不同鈍化劑對(duì)潮棕壤鎘污染的原位鈍化效應(yīng)研究

董欣欣，孫保亞，宋雪英，郭志磊，劉 彥，王 月

(1.沈陽(yáng)市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)服務(wù)中心(沈陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院)，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.沈陽(yáng)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110044)

0 引 言

土壤中重金屬可交換態(tài)鎘，亦稱(chēng)作活性鎘或有效鎘(Cd)，可以直接被作物吸收，易于遷移轉(zhuǎn)化，對(duì)生態(tài)安全和人體健康造成威脅[1]。通過(guò)向土壤中施入土壤改良劑的化學(xué)修復(fù)可顯著降低有效鎘的活性和遷移轉(zhuǎn)化，從而減少作物對(duì)鎘的吸收，降低其生物毒性[2]。石灰、海泡石、有機(jī)肥、生物炭、和腐植酸等是目前常用的重金屬污染土壤鈍化劑[2-5]，而有機(jī)質(zhì)含量高的炭基蠶沙作為重金屬污染土壤的鈍化劑受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注[6]。陳盾等[7]利用盆栽試驗(yàn)研究鎘污染紅壤不同鈍化劑的鈍化效果，得出碳酸鈣顯著提高了土壤中Cd的鈍化率，同時(shí)小麥籽粒中Cd含量比對(duì)照降低27%，土壤pH值穩(wěn)定在7.6左右。曹永強(qiáng)等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬Cd污染棕壤試驗(yàn)得出：花生秸稈生物炭配施磷肥可以顯著減少土壤有效態(tài)Cd含量，降低土壤Cd生物有效性。另外，于春曉等[9]利用室內(nèi)培養(yǎng)法研究生物炭、海泡石、磷礦粉單一和復(fù)合處理對(duì)潮棕壤鎘鈍化效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示3種鈍化劑單一和復(fù)合處理均顯著降低了潮棕壤中活性Cd的含量，其中海泡石與磷礦粉復(fù)合處理土壤活性Cd含量降低23%，降低幅度最大。然而，目前大多數(shù)研究采用短期盆栽試驗(yàn)或室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)方法，其結(jié)果并不能完全反映鈍化劑的田間應(yīng)用效果。

因此，本試驗(yàn)從中輕度污染農(nóng)田安全利用及保障農(nóng)產(chǎn)品安全角度出發(fā)，以東北地區(qū)鎘污染潮棕壤為研究對(duì)象，在大田作物常規(guī)管理情況下，研究不同鈍化劑的原位鈍化效果，篩選中輕度鎘污染的農(nóng)田上適宜的土壤鈍化劑，具有實(shí)地應(yīng)用的可行性及指導(dǎo)性。試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)于篩選鎘污染土壤鈍化劑，實(shí)現(xiàn)實(shí)地修復(fù)和重金屬污染農(nóng)田安全利用有著重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地

大田試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所沈陽(yáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)站開(kāi)展，位于遼寧省沈陽(yáng)市遼中區(qū)新民屯鎮(zhèn)寬場(chǎng)村(41°36′49.9″N,123°03′53.7″)。該試驗(yàn)站氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均溫度為10 ℃，年平均降水量為567 mm,全年無(wú)霜期平均為156 d。供試土壤為潮棕壤，2020年試驗(yàn)地土壤主要化學(xué)性質(zhì)：pH 6.49，有機(jī)碳17.0 g·kg-1，陽(yáng)離子交換量(CEC)17.25 cmol·kg-1，全氮1.71 g·kg-1，全磷1.62 g·g-1，全鉀20.0 g·kg-1，總鎘1.30 mg·kg-1，有效鎘0.85 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)開(kāi)始于2020年，共設(shè)置6個(gè)處理，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)20 m、寬5.7 m，面積為114 m2，相鄰之間間隔1.2 m。處理包括對(duì)照(不施用改良劑，CK)、施用1 500 kg·hm-2石灰(T1)[6,10-11]、施用3 000 kg·hm-2海泡石(T2)[9]、施用1 500 kg·hm-2有機(jī)肥(T3)、施用3 000 kg·hm-2腐殖酸(T4)[11]和施用10 500 kg·hm-2炭基蠶沙(T5)[6]，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列?；适┯们闆r：深施富友玉米專(zhuān)用復(fù)合肥675 kg·hm-2，追施磷酸二銨75 kg·hm-2。有機(jī)肥選擇秸稈與牛糞堆漚腐熟生物有機(jī)肥。2020年春季，將鈍化劑均勻撒施田塊表面，然后進(jìn)行翻耕，平整土地。玉米播種管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理模式一致。

