調(diào)理劑與耕作栽培措施修復(fù)鎘污染麥田土壤效果研究

周 芬，劉 源，李中陽,3，李寶貴，李樂樂，陶 甄

（1南京索益盟環(huán)?？萍加邢薰?，南京 210012；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453002；3河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河南商丘 476000；4牧原食品股份有限公司，河南南陽 473000）

0 引言

全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，其中重金屬Cd的污染物點(diǎn)位超標(biāo)率在所有無機(jī)污染物中超標(biāo)率最高，且重金屬污染農(nóng)田以中輕度污染為主[1]。2016年8月新鄉(xiāng)Cd小麥超標(biāo)事件曝出后，北方堿性土壤小麥主產(chǎn)區(qū)的Cd污染及其修復(fù)引起了社會各界的廣泛關(guān)注。在中輕度污染地塊進(jìn)行“邊修復(fù)邊生產(chǎn)”是實現(xiàn)污染土壤修復(fù)并保障中國糧食安全的重要舉措。

目前，關(guān)于原位農(nóng)藝措施對Cd污染農(nóng)田的修復(fù)已有大量的報道。而原位鈍化修復(fù)具有成本低廉、操作方便、見效快、能顯著降低土壤鎘的移動性等特點(diǎn)，能夠滿足中國大面積中、輕度重金屬污染農(nóng)田的治理需求，因此，原位鈍化修復(fù)技術(shù)在我國已成為眾多環(huán)境修復(fù)公司的主推技術(shù)。研究表明鈣粉[1]、硅粉[2]、過磷酸鈣[3]、鈣鎂磷肥[4]、生物質(zhì)炭[5]、骨炭[6]等調(diào)理劑均可降低土壤有效態(tài)Cd，減少植物對Cd的吸收。另外，噴施葉面肥技術(shù)降低植物重金屬累積的效果也較明顯，因其可以通過直接調(diào)控葉片對重金屬的吸收影響根系和其他部位重金屬的富集[2]。但人們對這些需要增加額外成本的鈍化手段接受度并不高。目前關(guān)于調(diào)整種植密度和耕作方式等更易采納的農(nóng)藝措施來修復(fù)污染土壤也有一些研究[7-8]。翻耕是傳統(tǒng)的土壤耕作方式，對土壤含水量、總孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)均有較大影響[9]。旋耕一般耕作深度低于翻耕，為8～15 cm。在種植超富集植物修復(fù)土壤時，適度提高種植密度可以提高土壤的修復(fù)效率，縮短修復(fù)時間[10-11]，而在不變更種植種類的前提下進(jìn)行土壤修復(fù)時調(diào)整種植密度的研究較少。上述研究大多只對比調(diào)理劑的效果或者只關(guān)注傳統(tǒng)農(nóng)藝措施的調(diào)整效果，而同時對比調(diào)理劑和傳統(tǒng)農(nóng)藝措施的研究并不多見，不便于人們選擇最合適的修復(fù)手段。鑒于此，本研究對比6種常見鈍化劑、1種葉面肥、3種耕作方式和2種種植密度對豫北某地區(qū)Cd污染農(nóng)田的修復(fù)效果，以期能為華北地區(qū)Cd污染土壤修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

試驗地位于河南省北部某地區(qū)因污水灌溉導(dǎo)致Cd污染的農(nóng)田，污水來源于流經(jīng)村莊的河流。土壤為堿性砂壤土，0～20 cm土壤的基本性質(zhì)為pH 8.4、有機(jī)質(zhì)15.00%、陽離子交換量14.40 cmol/kg、水解性氮83.90 mg/kg、有效磷86.00 mg/kg、速效鉀203.50 mg/kg、全Cd 1.82 mg/kg、全Pb 16.11 mg/kg、全Ni 16.35 mg/kg、全Zn 72.71 mg/kg、全Cu 16.60 mg/kg。

1.2 試驗布設(shè)

