不同鈍化材料對玉米Cd、Pb積累與轉運的影響

劉 奇,王 晟,陳 文,趙炫越,包 立,張乃明① (1.云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,云南 昆明 650201;2.云南省土壤培肥與污染修復工程研究中心,云南 昆明 650201;3.云南農業(yè)大學植物保護學院,云南 昆明 650201)

隨著我國工業(yè)化、城市化進程不斷加快以及農藥化肥的不合理施用,每年都有大量重金屬通過灌溉、大氣沉降等途徑轉移到土壤中[1-3]。調查顯示,我國耕地土壤重金屬污染點位超標率高達19.4%,污染耕地總面積達到2.3×107hm2,其中,高污染耕地面積占耕地面積的1.1%,中污染和低污染耕地面積占比分別為1.8%和16.5%[4-5]。由于我國人均耕地面積較少,大部分重金屬污染耕地仍用于農業(yè)生產[6]。土壤中重金屬會被農作物富集,并通過食物鏈最終危害人體健康[7]。因此,在重金屬污染耕地上生產安全可食用的農產品,具有重要現實意義和推廣價值[8]。

玉米作為中國乃至世界的三大糧食作物之一,具有分布廣、產量高等特點,并且屬于重金屬低積累作物[9]。目前,控制重金屬向食物鏈中轉移主要有2種途徑:一是篩選出對重金屬有耐受性且積累量低的農作物品種[10];二是通過化學方法抑制農作物對土壤重金屬吸收積累到可食用部位[11]。隨著土壤重金屬污染及糧食安全的社會關注度日益高漲,相應的技術調控措施也得到廣泛研究。在一些中重度污染耕地上,僅僅依靠品種篩選很難達到農產品安全生產的要求,因此化學鈍化修復技術得到廣泛應用[12-13]?；瘜W鈍化修復技術的作用機制包括沉淀作用、吸附作用和離子交換、氧化還原以及絡合作用,通過單一鈍化材料及復合鈍化材料實現耕地土壤重金屬的原位鈍化,改變土壤中重金屬的價態(tài)和形態(tài),降低其在環(huán)境中的生物有效性,從而減少作物對受污染土壤中重金屬的吸收,進而保證糧食的安全生產。化學鈍化修復技術具有成本低、易操作、效果快速、無二次污染等優(yōu)點[5,14]。常用鈍化修復材料包括土壤調理劑和葉面阻控劑兩大類,主要有生石灰、生物炭、有機肥、腐植酸和含硅硒類葉面肥等[5,15-16]。駱文軒等[16]通過田間試驗證明,在酸性農田中施用有機肥和石灰均能顯著降低土壤和水稻糙米中Cd含量,其中有機肥降低效果優(yōu)于石灰,且高用量有機肥的效果更加顯著。腐植酸是一種結構極其復雜的高分子有機混合物,含有豐富的羧基、酚羥基、羰基和甲氧基等活性含氧官能團[17-18],對土壤中Cd、Pb、Cu、Zn等重金屬活性具有一定抑制作用,同時還具有改良土壤結構、調節(jié)土壤養(yǎng)分[19]和增加玉米產量等功能[20]。于煥云等[21]在3個地區(qū)開展為期4年的田間試驗,結果表明施用葉面阻控劑后,不同重金屬污染程度耕地產出的稻米Cd含量分別降低38%、39%和43%。