1.3 取樣

1.3.1 土壤采樣。采樣時(shí)間為2020年4月試驗(yàn)布設(shè)前和2020年9月作物收獲時(shí)，用土鉆取表層0～20 cm土壤，3次重復(fù)取樣,每一樣品均由五點(diǎn)混合而成新鮮土樣，挑出草根和石塊等雜物，過(guò)2 mm篩后放入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。

1.3.2 玉米采樣。2020年9月采集成熟期玉米果穗和莖葉，每個(gè)小區(qū)采取5點(diǎn)“Z”形取樣，采集10個(gè)果穗混合樣和緊鄰果穗下部10株莖葉混合樣，分別裝入網(wǎng)紗袋帶回實(shí)驗(yàn)室陰干備用。

1.4 測(cè)試指標(biāo)及方法

土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測(cè)定[12]；土壤pH測(cè)定采用土水比1∶ 2.5的玻璃電極法；土壤鎘含量測(cè)定采用HNO3-HClO4法消解，原子吸收分光光度法；土壤有效鎘含量測(cè)定采用0.1 mol·L-1的鹽酸浸提，電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-OES)檢測(cè)[13]；玉米籽粒、莖葉鎘含量測(cè)定采用HNO3-H2O2法消解，原子吸收分光光度法；玉米產(chǎn)量測(cè)定選擇遠(yuǎn)離小區(qū)邊際的位置取有代表性的樣點(diǎn)11.4 m2的面積，收獲全部果穗，計(jì)算果穗數(shù)目，稱(chēng)取鮮重，選取5個(gè)果穗作為標(biāo)準(zhǔn)樣本測(cè)定出籽率和含水率。產(chǎn)量計(jì)算公式：

產(chǎn)量=單位面積干果穗重×出籽率×(1-含水率)÷(1-14%)，出籽率=(5個(gè)果穗籽粒干重÷5個(gè)果穗干重)×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS16.0(Chicago，IL，USA)、Excel 2019等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和作圖，采用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈍化劑對(duì)土壤pH的影響

土壤pH是影響重金屬有效性的重要因素之一，與不施鈍化劑(CK)處理相比(pH為6.3)，施石灰(T1)和海泡石(T2)處理顯著提高了土壤pH，分別提高了0.5和0.4個(gè)單位(P<0.05)。施腐殖酸(T4)處理顯著降低了土壤pH，使土壤pH下降了0.3個(gè)單位(P<0.05)。施有機(jī)肥(T3)和炭基蠶沙(T5)處理土壤pH分別為6.5和6.4，對(duì)土壤pH影響不顯著(圖1)。

注：小寫(xiě)字母代表不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.圖1 不同鈍化劑對(duì)土壤pH的影響Fig.1 Effects of different amendments on soil pH

2.2 不同鈍化劑對(duì)土壤有效Cd含量的影響

與不施鈍化劑(CK)的處理相比，施石灰(T1)、海泡石(T2)、炭基蠶沙(T5)、有機(jī)肥(T3)和腐殖酸(T14)處理均顯著降低了土壤中有效Cd含量，降低幅度分別為26.1%、22.7%、21.6%、18.2%和17.0%(P<0.05)?？梢?jiàn)石灰對(duì)有效Cd的鈍化效果最佳，其次分別為海泡石、炭基蠶沙、有機(jī)肥和腐殖酸(圖2)。

