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冬種綠肥對后茬土壤Cd有效性及水稻Cd積累的影響

2020-11-24 02:28譚長銀曹雪瑩王騰飛黃碩霈
湖南師范大學自然科學學報 2020年5期
關鍵詞:收獲期分蘗期紫云英

彭 曦,譚長銀*,曹雪瑩,王騰飛,柏 佳,黃碩霈

(湖南師范大學 a.資源與環(huán)境科學學院,b.環(huán)境重金屬污染機理及生態(tài)修復重點實驗室,中國 長沙 410081)

土壤重金屬污染可直接影響生態(tài)環(huán)境安全和農產品安全,并可通過食物鏈對人體健康造成潛在危害[1,2]。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示,我國耕地土壤重金屬點位超標率為19.4%,Cd點位超標率達7.0%,居八大超標金屬元素之首[3],南方酸性農田土壤Cd污染問題較北方嚴重[4]。農藝措施具有成本低、操作簡單、便于推廣的特點,在傳統(tǒng)農業(yè)生產實踐中,冬種綠肥是用于改善土壤肥力所采取的重要農藝措施之一。已有研究表明,添加綠肥能改變土壤理化性質,原位鈍化土壤(尤其是酸性土壤)中的重金屬,進而降低植物對重金屬的吸收[5-7],Li[8]和Mohamed[9]的研究表明,在酸性土壤中添加綠肥減少了水稻對Cd的吸收。因此,在南方重金屬污染稻田輪作休耕中,冬種綠肥并翻壓秸稈不失為一條能有效降低土壤Cd有效性和水稻吸收Cd的農藝措施。由于綠肥秸稈的物質組分(如腐殖酸組分)和分解速率、土壤的理化性質以及淹水環(huán)境等的差異,使不同綠肥還田對土壤Cd有效性和水稻Cd吸收的影響產生差異,因此,如何利用傳統(tǒng)的稻-肥輪作休耕制度來降低后茬土壤Cd有效性和水稻Cd積累而實現Cd污染農田的安全利用的問題值得深入研究。本研究通過盆栽試驗,探究冬種綠肥對后茬水稻種植前后4個時期的土壤理化性質、Cd有效性以及水稻Cd積累的影響,分析土壤有效態(tài)Cd、土壤Cd形態(tài)與水稻各部位Cd的關系,為篩選我國南方Cd污染稻田綠肥種植模式提供參考,為通過改變種植制度實現降低土壤重金屬的有效性和作物的安全生產提供理論依據。

1材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤:采自湖南省湘潭市易俗河鎮(zhèn)水稻收獲后的農田表層(0~20 cm),剔除植物殘體和石礫等,自然風干,過2 mm尼龍篩,備用。土壤pH為5.45,土壤有機質含量為23.00 g/kg,總Cd為0.50 mg/kg,為中輕度Cd污染土壤。

供試植物:水稻為湘早秈稻24號,紫云英為天緣四號,油菜為灃油958。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于玻璃溫室內進行,試驗設計了對照(冬閑)、冬種紫云英、冬種油菜3個處理,每個處理3個重復,每盆供試土壤4.5 kg(風干基)。第一茬,種植綠肥,第一年9月30日播種,土壤含水量保持田間持水量的70%~75%,第二年3月30日收獲,并采集土壤樣品,即為水稻種植前的樣品;第二茬,種植水稻(種植前將綠肥秸稈全部還田),采用幼苗移栽的方式,分別于第二年4月14日和8月10日種植和收獲,并在分蘗期、抽穗期和收獲期采集土壤和植物樣品。圖1為盆栽試驗示意圖。

圖1 盆栽試驗示意圖Fig. 1 Schematic diagram of pot experiment

1.3 樣品處理與分析測定

土壤樣品風干,過10 mm、60 mm和100 mm尼龍篩,備用。植物樣品按根、莖葉、殼、糙米分成不同部位,用自來水、去離子水洗凈,105 ℃殺青30 min,60 ℃烘干,用不銹鋼粉碎機磨碎,裝袋備用。

土壤pH采用pHs-3C雷磁酸度計測定;土壤有機質采用丘林法測定;土壤有效態(tài)Cd采用0.1 mol·L-1HCl浸提[10];土壤Cd形態(tài)采用歐共體參比司的三步提取法(BCR法)[11];土壤和植物采用CEM-MARS6微波消解儀消解。提取液中Cd質量分數的測定均用原子吸收光譜儀(Perkin-Elmer Pin AAcle.900T,USA)測定,并通過空白試驗和國家標準樣品(GBW07405和GBW07603)進行質量控制。

