不同類型肥料對污染稻田土壤中鎘遷移轉(zhuǎn)化的影響

孫向平，張夢君，嚴(yán) 理，曾糧斌

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南長沙 410205； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004)

重金屬污染日益成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，尤其是鎘(Cd)污染問題越來越突出。鎘的生物有效性及毒性大小不僅與其在土壤中的總量多少有關(guān)，而且其在生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化和生物可利用性還取決于土壤中鎘的賦存形態(tài)分布。根據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，我國土壤污染總超標(biāo)率為 16.1%，其中輕微、輕度、中度、重度污染點(diǎn)位比例分別為 11.2%、2.3%、1.5%、1.1%，8種無機(jī)污染物鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%，尤其是鎘污染越來越嚴(yán)重[1]。

污染土壤修復(fù)技術(shù)存在工程措施造價(jià)高、費(fèi)時(shí)費(fèi)工而且對土壤理化性質(zhì)有破壞作用等缺陷。植物修復(fù)面臨的最大問題是高重金屬含量植物的處置困難，且修復(fù)效率較低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中都面臨不同程度的制約[2]。農(nóng)藝措施調(diào)控是指適時(shí)調(diào)整耕作管理制度以及在污染土壤中種植不進(jìn)入食物鏈的農(nóng)作物等，從而改變土壤重金屬的生物活性，降低其生物有效性，減少重金屬從土壤向植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)降低重金屬環(huán)境危害的一系列技術(shù)手段。施肥作為重要的農(nóng)藝措施對鎘的生物有效性有顯著的影響。施肥通過以下5種途徑影響植物對土壤中重金屬的吸收：促進(jìn)植物生長；影響土壤pH值[在少數(shù)情況下影響氧化還原電位(Eh值)]；帶入重金屬離子，也提供能沉淀、絡(luò)合重金屬的基團(tuán)；帶入競爭離子；影響根系和地上部的代謝過程或重金屬在體內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)而間接影響重金屬元素的吸收[3-5]。

本研究利用不同的肥料類型，通過外源鎘的添加，研究在鎘污染稻田土壤中鎘的遷移變化規(guī)律以及水稻鎘吸收特征，為探討在鎘污染稻田土壤中水稻的安全種植模式提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為湘晚秈13號。試驗(yàn)所用土壤采自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所試驗(yàn)基地的酸性黃泥土(酸性土壤)。試驗(yàn)所用肥料為市場上的常規(guī)商品肥料。試驗(yàn)所用土壤和肥料的基本化學(xué)性質(zhì)及Cd總含量見表1。

表1 供試土壤和肥料的主要理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年4—10月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行。共設(shè)置4個(gè)處理，分別為對照(CK)、施用有機(jī)肥(MF)、施用50%有機(jī)肥+50%化肥(MCF)、施用化肥(CF)。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共12盆。土壤和有機(jī)肥分別風(fēng)干并過4 mm篩，每盆裝土16 kg，把土壤和相應(yīng)肥料充分混合均勻，同時(shí)用CdCl2配制成溶液加進(jìn)土壤中，使土壤模擬鎘污染濃度為5 mg/kg。盆栽過程中灌漿成熟期曬田7 d，其他時(shí)間保持盆栽土壤中1～2 cm水位高度。分別在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗開花期、灌漿成熟期采取土壤樣品。土壤樣品風(fēng)干后，分別過1、0.149 mm篩備用。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 Eh(氧化還原電位)、pH值的測定 Eh值用ORP儀原位測定。取過 1 mm 篩的土壤樣品測定土壤pH值，測定方法采用去離子水浸提pH計(jì)法(水土質(zhì)量比2.5 ∶1)。

1.3.2 重金屬形態(tài)提取及測定方法 鎘含量的測定采用原子吸收光譜法。不同重金屬形態(tài)的提取方法見表2。土壤和肥料中有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、速效養(yǎng)分含量、含水量等指標(biāo)的測定采用常規(guī)方法。

表2 重金屬歐洲共同體參考物機(jī)構(gòu)(European Communities Bureau of Reference，簡稱BCR)連續(xù)化學(xué)提取法

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SAS及Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻土pH值的影響

pH值是影響重金屬污染土壤鈍化修復(fù)效率的重要因素之一[6]。pH值越高，重金屬的溶解度越低，其活性就越低。從圖1可以看出，化肥處理的整個(gè)水稻生育期的pH值一直在一個(gè)比較高的水平；有機(jī)肥處理的pH值相對較低；有機(jī)肥+化肥處理的生育期pH值變化幅度較大。相比水稻種植前土壤的pH值，水稻于成熟期收獲后，CK、有機(jī)肥+化肥處理土壤pH值有所降低。

