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镉被认为是一种高毒、易生物富集的重金属，它能导致肾功能衰竭、骨质疏松、心血管疾病，甚至癌症。因此，制定有效的治理和控制土壤中镉污染的方法，在研究和应用中具有重要的意义。
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对镉污染农田进行原位稳定处理被认为是一种相对经济、环保的措施，适用于大面积中轻度镉污染农田修复。农田原位修复技术的关键在于选择合适的钝化剂。赤泥是一种廉价、有效的镉污染土壤原位钝化材料[1]。赤泥呈碱性，物理性状较为特殊，施入土壤后可显著提高土壤 pH，在一定程度上不仅有培肥土壤的作用，还可改善土壤孔隙度等理化性状[2]。范美蓉等[3]的研究结果表明，在一定赤泥用量水平下，赤泥显著提高了稻田土壤 pH和阳离子交换量，但对土壤有机质的影响不明显。在中轻度重金属污染农田中施用赤泥后，对土壤碱解氮和有效磷影响不大[4]。赤泥还含有较高的硅、钙、钾、磷等成分，施入赤泥后，增加了稻田土壤中硅和钾的含量。钾是植物生长所必需的大量营养元素之一，在镉及镉、铅复合污染土壤中增加钾的施用水平可提高植物抗逆性，促进植物生长[5]。水稻是典型的喜硅作物，在它的茎叶干物质中含有 15%～20% 的二氧化硅，配合氮、磷、钾肥适量施用条件下，合理施用硅肥可提高水稻产量、品质、抗重金属污染和抗病能力[6]。
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与物理和化学方法相比，植物修复被认为是一种环境友好、低成本、可持续的修复技术，已逐渐引起人们的广泛关注。紫云英是两年生草本植物，几个世纪以来在中国南方广泛种植。紫云英翻压后，对改善土壤生态环境，促进微生物的多样性，培肥土壤以及提高农产品产量和品质均有重要作用[7-8]。吴建富等[9]的研究结果表明，紫云英替代部分化肥有利于改善土壤的 pH，降低土壤容重，提高土壤总孔隙度，显著增加土壤有机质、碱解氮、有效磷含量。高菊生等[10-11]研究表明，长期翻压紫云英能有效提高土壤肥力，与冬闲相比，双季稻与紫云英轮作种植可显著提高稻谷产量，同时提高水稻增产潜力和产量可持续性指数。
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近年来，使用紫云英对镉污染土壤的修复已有一定的报道。但植物修复具有处理时间长、修复效率相对较低等局限性。鉴于此，本研究采用盆栽试验研究联合修复法对镉污染稻田土壤性质和水稻产量的影响，为紫云英-赤泥联合修复中、轻度重金属镉污染土壤和提高土壤质量提供科学依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验概况
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供试土壤：河流冲积物发育的酸性潮泥田，采自湘潭市岳塘区竹埠港村。pH 值为 5.4，有机质含量为 32.2 g/kg，碱解氮含量为 368.8 mg/kg，有效磷含量为 7.21 mg/kg，速效钾含量为 103.1 mg/kg，阳离子交换量为 14.60 cmol/kg，总镉含量为 1.387 mg/kg。
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供试赤泥：取自中国长城铝业集团尾矿坝，拜耳烧结联合法生产，赤泥的 pH 值为 11.28，有机质含量为 4.6 g/kg，碱解氮含量为 4.0 mg/kg，速效钾含量为 3.46 mg/kg，全氮和有效磷为痕量，总镉含量为 0.74 mg/kg。
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供试紫云英（ Astragalus sinicus L.）：紫云英品种为湘紫 4 号，登记编号：XPD015-2015，选育单位是湖南省土壤肥料研究所和中国农业科学院农业资源与农业区划研究所。紫云英的氮含量为 3.42%，磷含量为 0.86%，钾含量为 2.42%。
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供试水稻：湘早籼 45 号，由湖南省益阳市农科所选育而成。
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1.2 试验设计
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盆栽试验于 2020 年 10 月～2021 年 10 月在湖南省农业科学院网室进行。所有盆栽统一管理。试验用陶瓷盆钵高 32.0 cm、直径 20.0 cm，每盆装土 10.0 kg。土壤采集后，风干 2 周，压碎，过 5 mm 筛。将筛分后的土壤混合均匀装盆后，浸水 2 d 使土壤湿润，完全湿润后再施基肥。
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盆栽试验采用随机完全区组设计，每处理 10 个重复。本试验设 6 个处理：（1）对照（CK）：无紫云英无赤泥；（2）RM1：0.25%（每 kg 土）赤泥； （3）RM2：0.5%（每 kg 土）赤泥；（4）CMV：紫云英（Astragalus sinicus L.）；（5）CMV+RM1：紫云英 +0.25%（ 每 kg 土） 赤泥；（6）CMV+RM2：紫云英 +0.5%（每 kg 土）赤泥。在越冬收获晚稻前，直接播种紫云英。在早稻移栽前 10 d 收割紫云英，并按 30000 kg/hm2 进行翻压。除赤泥施用量不同外，每盆均施用尿素 2.61 g、过磷酸钙 4.17 g、氯化钾 1.33 g。赤泥于移栽前 1 周均匀施入土壤，氮肥按基肥∶追肥为 7∶3 施用，磷、钾肥均作为基肥，基肥于移栽前 1 d 施入，追肥于移栽 1 周后施入。于 4 月 25 日移栽，7 月 12 日收获，插秧时每盆 3 株。整个水稻生长过程采用常规管理，自来水浇灌。