1.4 數據分析與統(tǒng)計

數據統(tǒng)計采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件完成,差異顯著性分析采用ANOVA中的Duncan多重比較法(P<0.05),相關分析采用Pearson雙變量相關分析,作圖采用Origin 9.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 水稻生長過程中土壤pH和有機質的變化

圖2表示水稻生長過程中土壤pH和有機質的變化。土壤pH先上升后下降,收獲期土壤pH顯著高于種植前(P<0.05),對照、冬種紫云英和冬種油菜的土壤pH最大值分別為6.12(抽穗期)、6.24(抽穗期)和5.92(分蘗期),因為分蘗期和抽穗期的土壤水分含量大于種前和收獲期,而土壤淹水或水分含量增加,提高酸性土壤的pH[12]。比較不同處理的土壤pH,冬種紫云英與對照在各時期無顯著差異,冬種油菜在分蘗期顯著高于對照,在抽穗期和收獲期顯著低于對照(P<0.05)。與冬種紫云英相比,冬種油菜的土壤pH在分蘗期顯著上升(上升了0.25個單位),抽穗期和收獲期顯著下降(分別下降了0.60和0.32個單位)。

注:小寫字母和大寫字母分別表示處理之間和時期之間的差異顯著(P<0.05),下同。圖2 水稻生長過程中土壤pH和有機質的變化 Fig. 2 Changes of soil pH and organic matter during the growth of rice

土壤有機質隨水稻種植時間的延長而減小,種植前至分蘗期,土壤有機質下降幅度大,對照、冬種紫云英和冬種油菜顯著下降(P<0.05),分別下降了28.67%,33.96%和21.69%,下降幅度冬種紫云英大于冬種油菜;分蘗期至收獲期,土壤有機質下降幅度小,對照、冬種紫云英和冬種油菜分別下降了11.59%,3.93%和16.57%,下降幅度冬種紫云英小于冬種油菜。比較不同處理的土壤有機質,除分蘗期冬種油菜顯著高于其他兩個處理外(P<0.05),其他時期土壤有機質在處理之間無顯著差異。

2.2 冬種綠肥對土壤Cd有效性和形態(tài)的影響

2.2.1 冬種綠肥對土壤Cd有效性的影響

圖3表示水稻生長過程中土壤有效態(tài)Cd的變化,水稻種植前,不同處理的土壤有效態(tài)Cd為0.32~0.40 mg·kg-1,水稻種植后,不同處理的土壤有效態(tài)Cd為0.16~0.21 mg·kg-1。比較不同時期的土壤有效態(tài)Cd,各處理分蘗期顯著低于種植前(P<0.05),收獲期(冬種紫云英除外)顯著低于分蘗期和抽穗期,即在水稻生長過程中土壤有效態(tài)Cd有兩次下降,以上結果與吳浩杰等[13]的研究結果相同。與種植前相比,對照、冬種紫云英和冬種油菜的分蘗期土壤有效態(tài)Cd分別下降了44.86%,44.32%和46.44%(均大于40%),而與分蘗期相比,對照、冬種紫云英和冬種油菜收獲期的土壤有效態(tài)Cd分別下降了17.14%,10.42%和15.07%(均小于20%),土壤有效態(tài)Cd的下降幅度為:種植前至分蘗期>分蘗期至收獲期。

圖3 水稻生長過程中土壤有效態(tài)Cd的變化Fig. 3 Changes of soil available Cd during the growth of rice

比較不同處理的土壤有效態(tài)Cd,冬種紫云英種植前、分蘗期和抽穗期的土壤有效態(tài)Cd顯著低于其他兩個處理(P<0.05),降低了22.91~82.12 μg·kg-1,與對照相比,水稻種植前、分蘗期和抽穗期分別降低了18.22%,17.39%和14.07%,與冬種油菜相比,水稻種植前、分蘗期和抽穗期分別降低了20.55%,11.47%和17.15%。冬種油菜抽穗期和收獲期的土壤有效態(tài)Cd高于對照(分別提高了3.72%和10.59%),但不顯著。結果表明,冬種紫云英可能降低后茬水稻土壤Cd有效性(收獲期除外),冬種油菜可能提高后茬水稻抽穗期和收獲期土壤Cd有效性。

