不同土壤改良劑對大豆富集重金屬的影響①

董明芳，范稚蓮，莫良玉，韋玉婭（廣西大學農學院，南寧 530003）

不同土壤改良劑對大豆富集重金屬的影響①

董明芳，范稚蓮，莫良玉*，韋玉婭
（廣西大學農學院，南寧 530003）

在廣西環(huán)江開展了土壤改良劑對大豆富集重金屬的影響研究，結果表明：土壤改良劑（煤灰、菌渣、蠶沙）均能在大豆苗期、結莢期和成熟期有效降低大豆中重金屬含量。菌渣對大豆苗期重金屬抑制效果最好，蠶沙對成熟期重金屬吸收的抑制效果最佳，而煤灰在結莢期抑制重金屬效果優(yōu)于其他的改良劑，并且對減少大豆籽粒中重金屬含量作用效果最好。

大豆；生長期；土壤改良劑；土壤；重金屬

中國是世界上人口最多，且耕地嚴重不足的國家。土地污染，尤其是重金屬污染已經成為危害我國土壤環(huán)境質量和糧食安全的主要問題［1-2］。重金屬具有積累性、難降解性等特點［3］。2014年4月環(huán)保部公布的全國土壤污染狀況調查結果顯示，我國部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質量堪憂，從調查點位情況看，全國土壤總的點位超標率為16.1%，以無機型為主，占全部超標點位的82.8%，主要是Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8 種無機污染物［4］。我國農田以 Hg 和 Cd污染為主的污灌面積達 1 000 多萬hm2，導致土地糧食減產，每年受重金屬污染的糧食產量約1 200萬t，糧食安全生產已成為全社會關注重要問題之一［5］。

目前，對重金屬污染土壤施用改良劑進行修復的方法受到廣泛關注，其實際應用也比較廣泛，如趙明等［6］研究發(fā)現(xiàn)施用有機肥后土壤中有效態(tài)Cd含量有所增加。而有關研究表明，在重金屬污染土壤中施用改良劑可以有效提高植物修復效率，從而更好地修復被重金屬污染的土壤［7-8］。有研究發(fā)現(xiàn)，使用石灰等改良劑，都能降低三七中重金屬含量［9］；而用蒙脫石、稻草和雞糞改良銅礦尾礦砂，對黑麥草生長有很明顯的改善作用［10］；采用粉煤灰改良復墾土壤，不會造成土壤重金屬污染［11］；而利用微生物影響植物吸收重金屬也是目前的研究熱點［12］。

大豆是我國的重要糧食作物之一，重金屬污染能影響大豆的產量及品質。目前關于重金屬對大豆作物的影響研究及重金屬低積累大豆的研究已經有所報道［13］，而在土壤改良劑對作物吸收重金屬影響的方面，針對玉米、小白菜等作物開展的研究居多［14-17］，針對大豆開發(fā)高效的土壤改良劑來降低大豆作物對土壤中重金屬吸收，從而提高大豆產量與品質的研究鮮見報道。

本試驗針對環(huán)江地區(qū)農田土壤中 As、Pb和 Zn主要集中分布在表層0 ～ 30 cm，發(fā)生土壤酸化現(xiàn)象的土層厚度為0 ～ 70 cm的特點，利用煤灰、蠶沙、菌渣等廢棄物作為土壤改良劑，研究了3種土壤改良劑單獨施加及混合施加對大豆作物不同生長期吸收富集重金屬的影響，以降低大豆作物中重金屬含量為目標，尋找一種成本低、易推廣的土壤改良劑，為重金屬污染土壤的修復和保障糧食的安全生產提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為廣西環(huán)江當地種植的大豆品種，土壤改良劑分別是煤灰、蠶沙和菌渣，其中菌渣主要成份為桑樹枝和少部分麥麩，大豆種植過程中施加復合肥為芭田-高塔218，成分比例為N︰P︰K=21︰11︰13。

試驗地點位于廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南自治縣，該試驗地因洪災導致的鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩坍塌，造成嚴重污染后一直閑置，經過采樣，對該地土壤理化性質（表1）進行了測定。

表1 土壤的理化性質Table1 Physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗方法

本試驗按不同處理和小區(qū)進行劃分，共設6個處理，其中包括單獨施加煤灰、菌渣和蠶沙3種土壤改良劑處理，以及將兩種土壤改良劑煤灰/蠶沙、煤灰/菌渣混合施用的2個處理，將不施加任何土壤改良劑作為對照（CK），每個處理進行4次重復。土壤改良劑的單位面積施用量為：煤灰為6 kg/m2，菌渣為 3.33 kg/m2，蠶沙為 1.67 kg/m2，煤灰/蠶沙為（6 kg/1.67 kg）/m2；煤灰/菌渣為（6 kg/3.33 kg）/m2。

