不同作物栽培模式下施用改良劑對(duì)重金屬鉛、鎘的影響

趙潔 李富榮 文典 王富華 杜應(yīng)瓊 朱娜 疏仁宗

摘要：【目的】研究水稻栽培和絲瓜栽培兩種作物栽培模式下施用改良劑對(duì)土壤理化性質(zhì)及重金屬鉛、鎘的影響，為降低土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。【方法】在水稻栽培（R）和絲瓜栽培（V）兩種作物栽培模式下，分別設(shè)不施改良劑（CK）、施用活性炭（AC）和石灰（L）等3個(gè)處理，共6個(gè)處理。通過(guò)單因素方差分析，研究不同作物栽培模式下改良劑因素對(duì)土壤理化性質(zhì)及重金屬鉛、鎘的全量和有效態(tài)含量及其在作物可食用部分中含量的影響?！窘Y(jié)果】與水稻栽培模式相比，絲瓜栽培模式的土壤pH較高，有機(jī)質(zhì)和重金屬有效態(tài)含量較低；施用改良劑能促使土壤pH顯著增加（P<0.05）。絲瓜栽培模式下，活性炭可降低土壤有效態(tài)鉛和有效態(tài)鎘的含量，石灰可降低土壤有效態(tài)鉛含量。與鎘相比，鉛在水稻和絲瓜可食用部分中含量較低，改良劑對(duì)降低作物鉛的效果不明顯；活性炭增加水稻可食用部分鎘含量，石灰降低水稻可食用部分的鎘含量?！窘Y(jié)論】選擇適宜種植作物并兼施土壤改良劑可有效降低重金屬鉛和鎘的污染風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞： 作物栽培；石灰；活性炭；鉛；鎘；土壤理化性質(zhì)

中圖分類號(hào)： S19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2016）07-1110-07

0 引言

【研究意義】隨著農(nóng)田重金屬污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，原本耕地資源十分緊張的珠江三角洲地區(qū)的重金屬修復(fù)面臨更大挑戰(zhàn)，保障該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)降低農(nóng)田重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。農(nóng)藝調(diào)控重金屬活性的措施因具有簡(jiǎn)單易行、不中斷農(nóng)業(yè)連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)越性而備受關(guān)注；而改良劑修復(fù)重金屬污染土壤的方法具有成本低廉、易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)（Mulligan et al.，2001；Lombi et al.，2002）。常用的改良劑如石灰、黏土礦物、有機(jī)肥等能使土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為低溶解性、低毒性及低移動(dòng)性的物質(zhì)，其機(jī)理是通過(guò)改良劑吸附、絡(luò)合或沉淀重金屬（Rijkenberg and Depree，2010）。若將合理的農(nóng)藝調(diào)控措施與改良劑聯(lián)合應(yīng)用到珠江三角洲地區(qū)的重金屬修復(fù)，對(duì)保障珠江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全均具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】越來(lái)越多的實(shí)踐證明，采取適宜的農(nóng)藝調(diào)控措施（如改變種植模式、種植合適的農(nóng)作物）可有效減少重金屬通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體的機(jī)率，也是輕中度重金屬污染土壤持續(xù)進(jìn)行作物安全生產(chǎn)的有效途徑（胡文友等，2005；沈欣等，2015）。在稻作和菜作不同種植模式下，土壤pH、氧化還原電位等的不同均會(huì)改變重金屬的存在形態(tài)，進(jìn)而影響其生物有效性，不同作物對(duì)重金屬的吸收能力也有所不同（周振民，2010；Yang et al.，2010）?；钚蕴渴且环N比表面積高、孔容大、孔徑分布可控、表面化學(xué)性質(zhì)可調(diào)、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的吸附劑，具有吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)（徐嘯等，2010；萬(wàn)柳和徐海林，2011；Hashim et al.，2011）；Darvishi等（2012）發(fā)現(xiàn)在種植菠菜的污染土壤中施用活性炭可降低土壤重金屬鉛和鎘的污染程度，且抑制菠菜對(duì)重金屬的吸收?；钚蕴繉儆谝环N潛在的新型改良劑材料，目前將其用于土壤重金屬修復(fù)改良的研究較少；而石灰作為改良土壤重金屬污染的傳統(tǒng)材料之一，已有許多研究證實(shí)施用石灰可降低土壤中重金屬的有效性（廖敏等，1999；敖子強(qiáng)等，2009）?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前將上述兩種改良劑材料進(jìn)行對(duì)比的研究較少，將改變種植模式和施用改良劑兩種技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行土壤重金屬污染修復(fù)的研究更少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以廣東東莞市工業(yè)區(qū)周邊農(nóng)田為試驗(yàn)地，在典型農(nóng)作物即水稻和絲瓜的栽培模式下施用改良劑（活性炭、石灰），探究其對(duì)作物可食用部分和土壤中鉛、鎘含量的影響，尋找降低重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的可行性方法。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

