不同降鎘處理對(duì)水稻土酸堿緩沖能力和有效鎘含量的影響

詹杉 袁紅 杜田甜 任威 鄺惠武 宋洪福 盛浩

摘? 要：通過(guò)在重金屬污染耕地達(dá)標(biāo)生產(chǎn)區(qū)水稻土中連續(xù)2 a設(shè)置施用商品有機(jī)肥、土壤調(diào)理劑和石灰的大田降鎘定位試驗(yàn)，研究其對(duì)土壤緩沖能力和有效鎘含量的影響。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，施石灰、商品有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑后，土壤pH提高0.1～0.4個(gè)單位，增幅在5.62%～8.67%之間，變化順序?yàn)椋菏?商品有機(jī)肥>土壤調(diào)理劑。土壤中總鎘和有效鎘含量降幅分別在0.24%～19.24%和3.48%～11.01%之間，其處理效果為：商品有機(jī)肥>石灰>土壤調(diào)理劑。3種降鎘處理中，水稻土酸堿緩沖容量都有所擴(kuò)增，緩沖能力效果表現(xiàn)為：石灰>商品有機(jī)肥>土壤調(diào)理劑。不同降鎘處理均能改善土壤肥力且顯著增加有效磷含量（P<0.05）。研究區(qū)稻田土壤緩沖容量和能力與pH、交換性酸總量，及其他土壤養(yǎng)分等眾因子關(guān)系密切。

關(guān)鍵詞：水稻土;土壤緩沖性能;重金屬污染;土壤肥力

中圖分類(lèi)號(hào)：S153 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The amplification effect of soil acid and alkali buffering ability， as well as the decreasing of available cadmium （ACd）， was studied using a long-term positioning experiment of paddy soil in organic fertilizer， conditioner and lime in heavy metal contaminated restoration areas. Compared with CK， soil pH increased by 0.1-0.4 units， or by 5.62%-8.67%， and the improving effect was in a downtrend for lime， organic fertilizer and conditioner. The total cadmium （TCd） and ACd content of paddy soil decreased with the three treatments ranged between 0.24%-19.24% and 3.48%-11.01% respectively. Among them， the effect of the organic fertilizer treatment was better than that of the lime treatment， while that of the conditioner was the worst. The buffering capacity to soil acid and alkali was amplified for lime， organic fertilizer and conditioner in a downtrend. Soil fertility could be effectively improved by the three treatments， and the available phosphorus content increased significantly （P<0.05）. The paddy soil buffering capacity in the study area was closely related to pH， total exchange acid， and other soil nutrient factors.

Keywords： paddy soil; soil acid and alkali buffering ability; heavy metal pollution; soil fertility

自上世紀(jì)30年代以來(lái)，工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，但與此同時(shí)，農(nóng)田土壤重金屬污染極為嚴(yán)重[1]。耕地土壤重金屬含量和有效性與土壤酸度、有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地、水分和生物組成等因素關(guān)系密切[2-3]。有研究表明，治理土壤酸堿度、增施優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥、選用改良土壤調(diào)理劑可在一定程度上降低土壤重金屬活性，能有效修復(fù)重金屬污染農(nóng)田土壤[4-5]。湖南是我國(guó)稻米的主要產(chǎn)區(qū)，但同時(shí)也是有名的有色金屬之鄉(xiāng)，重金屬污染與糧食安全矛盾突出。加之亞熱帶季風(fēng)氣候明顯，湖南土壤發(fā)育過(guò)程成熟，土壤酸化嚴(yán)重，土壤重金屬元素更為活躍。因此，開(kāi)展農(nóng)田土壤重金屬污染與土壤酸化過(guò)程的研究刻不容緩[6]。土壤pH和土壤酸堿緩沖性能是以土壤酸堿緩沖容量作為度量標(biāo)準(zhǔn)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子，其相關(guān)研究是土壤酸化治理、重金屬活性管理的重要理論依據(jù)。目前該方向的研究多趨向于應(yīng)用，且多集中在不同土壤對(duì)酸堿的緩沖能力研究[7-8]，雖有提及土壤pH的變化，但從長(zhǎng)期定位大田試驗(yàn)角度展開(kāi)同一母質(zhì)稻田土壤重金屬污染修復(fù)方式對(duì)土壤酸堿緩沖性能和有效鎘含量影響的研究較少。