目前,有關鈍化修復技術研究通常集中在單一鈍化材料上,缺乏對土壤調理劑和葉面阻控劑等鈍化材料組合施用效果的研究,涉及的重金屬也以Cd為主,且主要應用于水稻和蔬菜等作物[22-24]。由于不同作物對重金屬的響應機制存在差異,不能將單一作物試驗結果廣泛應用于其他農作物。玉米作為我國三大主糧之一,不同鈍化材料對玉米積累與轉運重金屬的影響研究卻鮮有報道。因此,通過大田試驗分析4種鈍化材料組合及用量對玉米產量以及各部位Cd、Pb積累與轉運的影響,根據供試玉米籽粒Cd、Pb的富集系數(BCF)推算玉米安全種植的土壤風險閾值,以期為受Cd、Pb污染耕地的玉米安全利用提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗地點位于云南省宣威市熱水鎮(zhèn)格依村(26°03′16″ N、103°50′42″ E)。供試土壤為紅壤,土壤pH值為6.50±0.36,有機質含量為(17.25±0.70) g·kg-1,堿解氮含量為(218.98±26.28) mg·kg-1,有效磷含量為(12.56±5.84) mg·kg-1,速效鉀含量為(496.67±124.33) mg·kg-1,Cd含量為(2.18±0.07) mg·kg-1,Pb含量為(80.66±5.28) mg·kg-1。根據GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》,試驗地土壤Cd含量超過農用地土壤重金屬污染風險管制值(5.5

1.2 供試材料

供試玉米品種為云南省主栽雜交品種“華興單88”(滇審玉米2015018),由云南盛衍種業(yè)有限公司選育,親本關系為ZH08×QR273。葉面阻控劑為降鎘靈(JGL),由佛山市鐵人環(huán)?？萍加邢薰咎峁?主要成分為納米有機硅溶膠;土壤調理劑分別為商品有機肥(YJF),由昆明農家樂復合肥有限責任公司提供;土壤改良專用腐植酸(FZS),由山西益成宏業(yè)腐植酸科技有限公司提供;土壤重金屬鈍化劑(DHJ)由云南農業(yè)大學云南省土壤培肥與污染修復工程研究中心研發(fā)(國家發(fā)明專利號:ZL201711312587.X),主要成分為生石灰和生物炭。

1.3 試驗設計

試驗區(qū)面積約為3 000 m2,地勢平坦,所有小區(qū)均采用隨機區(qū)組排列方式,共設置10個處理,每個處理重復3次,共30個小區(qū)。每個試驗小區(qū)規(guī)格為長11 m,寬9 m,面積為99 m2,根據當地種植習慣采用雙行種植,行距為55 cm,株距為45 cm。試驗地四周設置4行保護行,各小區(qū)之間用筑壩隔開,以消除邊際效應。每穴播3粒玉米種子,使種子入土2～3 cm,保持播種深度一致,玉米長出2片葉片時進行間苗,每穴留1株,各小區(qū)定株441株。JGL按7 500 mL·hm-2兌水稀釋40倍噴施;YJF1和YJF2分別按1 500和3 000 kg·hm-2用量撒施有機肥;FZS按1 500 kg·hm-2用量撒施土壤改良專用腐殖酸;DHJ按1 500 kg·hm-2用量撒施土壤重金屬鈍化劑;YJF1+、YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF1、YJF2、FZS和DHJ與JGL的組合處理。玉米播種前按1 125 kg·hm-2施用氮磷鉀三元復合肥(15-15-15)作為基肥,與土壤調理劑一同均勻撒施到各小區(qū)土壤表面,旋耕至0～20 cm土層中混合均勻后再進行覆膜和播種等工作。JGL分別在玉米大喇叭口期和灌漿期共噴施2次,噴施時避開雨天在下午5點使用背負式農用噴霧器進行人工噴施。作物生長期間按大田常規(guī)操作進行灌溉、除草和除蟲等工作,拔節(jié)期按750 kg·hm-2追施尿素。于2021年4月底播種,同年10月初玉米成熟期收獲并取樣。

