1 引言(Introduction)

2014年国家环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》中显示，我国大量的农田受到重金属等污染物的威胁，镉污染问题尤为突出，其点位超标率为7%，排在所有无机污染物的首位(环境保护部和国土资源部，2014).基于我国的人口压力与粮食安全现状，现阶段不可能停止所有镉污染土地尤其是中、轻度污染农田的生产活动.目前，缺乏对镉污染农田进行长时间治理的有效方法(谭淳，2012).因此，镉污染农田的修复与农业安全利用是一个亟待解决的问题.

在农业生产中经常使用钙镁磷肥作为基肥，或用来改良酸性土壤.相关试验表明(钱海燕等，2007)，施用钙镁磷肥后植物抗逆性强，根系伸长且不易倒伏，且钙镁磷元素能沉积于茎、根表皮细胞膜内，起着抵抗病菌侵入的作用(章明奎等，2012).有研究发现，Ca²⁺作为土壤中Cd²⁺的竞争离子，通常与土壤中Cd²⁺竞争根表吸附位点和转运通道，从而达到降低植物对Cd的吸收，同时还能促进植物生长发育(吴文成等，2015；朱维等，2015).因此，将钙镁磷肥作为一种土壤改良剂，结合重金属的基团进入到土壤环境中(祖艳群等，2013)，能显著降低土壤中Cd的生物有效性.Mg²⁺通过影响植物根系和地上部分的生理代谢过程，或影响Cd在植物体内迁移转运等作用间接影响植物对Cd的吸收，降低植物体内Cd含量(陈炳睿等，2012).同时，钙、镁、磷作为植物生长所必须的营养元素，通过元素间相互竞争、拮抗(杨文弢等，2016)等过程，在降低污染土壤重金属生物有效性方面是可行的(周航等，2014).

本文通过研究外源Cd污染条件下施用钙镁磷肥对种植不同品种水稻后土壤各理化性质的变化和水稻各部位Cd含量的影响，试图阐述钙镁磷肥对土壤Cd生物有效性的作用及对水稻糙米Cd积累与迁移的影响，以期为Cd污染稻田的改良修复和降低稻米Cd含量提供理论支撑，以达到污染农田安全利用的目的.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 供试材料

供试土壤取自湖南省宁乡县双江口镇稻田耕作层土壤(红壤，0~30 cm)；钙镁磷肥由湖南省农科院提供；盆栽桶为无盖圆柱形桶，直径300 mm(内径)，高240 mm，由深圳威腾家居建材馆提供；水稻(Oryza sativa L.)品种选用湖南地区常见的湘晚籼12号(常规稻)和威优46号(杂交稻)，由湖南亚华种业有限公司提供.供试土壤(添加外源Cd和钙镁磷肥，并且熟化后)和钙镁磷肥基本理化性质见表 1.

2.2 实验设计

本研究采用盆栽试验，试验地点为中南林业科技大学生命科学楼3楼户外种植基地，种植时间为2015年7月至11月初.将采集回的土壤自然风干、碾压，去除杂物后混匀，装入无盖圆柱型塑料桶(内径300 mm，高240 mm)中，每桶装土5.0 kg，添加100 mL浓度为250 mg·L^-1的Cd添加液(由CdCl₂·2.5H₂O制备)，供试土壤Cd含量测定值为5.38 mg·kg^-1，搅拌混匀并在通风处静置一周.盆栽实验设置4个钙镁磷肥施用量梯度(0、0.2、0.4、0.8 g·kg^-1)，每个施用量3个平行，3个空白.钙镁磷肥按照设计梯度施入后，搅拌混匀并于通风处静置15 d.试验所选取的水稻种子均在未受污染的土壤中育秧，采集并选取长势一致、健康的水稻幼苗进行移栽.整个水稻生长期间的灌溉水为自来水，水分管理与传统种植方式一致，并喷洒农药防止病虫害.

