硅鈣鎂土壤調(diào)理劑對(duì)酸性鎘污染土壤及稻米的降鎘效果

曹 勝，周衛(wèi)軍，周雨舟，羅思穎

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

鎘(Cd)大米不僅僅是糧食安全問(wèn)題，更是環(huán)境問(wèn)題，其反映了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤的重金屬污染現(xiàn)狀[1]。Cd大米的產(chǎn)生是土壤污染和土壤退化的綜合結(jié)果，因此，對(duì)重金屬Cd污染的土壤既要考慮土壤重金屬修復(fù)治理，也要考慮優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤地力[2]。酸性土壤施用石灰是最常用土壤調(diào)理劑，常用來(lái)提高酸性土壤pH值[3]，南方紅土丘陵地區(qū)將相間分布的紫砂土摻拌于黏質(zhì)紅壤，可調(diào)節(jié)土壤pH值、改良土壤質(zhì)地；黃土高原地區(qū)施用黑礬后，土壤疏松，土壤結(jié)構(gòu)顯著改善[4]。近年來(lái)，隨著土壤質(zhì)量退化問(wèn)題特別是土壤重金屬污染問(wèn)題的逐漸嚴(yán)重，土壤調(diào)理劑的作用越來(lái)越引起了人們的關(guān)注[5-6]。

目前，關(guān)于土壤調(diào)理劑對(duì)Cd污染的影響研究主要側(cè)重于通過(guò)對(duì)土壤中重金屬吸收、降解、轉(zhuǎn)移來(lái)降低土壤中Cd的含量或活性[7-10]，而不同土壤調(diào)理劑對(duì)Cd修復(fù)治理效果差異較大，且修復(fù)機(jī)制還不是很清楚[11-12]，因此，在實(shí)際Cd污染中，調(diào)理劑并未廣泛應(yīng)用。目前,常用的土壤調(diào)理劑為石灰，但長(zhǎng)期大量施用石灰會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)、土壤養(yǎng)分元素失衡，使得作物減產(chǎn)[13]。鑒于此，以典型酸性Cd污染稻田為對(duì)象，研究施用硅鈣鎂土壤調(diào)理劑對(duì)土壤Cd形態(tài)、土壤養(yǎng)分、pH值、水稻經(jīng)濟(jì)性狀的影響，旨在為進(jìn)一步利用硅鈣鎂土壤調(diào)理劑修復(fù)Cd污染提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖南省醴陵市均楚鎮(zhèn)黃田村，土壤類型為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅黃泥。試驗(yàn)前，取試驗(yàn)地耕層混合樣測(cè)定，其中土壤各養(yǎng)分含量為堿解氮227 mg/kg、速效磷14.52 mg/kg、速效鉀112 mg/kg、有機(jī)質(zhì)40.93 g/kg，pH值為5.22，土壤全Cd含量為0.75 mg/kg、有效態(tài)Cd含量為0.48 mg/kg，總體上試驗(yàn)地耕層土壤肥力呈較高水平。

1.2 試驗(yàn)材料

于2016年6月17日種植水稻(品種為五優(yōu)308)，7月18日整地，7月22日作埂覆膜，7月24日按試驗(yàn)方案施基肥，并進(jìn)行移栽，10月30日收割，測(cè)產(chǎn)驗(yàn)收后考察各處理多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性狀。供試硅鈣鎂土壤調(diào)理劑為山西凱盛肥業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的探路先鋒土壤調(diào)理劑(顆粒)，主要成分為CaO≥35.00%、MgO≥5.00%、SiO2≥13.00%，pH值為10.00～12.00，粒度(1.00～4.75 mm)≥90%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田間小區(qū)試驗(yàn)，共設(shè)4個(gè)處理：處理1(CK)，常規(guī)施肥(40%復(fù)合肥450 kg/hm2+46%尿素75 kg/hm2+60%氯化鉀75 kg/hm2，下同)；處理2(T150)，土壤調(diào)理劑施用量為1 500 kg/hm2+常規(guī)施肥；處理3(T225)，土壤調(diào)理劑施用量為2 250 kg/hm2+常規(guī)施肥；處理4(T300)，土壤調(diào)理劑施用量為3 000 kg/hm2+常規(guī)施肥。每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積30 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)間用土埂包農(nóng)膜隔離，四周設(shè)置1.50 m寬保護(hù)行。復(fù)合肥作基肥1次施用，尿素和氯化鉀作為追肥于移栽后7 d撒施。

