湖南素称为“有色金属之乡”，该地区矿产资源丰富，地下蕴藏着丰富的铅、镉、锌、铍、砷等20多种矿产资源，已有500多年的采矿历史.然而长期的矿业活动导致矿区稻田和水稻受到了严重的重金属污染(雷鸣等， 2008，2010；甘国娟等，2013).水稻为当地居民的主要粮食和经济作物，水稻重金属污染严重威胁当地人们的身体健康，同时也造成了巨大的经济损失.因此对该区域重金属污染土壤进行修复是一个亟待解决的问题.近年来，在治理重金属污染土壤的诸多方法中，化学稳定化技术因经济有效而被广泛研究.常用于土壤重金属污染修复的稳定剂有石灰、沸石、碳酸钙、含磷物质、硅酸盐等(Theodoratos et al., 2002；鲍桐等，2008；王立群等，2009；周泽庆等，2009；曾卉等，2012).由于我国磷矿资源丰富、取材方便，且磷是植物必需营养元素之一，因此含磷物质用于修复重金属污染土壤具有较好的研究前景.钱海燕(2007)、肖细元(2012)和刘昭兵等(2012)的研究表明含磷物质能较好地修复重金属污染的旱地土壤，并且明显降低了小白菜、小麦、空心菜、西红柿植株体内重金属的含量.且据报道，含磷稳定剂对重金属的固化主要是通过磷酸根与土壤中多种重金属生成较稳定的磷酸盐化合物(Chrysochoou et al., 2007；Dermatas et al., 2008)，因此含磷稳定剂在土壤中的溶解性直接影响其对重金属的固化效果.但目前研究不同含磷物质在水稻种植过程中磷的溶解以及对稻田土壤中重金属稳定化效果的差异还鲜见报道.因此，本研究通过水稻盆栽试验，使用磷酸氢二钠(DSP)和羟基磷灰石(HAP)作为稳定剂修复湖南某矿区重金属(Pb、Cd、Zn)污染稻田土，研究其在水稻种植中磷的溶解以及对污染土壤-水稻系统中重金属的稳定化作用效果，为该地区修复重金属(Pb、Cd、Zn)污染稻田提供理论依据.

供试土壤采自湖南常宁市某矿区重金属污染稻田耕作层土壤(N26° 34′ 29.27″，E112° 35′ 53.40″)，土壤从田间取回后，去除杂物，自然风干，用非金属器具捣碎，过5 mm尼龙筛后混合均匀用于盆栽试验.供试水稻为丰优210杂交水稻，由隆平种业有限公司提供.两种含磷稳定剂磷酸氢二钠(DSP)和羟基磷灰石(HAP)均为分析纯化学试剂.土壤基本理化性质为：pH为5.4，有机质为3.38%、有效磷为12.64 mg · kg^-1，总Pb、Cd、Zn分别为950.42 mg · kg^-1、13.60 mg · kg^-1、1168.2 mg · kg^-1.其中Pb、Cd和Zn的含量分别超过《国家土壤环境质量标准》(GB15618-1995)Ⅲ级标准值1.90、13.60、2.34倍.

将供试土壤装桶(桶底直径×桶口直径×桶高=17 cm ×22 cm×24 cm)，每桶4 kg干土，DSP和HAP添加量分别设置6个处理水平，分别为0(对照)、0.03、0.06、0.12、0.24、0.48 g · kg^-1(以磷计)，每个处理设置3个重复.稳定剂与土壤混合均匀并淹水稳定化20 d后移栽秧苗，移栽时加入0.22 g · kg^-1的碳酸钾(按K₂O计算)、0.28 g · kg^-1的尿素(按N计算)和0.05 g · kg^-1 磷酸铵(按P₂O₅计算)作为基肥，每桶移栽1株，按随机区组设计将盆栽放置于室外栽培，水稻孕穗期追加基肥的一半作为追肥(除磷肥外)，水稻生长期间用自来水灌溉.在水稻生长期取土约50 g，经自然风干，研磨过10目和100目尼龙筛，用于测定土壤pH值、有效磷和重金属(Pb、Cd、Zn)交换态的含量.水稻成熟后分根、茎叶、稻谷采集，用自来水冲洗和超纯水清净，75 ℃烘干至恒重，烘干后的稻谷经小型脱壳机将糙米与谷壳分开，后分别记录根、茎叶、壳、米干重，并用不锈钢粉碎机将水稻根、茎叶、壳和米粉碎后测定其重金属(Pb、Cd、Zn)含量.