2.3 样品采集

分别在土壤熟化期插秧时(0 d，仅采集土壤样品)、水稻分蘖盛期(35 d)、灌浆期(65 d)和成熟期(95 d)采集水稻根系上(0~5 cm)的土壤样品和水稻样品.土壤样品自然风干后，碾压过筛，保存待测.水稻样品植株用自来水和去离子水洗净晾干后放入烘箱，105 ℃杀青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，用粉碎机粉碎过筛后，保存待测.

2.4 样品测定方法

土壤pH值测定时加超纯水后用酸度计(PHS-3C，雷磁)测定，测定过程中的固液比为m(固):V(液)=1 g:2.5 mL；土壤全量Cd、Ca、Mg用盐酸-硝酸-高氯酸电热板加热消解(鲁如坤，2000).采用TCLP毒性浸出试验(孙约兵等，2012)和1 mol·L^-1 CaCl₂溶液提取测定土壤中Cd的交换态含量(颜世红等，2013)，以评价土壤Cd的生物有效性.水稻糙米中Cd采用干灰化法消解(GB/T5009-2010).所有土壤样品溶液中Cd、Ca、Mg含量采用ICP-AES(ICP 6300，Thermo)测定，水稻糙米样品溶液中Cd含量采用石墨炉原子吸收分光光度计(iCE-3500，Thermo)测定.试验中所有试剂均为分析纯或优级纯，所有样品分析过程中以国家标准物质土壤(GBW(E)-070009) 和湖南大米(GBW 10045 (GSB-23))进行质量控制分析.

2.5 数据统计与分析

试验中所有处理均设置3个平行样，数据结果均为平均值±标准偏差.使用Excel2010、SPSS19.0和Origin8.5软件进行数据处理与分析.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 钙镁磷肥对土壤pH值的影响

如图 1所示，施用钙镁磷肥对2个水稻种植土壤pH值影响显著，随着钙镁磷肥施用量的增加，土壤pH值均显著升高.与对照相比，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，使湘晚籼12号种植土壤pH值在各个采样时间(0、35、65和95 d)分别上升了0.06~0.40、0.23~0.59、0.19~0.59和0.19~0.32，威优46号分别上升了0.12~0.58、0.04~0.52、0.13~0.59和0.20~0.54，且均与对照呈现显著差异(p＜0.05).由图 1可知，熟化期(0 d，插秧前)pH值比生长期都高，且随着水稻生长期的延长土壤pH值均呈现先下降后上升的趋势，成熟期时略低于熟化期.

3.2 钙镁磷肥对水稻各时期土壤TCLP提取态Cd、Ca、Mg和交换态Cd含量的影响

本研究通过TCLP毒性浸出试验和CaCl₂提取法评价土壤中Cd的生物有效性.4个采样时期湘晚籼12号和威优46号种植土壤TCLP提取态和CaCl₂提取态Cd含量如图 2所示.与对照相比，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，湘晚籼12号种植土壤TCLP提取态Cd含量在各个采样时间(0、35、65和95 d)分别下降了8.06%~12.67%、6.89%~15.60%、15.46%~21.45%和53.41%~61.93%；威优46号分别下降了8.06%~12.67%、37.91%~72.65%、8.98%~42.09%和22.93%~59.67%.与TCLP提取态Cd含量变化趋势相同，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，湘晚籼12号种植土壤交换态Cd含量在各个采样时间(0、35、65和95 d)分别下降了0.34%~7.56%、0.74%~1.82%、0.51%~65.12%和26.84%~68.90%；当钙镁磷肥施用量为0.4~0.8 g·kg^-1时，威优46号种植土壤中交换态Cd含量变化趋势与湘晚籼12号一致，分蘖期时下降幅度最大，各时期分别下降了0.3%~7.6%、86.6%~86.9%、61.3%~64.1%和56.52%~58.70%.成熟期同一钙镁磷肥施用量水平下，TCLP提取态Cd含量和交换态Cd含量基本表现为威优46号种植土壤＞湘晚籼12号种植土壤，这可能是由于水稻品种差异所造成的.