種植的冬小麥品種為‘偃展4110’。2017年10月15日以人工拉溝點(diǎn)播方式播種，2018年5月31日收獲。鈍化材料及施用量為鈣肥750 kg/hm2、硅肥750 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、鈣鎂磷肥750 kg/hm2、生物質(zhì)炭18000 kg/hm2（該施用量根據(jù)前期試驗結(jié)果而設(shè)定）、骨炭18000 kg/hm2。鈣肥含35%CaO、6%MgO，硅肥由新疆托克遜縣魚爾溝花崗巖礦制備而成，過磷酸鈣中有效磷含量不低于16.0%，鈣鎂磷肥中有效P2O5含量不低于15.0%。生物質(zhì)炭是小麥秸稈炭，總C、總N、總P、總K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為625.84、5.24、0.89、44.24 g/kg，陽離子交換量為33.6 mmol/kg，Cu、Zn、Pb分別為26.51、42.50、9.25 mg/kg，Cd未檢出。鈍化劑隨底肥一起施入土壤。葉面肥中含氨基酸不低于100 g/L、Fe 4 g/L、Zn 18 g/L、B 4 g/L，葉面肥用量為700 g/hm2，使用時稀釋1000倍，在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期各噴施1次。耕作方式為深松與深耕，均為機(jī)械作業(yè)，耕深為35 cm。除深松與深耕處理外的小區(qū)均采用旋耕耕作方式。密植處理小區(qū)播量為285 kg/hm2，其他小區(qū)均采用常規(guī)種植密度，播量為255 kg/hm2。對照不添加任何調(diào)理劑。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，各小區(qū)面積為20 m2（其中深松與深耕處理50 m2(5 m×10 m)），小區(qū)間隔0.5 m，每個處理重復(fù)3次。所有小區(qū)的施肥灌水等田間管理按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣實施。

1.3 取樣與指標(biāo)分析

小麥成熟后，每小區(qū)隨機(jī)取4～5株植株，小心挖出0～40 cm根系，洗凈，取1株小麥?zhǔn)褂肳inRHI-ZO系列植物根系掃描儀掃描根系的平均直徑、總根長、總表面積；并測定植株莖蘗數(shù)、株高、旗葉面積、穗長以及產(chǎn)量指標(biāo)。取0～20 cm耕層土樣帶回實驗室，自然風(fēng)干，去除植物根系及其他肉眼可見雜質(zhì)，粉碎，過篩。將用于重金屬含量測定的植物樣品分為根系、莖葉和籽粒3個部分，地上部分和根系依次用自來水和蒸餾水沖洗干凈。然后根系用10 mmol/L的EDTA浸泡5 min，再用蒸餾水沖洗2～3遍。在烘箱中105℃殺青0.5 h，然后70℃下烘至恒重，粉碎備用。按1:2.5的固液比制備土壤懸液，用電位法測定pH。土壤有效態(tài)Cd采用DTPA提取-原子吸收分光光度法(AA-6300，SHIMADZU，Japan)測定。植物樣消解：稱取0.200 g植物樣加入10 mL濃HNO3，用微波消解儀(MarsCEM 240/50)進(jìn)行消解，同時做4個空白。消煮液趕酸定容后用原子吸收分光光度計(PinAAcle 900，PerkinElmer，USA)測定Cd含量。消煮和測量過程中以地球物理化學(xué)勘查研究所提供的生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSB-7茶葉(CRM Tea from IGGE，GBW10016)和瑞士產(chǎn)的Cd標(biāo)準(zhǔn)品(Fluka，Switzerland)進(jìn)行質(zhì)控。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并對不同處理間的差異進(jìn)行Duncan多重比較，顯著性水平定為α=0.05。

土壤有效Cd鈍化率計算如式(1)[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥生長狀況及產(chǎn)量

各種修復(fù)材料及耕作措施對小麥莖蘗數(shù)和旗葉面積影響較明顯（表1）。與對照相比，調(diào)理劑處理中除施用葉面肥和生物質(zhì)炭外，其他材料均顯著增加小麥莖蘗數(shù)，其增幅在2.6%～14.7%，增幅最高的為鈣鎂磷肥處理，其次為過磷酸鈣處理。深松、深耕和密植處理均顯著降低了莖蘗數(shù)。除密植處理外，所有措施均顯著增加了旗葉面積。與對照相比，所有處理均增加了株高和穗長，但差異不顯著。