2.2.2 冬種綠肥對土壤Cd形態(tài)的影響

圖4表示水稻生長過程中土壤Cd形態(tài)的變化,不同時期土壤Cd形態(tài)變化較大。與種植前相比,分蘗期,對照和冬種紫云英的土壤酸可溶態(tài)Cd沒有明顯變化,冬種油菜的土壤酸可溶態(tài)Cd則顯著下降(P<0.05),下降了10.66%,對照、冬種紫云英和冬種油菜的可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd均顯著下降(P<0.05),土壤可還原態(tài)Cd分別降低了30.19%,28.82%和18.31%,土壤可氧化態(tài)Cd分別降低了54.96%,49.61%和36.91%,Kogel-knabner[14]和Ponnamperumad[15]的研究表明,淹水條件下發(fā)生的還原反應消耗高價位的N,Fe,Mn和S等離子,從而降低土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd。土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd下降幅度均為對照>冬種紫云英>冬種油菜,說明冬種綠肥可能減弱淹水條件下土壤氧化還原電位的降低,從而限制土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd的降低。

圖4 水稻生長過程中土壤Cd形態(tài)的變化Fig. 4 Changes of Cd form in soil during the growth of rice

比較不同處理的土壤Cd形態(tài),對于土壤酸可溶態(tài)Cd,冬種紫云英在各時期顯著低于對照和冬種油菜(收獲期除外)(P<0.05),對照和冬種油菜在各時期差異不顯著;對于土壤殘渣態(tài)Cd,冬種紫云英在分蘗期和抽穗期顯著高于對照,在抽穗期和收獲期顯著高于冬種油菜(P<0.05);對于土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd,冬種綠肥降低了種植前土壤的可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd,其他時期處理之間沒有明顯差異(除抽穗期冬種紫云英顯著低于其他兩處理外)。差異顯著性分析表明,與對照相比,冬種綠肥可能降低后茬水稻種植前的土壤可還原態(tài)Cd和可氧化態(tài)Cd,而冬種紫云英能降低后茬水稻土壤酸可溶態(tài)Cd(收獲期除外)以及顯著提高分蘗期和抽穗期土壤殘渣態(tài)Cd。此外,相關分析表明,種植前、分蘗期和抽穗期的土壤有效態(tài)Cd與土壤酸可溶態(tài)Cd顯著正相關(P<0.01),相關系數分別為0.94,0.91和0.94,種植前、分蘗期和抽穗期的土壤有效態(tài)Cd與土壤殘渣態(tài)Cd則顯著負相關(P<0.01),相關系數分別為-0.95,-0.89和-0.93,相關分析說明冬種紫云英降低后茬水稻土壤有效態(tài)Cd可能與土壤Cd由酸可溶態(tài)向殘渣態(tài)轉化有關。

2.3 冬種綠肥對后茬水稻在不同時期吸收積累Cd的影響

圖5為水稻生長過程中各部位Cd的變化,由圖4可見,水稻各部位中的Cd質量分數大小表現為:根>莖葉>殼>糙米,馮雪敏[16]和彭華[17]等得到相同結果。比較不同時期的水稻各部位Cd,各處理水稻根和莖葉積累的Cd均為分蘗期>抽穗期>收獲期,水稻殼積累的Cd為抽穗期>收獲期(冬種紫云英除外),即表明隨著水稻的生長發(fā)育,水稻各部位積累的Cd逐漸減小。比較不同處理的水稻各部位Cd,與對照相比,冬種油菜的水稻各部位Cd在分蘗期顯著降低(P<0.05),而在抽穗期和收獲期有所提高(提高了0.01~1.67 mg·kg-1),抽穗期水稻根、莖葉和殼中的Cd分別提高了3.85%,76.26%,47.10%,收獲期水稻根、莖葉、殼和糙米中的Cd分別提高了23.44%,1747%,37.99%和6.98%。與對照相比,冬種紫云英的水稻各部位Cd在不同時期均顯著降低(P<0.05),分蘗期水稻根和莖葉中的Cd分別下降了71.34%和71.66%,抽穗期根、莖葉和殼中的Cd分別下降了60.84%,79.01%和77.14%,收獲期水稻根、莖葉、殼和糙米中的Cd分別下降了41.86%,70.78%,47.48%和70.04%。

圖5 水稻生長過程中水稻各部位Cd的變化 Fig. 5 Changes of Cd in different parts of rice during the growth of rice