1.4 樣品的采集與指標(biāo)測(cè)定

于耕作前按S形9點(diǎn)取樣法采集耕層土壤樣品，采樣土層深度為20 cm，分析測(cè)試土壤中Cd含量和其他理化性質(zhì)。水稻收獲前1 d采集水稻植株和土壤樣品，采用5點(diǎn)取樣法取長(zhǎng)勢(shì)均勻的水稻5株，籽粒、莖葉烘干后測(cè)定Cd含量，在水稻植株取樣點(diǎn)兩邊10 cm處取表層20 cm土樣，測(cè)定土壤Cd含量及土壤理化性狀。

土壤全Cd的測(cè)定采用王水-高氯酸消解原子吸收光譜法，有效態(tài)Cd的測(cè)定采用原子吸收法(GB/T 23739—2009)，土壤pH值的測(cè)定采用玻璃電極法，土壤理化性狀的測(cè)定采用農(nóng)化分析方法[14]，水稻莖葉和糙米Cd含量的測(cè)定采用HNO3-H2O2微波消煮ICP-MS法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Excel 2010整理，用SPSS 19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析，采用ANOVA進(jìn)行方差分析，Duncan氏法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)性狀的影響

田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，施用硅鈣鎂土壤調(diào)理劑處理的水稻平均產(chǎn)量在8 288.81～8 522.28 kg/hm2，較CK增產(chǎn)755.49～988.96 kg/hm2，增產(chǎn)率為10.03%～13.13%，表明施用土壤調(diào)理劑能顯著提高水稻產(chǎn)量。土壤調(diào)理劑施用量較大的處理增產(chǎn)效果優(yōu)于施用量較少的處理，表現(xiàn)為T150處理的水稻產(chǎn)量顯著高于CK，但顯著低于T225、T300處理，且T225、T300處理間無(wú)顯著差異。可見，土壤調(diào)理劑的適宜施用量在2 250～3 000 kg/hm2。

表1 土壤調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)性狀的影響

注：同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，下同。

施用土壤調(diào)理劑處理與CK相比，有效穗數(shù)增加4.49萬(wàn)～7.51萬(wàn)穗/hm2，穗總粒數(shù)增加4.20～8.62粒，穗實(shí)粒數(shù)增加7.33～8.61粒，結(jié)實(shí)率提高0.71%～2.52%，千粒質(zhì)量增加0.30～0.41 g?？梢姡┯猛寥勒{(diào)理劑對(duì)水稻經(jīng)濟(jì)性狀有一定的改善作用，為水稻產(chǎn)量的提高打下了基礎(chǔ)。

2.2 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤養(yǎng)分含量、pH值、有效態(tài)Cd含量及糙米Cd含量的影響

從表2可知，施用土壤調(diào)理劑顯著提高了土壤養(yǎng)分含量，與CK相比，T150、T225、T300處理的土壤堿解氮含量顯著增加，增加10.12～17.30 mg/kg，增幅4.62%～7.90%，其中T225處理的土壤堿解氮含量最高，為236.42 mg/kg。3個(gè)施用土壤調(diào)理劑土壤速效磷平均含量在16.02～16.63 mg/kg，T150處理較CK高1.61 mg/kg，T225、T300處理較CK分別高2.00、2.22 mg/kg，且差異顯著。3個(gè)處理的土壤速效鉀平均含量在135.10～145.14 mg/kg，較CK高27.89～37.93 mg/kg，但T150、T225、T300處理間無(wú)顯著差異。從提高土壤養(yǎng)分角度分析，土壤調(diào)理劑的施用量應(yīng)在2 250 kg/hm2以上。