綜上所述，為有效評(píng)估土壤酸化與重金屬污染之間的關(guān)系，研究土壤酸堿緩沖性能是其首要任務(wù)之一。本研究選取湖南省株洲某村重金屬鎘污染修復(fù)達(dá)標(biāo)生產(chǎn)區(qū)雙季水稻土為研究對(duì)象，設(shè)置石灰、商品有機(jī)肥、土壤調(diào)理劑的多點(diǎn)大田定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)樣區(qū)與對(duì)照區(qū)，連續(xù)耕種2 a，研究不同降鎘處理?xiàng)l件下土壤鎘含量與土壤酸堿緩沖性能的關(guān)聯(lián)變化特征，以及土壤肥力變化，從而尋求達(dá)標(biāo)生產(chǎn)區(qū)水稻土生產(chǎn)力保持與降鎘效應(yīng)的最優(yōu)方式，為重金屬污染修復(fù)區(qū)耕地土壤可持續(xù)利用和糧食安全研究奠定基礎(chǔ)。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省中東部的株洲，典型的湘江中游低丘崗地地貌，中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫17.5?℃，年均降雨量1389 mm。土壤母質(zhì)為紫色頁(yè)巖風(fēng)化物，土種為紫泥田。試驗(yàn)前研究區(qū)長(zhǎng)期種植水稻，耕層厚度平均為12?cm，質(zhì)地為粘壤土，pH平均約為5.0。

試驗(yàn)地共設(shè)置6個(gè)處理，分別為石灰、商品有機(jī)肥、土壤調(diào)理劑及各處理的對(duì)照。每種處理各有5個(gè)重復(fù)試驗(yàn)區(qū)。每個(gè)田塊修筑田埂平均分隔，一半為降鎘處理，另一半為對(duì)照，共計(jì)30個(gè)田塊。田埂高約30?cm，用塑料薄膜包被，防止浸水，修筑單排單灌溝渠，避免串灌。統(tǒng)一種植鎘低積累水稻品種（早稻品種為中嘉早17號(hào)，晚稻為湘晚秈13號(hào)），水稻移栽至成熟期保持淹水灌溉。對(duì)照區(qū)采用當(dāng)?shù)厮痉N植傳統(tǒng)土肥技術(shù)（淺耕+習(xí)慣施肥），當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥采用的是“一基一追”施肥法，即基肥：30%的復(fù)合肥（18∶5∶7）40 kg;追肥：尿素5 kg、氯化鉀5 kg。基肥+追肥總養(yǎng)分施用量N素、P2O5和K2O分別為9.5、2.0、5.8?kg。商品有機(jī)肥采用當(dāng)?shù)卣袠?biāo)中標(biāo)產(chǎn)品（有機(jī)質(zhì)≥45%，N+P2O5+K2O≥5%），施用量2250 kg/hm2。土壤調(diào)理劑為當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)主銷(xiāo)無(wú)機(jī)型堿性商品（N+P2O5+K2O=8%、有效鈣≥20%、有效鎂≥12%）。石灰、商品有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑均在早、晚稻翻耕時(shí)（大致在移栽前7 d）各撒施1次，再旋耕，使之均勻混合，施用量為2.25 t/hm2。

1.2? 樣品采集與分析

種植2 a的晚稻收獲后，在試驗(yàn)區(qū)中按“S”型取樣法，用竹制土鉆隨機(jī)多點(diǎn)采取表層混合土壤樣品。土樣帶回室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干至塑限，用手沿孔隙掰碎，室內(nèi)攤平繼續(xù)自然風(fēng)干后研磨，分別過(guò)10目、60目和100目尼龍篩，備用。

土壤基本理化特性采用常規(guī)分析方法測(cè)定[9]：pH采用電位法，液土比2.5∶1;有機(jī)碳（SOC）用重鉻酸鉀-硫酸消化法;堿解氮（AN）用硒粉、硫酸銅、硫酸消化蒸餾法（開(kāi)氏法）;速效鉀（AK）用醋酸銨浸提火焰光度法;有效磷（AP）用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法;土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）用醋酸銨EDTA交換法;交換性氫（EXH）和交換性鋁（EXAl）用氯化鉀浸提;土壤總鎘含量采用硝酸-雙氧水-氫氟酸消解，ICP-MS測(cè)定;土壤有效態(tài)鎘采用醋酸銨提取，ICP-MS測(cè)定。

