植一季中稻, 2018年10月5日收获。施用化肥为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)。化肥用量为：N 0.56 g/pot基肥+0.56 g/pot追肥(移苗60 天后)、P2O50.35 g/pot、K2O 0.42 g/pot，紫云英还田处理中的N肥施用量为化肥N量减去还田紫云英的N含量。2018年5月—2018年10月中稻种植试验期间，网室内温度为17.7 ℃～ 37.8 ℃，相对湿度保持在74%～96%，每日日照时长为3.7～8.4 h。

1.3 样品采集和分析

盆栽土壤样品于 2018 年共采集3 次，分别在紫云英翻压前、水稻分蘖期和水稻成熟期。用竹制取样器取盆栽内0—15 cm土壤，每份土壤取一部分保存于4℃冰箱用于微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)等养分的测定；
剩余的土壤通风阴干用于测定土壤pH、总Cd和有效Cd及其他基本理化性质。水稻植株分别取分蘖期和成熟期的样品，去离子水洗净后105℃杀青1 h，之后80℃烘干至恒重。将水稻分为根、茎叶和糙米(成熟期) 3部分，粉碎后用于测定各部分的Cd含量。

土壤pH按水土比2.5∶1 (mL/g)电位法测定。土壤有机碳、全氮用碳氮元素分析仪测定。土壤可溶性有机碳(DOC)用超纯水提取过无碳滤膜后，用总有机碳分析仪 (TOC-VCPH/CPN，日本) 测定。土壤有效磷、速效氮(铵态氮和硝态氮)用连续流动分析仪(SKALAR SAN++，荷兰)测定。微生物生物量碳采用氯仿熏蒸—硫酸钾浸提法测定，用总有机碳分析仪 (TOC-VCPH/CPN，日本) 测定提取液中有机碳含量。土壤总Cd采用HNO3-HF-HClO4三酸消解，土壤有效Cd采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提，二者均用液相色谱-电感耦合等离子体质谱仪(HPLCICP-MS，ZX_2013)测定。水稻植株中的Cd含量由HNO3-HClO4消解，采用ICP-OES Optima 7000DV电感耦合等离子体质谱仪测定。

1.4 数据处理

数据经过Microsoft Excel 2019软件处理后，采用SPSS 19.0软件进行方差分析 (Duncan法，α=0.05) 和相关性分析(Pearson，α=0.05)；
采用Canoco Software 5.0软件进行冗余(RDA)分析(不符合正态分布数据进行对数转换)；
采用R 2.7.1的randomForest包进行随机森林分析，绘图由Origin 9.0软件完成。

采用重金属活化率来表征土壤镉活化程度，计算公式为：

土壤镉活化率(%)=土壤有效镉含量(mg/kg)/土壤总镉含量(mg/kg)×100

采用富集系数(bioconcentration factors, BCF)来表征土壤中的重金属在水稻不同器官的累积趋势，其计算公式为：

式中Ca为处理水稻器官重金属含量，mg/kg；
Cb为对应土壤重金属含量，mg/kg。

采用转运系数(translocation factor, TF)来研究重金属由水稻前一部位向后一部位迁移转运的能力，其计算公式为：

式中Ca为水稻前一部位器官(分别对应茎叶、糙米)中重金属含量，mg/kg；
Cb为水稻后一部位器官(分别对应根部、茎叶)中重金属含量，mg/kg。

2.1 紫云英种植还田及与调理剂配施对土壤理化性质和Cd含量的影响

2.1.1 紫云英种植对土壤理化性质和Cd含量的影响 在紫云英盛花期(表1)，与无紫云英对照相比，种植紫云英后土壤pH显著降低(P＜0.05)，同时土壤总Cd虽无显著变化，但土壤有效Cd显著提高了53.3%。此外，紫云英种植后，土壤中非晶质氧化铁(活性铁)含量显著增加。在土壤养分方面，土壤有效氮、有效磷均因紫云英种植显著降低，但土壤有机碳没有显著变化。

表1 紫云英盛花期土壤基本理化性质Table 1 Soil basic properties at full flowering stage of milk vetch

