有機(jī)肥、調(diào)理劑和阻控劑在生菜種植中的降鎘效果

汪玉磊， 賈生強(qiáng)， 徐立軍， 謝煒， 王云龍， 蘇瑤*

(1.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江 杭州 310000； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；3.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 桐廬 311500)

自20世紀(jì)末，有關(guān)蔬菜地重金屬污染報(bào)道陸續(xù)增多，且污染面積日益擴(kuò)大，多為中輕度污染，且主要重金屬污染元素為鎘(Cd)[1-2]。為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，對(duì)中輕度Cd污染蔬菜地，通過(guò)“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”的模式進(jìn)行治理和修復(fù)[3]。生菜是居民日常食用蔬菜，屬于Cd高積累葉菜類蔬菜，Cd含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)高，如何采取有效措施降低生菜Cd超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，是保障食品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。

鎘污染土地的修復(fù)主要是直接減少土壤中鎘含量或者改變土壤中鎘的存在形態(tài)，降低其活性和遷移性。土壤調(diào)理劑/鈍化劑能通過(guò)吸附、沉淀、絡(luò)合等作用降低重金屬鎘在土壤中的移動(dòng)性和生物有效性[4]，通過(guò)抑制植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬過(guò)程來(lái)修復(fù)重金屬污染農(nóng)田，減少農(nóng)作物重金屬富集。施加生物有機(jī)肥可以提供豐富的營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)，增強(qiáng)土壤顆粒對(duì)總金屬的吸附并提高作物的抗逆性，進(jìn)而降低作物對(duì)重金屬的吸收[5-7]。葉面阻控劑也是一種常用的土壤重金屬鎘污染修復(fù)劑[8]，這一技術(shù)具有養(yǎng)分利用率高、肥效好、使用方便等特點(diǎn)[9]，富含的微量元素可以顯著影響作物對(duì)重金屬鎘的吸收，還能促進(jìn)其生長(zhǎng)、提高其抗逆性[10-11]。因此，探討鈍化劑、有機(jī)肥與葉面阻控劑配施對(duì)土壤重金屬有效性及作物富集的影響具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本研究選取金華金東區(qū)某受重金屬污染的菜地，以當(dāng)?shù)刂髟陨似贩N為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)置不同調(diào)理劑與有機(jī)肥梯度、配合施用葉面阻控劑等綜合技術(shù)等處理，旨在為當(dāng)?shù)厥卟宿r(nóng)業(yè)生產(chǎn)探明調(diào)理劑、有機(jī)肥最佳施用量組合，為污染地區(qū)蔬菜安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年10—12月在金華市金東區(qū)孝順鎮(zhèn)橫塘俞村某蔬菜地進(jìn)行(29°11′56.3″N，119°55′10.56″E)，面積約為0.2 hm2。試驗(yàn)區(qū)域土壤理化性狀如下:pH 5.78、有機(jī)質(zhì)18.41 g·kg-1、堿解氮158.42 mg·kg-1、有效磷355.05 mg·kg-1、速效鉀478.5 mg·kg-1。土壤中鎘含量0.66 mg·kg-1，超過(guò)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值0.3 mg·kg-1(GB 15618—2018)，為供試菜地的主要污染物。

1.2 試驗(yàn)材料

供試蔬菜作物選生菜，品種為意大利生菜，購(gòu)自當(dāng)?shù)胤N肥公司。試驗(yàn)所用有機(jī)肥為腐殖酸有機(jī)肥；調(diào)理劑為江蘇天象土壤調(diào)理劑，葉面阻控劑為江蘇天象3號(hào)，均由江蘇天象生物科技有限公司制備。

1.3 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)20個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組分布，其中每個(gè)小區(qū)面積為30 m2，各小區(qū)調(diào)理劑、有機(jī)肥與葉面阻控劑用量如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理用量

1.4 樣品采集與方法

待蔬菜成熟后，各處理采用梅花法進(jìn)行5點(diǎn)取樣，采集土壤和蔬菜樣品。土壤采集后，經(jīng)風(fēng)干、粉碎，過(guò) 0.15 mm 孔徑篩后用于分析土壤性質(zhì)。生菜收集后，采用去離子水清洗干凈，烘干、稱重、粉碎，過(guò)0.15 mm 孔徑篩，備用。