表2 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤養(yǎng)分、pH值、有效態(tài)Cd及糙米Cd含量的影響

施用土壤調(diào)理劑可以顯著提高土壤pH值，施用量較少的T150處理pH值稍高于CK，無(wú)顯著差異；施用量較大的T225、T300處理的pH值較CK顯著提高了0.30～0.31?？梢?，從改良土壤pH值的角度來(lái)看，土壤調(diào)理劑施用量應(yīng)在2 250 kg/hm2以上。

施用土壤調(diào)理劑后，土壤有效態(tài)Cd含量明顯降低，與CK相比，T150、T225、T300處理有效態(tài)Cd含量分別降低了10.64%、40.43%、44.68%，T150、CK處理間無(wú)顯著差異。T225、T300處理土壤有效態(tài)Cd含量顯著低于T150處理，但兩者間無(wú)顯著差異?？梢姡瑥母牧妓嵝訡d污染稻田的角度來(lái)看，土壤調(diào)理劑的施用量應(yīng)在2 250 kg/hm2以上。此外，施用土壤調(diào)理劑降低了糙米Cd含量，3個(gè)施用土壤調(diào)理劑處理的糙米Cd含量較CK分別降低13.85%、36.92%、40.00%。T150處理Cd含量較CK降低0.09 mg/kg；T225、T300處理Cd含量較CK分別降低0.24、0.26 mg/kg，且達(dá)到顯著差異，而T225、T300處理間無(wú)顯著差異。因此，從1季水稻施用土壤調(diào)理劑的降Cd效果來(lái)看，土壤調(diào)理劑的施用量達(dá)到2 250 kg/hm2即可。

2.3 土壤 pH值、有效態(tài)Cd含量與糙米 Cd含量的相關(guān)性

土壤pH值、有效態(tài)Cd含量、糙米Cd含量的相關(guān)性分析結(jié)果(表3)表明，糙米Cd含量與土壤有效態(tài)Cd含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，土壤有效態(tài)Cd含量與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明土壤中有效態(tài)Cd含量、糙米Cd含量隨土壤pH值的升高而降低。

表3 土壤pH值、有效態(tài)Cd含量和糙米Cd含量的相關(guān)分析

注：**表示在0.01水平上極顯著。

2.4 水稻施用土壤調(diào)理劑的經(jīng)濟(jì)效益分析

為探討硅鈣鎂土壤調(diào)理劑的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，對(duì)3個(gè)處理及對(duì)照做經(jīng)濟(jì)效益分析(表4)。施用調(diào)理劑的T150、T225、T300處理產(chǎn)量較CK分別增加755.49、988.96、955.53 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為10.03%、13.13%、12.68%；以產(chǎn)值來(lái)看，3個(gè)處理產(chǎn)值較CK分別增加2 039.83、2 669.20、2 579.94元/hm2，除去增加的肥料成本，T150、T225處理純收入較CK分別增加689.83、644.20元/hm2，但T300處理純收入較CK降低120.06元/hm2。因此，從經(jīng)濟(jì)最佳效益考慮，土壤調(diào)理劑的最佳施用量為2 250 kg/hm2。