表1 調(diào)理劑及耕作措施對冬小麥生長狀況的影響

小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素對各處理的響應(yīng)如表2所示。與對照相比，各處理均顯著增加了小麥的產(chǎn)量，增幅為0.3%～1.3%，其中鈣鎂磷肥處理增加效果最顯著，其次為過磷酸鈣處理。產(chǎn)量構(gòu)成要素中，與對照相比，所有處理均顯著增加了有效穗數(shù)。除密植處理外，其他處理對穗粒數(shù)的影響顯著。只有鈣鎂磷肥、葉面肥和深耕處理顯著增加了千粒重，說明這些措施主要是通過影響有效穗數(shù)和穗粒數(shù)達(dá)到增產(chǎn)。

表2 調(diào)理劑及耕作措施對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

各種措施對小麥根系形態(tài)指標(biāo)的影響如表3所示。葉面肥和密植處理對小麥在0～40 cm土層的根系形態(tài)指標(biāo)影響不顯著。其他處理對根系生長均表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用。鈣鎂磷肥和深耕處理對各指標(biāo)的改善效果最顯著，其中深耕對20～40 cm土層根系長度的增加作用最明顯?？傮w來說，各處理對根系平均直徑、總根長和總表面積3個指標(biāo)在0～20 cm土層的增加比例范圍分別為1.1%～2.9%、0.6%～4.4%、1.6%～5.5%；在20～40 cm土層的增加比例范圍分別為1.3%～2.3%、4.1%～13.8%、4.2%～14.7%，說明各處理對20～40 cm土層總根長和根表面積的影響程度大于0～20 cm。

表3 調(diào)理劑及耕作措施對冬小麥根系形態(tài)的影響

2.2 小麥植株Cd含量

根、莖葉和籽粒鎘含量如圖1所示。小麥不同部位鎘含量呈現(xiàn)根＞莖葉＞籽粒的規(guī)律。過磷酸鈣顯著降低了根系Cd含量，其他處理對根系Cd含量影響不顯著。鈣肥降低莖葉Cd的作用最顯著，其次是深耕和過磷酸鈣處理，再次是鈣鎂磷肥和葉面肥處理，其他處理影響不顯著。所有處理的籽粒Cd含量均低于谷物Cd限量0.1 mg/kg(GB 2762—2017)，除生物質(zhì)炭、骨炭、深松和密植處理外，其他處理均顯著降低了籽粒Cd含量，其中過磷酸鈣、鈣肥、硅肥對籽粒Cd的降幅分別達(dá)到64.63%、56.06%、51.58%。深耕和葉面肥處理對籽粒Cd含量也有較顯著的降低作用，降幅分別為43.04%和42.16%。

圖1 小麥各部位Cd含量

2.3 土壤pH和有效態(tài)Cd

與CK對照相比，過磷酸鈣處理顯著提高了土壤pH，其他處理對土壤pH無顯著影響（圖2）。除密植處理外，其他處理均降低了土壤有效態(tài)Cd含量，過磷酸鈣和鈣肥處理的降幅最高，分別達(dá)到了49.17%和45.71%（圖3）。過磷酸鈣對土壤Cd的鈍化效果最明顯，其次是鈣肥；生物質(zhì)炭和鈣鎂磷肥的效果稍弱，其他處理除密植外均有一定程度的鈍化效果（圖4）。

圖2 土壤pH

圖3 土壤有效態(tài)Cd

圖4 土壤有效Cd鈍化率

籽粒Cd含量取決于土壤中有效Cd含量以及植物對Cd的吸收能力。本研究發(fā)現(xiàn)籽粒Cd含量相關(guān)度最高的是莖葉Cd含量和土壤pH（表4）。通過多元線性回歸得出籽粒Cd含量與莖葉Cd含量和土壤pH的關(guān)系如式(2)。

