水稻对保障我国粮食安全具有举足轻重的作用^[1]。湖南省是我国粮食主产省之一，其水稻面积与产量曾多年位居全国第一。近年来，受湖南省土壤酸化的影响^[2]，土壤镉活性增加，进而导致稻米镉超标严重，已严重限制湖南水稻产业的健康发展。为解决这个问题，前人从镉低积累水稻品种筛选^[3]、淹水灌溉、撒施石灰^[4]等方面开展了大量研究，而基于土壤镉活性钝化为主的土壤调理剂研发亦成为当前研究的热点之一^[5-6]，研究^[7-8]发现，土壤调理剂的降镉效果存在明显的品种间差异。钙镁水滑石是近年出现的一种新型矿物基土壤调理剂，具有明显的水稻增产和稻米降镉效果^[9]，为进一步探究钙镁水滑石的降镉效果和施用方式，本研究选择湖南郴州重度镉污染稻田开展2年的大田定位试验，研究钙镁水滑石用量和施用方法对双季稻糙米镉含量与土壤pH、养分含量、有效态镉含量的影响，为科学指导钙镁水滑石在双季稻区的镉污染稻田推广应用提供依据。

试验于2021-2022年在湖南典型双季稻区郴州苏仙区良田镇（113.01°E，26.62°N）的镉污染稻田进行。试验地土壤基础性状为pH 6.05、有机质55.86 g/kg、全氮1.95 g/kg、全磷1.08 g/kg、全钾13.40 g/kg、碱解氮189.35 mg/kg、速效磷56.52 mg/kg、速效钾190.00 mg/kg、全镉1.16 mg/kg、有效镉0.35 mg/kg。

供试水稻品种：2021年早稻品种为湘早籼45号和陆两优996，晚稻品种为玉针香和创两优669；2022年早稻品种为湘早籼45号和株两优4026（2022年买不到陆两优996的种子），晚稻品种与2021年一致，其中湘早籼45号、玉针香为常规稻，陆两优996、创两优669、株两优4026为杂交稻。

供试土壤调理剂：钙镁水滑石为江苏隆昌化工公司研制生产的高分子化合材料，白色粉末状。其性质为CaO≥28.0%、Ca≥18.0%、水分≤10.0%、pH 10.5~12.5，有害金属物质的含量均在标准范围内：Hg≤5 mg/kg、As≤10 mg/kg、Pb≤50 mg/kg、Cd≤10 mg/kg、Cr≤50 mg/kg。

采用随机区组试验，设6个处理，各3次重复，共18个小区，小区面积20 m²，每个小区种2个品种（各10 m²）。试验田四周设1.5 m宽的保护行，小区间做田埂并用薄膜包裹压至犁底层以防串水串肥。试验设6个处理。

CK：不施用钙镁水滑石；T1：第1年早稻基施钙镁水滑石3000 kg/hm²；T2：第1年早稻基施钙镁水滑石1500 kg/hm²；T3：每年早稻季基施钙镁水滑石1500 kg/hm²；T4：每季基施钙镁水滑石750 kg/hm²；T5：每季基施钙镁水滑石375 kg/hm²。

每年早稻于3月20日播种，4月27日移栽；晚稻于6月24日播种，7月20日移栽。插秧密度均为16.7 cm×20.0 cm。杂交稻（陆两优996、创两优669、株两优4026）每穴2根苗，常规稻（湘早籼45、玉针香）每穴3根苗。钙镁水滑石于插秧前一周施入土壤并翻耕混匀。基肥施复合肥（N、P₂O₅、K₂O比例为15:15:15）600 kg/hm²，分蘖盛期追施尿素（含氮46.4%）150 kg/hm²。所有小区水分管理一致，单灌单排。分蘖期保持浅水层，分蘖末期晒田，孕穗期以后保持3~5 cm水层，收获期10 d左右断水。早晚稻均于破口抽穗期施5%阿维菌素15 L/hm²防治钻心虫，在分蘖期和孕穗期喷450 kg/hm² 50%吡蚜酮和杀虫双防治稻飞虱和稻纵卷叶螟。其他管理措施与一般大田相同。

