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9種土壤改良劑單施對稻米中Cd含量的影響研究

時間:2020-04-23 來源:安徽農業科學 作者:李祥,張昊,陳楠,楊慧 本文字數:6400字

  摘    要: 為實現鎘污染稻田的安全生產,通過野外田間小區試驗,探究9種土壤改良劑對稻米中Cd含量的影響。結果表明:與空白對照相比,添加9種土壤改良劑均能降低水稻各器官Cd含量及水稻根和米Cd吸收系數,但不同土壤改良劑對土壤pH影響卻不同;其中添加石灰、硅肥、鎂肥、赤泥和鈣鎂磷肥對水稻根和米中Cd吸收系數降幅較大,效果較好。該研究可為土壤改良劑的復合配施提供數據支撐。

  關鍵詞: 土壤改良劑; Cd污染稻田; 安全生產;

  Abstract: In order to achieve safe production of cadmium-contaminated paddy fields, the effects of nine soil amendments on Cd content in rice were investigated through field plot experiments. The results showed that: Compared with the blank control, the addition of nine soil amendments could reduce the Cd content of all organs of rice and the Cd absorption coefficient of rice roots and rice, but different soil amendments had different effects on soil pH. The addition of lime, silicon fertilizer, magnesium fertilizer, red mud and calcium magnesium phosphate fertilizer has a large decrease in the Cd absorption coefficient of rice roots and rice, and the effect is better. This study could provide data support for the compounding of soil amendments.

  Keyword: Soil amendments; Cadmium contaminated rice fields; Safe production;

  水稻是重金屬鎘的易富集植物。農田鎘污染會導致稻米中鎘含量超標。鎘是腎毒性物質,滯留在人體中會引發腎結石以及腎功能衰竭等病癥,也會增加癌癥風險。j?rup等[1]研究還發現,鎘對吸煙者腎臟有更高的損害。稻米作為被人類直接食用的糧食,其安全與否直接關系到人類生命安全。因此,降低稻米中鎘含量是我國急需解決的重大糧食安全問題。

  農田施用土壤改良劑是對土壤環境中重金屬進行鈍化阻隔,其原理是改變土壤中重金屬的形態和降低重金屬的活性,從而減少水稻對重金屬的吸收,以達到污染農田安全利用的目的。根據對重金屬的不同作用機理,土壤改良劑可分為堿性物質、元素拮抗物質、沉淀物質、有機物、吸附物質和中微量元素肥料等。

  目前,國內外已在水稻Cd污染治理方面作了大量研究。在稻田中施用石灰[2,3]、赤泥[4]和鈣鎂磷肥[5]可以在提高土壤pH值的同時,實現土壤重金屬由有效態向某些潛在有效態或無效態的轉變。鋅和鎘之間有相似的化學性質,有研究表明[6],Zn可以與土壤中Cd競爭植物根系上的活性位點,從而對植物吸收積累鎘造成影響。陳惠君[7]研究發現,部分磷肥可以與土壤環境中的鎘結合形成遷移性較低的磷酸鎘鹽。硅肥[8,9]、鐵肥[10]、錳肥[11]和鎂肥[12]都可以降低稻米中Cd含量,還是植物生長過程中需要的營養元素。然而,長期施用單一無機肥料,會造成一系列的農業環境問題。在新的歷史階段下,土壤改良劑的配合施用是發展綠色農業的重要舉措之一[13]。通過對大田小區單獨施用石灰、鎂肥、硅肥、磷肥、鋅肥、錳肥、鐵肥、赤泥以及鈣鎂磷肥,研究9種土壤改良劑單施對稻米中Cd含量的影響,評價9種土壤改良劑對稻田安全生產的效果,為土壤改良劑的復合配施提供數據支撐。
 

9種土壤改良劑單施對稻米中Cd含量的影響研究
 

  1 、材料與方法

  1.1、 試驗區概況

  試驗區位于湖南省瀏陽市焦溪鄉某中輕度Cd污染稻田。試驗區屬于亞熱帶季風濕潤氣候,光照充足,降雨充沛,年平均氣溫16.7~18.2 ℃,年降水量1 457~2 247 mm。試驗區土壤(0~20 cm)基本理化性質見表1,土壤環境中Cd含量超過土壤環境質量標準Ⅱ級標準,屬于中度重金屬Cd污染稻田。

