不同生物有机肥对镉污染农田中水稻产量和土壤肥力的影响

摘要 ［目的］探讨生物有机肥在镉（Cd）污染农田中的修复效果，保障水稻的安全生产。［方法］选用牛粪生物有机肥、炭基生物有机肥、大豆生物有机肥和海藻生物有机肥，在镉轻度污染稻田中开展为期2年的田间试验，测定土壤理化性质、土壤有效态Cd、水稻生长状况和产量、糙米Cd含量。［结果］田间试验结果表明生物有机肥的施用土壤pH平均提高0.32，碱解氮、有效磷、速效钾和有机质分别平均提高9.38%、15.69%、10.62%、11.64%。水稻株高、穗长、根长、穗重、千粒重和产量分别提高5.86%、3.83%、16.54%、16.91%、7.14%、3.65%。土壤有效态Cd含量显著下降0.10 mg/kg，降幅为39.12%，糙米Cd含量显著下降45.36%。［结论］生物有机肥在降低土壤Cd生物有效性和水稻籽粒中Cd含量具有显著作用，同时能够促进水稻生长和提高土壤肥力，其中炭基生物有机肥作用效果最好，未来可作为保障水稻安全生产的一项技术措施。

关键词 镉污染；土壤肥力；重金属；生物有机肥；微生物修复

中图分类号 S 141  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）12-0139-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.030

Effects of Different Bio-organic Fertilizers on Rice Yield and Soil Fertility in Cadmium-contaminated Farmland

HE Jia-zhong1， CHEN Fu-ming2， YE Zheng-qian3  et al

（1.Yiwu New Rural Construction Guidance Station， Yiwu， Zhejiang 322000;2.Yiwu Agricultural Technology Extension Service Center， Yiwu， Zhejiang 322000;3. Zhejiang Agriculture and Forestry University/ Key Laboratory of Bio-remediation of Soil Pollution in Zhejiang Province， Hangzhou， Zhejiang 311300）

Abstract ［Objective］ To explore the remediation effect of bio-organic fertilizer on cadmium-contaminated farmland and ensure the safe production of rice. ［Method］ Cattle manure bio-organic fertilizer， biochar-based bio-organic fertilizer， soybean bio-organic fertilizer and seaweed bio-organic fertilizer were selected to carry out a two-year field experiment in paddy fields with mild cadmium pollution. Soil physical and chemical properties， soil available Cd， rice growth and yield， and brown rice Cd content were determined. ［Result］ The field test results showed that the application of bio-organic fertilizer increased soil pH by an average of 0.32， alkali-hydrolyzed nitrogen， available phosphorus， available potassium and organic matter were increased by an average of 9.38%， 15.69%， 10.62% and 11.64%， respectively. The plant height， panicle length， root length， panicle weight， 1 000-grain weight and yield of rice were increased by 5.86%， 3.83%， 16.54%，16.91%， 7.14% and 3.65%， respectively. The available Cd content in soil decreased significantly by 0.10 mg/kg， a decrease of 39.12%， and the Cd content in brown rice decreased significantly by 45.36%. ［Conclusion］Bio-organic fertilizer has a significant effect on reducing Cd bioavailability in soil and Cd content in rice grains， and can promote rice growth and improve soil fertility. Among them， carbon-based bio-organic fertilizer has the best effect， which can be used as a technical measure to ensure the safe production of rice in the future.

Key words Cadmium pollution;Soil fertility;Heavy metals;Bio-organic fertilizer;Microbial remediation

