不同作物栽培模式下施用改良劑對重金屬鉛、鎘的影響

趙潔 李富榮 文典 王富華 杜應瓊 朱娜 疏仁宗

摘要：【目的】研究水稻栽培和絲瓜栽培兩種作物栽培模式下施用改良劑對土壤理化性質及重金屬鉛、鎘的影響，為降低土壤重金屬污染風險提供科學依據?！痉椒ā吭谒驹耘啵≧）和絲瓜栽培（V）兩種作物栽培模式下，分別設不施改良劑（CK）、施用活性炭（AC）和石灰（L）等3個處理，共6個處理。通過單因素方差分析，研究不同作物栽培模式下改良劑因素對土壤理化性質及重金屬鉛、鎘的全量和有效態含量及其在作物可食用部分中含量的影響?！窘Y果】與水稻栽培模式相比，絲瓜栽培模式的土壤pH較高，有機質和重金屬有效態含量較低；施用改良劑能促使土壤pH顯著增加（P<0.05）。絲瓜栽培模式下，活性炭可降低土壤有效態鉛和有效態鎘的含量，石灰可降低土壤有效態鉛含量。與鎘相比，鉛在水稻和絲瓜可食用部分中含量較低，改良劑對降低作物鉛的效果不明顯；活性炭增加水稻可食用部分鎘含量，石灰降低水稻可食用部分的鎘含量?！窘Y論】選擇適宜種植作物并兼施土壤改良劑可有效降低重金屬鉛和鎘的污染風險。

關鍵詞： 作物栽培；石灰；活性炭；鉛；鎘；土壤理化性質

中圖分類號： S19 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）07-1110-07

0 引言

【研究意義】隨著農田重金屬污染問題日趨嚴重，原本耕地資源十分緊張的珠江三角洲地區的重金屬修復面臨更大挑戰，保障該地區經濟發展的同時降低農田重金屬污染風險尤為重要。農藝調控重金屬活性的措施因具有簡單易行、不中斷農業連續生產等優越性而備受關注；而改良劑修復重金屬污染土壤的方法具有成本低廉、易于實施的優點（Mulligan et al.，2001；Lombi et al.，2002）。常用的改良劑如石灰、黏土礦物、有機肥等能使土壤中的重金屬轉化為低溶解性、低毒性及低移動性的物質，其機理是通過改良劑吸附、絡合或沉淀重金屬（Rijkenberg and Depree，2010）。若將合理的農藝調控措施與改良劑聯合應用到珠江三角洲地區的重金屬修復，對保障珠江三角洲地區的經濟發展和農業生產安全均具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】越來越多的實踐證明，采取適宜的農藝調控措施（如改變種植模式、種植合適的農作物）可有效減少重金屬通過食物鏈進入人體的機率，也是輕中度重金屬污染土壤持續進行作物安全生產的有效途徑（胡文友等，2005；沈欣等，2015）。在稻作和菜作不同種植模式下，土壤pH、氧化還原電位等的不同均會改變重金屬的存在形態，進而影響其生物有效性，不同作物對重金屬的吸收能力也有所不同（周振民，2010；Yang et al.，2010）?；钚蕴渴且环N比表面積高、孔容大、孔徑分布可控、表面化學性質可調、物理化學性質穩定的吸附劑，具有吸附能力強等優點（徐嘯等，2010；萬柳和徐海林，2011；Hashim et al.，2011）；Darvishi等（2012）發現在種植菠菜的污染土壤中施用活性炭可降低土壤重金屬鉛和鎘的污染程度，且抑制菠菜對重金屬的吸收?；钚蕴繉儆谝环N潛在的新型改良劑材料，目前將其用于土壤重金屬修復改良的研究較少；而石灰作為改良土壤重金屬污染的傳統材料之一，已有許多研究證實施用石灰可降低土壤中重金屬的有效性（廖敏等，1999；敖子強等，2009）?！颈狙芯壳腥朦c】目前將上述兩種改良劑材料進行對比的研究較少，將改變種植模式和施用改良劑兩種技術相結合進行土壤重金屬污染修復的研究更少?！緮M解決的關鍵問題】以廣東東莞市工業區周邊農田為試驗地，在典型農作物即水稻和絲瓜的栽培模式下施用改良劑（活性炭、石灰），探究其對作物可食用部分和土壤中鉛、鎘含量的影響，尋找降低重金屬污染風險的可行性方法。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試改良劑：活性炭（廣州市清宇活性炭有限公司），圓柱狀，直徑4 mm；石灰（廣州華的化工有限公司），粉末狀。供試作物：稻作選用早稻，品種為五優308（廣東省金稻種業有限公司）；菜作選用廣東地區種植較普遍的絲瓜，品種為芳萱苑肉絲瓜（北京市芳萱苑種子有限公司）。

