粮食安全是关系到我国国民经济发展、社会和谐稳定、国家安全自立的全局性重大战略问题^[1-2]。稻米作为我国第二大粮食作物、南方地区第一大粮食作物，其质量安全在我国粮食安全中的地位举足轻重。然而，随着工矿业的迅速发展及各种农用化学品广泛使用，我国耕地和稻米中重金属污染日益加重，尤其是稻米Cd、Pb超标问题越来越严重。统计资料显示^[3-5]，全国1/6国土存在重金属污染，我国受污染耕地超标率达19.4%，Cd和Pb的点位超标率达7.0%和1.5%；耕地重金属污染加重直接导致粮食重金属超标，全国每年因重金属污染的粮食高达1 200万t，南方稻米Cd超标达10%以上。近20多年来，有关耕地和稻米Cd超标问题日益突出，特别在2011年和2013年媒体曝光并炒作湖南米Cd超标问题后，耕地和稻米Cd超标问题更是引发了全社会的高度关注^[6-7]。因此，找到一种能有效降低稻米中Cd、Pb的含量，实现湖南省水稻安全生产的技术措施尤为迫切。

近年来，国内外学者一直在探索利用添加外源土壤调理剂来降低稻米Cd、Pb含量，常见的土壤调理剂有生物炭、海泡石、石灰、硅肥、蒙脱土、重钙、钙镁磷肥、磷矿石和普钙等^[8-10]，也有学者研究了赤泥或有机肥对土壤中Cd、Pb形态的影响及其降低稻米中Cd和Pb含量的可能性^[11-13]。范美蓉等^[14]研究发现，赤泥、石灰和海泡石对Cd污染土壤有改良效果，能有效稳定土壤交换态Cd，加强固定土壤中Cd，其中赤泥对Cd的钝化效果较好。郝晓伟等^[15]试验发现不同添加量的赤泥均可显著降低污染土壤中Pb的HOAc提取态含量；刘秀珍等^[16]研究发现，有机肥可通过改变污染土壤中的Cd形态而降低其生物有效性；谢运河等^[17]研究表明施用不同有机肥能降低水稻植株对土壤 Cd 的富集能力。尽管很多学者研究发现赤泥和有机肥对土壤中Cd、Pb有钝化效果，但相关研究主要集中在单施赤泥和有机肥的盆栽试验，大田试验结果相对缺乏，且赤泥与有机肥配施对Cd、Pb在水稻植株中分布规律影响的研究更少。本文通过正交试验，研究赤泥和有机肥单施和互作对Cd、Pb在水稻植株中分布规律的影响，以期为湖南Cd、Pb污染农田提供合理有效的治理措施，并为探讨其对阻抗水稻Cd、Pb污染机理提供科学依据。

在湖南省株洲市霞湾村某重金属污染稻田（北纬27°48′3.6″，东经113°01′1.3″）进行田间试验。试验区位于亚热带季风湿润气候，年平均降雨量1 412.7 mm，年平均气温为16.8 ℃，无霜期286 d以上，年日照时间约1 700 h。试验土壤为红壤，试验前土壤耕层（0~20 cm）基本理化性质及重金属含量为：pH 5.00，有机质31.99 g·kg^-1，全氮1.97 g·kg^-1，全磷 0.62 g·kg^-1，全钾25.81 g·kg^-1，全量Cd 16.16 mg·kg^-1，全量Pb 562.64 mg·kg^-1，全量Zn 1 244.09 mg·kg^-1，全量Cu 81.71 mg·kg^-1。试验土壤Cd、Pb和Zn含量均超过土壤环境质量标准II级标准（GB 15618—2008），Cd、Pb和Zn分别超标65、7倍和8倍，属于重金属复合污染稻田，且污染程度较高。由于Cd和Pb的毒性大、活性强，且食品污染物限量（GB 2762—2012）已不考虑Zn，故本文只分析添加赤泥和有机肥对Cd和Pb在土壤-水稻系统中分布规律的影响。

供试赤泥由河南长兴实业有限公司提供，为拜耳－烧结联合法赤泥，其基本理化性质：pH 11.25，有机质含量5.0 g·kg^-1，Cu含量27.58 mg·kg^-1，Zn含量31.13 mg·kg^-1，Pb含量36.75 mg·kg^-1，Cd含量0.13 mg·kg^-1。