表4 小麥籽粒Cd含量與其他指標(biāo)的相關(guān)性分析

土壤pH主要影響土壤中植物可以吸收的有效Cd含量，而莖葉Cd是籽粒Cd的最直接來源。土壤Cd的鈍化率是土壤有效Cd的另一種展現(xiàn)形式。細(xì)根吸收Cd的能力更強(qiáng)，可能是導(dǎo)致籽粒Cd與根系平均直徑顯著負(fù)相關(guān)的原因之一。另一方面，Cd毒害會導(dǎo)致側(cè)根減少，根系細(xì)胞老化[13]。利用上述與籽粒Cd顯著相關(guān)的因子做主成分分析（圖5）發(fā)現(xiàn)，所有處理沿第一坐標(biāo)軸可以分為3組：CK、密植和深松處理為一組，該組籽粒Cd含量最高；骨炭、葉面肥、深耕、硅肥、生物質(zhì)炭和鈣鎂磷肥為一組，籽粒Cd含量中等；鈣肥和過磷酸鈣為一組，籽粒Cd含量最低。且鈣肥和過磷酸鈣對籽粒Cd的降低效果與pH增加密切相關(guān)。

圖5 不同處理間土壤和植株Cd變化的主成分分析

3 結(jié)論

本研究選用的7種調(diào)理劑和3種耕作栽培措施均促進(jìn)了小麥植株生長，并降低了小麥籽粒Cd含量。除密植處理外，其他措施均有效降低了土壤有效態(tài)Cd含量。影響籽粒Cd含量的最關(guān)鍵因素是土壤pH和莖葉Cd含量。修復(fù)效果最好的措施是過磷酸鈣處理，且修復(fù)成本較低。而深松和密植處理不適合用于該地區(qū)的Cd污染麥田的修復(fù)。

4 討論

過磷酸鈣是一種顆粒狀磷肥，主要成分是磷酸二氫鈣的水合物，其溶解需要消耗土壤溶液中H+，增加土壤pH，降低Cd的活性；其中還含有一些游離的磷酸，溶解產(chǎn)生的磷酸根會與Cd2+形成磷酸鎘沉淀或穩(wěn)定性較強(qiáng)的磷鎘羥基礦類物質(zhì)；另外，Cd2+可直接吸附于過磷酸鈣顆粒表面，或被H2PO42-等陰離子誘導(dǎo)吸附形成磷酸鹽沉淀，或與礦物晶格中的陽離子發(fā)生同晶置換而被固定[12]。因此，過磷酸鈣處理對籽粒Cd含量的降低效果最佳，同時顯著降低了根系和莖葉Cd含量以及土壤有效態(tài)Cd，并增加了小麥產(chǎn)量，是本試驗的最優(yōu)處理。張劍和盧升高[14]關(guān)于過磷酸鈣等12種鈍化劑在鎘污染稻田上的應(yīng)用效果的研究，也發(fā)現(xiàn)過磷酸鈣對土壤有效Cd的降低效果最顯著。

鈣肥除了能夠增加土壤pH降低Cd活性外，其中的氧化鈣與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，氧化鎂易吸收水分和二氧化碳而逐漸成為碳酸鎂，溶解產(chǎn)生的Ca2+和Mg2+可與Cd2+競爭根系表面的吸附位點(diǎn)，進(jìn)而減少根系對Cd的吸附和吸收。也有研究表明，施鈣可以提高葉綠素含量和光合速率，提高葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性和可溶性蛋白質(zhì)含量，降低丙二醛(MDA)的積累量，減輕鎘脅迫對植株葉片的傷害[15]，所以鈣肥處理也表現(xiàn)出較好的降Cd效果。

鈣鎂磷肥主要成分是磷酸鈣，而磷酸鈣的水溶性弱于磷酸二氫鈣，這可能是鈣鎂磷肥處理對Cd的鈍化效果不如過磷酸鈣處理的原因。雖然本研究鈣鎂磷肥對可食部位籽粒Cd的降低作用不是最佳，但有研究表明鈣鎂磷肥可以顯著降低植株對Cd的富集系數(shù)，進(jìn)而降低可食部位Cd的累積[16]。鈣鎂磷肥還含有鎂和少量硅等元素，鎂對形成葉綠素有利，硅能促進(jìn)作物纖維組織的生長[17]，所以本研究鈣鎂磷肥處理促進(jìn)植株生長以及增產(chǎn)的效果最明顯。

