2019, Vol. 38
2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081;
3. 湖南省农业环境生态研究所, 长沙 410000
2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. Hunan Institute of Agro-Environment and Ecology, Changsha 410000, China
近年来, 受污染物排放量增加、部分地区超标排放等因素的影响, 我国农田污染呈加剧的趋势, 局部治理、整体下降的态势较严重, 其中重金属污染尤为严峻[1-2]。据2014年发布的"全国土壤污染状况调查公报"显示, 我国有16.1%的土壤存在不同程度污染, 其中轻微、轻度、中度和重度污染分别占11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[3-4], 受镉污染的土壤即达到7.0%。重金属污染是土壤无机污染最主要的形式, 而湖南又是受镉污染较严重、报道较多的省份, 且其中又以水稻所受的影响最大, 因此, 镉污染稻田安全利用也受到了更多关注[5]。据报道, 近年来亚洲地区稻田重金属、尤其是镉污染面积不断扩大[6], 已成为制约水稻可持续发展的重要因素。有研究认为, 土壤pH和有机质含量决定了镉的活性和生物有效性[7], 土壤中微量元素的含量也直接或间接影响镉的活性和生物有效性[8]。因此, 常用碱性物质(如石灰、钙镁磷肥等)或有机物(如腐植酸等)作为钝化剂来降低土壤中镉的活性和生物有效性。石灰作为最常用的化学改良剂, 它能提高土壤pH, 促进重金属形成碳酸盐、氢氧化物沉淀等, 从而降低土壤中镉的有效性、减少植物对镉的吸收[9]。钙镁磷肥中的磷可通过溶解、沉淀等过程与污染土壤中的镉相互作用, 降低土壤镉的生物有效性[10], 并改变土壤中镉的形态分布, 促使镉从交换态向碳酸盐结合态和氧化锰结合态转化[11]。有机质对重金属离子的吸附和络合作用, 可在一定程度上促进重金属由高活性态向低活性态转化[12]。目前, 在上述物质单独利用及其效果研究方面已进行过相关研究, 并得出了有价值的结论, 本研究在已有研究的基础上, 针对镉污染稻田晚稻调控难度大等问题, 应用大田试验的方法, 研究了上述物质配合施用对土壤镉有效性及晚稻吸收镉的影响, 为镉污染稻田安全利用和水稻(特别是晚稻)安全生产提供依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试水稻品种为盛泰优018, 它是一种广泛种植于我国南方的杂交稻品种, 购自中化集团洞庭高科股份有限公司; 有机肥为菜饼有机肥, 购自湖南金叶肥料有限公司; 生石灰、钙镁磷肥等改良剂均为购自市场的成品, 其中钙镁磷肥主要成分为Ca3(PO4)2、CaSiO3、MgSiO3。试验用化学肥料还包括尿素(N ≥ 46.0%)和氯化钾(K2O ≥ 60.0%)。
1.2 试验方法 1.2.1 研究区概况试验地点位于地处长江中游亚热带地区的湖南省湘阴县原种场, 年平均气温17℃, 年平均降雨量1393 mm, 全年日照时数1399~2050 h。供试土壤为河湖沉积物发育的水稻土, 土壤有机质28.4 g·kg-1, 总镉和有效镉分别为0.85 mg·kg-1和0.40 mg·kg-1, 速效磷、速效钾和总氮分别为4.35、92.57 mg · kg-1和0.81g·kg-1, pH 5.5。
1.2.2 试验设计试验共设6个处理, 分别为CK(不施肥料)、NPK (施用尿素、钙镁磷肥和氯化钾)、NPKL(NPK+生石灰)、M(施用有机肥)、ML(有机肥+生石灰)、NPKML (NPK+有机肥+生石灰), 每个处理3次重复, 小区随机区组排列(图 1)。试验小区长6 m、宽5 m, 面积30 m2, 为防止肥水等的串联, 小区间田埂用塑料薄膜覆盖, 高度30 cm, 各小区分别排灌。
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图 1 小区试验分布图 Figure 1 The layout of field plot experiment |