  1.2 、供試材料

  供試水稻為陵兩優268,秈型兩系雜交水稻,全生育期約112.2 d。

  供試石灰從當地石灰廠購買,赤泥從河南長興實業有限公司購買,其余土壤改良劑均從市場購買。

  1.3 、試驗設計

  采用野外大田小區試驗,每個小區面積為3.0 m×6.4 m=19.2 m2。每個小區由水泥田埂隔開,以防串水,并采用單排單灌,防止添加物互相影響。使用石灰、赤泥、硅肥、鈣鎂磷肥、鎂肥、鐵肥、鋅肥、錳肥以及磷肥9種土壤改良劑進行單施研究,每個處理在野外設置3個平行,每個平行設置空白對照1個,具體設計處理見表2。在拋秧前3 d將土壤改良劑施入試驗小區中并使用耙混勻靜置,其他按當地水稻種植習慣進行田間管理,如追肥、除草、除蟲、灌溉等。

  表1 土壤基本理化性質
表1 土壤基本理化性質

  

  表2 試驗設計
表2 試驗設計

  1.4、 樣品采集與分析

  1.4.1、 土壤樣品采集與預處理。

  在施入土壤改良劑前,對整塊田采用五點梅花采樣法采取5個基礎土壤樣品(0~20 cm)。待水稻成熟后,每個小區采5個土壤樣品(0~20 cm)混合后裝入自封袋帶回實驗室,隨后立即放置于陰涼、通風處自然風干,研磨、過篩(0.149 mm)后備用。

  1.4.2、 植物樣品采集與預處理。

  待水稻成熟時,采取水稻植物樣品。每個小區內隨機采取3~5兜植物,用自來水洗凈泥土,稻穗剪下裝入網袋中曬干并編號。根、莖葉分開后,裝入牛皮紙袋并編號后置于105 ℃烘箱內殺青2 h,然后再65 ℃烘至恒重。曬干的稻谷用礱谷機將米殼分離。根、莖葉、殼、米粉碎后過篩(0.149 mm)備用。

  1.4.3、 測定方法。

  土壤pH采用電位法(水土比按2.5∶1)測定。土壤樣品和植物樣品用混合酸[土壤樣品,王水∶高氯酸(HClO4)=5∶1;植物樣品,HNO3∶HClO4=4∶1][14]在快速消解儀(EHD36,美國Labtech)上消解、過濾、定容后,用于測定重金屬含量。為了確保試驗準確性,每批樣品消解時設2個空白樣和2個質控樣品[國家標準參比物質GBW07605(GSS-5)]。消煮液中Cd含量在0.1 mg/kg以上的樣品用ICP-OES(美國PerkinElmer,Optima8300)測定,Cd含量在0.1 mg/kg以下的樣品用石墨爐原子吸收分光光度計(美國VARIAN,AA240FS+GTA120)測定。試驗所用試劑均為優級純,試驗所用器皿在濃度為5 %硝酸的酸桶中浸泡后用去離子水洗凈烘干后使用。

  1.5 、數據處理

  用Microsoft Excel 2013進行數據處理,用SPSS19.0相關統計分析。

  2、 結果與分析

  2.1、 土壤改良劑對土壤pH的影響

  添加不同土壤改良劑對土壤pH產生了不同的影響。與CK相比,石灰、赤泥和鈣鎂磷肥顯著提高了土壤pH,而其余處理沒有顯著差別(P<0.05)。與CK相比,石灰、硅肥、赤泥和鈣鎂磷肥提升了土壤pH,提升范圍在0.05~0.60,鎂肥、磷肥、鋅肥、錳肥和鐵肥降低了土壤pH,降低范圍在0.01~0.12。所有處理中石灰對土壤pH的提升最高,磷肥的提升最低。