生物質(zhì)炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積以及羥基、羧基等多種官能團(tuán)，其鈍化機(jī)理主要為靜電吸附、絡(luò)合作用和沉淀作用，而且絡(luò)合作用的貢獻(xiàn)較大[18]。另外，生物質(zhì)炭堿性較強(qiáng)，可以提高土壤pH[19]，但本試驗土壤為堿性土壤，生物質(zhì)炭添加對土壤pH的增加作用并不明顯。另外，燒制出的小麥秸稈生物質(zhì)炭是不規(guī)則片狀或塊狀，以這種形態(tài)直接施入土壤，其比表面積的優(yōu)勢并未充分體現(xiàn)。所以本研究生物質(zhì)炭對土壤Cd的鈍化和植株Cd累積的抑制無顯著效果。

骨炭與生物質(zhì)炭的性質(zhì)類似，對土壤Cd的鈍化率低于生物質(zhì)炭，但對籽粒Cd含量的降低效果與生物質(zhì)炭相近。骨炭來源為脫脂骨頭，與小麥秸稈炭相比含有較高的磷酸鈣，可能是導(dǎo)致骨炭對土壤Cd的鈍化率較低的原因之一。有研究表明，粉狀的骨炭可結(jié)合土壤顆粒物形成大粒徑團(tuán)聚體，使Cd由微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移向大團(tuán)聚體中，降低了Cd在土壤-植物系統(tǒng)的遷移[20]，可能是其對土壤有效Cd降幅不明顯的情況下而顯著降低籽粒Cd含量的原因。

硅肥處理對植株生長的促進(jìn)效果中等，對土壤有效Cd的鈍化作用以及根系累積Cd的降低作用并不突出，但對籽粒Cd含量的降低效果較好，僅次于過磷酸鈣和鈣肥處理。也就是說，硅肥處理增加了植物對Cd的耐受能力。研究表明，硅能調(diào)控OsHMA2和OsHMA3等與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因表達(dá)進(jìn)而抑制重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)[21]。硅還可以刺激植物產(chǎn)生酚類物質(zhì)并螯合區(qū)隔重金屬[22]，也可通過增強(qiáng)作物體內(nèi)氧化清除系統(tǒng)活性來緩解作物重金屬毒害[23]。

葉面肥噴施于葉片，通過氣孔、角質(zhì)層等直接進(jìn)入葉片內(nèi)部，進(jìn)而影響植株的生長。本試驗使用的葉面肥含多種微量元素以及氨基酸，其中鋅可以使葉片中鋅鎘共用的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白產(chǎn)生鋅/鎘拮抗作用[24]，從而調(diào)控根系中的Cd向葉片和籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。所以本研究中雖然葉面肥降低籽粒Cd效果不是最顯著的，但是對Cd從根系向籽粒運(yùn)輸能力有明顯的抑制作用。

幾種不添加鈍化劑的農(nóng)藝措施處理中，深耕對土壤有效Cd和籽粒Cd的降低作用最顯著，主要是因為深耕使Cd含量稍低的下層土壤與Cd含量較高的上層土壤進(jìn)行了混勻，起到了對Cd的稀釋作用；同時深耕處理顯著促進(jìn)了根系的生長。而深松處理處理可以打破犁底層，增加下層土壤的透氣性[25]，可能促進(jìn)了硝化作用，導(dǎo)致了土壤pH的降低；另一方面，增加了土壤的小團(tuán)聚體，使團(tuán)聚體中的Cd更容易釋放出來被根系吸收，導(dǎo)致了根系吸收Cd顯著增加。研究表明，適當(dāng)密植有增產(chǎn)作用[26]。本試驗中，密植處理的播種量比對照增加了11.76%，在小麥苗期增加了土壤中的根系量以及相應(yīng)的根系分泌物，而根系分泌物中的有機(jī)酸等物質(zhì)對難溶態(tài)的Cd有活化作用，因此導(dǎo)致土壤有效態(tài)Cd顯著增加；到小麥生長的中后期，由于光照、養(yǎng)分、水分等資源的競爭，單株的有效分蘗數(shù)反而下降，并引起了單株有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的下降以及根系部分衰亡。

綜上，修復(fù)效果最好的措施是過磷酸鈣，其次為鈣肥。過磷酸鈣、鈣肥的價格分別約為1800、6000元/t。綜合修復(fù)效果以及修復(fù)成本，建議使用過磷酸鈣進(jìn)行Cd污染麥田土壤的修復(fù)。