3種堿性物料施用對(duì)不同pH下酸性鎘污染稻田修復(fù)效應(yīng)

陳艷秋, 管權(quán), 李銳明, 焦位雄, 張麗,楊偉, 楊正蘭, 林勇

(1.安寧市種植業(yè)服務(wù)中心,云南 昆明 650300;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所,天津 300191;3.昆明市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心,云南 昆明 650100;4.石林彝族自治縣農(nóng)村能源環(huán)境保護(hù)工作站,云南 昆明,652200)

酸性土壤中的有效態(tài)Cd含量與其pH值呈負(fù)相關(guān),這是我國稻米鎘(Cd)超標(biāo)大多集中在南方酸性土壤地區(qū)的主要原因之一[1-2]。土壤酸化會(huì)增加土壤有效態(tài)Cd含量,增強(qiáng)水稻對(duì)Cd的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn),并最終導(dǎo)致稻米中Cd的富集。此外,酸性土壤中活性鐵、鋁較多,可分別與水溶性磷酸鹽形成磷酸鐵、磷酸鋁鹽等,從而降低了磷的有效性;酸性土壤的淋溶作用強(qiáng)烈,鉀、鈣、鎂容易流失,易導(dǎo)致相應(yīng)的缺素癥[3]。提高土壤pH,一方面可增加黏土礦物、水合氧化物和陽離子交換量(CEC)表面的負(fù)電荷,增加對(duì)Cd的吸附力;另一方面土壤中的OH-可與Cd等多價(jià)陽離子生成氫氧化物沉淀,減少其有效態(tài)含量,進(jìn)而抑制其轉(zhuǎn)移[4-5]。此外,提高土壤pH還可以提高磷的有效性,減少鉀、鈣、鎂流失。

向酸性土壤中施用堿性物料不僅可以通過調(diào)節(jié)土壤pH的方式改良土壤,有效提高水稻產(chǎn)量,而且可以降低Cd在水稻土中的有效性及在水稻植株內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集量[6],是一種切實(shí)有效的酸性土壤Cd污染修復(fù)方法。目前,生石灰、CaCO3、貝殼粉、熟石灰、石膏粉和奎米素等堿性物料均已被用于酸性土壤改良。其中,生石灰在調(diào)節(jié)中國南方地區(qū)酸性水稻土pH至6.5～7.0時(shí),可有效降低稻米Cd含量[7]。土壤pH平均升高0.16個(gè)單位,稻米Cd平均含量降低55.2%[8]。同樣,單獨(dú)使用CaCO3類物質(zhì)將土壤pH調(diào)至6.5時(shí),稻米Cd含量降低顯著,并低于限值[9]。貝殼粉鈍化修復(fù)酸性土壤Cd污染時(shí),土壤pH與稻米Cd含量和土壤有效態(tài)Cd含量呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)[10]。施用堿性物料可有效降低水稻對(duì)Cd的吸收和富集。但是,不同的堿性物料施入土壤后對(duì)土壤pH的影響不同,對(duì)作物的增產(chǎn)效果也不同。熟石灰相比于石膏粉,對(duì)pH的提高效果更顯著,而且對(duì)作物增產(chǎn)效果極顯著[5]。因此,探尋不同堿性物料對(duì)酸化土壤的改良效果,篩選對(duì)比Cd污染土壤改良修復(fù)材料,對(duì)達(dá)到土壤精準(zhǔn)修復(fù)目標(biāo)至關(guān)重要。

本研究設(shè)置了2個(gè)目標(biāo)pH(pH6.5和pH7.0),以研究不同堿性物料(生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉)在特定pH施用時(shí)對(duì)酸性鎘污染稻田的修復(fù)效應(yīng)。選址安寧市某酸性Cd污染水稻田開展田間試驗(yàn)。根據(jù)各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)水稻土背景值(pH)分別對(duì)所選進(jìn)行定量施入,將受污染酸性土壤調(diào)至不同目標(biāo)pH,并且同種類堿性物料撒施量也做不同處理,利用幾種堿性物料分別調(diào)節(jié)試驗(yàn)田土壤至不同目標(biāo)pH,利用同一品種水稻的一個(gè)生育周期來測定試驗(yàn)田收獲期土壤pH變化、土壤有效態(tài)Cd含量、土壤Cd全量、土壤速效磷、土壤堿解氮、土壤速效鉀以及水稻籽粒Cd含量,討論利用堿性物料修復(fù)Cd污染酸性稻田土壤時(shí)的最佳目標(biāo)pH,利用模糊綜合評(píng)價(jià)法判斷出所選取的三種堿性物料對(duì)研究區(qū)酸性稻田土壤的改良效果,提出適用于研究區(qū)酸性土壤Cd污染修復(fù)的最佳堿性物料及最佳目標(biāo)pH。