1. 2 試驗地概況

試驗地位于廣州市與東莞市交界的麻涌鎮（東經23°3′21″，北緯113°33′57″），海拔3 m，年平均氣溫22 ℃，年均降雨量1687 mm左右，屬亞熱帶海洋性氣候。試驗土壤母質為珠江沖洪積物，土壤類型為潮土，土壤耕層深度約23 cm，質地為壤土，23 cm以下為黏土，該土地利用一直以蔬菜連作為主。供試土壤基本理化性質及其重金屬本底值詳見表1。所施改良劑重金屬本底值分別為：石灰（pH 12.2，全鉛1.10 mg/kg，全鎘0.05 mg/kg），活性炭（pH 8.52、全鉛9.77 mg/kg、全鎘0.18 mg/kg）。

1. 3 試驗方法

在水稻栽培（R）和絲瓜栽培（V）兩種作物栽培模式下，設不施改良劑（CK）、施用活性炭（AC）和石灰（L）等3個處理，共6個處理。水稻栽培模式下的3個處理分別記為RCK（種植水稻不施用改良劑）、RAC（種植水稻施用活性炭）、RL（種植水稻施用石灰）；絲瓜栽培模式下的3個處理分別記為VCK（種植絲瓜不施用改良劑）、VAC（種植絲瓜施用活性炭）、VL（種植絲瓜施用石灰）。每處理重復3次，共18個小區。各小區用田埂隔開，面積4 m×2 m=8 m2，共144 m2。

活性炭和石灰施用量以2 g/1 kg土壤計，移栽前均勻施入改良劑，與土壤充分混勻。各小區施肥、除草、灌溉等以農民慣用田間管理方式進行。肥料為史丹利牌復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）和雞糞農家肥（N∶P2O5∶K2O=3.07∶2.08∶1.73）。水稻栽培模式下的施肥方法：分別于秧苗期、分蘗期和抽穗期施肥3次，施肥量分別為復合肥347.2 kg/ha、復合肥486.1 kg/ha+農家肥3472.2 kg/ha、復合肥555.5 kg/ha。絲瓜栽培模式下的施肥方法：分別于抽蔓期、結果初期和結果盛期施肥3次，施肥量分別為復合肥173.6 kg/ha、復合肥520.8 kg/ha+農家肥3472.2 kg/ha、復合肥520.8 kg/ha。4月育苗、移栽，7月收獲成熟的絲瓜和水稻并采集土壤樣品。絲瓜用去離子水沖洗干凈后打成勻漿保存備用，水稻籽粒攤開曬干、去殼、磨粉裝瓶保存，土壤樣品自然風干后分別過20、60和100目尼龍篩備用。