4个采样时期湘晚籼12号和威优46号种植土壤TCLP提取态Ca、Mg含量如图 2所示.与对照相比，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，湘晚籼12号种植土壤TCLP提取态Ca含量在各个采样时间(0、35、65和95 d)分别上升了36.04%~76.51%、45.80%~100.98%、9.14%~58.09%和6.59%~36.07%；威优46号分别上升了36.04%~76.51%、28.56%~80.40%、16.92%~80.94%和22.82%~36.30%.与对照相比，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，湘晚籼12号种植土壤TCLP提取态Mg含量在各个采样时间(0、35、65和95 d)分别上升了206.85%~586.20%、320.540%~578.32%、177.08%~307.31%和92.97%~180.89%；威优46号分别上升了206.85%~586.20%、179.49%~1124.65%、113.24%~432.69%和144.44%~421.70%.成熟期同一钙镁磷肥施用量水平下，TCLP提取态Ca含量基本表现为湘晚籼12号种植土壤＞威优46号种植土壤；TCLP提取态Mg含量基本表现为威优46号种植土壤＞湘晚籼12号种植土壤.

3.3 水稻各部位Ca、Mg、Cd含量

由表 2可知，对湘晚籼12号水稻品种而言，施用钙镁磷肥能显著增加水稻各生育期各部位Ca、Mg含量，显著降低Cd含量.与对照相比，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，水稻成熟期根、茎叶、谷壳和糙米中，Ca含量分别增加了15.6%~19.2%、4.7%~9.5%、2.4%~7.0%和1.9%~13.5%，Mg含量分别增加了3.4%~8.9%、3.0%~8.6%、5.1%~8.6%和8.5%~16.1%，糙米中Cd含量下降了36.8%~52.6%.威优46号水稻与湘晚籼12号水稻各部位中Ca、Mg、Cd含量变化趋势相同.与对照相比，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，水稻成熟期根、茎叶、谷壳和糙米中，Ca含量分别增加了9.7%~18.1%、9.0%~12.4%、2.3%~2.7和5.5%~10.4%，Mg含量分别增加了3.1%~7.5%、5.3%~12.5%、1.9%~8.6%和8.7%~26.2%，糙米中Cd含量下降了53.3%~75.6%.

相同种植条件下，由于水稻品种的不同，威优46号品种水稻各部位Ca、Mg、Cd含量均高于湘晚籼12号品种水稻，而且同种水稻各部位间Ca、Mg、Cd含量具有差异性.同一水稻品种各部位中Ca、Mg、Cd含量基本遵循根＞茎叶＞糙米＞谷壳，这与其他学者的研究结果相同(Liu et al., 2003；Liu et al., 2003；Li et al., 1998；Li et al., 2007).钙镁磷肥施用量高于0.2 g·kg^-1时，湘晚籼12号水稻糙米中Cd含量(0.12~0.09 mg·kg^-1)均能达到国家食品中污染物限量标准(GB 2762-2012，Cd＜0.2 mg·kg^-1)；当钙镁磷肥施用量高于0.4 g·kg^-1时，威优46号水稻糙米中Cd含量(0.13~0.11 mg·kg^-1)能够达到国家食品中污染物限量标准.