供試改良劑：活性炭（廣州市清宇活性炭有限公司），圓柱狀，直徑4 mm；石灰（廣州華的化工有限公司），粉末狀。供試作物：稻作選用早稻，品種為五優(yōu)308（廣東省金稻種業(yè)有限公司）；菜作選用廣東地區(qū)種植較普遍的絲瓜，品種為芳萱苑肉絲瓜（北京市芳萱苑種子有限公司）。

1. 2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣州市與東莞市交界的麻涌鎮(zhèn)（東經(jīng)23°3′21″，北緯113°33′57″），海拔3 m，年平均氣溫22 ℃，年均降雨量1687 mm左右，屬亞熱帶海洋性氣候。試驗(yàn)土壤母質(zhì)為珠江沖洪積物，土壤類型為潮土，土壤耕層深度約23 cm，質(zhì)地為壤土，23 cm以下為黏土，該土地利用一直以蔬菜連作為主。供試土壤基本理化性質(zhì)及其重金屬本底值詳見(jiàn)表1。所施改良劑重金屬本底值分別為：石灰（pH 12.2，全鉛1.10 mg/kg，全鎘0.05 mg/kg），活性炭（pH 8.52、全鉛9.77 mg/kg、全鎘0.18 mg/kg）。

1. 3 試驗(yàn)方法

在水稻栽培（R）和絲瓜栽培（V）兩種作物栽培模式下，設(shè)不施改良劑（CK）、施用活性炭（AC）和石灰（L）等3個(gè)處理，共6個(gè)處理。水稻栽培模式下的3個(gè)處理分別記為RCK（種植水稻不施用改良劑）、RAC（種植水稻施用活性炭）、RL（種植水稻施用石灰）；絲瓜栽培模式下的3個(gè)處理分別記為VCK（種植絲瓜不施用改良劑）、VAC（種植絲瓜施用活性炭）、VL（種植絲瓜施用石灰）。每處理重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)。各小區(qū)用田埂隔開(kāi)，面積4 m×2 m=8 m2，共144 m2。

活性炭和石灰施用量以2 g/1 kg土壤計(jì)，移栽前均勻施入改良劑，與土壤充分混勻。各小區(qū)施肥、除草、灌溉等以農(nóng)民慣用田間管理方式進(jìn)行。肥料為史丹利牌復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）和雞糞農(nóng)家肥（N∶P2O5∶K2O=3.07∶2.08∶1.73）。水稻栽培模式下的施肥方法：分別于秧苗期、分蘗期和抽穗期施肥3次，施肥量分別為復(fù)合肥347.2 kg/ha、復(fù)合肥486.1 kg/ha+農(nóng)家肥3472.2 kg/ha、復(fù)合肥555.5 kg/ha。絲瓜栽培模式下的施肥方法：分別于抽蔓期、結(jié)果初期和結(jié)果盛期施肥3次，施肥量分別為復(fù)合肥173.6 kg/ha、復(fù)合肥520.8 kg/ha+農(nóng)家肥3472.2 kg/ha、復(fù)合肥520.8 kg/ha。4月育苗、移栽，7月收獲成熟的絲瓜和水稻并采集土壤樣品。絲瓜用去離子水沖洗干凈后打成勻漿保存?zhèn)溆?，水稻籽粒攤開(kāi)曬干、去殼、磨粉裝瓶保存，土壤樣品自然風(fēng)干后分別過(guò)20、60和100目尼龍篩備用。

1. 4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤理化性質(zhì)測(cè)定：堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAC浸提火焰光度法；有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7容量法；陽(yáng)離子交換量（CEC）采用乙酸銨法（鮑士旦，2000）；土壤容重采用環(huán)刀法（魯如坤，2000）；pH采用玻璃電極法（Y/T 1121.2-2006）。土壤全鉛、全鎘采用硝酸—高氯酸—?dú)浞崛夥ǎ℅B/T 17141-1997）；有效態(tài)鉛、有效態(tài)鎘采用DTPA浸提法（GB/T 23739-2009）；植物樣品采用硝酸—高氯酸消煮法（GB/T 5009.15- 2003）。以上樣品的鉛、鎘含量均采用石墨爐原子吸收法測(cè)定。