2.1.2 紫云英还田及其与调理剂配施对土壤基本理化性质的影响 在水稻成熟期，与对照处理(CT)相比，GL和GB处理的土壤pH、DOC、有效氮和有效磷均显著提高(表2)。土壤微生物生物量碳(MBC) 在GM处理最高，其次为对照和GB处理，GL处理最低(P＜0.05)。此外，GL处理DOC与SOC的比值(DOC/SOC)和GM处理的微生物熵(MBC/SOC)均分别显著高于对照和其他处理。

表2 水稻成熟期土壤理化性质Table 2 Soil physiochemical properties at maturing stage of rice

2.1.3 紫云英还田及与调理剂配施对土壤有效Cd及其活化率的影响 图1显示，在水稻分蘖期，与CT相比，GM处理的土壤有效Cd显著增加50.5%，而GL和GB处理土壤有效Cd分别显著减少97.2%和79.3%；
在水稻成熟期，土壤有效Cd对不同处理的响应与水稻分蘖期相似，即GM处理的土壤有效Cd显著增加29.3%，而GL和GB处理土壤有效Cd分别显著减少96.0%和80.3%。土壤Cd活化率与土壤有效Cd含量在不同处理间呈相似变化趋势，在水稻分蘖期和成熟期，GM处理土壤Cd活化率显著高于对照处理，而GL和GB处理土壤Cd活化率显著低于对照处理，分别只有0.45%和2.01%。

图1 水稻不同生长期土壤有效镉含量和土壤镉活化率Fig.1 Soil available Cd content and soil Cd activity index at different growth stages of rice

2.2 紫云英还田及与调理剂配施对水稻产量及其转运和富集Cd的影响

2.2.1 紫云英还田及与调理剂配施对水稻产量的影响水稻产量在不同处理的影响下变化存在差异(图2)。水稻产量最高的是GB处理，其水稻产量为8290 kg/hm2。与对照相比，GM、GL和GB处理产量分别显著增加38.6%、39.9%和131.9% (P＜ 0.05)。

图2 不同处理对水稻产量的影响Fig.2 Effects of different treatments on rice yield

2.2.2 紫云英还田及与调理剂配施对不同生育期水稻各器官中Cd含量的影响 水稻分蘖期，相比于对照，GM处理水稻根系Cd含量显著增加187.6%，而茎叶Cd含量则显著降低了37.8% (图3)；
GL处理和GB处理水稻的根系Cd含量和茎叶Cd含量均分别显著低于对照(P＜0.05)，其中根系Cd含量降幅分别达到55.4%和57.8%。水稻成熟期，与对照相比，GL处理中水稻根部Cd含量显著减少，茎叶和稻米中的Cd虽有减少但无显著差异(图3)。而GM和GB处理的水稻根系和茎叶Cd含量与对照相比没有显著差异，GB处理的水稻籽粒Cd含量显著高于对照，但低于国家稻米镉含量标准0.2 mg/kg (P＜0.05)。

图3 水稻分蘖期和成熟期各器官镉含量Fig.3 Cd content in rice organs at tillering stage and mature stage

2.2.3 紫云英还田及与调理剂配施对水稻各器官Cd累积量和Cd富集系数的影响 水稻分蘖期，各处理水稻根部与茎叶的Cd富集系数和Cd累积量差异明显(表3)。其中GM处理根部Cd富集系数和累积量分别为2.89和13.63×10-3mg/hole，显著高于对照处理；
而GM处理茎叶部的Cd富集系数和富集量，有低于对照处理的趋势，但差异未达显著水平。GL处理和GB处理的水稻根部和茎叶Cd累积量均显著低于对照。水稻成熟期，GL处理水稻根部和籽粒的Cd累积量分别比对照降低了48.1%和24.0%，而茎叶中的Cd累积量则显著高于对照(P＜0.05)。此外，GM处理和GB处理的水稻根系Cd富集系数和Cd累积量均与对照无显著差异，但GM处理茎叶的Cd累积量和籽粒中的Cd富集系数显著高于对照处理，而GB处理籽粒的Cd累积量和富集系数相比于对照分别显著提高了293%和75%(P＜0.05)。

表3 不同生育期水稻各器官Cd累积量(×10-3 mg/hole)和富集系数(BCF)Table 3 Accumulation amount and bioconcentration factor (BCF) of Cd in rice parts at different growth stages