水稻于2016年6月中旬播种, 7月中旬移栽, 各处理晚稻季施用肥料总量见表 1。石灰于水稻移栽前4 d旋耕时撒施, 基肥于水稻移栽前2 d撒施, 基追肥比列为氮肥5:5、磷肥1:0、钾肥5:5, 7月下旬追施尿素, 8月上旬追施钾肥。为了验证不同处理年际效应, 2017年连续种植, 各处理设置与2016年相同。
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表 1 试验各处理肥料施用量(kg·hm-2) Table 1 Fertilizers application quantity in different treatments(kg·hm-2) |
水稻收割后(田块落干)利用土钻(赛亚斯, SYKCY1)采集0~20 cm土壤样品, 经风干后取适量土壤磨细过1 mm和0.25 mm筛, 留存备用。晚稻生长期间按相关方法记录生长数据, 收割后采集植株样用超纯水清洗, 105℃杀青30 min, 70℃下烘干至恒质量; 同时采集稻谷样, 经风干后脱壳研磨过1 mm筛, 留存备用。
土壤pH用pH计测定(水土比5:1), 有机质用重铬酸钾氧化还原滴定法测定[13], 全镉采用HCl-HNO3- HF-HClO4消煮、有效镉用DTPA浸提, 消煮液和浸提液中的镉用原子吸收分光光度法测定[13]。稻米和植株总镉含量用微波消解-原子吸收分光光度法测定[9]。为了保证消煮和测定过程的准确性, 加入土壤标准物质GBW07404(GSS-4)进行质量控制, 植株则加入已知浓度的硝酸镉并设置样品重复, 回收率在93.7%~99.12%之间。
1.4 数据分析所得数据用Excel 2010进行试验数据整理, 采用SPSS 19.0进行方差分析(ANOVA)和Pearson相关性分析, 用Sigma Plot 12.5软件作图。
2 结果与分析 2.1 不同处理对水稻产量及稻谷品质的影响不同处理之间由于生石灰、有机肥等施用的差异, 导致水稻生长具有相应的差别, 并对水稻产量构成了相应的影响(图 2), 其中ML和NPKML处理2017年水稻产量相比于2016年均显著提高, 分别增加了9.2%和6.3%, 而其他处理2017年产量接近或低于2016年。
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不同大写字母代表相同处理不同年份间的差异显著(P < 0.05), 不同小写字母代表相同年份不同处理间的差异显著(P < 0.05), n=3 Values are means(n=3)with standard error. Different capital letters indicate significant differences between two years of the same treatment at P < 0.05 and different lowercase letters indicate significant differences between different treatments of the same year at P < 0.05 Figure 2 Yield of late-rice of different treatments |
不同处理对稻谷主要品质指标亦具有一定影响(表 2)。与CK相比, 其他处理稻谷的出糙率和精米率均有所增加, 其比例分别为1.0%~1.7%和0.7%~ 1.9%, 但仅M处理下稻谷的出糙率与CK之间差异显著(P < 0.05)。不同处理对稻米透明度无影响, 但显著影响稻米的整精米率、垩白粒率、垩白度, 其中整精米率以M最高, 达68.4%;垩白粒率以NPKL最高, 达18%, NPKML最小, 仅8%, 这两种处理与CK均具有显著差异(P < 0.05), 而其他处理与CK差异均不显著; 各处理米粒的垩白度均显著低于CK(P < 0.05), NPKML最低, M和NPK次之。除NPK处理外, 其他处理稻米直链淀粉含量均较CK显著增加(P < 0.05)。不同处理下稻米胶稠度的变化不一, M和NPKML处理增加, 其他处理则均显著降低(P < 0.05)。可以看出, 由于不同处理物质投入等的差别, 导致稻米相关品质特性也出现了相应变化。