土壤pH值以水土比2.5∶1，用pH计(pHs-3C，上海精密科学仪器有限公司)测定.土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定.土壤有效磷用碳酸氢钠溶液浸提-钼蓝比色法测定(鲁如坤，2000).土壤重金属(Pb、Cd、Zn)总量用王水-高氯酸消解(鲍士旦，2000)，土壤重金属(Pb、Cd、Zn)交换态用1 mol · L^-1 Mg(NO₃)₂(pH=7)提取(Tessier et al., 1979)，溶液中重金属用火焰原子吸收分光光度计(日立Z-2000)测定.植物样品重金属(Pb、Cd、Zn)采用干灰化法消解(中华人民共和国卫生部，2003.)，消解液中重金属用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES 6300，Thermo)测定.

采用Office 2010、SPSS 15.0和Origin 9.0软件进行数据处理及绘图.图表中多重比较结果均在p<0.05水平下进行.

土壤pH随DSP和HAP添加量的增加而增加(图 1)，0.48 g · kg^-1的DSP和HAP分别使土壤pH增加了0.89和0.55.统计分析表明，DSP添加量达到0.12 g · kg^-1时土壤pH同对照存在显著性差异(p<0.05)，而HAP添加量要达到0.24 g · kg^-1时才与对照存在显著性差异(p<0.05).显然，DSP提高土壤pH的能力略高于HAP.土壤pH增加能降低土壤中重金属的迁移性.两种含磷物质提高土壤pH的原因是DSP是强碱弱酸盐，且易水解，产生较多的OH^-；而HAP微溶产生OH^-和PO^3-₄，且PO^3-₄进一步水解也能产生OH^-(黄远等，2012).

图 1(Fig. 1)

图 1 两种含磷物质对土壤pH的影响 Fig. 1 The effects of two phosphorus-containing substances on the soil pH

由图 2可知，土壤中有效磷的含量都随DSP和HAP添加量的增加而增加.0.03~0.48 g · kg^-1的DSP和HAP处理分别使灌浆期土壤中有效磷含量增加了87%~482.28%和19.43%~349.73%.统计分析表明，DSP和HAP添加量分别达到0.03 g · kg^-1和0.24 g · kg^-1时土壤中有效磷含量同对照相比存在显著性差异(p<0.05).在磷的添加量相同时，DSP比HAP更能提高土壤的有效磷含量.

图 2(Fig. 2)

图 2 两种含磷物质对土壤有效磷的影响 Fig. 2 The effects of two phosphorus-containing substances on the soil available phosphorus

表 1显示了DSP和HAP对土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量的影响.0.03~0.48 g · kg^-1的DSP和HAP分别使Pb、Cd、Zn交换态含量比对照降低了8.11%~65.90%、5.43%~29.84%、7.35%~17.37%和2.99%~88.86%、10.48%~51.79%、8.34%~36.34%.统计分析表明，DSP添加量分别达到0.06、0.24、0.48 g · kg^-1时使Pb、Cd、Zn交换态含量与对照存在显著性差异(p<0.05)，而HAP添加量达到0.06 g · kg^-1时使Pb、Cd、Zn交换态含量与对照存在显著差异(p<0.05).显然，DSP和HAP都显著降低了土壤中Pb、Cd、Zn交换态的含量，这与Chen等(2006)、王碧玲(2008)的研究结果相同，并且HAP对重金属的固定比DSP略好.DSP和HAP降低土壤重金属交换态的原因主要有：① DSP和HAP在土壤中产生的OH^-提高了土壤pH值，土壤pH值增加使得土壤带负电荷胶体对金属阳离子的吸附量增加，从而使重金属交换态含量降低.②磷酸根能与土壤中重金属阳离子发生吸附、沉淀、离子交换等作用，从而降低重金属交换态的含量.周世伟和徐明岗(2007)报道含磷物质固化Pb的机理主要有2种：①沉淀机理，即Pb²⁺与土壤中的磷酸根生成沉淀；②吸附机理，即磷酸根诱导土壤间接吸附或者是磷矿物对Pb²⁺的表面吸附作用.而含磷物质对Cd和Zn的固定主要是以表面配位、离子交换或生成非晶体物质机理为主，以沉淀机制为辅(王碧玲，2008).