1.4 樣品采集與檢測

于玉米成熟期在每個小區(qū)采集1個玉米植株混合樣品和1個對應的土壤混合樣品。土壤樣品按五點取樣法采集0～20 cm表層土壤,現場混勻為1個樣品裝入自封袋,帶回實驗室經室溫避光風干后去除碎石和動植物殘體等異物,用研缽研磨后過0.15 mm孔徑尼龍篩裝袋待測。玉米植株樣品按五點取樣法每個小區(qū)采集5個整株,帶回實驗室后將玉米植株樣品分為根、莖、葉、棒芯和籽粒5個部分,先用純水沖洗后再用去離子水洗凈,在105 ℃烘箱中殺青30 min后調至65 ℃烘干至恒重,測定干重后使用粉碎機磨碎,過0.15 mm孔徑尼龍篩裝袋待測。土壤理化性質測定參照國標方法和《土壤農化分析》[25]進行測定。土壤Cd、Pb含量按照GB/T 17141—1997《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》,植株Cd、Pb含量分別按照GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》和GB 5009.12—2017《食品安全國家標準 食品中鉛的測定》,采用原子吸收光度計(Hitachi Z-2000)測定。以國家標準參比物質土壤樣品(GBW07405)和植物樣品(GBW10012)進行質量控制,標準樣品檢測結果均在允許誤差范圍內。

1.5 數據統(tǒng)計與分析

采用Excel 2019和SPSS 23.0軟件進行數據統(tǒng)計分析,采用Origin 2021軟件繪圖,采用最小顯著差數法(LSD)比較平均值,數據采用平均值±標準差(M±SD)表示,差異顯著水平為P<0.05。

1.5.1富集系數(BCF)

富集系數反映作物對土壤重金屬的積累能力,富集系數越大,其積累重金屬的能力越強,計算公式為

FBC,i=Ci/Cs。

(1)

式(1)中,FBC,i為供試玉米i部位中Cd或Pb的富集系數;Ci為供試玉米i部位Cd或Pb含量,mg·kg-1;Cs為土壤中Cd或Pb含量,mg·kg-1。

1.5.2轉運系數(TF)

轉運系數反映作物各部位間重金屬轉運、分配的能力,轉運系數越大,其轉運重金屬能力越強,計算公式為

FT,根部-莖部=C莖部/C根部,

(2)

FT,莖部-葉部=C葉部/C莖部,

(3)

FT,莖部-棒芯=C棒芯/C莖部,

(4)

FT,棒芯-籽粒=C籽粒/C棒芯。

(5)

式(2)～(5)中,FT,根部-莖部、FT,莖部-葉部、FT,莖部-棒芯和FT,棒芯-籽粒分別為供試玉米Cd或Pb由根部向莖部、由莖部向葉部、由莖部向棒芯和由棒芯向籽粒的轉運系數;C根部、C莖部、C葉部、C棒芯和C籽粒分別為供試玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒中Cd或Pb含量,mg·kg-1。

1.5.3土壤Cd、Pb風險閾值(T)

根據GB 2762—2022《食品安全國家標準 食品中污染物限量》規(guī)定的谷物及其制品中Cd限值(0.1 mg·kg-1)和Pb限值(0.2 mg·kg-1),由供試玉米籽粒Cd和Pb的BCF推算得到玉米安全種植的土壤Cd和Pb風險閾值T,計算公式[8,26-27]為

T=E/FBC,籽粒。

(6)