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1.3 样品采集与分析
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1.3.1 样品采集
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分别于水稻分蘖初期（5 月 5 日）、分蘖盛期 （5 月 20 日）、孕穗期（6 月 11 日）、乳熟期（6 月 26 日）和成熟期（7 月 9 日）用不锈钢土钻多点采集盆内表层 0～15 cm 水稻土，每盆取样量约为 200 g，风干处理 4 h，捡去土样中的植物残体、砾石，过 2、0.25 mm 筛保存。
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水稻收获前 1 d，每个处理取 5 盆水稻植株，进行穗部性状考察，主要包括株高、有效穗、穗粒数、结实率和千粒重。各盆单打单收，晒干后分别测定稻谷和稻草产量。
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1.3.2 样品分析
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在 1∶5（w/v）的土水比下，土壤 pH 值用便携式 pH 计（浙江托普仪器有限公司 TZS-PHW4HG）；有机质采用重铬酸钾比色法；土壤阳离子交换量采用乙酸铵法；土壤碱解氮采用碱解扩散法；土壤和赤泥的其他理化性状均按常规方法测定[12]。
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1.4 数据分析
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用 Excel2010 进行试验数据的处理、作图及表格制作，用 SPSS 21.0 对试验数据进行差异显著性检验、Duncan 多重比较和相关性分析。
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2 结果与分析
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2.1 不同处理对土壤性质的影响
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2.1.1 不同处理对土壤 pH 值的影响
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图1 为不同处理对早稻土壤 pH 的影响结果。由图1 可以看出，水稻生长期间各处理土壤 pH 值波动较大。在水稻生长的不同时期，单纯施用赤泥处理，土壤 pH 值随赤泥施用量的增加而增加，在整个生长期呈下降趋势。单纯翻压紫云英处理，土壤 pH 值呈上升趋势，孕穗期至成熟期趋近平缓。CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的土壤 pH 值，在生育期均低于 RM1、RM2 处理。其中，CMVRM1 与 CMV-RM2 处理的 pH 值明显高于 CK，与CK 比较差异均达到显著水平（P<0.05）。CMVRM2 处理的 pH 值在各个水稻生长的不同时期均明显高于 CMV-RM1 处理，从分蘖初期开始分别提高了 1.45%、1.14%、1.96%、1.64% 和 2.33%，差异均不显著（P>0.05）。
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图1 各处理不同时期土壤 pH 值
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2.1.2 对土壤有机质的影响
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由于土壤有机质在维持土壤物理、化学和生物特性方面具有重要作用，被认为是作物生产力的关键因素。可以通过增加土壤微生物活性来提高种植制度的可持续性、土壤有机质和肥力水平。土壤有机质在本试验水稻整个生长过程中呈下降趋势（表1），期间不同处理的土壤有机质在整个生育期变化不大，最大变化值仅为 3.27 g/kg。在整个生育期内，单纯施用赤泥处理的土壤有机质没有差异，但 CMVRM1、CMV-RM2 与 CK 存在显著差异（P<0.05）。
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注：同列数值后不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.1.3 不同处理对土壤阳离子交换量的影响