生菜樣品中Cd 含量參照GB 5009.15—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測(cè)定》，采用原子吸收光譜法測(cè)定。土壤有效態(tài)Cd 含量參照GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》，采用二乙烯三胺五乙酸浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定。土壤理化性質(zhì)的測(cè)定:土壤 pH參照 NY/T 1121.2—2006《土壤檢測(cè)第2部分：土壤pH的測(cè)定》采用電位法測(cè)定(土液質(zhì)量比為1∶2.5)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，采用SPSS 20.0對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，采用Design Expert 8.0進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，采用SIGMAPLOT 8.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)理劑和有機(jī)肥施用對(duì)生菜可食部分Cd積累的影響

相較于空白處理組(0.202 mg·kg-1)，單施土壤調(diào)理劑能顯著降低生菜可食部分中Cd含量(0.154 7～0.180 2 mg·kg-1)，表明調(diào)理劑的施用能有效阻控土壤中Cd向生菜的遷移。其中在施用量3 750 kg·hm-2內(nèi)，隨施用量的增加效果略有提高；但當(dāng)單施調(diào)理劑用量達(dá)6 000 kg·hm-2時(shí)，生菜可食部分Cd含量(0.168 mg·kg-1)高于施用量3 750 kg·hm-2(0.155 mg·kg-1)，說(shuō)明土壤調(diào)理劑用量超過(guò)3 750 kg·hm-2后對(duì)Cd的阻控效果無(wú)明顯提高，甚至可能產(chǎn)生負(fù)面影響(圖1)。這可能是由于調(diào)理劑通過(guò)螯合作用吸附重金屬，從而阻止土壤中鎘向有效態(tài)轉(zhuǎn)化，但當(dāng)調(diào)理劑施用量過(guò)高時(shí)，酸溶態(tài)鎘反而會(huì)增多，可能是因?yàn)檎{(diào)理劑濃度過(guò)高，已達(dá)到平衡吸附量。

圖中橫線表示生菜可食部分Cd含量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，柱上無(wú)相同小寫(xiě)字母表示組間差異顯著(P<0.05)，圖3同。

相較而言，單施有機(jī)肥量為1 500 kg·hm-2時(shí)無(wú)顯著效果(可食部分Cd含量約0.199 mg·kg-1)，但有機(jī)肥施入量為3 750和6 000 kg·hm-2則能顯著降低生菜可食部分Cd含量，分別到0.149和0.128 mg·kg-1，可見(jiàn)生菜可食部分Cd的積累可隨有機(jī)肥施入量的增加而下降，表明有機(jī)肥的施用可有效阻控土壤中Cd向生菜的遷移。此外，施入3 750和6 000 kg·hm-2有機(jī)肥的效果優(yōu)于施入同樣量的調(diào)理劑，Cd含量分別降低4%和24%，表明針對(duì)本試驗(yàn)而言，有機(jī)肥對(duì)土壤Cd向生菜可食部分遷移的阻控能力強(qiáng)于土壤調(diào)理劑。

與單施調(diào)理劑或有機(jī)肥相比，兩種材料的同時(shí)施用僅在有機(jī)肥用量1 500 kg·hm-2，調(diào)理劑用量6 000 kg·hm-2的組合下，相較于單施1 500 kg·hm-2有機(jī)肥顯著減少生菜可食部分Cd含量；此外，在調(diào)理劑用量1 500 kg·hm-2條件下，生菜可食部分Cd含量隨有機(jī)肥施用量增加而略有下降。而其他組合均表現(xiàn)為增加生菜可食部Cd含量，尤其是施用量都較高時(shí)。由此表明，有機(jī)肥和調(diào)理劑同時(shí)較大量施用會(huì)發(fā)生明顯的拮抗效應(yīng)，顯著降低對(duì)土壤Cd的阻控能力；但在有機(jī)肥或調(diào)理劑施用量低于1 500 kg·hm-2時(shí)，這種拮抗效應(yīng)相對(duì)較微弱，此時(shí)可以通過(guò)增加另一材料的施入量達(dá)到對(duì)Cd遷移的有效阻控。