于早稻耕作施肥前及早、晚稻分蘖盛期、孕穗期、齐穗期、灌浆中期、成熟期，每小区按五点取样法取0~20 cm土样，自然风干后过20目筛，用雷磁PHS-25便携式pH计测定土壤pH（水土比5:1）^[9]，采用《土壤农化分析》^[10]相关方法测定土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量。

利用上述自然风干土样，磨碎过10目筛，称取5.0 g置于150 mL三角瓶中，保鲜膜封口，加入25 mL DTPA提取剂，25±2 ℃振荡2 h，干过滤，最初5~6 mL滤液弃去，再滤下的滤液用原子吸收分光光度计^[11]测定有效态镉含量。

早、晚稻成熟期各小区留1 kg晒干稻谷样品，碾米获得糙米。根据GB/T 23739- 2009^[12]，采用微波消解－原子吸收分光光度法测定糙米Cd含量（检出限为0.001 mg/kg，Cd的回收率在97%~106%）。

采用Excel 2010进行数据整理和图表的绘制，采用SPSS 22.0进行方差分析。采用Origin 2021进行主成分分析和相关性分析。

由表1可知，2021年早稻季，施用钙镁水滑石条件下，湘早籼45号增产0.73%~9.52%，其中T1、T2、T3处理显著（P<0.05）高于CK，T4、T5处理略高于CK处理，但差异不显著；陆两优996增产3.96%~10.79%，6个处理产量表现为T2>T3>T4>T1>T5>CK趋势，其中前4个处理间无显著差异，但显著高于CK。晚稻季，玉针香各处理增产1.69%~9.51%，T1、T3处理显著（P<0.05）高于其他处理，T2、T4、T5处理与CK差异不显著；创两优669各钙镁水滑石处理较CK增产3.91%~ 12.30%，T1、T2、T3处理显著（P<0.05）高于CK。2022年早稻季，湘早籼45号各钙镁水滑石处理增产1.25%~12.83%，各处理产量T1、T2、T3处理显著（P<0.05）高于CK，T4、T5处理高于CK，CK处理产量最低；株两优4026，各钙镁水滑石处理增产0.53%~13.64%，各处理产量表现规律与湘早籼45号基本一致。晚稻季，玉针香各钙镁水滑石处理增产1.99%~10.34%，T2、T3、T4处理显著（P<0.05）高于CK、T1、T5处理，但后三者间差异不显著；创两优669各钙镁水滑石处理增产3.95%~14.95%，各处理产量表现为T3>T4>T1>T2>T5>CK趋势，其中T3、T4处理间无显著（P<0.05）差异。

稻米镉含量存在显著的年份间和品种间差异。整体上，2022年的稻米镉含量高于2021年，表明受年度间气候等外界因素的影响，水稻对镉的吸收积累存在极大的年份间差异，2022年CK处理的湘早籼45号、玉针香、创两优669的稻米镉含量皆远高于2021年；但品种间差异规律存在不稳定性，玉针香2年的稻米镉含量皆高于创两优669，而湘早籼45号2021年的米镉含量最低但2022年则最高。整体上，施用钙镁水滑石降低稻米镉含量的效果明显，除2022年株两优4026的T5处理外，各钙镁水滑石处理显著降低了2年各品种的糙米镉含量（表2）。与CK相比，2021年陆两优996、湘早籼45号、创两优669、玉针香糙米镉含量降幅分别为20.00%~60.00%、11.11%~44.44%、13.33%~ 60.00%和27.78%~50.00%，2022年株两优4026、湘早籼45号、创两优669、玉针香糙米镉含量降幅分别为3.85%~53.85%、21.95%~65.85%、35.28%~ 58.88%和39.40%~66.81%。

比较各处理的稻米降镉效果发现，2021年2个品种以T1、T2、T3处理降幅较大，降幅显著高于T4、T5处理，可见糙米镉含量降幅随单季钙镁水滑石用量增加而增大；2022年早稻季糙米镉含量降幅表现为T3>T1>T4>T2>T5，晚稻表现为T3>T4>T1>T2>T5。分别以2年降镉效果最好的处理，即2021年的T1和2022年的T3处理来比较各品种糙米镉含量的降幅发现，2021年T1处理下各品种糙米镉含量降幅为42.34%~60.00%，降镉幅度早稻表现为陆两优996>湘早籼45号，晚稻表现为创两优669>玉针香；2022年T3处理下各品种糙米镉含量降幅为53.85%~66.81%，降镉幅度早稻表现为湘早籼45号>株两优4026，晚稻表现为玉针香>创两优669。由此可见，施入钙镁水滑石第1年水稻降镉效果杂交稻>常规稻，第2年则相反。