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图2 为不同处理对土壤阳离子的影响结果。土壤阳离子交换量是土壤胶体化学中研究的一个重要方面，是衡量土壤胶体吸附能力的一个重要指标，有助于了解土壤对阳离子的吸附能力。各处理土壤阳离子浓度呈先下降后上升再下降的趋势。其中，各处理阳离子交换量均高于 CK。CMV-RM1 和 CMV-RM2处理土壤阳离子交换量在不同时期均高于其他处理。与 CK 相比，在水稻生长的不同时期土壤阳离子交换量均明显提高，从分蘖初期开始 CMV-RM1 处理分别提高了 4.78%、5.26%、4.60%、5.40% 和 3.77%； CMV-RM2 处理分别提高了 5.59%、6.14%、5.34%、 6.10% 和 4.54%。整个生育期内，CMV-RM1 与 CMVRM2 处理土壤阳离子交换量差异不显著（P<0.05）。
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图2 各处理不同时期土壤阳离子交换量
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2.1.4 不同处理对土壤碱解氮的影响
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土壤碱解氮含量水平代表着土壤供氮强度，反映当季作物可利用的氮含量[13]。由图3 可看出，水稻生长期间各处理土壤碱解氮波动较大，呈逐步下降的趋势。在水稻不同生长期内，与 CK 相比，RM1 和 RM2 处理的土壤碱解氮含量差异均不显著；CMV、CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的土壤碱解氮含量差异均达显著水平（P<0.05）；单纯施用赤泥处理（RM1、RM2）与翻压紫玉英处理（CMV、 CMV-RM1、CMV-RM2）相比较，均达显著水平 （P<0.05），但 CMV-RM1 与 CMV-RM2 处理之间差异不显著。
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图3 各处理不同时期土壤碱解氮含量
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2.2 不同处理对水稻株高、产量及产量构成因子的影响
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CMV-RM2 处理的株高、有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重在 6 个处理中最高（表2）。与 CK 相比，RM1、RM2、CMV、CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的株高分别增长了 2.55%、3.45%、4.73%、6.77% 和 8.05%，除 CK 以外，CMV-RM2 处理与其它处理之间的株高无显著差异（P<0.05）。与 CK 相比，RM1、 RM2、CMV 和 CMV-RM1 处理的有效穗数分别增加了 3.54%、6.19%、7.08%、19.47% 和 15.04%。与 CK 相比，RM1、RM2、CMV、CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的穗粒数分别提高了 1.09%、2.52%、3.94%、5.91% 和 6.13%。CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理与 CK 处理的有效穗数差异均达到显著水平（P<0.05），CMVRM1 和 CMV-RM2 处理穗粒数与 CK 处理差异显著 （P<0.05），与其它处理差异不显著，但 CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理之间有效穗数、穗粒数差异不显著。与 CK 相比，RM1、RM2、CMV、CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的结实率分别增加了 1.80%、2.16%、 3.59%、3.95% 和 5.27%。CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理与 CK 之间差异显著，CMV、CMV-RM1 和 CMVRM2 处理之间差异不显著。与 CK 相比，RM1、RM2、CMV、CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的千粒重分别增加了 4.82%、7.02%、7.89%、14.47% 和 10.35%。与 CK 相比，RM1、RM2、CMV、CMV-RM1和 CMV-RM2 处理的产量分别提高了 9.62%、11.07%、 13.97%、16.70% 和 16.33%。
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注：同列数值后不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
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3 讨论
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3.1 紫云英-赤泥联合修复对中轻度镉污染稻田土壤 pH 值的影响
