楊梢娜， 楊佳恒， 林林

(1.舟山市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 舟山 316021； 2.舟山市優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)中心，浙江 舟山 316021)

隨著城市化發(fā)展、工礦產(chǎn)業(yè)開發(fā)、集約型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速推進(jìn)，耕地土壤中重金屬問題越來越嚴(yán)重[1]。大部分農(nóng)作物極易吸收和積累重金屬，甚至超出安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了糧食安全生產(chǎn)和人類健康[2]。根據(jù)我國生態(tài)環(huán)境部和自然資源部2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公告》顯示，我國受重金屬污染的耕地約2 000萬hm2，約占總耕地面積的1/5，其中Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率居所有無機(jī)污染物之首，為7.0%[3-4]。Cd的毒性取決于其在土壤中的生物有效性，目前主要通過原位修復(fù)技術(shù)對(duì)Cd超標(biāo)農(nóng)田進(jìn)行修復(fù)，以保證受污染耕地能安全利用。

當(dāng)前我國主要利用表面吸附、溶解沉淀、氧化還原、有機(jī)絡(luò)合等物理、化學(xué)以及生物技術(shù)等原位修復(fù)技術(shù)，向污染土壤中投加不同穩(wěn)定化材料以降低土壤Cd的遷移性和生物有效性，進(jìn)而達(dá)到減輕其生物毒性的目的[5-6]。常用的穩(wěn)定化材料主要為石灰等含鈣材料、鈣鎂磷肥等含磷材料以及生物炭等高pH類材料。崔紅標(biāo)等[7]研究發(fā)現(xiàn)，向Cd污染土壤中添加2%的粉煤灰能夠使土壤pH提高0.44個(gè)單位，使離子交換態(tài)Cd降低35.9%。韓寶紅等[8]對(duì)生物炭與納米改性生物炭研究發(fā)現(xiàn)，在不同溫度條件下，納米改性生物炭在0 ℃和30 ℃時(shí)殘?jiān)鼞B(tài)Cd含量分別達(dá)到77.26%和71.67%，顯著降低了Cd的移動(dòng)性。為探究不同穩(wěn)定化材料對(duì)土壤Cd的修復(fù)效果及Cd在植物體內(nèi)吸收積累的影響，本研究在舟山市某Cd超標(biāo)農(nóng)田開展4種不同穩(wěn)定化材料對(duì)水稻田土壤修復(fù)及植株Cd吸收影響的田間試驗(yàn)，探尋修復(fù)鎘污染土壤的最適宜穩(wěn)定化材料，為受污染土壤安全利用提供有力依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江省舟山市，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明、雨量充沛，該地塊土壤pH 6.4，Cd含量為0.41 mg·kg-1，高于國家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，屬于鎘輕度污染土壤。供試水稻品種為秀水14，屬常規(guī)單季粳稻。供試穩(wěn)定化材料為土壤調(diào)理劑、石灰、甲殼素和生物炭。

1.2 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用大田試驗(yàn)，共設(shè)置5個(gè)處理：1)空白對(duì)照(不添加材料)；2)生物炭(每667 m2添加1 000 kg)；3)石灰(每667 m2添加70 kg)；4)甲殼素(每667 m2添加20 kg)；5)土壤調(diào)理劑(每667 m2添加125 kg)。穩(wěn)定化材料于水稻種植前添加，并進(jìn)行翻耕，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列，共設(shè)計(jì)15個(gè)小區(qū)(每個(gè)小區(qū)面積不低于100 m2)，小區(qū)之間采用田埂并覆蓋薄膜進(jìn)行隔離與防滲處理。試驗(yàn)于2020年5月初布置，2020年11月收獲采樣，水稻采用人工育秧移栽，整個(gè)試驗(yàn)區(qū)除穩(wěn)定化材料投加種類不同外，其他農(nóng)藝管理(水分管理、蟲害管理、肥料管理)保持一致。

1.3 樣品采集與分析

水稻成熟后，每小區(qū)采集0～20 cm土層樣品，過10目尼龍篩后儲(chǔ)存?zhèn)溆?。土壤的pH采用pH計(jì)測定，土液比為1∶2.5。土壤有機(jī)質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸消解法，土壤有效態(tài)Cd含量的測定采用原子吸收分光光度法。

水稻成熟后，每小區(qū)采集整株水稻樣品，用去離子水沖洗，晾干，放于烘箱在105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，采用小型粉碎機(jī)研磨過100目(孔徑0.149 mm)尼龍篩后備用。水稻不同部位重金屬Cd通過濃硫酸-雙氧水消解法進(jìn)行提取，用原子吸收分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理采用Excel 2016，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0，圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定化材料對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的影響