供试有机肥由德人牧业有限公司提供，其基本理化性质：pH 8.38，有机质含量368.3 g·kg^-1，全氮含量 15.1 g·kg^-1，全钾含量79.8 g·kg^-1，全磷含量30.6 g·kg^-1，Cu含量14.92 mg·kg^-1，Zn含量76.48 mg·kg^-1，Pb含量4.49 mg·kg^-1，Cd含量0.14 mg·kg^-1。

采用两因素正交法进行野外大田试验，每个小区面积为2 m×5 m，共个46小区。小区随机区组排列，小区用田埂隔开；田埂覆盖一层薄膜，以防串水，并采用单排单灌，以防止添加物互相影响。添加物为赤泥和有机肥。其中赤泥添加量为0、2 000、4 000、6 000 kg·hm^-2，有机肥添加量为0、1 000、2 000 kg·hm^-2。同时，设置4个对照，设计处理见表 1。水稻品种为两优5218，全生育期135 d左右。种植时间为2014年6月6日，收割时间为2014年9月25日，按当地种植习惯进行田间管理（如追肥、除草、除虫、灌溉等）。

表 1　试验组合设计（kg·hm^-2） Table 1　Orthogonal design of the experiment（kg·hm^-2）

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分别在水稻分蘖期、抽穗期、灌浆期和成熟期采集水稻和土壤样品。在每个小区内随机选取3~5兜植株（分蘖期10~15兜），并将根际土壤取出混合均匀后，采用四分法保留2 kg土壤样品并装于样品袋中，立即带回实验室并放置于阴凉、通风处自然风干后，研碎、过筛（10目及100目），并保存于干燥器中备用。采集的植物样品洗净后装于样品袋内运回实验室后，再用自来水洗干净后，用去离子水冲洗3次，并将其分为根、茎、叶、果实4个部分。其中根、茎、叶分别切碎混匀后，用四分法保留1 kg样品。所有植物样品装入牛皮纸信封中，90 ℃杀青2 h，然后65 ℃烘干至恒重，并用植物破碎机粉碎、过筛100目后，保存于干燥器中备用。

植物样品经混合酸（HNO3∶HClO4=4∶1）消化、土壤样品经王水∶高氯酸（5∶1）消化，再进行定容、过滤，保存于4 ℃冰箱中备用。消煮液中Pb及Cd含量在0.1 mg·kg^-1以上的样品经ICP-OES（PerkinElmer，Optima 8300），Cd含量在0.1 mg·kg^-1以下的样品经石墨炉原子吸收分光光度计（VARIAN，AA240FS+GTA120）进行分析检测^[18]。

试验数据均以烘干计，并应用SPSS_19.0进行相关统计分析，用Microsoft Excel 2013处理试验数据和绘制图表。

随着水稻生长，所有处理根际土壤pH值逐渐下降（表 2）。添加赤泥和有机肥能显著提升根际土壤pH值，且不同添加量影响显著不同。从成熟期土壤pH值变化来看，添加赤泥和有机肥后，土壤pH值提升0.36~1.90个单位。其中，单施赤泥提升幅度最大，提升1.57~1.90个单位；其次是配施（提升0.88~1.30个单位），单施有机肥最低，提升0.36~0.90个单位。

表 2　不同生育期水稻根际土壤pH 值和Cd、Pb 含量（mg·kg^-1） Table 2　pH, Cd and Pb content of root soils in different growth stages（mg·kg^-1）

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随着赤泥和有机肥添加量增加，水稻根际土壤pH值提升幅度增加（无论单施和配施）。其中，赤泥添加量为6 000 kg·hm^-2时，土壤pH值提升0.89~1.90个单位，比2 000 kg·hm^-2高约1倍；有机肥添加量为2 000 kg·hm^-2时，土壤pH值提升0.74~1.74个单位，比1 000 kg·hm^-2高约1倍。

与CK相比，添加赤泥和有机肥后，水稻根际土壤中Cd、Pb含量分别降低2.73%~26.25%和7.15%~34.26%。与单施相比，赤泥和有机肥配施时，根际土壤中Cd、Pb含量降幅更高（Cd、Pb的降幅分别为4.68%~26.25%和6.13%~28.95%），分别比单施赤泥和单施有机肥降低0.76~1.42倍和1.23~11.79倍。