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在不同生长阶段，添加赤泥处理组的 pH 值高于 CK，主要是因为赤泥呈碱性，在酸性土壤上施用赤泥时发生酸碱中和反应，从而增加了土壤 pH 值，表明赤泥不仅能在短时间内提高土壤 pH 值，而且是可持续的。随着时间的推移，翻压紫云英处理组土壤 pH 值在分蘖期和孕穗期逐渐降低，在乳熟期趋于平衡。说明紫云英在水稻移栽前翻压到稻田土壤后，对土壤 pH 有阶段性的影响，翻压紫云英处理组在水稻生育期前期导致水稻土 pH 下降，直至到中期，在水稻生长的后期，相对 CK 下降。添加植物物料后土壤 pH 下降也有报道[14]。在成熟期，各处理 pH 值之间的差距缩小，且差异不显著。这可能是与以下 2 个方面有关：一方面，土壤本身具有自缓冲能力，土壤的 pH 值趋向于改变到初始水平。另一方面，水稻根系在生长过程中会产生一些分泌物。这些分泌物中含有大量的 H+ 和有机酸 （如乳酸、草酸、苹果酸和甲酸）。它们增加了土壤中 H+ 的浓度，酸化了根际土壤，降低了土壤 pH 值[15]。特别是在分蘖期和孕穗期，水稻生长旺盛，根系分泌物的产生相对较大，土壤 pH 值的调节也相对较大。
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3.2 紫云英-赤泥联合修复对中轻度镉污染稻田土壤有机质的影响
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土壤有机质在单纯添加赤泥处理组与 CK 之间无显著性差异（P>0.05），添加紫云英处理组均与CK 相比差异显著，但 CMV、CMV-RM1、CMV-RM2 3 个处理的有机质在分蘖盛期至成熟期差异不显著 （P>0.05），这一结果可能与赤泥有机质含量低有关。
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3.3 紫云英-赤泥联合修复对中轻度镉污染稻田土壤阳离子交换量的影响
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不同时期 CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的阳离子交换量均较其它处理高，但 CMV-RM1 和 CMVRM2 处理之间差异不显著。紫云英还田能提高土壤阳离子交换量，这与吴建富等[9]的研究结果一致。添加赤泥可以在短时间内增加土壤阳离子交换量，其原因可能是赤泥自身的阳离子交换量和比表面积都比较大，赤泥施入土壤后相对增加了土壤的阳离子交换量，同时较大的比表面积增加了土壤胶体的吸附性能，增加了土壤胶体所能吸附各种阳离子的量。另外，赤泥中含有大量的铝、铁、硅、钙等氧化物，施用赤泥可以明显提高土壤的阳离子交换量[16]。因此，紫云英 + 赤泥联合修复能有效提高土壤的阳离子交换量，从而增强土壤的保肥能力。
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3.4 紫云英-赤泥联合修复对中轻度镉污染稻田土壤碱解氮含量的影响
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CMV-RM1、CMV-RM2 处理的土壤碱解氮含量在水稻不同生长时期均显著高于单纯添加赤泥处理和 CK 处理，说明，紫云英 + 赤泥能显著提高土壤碱解氮含量。CMV-RM1、CMV-RM2 处理与 CMV 处理之间土壤碱解氮含量差异不显著。这可能是因为：紫云英鲜样的含氮量约为 0.6%，翻压还田后能增加土壤肥力、改善土壤结构[17-19]。紫云英作为豆科绿肥，能提高土壤氮素含量，紫云英翻压还田具有明显的培肥效应[14，17-23]。赤泥中含有少量的氮、磷、钾等营养元素，除了能提供少量氮素，还能改良土壤酸性条件，有利于土壤氮矿化，增加土壤碱解氮，但赤泥对土壤碱解氮含量影响不大。
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3.5 紫云英-赤泥联合修复对中轻度镉污染稻田水稻株高、产量及产量构成因子的影响
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CMV-RM2、CMV-RM1 处理的株高、有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重、产量均高于其他处理，但 CMV-RM2、CMV-RM1 处理之间差异均不显著（P>0.05）。紫云英在水稻土中的应用可以为水稻生产提供潜在的氮源，改善土壤质量，提高水稻生产[24-25]。赤泥化学成分较复杂，含有植物所需的硅、铝、磷、钙、镁、铁等元素和少量稀土元素[26]，施用赤泥后土壤理化性状得到一定改善，培肥地力，优化作物的根系生态环境，为作物稳产高产创造了良好的土壤条件。因此，紫云英与赤泥联合修复对水稻产量有显著影响。
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4 结论
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与 CK、单纯添加赤泥、翻压紫云英处理相比，紫云英-赤泥联合修复 CMV-RM1、CMV-RM2 处理能增加土壤有机质，提高土壤碱解氮和阳离子交换量，调节土壤 pH 值。
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与 CK、单纯添加赤泥、翻压紫云英处理相比，紫云英-赤泥联合修复 CMV-RM1、CMV-RM2 处理均能不同程度地促进水稻生长，提高水稻产量。
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CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的 pH、有机质、阳离子交换量、碱解氮、株高、产量及产量构成因子指标之间均不存在显著差异。从既达到土壤修复效果，又尽可能减少化学修复剂使用量上考虑，建议采用 CMV-RM1 处理。