土壤pH緩沖容量測(cè)定：每個(gè)土樣分別取11只50 mL玻璃燒杯，依次編號(hào)，每燒杯中稱取試驗(yàn)土樣5 g（過(guò)1或2 mm篩），在1～5號(hào)燒杯中依次加入0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mL的0.1 mol/L HCl溶液;6～10號(hào)燒杯中依次加入與HCl等量、等濃度的NaOH溶液，11號(hào)燒杯中不加酸堿，加入無(wú)CO2蒸餾水，使各燒杯總體積達(dá)25.0 mL，蓋保鮮膜，搖勻（振蕩器震蕩1 h，震速以土壤懸液不溢出為準(zhǔn)），放置72 h，每日間歇搖動(dòng)3～4次，測(cè)定pH。酸堿緩沖容量依據(jù)公式計(jì)算：

pHBC=[（5b）/m][（6b）/m]

式中，pHBC為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的酸堿緩沖容量;b為截距;m為斜率。

1.3? 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010及SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同處理水稻土的酸堿緩沖容量

土壤pH是土壤理化性質(zhì)中一項(xiàng)很重要的基礎(chǔ)指標(biāo)，其高低直接影響到土壤各種養(yǎng)分的固定、

釋放和淋失及土壤重金屬活化程度，進(jìn)而對(duì)作物的發(fā)育狀況產(chǎn)生不同程度的影響。研究區(qū)3種降鎘處理的稻田土壤pH變化較大，其變化區(qū)間為5.1～7.7，平均為6.2。對(duì)照土壤pH變化區(qū)間為4.8～7.7，平均為5.8。由此可見(jiàn)，與對(duì)照相比，石灰、商品有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑處理均不同程度提高土壤pH，其增幅分別為30.4%、8.7%和5.6%。

土壤酸堿緩沖性能一方面可通過(guò)沉淀溶解、吸附解吸和絡(luò)合解絡(luò)平衡土壤組分和污染物的電荷特性，另一方面可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤微生物的活性，進(jìn)而改變污染物的毒性。從圖1可以看出，與對(duì)照相比，施用石灰、商品有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑的水稻土酸堿緩沖容量均有所擴(kuò)增。其中石灰和商品有機(jī)肥土壤緩沖能力大于土壤調(diào)理劑，其緩沖容量增幅分別為34%和15%，而土壤調(diào)理劑擴(kuò)增作用相對(duì)最少。

2.2? 不同處理水稻土肥力變化

由表2可知，不同處理措施實(shí)施2?a后可有效改善土壤肥力狀況。與對(duì)照相比，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量在不同降鎘處理間差異顯著（P<0.05）。施用石灰后土壤肥力顯著改善，有機(jī)質(zhì)變化區(qū)間為36.52～48.49?g/kg，堿解氮含量在182.42～411.61 mg/kg之間，有效磷為16.15～ 29.90?mg/kg，速效鉀為222.00～453.45 mg/kg，與對(duì)照相比，其增幅分別為3.22%、3.15%、173.27%、17.30%。與對(duì)照相比，施用商品有機(jī)肥土壤有效磷含量增幅達(dá)104.77%，而有機(jī)質(zhì)及其他肥力指標(biāo)含量變化不顯著。施用土壤調(diào)理劑后，試驗(yàn)區(qū)稻田土壤肥料得到有效改善，土壤有機(jī)質(zhì)含量從31.80 g/kg變化到34.70 g/kg，增幅9.20%，土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量相應(yīng)增幅為18.27%、174.64%和4.54%。