表 1(Table 1)

表 1 两种含磷物质对土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量的影响 Table 1 The effects of two phosphorus-containing substances on the contents of soil exchangeable Pb，Cd and Zn

表 1 两种含磷物质对土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量的影响 Table 1 The effects of two phosphorus-containing substances on the contents of soil exchangeable Pb，Cd and Zn 添加量/(g·kg-1) Pb交换态含量/(mg·kg-1) Cd 交换态含量/(mg·kg-1) Zn 交换态含量/(mg·kg-1) DSP HAP DSP HAP DSP HAP 注：同一列中上标相同字母表示数据间无显著性差异，不同字母表示数据间有显著性差异(p<0.05). 0.00 174.38±25.24a 174.38±25.24a 8.11±0.34a 8.11±0.34a 159.64±11.76a 159.64±11.76a 0.03 160.23±25.58a 169.17±9.40a 7.42±0.38ab 7.26±0.27ab 139.84±6.98ab 146.32±2.46ab 0.06 116.88±18.85b 121.85±7.90b 7.67±0.71ab 6.22±1.32b 140.51±21.43ab 128.38±16.06bc 0.12 102.71±25.73b 103.91±5.40b 7.4±0.73ab 6.16±0.46b 141.43±12.87ab 129.26±4.55bc 0.24 80.77±22.94bc 48.97±7.51c 6.72±0.46b 4.87±0.17c 147.91±6.26ab 111.14±8.34cd 0.48 59.47±5.80c 19.42±7.70c 5.69±0.41c 3.91±0.11c 131.91±8.92b 101.63±14.97d

由图 3可知，水稻各器官中Pb含量的分布为：根>>茎叶>壳>米，这符合重金属在植物中由下到上逐渐减少的迁移规律.DSP和HAP都使水稻根、茎叶、壳、糙米中Pb的含量基本呈现逐渐降低的趋势.同对照相比，DSP使水稻根、茎叶、壳、糙米中Pb分别降低了41.90%~47.60%、1.24%~30.50%、66.27%~73.49%、11.54%~48.72%.统计分析表明，DSP在添加量达到0.03 g · kg^-1时使根、茎叶、壳中Pb与对照存在显著性差异，而在0.06 g · kg^-1时使糙米Pb与对照存在显著性差异(p<0.05).HAP使水稻根、茎叶、壳、糙米中Pb分别比对照降低了43.08%~79.21%、7.03%~24.63%、19.88%~77.71%、29.49%~62.82%.统计分析表明，HAP在添加量分别达到0.03、0.06、0.03 g · kg^-1时使根、壳、糙米中Pb同对照相比存在显著性差异，而茎叶中Pb的含量在添加范围内无显著性差异(p>0.05).HAP对根中Pb的降低量显著大于DSP，这与HAP更能降低土壤中Pb交换态有关.

图 3(Fig. 3)

图 3 两种含磷物质对水稻各器官Pb含量的影响(注：图 3~图 7横坐标中两个添加量为“0”的点为同一盆栽) Fig. 3 The effects of two phosphorus-containing substances on the contents of Pb in rice organs

由图 4可知，各水稻各器官中Cd含量的分布为：根>>茎叶>米>壳.DSP和HAP都使水稻中根、茎叶、壳、糙米中的Cd基本逐渐降低.同对照相比，DSP使水稻根、茎叶、壳、糙米中Cd分别降低了34.32%~59.41%、11.59%~23.19%、18.92%~59.46%、8.33%~22.22%.统计分析表明，DSP在添加量分别达到0.03、0.12、0.12 g · kg^-1时使根、茎叶、糙米中Cd同对照存在显著性差异，而壳中Cd的含量在添加范围内无显著性差异(p>0.05).HAP使水稻根、茎叶、壳、糙米中Cd分别降低了36.90%~64.94%、5.80%~39.13%、21.62%~67.57%、11.11%~66.67%.统计分析表明，HAP在添加量达到0.03 g · kg^-1时使根、壳、糙米中Cd与对照相比存在显著性差异，在0.06 g · kg^-1时茎叶中Cd与对照相比存在显著性差异(p<0.05).两种含磷物质对控制Cd向水稻中的迁移效果相当.