2.2.4 紫云英还田及与调理剂配施对水稻Cd转运系数的影响 水稻分蘖期，与CT相比，GM、GL和GB处理均显著降低了水稻根部-茎叶的Cd转运系数(表4)，其中GM处理的降幅达77.4% (P＜0.05)。水稻成熟期，与对照相比，GL处理根系-茎叶的Cd转运系数显著增加，但茎叶-籽粒的Cd转运系数呈下降趋势。GB处理分蘖期根系-茎叶的Cd转运系数显著低于对照，与对照相比，降低了45.2%，但成熟期其茎叶-籽粒的Cd转运系数显著高于对照和其他处理，比对照提高75.2%。

表4 不同处理水稻镉转运系数Table 4 The transport coefficient of Cd in rice under different treatments

2.3 紫云英还田及与调理剂配施对Cd生物有效性影响的因素分析

2.3.1 环境因素与Cd生物有效性的关系 RDA分析表明土壤环境因子与Cd的生物有效性存在相关性(图4)。水稻分蘖期，GM处理、GL处理和GB处理均与对照明显分开(图4A)，RDA1和RDA2两轴分别解释了Cd生物有效性变化的85.24%和5.10%，其中土壤pH、有效磷和可溶性有机碳线段较长且与氯化钙提取态Cd、水稻秸秆Cd和水稻根系Cd呈明显负相关关系，其分别可以单独解释该时期Cd生物有效性变异的79.8%、73.2%和69.5%。水稻成熟期，GM处理与对照相对接近，而分别与GL处理和GB处理明显分开(图4B)，RDA1和RDA2两轴分别解释了Cd生物有效性变化的86.63%和7.56%，其中土壤pH、有效磷和可溶性有机碳与氯化钙提取态Cd和水稻根系Cd呈负相关关系，其分别可以单独解释该时期Cd生物有效性变异的84%、73%和65.8%，而微生物生物量碳和微生物熵(微生物生物量碳/土壤有机碳，MBC/SOC)则与氯化钙提取态Cd、水稻秸秆Cd和水稻根系Cd呈负相关关系。

图4 环境因子对水稻分蘖期(A)和成熟期(B) Cd生物有效性影响的RDA分析Fig.4 RDA analysis of the effects of environmental factors on Cd bioavailability in tillering stage (A)and mature stage (B) of rice

2.3.2 环境因素对Cd生物有效性影响的重要性利用随机森林回归预测土壤有效 Cd 含量和水稻根系Cd含量，模型分别可解释二者 57.9% 和55.2%的变异性，进而分别得出土壤有效Cd和水稻根系Cd含量影响因素重要性排名图(图5)。紫云英还田及与调理剂配施对土壤有效Cd (CaCl2-Cd)的改变主要受到土壤pH、有效磷、可溶性有机碳和的影响，四者总的贡献率达46.5%，其中土壤pH和有效磷贡献率均超过15% (图5A)。而对水稻根系Cd含量的改变主要受到可溶性有机碳与土壤有机碳的比值、土壤微生物生物量碳、土壤中有效Cd含量、土壤pH、可溶性有机碳、有效磷、微生物熵和阳离子交换量的影响，其中可溶性有机碳与土壤有机碳的比值(9.6%)和土壤微生物生物量(8.4%)的贡献率最高(图 5B)。

图5 因子影响土壤有效Cd (A)和水稻根系Cd含量(B)的重要性Fig.5 Significance of factors affecting soil available Cd content (A) and the Cd content in rice root (B)