从不同生育期来看，添加赤泥或有机肥后，Cd在分蘖期、抽穗期、灌浆期和成熟期降幅分别为4.68%~25.29%、13.56%~26.25%、9.36%~21.87%和2.73%~13.95%；Pb在分蘖期、抽穗期、灌浆期和成熟期降幅分别为7.15%~23.82%、9.97%~28.95%、2.95%~28.13%和11.24%~25.95%。随着赤泥和有机肥添加量（包括单施和配施）的增加，水稻根际土壤中Cd、Pb含量均降低。单施时，赤泥添加量为4 000 kg·hm^-2时土壤中Cd（降低9.98%~16.98%）、Pb含量（降低14.69%~17.88%）降幅达到最大，分别是添加量为2 000 kg·hm^-2和添加量为6 000 kg·hm^-2的0.95~3.03倍和0.78~1.41倍；有机肥添加量为2 000 kg·hm^-2是添加量为1 000 kg·hm^-2的0.82~1.33倍。配施时，赤泥4 000 kg·hm^-2和有机肥1 000 kg·hm^-2组合对降低水稻根际土壤Cd、Pb含量整体效果最佳，分别可达到其他配施处理的2.32~3.78倍和0.79~2.88倍。

种植一季水稻后，土壤中Cd和Pb含量分别下降了0.19%~14.11%和2.64%~27.90%。

与CK相比，添加赤泥与有机肥（包括单施、配施）后，虽然不同生育期水稻根、茎、叶中Cd和Pb含量都显著降低，但随着水稻生长，其根、茎和叶中Cd和Pb含量仍逐渐增加（灌浆期Pb含量除外）（图 1、图 2和表 2）。从所有处理不同生育期水稻根、茎和叶中Cd、Pb含量来看，Cd为成熟期>灌浆期>抽穗期>分蘖期，Pb为成熟期>分蘖期>灌浆期>抽穗期，且与CK一致。

试验处理中“R”代表赤泥；“O”代表有机肥；不同小写字母表示显著差异（P<0.05）。下同 图 1　不同生育期水稻各器官中Pb含量 Figure 1　Concentrations of Cd in rice organs in different growth stages

图选项

图 2　不同生育期水稻各器官中Pb 含量 Figure 2　Concentrations of Pb in rice organs in different growth stages

图选项

从不同生育期Cd和Pb贡献率（不同生育期贡献率=某生育期重金属含量/成熟期重金属含量）来看，添加赤泥和有机肥对不同生育期Cd、Pb贡献率有显著影响，且施肥方式和施肥量也有显著影响（图 1、图 2和表 2）。其中赤泥单施影响最大，其次为赤泥和有机肥配施，有机肥单施最小。与CK相比，添加赤泥与有机肥（包括单施和配施）后，分蘖期Cd贡献率增加4.62%~18.53%，抽穗期、灌浆期和成熟期Cd贡献率分别减少0.16%~19.12%、1.09%~7.83%和3.35%~13.82%；分蘖期Pb的贡献率增加1.91%~15.72%，成熟期减少3.58%~33.83%，抽穗期和灌浆期Pb的贡献率无明显变化规律。随着赤泥添加量（包括单施和配施）的增加，不同生育期Cd、Pb贡献率先降低后升高；随着有机肥添加量（包括单施和配施）增加，Cd、Pb的贡献率均升高。

添加赤泥与有机肥能显著降低水稻体内Cd和Pb含量，但不同处理降低幅度显著不同，且不同重金属也显著不同（图 1、图 2和表 3）。与CK相比，添加赤泥与有机肥后，成熟期水稻根、茎、叶、谷壳和糙米中Cd含量分别降低2.90%~46.97%、24.76%~56.83%、10.48%~53.91%、16.05%~46.33%和23.24%~55.90%，Pb含量分别降低10.40%~40.32%、2.37%~39.23%、18.19%~64.66%、24.91%~45.55%和11.76%~29.41%。其中，配施（赤泥和有机肥）降低幅度相对而言最大，对Cd的降幅分别是单施赤泥和单施有机肥的0.85~1.70倍和1.90~4.80倍，对Pb的降幅0.83~ 1.38倍和0.85~2.85倍。随着赤泥（包括单施和配施）添加量的增加，整株水稻内Cd和Pb含量先降低后升高；随着有机肥（包括单施和配施）添加量的增加，水稻体内Cd和Pb含量均升高。