本試驗中每個處理的4次重復設為4個小區(qū)，每個小區(qū)長為5 m，寬為3 m，每個小區(qū)總面積為15 m2，小區(qū)采用隨機排列分布。2010年5月10日播種，于大豆生長發(fā)育過程中分苗期、結莢期和成熟期3次采樣，采樣時間分別為當年的6月21日、8月28日和10月15日。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤的理化性質的測定 1） 土壤取樣方法：采用S形線路法采樣，各個點都是隨機決定。

2） 土樣預處理及測定方法：風干，粉碎過篩（分為 18目，100目）后保存。有機質：重鉻酸鉀容量-外加熱法；全氮：凱氏定氮法；有效氮：堿解擴散法；全磷：釩鉬黃比色法；速效磷：NH4F-HCl法；全鉀：NaOH熔融，火焰光度法；有效鉀：NH4OAc浸提，火焰光度法［18］。

1.3.2 大豆重金屬含量的測定 1）樣品的前期處理。清洗干凈，在烘箱中的105℃條件下，殺青30 min，然后 65℃烘干到恒重，然后將烘干的樣品分為不同部位粉碎裝袋保存，待下一步處理。

2） 消煮。消煮樣品使用的儀器是微波消解儀——MARS。消煮的方法與過程：稱取0.300 g左右的植物烘干樣，加入7 ml的硝酸，1 ml的雙氧水然后進行消煮［19］。

3） 重金屬含量的測定。測定的方法：電感耦合等離子光譜發(fā)生儀（ICP）測定，利用每種元素的原子或離子發(fā)射特征光譜來判斷物質的組成，而進行元素的定性與定量分析。

1.4 數據的統(tǒng)計分析

數據用SPSS中通用線性模型單因素變量法進行方差分析［20］，圖采用Origin 8.5進行繪制。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑處理對大豆苗期重金屬含量的影響

2.1.1 根部重金屬含量變化 不同處理的大豆苗期根部As和Cd含量如圖1所示。單獨施加和混合施加土壤改良劑都能顯著抑制大豆根部對As、Cd的吸收，使得根部的As和Cd含量明顯降低。3種改良劑單獨施加對抑制大豆根部吸收重金屬Cd效果，菌渣＞蠶沙＞煤灰，與對照相比，單獨施加菌渣處理根部 Cd含量降低了 54.90%；煤灰處理對抑制重金屬As吸收的效果最好，與對照相比根部As含量降低了62.77%。土壤改良劑混合施加對大豆根部吸收As的效果比單獨施加效果差；煤灰/菌渣混合施加處理根部的As和Cd含量較對照均降低近50%，該結果顯著優(yōu)于煤灰/蠶沙混合施加處理。

圖1 不同處理大豆苗期根部重金屬含量Fig. 1 Heavy maetal contents in soybean roots in seedling stage under different treatments

改良劑處理大豆苗期根部Pb和Zn含量均低于對照（圖1）。單獨施用菌渣處理對Pb的抑制效果最明顯，使得根部Pb含量較對照降低49.98%，其次為煤灰/蠶沙處理，其根部Pb含量較對照減少39.29%，煤灰/菌渣處理效果較差，Pb含量較對照僅降低7.42%。煤灰/蠶沙處理大豆根部Zn含量較對照降低48.45%，抑制Zn吸收效果最明顯，其次是菌渣處理，再次是蠶沙處理，二者根部Zn含量較對照分別降低41.49% 和 31.71%。煤灰/蠶沙混合施加處理與蠶沙單獨施加處理對Pb抑制效果差異不大，顯著強于煤灰單獨施加處理。

2.1.2 地上部重金屬含量變化 圖2顯示，施加改良劑后，大豆植株地上部重金屬As、Cd含量均顯著低于對照。單獨施加菌渣處理對As、Cd抑制效果最明顯，地上部As和Cd的含量分別比對照降低30.30% 和20.81%；對于大豆作物地上部As的抑制作用，菌渣單獨施加處理的抑制效果優(yōu)于煤灰/菌渣混合施加處理，煤灰與蠶沙混合施用處理優(yōu)于蠶沙單獨施用處理，與菌渣混合作用效果剛好相反?？傊夯遗c蠶沙混合處理有利于提高改良劑的抑制效果，菌渣處理對大度作物地上部As、Cd的抑制效果最好。

圖2 不同處理大豆苗期地上部重金屬含量Fig. 2 Heavy metal contents in above-ground parts of soybean in seedling stage under different treatments