1. 4 測定項目及方法

土壤理化性質測定：堿解氮采用堿解擴散法；速效磷采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAC浸提火焰光度法；有機質采用K2Cr2O7容量法；陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨法（鮑士旦，2000）；土壤容重采用環刀法（魯如坤，2000）；pH采用玻璃電極法（Y/T 1121.2-2006）。土壤全鉛、全鎘采用硝酸—高氯酸—氫氟酸全消解法（GB/T 17141-1997）；有效態鉛、有效態鎘采用DTPA浸提法（GB/T 23739-2009）；植物樣品采用硝酸—高氯酸消煮法（GB/T 5009.15- 2003）。以上樣品的鉛、鎘含量均采用石墨爐原子吸收法測定。

1. 5 統計分析

采用Excel 2003和SPSS 17.0對數據進行統計分析，使用Duncans對各處理進行多重比較。

2 結果與分析

2. 1 不同作物栽培模式下施用改良劑對土壤理化性質的影響

由表2可看出，試驗地的土壤偏酸性，不同處理對土壤pH影響不同，且作物栽培模式與改良劑有明顯的交互作用。與CK相比，兩種栽培模式下施用改良劑能促使土壤pH顯著增加（P<0.05，下同），改良劑提高土壤pH的效果表現為石灰>活性炭，不同作物栽培提高土壤pH的幅度表現為絲瓜栽培>水稻栽培。具體表現為：VL>RL>VAC>RAC>RCK>VCK，其中，VL處理的土壤pH最高，與VCK處理相比增加了1.12，與RL相比增加了0.28，均達顯著差異水平。

作物栽培模式和改良劑兩個因素對土壤有機質和CEC含量均有交互作用，如改良劑活性炭僅在水稻栽培模式下顯著提高土壤有機質和CEC含量，在絲瓜栽培模式下并未見增加；改良劑石灰處理在不同作物栽培模式下對有機質含量的作用相反，對CEC含量則無顯著影響（P>0.05，下同）。具體表現為RL和RAC處理的有機質含量顯著高于其他各處理，VL處理的有機質含量則最低，與其他處理均達顯著差異；RAC處理的CEC含量高于其他各處理，差異顯著；各處理間的容重不存在顯著差異。

2. 2 不同作物栽培模式下施用改良劑對土壤重金屬鉛、鎘的影響

2. 2. 1 不同作物栽培模式下施用改良劑對土壤重金屬鉛、鎘全量的影響 由圖1可知，作物栽培模式和改良劑兩個因素對土壤全鉛和全鎘含量均無交互作用，相同作物栽培下各處理間的重金屬全量無顯著差異。其中VL處理下的土壤全鉛含量最高，為65.44 mg/kg，RL處理含量最低，為59.55 mg/kg，二者間差異顯著，其他處理間差異均不顯著；土壤全鎘則以RAC處理含量最高，VCK處理最低，分別為0.58和0.40 mg/kg，二者間差異顯著，其他處理間差異均不顯著。

2. 2. 2 不同作物栽培模式下施用改良劑對土壤重金屬鉛、鎘有效態的影響 作物栽培模式和改良劑對重金屬有效態含量有交互作用。如圖2所示，絲瓜栽培模式下的有效態鉛和有效態鎘含量均低于水稻栽培模式。絲瓜栽培模式下，活性炭可降低土壤有效態鉛和有效態鎘的含量，石灰可降低土壤有效態鉛含量；VAC處理的有效態鎘含量最低，較VCK處理降低了12.50%，VL處理下有效態鉛含量最低，比VCK處理降低了12.54%，均達顯著差異。水稻栽培模式下，施用改良劑石灰能顯著降低有效態鉛含量，活性炭則對其無明顯影響；施用兩種改良劑對有效態鎘含量均無顯著影響。