2.3? 水稻土緩沖性能與土壤主要性質(zhì)的相關(guān)分析

由表3可以看出，研究區(qū)稻田土壤pH、交換性酸總量和緩沖容量與土壤養(yǎng)分眾因子關(guān)系密切。一方面，土壤pH與有機(jī)質(zhì)呈顯著性相關(guān)（P< 0.01），有機(jī)質(zhì)通過(guò)其強(qiáng)大的官能團(tuán)改善土壤性質(zhì)，其礦化作用能有效改善土壤酸性，從而有利于抑制動(dòng)植物對(duì)重金屬元素的吸收。另一方面，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤中總鎘、有效鎘含量呈顯著性正相關(guān)，有機(jī)物質(zhì)通過(guò)腐殖化過(guò)程形成的高分子有機(jī)化合物與重金屬元素產(chǎn)生絡(luò)合作用和氧化還原反應(yīng)，降低其毒性。有機(jī)質(zhì)與鎘存在強(qiáng)烈的空間集群特征，能與鎘通過(guò)離子交換、吸附、螯合、絮凝、沉淀等一系列反應(yīng)，形成難溶的絮凝態(tài)物質(zhì)，即從環(huán)境化學(xué)角度，通過(guò)改變土壤負(fù)電荷量、pH等土壤理化性質(zhì)，以提高土壤對(duì)鎘的吸附作用，降低土壤對(duì)鎘的解吸能力，使鎘被吸附到土壤內(nèi)部或表面，增強(qiáng)土壤對(duì)鎘的固持能力[10]。供試土壤撒施石灰、商品有機(jī)肥、土壤調(diào)理劑，均可不同程度提高稻田土壤pH 0.1～0.4個(gè)單位，而總鎘和有效鎘含量平均降幅達(dá)到7.10%，與上述觀點(diǎn)一致。

3? 討論

3.1? 稻田土壤緩沖容量及影響因子對(duì)土壤重金屬含量的響應(yīng)

眾多研究表明，緩沖容量的大小取決于土壤膠體的類(lèi)型和含量（特別是腐殖質(zhì)）及鐵、鋁氧化物，并最終受土壤pH與交換性酸含量的影響。當(dāng)土壤pH升高或交換性酸含量降低時(shí)，土壤中水合氧化物、粘土礦物和有機(jī)質(zhì)表面的負(fù)電荷增加，從而增強(qiáng)對(duì)重金屬離子的吸附能力，降低溶液中重金屬離子的濃度。胡敏等[11]研究表明，施入生石灰可顯著提高土壤pH，降低土壤交換性酸總量和土壤交換性Al3+含量，由此，其對(duì)重金屬污染元素的吸持、遷移及有效性、毒性均有極其重要的作用。石灰屬于高堿性氫氧化物，具有中和酸性土壤的功能，施用石灰能提高供試土壤pH，研究區(qū)pH增加0.3個(gè)單位，土壤有效鎘含量緩慢下降。張德樂(lè)等[12]對(duì)酸性條件下粉砂質(zhì)壤土對(duì)Cd的吸附-解吸機(jī)制進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，壤土對(duì)Cd2+的吸附量和吸附率均隨pH升高而增加。由此可見(jiàn)，pH與鎘的解吸率間存在密切關(guān)系。本研究中3種降鎘處理不同程度提高供試土壤pH，重金屬含量與土壤交換性酸含量的關(guān)系呈顯著正相關(guān)（P<0.05），其中石灰處理后土壤緩沖能力的擴(kuò)增作用最大，有效論證了他人研究結(jié)果。

3.2? 稻田土壤緩沖容量對(duì)土壤肥力因子的影響

要保證現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效所需要的高度肥沃的土壤，需要重視土壤肥力的培育與提升。土壤對(duì)酸、堿的緩沖能力與土壤有機(jī)質(zhì)含量成正相關(guān)。不同土類(lèi)土壤雖對(duì)酸堿的緩沖性存在差異，但同一土壤對(duì)酸堿的緩沖性能隨有機(jī)質(zhì)含量的升高而增強(qiáng)。陳翠玲等[13]研究表明，潮土區(qū)不同質(zhì)地類(lèi)型土壤酸緩沖容量大小順序?yàn)椋赫惩?中壤土>輕壤土>砂壤土>砂土。土壤pH對(duì)土壤養(yǎng)分的形態(tài)和有效性也有很大影響，如中性土壤中磷的有效性大。研究區(qū)土壤pH與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀以及交換性酸之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.01），相關(guān)系數(shù)r值區(qū)間為0.471～ 0.882，與有效磷、速效鉀之間存在顯著性相關(guān)性（P<0.05）。土壤pH提高土壤各養(yǎng)分因子含量有顯著作用。呂波等[14]認(rèn)為生石灰能改善黃棕壤和紅壤土壤肥力水平。趙慶雷等[15]認(rèn)為增施有機(jī)肥后土壤堿解氮含量顯著提高，有機(jī)質(zhì)含量較常規(guī)施肥處理顯著提升，與本研究結(jié)果一致。