改良劑處理大豆植株地上部重金屬Pb、Zn的含量均顯著低于對照（圖2）。煤灰處理抑制Pb吸收效果最明顯，其地上部Pb含量較對照降低33.47%，而煤灰/蠶沙處理效果最差，僅降低 5.42%。各改良劑處理均能降低地上部的Zn含量，降幅高于20%，煤灰/蠶沙處理降低25.40%，蠶沙處理降低21.24%；煤灰/蠶沙混合施用處理對 Zn的抑制作用比改良劑單獨施用效果好，但差異不顯著。

2.2 不同改良劑處理對大豆結莢期重金屬含量的影響

2.2.1 根部重金屬含量變化 圖3顯示，改良劑處理大豆植株根部As和Cd含量均顯著降低。單獨施加煤灰處理對重金屬As、Cd吸收的抑制作用最大，根部重金屬含量較對照分別降低36.38% 和29.24%，其他改良劑混合施加效果不理想。

圖3 不同處理大豆結莢期根部As、Cd含量Fig. 3 Cd and As contents in soybean roots in podding stage under different treatments

不同改良劑處理大豆結莢期根部Pb和Zn含量表現(xiàn)出不同的抑制效果（圖4）。煤灰/蠶沙處理對大豆結莢期根部Pb和Zn抑制效果最明顯，能有效降低Pb和Zn的含量分別為55.54% 和58.25%；煤灰與蠶沙混合施用處理較二者單獨施用處理對重金屬吸收的抑制作用明顯提高。

圖4 不同處理大豆結莢期根部Pb、Zn含量Fig. 4 Pb and Zn contents in soybean roots in podding stage under different treatments

2.2.2 莖葉重金屬含量變化 圖5顯示，改良劑處理大豆結莢期莖葉中重金屬含量除Cd以外均顯著降低，單獨施加煤灰處理抑制As、Pb、Zn的效果最好。蠶沙處理大豆莖葉Cd含量較對照顯著降低23.32%。

圖5 不同處理大豆結莢期莖葉重金屬含量Fig. 5 Heavy metal contents in soybean stems and leaves in podding stage under different treatments

2.2.3 豆莢重金屬含量變化 圖6顯示，改良劑處理大豆豆莢中重金屬含量均顯著降低。3個改良劑單獨施用處理（煤灰、蠶沙和菌渣）對As具有較大抑制作用，豆莢中As含量分別降低42.63%、45.10% 和48.12%，但煤灰/蠶沙混合施用處理對 As的抑制效果最好，豆莢中As含量降低62.47%。煤灰處理對結莢期豆莢中Cd抑制作用最好，其次是蠶沙處理；而蠶沙、菌渣處理則對豆莢中 Pb的抑制效果最明顯；煤灰處理對豆莢吸收Zn的抑制作用較大。

2.3 不同改良劑處理對大豆成熟期重金屬含量的影響

2.3.1 莖葉重金屬含量變化 大豆成熟期莖葉中重金屬含量如表2所示。除煤灰/蠶沙處理外，其余4個改良劑處理大豆莖葉中重金屬 As含量均顯著降低，煤灰處理能有效降低莖葉中的 As 38.36%，其次是菌渣處理，降低19.72%，再次是蠶沙處理。煤灰、蠶沙和菌渣處理大豆莖葉中 Cd含量均顯著降低，其中蠶沙處理能有效降低莖葉中Cd 30.92%。3個改良劑單獨施加處理均能有效降低大豆莖葉 Pb含量，其中煤灰、蠶沙單獨施用處理對 Pb的抑制作用最大，分別降低莖葉中Pb含量28.67% 和29.05%；蠶沙處理莖葉中Zn的抑制作用最大，Zn含量降低26.02%。

圖6 不同處理大豆結莢期豆莢重金屬含量Fig. 6 Heavy metal contents in soybean pods in podding stage under different treatments

表2 大豆成熟期莖葉中重金屬含量（mg/kg）Table2 Heavy metal contents in soybean stems and leaves in mature stage

2.3.2 籽粒重金屬含量變化 大豆成熟期籽粒中重金屬含量如表3所示。不同改良劑處理的大豆籽粒中As、Cd的含量均顯著降低，3個改良劑單獨施用時，蠶沙處理抑制作用最大，其大豆籽粒中As、Cd的含量分別降低 51.10%、72.76%。煤灰處理大豆籽粒中Pb、Zn的含量分別降低61.58% 和37.79%，而蠶沙處理分別降低48.59% 和29.95%。

綜上，3個改良劑對成熟期大豆籽粒吸收重金屬均有顯著的抑制作用，煤灰和蠶沙處理的作用均較好，改良劑混合施用不能增強改良劑的抑制作用。根據豆類食品中污染物限量標準［21］，除Pb外，大豆成熟期籽粒中重金屬含量均不超標。