1 材料和方法

1.1 小區(qū)試驗(yàn)

試驗(yàn)點(diǎn)為云南省安寧市某酸性稻田。本試驗(yàn)采樣當(dāng)?shù)卮竺娣e栽培的水稻品種楚粳28。土壤理化性質(zhì)為pH5.7,有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、總Cd和有效態(tài)Cd的平均含量分別為20.67、130.33、15.24、138.67、0.71和0.405 mg/kg[11]。選取地塊平整、肥力中等、Cd污染程度相對(duì)一致的地塊開展田間試驗(yàn)。試驗(yàn)分小區(qū)進(jìn)行,每小區(qū)20 m2(4 m×5 m),小區(qū)之間留20 cm溝渠用于灌排水,各小區(qū)設(shè)置獨(dú)立的排、灌水口;小區(qū)田埂統(tǒng)一包裹黑色塑料覆膜至田埂30 cm下,以杜絕施入物料影響鄰近小區(qū);試驗(yàn)區(qū)外設(shè)50 cm寬保護(hù)行。

本試驗(yàn)共21個(gè)小區(qū),小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列。21個(gè)小區(qū)中,采取3種堿性物料(生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉)和2個(gè)pH值(pH6.5、pH7.0)作為交叉條件,形成6組條件,每組設(shè)3個(gè)小區(qū),另加3個(gè)對(duì)照小區(qū)。根據(jù)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)方杰老師開發(fā)的石灰用量計(jì)算模型,調(diào)節(jié)至pH6.5和pH7.0所需的三種堿性物料的量如表1所示。

為確保堿性物料在土壤中能均勻分布,在秧苗移栽15 d前均勻撒施,并翻耕兩次。水稻種植密度為行距25 cm×株距10 cm。其后田間管理模式按照當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣,不做特殊處理,以保證各地試驗(yàn)作物生長條件一致。

表1 試驗(yàn)區(qū)材料施用量及種植模式Table 1 Material application rate and planting mode in the experimental area

1.2 樣品采集與處理

土壤樣品于添加堿性物質(zhì)平衡14 d后(水稻移栽前)采集,稻谷樣品采集于收獲前一天進(jìn)行,采用五點(diǎn)取樣法。稻谷樣品每小區(qū)每點(diǎn)采集100 g左右水稻籽粒,裝入網(wǎng)帶保存;剩余稻谷按小區(qū)收獲、分裝。在大區(qū)試驗(yàn)中將大區(qū)分為五塊,每一塊都進(jìn)行五點(diǎn)取樣,每點(diǎn)采集100 g,即每個(gè)大區(qū)共采集2.5 kg水稻籽粒。土壤樣品采集也采用五點(diǎn)取樣法,每小區(qū)采集約2.5 kg土壤,裝入密封袋。稻谷樣品自然風(fēng)干后脫殼處理,用去離子水沖洗,烘箱烘干至恒重,過100目篩備用。土壤樣品放置于陰涼處自然風(fēng)干,磨至粉狀后分別過20目、100目篩備用。

本試驗(yàn)堿性物料撒施時(shí)間為2021年5月10日,水稻移栽時(shí)間為2021年5月26日,樣品采集時(shí)間為2021年10月15日。

1.3 樣品檢測方法

1.3.1 樣品檢測指標(biāo)

土壤檢測指標(biāo)包括:pH、有效態(tài)Cd含量、全氮、速效磷、堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)。

水稻檢測指標(biāo)包括:稻米Cd含量、水稻產(chǎn)量。

1.3.2 測定方法

土壤pH用pH計(jì)(PHSJ-3F)測定(水土比5∶1);土壤有效態(tài)Cd含量采用原子吸收分光光度計(jì)(240FS)測定;土壤Cd全量及稻米Cd含量用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(7800)測定;土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定;土壤全氮用半微量開氏法測定;土壤速效磷和稻米磷用紫外可見分光光度計(jì)(SP-1920)測定;土壤速效鉀用原子吸收分光光度計(jì)(240FS)測定;土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測定;水稻產(chǎn)量采用實(shí)收測產(chǎn)法測定,小區(qū)產(chǎn)量按小區(qū)稻谷干重及面積折算成畝產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2016和IBM SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Duncan多重檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析,文中圖表均用Microsoft Office Excel 2016制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種堿性物料對(duì)酸性稻田土壤有效態(tài)Cd含量和土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 三種堿性物料對(duì)酸性稻田土壤有效態(tài)Cd含量的影響