图 4(Fig. 4)

图 4 两种含磷物质对水稻各器官Cd含量的影响 Fig. 4 The effects of two phosphorus-containing substances on the contents of Cd in rice organs

由图 5可知，水稻各器官中Zn的含量分布为：根>茎叶>米>壳.DSP处理降低了水稻根中Zn含量，且在0.24 g · kg^-1时降低率最大，达到55.58%.DSP使茎叶中Zn先增加后降低，在最大添加量时使其降低6.94%.0.03~0.48 g · kg^-1.DSP使壳、糙米中Zn含量分别降低了43.38%~51.55%、12.8%~25.35%.HAP使水稻根、壳、糙米中Zn明显降低，在0.03~0.48 g · kg^-1范围内使其分别降低了52.62%~76.82%、3.88%~63.56%、20.73%~39.88%.同时，HAP使茎叶中的Zn含量先增加后降低，最大增加量为25.49%，而在添加量达到0.48 g · kg^-1时使其降低了1.03%.在低添加量时，DSP和HAP都使水稻茎叶中Zn含量增加，可能原因是水稻茎叶中存在磷-锌的交互作用，适当的磷能促进植物对Zn的吸收，但是目前对磷-锌在植物中的交互作用机理研究尚不明确(杨志敏等，1999).

图 5(Fig. 5)

图 5 两种含磷物质对水稻各器官Zn含量的影响 Fig. 5 The effects of two phosphorus-containing substances on the contents of Zn in rice organs

由图 6可知，水稻根干重随DSP和HAP添加量的增加而逐渐降低，而茎叶、壳、糙米的干重都随DSP和HAP的添加先增加后降低.0.03~0.48 g · kg^-1的DSP和HAP处理分别使根干重降低了10.68%~75.19%、8.01%~38.82%.DSP处理分别在添加量为0.03、0.06、0.12 g · kg^-1时使茎叶、壳、糙米增加最多，分别为对照的7.96%、12.09%、188.83%，而在最大添加量(0.48 g · kg^-1)时使三者降低最多，分别为对照的73.95%、73.77%、69.78%.而HAP处理在添加量为0.12 g · kg^-1使茎叶、壳、糙米增加率最大，分别为16.43%、25.43%、207.87%；在最大添加量(0.48 g · kg^-1)时使三者降低率最大，分别为40.57%、45.61%、37.17%，且HAP处理下茎叶、壳、糙米最大增加量与最大降低量同对照相比均存在显著性差异.从对水稻糙米产量的影响来看，DSP和HAP的最适添加量为0.12 g · kg^-1.从图 6还可以看出，HAP对水稻的生长的作用优于DSP.主要原因可能是DSP含有Na⁺离子，在水稻生长过程中Na⁺离子抑制了水稻生长，使植株矮小，水稻分蘖数减少，这一现象在高浓度DSP处理时尤为明显.

图 6(Fig. 6)

图 6 两种含磷物质对水稻各器官干重的影响 Fig. 6 The effects of two phosphorus-containing substances on dry weight of rice organs

图 7显示两种含磷物质对水稻地上部位Pb、Cd、Zn总量的影响.水稻地上部位Pb、Cd、Zn总量为每盆水稻地上部位(茎叶、壳、 糙米)Pb、Cd、Zn的总含量，单位为mg ·盆^-1.由图可知，DSP和HAP处理都使水稻地上部位Pb、Cd、Zn生物量先稍增加后显著降低.与对照相比，DSP在添加量分别为0.03、0.03、0.06 g · kg^-1时使单株水稻地上部位Pb、Cd、Zn总量增加最大，分别为对照的3.12%、1.26%、15.73%，而在最大添加量(0.48 g · kg^-1)时使三者降低最多，分别为80.55%、82.15%和75.94%.HAP分别在0.12、0.03、0.12 g · kg^-1添加量时使Pb、Cd、Zn总量增加最多，分别为3.97%、2.51%和29.41%，而在最大添加量时使其降低最多，分别为57.07%、72.05%和49.98%.DSP和HAP处理都使水稻地上部位Pb、Cd、Zn总量先增加后降低.一方面，两种含磷物质都能降低土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量，从而降低了水稻对Pb、Cd、Zn的积累；另一方面，适当的磷能增加水稻各器官的重量，但是过量的磷反而抑制了水稻的生长，使水稻各器官干重下降(图 7).