基金项目 义乌市省级水稻安全利用技术试验及推广项目（SJZJZC20-22240GK）。

作者简介 何家众（1987—），男，浙江义乌人，高级农艺师，从事植保和土壤肥料技术推广研究。*通信作者，高级农艺师，从事土壤污染与生态修复研究。

收稿日期 2023-08-16

水稻是南方绝大部分地区的主食，保障水稻安全对人体健康具有重要意义。近年来，随着工业化的发展导致农田土壤受到不同程度的污染，其中重金属污染最为严重［1］。重金属对人体具有很强的危害性，如镉（Cd）是毒性最强的重金属元素之一，对肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼、血液等均可产生毒性并有致癌作用［2］。铅（Pb）可迅速进入血液循环发生铅中毒，最突出的表现是抑制血红素和细胞色素的生成［3］。汞（Hg）会对中枢神经造成损伤，导致感觉障碍，严重者可出现全身瘫痪、精神错乱，甚至死亡［4］。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示目前我国82.8%的超标点位为Cd、Pb、As等污染［5］。据统计，每年由耕地重金属污染导致1 000多万t粮食受到Cd污染［6］。土壤重金属的活性会随着土壤pH的下降而逐渐增强，而在水稻田中为了追求产量注重化肥投入轻视有机肥施用，造成土壤不断酸化，因此重金属的生物有效性也在不断提高［7］。如何在保障农业生产的过程中，降低水稻籽粒中的重金属尤其是Cd含量是一项值得研究的问题。目前常见的主要有施用化学改良剂，如施用石灰、钙镁磷肥、矿渣等碱性物质，通过提高土壤pH来降低有效态Cd含量［8］。或者采用叶面喷施硅肥、硒肥等，抑制Cd向籽粒中的转运［9］。但这些方式都存在一定的弊端和风险性，长期施用石灰等碱性物质，一方面会造成土壤板结，破坏土壤结构，导致土壤环境恶化［10］。另一方面，改良剂本身所携带的重金属会随着时间的积累对人体健康造成影响［11］。叶面肥则受到环境、气候等多重因素的影响，使其作用效果不佳［12］。因此开发新的技术措施，从而保障水稻的安全生产显得尤为重要。微生物修复技术被认为是一项高效、环保的措施，其修复的机理主要是通过微生物吸附、矿化、沉淀等方式降低重金属的生物有效性［13］。高玉振等［14］研究胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）能够通过络合吸附Cr6+，林海等［15］证实芽孢杆菌（Bacillussp）可以通过物理吸附能固定Cd2+。但微生物的增殖需要一定的环境，因此其不能直接运用到农田中。寻找合适的载体来提高其作用效果是进行微生物修复的关键，生物有机肥是通过在有机载体上接种一种或多种功能性微生物的一种新型肥料［16］。将其施用到农田中不仅能够为微生物提供载体还能为土壤补充大量的有机质。研究表明，施用生物有机肥不仅能够提高土壤肥力还能改善作物产量和品质。张志鹏等［17］研究发现，施用复合微生物菌肥可显著促进小麦生长，提高小麦产量，增加小麦种植的经济效益。段文学等［18］发现在甘薯种植中施用枯草芽孢杆菌可显著提高土壤脱氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性及土壤有效磷、速效钾和有机质含量，显著提高甘薯可溶性糖和维生素C含量。生物有机肥在各类作物中的研究均有涉及，但其在修复Cd污染农田中的应用较少。因此笔者基于前人的研究基础，选用4种生物有机肥，在Cd轻度污染水稻田中开展了为期2年的田间试验，探究其对土壤肥力、土壤Cd生物有效性以及籽粒Cd含量的影响，以期为Cd污染耕地的安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省义乌市某农田，该地区属亚热带季风气候，温和湿润，四季分明，年平均气温在17 ℃左右，年平均降水量为1 100～1 600 mm。土壤类型为水稻土，土壤基础理化性质：pH 5.34，有机质16.72 g/kg，碱解氮150.48 mg/kg，有效磷18.64 mg/kg，速效钾65.17 mg/kg，有效态Cd 0.24 mg/kg，Cd全量0.46 mg/kg。按照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），该试验地土壤属于Cd轻微污染。

1.2 试验材料

水稻种子：水稻品种选择当地主栽品种单季稻华浙优1号，水稻种子来源于金华市种子公司。肥料：水稻专用配方肥N∶P2O5∶K2O=20∶10∶15，来源于安徽道尔肥业有限公司。生物有机肥：牛粪生物有机肥来自金华市惠君有机肥制造公司，主要菌种为枯草芽孢杆菌，有效活菌数≥5 亿/g，pH 7.12，有机质35.37%，N+P2O5+K2O=6%，全氮1.33%，全磷3.32%，全钾1.34%；炭基生物有机肥来自中化（烟台）作物营养有限公司，原材料为秸秆生物炭和羊粪有机肥，主要菌种为枯草芽孢杆菌和固氮红螺菌，有效活菌数≥3 亿/g，pH 7.43，有机质46.15%，N+P2O5+K2O=5%，全氮2.61%，全磷4.15%，全钾2.47%；大豆生物有机肥来自史丹利农业集团股份有限公司，原材料为大豆，主要菌种为枯草芽孢杆菌，有效活菌数≥5 亿/g，pH 7.15，有机质71.24%，N+P2O5+K2O=8%，全氮1.35%，全磷3.42%，全钾2.14%；海藻生物有机肥来自山东日照沃力生物科技有限公司，原材料为海藻和木薯渣，主要菌种为地衣芽孢杆菌和木霉菌，有效活菌数≥2 亿/g，pH 7.26，有机质51.26%，N+P2O5+K2O=4%，全氮1.24%，全磷1.02%，全钾2.11%，海藻蛋白5%。

1.3 试验设计

第1年试验于2021年5月开展，当年10月收获，第2年与第1年时间保持一致。共设置5个处理，分别为：不施用生物有机肥（CK），牛粪生物有机肥（BF1），炭基生物有机肥（BF2），大豆生物有机肥（BF3），海藻生物有机肥（BF4）。试验小区面积为100 m2（长20 m，宽5 m），每个处理3次重复，共15个小区，各小区之间构筑田埂并覆膜，每个小区均设置单独进、出水口，防止串水串肥。采用人工移栽的插秧方式，采用25 cm×10 cm的株行距种植，每穴2～3株，浅插匀植。生物有机肥在水稻移栽前1 d，按照600 kg/hm2用量进行人工撒施，确保施用均匀，同时在种植前按照375 kg/hm2的水稻专用复合肥（20-10-15）作为基肥，在秧苗移栽大田后10 d进行追肥，追肥采用150 kg/hm2尿素。其他水肥管理与当地常规管理模式保持一致。