表 3　不同处理对水稻成熟期籽实部分吸收Cd 和Pb的影响 Table 3　Impact of different treatments on fruit Cd and Pb uptake

表选项

从糙米Cd 和Pb 含量降低幅度来看，单施赤泥降Cd 效果最好（降幅为44.81%~55.90%），其次赤泥和有机肥配施（降幅为42.11%~47.85%），单施有机肥效果最差（降幅为23.47%~25.49%）。赤泥和有机肥配施降Pb 效果最好（降幅为42.11%~47.85%），其次为单施赤泥（降幅为19.61%~23.53%），单施有机肥效果最差（降幅为11.76%~23.24%）。随着有机肥添加量（包括单施和配施）增加，糙米中Cd、Pb含量降低。赤泥与有机肥不同,当赤泥单施时，随着添加量增加，糙米中Cd、Pb含量先增加后降低,即赤泥添加量为4 000 kg·hm^-2时，糙米中Cd、Pb 降幅最大，分别为55.90%和23.53%。当配施，随着赤泥添加量增加，糙米中Cd、Pb含量降低。不同处理糙米中Cd、Pb降幅显著不同。在所有处理中，糙米Cd、Pb 降幅最大的分别为处理R2（下降55.90%）和R3O1（下降29.41%）。尽管添加赤泥和有机肥能大幅度降低糙米中Cd 和Pb 含量，但由于土壤中Cd 和Pb 含量较高，糙米中Cd 和Pb 含量仍高于食品污染物限量标准（GB 2762—2012），Cd和Pb 分别超标1.51~4.70倍和1.80~2.25倍。

添加赤泥和有机肥对Cd 和Pb 在土壤-水稻系统中迁移转运规律有显著影响，见表 4 和表 5。从成熟期6 个迁移转运率来看，添加赤泥或有机肥后，Cd的茎-壳、茎-米和土-米转运率降低，茎-叶转运率升高，土-根和根-茎转运率变化无规律。Pb 与Cd 显著不同，添加赤泥或有机肥后，Pb 的土-根、根-茎、茎-叶和茎-壳转运率下降，茎-米和土-米转运率变化无规律。从成熟期Cd的土-米迁移率降低幅度来看，与CK 相比，赤泥单施降低幅度最大，降低39.19%~50.80%；其次是赤泥和有机肥配施，降低35.11%~42.46%；有机肥单施最小，降低19.96%~21.27%。从成熟期Pb 的土-米迁移率降低幅度来看，与CK 相比，赤泥单施降低幅度最大，降低5.01%~9.73%；赤泥与有机肥配施及单施有机肥土-米迁移率降低幅度无明显规律。

表 4　Cd 在土壤-水稻系统中的迁移转运率（%） Table 4　Transfer rate of Cd in soil-rice system（%）

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表 5　Pb 在土壤-水稻系统中的迁移转运率（%） Table 5　Transfer rate of Pb in soil-rice system（%）

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从不同生育期Cd 和Pb 在土壤-水稻系统中迁移转运率来看，随着水稻生长，土-根、根-茎、茎-叶3个转运率均呈逐渐升高趋势。从Cd 和Pb 在水稻成熟期时土壤-水稻系统中迁移转运规律来看，Cd 为：土-根>茎-叶>根-茎>茎-壳>茎-米>土-米，Pb 为：茎-叶>土-根>茎-壳>根-茎>茎-米>土-米（表 4 和表 5）。在6 个迁移转运率中，Cd、Pb的根-茎迁移转运率相对较低，而土-根和茎-叶迁移转运率相对较高，这表明Cd、Pb 都主要积累在水稻的根和叶片中。Pb 的茎-叶和茎-壳转运率分别是Cd 的2.60~6.92 倍和1.86~4.05 倍，土-根、根-茎、茎-米和土-米转运率分别为Cd 的46.29%~65.36%、13.31%~26.80%、21.46%~47.72%和7.00%~10.79%。这表明水稻地上部分的Pb 主要储存在叶、壳等不可食部分，而Cd 转运至可食部分的量比Pb 多。与CK 相比，添加赤泥或有机肥虽然对Cd 和Pb 在土壤-水稻体系中迁移转运率有影响，但对不同生育期各转运率变化规律几乎没有影响，即添加赤泥或有机肥后，不同生育期各转运率变化规律与CK 一致。