2.2 不同施肥處理對水稻土Eh值的影響

隨著Eh值的增大，土壤中水溶性鎘含量、水稻吸收鎘的總量及地上部鎘含量隨之增加。這可能是因?yàn)樵谶€原狀況下，鎘離子易與硫化物結(jié)合形成硫化鎘沉淀[7]。鎘在氧化條件下(Eh值高)比在還原條件下(Eh值低)更容易由無效態(tài)轉(zhuǎn)化為水溶態(tài)和交換態(tài)。由圖2可知，各處理水稻土壤中Eh值都處在比較低的水平，尤其是有機(jī)肥處理，而化肥處理與有機(jī)肥處理Eh值的變化情況相反。

2.3 不同施肥處理對水稻各部位鎘含量及土壤鎘形態(tài)的影響

在模擬土壤鎘污染濃度為5 mg/kg時(shí)，通過將不同的肥料類型施入到污染水田中，由表3可以看出，在鎘污染濃度較高時(shí)，施用有機(jī)肥促進(jìn)了水稻籽粒對鎘的吸收，但降低了水稻根及莖中鎘的濃度。施用有機(jī)肥水稻各部位鎘含量為根>籽粒>莖，且水稻根部鎘含量要遠(yuǎn)大于地上各部位鎘含量，說明水稻大部分鎘主要累積在根部。

表3 不同施肥處理對水稻各部位鎘含量的影響

對不同處理?xiàng)l件下水稻土壤鎘形態(tài)的影響分析發(fā)現(xiàn)，外源鎘的添加主要是增加了土壤可交換態(tài)鎘的含量，單施化肥處理的灌漿成熟期殘余態(tài)鎘含量比較高，其次為單施有機(jī)肥處理。50%有機(jī)肥+50%化肥混施處理可交換態(tài)鎘的含量比較高(圖3)?？梢妴问┗式档土送寥乐锌山粨Q態(tài)鎘的含量，減少了水稻籽粒的吸收量。

3 討論與結(jié)論

施肥是影響土壤重金屬含量的重要因素，不同土地利用方式施用肥料的種類和數(shù)量不同。土壤中的鎘有很強(qiáng)的親硫性質(zhì)，可與水中的FeS發(fā)生共沉淀，同時(shí)其活性也受土壤Eh值的影響，因而與土壤水分狀況有著密切的關(guān)系。研究表明，水田土壤中施用有機(jī)肥會帶入大量的可溶性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter，簡稱DOM)，其與Cd2+的螯合提高了Cd的活性和在土壤中的遷移能力，施用有機(jī)肥后，能夠顯著增加根際及土壤中交換態(tài)及有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd含量，是對照的2倍多[8]。本研究中有機(jī)肥的施入提高了污染稻田中水稻籽粒中鎘的含量，因此施用有機(jī)肥加大了稻田土壤受重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。由于有機(jī)肥來源廣泛、種類多樣，導(dǎo)致不同有機(jī)肥對土壤重金屬形態(tài)的影響可能也不同。將以豬糞、羊糞、雞糞為原料的有機(jī)肥施用到種植小麥的鎘污染土壤中，降低了土壤可交換態(tài)鎘與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘的含量，促進(jìn)了土壤鎘由可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)向鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)的轉(zhuǎn)化[9]。另有研究表明，土壤中重金屬的有效性和在農(nóng)作物中的積累狀況還受到有機(jī)肥用量和比例的影響[10]。施用氮肥可促進(jìn)植物對重金屬的吸收，但其作用程度與肥料形態(tài)有密切的關(guān)系，僅施化肥對土壤Cd全量、有效態(tài)含量及活化率的影響均較小，本研究中化肥處理降低了水稻籽粒和莖中鎘的含量。相關(guān)研究表明，在稻田土壤中施入中、高量有機(jī)肥處理明顯提高了土壤Cd的全量、有效態(tài)含量及活化率[11]。其中有機(jī)肥的“激活”效應(yīng)是導(dǎo)致土壤有效態(tài)重金屬含量大幅提高的主要機(jī)制。

在模擬鎘濃度為5 mg/kg的水稻土壤中，有機(jī)肥的施入提高了水稻籽粒中鎘的含量，但降低了根和莖中鎘的含量。外源鎘的添加主要是增加了土壤可交換態(tài)鎘的含量。在灌漿成熟期，50%有機(jī)肥+50%化肥混施處理可交換態(tài)鎘的含量比較高。水稻收獲后，根、莖中鎘含量較高，尤其是根部。