1. 5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003和SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Duncans對(duì)各處理進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同作物栽培模式下施用改良劑對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表2可看出，試驗(yàn)地的土壤偏酸性，不同處理對(duì)土壤pH影響不同，且作物栽培模式與改良劑有明顯的交互作用。與CK相比，兩種栽培模式下施用改良劑能促使土壤pH顯著增加（P<0.05，下同），改良劑提高土壤pH的效果表現(xiàn)為石灰>活性炭，不同作物栽培提高土壤pH的幅度表現(xiàn)為絲瓜栽培>水稻栽培。具體表現(xiàn)為：VL>RL>VAC>RAC>RCK>VCK，其中，VL處理的土壤pH最高，與VCK處理相比增加了1.12，與RL相比增加了0.28，均達(dá)顯著差異水平。

作物栽培模式和改良劑兩個(gè)因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和CEC含量均有交互作用，如改良劑活性炭?jī)H在水稻栽培模式下顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和CEC含量，在絲瓜栽培模式下并未見(jiàn)增加；改良劑石灰處理在不同作物栽培模式下對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的作用相反，對(duì)CEC含量則無(wú)顯著影響（P>0.05，下同）。具體表現(xiàn)為RL和RAC處理的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他各處理，VL處理的有機(jī)質(zhì)含量則最低，與其他處理均達(dá)顯著差異；RAC處理的CEC含量高于其他各處理，差異顯著；各處理間的容重不存在顯著差異。

2. 2 不同作物栽培模式下施用改良劑對(duì)土壤重金屬鉛、鎘的影響

2. 2. 1 不同作物栽培模式下施用改良劑對(duì)土壤重金屬鉛、鎘全量的影響 由圖1可知，作物栽培模式和改良劑兩個(gè)因素對(duì)土壤全鉛和全鎘含量均無(wú)交互作用，相同作物栽培下各處理間的重金屬全量無(wú)顯著差異。其中VL處理下的土壤全鉛含量最高，為65.44 mg/kg，RL處理含量最低，為59.55 mg/kg，二者間差異顯著，其他處理間差異均不顯著；土壤全鎘則以RAC處理含量最高，VCK處理最低，分別為0.58和0.40 mg/kg，二者間差異顯著，其他處理間差異均不顯著。

2. 2. 2 不同作物栽培模式下施用改良劑對(duì)土壤重金屬鉛、鎘有效態(tài)的影響 作物栽培模式和改良劑對(duì)重金屬有效態(tài)含量有交互作用。如圖2所示，絲瓜栽培模式下的有效態(tài)鉛和有效態(tài)鎘含量均低于水稻栽培模式。絲瓜栽培模式下，活性炭可降低土壤有效態(tài)鉛和有效態(tài)鎘的含量，石灰可降低土壤有效態(tài)鉛含量；VAC處理的有效態(tài)鎘含量最低，較VCK處理降低了12.50%，VL處理下有效態(tài)鉛含量最低，比VCK處理降低了12.54%，均達(dá)顯著差異。水稻栽培模式下，施用改良劑石灰能顯著降低有效態(tài)鉛含量，活性炭則對(duì)其無(wú)明顯影響；施用兩種改良劑對(duì)有效態(tài)鎘含量均無(wú)顯著影響。

2. 3 不同作物栽培模式下施用改良劑對(duì)作物可食用部分重金屬鉛、鎘含量的影響

由圖3可知，水稻和絲瓜兩種作物對(duì)于重金屬的吸收能力存在明顯差異，絲瓜可食用部分的鉛、鎘含量均低于水稻。根據(jù)GB 2762-2012規(guī)定的食品限量值（鉛：大米<0.20 mg/kg，絲瓜<0.10 mg/kg；鎘：大米<0.20 mg/kg，絲瓜<0.05 mg/kg）可判定，本研究中水稻可食用部分的鉛含量（0.056～0.062 mg/kg）低于GB 2762-2012限量值，而鎘含量（1.61～2.07 mg/kg）超過(guò)GB 2762-2012限量值的7.05～9.35倍，污染風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高；絲瓜可食用部分的重金屬含量（鉛：0.009～0.013 mg/kg；鎘：0.012～0.017 mg/kg）均遠(yuǎn)低于GB 2762-2012限量值，污染風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低。改良劑對(duì)水稻可食用部分的鉛含量基本無(wú)影響，對(duì)鎘含量則有顯著影響，與RCK相比，石灰顯著降低了水稻可食用部分的鎘含量，降幅為16.15%；活性炭則增加了水稻可食用部分的鎘含量，增幅為7.81%。

