沸石-鉛交互作用對(duì)水稻生長發(fā)育及鉛富集特性的影響

姜國輝，程 芳，田 英，李玉清

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,沈陽 110866；2.遼寧省水文局,沈陽 110003)

鉛是已知重金屬污染物中毒性最大的元素之一，隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，重金屬鉛污染問題日益嚴(yán)重。中國近海2/3的海域出現(xiàn)鉛含量超標(biāo)，近1/5的耕地受到鉛污染。污水中的Pb2+進(jìn)入土壤中，最終通過食物鏈積累進(jìn)入人體，危害人類健康[1,2]。因此，有關(guān)再生水灌溉對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究是近來關(guān)注的焦點(diǎn)之一[3,4]，水稻是我國主要糧食作物之一，在我國糧食生產(chǎn)中占重要的地位[5]，有研究表明，水稻是一種典型的富鉛作物，鉛在水稻植株體中累積，導(dǎo)致水稻生長發(fā)育受阻，產(chǎn)量和品質(zhì)下降，積累在水稻植株體內(nèi)的鉛通過食物鏈傳遞，危及人類和動(dòng)物的健康[6-8]。因此，研究如何降低水稻對(duì)鉛的吸收積累成為一項(xiàng)重要的課題。

化學(xué)改良技術(shù)以其廉價(jià)且影響作物耕作，被認(rèn)為是土壤重金屬污染治理最有效的方法之一。近年來，大量的改良劑被用于重金屬污染土壤的治理，常見的有石灰、磷酸鹽、堆肥、高爐渣、鐵鹽、硅酸鹽、沸石等。吸附法是一種有效的物理化學(xué)水處理方法，常被用于凈化重金屬污染廢水。沸石作為常用的吸附劑，既能改良土壤又能凈化廢水，能有效去除水中的重金屬。關(guān)于沸石吸附重金屬離子的研究已有報(bào)道。沸石具有孔道結(jié)構(gòu)和離子交換性能，對(duì)廢水中的鉛有吸附作用。此外，沸石對(duì)土壤中重金屬鉛具有一定的鈍化效果，可有效抑制土壤鉛的遷移及生態(tài)有效性[9-10]。對(duì)于鉛污染的土壤，采用多種改良劑配施已經(jīng)有不少研究[11-13]，而這些研究大多采用盆栽試驗(yàn)，在小區(qū)試驗(yàn)的較少，同時(shí)，大部分研究是針對(duì)復(fù)合改良劑對(duì)土壤污染的影響，或研究沸石對(duì)廢水進(jìn)行改良。農(nóng)田重金屬的含量狀況關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、人類和動(dòng)物健康等[14]，因此，如何治理重金屬污染農(nóng)田以及如何控制重金屬向水稻中轉(zhuǎn)移是值得研究的課題。目前，少有學(xué)者研究灌溉水中的鉛與沸石交互作用對(duì)土壤中鉛含量及對(duì)水稻的影響。本文擬通過微區(qū)水稻種植試驗(yàn)，分析沸石與鉛復(fù)合作用對(duì)水稻產(chǎn)量、鉛在水稻植株中富集、生長性狀等的影響，以期為我國含鉛污水灌溉的糧食作物安全生產(chǎn)提供一些依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗(yàn)基地(坐標(biāo)：N41°44′，E123°27′，海拔44.7 m)。試驗(yàn)區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量700 mm左右。全年無霜期155～180 d。年平均氣溫為8.1 ℃，夏季平均氣溫為25.6 ℃。試驗(yàn)于2015年5月開始，試驗(yàn)微區(qū)面積4.2 m2(3.5 m×1.2 m)，深度為30 cm，底部及四周均用塑料膜包裹，微區(qū)間筑埂隔離，各處理間互不滲透。為防止微區(qū)中的灌溉水被雨水稀釋進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置透明遮雨棚，雨天遮蓋，晴天全部打開。