圖2 不同鈍化劑對(duì)土壤有效鎘含量的影響Fig.2 Effects of different amendments on soil available Cd contents

2.3 不同鈍化劑對(duì)玉米籽粒、莖葉Cd含量的影響

不施鈍化劑(CK)處理玉米籽粒中鎘含量為0.065 mg·kg-1(圖3)，施用5種土壤鈍化劑后，籽粒中Cd含量顯著降低，其中施有機(jī)肥(T3)、海泡石(T2)、石灰(T1)、炭基蠶沙(T5)和腐殖酸(T4)處理籽粒中Cd含量分別為0.013、0.018、0.024、0.032和0.033 mg·kg-1，比CK處理分別顯著降低了80.4%、72.5%、62.7%、49.7%和49.2%(P<0.05)，可見(jiàn)有機(jī)肥和海泡石對(duì)降低玉米籽粒中Cd含量的效果最佳。

不同鈍化劑對(duì)玉米莖葉中Cd含量的影響不一致(圖3)。不施鈍化劑(CK)處理莖葉中Cd含量為1.47 mg·kg-1，而海泡石(T2)、石灰(T1)、腐殖酸(T4)和有機(jī)肥(T3)處理顯著降低玉米莖葉中Cd含量，分別降低了74.2%、47.6%、25.2%和20.4%(P<0.05)，可見(jiàn)海泡石和石灰對(duì)玉米莖葉中Cd含量降低效果最佳，但施炭基蠶沙(T3)處理對(duì)玉米莖葉中Cd含量無(wú)顯著影響。

圖3 不同鈍化劑對(duì)玉米鎘含量的影響Fig.3 Effects of different amendments on Cd contents in maize

2.4 不同鈍化劑對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

與不施鈍化劑(CK)處理對(duì)比，施有機(jī)肥(T3)處理玉米產(chǎn)量為13 242 kg·hm-2，提高幅度為8.51%，同時(shí)取樣小區(qū)11.4 m2內(nèi)穗數(shù)增加8.33穗，小區(qū)穗重增加0.7 kg，空桿數(shù)減少2.67株；施腐殖質(zhì)(T4)和炭基蠶沙(T5)處理在不同程度降低了玉米產(chǎn)量，分別降低了18.6%和8.60%，同時(shí)空桿數(shù)、穗數(shù)以及穗重均減少；施石灰(T1)、海泡石(T2)處理對(duì)玉米畝產(chǎn)影響不大(表1)。

表1 不同鈍化劑對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different amendments on maize yields