3.1 紫云英种植和还田对土壤Cd生物有效性的影响

紫云英绿肥因营养成分丰富，具有固氮、吸碳、活磷、增钾等优点[25-26]，在我国南方稻作产区被广泛种植，但紫云英种植和还田后，对土壤有效Cd含量及其在水稻不同器官中转运富集的影响尚不明确。本研究发现，紫云英种植和还田均提高了土壤有效Cd含量。首先，种植紫云英通过降低土壤pH (表1)，从而提高土壤中有效Cd含量。这是因为紫云英种植期间，植物根系会分泌草酸、柠檬酸等小分子有机酸从而降低土壤pH[27-28]，土壤中H+增加将与Cd2+离子竞争吸附点位和改变Cd吸附表面的稳定性和存在形态[29]，导致Cd2+迁移到土壤中，提高土壤中有效Cd含量(表1)。其次，紫云英还田提高了水稻分蘖期和成熟期的土壤Cd活化率和土壤有效Cd (图1)。原因可能是：第一，绿肥还田处理由于紫云英种植使土壤pH低于对照，而土壤初始有效Cd含量高于对照；
第二，紫云英翻压还田会在微生物作用下分解产生大量的可溶性有机质，其分子芳香性低迁移性高且含有大量类蛋白物质，容易与土壤Cd形成络合物，提高土壤中有效Cd含量[30]，另外，本试验中紫云英分解后新鲜有机质的增加会促进水稻根系生长和根系分泌物增加，而根系分泌物中可溶性有机碳与土壤Cd的络合也是提高土壤Cd迁移性的主要机制之一[31]。

此外，本研究发现，虽然紫云英种植和还田提高了土壤中有效Cd含量，但稻米籽粒中的Cd含量并未增加，这可能是由于Cd在水稻各器官中转运累积的影响。分蘖期是水稻大量吸收养分的营养生长期，水稻在大量吸收养分的同时也会吸收土壤中可溶性Cd。图3A和表3表明，分蘖期绿肥还田处理的水稻根部Cd含量和水稻根部Cd富集系数显著高于对照和其他处理，而根部-茎叶的Cd转运系数和茎叶中Cd的含量又显著低于对照(图3A、表4)，这很可能是Cd被大量截留在根表而未能进入水稻根系内部向茎叶转运。本研究中由于紫云英种植后土壤pH降低，影响了铁的溶解度和氧化还原体系的化学反应[32]，导致绿肥还田处理的初始土壤非晶质氧化铁含量显著高于对照(表1)，而分蘖期水稻生长旺盛根系泌氧量大，是形成根表铁膜的重要时期。以往研究发现，有机质在土壤中厌氧分解，可以促使土壤可溶性Fe2+与水稻根系释放的氧气和氧化性物质发生氧化反应，在水稻根表形成一种锈红色的根表铁膜[33]，从而将Cd等重金属离子吸附截留在根表铁膜上，而降低其向水稻地上部的转运和富集[34-35]。但是水稻成熟期，绿肥还田处理水稻根系Cd含量已与对照无显著差异(图3)，这可能是随着水稻生育期的延长，水稻根系分泌氧化性物质减少，供氧能力降低，铁膜中铁氧化物被还原或者根系老化分解导致铁膜退化和固定的Cd减少[36]。另外，绿肥还田处理虽然分蘖期根系Cd含量较高，但成熟期根部-茎叶的Cd转运系数的增强和茎叶-籽粒的转运能力下降，导致更多的Cd被累积在茎叶中(表3)，保证了稻米的安全生产。