图 7(Fig. 7)

图 7 两种含磷物质对水稻地上部位Pb、Cd、Zn总量的影响 Fig. 7 The effects of two phosphorus-containing substances on the contents of Pb，Cd and Zn in the aboveground of rice

DSP和HAP都增加了土壤pH和土壤有效磷的含量(图 1、2)，降低了土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量(表 1)和糙米中Pb、Cd、Zn含量(图 3、4、5).且比较二者对土壤中重金属交换态和糙米中重金属含量的降低率，HAP的降低效果比DSP好.由表 2 可知，水稻地上部分Pb、Cd、Zn总量与土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量都呈正相关关系.其中DSP和HAP处理下水稻植株地上部分Pb、Cd总量与土壤Pb、Cd交换态含量呈极显著或显著正线性相关关系(p<0.01).说明DSP和HAP主要通过降低土壤中交换态重金属含量来降低重金属在水稻中的累积量.DSP和HAP处理下Zn在水稻地上部分的总量与土壤中交换态含量相关性不显著，主要原因可能是水稻茎叶中磷锌存在交互作用，且低剂量的磷能增加水稻地上部分的干重.已有研究表明，磷锌在植物体内存在交互作用，少量的磷能诱导植物吸收锌，但是过量的磷会导致植物缺锌(Cakmak and Marschner， 1987；孙琴等，2003).综上，DSP和HAP都能有效控制污染稻田土壤中重金属(Pb、Cd、Zn)向水稻植株中迁移，且HAP效果比DSP好.但由于本试验土壤污染严重，经稳定化后水稻糙米中的Pb、Cd含量仍然没有达到《食品卫生标准》(GB2762—2012)中规定的Pb、Cd含量限值(0.2 mg · kg^-1).

表 2(Table 2)

表 2 水稻地上部分各重金属总量与土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量线性拟合 Table 2 Linear correlation equation of the contents of Pb，Cd and Zn in the aboveground of rice and exchangeable heavy metals in soil

表 2 水稻地上部分各重金属总量与土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量线性拟合 Table 2 Linear correlation equation of the contents of Pb，Cd and Zn in the aboveground of rice and exchangeable heavy metals in soil 处理 元素 方程 可决系数R2 注：y为水稻地上部分各重金属总量(mg · kg-1)，x为土壤中Pb、Cd、Zn交换态含量(mg · kg-1). DSP Pb Y水稻 = 2.937X土壤 - 91.838 0.966** Cd Y水稻 =14.765X土壤 - 79.888 0.913* Zn Y水稻=32.769X土壤 - 2187.754 0.247 HAP Pb Y水稻 = 1.312X土壤 + 194.151 0.869* Cd Y水稻= 6.197X土壤-8.799 0.936** Zn Y水稻 = 20.372X土壤 - 468.023 0.499

1)DSP和HAP都能显著增加土壤pH值和土壤中有效磷含量，降低土壤中重金属(Pb、Cd、Zn)交换态的含量.水稻地上部分重金属含量与土壤中重金属交换态含量呈明显线性相关，说明DSP和HAP主要是通过降低土壤中重金属交换态含量从而达到减少土壤重金属向水稻中迁移的目的.

2)DSP和HAP明显降低了水稻各器官Pb、Cd的含量，同时使水稻根、壳、糙米中Zn含量降低，但是增加了茎叶中Zn的含量.但是糙米中最低Pb、Cd含量仍未达到食品卫生标准限值(GB2762—2012).从糙米产量来看，DSP和HAP的最佳添加量为0.12 g · kg^-1，超过这个浓度水稻生长将受到抑制.DSP和HAP都能有效控制污染稻田土壤中重金属向水稻植株中迁移，且HAP效果比DSP好，但应当注意磷的施用量.