水稻根茬还田对镉污染土壤质量及水稻、小白菜吸收镉的影响

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农田土壤镉(Cadmium,Cd)污染已成为环境领域研究的热点问题。农田中的Cd可随着水稻根系吸收富集在根中,在水稻收获时水稻根茬往往会留在土壤里,并在微生物作用下腐烂分解,Cd又被释放到土壤中,为下茬作物提供Cd源。然而,关于根茬中Cd还田后的归驱及其对下茬作物的影响还鲜见报道。针对这一问题,以中轻度Cd污染土壤为对象,设置不添加根茬CK和3个添加Cd污染根茬处理(ST1:0.24%,ST2:0.48%,ST3:0.72%,以风干土的质量分数计)4个处理,开展水稻-小白菜轮作两季盆栽试验。根茬在水稻季一次性施入,小白菜种植期不再施加。在水稻种植过程中,采用薄膜扩散梯度技术(Diffusive Gradients in Thin-films,DGT)分析水稻不同生育期土壤Cd有效性的变化特征,探究Cd污染根茬还田对水稻-小白菜轮作条件下作物生长和吸收累积Cd的影响及对土壤性质的影响,以期为Cd的迁移及管理提供理论依据及实践支撑。主要研究结果如下:(1)水稻根茬还田利于提高土壤养分含量,改善土壤缓冲性能,提高土壤p H值,其中,ST3处理效果最佳,p H值从6.41提高到7.87,增加了22.8%。水稻种植后不同处理对土壤微量元素的有效性影响不显著,但在小白菜种植后表现出降低的趋势。(2)根茬还田提高了水稻分蘖期与抽穗期DGT-Cd及微量元素的浓度。土壤深度在-1至-4 cm时,DGT-Fe、DGT-Mn含量逐渐增加,最大值分别为1.5 mg/L、0.3 mg/L;在-1至-4 cm时,DGT-Cd浓度逐渐上升,分蘖期DGT-Cd明显高于抽穗期,两个时期DGT-Cd最高分别为1.5μg/L、0.15μg/L,说明分蘖期是水稻生长吸收Cd最活跃的时期。随着时间的推移,DGT-S、DGT-Ca浓度逐渐降低,最小值分别为:0.05 mg/L、0.5 mg/L。DGT-Zn、DGT-Cu在不同水稻时期无显著变化。(3)根茬还田显著增加土壤总Cd含量,在ST3处理总Cd含量达最大,为1.23mg/kg而DTPA-Cd含量变化不显著,表明虽然根茬增加了总Cd含量,但对土壤-作物系统影响不明显;两季土壤不同Cd形态占比无明显变化,整体表现为可还原态Cd>可交换态Cd>可氧化态Cd>残渣态Cd。(4)根茬施用显著提高了水稻根部矿质元素的含量,对水稻生长有促进作用。根茬还田显著增加了小白菜地上部鲜重,提高了小白菜对Fe、Zn的积累,但降低了Cu的积累。根茬施用增加了水稻根部Cd的含量,而显著降低根-茎的转运系数,表明根茬还田具有抑制Cd由根向茎转运的作用。随根茬施用量的增加,水稻籽粒及小白菜地上部Cd含量逐渐增加,其中水稻籽粒中Cd含量均未超标,然而根茬还田显著增加了小白菜地上部对Cd的富集能力,小白菜地上部Cd含量超出国家标准限值,因此还需要进一步措施以减少根茬留田后续作物Cd的积累。综上所述,水稻根茬还田提高了土壤养分含量,同时也增加土壤总Cd含量,去除根茬可降低土壤中Cd含量。根茬还田对水稻籽粒Cd含量无显著影响,水稻籽粒Cd含量均满足《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB2762-2017)的限值要求。分蘖期是有效降低水稻吸收Cd的关键时期。根茬还田显著增加小白菜地上部鲜重,同时也促进了小白菜对Cd的吸收,可见后续作物需要进一步措施管控Cd的迁移。
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