4? 結(jié)論

水稻土緩沖能力受眾多因素制約，研究區(qū)3種不同降鎘處理下，水稻土酸堿緩沖容量均有一定的擴(kuò)增效應(yīng)，其變化順序?yàn)椋菏?商品有機(jī)肥>土壤調(diào)理劑。其中，石灰處理后緩沖容量增幅可達(dá)34%，對(duì)重金屬污染區(qū)修復(fù)及肥力改善效果更顯著，是維持重金屬污染修復(fù)耕地達(dá)標(biāo)區(qū)水稻土生產(chǎn)力的最佳修復(fù)方式，兼有降低土壤有效鎘含量和提高土壤緩沖容量雙重效應(yīng)，其次是商品有機(jī)肥與土壤調(diào)理劑處理石灰處理。

參考文獻(xiàn)

李泰平， 丁浩然， 徐海珍， 等. 農(nóng)田重金屬污染土壤的原位鈍化研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2019， 42（1）： 226-230.

李育鵬， 胡海燕， 李兆君， 等. 土壤調(diào)理劑對(duì)紅壤pH值及空心菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J]. 中國(guó)土壤與肥料， 2014（6）： 21-26.

Park J H， Lamb D， Paneerselvam P， et al. Role of organic amendments on enhanced bioremediation of heavy metal （loid） contaminated soils[J]. Journal of Hazardous Materials， 2011， 185（2-3）： 549-574.

倪中應(yīng)， 石一珺， 謝國(guó)雄， 等. 石灰降低酸性農(nóng)田農(nóng)產(chǎn)品中重金屬積累的效果[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2018（1）： 176-177.

Balal Y， Liu G， Wang R， et al. Investigating the potential influence of biochar and traditional organic amendments on the bioavailability and transfer of Cd in the soil-plant system[J]. Environmental Earth Sciences， 2016， 75（5）： 37.

于天一， 孫秀山， 石程仁， 等. 土壤酸化危害及防治技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志， 2014， 33（11）： 3137-3143.

胡? 波， 王云琦， 王玉杰， 等. 重慶縉云山酸雨區(qū)森林土壤酸緩沖機(jī)制及影響因素[J]. 水土保持學(xué)報(bào)， 2013， 27（5）： 77-83.

Aitken R L， Moody P W. Effect of valence and ionic strength on the measurement of pH buffer capacity[J]. Australian Journal of Soil Research， 1994， 32（5）： 975-984.

魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社， 2000.

宋? 波， 王佛鵬， 周? 浪， 等. 廣西高鎘異常區(qū)水田土壤Cd含量特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2019， 40（5）： 2443-2452.

胡? 敏， 向永生， 魯劍巍. 石灰用量對(duì)酸性土壤酸度及大麥幼苗生長(zhǎng)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2016， 49（20）： 3896-3903.

張德樂(lè)， 靳孟貴， 方? 遠(yuǎn)， 等. 酸性條件下粉砂質(zhì)壤土對(duì)Cd2+的吸附解吸特性研究[J]. 中國(guó)土壤與肥料， 2014（4）： 29-34.

陳翠玲， 蔣愛(ài)鳳， 任秀娟， 等. 潮土區(qū)不同質(zhì)地類(lèi)型土壤對(duì)酸緩沖性能的研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2005（10）： 64-66.

呂? 波， 王宇函， 夏? 浩， 等. 不同改良劑對(duì)黃棕壤和紅壤上白菜生長(zhǎng)及土壤肥力影響的差異[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2018， 51（22）： 4306-4315.

趙慶雷， 劉奇華， 信彩云， 等. 增施有機(jī)肥和生物肥對(duì)黃河三角洲新墾土壤肥力及稻谷產(chǎn)量的影響[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2019， 51（1）： 110-114.