3 討論

3. 1 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

已有研究證實(shí)，加入石灰可提高土壤pH（杜志敏等，2012；楊林等，2012；周相玉等，2012），而活性炭的加入可起到緩沖土壤溶液pH變化的作用（楊林等，2012；周相玉等，2012）。本研究中，與對(duì)照組相比，兩種改良劑均明顯提高了土壤pH。水稻栽培模式下對(duì)照組（RCK）的土壤pH顯著高于絲瓜栽培模式，但是水稻栽培下施用改良劑提高土壤pH的效果略差于絲瓜栽培模式，說(shuō)明土壤pH受許多因素影響，其中土地利用方式可能是相關(guān)性最大的因素（李婷等，2006；檀滿枝等，2008）。章明奎和楊東偉（2013）研究表明水田的pH高于菜地，但由于稻田常處于淹水還原狀態(tài)下，鐵體系和碳體系等緩沖體系的存在影響土壤溶液中H+的吸附和解析（方利平和章明奎，2006；侯鵬程等，2007），因此緩沖作用可能是水稻栽培下施用改良劑對(duì)土壤pH影響不明顯的原因。水稻栽培模式下有機(jī)質(zhì)含量均高于絲瓜栽培模式，證實(shí)了連作蔬菜改為菜稻輪作后可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。Witt等（2000）的研究結(jié)果也表明，輪作土壤的有機(jī)碳增加了10%～14%，可能與稻作期間淹水抑制有機(jī)質(zhì)分解有關(guān)（何淑勤等，2012）。章明奎和楊東偉（2013）研究表明，旱地土壤CEC因有機(jī)質(zhì)的下降而略有下降，與本研究結(jié)果一致。

3. 2 作物栽培模式對(duì)土壤重金屬鉛、鎘含量的影響

不同作物栽培模式下土壤的各種理化性質(zhì)變化可改變重金屬的含量及其活性（王昌全等，2007；范明生等，2008；劉冰等，2011）。本研究中絲瓜栽培模式下的重金屬有效態(tài)含量均低于水稻栽培模式，主要原因可能是：（1）絲瓜栽培模式下的土壤pH高于水稻栽培模式，而pH是影響重金屬有效態(tài)的重要因子之一，在高pH條件下，土壤溶液中有足夠的氫氧化物使重金屬形成氧化物或氫氧化物沉淀，從而降低重金屬有效性，減少重金屬的釋放（敖子強(qiáng)等，2009；Hale et al.，2012）；（2）淹水條件下，Eh降低，鐵錳氧化物還原溶解，釋放出吸附在氧化物表面的鎘離子，導(dǎo)致土壤溶液中重金屬鎘活性增加（Gambrell，1994；Chuan et al.，1996）；（3）另一種可能是禾本科植物分泌能螯合重金屬的化合物進(jìn)入根際（R mheld，1991；Jones et al.，1996；Keltjens and Beusichem，1998），即水稻對(duì)土壤重金屬有活化作用。不同作物栽培模式下重金屬活性發(fā)生變化的機(jī)理尚未明確，但可以明確的是通過(guò)選擇不同作物栽培模式，改變土壤的理化性質(zhì)如水分、pH等因素可降低重金屬生物有效性。