1.2 供試材料

水稻品種為沈農(nóng)9816，供試土壤為基地的棕壤土，各理化指標(biāo)為：pH值7.41，有機(jī)質(zhì)含量20.48 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，速效磷20.69 mg/kg，速效鉀50.11 mg/kg。常規(guī)施肥：硫酸鉀100 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，磷酸二氫鈣200 kg/hm2。灌溉水為水利學(xué)院綜合試驗(yàn)基地自供水，經(jīng)檢測(cè)，基地自供水符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中鉛的濃度<0.06 μg/L。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)鉛及沸石2因素，鉛因子4個(gè)濃度梯度，沸石3個(gè)施用量，共12個(gè)處理，各處理試驗(yàn)見表1，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。灌溉水鉛處理濃度為0(B0)、0.15(B1)、0.20(B2)、0.25 mg/L(B3)，用硝酸鉛[Pb(NO3)2]配制。沸石施用量包括無沸石(W0)、施用沸石2 500 kg/hm2(W1)、施用沸石5 000 kg/hm2(W2)。沸石于插秧前結(jié)合耙地先于肥料一次施入。緩苗期12個(gè)處理均灌溉基地自供水，水層保持3 cm厚。返青期開始，除B0各處理外，其他處理灌溉對(duì)應(yīng)濃度含鉛因子水溶液。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.1 The experiment processing design

1.4 測(cè)定數(shù)據(jù)及方法

(1)試驗(yàn)取樣。每2 d進(jìn)行一次田間調(diào)查測(cè)定，記錄不同處理的水稻生長發(fā)育情況；間隔20 d取樣一次，其中在水稻營養(yǎng)生長時(shí)期取2次，水稻生殖生長時(shí)期取樣1次，水稻成熟期取樣1次；每次每個(gè)處理取5株，用土鉆取深度0～20 cm土壤0.5～1.0 kg左右。

(2)生長性狀測(cè)定。每次取樣測(cè)定水稻的株高、分蘗數(shù)和地上、地下物質(zhì)生物量。

(3)產(chǎn)量測(cè)定?？疾槊克肓?shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、產(chǎn)量。

(4)樣品處理。土樣在自然條件下陰干、研磨、過100目篩；植物樣品經(jīng)烘干，植物粉碎機(jī)磨碎，研缽研磨成粉狀后，過100目篩。

(5)土壤及水稻植株中鉛含量測(cè)定。根據(jù)GB 5009.12-2010，采用壓力消解罐消解法處理樣品，用原子吸收分光光度計(jì)(HITACHI Z-2000)采用火焰法進(jìn)行測(cè)定。

(6)數(shù)據(jù)處理。采用Office 2010整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Dunccn檢驗(yàn)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性比較(P<0.05)，采用Origin軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沸石添加量下，鉛水濃度變化對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

沸石施用于鉛污水灌溉的水稻土中，不同沸石施用量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響見表2。從表2可見，當(dāng)沸石施用量是W1處理時(shí)，以無沸石添加的W0組為對(duì)照，不同濃度的含鉛水灌溉，清水產(chǎn)量增加5.9%，其余處理分別減少3.77%、8.7%、17.6%；當(dāng)沸石施用量為W2處理時(shí)，與W0相比水稻產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，不同濃度的含鉛水灌溉，稻米產(chǎn)量分別高于對(duì)照8.84%、11.20%、16.84%、8.50%，差異達(dá)顯著水平(p<0.05)。

表2 不同鉛濃度灌溉水及沸石施用量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響 g/區(qū)

注：表中不同小寫字母表示各處理間差異顯著(p<0.05)。

當(dāng)鉛水濃度為B1處理時(shí)，以B0組為對(duì)照，不同沸石添加量下，W0產(chǎn)量增加10.43%，W1產(chǎn)量增加0.1%，W2產(chǎn)量增加10.13%；當(dāng)鉛水濃度為B2處理時(shí)，以B0組為對(duì)照，不同沸石添加量下，W0產(chǎn)量增加16.38%，W1產(chǎn)量增加14.08%，W2產(chǎn)量增加24.94%；當(dāng)鉛水濃度為B3處理時(shí)，不同沸石添加量下，W0產(chǎn)量減少2.35%，W1產(chǎn)量減少24.11%，W2產(chǎn)量減少0.24%。

說明W1處理時(shí)，對(duì)水稻產(chǎn)量有抑制作用，而W2時(shí)對(duì)水稻產(chǎn)量有促進(jìn)作用，且在不同鉛濃度灌溉水中，沸石對(duì)水稻產(chǎn)量的作用不同，在清水中起促進(jìn)作用，在鉛水灌溉下，W1各處理的抑制程度B3>B2>B1，W2各處理的促進(jìn)程度B2>B1>清水>B3。