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表 2 不同处理对稻谷主要品质的影响 Table 2 Effects of different treatments on the quality of rice |
土壤pH是土壤重要的理化性质, 由表 3可知, 不同处理下土壤pH年际变化存在差异性, 2016年各处理之间的pH无显著差异, 经过两年的连续种植、施肥和调理剂的耦合作用, 2017年不加生石灰的CK、NPK和M处理的pH年际和处理间均显著降低, 其余处理的pH无显著变化。2016年有机质含量除M与NPK- ML之间有显著差异外, 其余各处理间并没有显著性的差异, 2017年各处理间同样没有显著性的差异, 但是较2016年NPKL、M和ML处理有机质含量有显著提高。土壤总氮与速效磷的含量变化与有机质的变化相类似, 2017年较2016年都有增加的趋势, 2017年所有处理的总氮含量较CK处理都有增加; 土壤速效磷各处理较CK均有所增加, 但只有ML处理最为显著。土壤速效钾含量的变化规律与上述营养元素并不一致, 其中有机肥加石灰即ML处理较2016年显著降低, 其他处理年际间没有显著差异。
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表 3 2年中不同处理对土壤理化性质的影响 Table 3 Effect of different treatments on the chemical properties of the soil after two years |
如表 4所示, 2017年施用石灰的NPKL、ML和NPKML处理中土壤有效镉含量较上一年分别下降了19%、18%和17%, 差异显著(P < 0.05)。对于稻米籽粒中镉含量, 2017年施用石灰的NPKL、ML和NPKML处理与2016年相比分别下降了42%、35%和48%, 差异显著(P < 0.05), 其中NPKML处理2017年稻米籽粒镉含量接近国家限定稻米镉含量0.2 mg·kg-1标准, 但其他处理均高于或显著高于该标准。
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表 4 不同处理对土壤有效镉和稻米镉含量的影响(mg·kg-1) Table 4 Effect of different treatments on soil available cadmium content and rice cadmium content during two years(mg·kg-1) |
由表 5可知, 稻米镉含量变化与土壤有效镉显著正相关(r=0.787**), 与土壤pH呈显著负相关(r=-0.446**)。表明稻米镉含量受土壤中镉的活性及其生物有效性的影响, 而根据2017年对土壤有效镉含量与pH的分析结果并求其相互关系, 发现两者间呈极显著负相关, Y=-0.39X+2.67(R2=0.57, P < 0.01)。
3 讨论 3.1 土壤有机质、pH和钙对土壤镉有效性的影响土壤pH的升高会改变土壤胶体颗粒表面可变电荷性质, 增加土壤胶体表面吸附点位, 有利于重金属的吸附[14]; 同时, 有利于土壤中重金属离子与OH-、CO32-等阴离子形成氢氧化物或碳酸盐沉淀, 从而进一步降低重金属的生物有效性[15-16]。Lombi等[17]研究石灰对重金属形态的影响发现, 向土壤中添加石灰会显著降低可交换态镉、锌含量, 碳酸盐结合态含量分别升高2.8倍和2.1倍, 显著降低了土壤中镉、锌的生物有效性。本研究结果显示, 添加钙镁磷肥、生石灰与有机肥处理的土壤pH均有不同程度升高, 其中添加生石灰的处理pH上升明显, 钙镁磷肥与有机肥次之。有研究指出, 土壤中添加碱性物质能够增加土壤pH, 从而降低重金属的活性及生物有效性[15]。本研究表明, 经过两年培肥后添加石灰处理的有效镉含量有所下降, 且均低于其他处理, 说明土壤pH高低可以间接作为判断重金属有效性的基本指标, 可以通过提高土壤pH阻控重金属的生物有效性。这与前人研究结果一致。