3.4 水稻种植土壤pH、交换态Cd含量、TCLP提取态Cd、Ca、Mg含量与糙米中Cd含量的相关性

为进一步探讨水稻种植土壤pH、交换态Cd含量、TCLP提取态Cd、Ca、Mg含量与糙米中Cd含量之间的关系，对其进行相关性分析(表 3).对湘晚籼12号而言，土壤pH值与土壤TCLP提取态Cd含量呈现显著负相关(r=-0.57, n = 12，r_0.05=0.57，r_0.01=0.71)，土壤pH值与土壤交换态Cd含量呈现显著负相关(r=-0.74, p＜0.01)，土壤TCLP提取态Cd含量与水稻糙米中Cd含量呈现显著正相关(r=0.59, p＜0.01)，土壤TCLP提取态Cd含量与土壤TCLP提取态Ca含量呈现显著负相关(r=-0.73, p＜0.01)，土壤TCLP提取态Cd含量与土壤TCLP提取态Mg含量无显著相关关系.对威优46号而言，土壤pH值与土壤TCLP提取态Cd含量无显著相关关系(r=-0.52)，土壤pH值与土壤交换态Cd含量呈现显著负相关(r=-0.81, p＜0.01)，土壤TCLP提取态Cd含量与水稻糙米中Cd含量呈现显著正相关(r=0.94, p＜0.01)，土壤TCLP提取态Cd含量与土壤TCLP提取态Ca含量呈现显著负相关(r=-0.62, p＜0.01)，土壤TCLP提取态Cd含量与土壤TCLP提取态Mg含量无显著相关关系.这说明土壤交换态和TCLP提取态Cd含量能很好地表征土壤中Cd的生物有效性，且随着土壤pH值的升高显著降低(宗良纲等，2006)，土壤中Cd生物有效性的降低能减少水稻糙米中Cd含量(李平等，2012；蔡轩等，2015)，土壤中Cd与Ca、Mg存在一定的拮抗作用，土壤中有效态Ca、Mg的提升能降低土壤中Cd的生物有效性，从而降低水稻糙米中Cd的含量.

3.5 水稻各部位Ca、Mg与Cd含量的相关性

施用钙镁磷肥能显著下降水稻各生育期各部位Cd含量，同时显著提升Ca和Mg含量(表 2).为进一步探讨水稻各部位Ca、Mg与Cd含量之间的关系，分别对其进行相关性分析(表 4).结果表明，湘晚籼12号分蘖期茎叶中Mg与Cd呈现显著负相关关系(r_Mg-Cd= -0.81，n = 12，r_0.05=0.57，r_0.01=0.71)，灌浆期根中Ca与Cd呈现显著负相关关系(r=-0.57，p＜0.05)，成熟期糙米中Mg与Cd呈现显著负相关关系(r=-0.59，p＜0.05).威优46号各生育期根中Ca、Mg与Cd均呈现显著负相关关系，其中，分蘖期r_Ca-Cd=-0.82、r_Mg-Cd=-0.92，灌浆期r_Ca-Cd=-0.89、r_Mg-Cd=-0.81，成熟期r_Ca-Cd=-0.87、r_Mg-Cd=-0.72.结果说明，水稻各部位中Ca、Mg含量越高，Cd含量就越低，水稻体内Ca、Mg与Cd存在拮抗作用.

4 讨论(Discussion)

由于钙镁磷肥属于碱性肥料，随着钙镁磷肥施用量的增加，土壤pH值均显著上升(表 1).研究指出，在一定范围内提高土壤pH值能降低土壤中Cd的生物有效性，从而降低Cd对植物的毒性(周华，2003).同时，Ca、Mg等元素对植物吸收Cd²⁺起到一定的拮抗作用(张海勃等，2013；周航等，2010).与熟化期相比，土壤pH值在种植水稻后显著下降，之后随着水稻生育期的延长逐渐上升(图 1)，这与一些学者的研究结果相同(李夏，2010；朱奇宏等，2010).需要指出的是，随着钙镁磷肥施用量的增加，土壤pH值先下降后上升的规律逐渐减弱，施用钙镁磷肥可能中和了水稻根系分泌的低分子有机酸，使得土壤pH值在分蘖期时没有一个明显的下降.万强等(2012)认为，增加土壤中的有效钙、镁，提高土壤pH值，都可以降低土壤中有效镉含量，抑制水稻吸收镉，避免产生镉米.本研究中水稻土壤中pH值与TCLP提取态Cd和交换态Cd含量均具有显著负相关性，水稻土壤中TCLP提取态Cd含量与TCLP提取态Ca、Mg含量均具有显著负相关性，说明土壤pH值的升高有利于降低土壤Cd的生物有效性，土壤中有效态Ca、Mg含量的提升能抑制土壤中Cd的活性.