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在未来的研究中，我们应该加强从紫云英-赤泥联合修复模型中选择适宜紫云英品种，并在测试后将其应用于受污染农田土壤的农业生产。
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摘要
通过盆栽试验，研究了紫云英（Astragalus sinicus L.，CMV）- 赤泥（RM）联合修复对中轻度镉污染稻田土壤性质和水稻产量的影响。结果表明，在水稻不同生育期，联合修复法 CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的土壤 pH 值增幅均低于 RM1 和 RM2 处理。在整个生育期内，CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的 pH 值高于对照，差异均达显著水平（P<0.05），但 CMV-RM1 与 CMV-RM2 处理间差异不显著。不同时期 CMV-RM1 和 CMV-RM2 处理的土壤有机质、阳离子交换量、碱解氮含量均较其它处理高，但 CMV-RM1 与 CMV-RM2 处理之间差异不显著。与对照、单纯添加赤泥处理（RM1、RM2）以及翻压紫云英处理 CMV 相比，CMV-RM2、CMV-RM1 处理的株高、有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重、产量均高于其他处理，但 CMV-RM2、CMV-RM1 处理之间差异均不显著。因此，与单独添加赤泥或单纯翻压紫云英修复相比，CMV-RM 联合修复是修复镉污染酸性水稻土的一种经济、高效、可重复的修复方法。从既达到修复效果，又尽可能减少化学修复剂使用量上考虑，建议采用 CMV-RM1 处理。
Abstract
A pot experiments were conducted to study the effects of the application of combined remediation of Chinese milk vetch（Astragalus sinicus L.，CMV）and red mud（RM）on soil properties and rice yield in moderate and mild cadmium polluted paddy fields. The results showed that in the whole growth period，the increase of soil pH value of CMV-RM1 and CMV-RM2 treatments was lower than that of RM1 and RM2．The pH values of CMV-RM1 and CMV-RM2 treatments were significantly higher than that of the control treatment，with significant differences（P<0.05）．However，there was no significant difference between CMV-RM1 and CMV-RM2 treatments．Compared with the control，the content of soil organic matter，cation exchange capacity and alkaline nitrogen in CMV-RM1 and CMV-RM2 treatments in different periods were higher than those of other treatments. There was no significant difference between CMV-RM1 and CMV-RM2 treatments. Compared with the control，RM1，RM2 and CMV treatments，the combined remediation improved the yield components and grain yield. The plant height，effective panicles，grains perpanicle，seed setting rate，1000-grain weight and yield of CMVRM2 and CMV-RM1 treatments were higher than those of other treatments，but there was no significant difference between CMV-RM1 and CMV-RM2 treatment. Therefore，compared with adding red mud alone or simply turning over milk vetch， the combined remediation of CMV-RM treatments is an economic，efficient and repeatable method for the remediation of cadmium contaminated acid paddy soil. Considering the remediation effect and minimizing the amount of chemical repair agent，CMV-RM1 treatment is recommended.