土壤有机质是土壤固体的重要组成部分, 是作为土壤肥力的重要指标, 增加土壤有机质有利于提高土壤的缓冲能力和自净能力, 为植物生长提供养分并降低污染物的生物毒性[18]。Pardo等[19]研究表明, 猪粪堆肥与熟石灰联合施用能够显著降低表土层与土壤孔隙中镉的含量, 且适度降低了5~12 cm之间土层的镉含量。本研究结果表明, 添加有机肥能够显著提高土壤有机质含量, 且有机质含量与有机肥添加量变化一致; 单施有机肥、有机肥与生石灰或有机肥与化肥、生石灰配施均不同程度降低了土壤中有效镉的含量, 但是差异并不显著, 说明有机肥添加对土壤有效镉含量影响不大, 这可能与有机肥添加量或有机肥本身的性质有关。
钙离子是作物生长的必需元素之一, 是多种酶的组分和激活剂, 可以参与细胞的黏度、弹性和渗透性以及细胞壁的构建, 维持细胞的正常生理活动, An- dersson等[20]认为钙可以与镉竞争植物根系上吸收位点, 汪洪等[21]研究表明钙离子可以在一定程度上缓解玉米受镉的毒害。本试验中, 连续施用两年的石灰和钙镁磷肥, 均在不同程度上减少了水稻籽粒中镉的含量。同时, 钙离子作为土壤的盐基离子之一, 可以与镉离子竞争土壤中黏土矿物、氧化物以及有机质上的阳离子交换吸附位点[22]。宋正国等[23]认为钙与镉具有相似的化学性质, 是土壤中镉吸附位点的主要竞争者, 当吸附体系中钙、镉共存时, 钙可明显降低土壤矿物对镉的吸附。Naidu等[24]用钠离子作为阳离子来研究镉的吸附, 与钙相比, 钠离子对镉的吸附是钙离子的2倍。本文中施用的生石灰会向稻田中带入大量的钙, 一方面降低植物吸收镉的能力, 另一方面减少镉在土壤中的有效性。
土壤-植物系统中镉的转运过程、植物体内镉的再分配过程, 以及稻米中镉的累积过程都是控制镉迁移转化的可能机理[25]。水稻籽粒中镉含量对不同处理条件下的变化响应不一致, 本研究结果表明, 单施有机肥增加了稻米中镉含量, 添加石灰的处理均显著降低了稻米中镉的含量。这可能是由于单施有机肥提高了土壤中有效镉的含量, 增加了水稻对镉的吸收, 从而增加了稻米中镉的累积。由相关性分析可知(表 5), 稻米中镉累积量与土壤有效镉含量之间呈显著正相关, 说明提高土壤有效镉含量对稻米中镉的累积有促进作用。
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表 5 稻米镉含量与土壤理化性质的Pearson相关性系数 Table 5 Pearson's correlation coefficients of rice cadmium content and the chemical properties of soil |
化肥与有机肥施用对土壤养分平衡和作物生长均具有显著影响, 但不同性质肥料的养分输入量对土壤养分状况和作物产量及品质的影响效果不同[26]。张国荣等[27]研究有机肥与化肥氮磷钾配合施用对水稻产量的影响, 发现长期施用化肥、以及与有机肥配施均有利于提高土壤速效氮、磷、钾以及有机质的含量, 但施用化肥对土壤有机质的累积并没有很明显的促进作用。同样, 本文单施化学肥料(NPK和NPKL)虽可提高土壤中速效养分含量, 但是有机质含量并没有显著提高。刘晓卡等[28]研究表明黄腐酸有机肥能够促进植株生长和分蘖发生, 提高每穗总粒数和结实率, 但对千粒重基本无影响, 对产量贡献不大。本研究结果显示, 施用化肥、有机肥和化肥与有机肥配施均增加了水稻产量, 其中施用化肥对水稻增产效果最佳。这可能是由于化肥施用迅速提高了土壤中速效养分含量, 从而增加水稻对养分的吸收; 而有机肥中速效养分相对低, 促进作用不显著[29]。
有机肥处理(M、ML和NPKML)可以有效改善稻米的品质(表 2), 这可能是由于施用有机肥提高了土壤供肥性能、中微量元素含量等, 从而促进水稻生长和养分均衡等。王鹏等[30]研究表明, 施用生物菌肥能够提高稻米籽粒的长宽比, 显著降低垩白粒率和垩白度, 增加稻米的胶稠度、粗脂肪含量和直链淀粉含量, 提高了稻米的食味值, 改善了稻米的食用品质。但是有机肥料中的生石灰与钙镁磷肥等不同改良剂施用对水稻生长和稻谷品质的影响不大。
4 结论(1) 单施有机肥提高了土壤有效镉和稻米中镉含量; 有机肥配施生石灰、钙镁磷肥及单施生石灰与钙镁磷肥均降低了土壤有效镉与稻米中镉含量, 且钙镁磷肥、生石灰、有机肥三者配施效果最佳。
(2) 施用化肥、有机肥和化肥有机肥配施均增加了水稻产量, 其中施用化肥对水稻增产效果最佳; 生石灰与钙镁磷肥等不同改良剂施用对水稻生长和稻谷品质的影响不大。
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