  圖1 土壤改良劑對土壤pH的影響
圖1 土壤改良劑對土壤pH的影響

  Fig.1 Effects of soil amendment on soil pH

  2.2、 土壤改良劑對稻田土壤和水稻各器官中Cd含量的影響

  成熟期稻田土壤和水稻各器官中Cd含量見表3。與CK相比,添加土壤改良劑可降低了水稻各器官中Cd含量,且不同處理降幅不同。從表中可知,無論是否施用土壤改良劑,成熟期水稻各器官中Cd含量呈現相似的規律:根>莖葉>殼>米,并且米、殼和莖葉中Cd含量遠遠低于根。

  與CK相比,石灰、鋅肥、錳肥、鎂肥、赤泥和鈣鎂磷肥均能顯著降低水稻根部Cd含量,降幅范圍在26.89%~57.23%。而鐵肥、磷肥和硅肥對水稻根部Cd含量降低效果不明顯。其中,石灰對水稻根部Cd含量降低效果最好,降幅為57.23%,而鐵肥降低水稻根部Cd含量效果最差。

  錳肥、磷肥和硅肥對水稻莖葉中Cd含量降低效果不明顯。其余土壤改良劑均能顯著降低水稻莖葉中Cd含量,降幅范圍在21.08%~43.63%。其中,石灰效果最好,降幅為43.63%,而磷肥效果最差。除磷肥外,其余土壤改良劑均能顯著降低水稻殼和稻米中Cd含量。其中石灰效果最好,降幅分別為43.44%、46.67%,而磷肥效果最差。

  表3 成熟期稻田土壤以及水稻各器官中Cd含量
表3 成熟期稻田土壤以及水稻各器官中Cd含量

  
  注:同列不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上差異顯著

  Note:Different lowercase letters in the same column stand for significant differences between different treatments at 0.05 level

  2.3 、土壤改良劑對稻米和水稻根部Cd吸收系數的影響

  表3可見,各處理的小區土壤Cd含量存在一定差異。為削減土壤Cd含量不同對各土壤改良劑施用效果對比的干擾,進一步對根部和稻米的Cd吸收系數進行分析討論。成熟期水稻稻米、根部對Cd的吸收系數如表4中所示。與CK相比,添加土壤改良劑對水稻稻米及根部的Cd吸收系數有不同程度的降低。并且在所有處理中,水稻根部Cd的吸收系數比稻米Cd吸收系數要大得多。

  石灰、鎂肥、硅肥、錳肥、赤泥和鈣鎂磷肥均能顯著降低水稻根部Cd吸收系數,降幅為22.81%~49.77%。磷肥、鋅肥和鐵肥對水稻根部Cd吸收系數沒有顯著影響。石灰降低水稻根部Cd吸收系數效果最好,降幅為49.77%,而鐵肥效果最差。

  石灰、鎂肥、硅肥、赤泥和鈣鎂磷肥均能降低水稻米中Cd吸收系數,降幅為23.81%~38.10%。磷肥、鋅肥、錳肥和鐵肥對水稻米中Cd吸收系數降低效果不顯著。所有處理中,石灰效果最好,降幅為38.10%,而磷肥效果最差。

  表4 成熟期水稻根部和米中Cd吸收系數
表4 成熟期水稻根部和米中Cd吸收系數

  注:同列不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上差異顯著

  Note:Different lowercase letters in the same column stand for significant differences between different treatments at 0.05 level

  3、 結果與討論

  不同的土壤改良劑對成熟期稻田土壤pH產生了不同的影響。石灰、赤泥和鈣鎂磷肥能夠顯著提升土壤pH,這是因為三者均為堿性材料。磷肥顯著降低了土壤pH,可能是該研究施用磷肥主要成分為(NH4)2HPO4,一方面其中所包含的H+進入土壤中降低了土壤pH,另一方面可能由于NH4+發生了硝化作用,從而降低了土壤pH[15]。鎂肥、硅肥、鋅肥、錳肥和鐵肥對土壤pH影響不大,但鎂肥、鋅肥、錳肥和鐵肥用量較低,其在較高施用量條件下對土壤pH的影響有待進一步研究,而硅肥中主要成分為SiO2,其對土壤pH的影響不大。

