将节水灌溉与有机改良剂结合使用所带来的另一个问题是：长期应用会增加稻田中镉的生物可利用性和生态风险

《Journal of Cleaner Production》：The flip side of coupling water-saving irrigation with organic amendments: Long-term application increases the bioavailability and ecological risk of cadmium in paddy fields

长期节水灌溉与有机肥耦合应用显著提升土壤有机碳（SOC）但加剧镉（Cd）环境风险，溶解态Cd（F1）含量增幅达316.97%，导致水稻籽粒Cd含量增加105.84%。研究揭示SOC与F1-Cd是影响根系和籽粒Cd积累的关键因子，溶解有机碳（DOC）和土壤氧化还原电位（Eh）对叶片Cd有显著调控作用。控制灌溉通过改变土壤氧化还原状态促进Cd活化，有机肥分解产生的有机酸和微生物活动增强Cd溶解与迁移。该成果为平衡农业可持续性与重金属污染防控提供了理论依据。

　　### 农业土壤中镉污染的现状与研究背景

随着全球人口的持续增长，粮食需求也在不断上升，这使得农业生产的可持续性成为迫切需要解决的问题。在这一背景下，水稻作为世界上约65%人口的主要粮食来源，其种植过程中的镉污染问题备受关注。镉是一种重金属污染物，具有较高的毒性和生物累积性，对人类健康和生态环境构成严重威胁。特别是在中国，土壤中镉污染的发生率高达7%，这不仅影响了农业生产的稳定性，也对食品安全和人类健康带来了潜在风险。

为应对资源短缺和环境污染的双重挑战，农业生产中广泛应用了节水灌溉和土壤改良措施。节水灌溉技术通过优化水资源的使用效率，减少了农业用水量，而土壤改良则通过增加土壤有机质含量、改善土壤结构和增强土壤的养分保持能力，提升了土壤质量。然而，这些农业管理措施在提高资源利用效率的同时，也可能改变土壤的化学性质，从而影响镉在土壤-植物系统中的迁移和转化。因此，如何在提高农业生产力的同时降低镉污染的风险，成为当前农业可持续发展中的关键议题。

本研究旨在通过长期田间试验，探讨节水灌溉与有机改良措施的结合对农业土壤中镉污染的影响。研究涵盖了六种不同的处理方式，包括两种灌溉制度和三种肥料类型。通过分析不同处理条件下土壤性质的变化、镉的化学形态以及水稻植株中镉的积累情况，研究试图揭示农业管理措施对镉环境行为的潜在影响，并为镉污染防控和耕地质量提升提供科学依据。

### 研究方法与实验设计

本研究在2012年开始于中国东部的昆山实验站，该地区具有典型的亚热带季风气候，年平均气温为16.5°C，年平均降水量为1447毫米。在实验开始前，土壤的初始有机碳（SOC）和总氮（TN）含量分别为7.86 g/kg和1.79 g/kg，土壤pH值为7.40，总镉含量为0.312 mg/kg。根据《中华人民共和国国家标准》（GB 15618-2018），在pH值6.50至7.50范围内，总镉含量低于风险筛查值0.60 mg/kg。

实验设计采用了2×3的因子设计，即两种灌溉制度（传统淹水灌溉FI和节水灌溉CI）与三种肥料类型（有机肥OF、秸秆还田S和农民标准施肥F）的组合。每块实验田的面积为3米×7米，共设六个处理组：FIOF、FIS、FIF、CIOF、CIS和CIF。在秸秆还田处理中，将稻草切割成3–7厘米的段落并均匀分布于实验田中。有机肥则由农业废弃物制成，以确保其成分的稳定性。所有处理组从实验开始后保持一致，以确保数据的可比性。

实验过程中，对水稻植株的镉含量进行了系统监测。在2020年水稻生长周期内，每40、60、80和120天后，分别从0–10厘米、10–20厘米和20–30厘米的土壤层中采集样本，并进行土壤理化性质和镉化学形态的分析。此外，水稻植株的根、茎、叶和籽粒均被采集，并进行详细的镉含量测定。所有实验数据均采用SPSS Statistics 24.0进行统计分析，包括正态性检验、方差分析和最小显著差异（LSD）多重比较，以评估不同处理组之间的差异显著性。