式(6)中,E為Cd和Pb限值,mg·kg-1。

2 結果與分析

2.1 不同處理對供試玉米生物量、產量和生物性狀的影響

如表1所示,不同處理供試玉米各部位干重、產量和生物性狀均存在顯著差異(P<0.05)。不同處理供試玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒干重范圍分別為10.3～19.5、77.4～106.8、67.7～88.3、57.3～79.8和212.6～281.3 g·株-1,平均值分別為14.8、92.0、78.6、70.2和256.1 g·株-1,變異系數介于7.7%～22.3%之間;供試玉米產量范圍為8 591.2～11 365.1 kg·hm-2,平均值為10 349.4 kg·hm-2,變異系數為7.7%,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL處理玉米產量比CK分別提高32.3%、30.6%、27.9%、25.3%、22.2%、19.0%、17.2%、15.7%和14.4%;供試玉米株高、莖粗和葉面積范圍分別為211.7～238.6 cm、18.4～25.3 mm、510.2～730.2 cm2,平均值分別為225.6 cm、21.3 mm和617.0 cm2,變異系數介于4.0%～12.2%之間。不同處理供試玉米各部位干重、產量以及生物性狀均表現為FZS+>YJF2+>FZS>YJF2>YJF1+>DHJ+>YJF1>DHJ>JGL>CK。相較于CK,其他9種處理供試玉米各部位干重、產量和生物性狀均顯著提升,且鈍化材料組合處理提升效果均優(yōu)于單一材料處理,這說明葉面阻控劑和土壤調理劑的組合措施相較于單一材料措施可以更好地調節(jié)供試玉米生長發(fā)育,其中,FZS+處理提升效果最優(yōu)。

表1 不同處理供試玉米生物量、產量和生物性狀Table 1 Biomass, yield and biological traits of the test maize under different treatments

2.2 不同處理對玉米Cd、Pb含量及積累量的影響

如表2所示,不同處理供試玉米各部位Cd含量及積累量均存在顯著差異(P<0.05)。供試玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒中Cd含量范圍分別為1.59～2.24、0.16～0.44、0.56～0.87、0.028～0.066和0.010～0.029 mg·kg-1,平均值分別為1.90、0.26、0.68、0.044和0.017 mg·kg-1,變異系數介于16.0%～38.0%之間,各部位Cd含量表現為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部。不同處理供試玉米籽粒中Cd含量從小到大依次為FZS+

表2 不同處理供試玉米各部位Cd含量及積累量Table 2 Cd content and accumulation in various parts of the test maize under different treatments

如表3所示,不同處理供試玉米各部位Pb含量及積累量均存在顯著差異(P<0.05)。供試玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒中Pb含量范圍分別為2.62～5.25、0.41～1.37、1.12～1.62、0.21～0.48和0.08～0.18 mg·kg-1,平均值分別為3.61、0.75、1.36、0.29和0.12 mg·kg-1,變異系數介于12.1%～37.4%之間,各部位Pb含量表現為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部。不同處理供試玉米籽粒中Pb含量從小到大依次為FZS+

表3 不同處理供試玉米各部位Pb含量及積累量Table 3 Pb content and accumulation in various parts of the test maize under different treatments

2.3 不同處理對玉米Cd、Pb富集系數(BCF)的影響

如圖1所示,不同處理供試玉米各部位Cd的BCF間均存在顯著差異(P<0.05)。不同處理供試玉米Cd的BCF根部、BCF莖部、BCF葉部、BCF棒芯和BCF籽粒范圍分別為0.692～1.075、0.071～0.212、0.246～0.418、0.012～0.032和0.004～0.014,平均值分別為0.872、0.119、0.314、0.020和0.008,變異系數介于18.5%～40.0%之間,各部位Cd富集能力均表現為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部。除CK和JGL處理BCF根部>1外,其他處理各部位Cd的BCF均小于1,說明在Cd污染耕地上,未施用土壤調理劑的玉米根部會產生超富集現象。相較于CK,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL處理供試玉米Cd的BCF籽粒分別降低68.7%、65.1%、61.7%、54.4%、50.7%、42.6%、39.9%、34.8%和33.2%,表現為JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+。不同處理供試玉米Cd的BCF根部從小到大依次為FZS+

CK為對照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機肥,FZS為腐植酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米同一部位不同處理間Cd富集系數差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理供試玉米各部位Cd富集系數Fig.1 Bioconcentration factors of Cd in each part of the test maize under different treatments