3 討論

本試驗中改良劑對大豆苗期、結莢期、成熟期吸收重金屬均有抑制作用。苗期，對根部吸收重金屬抑制效果最好的是菌渣，對地上部吸收重金屬抑制效果最好的為菌渣和煤灰。結莢期，對根部吸收重金屬抑制效果最明顯的為煤灰，其次是煤灰/蠶沙；對莖葉吸收重金屬抑制作用最明顯的是煤灰，其次是蠶沙；對豆莢吸收重金屬抑制效果最好的是煤灰。成熟期，對莖葉吸收重金屬抑制效果最明顯的是蠶沙，其次是煤灰和菌渣，煤灰/蠶沙施用效果最差；對籽粒吸收重金屬抑制效果最好的是煤灰，其次是煤灰/蠶沙。

本試驗研究結果與前人報道結果基本一致，施用改良劑能明顯降低作物對重金屬的吸收，并且粉煤灰的作用更明顯［22-23］；陳恒宇等［24］通過盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，改良劑的施加可使土壤Pb的有效態(tài)含量降低、活性下降，抑制Pb在土壤-植物體系的遷移，從而有利于植物安全生產。研究發(fā)現(xiàn)，在 Cd脅迫下，石灰+雞糞+過磷酸鈣處理與對照相比生物量增加的最大［25］；張青等［26］研究發(fā)現(xiàn)蠶沙和菌渣對水稻Pb、Zn的含量降低的效果較好，改良劑可以使土壤的有效態(tài)Cr和Zn含量顯著減少，變?yōu)橹参锊蝗菀孜盏男螒B(tài)，同時提高土壤的pH。lee等［27］發(fā)現(xiàn)，使用粉煤灰和骨粉降低萵苣地上部Pb、Cr含量的效果顯著，能顯著增加苣的地上部生物量。

土壤改良劑能有效抑制大豆作物對重金屬的吸收，其原因有幾點：①不同改良劑的添加改變了重金屬的有效態(tài)，交換態(tài)重金屬離子的減少，抑制植物的吸收轉運［28］；②改良劑改變了植物根際pH、Eh，土壤pH不僅決定各種土壤礦物的溶解度，而且影響著土壤溶液中各種離子在固相上的吸附程度。丁園和劉繼東［29］通過施加兩種劑量石灰石改良受重金屬復合污染紅壤的理化性質，使其 pH分別提高到 4.67 ～4.93和6.19 ～ 6.73。因為大多數重金屬在土壤內是結合或吸附在氧化物的表面上，所以可以通過氧化還原點位的變化，從而從土壤內獲得不溶性的重金屬，以及大多數植物可以從根部釋放機酸和還原劑來還原Fe、Mn氧化物［30-32］；③改良劑能與土壤中的重金屬共沉淀，重金屬與碳酸鹽、鐵錳氧化物結合，吸附在其表面或以之形成的共沉淀，或者固定在礦物晶格中不容易釋放的部分［24］。

4 結論

本試驗中所采用土壤改良劑對大豆作物不同生育期吸收重金屬均有抑制作用。從試驗結果可以得出，5種土壤調節(jié)劑中煤灰是抑制大豆作物吸收重金屬的最佳土壤改良劑，并且經煤灰處理的大豆作物中的重金屬含量都沒有超標。而其他改良劑處理的大豆籽粒中的Pb含量雖然都明顯降低，但Pb含量超過國家標準。本試驗結果為進一步探討用煤灰作為土壤調節(jié)劑開展研究及推廣應用提供了數據支持和依據，為解決農田土壤重金屬污染問題和糧食安全生產提供了技術支持。

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Effects of Different Soil Ameliorants on Soybean Accumulating Heavy Metals

DONG Mingfang， FAN Zhilian， MO Liangyu*， WEI Yuya
（Agriculture College of Guangxi University， Nanning 530003， China）

A study was carried out to investigate the effects of soil ameliorants on the accumulation of heavy metals by soybean in Huanjiang of Guangxi. The results showed that all soil ameliorants （coal ash， fungi residues， silkworm excrement）decreased effectively heavy metal contents in soybean， during the seedling， podding and mature stages. The heavy metals inhibition effects were best for mushroom residue in seedling stage， for silkworm excrement in mature stage， for coal ash in podding stage. Coal ash also reduced most heavy metal contents in soybean grains.

Soybean； Growing period； Soil ameliorant； Soil； Heavy metal

X53

10.13758/j.cnki.tr.2016.04.019

廣西自然科學基金項目（2014GXNSFAA118072）資助。

（moliangyu99@yahoo.com.cn）

董明芳（1988—），女，河北唐山人，碩士研究生，研究方向為土壤環(huán)境生態(tài)。E-mail： dmf2011@126.com