表4 施用土壤調(diào)理劑的水稻經(jīng)濟(jì)效益

注：稻谷國(guó)家按市場(chǎng)價(jià)2.70 元/kg計(jì)算，硅鈣鎂調(diào)理劑按900元/t計(jì)算。

3 結(jié)論與討論

土壤調(diào)理劑可以改善土壤結(jié)構(gòu)、活化土壤養(yǎng)分、改良土壤的微生物特性[2]，進(jìn)而促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，改善作物的經(jīng)濟(jì)性狀，最終提高作物產(chǎn)量[5,15]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用土壤調(diào)理劑處理土壤養(yǎng)分含量較對(duì)照均增加，其中，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別增加10.12～17.30 mg/kg、1.61～2.22 mg/kg、27.89～37.93 mg/kg，產(chǎn)量提高755.49～988.96 kg/hm2。調(diào)理劑能顯著提高作物產(chǎn)量，一是調(diào)理劑含有的有效態(tài)硅、鈣、鎂可直接供給作物吸收利用，二是調(diào)理劑顯著的“保水、增肥、透氣”三大土壤調(diào)理性能，良好的結(jié)構(gòu)對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)有所改善，能夠提高土壤透氣性、促進(jìn)土壤微生物活性、增強(qiáng)土壤肥水滲透力，進(jìn)而促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)、提高稻谷產(chǎn)量。因此，硅鈣鎂土壤調(diào)理劑具有較好的土壤改良潛力。

土壤調(diào)理劑中含有一定量石灰，石灰是堿性物質(zhì)，可以調(diào)節(jié)土壤pH值，與土壤中其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，增加土壤的可變電荷，提高土壤對(duì)Cd離子的吸附；同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物OH-可以與CO2、Cd反應(yīng)形成碳酸鎘沉淀，進(jìn)而降低土壤中Cd的活性[16]。因此，當(dāng)堿性硅肥施入土壤后，土壤 pH值升高，Cd的有效性降低。徐勝光等[11]研究了硅鈣調(diào)控對(duì)酸礦水污染農(nóng)田水稻Cd含量的影響，結(jié)果表明，與未施硅鈣肥相比，施硅肥顯著提高了1～4 mm根際、非根際pH值和有效硅含量，顯著降低了根際和非根際有效態(tài)Cd含量；鄧騰灝博等[17]的盆栽試驗(yàn)研究表明，施用硅肥(鋼渣) 后土壤 pH值基本處在適宜水稻生長(zhǎng)的5.0～6.0，較不施用鋼渣顯著提高24.7%～55.9%，土壤有效態(tài)重金屬Cd、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)含量呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)；劉昭兵等[18]也發(fā)現(xiàn)，土壤有效態(tài)Cd含量與土壤pH值呈極顯著線性負(fù)相關(guān)。本研究中，供試土壤調(diào)理劑為堿性，pH值為10.00～12.00，且含有較高的CaO，施用后土壤pH值較CK顯著提高0.04～0.31，可能亦是其降低土壤有效態(tài)Cd含量的原因之一。有研究表明，硅(Si)和Cd在土壤中的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用也可以影響土壤Cd的有效性，施硅后土壤中專性吸附態(tài)Cd或鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量增加，可使土壤有效態(tài)Cd含量降低[16]。此外，在不引起土壤pH值變化的情況下，Si可能與Cd形成不易被植物吸收的Si-Cd共沉淀，減少土壤中活性較高的交換態(tài)Cd的數(shù)量[19]。由于土壤調(diào)理劑中有效態(tài)Si含量較高，Si和Cd競(jìng)爭(zhēng)吸附使得施用土壤調(diào)理劑的T150、T225、T300處理土壤有效態(tài)Cd含量較對(duì)照分別降低了10.64%、40.43%、44.68%，即酸性Cd污染稻田施用土壤調(diào)理劑后，土壤有效態(tài) Cd含量均顯著降低，這與前人研究結(jié)果[20-22]相似。

水稻是喜硅作物，硅肥的施用可提高水稻對(duì)病害、干旱、鹽脅迫、營(yíng)養(yǎng)元素缺失以及金屬脅迫的抗性[20]，減輕Cd的毒害作用，使水稻根部吸收的Cd向地上部分的遷移量減少[23-25]，這與目前大多數(shù)研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中，當(dāng)土壤調(diào)理劑的施用量為2 250 kg/hm2時(shí)，水稻糙米Cd含量較對(duì)照顯著降低了36.92%，說(shuō)明土壤調(diào)理劑能降低糙米Cd含量，且施用量應(yīng)在2 250 kg/hm2以上。

綜合考慮降Cd效果、pH值改良、產(chǎn)量等因素，硅鈣鎂土壤調(diào)理劑改良酸性Cd污染稻田的最佳施用量應(yīng)在2 250～3 000 kg/hm2。

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