以B0W0處理為對(duì)照，B1W1增產(chǎn)6.04%，B1W2增產(chǎn)19.87%，B2W1增產(chǎn)6.27%，B2W2增產(chǎn)35.98%，B3W1減產(chǎn)19.61%，B3W2增產(chǎn)8.58%，說明沸石與鉛交互作用對(duì)水稻產(chǎn)量影響強(qiáng)弱為：B2W2>B1W2>B3W2>B2W1> B1W1>B3W1。

2.2 沸石脅迫下重金屬鉛在土壤、水稻植株中的富集

鉛水灌溉下，水稻植株各部位均有鉛的積累，鉛的遷移路線一般為水中鉛通過土進(jìn)入根再運(yùn)移到植株，或鉛水直接進(jìn)入根再向植株運(yùn)移。試驗(yàn)中每個(gè)微區(qū)面積相同，土壤重量相等，各處理間控制灌水量差別小于10%以內(nèi)。因此，水稻土中鉛總量取決于灌溉水中的鉛濃度，殘留在土壤中的鉛含量多，輸送到水稻植株的鉛含量則少。本試驗(yàn)不同處理下土及水稻各部位鉛濃度對(duì)比詳見圖1。由圖1可見，隨著鉛水濃度的增大水稻各部位鉛含量增加，與鄭春榮等[16]研究結(jié)果一致。施用不同量的沸石對(duì)土壤中及水稻根部鉛濃度影響顯著。

圖1 不同處理下土及水稻各部位鉛濃度對(duì)比圖Fig.1 The lead concentration in different parts of soil and rice under different treatments

W1時(shí)，以W0組為對(duì)照，不同濃度鉛水灌溉下土壤及根中單位鉛含量均有提高，其中土濃度提高了14.69%、15.39% 、15.82%，根中鉛濃度提高9.6%、37.82%、3.36%，莖、葉、米中鉛濃度均有降低，其中莖降低60.59%、34.24% 、28.43%，葉降低27.59%、10.77% 、2.12%，米降低43.49%、37.75% 、28.81%；W2時(shí)，土壤鉛濃度分別提高8.57%、8.56% 、6.04%，根提高29.76%、44.71% 、5.81%，莖降低66.03%、43.86% 、31.91%，葉降低44.83%、22.76% 、11.69%，米降低49.32%、45.36%、40.11%。

以B0W0處理為對(duì)照，B1W0處理米濃度增加55.32%，B1W1減少12.23%，B1W2減少21.28%；B2W0米濃度增加60.64%，B2W1沒有增加，B2W2減少12.23%；B3W0、B3W1、B3W2米濃度增加88.3%、34.04%、12.77%。

由于施用沸石，土壤中鉛富集最多，米中鉛濃度降低的百分比最大，沸石和鉛的交互作用，有效地抑制了灌溉水中鉛離子向米粒中的轉(zhuǎn)移，這與周航等[10]研究結(jié)果一致。且5 000 kg/hm2沸石添加量明顯比2 500 kg/hm2的處理抑制效果好，沸石影響鉛離子向米中運(yùn)移強(qiáng)弱表現(xiàn)為B1W2>B2W2、B1W1>B2W1>B3W2>B3W1。

施用不同量的沸石，土壤中鉛濃度與無沸石的W0處理均存在顯著差異(p<0.05 )；W1時(shí)，不同鉛水濃度灌溉下，水稻籽粒中鉛濃度與W0亦存在顯著差異性(p<0.05 )；當(dāng)施用量為W2時(shí)，水稻籽粒中鉛濃度與W0之間在B3時(shí)存在顯著差異(p<0.05 )。