如圖1所示，甲殼素、生物炭、石灰、土壤調(diào)理劑4種穩(wěn)定化材料投加均能增加土壤pH，相較于對(duì)照處理增幅為0.52～1.78個(gè)單位。其中生物炭、石灰、土壤調(diào)理劑處理顯著高于對(duì)照，分別增加1.78、1.56與1.62個(gè)單位，生物炭和土壤調(diào)節(jié)劑處理增加pH效果較佳。穩(wěn)定化材料能提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，以每667 m2投入70 kg的石灰處理表現(xiàn)最佳，相比于對(duì)照提高了32.57 g·kg-1。曾秀君等[9]在研究石灰組配有機(jī)改良劑對(duì)農(nóng)田鉛鎘污染土壤微生物活性的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)，添加石灰能顯著提升土壤pH與有機(jī)質(zhì)的含量。代允超等[10]指出石灰主要成分為CaO，具有強(qiáng)堿性，溶于水后形成堿性的氫氧化鈣，進(jìn)而中和酸性土壤中的H+，緩解土壤的酸化，提升土壤的pH。

各處理無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～3同。

2.2 穩(wěn)定化材料對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

土壤重金屬對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全的影響程度主要由其生物有效性決定，而土壤Cd的生物有效性主要由其在土壤中的有效態(tài)含量所決定[11-14]。如圖2所示，與對(duì)照組相比，生物炭與石灰處理能顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量，分別降低0.06與0.09 mg·kg-1。本試驗(yàn)結(jié)果表明，石灰處理的土壤pH最高，而土壤有效態(tài)Cd含量則表現(xiàn)出最低水平，這極有可能是因?yàn)橥寥纏H變化與土壤有效態(tài)Cd含量的變化成負(fù)相關(guān)。石灰施入農(nóng)田后轉(zhuǎn)變成堿性的Cd(OH)2，對(duì)土壤的pH有著直接的提升作用，同時(shí)土壤溶液中OH-的增加有助于與土壤中Cd2+形成Ca(OH)2沉淀[15-16]。此外，Ca(OH)2隨著時(shí)間推移也會(huì)轉(zhuǎn)變成碳酸根離子與土壤中Cd形成碳酸鹽沉淀，促使土壤中游離態(tài)的Cd向氧化物結(jié)合態(tài)或向更穩(wěn)定的殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，降低土壤Cd的遷移與毒性。進(jìn)而有助于減少水稻對(duì)土壤鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，保障了食品健康安全。

圖2 穩(wěn)定化材料對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

2.3 穩(wěn)定化材料對(duì)水稻Cd吸收積累的影響

圖3 穩(wěn)定化材料對(duì)水稻吸收積累土壤Cd的影響

2.4 穩(wěn)定化材料對(duì)Cd在水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)指植物地上部Cd含量與地下部Cd含量的比值，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越大，則表明根系對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)[20-22]。TF根-莖表示水稻根到莖中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。研究顯示，所有處理的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，說明水稻根部積累了大量的Cd，只有其中一小部分Cd轉(zhuǎn)運(yùn)到了莖中，根成為阻隔水稻轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的最大屏障，這可能是因?yàn)樗靖当砻嫘纬傻蔫F膜抑制了根系Cd向莖轉(zhuǎn)運(yùn)。由表1可知，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)依次為對(duì)照>土壤調(diào)理劑>生物炭>甲殼素>石灰，說明石灰處理對(duì)阻礙Cd從根系向莖轉(zhuǎn)運(yùn)的效果最佳。此外，石灰處理的TF葉-籽粒比其他穩(wěn)定化處理都低，比對(duì)照降低了0.868，說明石灰處理下Cd從葉轉(zhuǎn)移到籽粒的量最少。綜上所述，施用石灰是降低Cd由水稻根系轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部的重要措施。

表1 水稻中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

3 小結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果表明，甲殼素、生物炭、石灰、土壤調(diào)理劑4種穩(wěn)定化材料投加均能增加土壤pH與有機(jī)質(zhì)含量，其中生物炭處理的增效最佳。生物炭和石灰處理均能降低土壤有效態(tài)Cd含量，分別降低了0.06與0.09 mg·kg-1，石灰處理的降低效果最佳。從收獲后的水稻植株化驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，添加石灰處理能顯著地降低水稻根、莖、葉、籽粒的Cd含量，依次降低3.20、1.23、0.34與0.23 mg·kg-1。同時(shí)，石灰處理水稻體內(nèi)各部位的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均表現(xiàn)出最低，能有效降低土壤中的Cd由水稻根系轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部。