3 討論

3.1 不同鈍化劑對(duì)土壤有效Cd鈍化的影響

向土壤中加入鈍化劑，通過(guò)絡(luò)合、離子交換、吸附或共沉淀作用改變Cd在土壤中的形態(tài)，從而降低重金屬的生物有效性，是一種很好的土壤修復(fù)方法[14]。然而，鈍化劑修復(fù)金屬污染土壤的實(shí)際效果會(huì)受到一些環(huán)境因素的影響，如土壤pH 值、土壤類(lèi)型、重金屬類(lèi)型、植物種類(lèi)等，因地制宜施用改良劑是修復(fù)重金屬污染土壤的關(guān)鍵。本研究中5種鈍化劑石灰、海泡石、有機(jī)肥、腐殖酸和炭基蠶沙施用于Cd污染潮棕壤后均顯著降低了土壤中有效Cd含量，說(shuō)明這5種鈍化劑均能使潮棕壤中有效Cd向固定態(tài)Cd轉(zhuǎn)化。石灰固態(tài)堿性類(lèi)物質(zhì)可以提高土壤 pH 值，本研究中施入石灰使土壤pH值提高了0.5個(gè)單位，土壤pH值升高會(huì)促進(jìn)土壤膠體和粘粒對(duì)重金屬離子的吸附，同時(shí)土壤pH值增加土壤溶液中氫氧根離子濃度，有利于Cd2+生成難溶的碳酸鹽或氫氧化物沉淀[8,15-17]；海泡石降低土壤有效Cd含量可能是由于海泡石提高了潮棕壤的土壤pH值，Cd2+生成了難溶氫氧化物沉淀，另外，海泡石具有較大的內(nèi)外面積和比表面積，通過(guò)吸附、離子交換固定了重金屬Cd[9]；有機(jī)肥、腐殖質(zhì)通過(guò)增加土壤陽(yáng)離子交換量增強(qiáng)對(duì)有效Cd的吸附或使有效Cd形成難溶性的金屬有機(jī)絡(luò)合物[2]；蠶沙中的有機(jī)質(zhì)含量豐富，有機(jī)質(zhì)中的極性基團(tuán)如羧基、羥基、氨基等，能與重金屬結(jié)合形成穩(wěn)定不溶性金屬有機(jī)復(fù)合物，降低土壤中重金屬有效性[18]。

3.2 不同鈍化劑對(duì)玉米籽粒、莖葉Cd積累及玉米產(chǎn)量的影響

土壤中的重金屬形態(tài)可以決定重金屬植物有效性，重金屬被鈍化后，可以減少其向深層土壤和地下水的遷移，并且可以減少植物對(duì)重金屬的吸收，從而降低重金屬的生物有效性和可遷移性，降低其在作物中的積累，減少重金屬通過(guò)食物鏈傳遞對(duì)人體造成的危害[4,19-20]。本研究中，不同鈍化劑使潮棕壤中有效Cd含量顯著降低的同時(shí)也顯著減少了玉米籽粒中Cd含量，這與羅遠(yuǎn)恒等[10]研究結(jié)果相一致。前期研究表明，重金屬Cd在玉米植株不同器官中的分布為葉>根>莖>籽粒，且玉米莖葉部Cd含量在成熟期最高[21-23]。本研究測(cè)定玉米成熟期莖葉中Cd含量，發(fā)現(xiàn)玉米籽粒中Cd含量遠(yuǎn)低于玉米莖葉中Cd含量，但是，施用炭基蠶沙并沒(méi)有降低玉米莖葉中Cd含量，有機(jī)質(zhì)含量高的蠶沙作為土壤重金屬鈍化劑的研究極少，其作用機(jī)理需要進(jìn)一步探討。

鄒文秀等[24]研究有機(jī)培肥13年后玉米產(chǎn)量與施用化肥玉米產(chǎn)量無(wú)差異，本研究施用不同鈍化劑后玉米產(chǎn)量表現(xiàn)不同，在正常施用化肥基礎(chǔ)上施用秸稈牛糞生物堆漚腐熟有機(jī)肥明顯增加了當(dāng)季玉米產(chǎn)量；石灰和海泡石由于不能提供植物生長(zhǎng)所需元素，對(duì)產(chǎn)量無(wú)影響；腐殖酸顯著降低了玉米產(chǎn)量，這可能是由于腐殖酸降低了土壤pH值，使土壤中營(yíng)養(yǎng)元素淋失所致[18]；黎秋君等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在pH值為3.95的酸性土壤中添加蠶沙能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但本研究向潮棕壤施入炭基蠶沙卻顯著降低了玉米產(chǎn)量，其原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

在大田作物常規(guī)管理情況下，基于鎘污染潮棕壤的原位鈍化修復(fù)試驗(yàn)研究，綜合5種鈍化劑的修復(fù)效果和農(nóng)作物的產(chǎn)量指標(biāo)，推薦施用石灰、海泡石或有機(jī)肥作為潮棕壤農(nóng)田鎘污染的鈍化劑進(jìn)行推廣應(yīng)用。