2.3 沸石與鉛交互作用對(duì)水稻生育性狀的影響

為考證沸石與鉛交互作用對(duì)水稻生育性狀的影響，試驗(yàn)在水稻生長期取樣記錄株高、分蘗數(shù)和地上、地下干重，結(jié)果見表3。在重金屬鉛處理的土壤中生長的作物，隨著施鉛濃度的增加，株高無明顯變化[16]。從表3可以看出對(duì)水稻營養(yǎng)生長期部分生育性狀影響為：低濃度鉛水對(duì)水稻株高有促進(jìn)作用，且灌溉水鉛濃度越高，水稻株高增長量越低，高濃度鉛離子對(duì)水稻株高起抑制作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻株高增長量越高，沸石對(duì)水稻的株高起促進(jìn)作用，鉛與沸石交互作用下，沸石對(duì)水稻株高的促進(jìn)作用大于鉛離子對(duì)水稻株高的抑制作用；鉛離子對(duì)水稻分蘗數(shù)起抑制作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻分蘗數(shù)增長量越高，沸石對(duì)水稻的分蘗數(shù)起促進(jìn)作用，鉛與沸石交互作用下，沸石對(duì)水稻分蘗的促進(jìn)作用大于鉛離子對(duì)水稻分蘗的抑制作用；灌溉水鉛濃度越高，水稻地上物質(zhì)重增長量越低，鉛離子對(duì)水稻地上物質(zhì)重起抑制作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻地上物質(zhì)重增長量越高，沸石對(duì)水稻地上物質(zhì)干重起促進(jìn)作用，鉛與沸石交互作用下，沸石對(duì)水稻地上物質(zhì)干重的促進(jìn)作用大于鉛離子對(duì)水稻地上物質(zhì)干重的抑制作用；低濃度鉛離子對(duì)水稻地下物質(zhì)干重有促進(jìn)作用，且灌溉水鉛濃度越高，水稻地下物質(zhì)干重增長量越低，高濃度鉛離子對(duì)水稻地下物質(zhì)干重起抑制作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻地下物質(zhì)重增長量越高，沸石對(duì)水稻地下物質(zhì)干重起促進(jìn)作用，鉛與沸石交互作用下，沸石對(duì)水稻地下物質(zhì)干重的促進(jìn)作用大于鉛離子對(duì)水稻地下物質(zhì)干重的抑制作用，且對(duì)地上物質(zhì)干重作用大于對(duì)地下物質(zhì)干重。

表3 施用沸石的水稻生育性狀與對(duì)照的差異比較Tab.3 Comparison of the differences in growth traits oncontrol of rice using zeolite

對(duì)水稻生殖生長期影響為：鉛離子及沸石對(duì)水稻株高均起促進(jìn)作用，且濃度越高作用越明顯，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻株高增長量越高；鉛水濃度與沸石對(duì)水稻分蘗的影響無明顯影響；灌溉水鉛濃度越高，水稻地上物質(zhì)干重增長量越高，鉛離子對(duì)水稻地上物質(zhì)干重起促進(jìn)作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻地上物質(zhì)干重增長量降低，沸石對(duì)水稻地上物質(zhì)干重起抑制作用，鉛與沸石交互作用下，高濃度鉛水灌溉下沸石對(duì)水稻地上物質(zhì)干重的抑制作用大于鉛離子對(duì)水稻地上物質(zhì)干重的促進(jìn)作用；鉛離子對(duì)水稻的地下物質(zhì)干重有抑制作用，沸石對(duì)水稻地下物質(zhì)干重起促進(jìn)作用，鉛與沸石交互作用下，鉛離子對(duì)水稻地下物質(zhì)干重的抑制作用大于沸石對(duì)水稻地下物質(zhì)重的促進(jìn)作用。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究表明，低濃度鉛水灌溉下沸石對(duì)水稻產(chǎn)量有促進(jìn)作用，沸石與鉛交互作用下，不同沸石施用量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響不同，施用2 500 kg/hm2時(shí)，降低水稻產(chǎn)量，鉛水濃度越高降低越明顯；施用5 000 kg/hm2時(shí)，促進(jìn)水稻產(chǎn)量，鉛水濃度越高促進(jìn)越明顯，以B0W0處理為對(duì)照，B1W1增產(chǎn)6.04%，B1W2增產(chǎn)19.87%，B2W1增產(chǎn)6.27%，B2W2增產(chǎn)35.98%，B3W1減產(chǎn)19.61%，B3W2增產(chǎn)8.58%。說明沸石與鉛交互作用對(duì)水稻產(chǎn)量影響強(qiáng)弱為B2W2>B1W2>B3W2>B2W1> B1W1>B3W1。

鉛易在植物體內(nèi)累積，隨著灌溉水鉛濃度的增加，水稻根、莖、葉中的鉛含量明顯增高，施用沸石后，在沸石的脅迫下土壤和根中的鉛濃度增加，莖、葉、米中鉛濃度降低，土壤中鉛濃度提高了6.04%～15.82%，根中提高了3.36%～37.82%，莖中降低28.43%～66.03%，葉中降低2.12%～44.83%，米中降低28.81%～49.32%。隨著沸石施用量增加，莖、葉、米中鉛濃度降低越多。鉛和沸石交互作用下，土中鉛占總灌入量比例高于未添加處理1.47%～11.1%，根中鉛占比提高0.71%～7.75%，莖、葉、米中鉛占降低0.12%～1.83%。因此, 施用沸石可以促進(jìn)鉛在土及根中的富集，抑制了鉛金屬到米粒中的轉(zhuǎn)移。沸石與鉛水交互作用對(duì)米中鉛含量作用強(qiáng)弱為B3W2>B2W2>B1W2>B3W1>B2W1>B1W1>。