综上所述，钙镁水滑石能显著降低双季稻糙米镉含量，但各品种糙米镉含量降幅具有一定的品种间与年际间差异，且随着施入时间的延长，一次性施用处理（T1）的降镉效果逐渐不及分次施用处理（T3、T4）。综合2年结果，为获得较好的、稳定的糙米降镉效果，以T3处理最佳。

由图1可知，每一季水稻周期内土壤pH一般呈先升后降趋势，与CK相比，各钙镁水滑石处理土壤pH明显提高。2021年，早稻季返青期、分蘖盛期、孕穗期、齐穗期、灌浆中期、成熟期钙镁水滑石处理土壤pH分别较CK提高0.32%~3.03%、0.32%~2.38%、1.42%~3.15%、1.58%~3.96%、1.44%~3.68%、0%~3.06%，其中齐穗期和灌浆中期增幅最大；晚稻季各时期分别较CK提高1.24%~1.71%、0.61%~3.05%、2.18%~ 4.67%、3.73%~5.28%、2.77%~4.31%、1.56%~4.07%，其中齐穗期增幅最大，返青期增幅最小。2021年早晚稻均以T1处理提高最明显，T2、T3处理次之。

2022年，土壤pH在上一年的基础上继续升高，且晚稻季土壤pH高于早稻季。早稻季返青期、分蘖盛期、孕穗期、齐穗期、灌浆中期、成熟期钙镁水滑石处理土壤pH分别较CK提高0.32%~4.63%、3.24%~6.78%、3.99%~6.71%、3.82%~9.87%、2.72%~ 8.15%、0.46%~6.56%，其中齐穗期增幅最大，返青期增幅最小；晚稻季各时期分别较CK提高0.94%~ 3.00%、3.07%~6.90%、3.75%~9.90%、0.72%~4.91%、1.31%~6.83%、0.69%~4.67%，其中孕穗期增幅最大，返青期增幅最小。2022年早晚稻均以T3处理增幅最大，T1、T2、T4处理次之，T5处理提高不显著。

如图2所示，钙镁水滑石使土壤有效镉含量明显降低，2021年早稻季分蘖盛期T1、T2、T3处理降低明显，T4、T5处理次之；孕穗期各处理降幅差异不明显，齐穗期各处理土壤有效镉降幅最大，达19.23%~44.23%，灌浆中期各处理降幅为14.29%~42.86%，其中T1、T2处理降幅最大；成熟期，各钙镁水滑石处理土壤有效镉下降2.50%~30%，以T1处理下降最明显，T2、T3处理次之，T4、T5处理下降不显著。晚稻季，各钙镁水滑石处理土壤有效镉降幅分蘖盛期为14.29%~20.83%，以T1处理降幅最大；孕穗期各处理有效镉含量均低于CK，但处理间无明显差异；齐穗期除T5外，各处理显著低于CK，且以T1降低最明显；灌浆中期除T1外，其他处理降低不明显；成熟期土壤有效镉含量下降7.69%~26.92%，以T1处理降低最明显。综合来看，齐穗期有效镉降幅最大，灌浆中期次之，分蘖盛期降幅最小，整个生育期以T1处理降镉效果最好。

2022年，各处理在各时期的变化规律基本一致，均以T3处理降低最明显，T1、T2、T4处理次之，T5处理降幅最小。早稻季，各钙镁水滑石处理有效镉降幅分蘖盛期为50.00%~73.33%，孕穗期为39.47%~71.05%，齐穗期为44.19%~76.74%，灌浆中期为31.70%~68.29%，成熟期为13.33%~ 63.33%。其中，齐穗期降幅最大，成熟期降幅最小。晚稻季，土壤有效镉进一步下降，各钙镁水滑石处理有效镉降幅分蘖盛期为38.41%~65.38%，孕穗期为32.14%~78.57%，齐穗期为37.93%~79.31%，灌浆中期为29.63%~81.48%，成熟期为16.67%~ 66.67%。其中，灌浆中期降幅最大，分蘖盛期降幅最小。综上所述，镉污染双季稻田施用钙镁水滑石后土壤有效镉含量逐年降低，且各处理间的差异随时间推移逐渐凸显。综合2年结果来看，以T3（每年早稻基施钙镁水滑石1500 kg/hm²）处理效果最好。