如圖2所示,不同處理供試玉米各部位Pb的BCF均存在顯著差異(P<0.05)。不同處理供試玉米Pb的BCF根部、BCF莖部、BCF葉部、BCF棒芯和BCF籽粒范圍分別為0.030 7～0.063 7、0.004 8～0.016 6、0.013 1～0.019 6、0.002 5～0.005 8、0.000 9～0.002 2,平均值分別為0.044 7、0.009 2、0.016 8、0.003 6和0.001 5,變異系數介于11.2%～34.9%之間,各部位Pb富集能力均表現為籽粒<棒芯<莖部<根部<葉部。供試玉米各部位Pb的BCF均小于0.1,這說明供試玉米對Pb的吸收能力均處于較弱水平。相較于CK,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL處理供試玉米Pb的BCF籽粒分別降低57.6%、46.2%、45.2%、42.1%、35.8%、32.6%、28.9%、26.2%和16.8%,表現為JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+。不同處理供試玉米Pb的BCF根部從小到大依次為FZS+

CK為對照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機肥,FZS為腐殖酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米同一部位不同處理間Pb富集系數差異顯著(P<0.05)。圖2 不同處理供試玉米各部位Pb富集系數Fig.2 Bioconcentration factors of Pb in each part of the test maize under different treatments

2.4 不同處理對玉米Cd、Pb轉運系數(TF)的影響

如圖3所示,不同處理供試玉米各部位Cd的TF均存在顯著差異(P<0.05)。供試玉米Cd的TF根部-莖部、TF莖部-葉部、TF莖部-棒芯和TF棒芯-籽粒范圍分別為0.100～0.204、1.968～2.222、0.149～0.195和0.353～0.451,平均值分別為0.135、2.814、0.177和0.377,變異系數介于17.6%～29.7%之間,各部位間Cd轉運能力均表現為根部-莖部<莖部-棒芯<棒芯-籽粒<莖部-葉部。不同處理供試玉米Cd的TF根部-莖部從小到大依次為YJF2+

CK為對照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機肥,FZS為腐殖酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米相應部位間Cd轉運系數差異顯著(P<0.05)。圖3 不同處理供試玉米各部位Cd轉運系數Fig.3 Translocation factors of Cd in various parts of the test maize under different treatments

如圖4所示,不同處理供試玉米各部位Pb的TF均存在顯著差異(P<0.05)。供試玉米各部位間Pb的T根部-莖部、T莖部-葉部、T莖部-棒芯和T棒芯-籽粒范圍分別為0.155～0.260、1.184～2.763、0.338～0.525和0.363～0.482,平均值分別為0.203、1.983、0.412和0.405,變異系數介于12.%～24.5%之間,各部位間Pb轉運能力均表現為根部-莖部<棒芯-籽粒<莖部-棒芯<莖部-葉部。不同處理供試玉米Pb的TF根部-莖部從小到大依次為FZS+

CK為對照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機肥,FZS為腐殖酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米相應部位間Pb轉運系數差異顯著(P<0.05)。圖4 不同處理供試玉米各部位Pb轉運系數Fig.4 Translocation factors of Pb in various parts of the test maize under different treatments

2.5 基于玉米安全利用的土壤Cd、Pb風險閾值(T)

如圖5所示,不同處理供試玉米土壤TCd從小到大依次為CK(TCd=7.4 mg·kg-1)

CK為對照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機肥,FZS為腐殖酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。就同一種重金屬而言,直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間風險閾值差異顯著(P<0.05)。圖5 不同處理土壤Cd、Pb風險閾值Fig.5 Soil Cd and Pb risk thresholds under different treatments