2. 3 不同作物栽培模式下施用改良劑對作物可食用部分重金屬鉛、鎘含量的影響

由圖3可知，水稻和絲瓜兩種作物對于重金屬的吸收能力存在明顯差異，絲瓜可食用部分的鉛、鎘含量均低于水稻。根據GB 2762-2012規定的食品限量值（鉛：大米<0.20 mg/kg，絲瓜<0.10 mg/kg；鎘：大米<0.20 mg/kg，絲瓜<0.05 mg/kg）可判定，本研究中水稻可食用部分的鉛含量（0.056～0.062 mg/kg）低于GB 2762-2012限量值，而鎘含量（1.61～2.07 mg/kg）超過GB 2762-2012限量值的7.05～9.35倍，污染風險系數較高；絲瓜可食用部分的重金屬含量（鉛：0.009～0.013 mg/kg；鎘：0.012～0.017 mg/kg）均遠低于GB 2762-2012限量值，污染風險系數較低。改良劑對水稻可食用部分的鉛含量基本無影響，對鎘含量則有顯著影響，與RCK相比，石灰顯著降低了水稻可食用部分的鎘含量，降幅為16.15%；活性炭則增加了水稻可食用部分的鎘含量，增幅為7.81%。

3 討論

3. 1 不同處理對土壤理化性質的影響

已有研究證實，加入石灰可提高土壤pH（杜志敏等，2012；楊林等，2012；周相玉等，2012），而活性炭的加入可起到緩沖土壤溶液pH變化的作用（楊林等，2012；周相玉等，2012）。本研究中，與對照組相比，兩種改良劑均明顯提高了土壤pH。水稻栽培模式下對照組（RCK）的土壤pH顯著高于絲瓜栽培模式，但是水稻栽培下施用改良劑提高土壤pH的效果略差于絲瓜栽培模式，說明土壤pH受許多因素影響，其中土地利用方式可能是相關性最大的因素（李婷等，2006；檀滿枝等，2008）。章明奎和楊東偉（2013）研究表明水田的pH高于菜地，但由于稻田常處于淹水還原狀態下，鐵體系和碳體系等緩沖體系的存在影響土壤溶液中H+的吸附和解析（方利平和章明奎，2006；侯鵬程等，2007），因此緩沖作用可能是水稻栽培下施用改良劑對土壤pH影響不明顯的原因。水稻栽培模式下有機質含量均高于絲瓜栽培模式，證實了連作蔬菜改為菜稻輪作后可增加土壤有機質含量。Witt等（2000）的研究結果也表明，輪作土壤的有機碳增加了10%～14%，可能與稻作期間淹水抑制有機質分解有關（何淑勤等，2012）。章明奎和楊東偉（2013）研究表明，旱地土壤CEC因有機質的下降而略有下降，與本研究結果一致。

3. 2 作物栽培模式對土壤重金屬鉛、鎘含量的影響

不同作物栽培模式下土壤的各種理化性質變化可改變重金屬的含量及其活性（王昌全等，2007；范明生等，2008；劉冰等，2011）。本研究中絲瓜栽培模式下的重金屬有效態含量均低于水稻栽培模式，主要原因可能是：（1）絲瓜栽培模式下的土壤pH高于水稻栽培模式，而pH是影響重金屬有效態的重要因子之一，在高pH條件下，土壤溶液中有足夠的氫氧化物使重金屬形成氧化物或氫氧化物沉淀，從而降低重金屬有效性，減少重金屬的釋放（敖子強等，2009；Hale et al.，2012）；（2）淹水條件下，Eh降低，鐵錳氧化物還原溶解，釋放出吸附在氧化物表面的鎘離子，導致土壤溶液中重金屬鎘活性增加（Gambrell，1994；Chuan et al.，1996）；（3）另一種可能是禾本科植物分泌能螯合重金屬的化合物進入根際（R mheld，1991；Jones et al.，1996；Keltjens and Beusichem，1998），即水稻對土壤重金屬有活化作用。不同作物栽培模式下重金屬活性發生變化的機理尚未明確，但可以明確的是通過選擇不同作物栽培模式，改變土壤的理化性質如水分、pH等因素可降低重金屬生物有效性。