随着工矿业的迅速发展和各种化学产品的广泛使用，稻田土壤重金属污染越来越重，并直接影响水稻生长和稻米品质，进而影响人体健康。因而，土壤重金属污染治理一直是国内外研究的热点。为了治理稻米重金属污染，国内外学者研究了多种土壤调理剂与叶面阻控剂的降铅镉效果，其中研究发现植物体内的Cd、Pb 含量一般随土壤pH 值的升高而呈减少趋势。因此运用碱性土壤调理剂，通过提高土壤pH 值、降低土壤重金属的生物有效性来减少稻米中重金属含量被证明是一种降低稻米Cd 和Pb 污染的有效措施^{[8-17, 19-23]}。本研究发现，添加赤泥和碱性有机肥，不仅能够有效地提升水稻根际土壤pH 值，而且能大幅度降低稻米中Cd 和Pb 含量，这与他人的研究结果一致。

本试验结果表明，添加赤泥或有机肥后，与CK相比，水稻根际土壤pH 值明显升高，并且在水稻生长各时期土壤pH 值随赤泥或有机肥添加量的增加均有不同程度的提高。添加处理中土壤pH 值升高主要是因为赤泥和有机肥呈碱性，施入酸性土壤即发生酸碱中和反应。虽然添加赤泥和有机肥均呈碱性，但单施赤泥土壤pH 值提升效果高于赤泥与有机肥配施和单施有机肥，这可能是有机肥在土壤中分解后产生有机酸所致^[24]。同时，研究结果发现，随着水稻生长，根际土壤pH 值逐渐下降，这可能是由于试验区位于酸雨区所致。本研究还发现，种植一季水稻后，土壤中Cd 和Pb 含量分别降低-0.19%~14.11%和2.64%~27.90%，可能是因为水稻吸收了土壤中部分Cd、Pb 含量，表明可以通过秸秆移除治理土壤中Cd、Pb 污染。

水稻不同生育期吸收重金属的相对含量显著不同，Cd 与Pb 在不同生育期水稻吸收累积量差异略有不同，这可能与水稻不同时期的生长特征有关^[25-26]。有些研究发现，水稻各器官中Cd 含量均表现为分蘖期>成熟期>抽穗期，即水稻吸收Cd 的主要时期是分蘖期和成熟期^[27-31]；而另一些研究发现，水稻中Cd 含量在拔节-灌浆期急剧上升，灌浆期后差异不显著^[32-33]。本研究发现，分蘖期和成熟期的Cd 贡献率较高，而抽穗期Cd 的贡献率最低，这表明水稻吸收Cd 主要集中在幼苗-分蘖期和灌浆-成熟期。有些研究发现，水稻吸收Pb 的主要时期与Cd 相同，也在分蘖期和成熟期^[33-35]。本研究发现，分蘖期、灌浆期和成熟期的Pb 贡献率都较高，且3 个时期的贡献率都比较接近，这表明水稻吸收Pb 主要是在分蘖期、灌浆期和成熟期，这与他人的研究结果基本一致。研究还发现，抽穗期时，Cd 和Pb 的贡献率很低，很多贡献率为负值，这可能由于抽穗期水稻生物量急剧增加使植株体内Cd、Pb 含量降低或根、茎、叶中的Cd、Pb 大量转移至穗部所致。很多研究发现，水稻各器官积累Cd和Pb 的能力不同，且水稻吸收Cd、Pb 大量累积在根、茎、叶中，水稻各器官Cd、Pb 含量均表现为根>茎、叶>糙米^{[25-27, 34-36]}。本研究发现，虽然水稻各器官Cd、Pb 含量也表现为根>茎、叶>壳>糙米，但Cd 主要积累在根和茎，而Pb 主要积累在根和叶，表明Cd 和Pb 在水稻各器官中间累积能力及器官间转运能力不同。虽然土壤中Cd 和Pb 污染十分严重（Cd、Pb 含量分别超过土壤环境质量标准II 级标准65 倍和7倍），但由于迁移转运率及吸收时期差异较大，因而糙米中Cd、Pb 含量差异较大。与Cd 相比，Pb 的茎-叶和茎-壳转运率分别是Cd 的2.60~6.92 倍和1.86~4.05 倍，土-根、根-茎、茎-米和土-米转运率分别为Cd 的46.29%~65.36%、13.31%~26.80%、21.46% ~47.72%和7.00%~10.79%，由此可见，水稻吸收转运到糙米的Pb 远远低于Cd（糙米中Cd 含量约为Pb的1 倍）。