如表3所示，钙镁水滑石提高了2021年土壤速效磷、速效钾、碱解氮含量。速效磷，早稻季表现为T1>T2>T3>T4>T5>CK趋势，成熟期钙镁水滑石处理速效磷含量提高4.14%~30.47%，其中前4个处理间无显著差异，但均显著高于T5、CK，T5处理略高于CK处理，差异不显著；晚稻季各处理速效磷含量增幅为0.00%~17.17%，处理间规律与早稻基本一致。速效钾，早稻季表现为随钙镁水滑石施用量增加而提高的趋势，成熟期各处理提高6.67%~40.00%，其中T1处理提高最显著，T2、T3处理次之，T4、T5处理提高效果不明显；晚稻季，各处理提高5.26%~31.58%，处理间规律与早稻季基本一致。碱解氮，早稻季各钙镁水滑石处理提高2.96%~13.80%，成熟期T1、T2、T3处理增幅较大，处理间差异不显著，但均显著高于T4、T5、CK；晚稻季，成熟期各处理碱解氮增幅为9.56%~14.50%，其中T1处理最高，但与T2、T3、T4处理间差异不显著，T5处理显著高于CK，但与T2、T3、T4处理间差异不显著。2022年速效磷含量，早稻季各处理提高8.81%~44.97%，表现为T3>T1>T2>T4>T5>CK趋势，成熟期T1、T2、T3显著高于CK，但3个处理间差异不显著，T4、T5处理与CK差异不显著；晚稻季各处理提高7.92%~53.38%，处理间规律与早稻基本一致。速效钾含量，各处理提高17.65%~35.30%，早稻季成熟期T1处理增幅最大，T2、T3、T4处理间差异不显著，但均显著高于CK，T5处理高于CK处理，但差异不显著；晚稻季各处理提高8.00%~56.00%，以T3处理增幅最大，T1、T2、T4处理次之，T5处理增幅最小。碱解氮含量，早稻季各处理提高5.96%~8.67%，成熟期以T1、T2处理较高，T3、T4、T5处理次之；晚稻季各处理提高0.00%~16.08%，处理间规律与早稻一致。

综合2年结果，钙镁水滑石能够显著提高土壤养分含量，2021年表现为施用量越大效果越好的趋势，即T1处理效果最好，而2022年以T3处理效果最好。

析 通过对土壤pH、有效镉、养分含量的主成分分析可知，2021年前2个主成分贡献率分别为70.4%和16.4%，累计贡献率达86.8%，说明2个主成分能够代表土壤特性的大部分信息。PCA结果（图3）显示，有效镉分布在PC1负方向，pH、速效钾、速效磷、碱解氮分布在正方向，说明土壤pH、速效钾、速效磷、碱解氮均随着钙镁水滑石施用量的增加而增加，而有效镉随钙镁水滑石用量的增加而减小。

分析不同处理分布情况可以反映处理间的差异和距离，每个颜色的点代表一个处理，2个点之间的距离越近，说明2个处理间差异性越小，处理间距离越远，其处理间差异越显著，由图3可知，T1处理效果最明显，其次是T2、T3、T4、T5处理，且这4个处理间差异不明显，CK效果最差。2022年前2个主成分贡献率分别为58.1%和23.7%，累计贡献率达81.8%，说明2个主成分能够代表所检测土壤特性的大部分信息。2022年，钙镁水滑石与土壤速效钾、速效磷、碱解氮含量及pH呈正相关，与有效镉含量呈负相关。PCA结果显示，与CK相比，T3处理效果最明显，T1、T2、T4处理次之，且这3个处理间差异不显著，T5处理效果最差，各处理在图中的距离较远，说明各指标各处理间存在明显差异。