钙镁磷肥施用量与糙米中Cd含量呈现显著负相关关系，说明施用钙镁磷肥能显著降低水稻糙米中Cd含量，同时提高水稻产量.2个水稻品种各部位Ca、Mg、Cd累积量在不同生育期均呈现出茎叶＞根＞糙米＞谷壳的规律.土壤中TCLP提取态Cd含量与糙米中Cd呈显著正相关性，表明土壤TCLP提取态Cd含量在一定程度可以反映糙米中Cd含量.在水稻生育前期，施用钙镁磷肥对水稻土壤中TCLP提取态Cd含量与交换态Cd含量的降低效果并不明显，随着生育期的延长，降低效果越来越好，这可能是由于随着水稻的生长发育，水稻对土壤中各元素的吸收与累积能力逐渐增强(江巧君等，2013).随着钙镁磷肥施用量的提高，水稻各部位中Ca、Mg含量均显著上升，Cd含量下降，且水稻各部位中Ca、Mg含量在很多情况下与Cd含量呈负相关关系(表 4)，可能是由于来自钙镁磷肥的Ca、Mg在水稻体内对土壤Cd产生了拮抗作用，减少了水稻对Cd的吸收，使水稻体内各部位Cd含量下降，这与一些研究结果相同(曾希柏等，2013；许仙菊等，2010).胡坤(2010)的研究也指出，Ca²⁺能显著降低土壤中有效态Cd含量，Mg能有效抑制Cd从水稻秸秆向籽粒中转移，从而降低籽粒中Cd含量和吸收量.

在同一时期同一添加量水平下，威优46号水稻种植土壤pH值均略高于湘晚籼12号水稻种植土壤pH值(图 1)，这可能是由于水稻品种不同所导致，这也使得在同一条件下种植威优46号水稻品种的土壤要比种植湘晚籼12号水稻品种的土壤TCLP提取态Cd含量要低(图 2)，且在水稻分蘖期时最为明显.但威优46号糙米中Cd含量(图 3) 却高于湘晚籼12号糙米中Cd含量，说明威优46号水稻品种累积土壤中Cd的能力强于湘晚籼12号水稻品种.这表明在相同Cd污染程度土壤上，钙镁磷肥的施用对威优46号水稻体内Cd的转运表现出更强的抑制能力.

5 结论(Conclusions)

施用钙镁磷肥能显著升高土壤pH值，同时显著降低土壤中TCLP提取态Cd和交换态Cd含量.与对照相比，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，使湘晚籼12号种植土壤和威优46号种植土壤TCLP提取态Cd含量在熟化期(插秧时)、灌浆期(插秧后35 d)、分蘖期和成熟期分别下降了12.7%、15.6%、21.5%、61.9%和12.7%、72.6%、42.1%、59.7%.施加钙镁磷肥，能够显著增加水稻种植土壤中TCLP提取态Ca、Mg含量，抑制土壤中Cd的生物有效性，从而降低水稻对Cd的累积.施用钙镁磷肥还能够提高水稻产量，显著增加水稻各生育期各部位Ca、Mg含量，显著降低Cd含量，且水稻各生育期各部位Ca、Mg含量与Cd含量均呈现显著负相关关系，说明在水稻体内Ca、Mg与Cd存在拮抗作用.与对照相比，施用0.2~0.8 g·kg^-1的钙镁磷肥，湘晚籼12号和威优46号水稻成熟期糙米中Cd含量分别下降了36.8%~52.6%和53.3%~75.6%.