2.4 冬種綠肥條件下土壤有效態(tài)Cd對水稻Cd積累的影響

表1為不同時期土壤有效態(tài)Cd和水稻各部位Cd的相關性。結果表明,分蘗期和抽穗期的水稻各部位Cd與土壤有效態(tài)Cd顯著正相關(P<0.01),收獲期水稻殼Cd與土壤有效態(tài)Cd顯著正相關(P<0.01),而水稻根、莖葉和糙米Cd與土壤有效態(tài)Cd呈正相關,但不顯著,其相關系數為:殼>糙米>根>莖葉。由于某時期土壤有效態(tài)Cd影響該時期水稻對Cd的吸收,故相關分析說明了水稻根和莖葉中的Cd可能主要來自分蘗期和抽穗期吸收的Cd,水稻殼中的Cd可能主要來自于抽穗期和收獲期,對于水稻糙米中的Cd,其與土壤有效態(tài)Cd、根、莖葉、殼中的Cd的相關系數分別為0.64,0.79,0.85和0.93,大小為殼>莖葉>根>土壤有效態(tài)Cd,表明糙米中的Cd可能主要來自水稻其它部位積累的Cd,其次來自其形成時水稻從土壤中吸收的Cd。研究表明,水稻從土壤中吸收Cd的關鍵時期是分蘗期和抽穗期。

表1 土壤有效態(tài)Cd和水稻各部位Cd的相關性

3 討論

3.1 紫云英和油菜秸稈的分解對土壤理化性質的影響

土壤有機質是一個逐漸分解有機化合物的連續(xù)體[18],周轉時間從天到千年不等[19]。添加秸稈后,有機質分解還未達穩(wěn)定平衡狀態(tài),秸稈種類和分解速率等會影響分解產物的性質,進而對土壤理化性質產生不同影響。本研究中,土壤有機質分蘗期之前的下降幅度大于分蘗期之后,反映了秸稈的分解速率為“前高后低”,與其他研究結果類似[20]。此外,分蘗期之前,冬種紫云英土壤有機質的下降幅度大于冬種油菜,而分蘗期之后相反,反映了紫云英秸稈的分解速率在分蘗期之前大于油菜秸稈,而在分蘗期之后小于油菜秸稈,可能是因為紫云英秸稈的C/N和難分解有機物含量小于油菜秸稈,而C/N低和木質素等難分解有機物含量小的秸稈更容易分解[21-23]。因此,在本研究中,冬種紫云英的土壤pH在分蘗期顯著低于冬種油菜,抽穗期和收獲期顯著高于冬種油菜。究其原因,分蘗期之前,紫云英秸稈分解速率大于油菜秸稈,淹水條件下紫云英秸稈厭氧分解產生有機酸[24,25]或含高氧化碳的羧酸大于油菜秸稈,降低了土壤pH,而分蘗期之后相反。

3.2 不同時期土壤有效態(tài)Cd對水稻Cd積累的影響

在本研究中,與對照相比,冬種紫云英顯著降低了后茬水稻對Cd的積累,冬種油菜提高了后茬水稻對Cd的積累。究其原因:一是秸稈還田后不同秸稈的物質組分和分解速率的差異,可能使土壤的理化性質和土壤Cd有效性產生不同的變化;二是分蘗期和抽穗期可能是水稻從土壤中吸收Cd的關鍵時期,與陳銓榮的研究結果相同[26]。因此,與對照相比,冬種紫云英通過顯著降低分蘗期和抽穗期的土壤有效態(tài)Cd,從而顯著降低收獲期水稻各部位Cd質量分數,與王陽的研究結果相同,紫云英還田能降低成熟期水稻地上地下部位Cd[10],而冬種油菜則提高了抽穗期和收獲期的土壤有效態(tài)Cd,從而提高了收獲期水稻各部位Cd質量分數。

4 結論

(1)冬種綠肥后茬水稻生長過程中,土壤pH和有機質變化明顯且其變化在處理之間存在差異。分蘗期之前,冬種紫云英的土壤有機質下降幅度大于冬種油菜,分蘗期之后相反。

(2)冬種綠肥可能通過改變土壤pH和土壤Cd形態(tài)影響土壤Cd有效性,與對照相比,冬種紫云英能降低后茬土壤Cd有效性,冬種油菜能提高分蘗期之后的土壤Cd有效性。試驗條件下,水稻從土壤中吸收Cd的關鍵時期是分蘗期和抽穗期,因此,阻控水稻對土壤Cd的吸收的關鍵時間段應放在水稻的分蘗期至抽穗期。

(3)與對照相比,冬種紫云英處理顯著降低后茬水稻各部位Cd質量分數,下降幅度均大于40%;冬種油菜處理提高分蘗期之后的水稻各部位Cd質量分數。在一定程度上說明在Cd污染稻田輪作休耕中可采取冬種紫云英來降低土壤Cd有效性,從而實現水稻的安全生產。

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