3.2 紫云英配施调理剂还田对土壤Cd生物有效性的影响

紫云英配施石灰或生物炭两种土壤调理剂还田，均降低了土壤Cd活化率和土壤有效Cd含量，但在不同生育期，二者对Cd在水稻中的吸收转运的影响存在差异。首先，紫云英配施石灰或生物炭还田均显著降低了水稻分蘖期和成熟期的土壤有效Cd含量，这与赵莎莎等[18]和吴岩等[37]的研究结果一致，即石灰或生物炭的添加都可以显著提高稻田土壤pH，降低土壤有效Cd含量。其次，紫云英配施石灰或生物炭抑制了分蘖期Cd从土壤向水稻根系的富集和从水稻根系向茎叶的转运累积(表3、表4)。成熟期，GL处理同样显著抑制了Cd向水稻根部的富集(图3)，但紫云英还田配施生物炭相比GL处理提高了水稻根部的Cd富集能力和Cd从茎叶-籽粒的转运系数(表3、表4)，使得水稻根部Cd含量与对照无显著差异，籽粒中Cd累积量则显著高于对照和其他处理(图3B)。黄涵宇[38]的研究结果与本试验结果类似，这可能与生物炭对土壤中Cd 的活化作用有关。相比于石灰，生物炭属于有机土壤调理剂，加入土壤中会与土壤中的有机质结合产生富里酸，而富里酸螯合态Cd会增加Cd在土壤中的移动性[39]。此外，紫云英配施生物炭还田后，微生物生物量碳并未显著降低，可溶性有机碳含量则显著高于对照(表2)，说明微生物尚保持一定活性，而芦小军等[40]研究发现部分微生物对土壤中的Cd具有活化作用，这会使土壤中的非活跃态Cd转化为活跃态Cd，从而被水稻根部吸收转运至水稻籽粒。而且张竞颐[41]通过水培试验发现，低浓度生物炭诱导形成的水稻根表铁膜可以增强水稻根系对Cd的截留，但会促进茎叶间Cd的迁移转运。虽然紫云英配施生物炭使水稻籽粒中Cd含量显著增加，提高了稻米Cd污染的风险，但其水稻籽粒镉含量为0.08 mg/kg，低于我国《食品安全国家标准》(GB 2762—2017)中稻谷Cd含量的最低标准0.2 mg/kg。喻成龙等[22]和汤建等[42]通过紫云英与生物炭施用量对水稻糙米Cd含量影响的研究发现，2.5～10.0 g/kg的生物炭添加量配施紫云英，均能显著降低水稻糙米中的Cd含量。张丽等[43]研究发现，水稻糙米中的 Cd 含量随生物炭用量的增加呈先降低后升高的趋势。本研究中生物炭添加量为20 g/kg，说明过高的生物炭添加量会增加稻米Cd污染风险。因此，探索紫云英还田配施生物炭配套模式下二者搭配的适宜用量，对于Cd污染土壤的治理和农产品的安全生产十分重要。

3.3 紫云英还田及与调理剂配施影响Cd生物有效性的关键因子

RDA分析和随机森林模型表明，土壤pH、有效磷和可溶性有机碳是影响土壤Cd生物有效性最重要的影响因子(图4，图5)。紫云英配施石灰或者生物炭还田均能显著降低土壤pH，而紫云英单独翻压还田与先前许多研究结果相似，即较低有机物料施用量对当季土壤pH的影响十分有限[11,14]。本研究紫云英还田导致土壤有效Cd增加，Guo等[12]研究发现，施用有机物料可以明显提高土壤 CaCl2提取态 Cd 含量，而王阳等[11]和范晶晶等[14]发现紫云英还田对土壤有效Cd并未造成显著影响，是因为二者分别采用稀盐酸提取态Cd (HCl-Cd)和二乙烯三胺五乙酸提取态Cd (DTPA-Cd)作为土壤有效Cd的提取方法，提取了比本研究更多的碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态的Cd[44]，而掩盖了紫云英翻压产生的最容易被吸收利用的水溶态Cd和可交换态Cd含量变化。磷在植物生长发育过程中起着重要的作用。研究表明，分别施用石灰和生物炭可以提高土壤有效磷的含量[45-46]，而能增加溶液中阴离子的含量，形成P-Cd沉淀物使Cd钝化从而降低Cd的生物有效性[47]。土壤pH、微生物生物量碳、可溶性有机碳与土壤有机碳的比值同样是影响水稻根部吸收Cd的重要因子，说明紫云英配施土壤调理剂还田可以通过改变土壤pH和土壤微生物活性及可溶性有机质含量，影响土壤中有效Cd含量和水稻根部对Cd的吸收富集，即外源有机质的添加能够增强土壤胶体对重金属离子的专性吸附，提高土壤有机结合态Cd的含量从而降低Cd的生物有效性[48-49]。

紫云英单独还田可以提高水稻分蘖期土壤有效Cd含量和水稻根系Cd含量，降低分蘖期茎叶Cd含量，但对稻米Cd含量没有显著影响。紫云英还田配施石灰或生物炭能显著提高土壤pH，显著降低土壤有效Cd含量。紫云英配施石灰可降低稻米中Cd的累积量，而与生物炭配施却会提高稻米中Cd含量，增加了稻米Cd污染风险。因此，在中轻度污染的水稻田上，安全的绿肥和土壤调理剂配套改良模式需要进一步研究。

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