  該研究結果表明,與CK相比,該研究中所施用的土壤改良劑均對成熟期水稻中根、莖葉、殼、米中Cd含量以及水稻根部和稻米Cd吸收系數有不同程度的降低,說明這9種改良劑是降低稻米Cd含量的有效手段。石灰、赤泥、鈣鎂磷肥和硅肥能夠降低稻米Cd累積的原因可能是,一方面添加這幾種土壤改良劑提高了土壤pH,降低了土壤中Cd的生物有效性,從而減少植物吸收累積Cd含量;另一方面,添加石灰、赤泥、鈣鎂磷和硅肥能夠為土壤提供鈣、鎂、鐵、錳、磷和硅等元素,而這些元素或是與土壤中Cd存在拮抗作用,或是能夠增強植物生理功能,從而降低稻米中Cd的累積[16,17,18]。添加鎂肥、磷肥、鋅肥、錳肥和鐵肥雖然降低了土壤pH,但是該研究所用鎂肥、鋅肥、錳肥和鐵肥成分中均含有硫元素,在淹水條件下S主要以S2-形式存在,而S2-能夠與Cd2+形成CdS沉淀,降低了土壤中Cd的遷移能力[19]。通過施用磷肥增加土壤中P的濃度,能夠促進土壤中Cd2+以磷酸鹽形式沉淀,降低土壤中Cd的生物有效性[20]。

  通過土壤改良劑對水稻根部和米中Cd吸收系數影響的研究分析發現,與CK相比,石灰、鎂肥、硅肥、赤泥和鈣鎂磷肥能夠顯著降低水稻根部和米中Cd吸收系數,說明這5種材料在所研究施用量下效果更優于鋅肥、鐵肥、錳肥和磷肥。與CK相比,添加錳肥能夠顯著降低水稻根部Cd吸收系數,而對水稻米中Cd吸收系數沒有顯著影響,這可能與Mn在根表的物理化學行為和植物體內的活動有關。覃都等[21]研究發現,水稻根系在吸收Mn和Cd上存在顯著的拮抗作用,但2種水稻材料地上部的Cd含量卻隨著培養液中Mn含量的提高而顯著增加。也有研究表明[22],在根際鐵錳氧化物中Mn相對含量增加可導致水稻地上部Cd含量大幅增加,兩者存在顯著的正相關,但與根系中的Cd含量無顯著相關,其機理也待進一步研究。

  一般情況下,植物各部位的Cd含量與植物各部位的吸收系數緊密相關。在該研究中鋅肥能夠顯著降低水稻各器官中Cd含量,而對水稻根部Cd吸收系數以及米中Cd吸收系數的降低效果不顯著,可能是由于田間試驗中各個小區中Cd含量分布不均勻,而土壤中Cd含量是影響水稻吸收Cd的重要因素之一。土壤中Cd含量與植物體內Cd含量呈正相關,鋅肥處理小區與其他小區相比土壤Cd含量平均值較低,從而造成了結果差異。因此,進行土壤改良劑的施用對降低稻米中Cd含量效果進行評估時,不應當僅對稻米中Cd含量進行檢測,還應同時對遷移系數指標進行檢驗。

  為實現鎘污染稻田的安全生產,使用土壤改良劑是一種有效的方法。盡管,石灰對稻米中Cd含量影響最大,但長期使用石灰不僅會對土壤肥力有一定的影響,還會影響水稻對一些營養物質的吸收,甚至降低水稻的產量[23]。因此,對9種土壤改良劑在常規施用量下對稻米Cd含量影響的研究是農田無機肥配合施用的前提,為農田持續性發展提供理論支撐。

  4、 結論

  (1)添加土壤改良劑能夠降低水稻成熟期各器官以及水稻根部和米中Cd吸收系數,但添加不同土壤改良劑對土壤pH有不同影響。

  (2)添加石灰、赤泥和鈣鎂磷肥能夠顯著提高土壤pH,而其他土壤改良劑對土壤pH影響不大。相比其余土壤改良劑,添加石灰、硅肥、鎂肥、赤泥和鈣鎂磷肥對水稻根和米中Cd吸收系數降低效果更好,與CK相比達到顯著差異水平(P<0.05)。

  (3)在進行野外田間試驗時,土壤Cd含量分布不均勻可能會對結果造成一定影響,因此在探究土壤改良劑對水稻Cd吸收累積效果時,植物體對Cd的吸收系數比植物體Cd的含量更有參考價值。

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