2.2 最佳調(diào)理劑和有機(jī)肥施用量預(yù)測(cè)

對(duì)試驗(yàn)中的調(diào)理劑和有機(jī)肥施用量2個(gè)因子采用Box-Behnken進(jìn)行處理設(shè)計(jì)，利于各處理生菜可食部分Cd含量(表2)，通過(guò)多項(xiàng)式回歸分析對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，建立Cd含量的模型方程如下：

表2 各處理生菜可食部分Cd含量

R=0.194 80-1.350 765×10-3×A-2.401 695×10-3×B+1.288 900 5×10-5×AB。

(1)

式中：R為生菜可食部分Cd含量(mg·kg-1)；A為調(diào)理劑用量(kg·hm-2)；B為有機(jī)肥用量(kg·hm-2)。

對(duì)模型方程方差分析，P<0.01表明本實(shí)驗(yàn)所選用的模型與實(shí)測(cè)值間能較高吻合(P=0.005 2**)，說(shuō)明所得的模型方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度較好，可用此模型來(lái)分析和解釋本實(shí)驗(yàn)中所選影響因子對(duì)生菜可食部分Cd積累的影響。R2值為0.75，說(shuō)明有75%的生菜可食部分Cd積累變異分布在所研究的2個(gè)因子中。

模型的高度顯著項(xiàng)(P<0.01)有調(diào)理劑用量的線性項(xiàng)(P=0.019 3**)、調(diào)理劑和有機(jī)肥用量的交叉項(xiàng)(P=0.001 8**)，由此表明，調(diào)理劑的用量顯著影響生菜可食部分的Cd積累，而調(diào)理劑和有機(jī)肥同時(shí)施用也會(huì)對(duì)生菜可食部分的Cd含量產(chǎn)生顯著影響，且該影響具有明顯的非線性關(guān)系。

從公式(1)的分析可以預(yù)測(cè)，擬將生菜可食部分Cd含量下降至1.4～2.0 mg·kg-1時(shí)，調(diào)理劑和有機(jī)肥的最佳施用量分別是487.5和5 550 kg·hm-2。該組合下生菜可食部分Cd含量的模型預(yù)估值為0.143 mg·kg-1。設(shè)置生菜可食部分Cd含量0～2.0 mg·kg-1，模型給出的最優(yōu)組合是調(diào)理劑施用量為0，有機(jī)肥施用量6 000 kg·hm-2，預(yù)估Cd含量為0.131 mg·kg-1；而僅施調(diào)理劑6 000 kg·hm-2時(shí)，Cd含量為0.159 mg·kg-1。

以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)Design Expert軟件繪制Cd含量與因素的響應(yīng)曲面圖(圖2)?？墒巢糠諧d含量隨調(diào)理劑和有機(jī)肥單獨(dú)施用量的增加而減少，但兩者同時(shí)施用時(shí)，則隨施用量的增加而增加，表明試驗(yàn)用調(diào)理劑和有機(jī)肥單獨(dú)作為安全利用技術(shù)實(shí)施時(shí)均能起到較好的重金屬阻控效果，但二者同時(shí)施用時(shí)，其效果會(huì)有所抵消，這可能與兩種材料對(duì)重金屬的阻控原理不同有關(guān)。調(diào)理劑中主要包含鈣、鎂等物質(zhì)，可以提高土壤pH，改善土壤酸化，進(jìn)而減少有效Cd的形成，抑制其向作物遷移。有機(jī)肥則主要通過(guò)其富含的腐殖酸等有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬的螯合作用，實(shí)現(xiàn)阻控。兩種材料同時(shí)大量施用時(shí)，有機(jī)肥中的功能成分可能會(huì)與調(diào)理劑中的功能成分發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致其對(duì)重金屬的鈍化和阻控效果大幅降低。對(duì)于本試驗(yàn)菜地，單施有機(jī)肥效果優(yōu)于單施調(diào)理劑，這主要是由于本地區(qū)土壤為弱酸性，施用調(diào)理劑所鈍化的重金屬含量相對(duì)有機(jī)肥螯合的重金屬含量較低，因此，施加調(diào)理劑的效果相對(duì)較弱。