如圖1所示,在pH6.5和pH7.0兩種不同目標(biāo)pH值下,水稻收獲期土壤有效態(tài)Cd含量均較對(duì)照組差異顯著(P<0.05)。其中,在pH6.5下,三種堿性物料的施入分別使土壤有效態(tài)Cd含量平均降低45.68%、31.52%和42.63%;在pH7.0下,三種堿性物料的施入分別使土壤有效態(tài)Cd含量平均降低48.89%、50.45%和49.79%。相對(duì)而言,pH7.0組較pH6.5組土壤有效態(tài)Cd含量更低,但同一目標(biāo)pH下,不同堿性物料施入組對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響差異不顯著;而不同目標(biāo)pH下,僅石灰石粉施入對(duì)土壤Cd有效態(tài)含量的影響存在顯著差異,pH7.0要顯著低于pH6.5,其他兩種材料施入導(dǎo)致的差異不顯著(P<0.05)。高土壤pH條件下,可能會(huì)促進(jìn)石灰石粉帶更多的負(fù)電荷,從而加強(qiáng)對(duì)Cd2+的吸附[7]。

圖1 試驗(yàn)區(qū)三種堿性物料對(duì)田土有效態(tài)Cd含量的影響Figure 1 Effect of three alkaline materials on available state of cadmium in soil in the experimental area(注:上標(biāo)不同小寫字母表示P<0.05水平的差異顯著性,下同)

2.1.2 三種堿性物料對(duì)酸性稻田土水稻收獲期pH的影響

如圖2所示,各試驗(yàn)小區(qū)施入堿性物料前,土壤pH均為5.7。對(duì)pH6.5組水稻收獲后土壤pH測定結(jié)果表明,生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉組的pH相對(duì)移栽前(pH6.5)分別下降了6.15%、2.15%和1.54%,其中施入石灰石粉和牡蠣殼粉組土壤pH與對(duì)照組差異顯著(P<0.05);而pH7.0組,三種不同堿性物料施入組間收獲后的土壤pH差異不顯著,相較移栽前(pH7.0)分別下降了4.71%、4.71%和1.86%,但均與對(duì)照組差異顯著(P<0.05),說明這些堿性物料均對(duì)土壤pH具有調(diào)節(jié)能力。

圖2 試驗(yàn)區(qū)三種堿性物料對(duì)土壤pH的影響Figure 2 Effects of three alkaline materials on soil pH in the experimental area

2.1.3 三種堿性物料對(duì)酸性稻田土有機(jī)質(zhì)的影響

各試驗(yàn)小區(qū)水稻收獲后土壤有機(jī)質(zhì)含量測定的結(jié)果表明,pH6.5組,生石灰和牡蠣殼粉組的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較對(duì)照組降低19.20%和11.11%,而石灰石粉組中土壤有機(jī)質(zhì)與對(duì)照組中差異不顯著;pH7.0組,石灰石粉和牡蠣殼粉組的土壤有機(jī)質(zhì)含量相比于對(duì)照組差異不顯著,而生石灰組會(huì)使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加8.63%(圖3)。

圖3 試驗(yàn)區(qū)三種堿性物料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Figure 3 Effects of three alkaline materials on soil organic matter in the experimental area

2.1.4 三種堿性物料對(duì)酸性稻田土堿解氮、速效磷、速效鉀含量的影響

如圖4所示,本研究試驗(yàn)區(qū)域?qū)φ战M收獲后土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量分別為130.3、15.24和138.7 mg/kg,而pH6.5和pH7.0處理組三種養(yǎng)分指標(biāo)總體呈現(xiàn)升高趨勢。其中,土壤堿解氮在目標(biāo)pH7.0時(shí)升高最顯著,生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉分別使其升高30.18%、45.27%和20.20%;土壤速效磷在目標(biāo)pH6.5時(shí)升高最顯著,生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉分別使其升高396.94%、372.22%和244.05%;土壤速效鉀在目標(biāo)pH7.0施用生石灰時(shí),其含量與對(duì)照組差異顯著(P<0.05),相對(duì)升高了17.31%。這些土壤性質(zhì)的變化可能是因?yàn)閴A性物料施用后提升了土壤pH,提高了土壤微生物活性,促進(jìn)了土壤和堿性物料中養(yǎng)分的分解釋放。