3 討論

筆者試驗中不同處理間供試玉米生物性狀、各部位生物量、產量、Cd和Pb含量、BCF以及TF均存在顯著差異(P<0.05),在各處理供試玉米品種以及土壤、施肥等外界環(huán)境因素均保持一致的情況下,不同處理間玉米各部位Cd、Pb積累和轉運能力不同主要受不同阻控措施的影響。葉面阻控技術通過拮抗作用,促進作物對營養(yǎng)元素的吸收,抑制含Cd、Pb的金屬酶活性,降低作物蒸騰效率以阻礙Cd、Pb向上運輸,最后通過促進抗氧化物質的形成,增加對重金屬離子的吸附及螯合作用,從而進一步降低植株體內Cd、Pb的積累與轉運[28]。土壤鈍化技術通過提高土壤pH,與重金屬形成絡合物或磷酸鹽沉淀等方法,降低土壤重金屬有效性,從而減少農作物對土壤中重金屬的積累[5,14]。基于農作物食用安全的土壤重金屬風險閾值[26-27]是既不影響農產品質量和產量,也不會造成環(huán)境污染的土壤重金屬最大含量[29]。同類型農作物在種植時由于環(huán)境差異會出現不同風險閾值,風險閾值越大,表明作物對種植土壤環(huán)境中重金屬含量的要求越低[8]。

研究區(qū)土壤污染較為嚴重〔w(Cd)=(2.18±0.07) mg·kg-1、w(Pb)=(80.66±5.28) mg·kg-1〕,但所有處理玉米籽粒中Cd、Pb含量均低于國家食品安全標準〔w(Cd)≤0.1 mg·kg-1,w(Pb)≤0.2 mg·kg-1〕,所有處理玉米莖部、葉部和棒芯中Cd、Pb含量均低于國家飼料衛(wèi)生標準〔w(Cd)≤1.0 mg·kg-1,w(Pb)≤30.0 mg·kg-1〕,試驗種植的玉米地上部位均可用于農業(yè)生產,達到了“邊生產、邊修復”和受污染耕地安全利用的目的。研究區(qū)土壤Cd含量超過農用地土壤重金屬污染風險管制值,但CK處理玉米籽粒Cd含量仍然遠低于國家食品安全標準,筆者認為一方面是因為供試玉米品種(華興單88)屬于低積累玉米品種[30],另一方面根據GB 2762—2022對農產品重金屬含量與農用地土壤重金屬污染風險篩選值之間相互關系并結合實際生產進行驗證發(fā)現,土壤與農產品重金屬含量關系存在土壤超標而農作物不超標的“假陽性錯誤”情況。例如,云南省土壤培肥與污染修復工程研究中心團隊于2018—2020年對云南典型區(qū)域土壤-農作物的協(xié)同采樣監(jiān)測結果表明,土壤中Pb含量超標而農產品Pb含量不超標的“假陽性錯誤”數據占比為3.6%,Cd的“假陽性錯誤”比例更高[31],這與陳世寶等[32]和夏家淇[33]研究結果相類似。

筆者研究中供試玉米Cd的BCF籽粒介于0.004～0.014之間,小于1;Pb的BCF籽粒介于0.000 9～0.002 2之間,遠小于1,這可能與Cd和Pb在玉米體內轉運速率差異有關。由于Cd易與蛋白質結合形成有機絡合物,而這種有機絡合物在玉米植株體內的遷移性比Pb強,進而導致Cd富集能力強于Pb,這表明供試玉米籽粒對土壤中Cd的富集能力強于Pb,這與唐樂斌等[8]研究結果一致。此外,土壤pH也是影響重金屬在土壤中被作物吸收的因素之一[34],筆者試驗中土壤pH為6.50±0.36,屬于微酸性土壤,重金屬在土壤中的遷移能力處于較強水平。不同處理供試玉米各部位Cd、Pb富集能力均表現為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部,這與其他學者對玉米各部位吸收積累Cd和Pb能力的研究結果[35-36]一致。不同處理供試玉米各部位Cd和Pb轉運能力分別表現為根部-莖部<莖部-棒芯<棒芯-籽粒<莖部-葉部和根部-莖部<棒芯-籽粒<莖部-棒芯<莖部-葉部,除TF莖部-葉部>1外,其他各部位間Cd、Pb的TF均小于1,表明Cd、Pb在玉米各部位間轉運過程中,由莖部向葉部的轉運能力最強,這與前人研究結果[35-36]一致。