3. 3 改良劑對土壤重金屬鉛、鎘含量的影響

石灰顯著降低了土壤有效態鉛含量，對有效態鎘基本無影響。一方面，因為石灰可顯著提高土壤pH，土壤環境被中和后土壤溶液中存在的大多數重金屬形成氫氧化物膠體，鈣也可促進土壤的凝聚，加速土壤中的重金屬沉淀作用（周啟星和宋玉芳，2004；敖子強等，2009）；另一方面，土壤吸附鉛和鎘的機理不同，對于鉛來說，化學沉淀、沉積還原等化學吸附占優勢（80%以上），鎘主要是以離子交換為主的物化吸附（50%以上），其次才是化學吸附（30%～40%）（楊崇潔，1989），所以相對來說以化學反應為主的改良劑石灰抑制鉛活化效果更佳。以往的活性炭研究多用于去除水體中的重金屬，應用于土壤重金屬修復的研究較少。本研究中，活性炭可降低絲瓜栽培模式下土壤有效態鉛和有效態鎘，主要是因為活性炭有較大的表面積，其表面官能團通過與重金屬進行離子交換或發生化學反應形成沉淀，形成物理吸附和化學吸附并存的吸附運動（胡鐘勝等，2006；徐嘯等，2010），隨著時間的推移，活性炭在土壤中還可以逐漸轉化為土壤有機碳（周相玉等，2012；Hale et al.，2012），起到固定重金屬的作用（胡鐘勝等，2006）。但在水稻栽培模式下降低重金屬有效態不明顯，其原因可能是水稻栽培與改良劑的互作效應，如氧化還原電位變化的影響，暫時弱化了活性炭的吸附作用。

3. 4 不同處理對作物吸收重金屬的影響

植物吸收重金屬并將其轉移和積累到地上部，要經過一系列的生理生化過程，對于大多數非耐性或非超積累植物而言，根系所吸收的鉛大部分被局限于根系組織（比例約為95%或更高），僅有少部分鉛可借助共質體途徑向地上部輸送并累積（劉建國，2004；段德超等，2014），因此本研究中兩種作物可食用部分的鉛含量均較低。鎘在植物體內有很強的累積作用，而水稻屬于對鎘的吸收累積作用強的一類作物，其根、莖中的鎘含量可達其生長環境濃度的數十倍，更重要的是其具有很強的向籽粒轉運和積累鎘的能力（劉建國，2004），因此本研究中水稻籽粒的鎘含量極高。施用改良劑對絲瓜的可食用部分重金屬含量和水稻可食用部分鉛含量基本無影響。

改良劑對水稻鎘含量有顯著性差異影響。本研究中活性炭顯著地增加了水稻可食用部分的鎘含量，而石灰降低了鎘含量，其原因可能是：水稻栽培增強了鎘的活性，水稻又屬于鎘的高吸收累積作物，其體內鎘含量可高達土壤環境中的數倍，活性炭處理下水稻通過累積作用導致其籽粒中鎘含量顯著高于其他處理；另一種可能是由于活性炭的高吸附性能，使得活性炭內的微孔富集大量鎘，隨著氧化還原電位的變化導致水稻有機會從活性炭中獲取大量鎘，導致水稻籽粒鎘含量增加?；钚蕴康氖┯脤е滤咀蚜ｆk含量增加的現象并不多見，值得進一步探究其機理，活性炭作為改良劑應用于水稻土也需慎重考慮。石灰的施用給土壤帶入了鈣離子，根據前人研究結果推測可能是鈣離子通過與鎘競爭植物根系上吸收位點（Andersson and Nilsson，1974），而降低了作物可食用部分鎘含量。值得注意的是，施用石灰時水稻可食用部分鎘含量遠超過國家限量值，說明鎘極其容易在水稻中積累，因此在今后的研究中有必要探討有效降低水稻鎘含量的技術與方法。

4 結論

選擇適宜種植作物并兼施土壤改良劑可有效降低重金屬鉛和鎘的污染風險。

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（責任編輯 鄧慧靈）