2.2 三種堿性物料對(duì)稻米Cd含量及水稻產(chǎn)量的影響

2.2.1 三種堿性物料對(duì)稻米Cd含量的影響

如圖5所示,試驗(yàn)區(qū)對(duì)照組稻米Cd含量平均為0.148 mg/kg。pH6.5組,相對(duì)對(duì)照組,施用生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉的稻米Cd含量分別降低了0.081、0.084、0.038 mg/kg;而pH7.0組,施用上述三種堿性物料的稻米Cd含量分別降低了0.069、0.089、0.073 mg/kg。其中,三種堿性物料的兩種調(diào)節(jié)方式對(duì)稻米Cd含量均具有顯著性差異(P<0.05),其中石灰石粉的兩種調(diào)節(jié)方式效果尤為顯著,分別使稻米Cd含量較空白對(duì)照組降低56.70%、60.13%。由圖5可知,目標(biāo)pH為7.0時(shí),稻米降Cd率較目標(biāo)pH為6.5效果更為顯著。

圖4 水稻收獲后土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量Figure 4 The content of soil alkali-hydrolyzable N, available P and available K contents after rice harvest

圖5 試驗(yàn)區(qū)三種堿性物料對(duì)稻米Cd的影響Figure 5 Effects of three alkaline materials on Cadmium in rice in the experimental area

2.2.2 三種堿性物料對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

如圖6所示,pH6.5處理組,生石灰施用使水稻增產(chǎn)4.39%,石灰石粉施用使水稻減產(chǎn)5.43%,牡蠣殼粉施用使水稻減產(chǎn)11.88%;pH7.0處理組,生石灰施用使水稻增產(chǎn)0.98%,石灰石粉施用使水稻減產(chǎn)17.92%,牡蠣殼粉施用使水稻增產(chǎn)3.61%。由此可見,僅有生石灰的兩種不同施入量和牡蠣殼粉的第二種施入量使水稻產(chǎn)量不低于對(duì)照組產(chǎn)量,但增幅不大,其余堿性物料的施用方式均降低了水稻產(chǎn)量。產(chǎn)生這種差異的原因可能是石灰石粉施入量大,其不易溶于水,流動(dòng)性較差,會(huì)造成土壤板結(jié),導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[12-13]。

圖6 試驗(yàn)區(qū)三種堿性物料對(duì)水稻產(chǎn)量的影響Figure 6 Effects of three alkaline materials on rice yield in the experimental area

3 討 論

3.1 三種堿性物料對(duì)酸性稻田土有效態(tài)Cd含量和土壤理化性質(zhì)的影響

通常情況下,植物主要吸收土壤中重金屬的有效態(tài)部分,而土壤pH可以直接影響土壤中重金屬的形態(tài)分布和有效態(tài)含量,利用堿性物料可以有效改變土壤的酸堿環(huán)境,從而達(dá)到降低土壤中重金屬生物有效性的目的。胡柯鑫[14]研究表明早晚稻在堿性物料施入后,土壤有效態(tài)Cd含量在各生育期均下降,本研究結(jié)果也可以充分證明,將生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉三種堿性物料在不同目標(biāo)pH下施入土壤可以有效降低試驗(yàn)區(qū)域水稻收獲期土壤有效態(tài)Cd含量。