作物體內,尤其是可食用部位重金屬含量和富集系數大小是反映鈍化材料修復效果的直接證據[23]。筆者研究結果表明,施用鈍化材料能有效地減少玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒中Cd、Pb含量和富集系數,提高玉米的土壤Cd、Pb風險閾值,說明鈍化材料能有效降低玉米對土壤Cd、Pb的吸收,這與前人針對其他作物的研究結果[15,37-38]一致。JGL處理供試玉米籽粒Cd、Pb含量及相應BCF下降16.8%～33.2%,具有顯著阻控效果,這可能是因為硅(Si)通過葉面吸收后會沉積在作物細胞壁上,與半纖維素、果膠和木質素絡合,增加細胞壁機械性和外部保護層,從而促進作物生長。一方面Si可以調控農作物對營養(yǎng)元素的吸收,提升葉綠素含量,促進光合作用,降低細胞膜通透性和植株蒸騰速率;另一方面Si通過硅結合蛋白誘導,降低根部細胞細胞壁孔隙度,增加根部對Cd、Pb的吸收積累,從而抑制Cd、Pb向地上部和籽粒中轉運[22,39-41]。FZS作為筆者試驗阻控效果最顯著的鈍化材料,單獨施用后供試玉米籽粒Cd、Pb含量及相應BCF就下降45.2%～61.7%。這可能是因為一方面FZS通過對重金屬的吸附、絡合等作用,形成有機金屬絡合物和吸附物,影響重金屬離子遷移轉化;另一方面FZS通過氧化還原作用使變價金屬轉化為毒性和遷移性更小的價態(tài),將土壤重金屬由較為活躍的形態(tài)轉化為較為穩(wěn)定的形態(tài),從而降低玉米對Cd、Pb的積累與轉運[17,37]。YJF中含有的有機物質和部分腐殖質可通過吸附、螯合等作用固定重金屬或者與重金屬形成不可溶性鹽,使土壤重金屬的生物活性和有效態(tài)含量降低,進而抑制作物對重金屬的吸收[16,38]。而筆者研究中,增加劑量后的YJF2處理比YJF1處理抑制效果更好。張劍等[24]認為鈍化劑降低土壤和作物中Cd含量的化學機制可能是鈍化劑增加土壤pH和交換性鹽基離子含量,增強Cd的吸附和沉淀,從而降低Cd移動性,最終削弱了作物對Cd的富集能力。

筆者研究結果表明,相較于CK,9種阻控措施均能顯著提高供試玉米產量,并且能有效降低供試玉米籽粒Cd、Pb含量及富集轉運能力。由于玉米本身屬于低積累作物[9],根據計算出的土壤TCd和TPb,供試鈍化材料可以應用于Cd、Pb污染更加嚴重的耕地。但不同作物對重金屬響應機制存在差異[42],不能依據單一作物試驗結果推廣應用于其他農作物上。因此,針對不同農作物還需進一步開展不同鈍化材料的效果研究。

4 結論

(1)通過田間試驗證明,9種阻控措施處理供試玉米各部位干重、產量和生物性狀均高于CK,產量提高14.4%～32.3%,各處理增產能力表現為JGL

(2)供試玉米各部位Cd、Pb含量及相應BCF均表現為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部;9種阻控措施處理玉米籽粒Cd、Pb含量及相應BCF相較CK分別降低31.0%～65.5%、18.2%～59.1%以及33.2%～68.7%、16.8%～57.6%,不同處理供試玉米籽粒Cd、Pb含量及相應BCF均表現為CK>JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+;9種阻控措施處理供試玉米的土壤TCd和TPb分別介于11.0～23.1和109.9～218.0 mg·kg-1之間。

(3)筆者試驗條件中,FZS作為增產以及Cd、Pb阻控效果最好的鈍化材料,建議在Cd輕中度污染玉米產區(qū)推廣使用,FZS+(FZS與JGL)作為增產以及Cd、Pb阻控效果最好的的組合措施建議在Cd重度污染的玉米產區(qū)推廣使用。