综合2年结果发现，钙镁水滑石确实有提高土壤pH及养分含量、降低土壤有效镉含量的效果，且随着施入时间的延长，各处理间的差异性逐渐凸显，尤其是施入土壤第2年后处理间差异更明显。

将土壤pH、有效镉、速效磷、速效钾、碱解氮、糙米镉含量与钙镁水滑石用量进行相关性分析（图4），发现钙镁水滑石用量与土壤有效镉呈显著负相关，2021年相关系数早晚稻分别为-0.87和-0.46，2022年早晚稻分别为-0.55和-0.59。

2021年早稻季，钙镁水滑石用量与土壤pH、速效磷、速效钾、碱解氮呈显著正相关，相关系数分别为0.93、0.80、0.83、0.88；晚稻季钙镁水滑石用量与速效磷、速效钾、碱解氮相关系数分别为0.86、0.93、0.78、0.73，呈显著正相关。2022年，早稻季钙镁水滑石用量与土壤pH、速效磷、速效钾、碱解氮的相关系数分别为0.23、0.77、0.64、0.47；晚稻季，钙镁水滑石用量与土壤pH、速效磷、速效钾、碱解氮的相关系数分别为0.61、0.62、-0.02、0.63。2022年晚稻季除速效钾相关性不显著外，各项指标依然呈正相关，但相关性较早稻和2021年有所下降。从图4中还可以看出，钙镁水滑石用量与糙米镉含量呈显著负相关，2021年钙镁水滑石与早稻相关系数湘早籼45的为-0.82，陆两优996为-0.87，晚稻玉针香为-0.80，创两优669为-0.91。2022年，相关系数湘早籼45为-0.70，株两优4026为-0.76，玉针香为-0.62，创两优669为-0.76。

综合2年结果来看，钙镁水滑石用量与土壤有效镉、糙米镉含量呈显著负相关，与土壤pH及速效磷、速效钾、碱解氮含量呈显著正相关。钙镁水滑石通过提高土壤pH和养分含量、降低土壤有效镉含量实现了降镉目的。2022年各指标相关系数较2021年减小，但趋势基本一致。

本研究发现，镉污染双季稻田施用钙镁水滑石后土壤有效镉含量逐年降低，且各处理间的差异随时间推移逐渐凸显。钙镁水滑石具有降低土壤有效镉的作用，是因为钙镁水滑石含有丰富的氧化钙、氧化镁等，而钙、镁可降低土壤中交换性酸含量，从而提高土壤pH^[13]，且土壤pH随用量增加而升高^[14]，土壤pH提高可减弱H⁺对重金属离子的竞争作用，使重金属溶解度变小活性降低^[15]；同时，Ca²⁺、Mg²⁺能够竞争Cd²⁺与根的结合位点，使离子交换和沉淀作用增强^[16]，最终导致土壤有效镉含量下降。有研究^[17]表明，土壤调理剂能降低糙米镉含量，但施用量不同作用效果不同。本研究设计了5种施用方式，比较研究了钙镁水滑石不同施用方式对双季稻糙米镉含量的影响，发现钙镁水滑石能显著降低双季稻糙米镉含量，但降幅具有品种间与年际间差异，2021年各品种糙米镉含量降幅随钙镁水滑石用量增加而增大，但T1、T2、T3处理间差异不显著；2022年糙米镉含量降幅早稻表现为T3>T1>T4>T2>T5，晚稻表现为T3>T4>T1>T2>T5，可见随着施入时间的延长，一次性施用处理的降镉效果逐渐不及分次施用处理。综合2年结果，为获得较好的、稳定的糙米降镉效果，以T3处理最佳。