在6.5和7.0兩種不同目標(biāo)pH下,水稻收獲期土壤有效態(tài)Cd含量均較空白對(duì)照組降幅明顯(P<0.05)。在目標(biāo)pH為7.0時(shí),三種堿性物料的施入分別使土壤有效態(tài)Cd含量降低48.89%、50.45%和49.79%;兩種目標(biāo)pH相比,目標(biāo)pH為7.0的土壤有效態(tài)Cd含量降低幅度高于目標(biāo)pH為6.5;由于所選試驗(yàn)地塊為當(dāng)?shù)馗刂亟饘傥廴緡?yán)格管控區(qū),故存在稻米Cd含量超標(biāo)情況。通過針對(duì)酸性稻田土有效態(tài)Cd含量的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,土壤有效態(tài)Cd含量均與對(duì)照組相比有顯著下降,多數(shù)降至國家標(biāo)準(zhǔn)線以下,符合試驗(yàn)預(yù)期,這與高琳琳等[15]研究結(jié)果一致。可見合理范圍內(nèi)目標(biāo)pH與土壤有效態(tài)Cd含量呈負(fù)相關(guān),pH的升高使土壤Cd活性降低,脅迫重金屬Cd在土壤中形成絡(luò)合物,這與朱奇宏等[16]研究結(jié)果一致。Tahervand和Jalali[17]研究指出土壤固定重金屬的效率與土壤pH呈正相關(guān),從側(cè)面證實(shí)了土壤pH升高對(duì)于土壤Cd有效性具有降低作用。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分,具有促進(jìn)植物生長發(fā)育、改善土壤環(huán)境、固肥保肥、促進(jìn)土壤微生物生命活動(dòng)等作用[19],是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。堿解氮、速效磷和速效鉀是植物生長所必需的營養(yǎng)元素,其含量高低也反映了土壤環(huán)境的優(yōu)劣[20]。歐陽玲等[21]研究指出,土壤堿性改良劑的施入能有效降低土壤酸性并可以不同程度地增加土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量;蔡建軍等[22]研究指出堿性改良劑使土壤堿解氮、有效磷含量顯著提升,對(duì)有機(jī)質(zhì)和速效鉀的影響較小。由本試驗(yàn)結(jié)果可知,土壤有機(jī)質(zhì)含量變化無規(guī)律,土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量普遍較對(duì)照組呈升高趨勢,其中速效鉀的增幅不顯著;在不同目標(biāo)pH下施入三種堿性物料能在一定程度上升高堿解氮、速效磷、速效鉀含量,但對(duì)有機(jī)質(zhì)影響不明顯。本研究結(jié)果與蔡建軍等[22]結(jié)論一致。

3.2 三種堿性物料對(duì)稻米Cd含量及水稻產(chǎn)量的影響

近些年來,我國南方地區(qū)土壤酸化問題愈加嚴(yán)峻,隨之而來的是諸多地區(qū)出現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量超標(biāo),故通過升高土壤pH,可使土壤對(duì)重金屬物質(zhì)的吸收固定能力增強(qiáng),并調(diào)控水稻根系活性,抑制Cd的轉(zhuǎn)移。代允超等[23]研究表明,堿性物料施入后,隨著土壤pH提高,土壤有效態(tài)Cd含量、作物對(duì)Cd的吸收量都有顯著降低。紀(jì)藝凝等[10]研究表明,施用貝殼粉鈍化修復(fù)酸性土壤Cd污染時(shí),土壤pH與稻米Cd含量、土壤有效態(tài)Cd含量呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)。方克明等[24]研究指出施用石灰等堿性物質(zhì)能使稻米Cd含量降低0.21 mg/kg,稻米Cd含量降低率為37.8%,差異極顯著。水稻植株Cd含量與土壤Cd全量無關(guān),僅與土壤中的有效態(tài)Cd含量有關(guān)。本研究是在兩種目標(biāo)pH下施入三種堿性物料,通過升高土壤pH的方式,降低土壤中有效態(tài)Cd含量,從而達(dá)到降低稻米Cd含量的目的。試驗(yàn)區(qū)域的檢測及分析結(jié)果表明,兩種目標(biāo)pH下三種堿性物料施入后,稻米Cd含量均與對(duì)照組呈顯著性差異(P<0.05),其中,兩種目標(biāo)pH下施入石灰石粉使稻米Cd含量降幅尤為顯著,分別使稻米Cd含量較空白對(duì)照組降低56.70%和60.13%。本研究結(jié)果充分印證了通過施入堿性物料改變土壤酸性環(huán)境后,稻米Cd含量顯著降低。

水稻產(chǎn)量決定了農(nóng)民對(duì)堿性物料的接受程度,并在很大程度上關(guān)系到此種修復(fù)方式能否被大面積應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。郭薈等[25]研究指出有機(jī)肥與石灰復(fù)合施入土壤使雙季水稻分別減產(chǎn)2.9%和9.2%;孫玉平等[26]則認(rèn)為在不同pH土壤中施用石灰均能使水稻增產(chǎn),增產(chǎn)可達(dá)16.9%～23.8%;羅華漢等[27]研究認(rèn)為牡蠣殼粉對(duì)水稻具有增產(chǎn)作用,增產(chǎn)率達(dá)14.8%。本研究區(qū)生石灰的兩種目標(biāo)pH施入方式分別使水稻增產(chǎn)4.39%和0.98%,在目標(biāo)pH為7.0時(shí)施入牡蠣殼粉使水稻增產(chǎn)3.61%,其他幾種處理均減產(chǎn),尤其目標(biāo)pH為7.0時(shí)施入石灰石粉使水稻減產(chǎn)17.92%,可能是因?yàn)槭沂鄄灰兹苡谒?流動(dòng)性較差,會(huì)造成土壤板結(jié),導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[12-13]。