對(duì)水營養(yǎng)生長期部分生育性狀的影響為：鉛與沸石交互作用下，沸石對(duì)水稻株高、分蘗、地上物質(zhì)重、地下物質(zhì)重的促進(jìn)作用大于鉛離子對(duì)其的抑制作用，且對(duì)地上物質(zhì)重的作用大于對(duì)地下物質(zhì)重。對(duì)水稻生殖生長期影響為：鉛離子及沸石對(duì)水稻株高均起促進(jìn)作用，鉛與沸石交互作用下，高濃度鉛水灌溉下沸石對(duì)水稻地上物質(zhì)重的抑制作用大于鉛離子對(duì)水稻地上物質(zhì)重的促進(jìn)作用；鉛與沸石交互作用下，鉛離子對(duì)水稻地下物質(zhì)重的抑制作用大于沸石對(duì)水稻地下物質(zhì)重的促進(jìn)作用。說明沸石與鉛交互作用對(duì)水稻株高、分蘗、地上部干重、地下部干重的促進(jìn)作用主要在生長初期。

針對(duì)鉛污水灌溉或鉛污染土壤種植水稻，可以在土壤中添加沸石，進(jìn)而減少金屬鉛離子向米中運(yùn)移，鉛離子對(duì)水稻部分生育性狀的影響在水稻生殖生長期，可在水稻生殖生長期避免用鉛污水灌溉。

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[1] 梁桂蓮,錢建平,張 力.我國鉛鋅礦污染特點(diǎn)及修復(fù)技術(shù)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2011,31(4):84-78.

[2] 馬昭陽,金蘭淑.4A沸石去除水中Pb2+的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,(4):813-816.

[3] 李玉清,周雪梅,姜國輝,等.含鎘水灌溉對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2012,31(4):120-123.

[4] 陳 琴,吳永貴,許連煌,等.6種濕地填料對(duì)含鉛廢水中鉛吸附作用的比較研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,32(3):641-645.

[5] 張秀芝,李 強(qiáng),彭 暢,等.不同添加量重金屬對(duì)水稻產(chǎn)量及籽粒重金屬富集的影響[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,40(4):13-16.

[6] 黃紹文,金繼運(yùn),和愛玲,等.農(nóng)田不同利用方式下土壤重金屬區(qū)域分異與評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)報(bào),2007,(B30):540-548.

[7] 姬艷芳,李永華,孫宏飛,等.鳳凰鉛鋅礦區(qū)土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬的行為特征分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,27(6):2 143-2 150.

[8] 楊俊秋,翁國華.外源鉛含量變化對(duì)水稻品種籽粒中鉛含量差異的研究[J].福建稻麥科技,2010,28(3):29-31.

[9] 金蘭淑,佟亞歐,林國林,等.4A沸石對(duì)土壤鉛濃度及形態(tài)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(6):177-180.

[10] 周 航,周 歆,曾 敏,等.2種組配改良劑對(duì)稻田土壤重金屬有效性的效果[J].中國環(huán)境科學(xué),2014,34(2):437-444.

[11] 劉維濤,周啟星.不同土壤改良劑及其組合對(duì)降低大自菜鎘和鉛含量的作用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(9):1 846-1 853.

[12] 徐明崗,張 希,曾希柏.改良劑對(duì)黃泥土鎘鋅復(fù)合污染修復(fù)效應(yīng)與機(jī)理研究[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(6):1 361-1 366.

[13] 朱奇宏,黃道友,劉國勝,等.改良劑對(duì)鎘污染酸性水稻土的修復(fù)效應(yīng)與機(jī)理研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,18(7):847-851.

[14] 曾希柏,徐建明,黃巧云,等.中國農(nóng)田重金屬問題的若干思考[J].土壤學(xué)報(bào),2013,50(1):186-193.

[15] 趙 勇,李紅娟,魏婷婷,等.土壤、蔬菜的鉛污染相關(guān)性分析及土壤鉛污染閾限值研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,16(4):843-847.

[16] 鄭春榮,孫兆海,周東美,等.土壤 Pb Cd 污染的植物效應(yīng)(I)—— Pb污染對(duì)水稻生長和Pb含量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,23(3):417-421.