### 实验结果与分析

#### 水稻植株中镉含量的变化

研究结果表明，水稻植株中的镉含量在移栽后逐渐增加，其中根部的镉吸收起着关键作用。在FIOF、CIOF、FIS、CIS、FIF和CIF处理组中，水稻根部的镉含量分别在2.29–2.97 mg/kg、2.57–3.88 mg/kg、2.24–2.78 mg/kg、2.49–3.31 mg/kg、1.70–2.51 mg/kg和1.94–2.82 mg/kg范围内。相比之下，CIOF处理组的水稻根部和籽粒中的镉含量显著高于其他处理组，表明节水灌溉与有机改良措施的结合可能促进了镉的迁移和吸收。

此外，水稻籽粒中的镉含量在不同处理组之间也存在显著差异。在120天后，与FIF处理组相比，CIF、FIS、FIOF、CIS和CIOF处理组的水稻籽粒中镉含量分别增加了18.64%、55.93%、59.32%、83.05%和105.84%。这些结果表明，节水灌溉与有机改良措施的结合显著增加了水稻植株中镉的积累，尤其是对籽粒的镉污染具有明显的促进作用。

#### 土壤中镉化学形态的变化

土壤中镉的化学形态是其生物可利用性和生态毒性的关键指标。研究发现，有机肥的施用和秸秆还田显著增加了土壤中可溶性镉（F1）的含量，分别增加了33.34%–316.97%和19.58%–205.66%。相比之下，传统施肥处理组（F）的土壤中镉的可溶性含量较低，而FIF和CIF处理组的可溶性镉含量变化较小。

在不同的土壤层中，镉的化学形态表现出显著差异。例如，在0–10厘米的土壤层中，F1和F3的含量较高，而在20–30厘米的土壤层中，F4的含量最高。这些变化可能与土壤氧化还原条件、有机质含量以及微生物活动密切相关。有机肥和秸秆的分解过程不仅增加了土壤中可溶性镉的含量，还通过促进微生物活动，影响了镉的迁移和转化。

#### 土壤性质对镉迁移的影响

土壤性质，如pH值、有机碳含量和氧化还原电位（Eh），对镉的迁移和转化具有重要影响。研究发现，有机肥的施用和秸秆还田显著降低了土壤pH值，从而增加了镉的生物可利用性。在FIOF和CIOF处理组中，0–10厘米土壤层的pH值分别降低了0.28和0.45个单位，而SOC和MBC含量则显著增加。这些变化表明，有机肥和秸秆的施用不仅提高了土壤的碳储量，还通过改变土壤的化学性质，增加了镉的迁移风险。

此外，节水灌溉制度（CI）对土壤的氧化还原条件产生了显著影响。与传统淹水灌溉（FI）相比，CI创造了交替的干湿环境，导致土壤氧化条件增强，从而促进了镉的释放。研究发现，CI处理组的土壤Eh值显著高于FI处理组，特别是在0–10厘米土壤层中，Eh值的变化范围为-112.20至81.32 mV，而FI处理组的Eh值则主要集中在-105.09至42.37 mV之间。这种变化可能与土壤中硫化物和氧化物的溶解有关，从而增加了镉的生物可利用性。

#### 多元回归分析与镉积累的关系

为了进一步理解土壤性质和镉化学形态对水稻镉积累的影响，研究采用了多元回归分析。结果表明，SOC和F1是解释水稻根部和籽粒中镉含量变化的主要因素。SOC与根部和籽粒中的镉含量呈显著正相关，而F1则对镉的生物可利用性起着关键作用。此外，DOC和MBC含量对叶部镉含量的变化也有显著影响。