圖2 生菜可食部分Cd含量對(duì)調(diào)理劑和有機(jī)肥每667 m2施用量的響應(yīng)曲面

2.3 葉面阻控劑配施對(duì)生菜可食部分Cd含量的影響

在調(diào)理劑和有機(jī)肥都同時(shí)施用(施用量1 500和3 750 kg·hm-2)的條件下，葉面阻控劑的噴施均能顯著降低生菜可食部分Cd含量，降幅在9.1%～30.1%，表明噴施葉面阻控劑能有效阻控土壤中Cd向菜葉的遷移(圖3)。

圖3 葉面阻控劑噴施與不噴施條件下生菜可食部分的Cd含量

2.4 調(diào)理劑和有機(jī)肥施用對(duì)土壤pH、全鎘及有效態(tài)鎘含量的影響

施用調(diào)理劑或/和有機(jī)肥后，土壤pH變化范圍在5.88～6.77(表3)。其中，施用調(diào)理劑1 500 kg·hm-2以上的處理，土壤pH較CK處理提高0.28～0.55個(gè)單位，但施用有機(jī)肥1 500 kg·hm-2以上的處理，土壤pH較CK處理降低了0.14～0.34個(gè)單位，且下降幅度隨有機(jī)肥施入量的增加而增加。由此表明，試驗(yàn)用調(diào)理劑能在一定程度上改善受污染蔬菜地的pH。

表3 各處理土壤pH

與生菜種植前土壤全鎘含量相比較，各處理土壤全鎘含量下降0.00～0.15 mg·kg-1(圖4)，這可能是由于生菜種植過(guò)程中對(duì)土壤鎘有所吸收，進(jìn)而降低了土壤全鎘含量；另一方面也表明，試驗(yàn)過(guò)程中的農(nóng)投品，包括施入的調(diào)理劑、有機(jī)肥及農(nóng)戶種植中施入的肥料與農(nóng)藥均未增加土壤全鎘含量。

圖中橫線表示初始土壤全鎘含量0.656 mg·kg-1。

比較不同處理土壤的有效態(tài)鎘含量(圖5)，結(jié)果顯示，當(dāng)調(diào)理劑施用量大于1 500 kg·hm-2時(shí)，土壤有效態(tài)鎘含量相較于0～1 500 kg·hm-2調(diào)理劑施用量的處理均有所降低，降幅9.6%～11.9%，這可能是隨調(diào)理劑施用量的增加，提高了土壤pH，改善了土壤酸化程度，進(jìn)而有效降低了土壤有效態(tài)鎘含量。此外，結(jié)果顯示調(diào)理劑施用量在0～3 750 kg·hm-2時(shí)，土壤有效態(tài)鎘含量隨有機(jī)肥施用量的增加而有所下降，但調(diào)理劑施用量達(dá)6 000 kg·hm-2時(shí)，有機(jī)肥施用量的多少對(duì)土壤有效態(tài)鎘含量并無(wú)影響。

圖5 調(diào)理劑和有機(jī)肥不同施入量下土壤有效態(tài)Cd含量

3 小結(jié)

單施調(diào)理劑1 500 kg·hm-2以上，能通過(guò)提高土壤pH，降低土壤有效態(tài)鎘含量，進(jìn)而有效降低生菜可食部分Cd含量，但施量增至6 000 kg·hm-2時(shí)，其效果與施3 750 kg·hm-2無(wú)顯著差異。

單施有機(jī)肥1 500 kg·hm-2以下對(duì)Cd向生菜可食部分的遷移無(wú)明顯抑制作用，但施用量在3 750 kg·hm-2以上，則能隨有機(jī)肥施入量增加而有效降低生菜可食部分Cd含量，且效果優(yōu)于單施調(diào)理劑。

調(diào)理劑和有機(jī)肥同時(shí)施用，且施用量大于3 750 kg·hm-2時(shí)會(huì)顯著降低其對(duì)Cd的阻控效果，難以確保達(dá)到安全利用水平；響應(yīng)曲面分析(RSM)結(jié)果顯示，單施6 000 kg·hm-2有機(jī)肥即可達(dá)到理想的安全利用效果，若能配套葉面阻控劑的噴施，則能更有效阻控Cd在生菜可食部分的積累。