3. 3 改良劑對(duì)土壤重金屬鉛、鎘含量的影響

石灰顯著降低了土壤有效態(tài)鉛含量，對(duì)有效態(tài)鎘基本無(wú)影響。一方面，因?yàn)槭铱娠@著提高土壤pH，土壤環(huán)境被中和后土壤溶液中存在的大多數(shù)重金屬形成氫氧化物膠體，鈣也可促進(jìn)土壤的凝聚，加速土壤中的重金屬沉淀作用（周啟星和宋玉芳，2004；敖子強(qiáng)等，2009）；另一方面，土壤吸附鉛和鎘的機(jī)理不同，對(duì)于鉛來(lái)說(shuō)，化學(xué)沉淀、沉積還原等化學(xué)吸附占優(yōu)勢(shì)（80%以上），鎘主要是以離子交換為主的物化吸附（50%以上），其次才是化學(xué)吸附（30%～40%）（楊崇潔，1989），所以相對(duì)來(lái)說(shuō)以化學(xué)反應(yīng)為主的改良劑石灰抑制鉛活化效果更佳。以往的活性炭研究多用于去除水體中的重金屬，應(yīng)用于土壤重金屬修復(fù)的研究較少。本研究中，活性炭可降低絲瓜栽培模式下土壤有效態(tài)鉛和有效態(tài)鎘，主要是因?yàn)榛钚蕴坑休^大的表面積，其表面官能團(tuán)通過(guò)與重金屬進(jìn)行離子交換或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成沉淀，形成物理吸附和化學(xué)吸附并存的吸附運(yùn)動(dòng)（胡鐘勝等，2006；徐嘯等，2010），隨著時(shí)間的推移，活性炭在土壤中還可以逐漸轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳（周相玉等，2012；Hale et al.，2012），起到固定重金屬的作用（胡鐘勝等，2006）。但在水稻栽培模式下降低重金屬有效態(tài)不明顯，其原因可能是水稻栽培與改良劑的互作效應(yīng)，如氧化還原電位變化的影響，暫時(shí)弱化了活性炭的吸附作用。

3. 4 不同處理對(duì)作物吸收重金屬的影響

植物吸收重金屬并將其轉(zhuǎn)移和積累到地上部，要經(jīng)過(guò)一系列的生理生化過(guò)程，對(duì)于大多數(shù)非耐性或非超積累植物而言，根系所吸收的鉛大部分被局限于根系組織（比例約為95%或更高），僅有少部分鉛可借助共質(zhì)體途徑向地上部輸送并累積（劉建國(guó)，2004；段德超等，2014），因此本研究中兩種作物可食用部分的鉛含量均較低。鎘在植物體內(nèi)有很強(qiáng)的累積作用，而水稻屬于對(duì)鎘的吸收累積作用強(qiáng)的一類作物，其根、莖中的鎘含量可達(dá)其生長(zhǎng)環(huán)境濃度的數(shù)十倍，更重要的是其具有很強(qiáng)的向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)和積累鎘的能力（劉建國(guó)，2004），因此本研究中水稻籽粒的鎘含量極高。施用改良劑對(duì)絲瓜的可食用部分重金屬含量和水稻可食用部分鉛含量基本無(wú)影響。

改良劑對(duì)水稻鎘含量有顯著性差異影響。本研究中活性炭顯著地增加了水稻可食用部分的鎘含量，而石灰降低了鎘含量，其原因可能是：水稻栽培增強(qiáng)了鎘的活性，水稻又屬于鎘的高吸收累積作物，其體內(nèi)鎘含量可高達(dá)土壤環(huán)境中的數(shù)倍，活性炭處理下水稻通過(guò)累積作用導(dǎo)致其籽粒中鎘含量顯著高于其他處理；另一種可能是由于活性炭的高吸附性能，使得活性炭?jī)?nèi)的微孔富集大量鎘，隨著氧化還原電位的變化導(dǎo)致水稻有機(jī)會(huì)從活性炭中獲取大量鎘，導(dǎo)致水稻籽粒鎘含量增加?；钚蕴康氖┯脤?dǎo)致水稻籽粒鎘含量增加的現(xiàn)象并不多見(jiàn)，值得進(jìn)一步探究其機(jī)理，活性炭作為改良劑應(yīng)用于水稻土也需慎重考慮。石灰的施用給土壤帶入了鈣離子，根據(jù)前人研究結(jié)果推測(cè)可能是鈣離子通過(guò)與鎘競(jìng)爭(zhēng)植物根系上吸收位點(diǎn)（Andersson and Nilsson，1974），而降低了作物可食用部分鎘含量。值得注意的是，施用石灰時(shí)水稻可食用部分鎘含量遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家限量值，說(shuō)明鎘極其容易在水稻中積累，因此在今后的研究中有必要探討有效降低水稻鎘含量的技術(shù)與方法。

4 結(jié)論

選擇適宜種植作物并兼施土壤改良劑可有效降低重金屬鉛和鎘的污染風(fēng)險(xiǎn)。

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（責(zé)任編輯 鄧慧靈）