有研究表明，赤泥具有较大的比表面积，在土壤中能与重金属形成金属氢氧化物沉淀和结合性强的金属络合物，对固定重金属的晶格有促进作用，同时赤泥施入土壤后可在一定程度上增强土壤对Cd、Pb的吸附能力，从而导致土壤Cd、Pb 活性降低，减少植物从土壤中吸收重金属Cd、Pb^[37-38]。有机肥的施加不仅能增加土壤有机质含量、改善土壤理化性质，同时会影响重金属在土壤中的形态；另外，有机物及其分解形成的腐植酸作为配位体可与土壤中Pb、Cd 络合或螯合，形成有机金属络合（螯合）物，进而影响土壤Cd、Pb 的活性，从而降低植物对土壤中重金属的吸收^[39-40]。添加赤泥和有机肥后，水稻各器官中Cd和Pb含量均有不同程度降低，但不同处理对水稻各器官中Cd 和Pb 含量的影响显著不同。添加赤泥和有机肥后，糙米中Cd 和Pb 含量分别降低23.24%~55.90%和11.76%~29.41%。Cd 降幅最大的处理是单施赤泥4 000 kg·hm^-2，而Pb 降幅最大的处理是R3O1，可见不同处理对不同重金属治理效果明显不同，因而在治理重金属污染时，应针对不同重金属污染选择适应的钝化剂，以提高治理效果。本研究还发现，添加赤泥和有机肥对Cd 和Pb 在土壤-水稻系统的转运率有显著性影响，且对Cd 与Pb的影响明显不同。添加赤泥和有机肥，Cd的茎-壳、茎-米和土-米转运率明显降低，Pb 的土-根、根-茎、茎-叶和茎-壳转运率下降，这可能是赤泥和有机肥使稻米中Cd 和Pb 降低的主要原因。虽然所有处理都能降低糙米中Cd和Pb 含量，但由于土壤中Cd 和Pb 含量较高、土壤pH 值较低等原因，糙米中Cd 和Pb 含量仍超过食品安全国家标准（GB 2762—2012），这表明土壤Cd 和Pb 含量较高时，仅通过土壤调理剂很难达到安全生产的目的。因而，对于重金属复合污染稻田和重金属污染程度高的稻田，需要运用多种技术集成或通过替代种植进行污染治理，减少其对人类健康的影响。研究还发现，赤泥和有机肥添加量对水稻各器官中Cd 和Pb 含量的影响显著不同。随着赤泥添加量增加，水稻各器官中Cd和Pb 含量先降低后增加，这表明利用碱性土壤调理剂来降低糙米中重金属含量是有限的。虽然随着有机肥添加量的增加，水稻各器官中Cd 和Pb 含量均下降，但由于本试验只设置了2 个有机肥添加量，很难确定碱性有机肥的治理效果是否有限，这有待进一步研究。

（1）单施及配施赤泥和有机肥后，均能提升水稻根际土壤pH 值，降低根际土壤中Pb 和Cd 含量，其中单施赤泥6 000 kg·hm^-2效果最佳。

（2）与CK 相比，所有添加处理均能降低稻米中Cd、Pb含量，但糙米中Cd、Pb 含量仍然未达到国家粮食卫生标准（0.2 mg·kg^-1）。

（3）不同降低稻米Cd 和Pb的能力不同，其中Cd降幅最大的处理是单施赤泥4 000 kg·hm^-2，Pb 降幅最大的处理是赤泥（6 000 kg·hm^-2）与有机肥（1 000kg·hm^-2）配施。

（4）重金属复合污染稻田，污染程度高时仅通过土壤调理剂很难达到安全生产的目的。