研究认为，水稻对镉的吸收累积存在品种差异^[18⇓-20]，且相同品种在不同酸化土壤中种植，镉吸收累积存在差异^[21]，水稻品种可分为镉高耐性、镉常规耐性和镉低耐性^[22]，镉吸收能力籼型杂交稻>常规籼稻^[23]。研究^[24]发现，重度镉污染土壤施加钝化剂糙米总Cd降幅表现为玉针香>湘晚籼12号>C两优266。本研究发现，施用钙镁水滑石后，2021年T1处理下早稻糙米镉含量降幅表现为陆两优996>湘早籼45号，晚稻糙米镉含量降幅表现为创两优669>玉针香，这可能与水稻品种的镉吸收能力不同有关（陆两优996和玉针香为高镉品种）。2022年T3处理下早稻糙米镉含量降幅表现为湘早籼45号>株两优4026，晚稻表现为玉针香>创两优669，可见糙米镉含量降幅的确存在品种差异，且年际间表现也有差异，这可能是因为水稻耐镉性是基因型和环境相互作用的结果^[25]。本试验进一步发现，2021年4个品种对照处理的稻米镉含量均未超出国家标准（0.2 mg/kg），施用钙镁水滑石使稻米镉含量进一步降低；2022年各品种对照处理的稻米镉含量均超出国家标准（0.2 mg/kg），应与2022年长期少雨干旱天气有关，施用钙镁水滑石后稻米镉含量降低，但相同用量钙镁水滑石处理下糙米镉含量降幅不同，其中，T1、T3处理糙米镉含量均未超标，T2处理湘早籼45和玉针香糙米镉含量超出国家安全标准，T4处理除湘早籼45超标外，其他品种均未超标，T5处理除创两优669未超标外，其他品种均超标。此外，本试验中第2年糙米镉含量高于第1年，可能是因为随着时间的推移，钙镁水滑石的有效性降低所致。可见，采用不同用量钙镁水滑石降低水稻糙米镉含量结果总体上比较一致，但不同水稻品种对钙镁水滑石的敏感性不同，选择合理的钙镁水滑石用量及施用方式至关重要。

研究^[26-27]表明，土壤调理剂施入土壤后可增加土壤中速效钾、速效磷、碱解氮、有机质的含量，同时，土壤调理剂对土壤养分具有很好的吸附和缓慢释放作用，能够提高养分利用率，减少养分流失；土壤调理剂通过调节土壤pH，使土壤盐基饱和度增加，从而影响土壤养分的转化和时效性^[28]。本研究发现，施用钙镁水滑石后，土壤速效磷、速效钾、碱解氮含量在2021年显著提高，2022年也相应提高，但提高幅度低于2021年，且2021年以T1处理提高最显著，2022年以T3处理提高最显著。究其原因，可能是钙镁水滑石含有一定量的钙、镁、钾等离子，已有研究^[17]证实这些离子具有阳离子交换性，可增加土壤中阳离子交换量，且钙迁移至黏土颗粒表面，取代土壤中养分离子。本研究中土壤碱解氮含量的增加，可能是施加碱性物料可促进含碳有机物的转化，使土壤含氮量增加^[29]。沙乐乐^[30]在水稻镉污染防控钝化剂和叶面阻控剂的研究中发现，施用土壤调理剂后土壤速效磷、速效钾、碱解氮有所提高，这与本研究结果基本一致。

水稻高产是土壤养分和产量构成因素综合作用的结果。本研究发现不同用量钙镁水滑石处理下水稻的产量提高幅度不同。王伯平^[31]研究发现，施用土壤调理剂水稻增产率达11.60%，刘杰等^[32]研究表明，生物稻糠、石膏、脱硫灰等土壤调理剂能够在改良土壤的同时达到增产的目的，这与本研究结果基本一致。本研究中2年定位试验，第1年以施用3000 kg/hm²的钙镁水滑石对土壤养分及水稻产量提高效果显著，第2年则是以1500 kg/hm²效果最显著（P<0.05），从钙镁水滑石施用方式来看，本试验以连续2年每年早稻季基施1500 kg/hm²效果最好。

通过2年定位试验发现，钙镁水滑石能显著降低双季稻糙米镉含量，但降幅具有品种间与年际间差异，且随着施入时间的延长，一次性施用处理的降镉效果逐渐不及分次施用处理；钙镁水滑石处理可提高土壤速效钾、速效磷、碱解氮含量，并通过提高土壤pH、降低土壤有效镉含量实现双季稻稻米降镉目的；综合考虑土壤养分提升与糙米镉含量降幅，以每年早稻季基施钙镁水滑石1500 kg/hm²（T3）为最佳处理。