在多元回归模型中，SOC和F1的组合能够解释水稻根部和籽粒中镉含量变化的大部分方差。相比之下，叶部镉含量主要受到DOC和F1的影响。这些结果表明，SOC和F1是影响镉在水稻植株中积累的重要因素，而DOC和MBC则对叶部镉含量的变化起着辅助作用。

### 研究讨论与机制分析

#### 有机改良措施对镉生态风险的影响

有机肥和秸秆还田的施用不仅增加了土壤的有机碳含量，还可能引入外源性镉污染。研究发现，有机肥的镉输入量为3.886×10?2 g/ha，而秸秆还田的镉输入量为1.189×10?2 g/ha，传统施肥的镉输入量则仅为0.365×10?2 g/ha。这些结果表明，有机肥和秸秆还田可能成为镉污染的重要来源，尤其是在长期应用的情况下。

有机肥的分解过程会释放二氧化碳和有机酸，这些物质可能酸化土壤，从而增加镉的生物可利用性。此外，有机肥中的活性成分能够与镉形成络合物，促进其在土壤溶液中的溶解。这种机制可能导致镉在土壤中的迁移和累积，进而影响水稻植株的镉吸收。

#### 节水灌溉对镉生物可利用性的影响

节水灌溉（CI）通过改变土壤的氧化还原条件，显著影响了镉的生物可利用性和水稻的镉吸收。与传统淹水灌溉（FI）相比，CI处理组的土壤氧化条件更强，这可能促进了镉硫化物的氧化溶解，从而增加了镉的生物可利用性。此外，CI处理组的水稻根部和籽粒中的镉含量显著高于FI处理组，表明节水灌溉可能通过改变根部的氧化还原条件，增强了镉的吸收。

在水稻根部，适度的水分胁迫可能促进根系的生长和活力，从而增加根系对镉的吸收能力。这种现象在CI处理组中尤为明显，根部的镉含量显著增加。此外，CI处理组的土壤中形成了更多的铁氧化物（IP），这些物质能够吸附镉离子，减少其在土壤中的迁移。然而，CI处理组的土壤氧化还原条件变化较大，可能导致IP的溶解和镉的释放，从而增加镉的生物可利用性。

#### 节水灌溉与有机改良对土壤碳储量和食品安全的影响

节水灌溉与有机改良措施的结合不仅提高了土壤的碳储量，还对食品安全产生了重要影响。长期应用有机肥和秸秆还田显著增加了土壤有机碳含量，提高了土壤的肥力和持水能力。然而，这种措施也可能增加镉的生物可利用性，进而影响水稻植株的镉积累。

研究表明，土壤中镉的自然浓度在0.07–1.1 mg/kg之间，而超过1 mg/kg的土壤不适合用于农业生产。中国农业土壤中的镉浓度正在以每年0.004 mg/kg的速度增加，远高于欧洲的0.00033 mg/kg。这表明，镉污染问题在农业土壤中日益严重，亟需采取有效的防控措施。

为了减少镉污染对食品安全的影响，研究建议采用多种策略，如种植低镉积累品种、应用固定剂进行土壤改良以及利用电场或微生物技术进行植物修复。这些措施可以有效降低镉的生物可利用性，减少其在水稻植株中的积累，从而保障食品安全和人类健康。

### 研究结论与展望

本研究的结论表明，长期结合节水灌溉与有机改良措施显著提高了土壤中镉的生物可利用性和水稻植株的镉积累。有机肥和秸秆的施用可能成为镉污染的重要来源，而节水灌溉则通过改变土壤的氧化还原条件，增强了镉的迁移和吸收。因此，在实施可持续农业实践时，必须对土壤中生物可利用镉的浓度和有机碳含量进行动态监测，以平衡资源利用效率和环境污染风险。

未来的研究应进一步探讨不同有机肥类型对镉污染的影响，以及如何通过优化灌溉制度和施肥策略来减少镉的生物可利用性。此外，研究还应关注镉污染对土壤微生物群落的影响，以及如何利用微生物技术进行土壤修复。这些研究将为农业可持续发展提供更加全面的科学依据，助力实现食品安全和环境保护的双重目标。