3種堿性物料施用對不同pH下酸性鎘污染稻田修復效應

陳艷秋, 管權, 李銳明, 焦位雄, 張麗,楊偉, 楊正蘭, 林勇

(1.安寧市種植業服務中心,云南 昆明 650300;2.農業農村部環境保護科研監測所,天津 300191;3.昆明市農產品質量安全中心,云南 昆明 650100;4.石林彝族自治縣農村能源環境保護工作站,云南 昆明,652200)

酸性土壤中的有效態Cd含量與其pH值呈負相關,這是我國稻米鎘(Cd)超標大多集中在南方酸性土壤地區的主要原因之一[1-2]。土壤酸化會增加土壤有效態Cd含量,增強水稻對Cd的吸收與轉運,并最終導致稻米中Cd的富集。此外,酸性土壤中活性鐵、鋁較多,可分別與水溶性磷酸鹽形成磷酸鐵、磷酸鋁鹽等,從而降低了磷的有效性;酸性土壤的淋溶作用強烈,鉀、鈣、鎂容易流失,易導致相應的缺素癥[3]。提高土壤pH,一方面可增加黏土礦物、水合氧化物和陽離子交換量(CEC)表面的負電荷,增加對Cd的吸附力;另一方面土壤中的OH-可與Cd等多價陽離子生成氫氧化物沉淀,減少其有效態含量,進而抑制其轉移[4-5]。此外,提高土壤pH還可以提高磷的有效性,減少鉀、鈣、鎂流失。

向酸性土壤中施用堿性物料不僅可以通過調節土壤pH的方式改良土壤,有效提高水稻產量,而且可以降低Cd在水稻土中的有效性及在水稻植株內的轉移系數和富集量[6],是一種切實有效的酸性土壤Cd污染修復方法。目前,生石灰、CaCO3、貝殼粉、熟石灰、石膏粉和奎米素等堿性物料均已被用于酸性土壤改良。其中,生石灰在調節中國南方地區酸性水稻土pH至6.5～7.0時,可有效降低稻米Cd含量[7]。土壤pH平均升高0.16個單位,稻米Cd平均含量降低55.2%[8]。同樣,單獨使用CaCO3類物質將土壤pH調至6.5時,稻米Cd含量降低顯著,并低于限值[9]。貝殼粉鈍化修復酸性土壤Cd污染時,土壤pH與稻米Cd含量和土壤有效態Cd含量呈現明顯負相關[10]。施用堿性物料可有效降低水稻對Cd的吸收和富集。但是,不同的堿性物料施入土壤后對土壤pH的影響不同,對作物的增產效果也不同。熟石灰相比于石膏粉,對pH的提高效果更顯著,而且對作物增產效果極顯著[5]。因此,探尋不同堿性物料對酸化土壤的改良效果,篩選對比Cd污染土壤改良修復材料,對達到土壤精準修復目標至關重要。

本研究設置了2個目標pH(pH6.5和pH7.0),以研究不同堿性物料(生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉)在特定pH施用時對酸性鎘污染稻田的修復效應。選址安寧市某酸性Cd污染水稻田開展田間試驗。根據各個試驗點水稻土背景值(pH)分別對所選進行定量施入,將受污染酸性土壤調至不同目標pH,并且同種類堿性物料撒施量也做不同處理,利用幾種堿性物料分別調節試驗田土壤至不同目標pH,利用同一品種水稻的一個生育周期來測定試驗田收獲期土壤pH變化、土壤有效態Cd含量、土壤Cd全量、土壤速效磷、土壤堿解氮、土壤速效鉀以及水稻籽粒Cd含量,討論利用堿性物料修復Cd污染酸性稻田土壤時的最佳目標pH,利用模糊綜合評價法判斷出所選取的三種堿性物料對研究區酸性稻田土壤的改良效果,提出適用于研究區酸性土壤Cd污染修復的最佳堿性物料及最佳目標pH。

1 材料和方法

1.1 小區試驗

試驗點為云南省安寧市某酸性稻田。本試驗采樣當地大面積栽培的水稻品種楚粳28。土壤理化性質為pH5.7,有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、總Cd和有效態Cd的平均含量分別為20.67、130.33、15.24、138.67、0.71和0.405 mg/kg[11]。選取地塊平整、肥力中等、Cd污染程度相對一致的地塊開展田間試驗。試驗分小區進行,每小區20 m2(4 m×5 m),小區之間留20 cm溝渠用于灌排水,各小區設置獨立的排、灌水口;小區田埂統一包裹黑色塑料覆膜至田埂30 cm下,以杜絕施入物料影響鄰近小區;試驗區外設50 cm寬保護行。

本試驗共21個小區,小區采用隨機區組排列。21個小區中,采取3種堿性物料(生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉)和2個pH值(pH6.5、pH7.0)作為交叉條件,形成6組條件,每組設3個小區,另加3個對照小區。根據南京農業大學方杰老師開發的石灰用量計算模型,調節至pH6.5和pH7.0所需的三種堿性物料的量如表1所示。

為確保堿性物料在土壤中能均勻分布,在秧苗移栽15 d前均勻撒施,并翻耕兩次。水稻種植密度為行距25 cm×株距10 cm。其后田間管理模式按照當地耕作習慣,不做特殊處理,以保證各地試驗作物生長條件一致。

表1 試驗區材料施用量及種植模式Table 1 Material application rate and planting mode in the experimental area

1.2 樣品采集與處理

土壤樣品于添加堿性物質平衡14 d后(水稻移栽前)采集,稻谷樣品采集于收獲前一天進行,采用五點取樣法。稻谷樣品每小區每點采集100 g左右水稻籽粒,裝入網帶保存;剩余稻谷按小區收獲、分裝。在大區試驗中將大區分為五塊,每一塊都進行五點取樣,每點采集100 g,即每個大區共采集2.5 kg水稻籽粒。土壤樣品采集也采用五點取樣法,每小區采集約2.5 kg土壤,裝入密封袋。稻谷樣品自然風干后脫殼處理,用去離子水沖洗,烘箱烘干至恒重,過100目篩備用。土壤樣品放置于陰涼處自然風干,磨至粉狀后分別過20目、100目篩備用。

本試驗堿性物料撒施時間為2021年5月10日,水稻移栽時間為2021年5月26日,樣品采集時間為2021年10月15日。

1.3 樣品檢測方法

1.3.1 樣品檢測指標

土壤檢測指標包括:pH、有效態Cd含量、全氮、速效磷、堿解氮、速效鉀、有機質。

水稻檢測指標包括:稻米Cd含量、水稻產量。

1.3.2 測定方法

土壤pH用pH計(PHSJ-3F)測定(水土比5∶1);土壤有效態Cd含量采用原子吸收分光光度計(240FS)測定;土壤Cd全量及稻米Cd含量用電感耦合等離子體質譜儀(7800)測定;土壤堿解氮用堿解擴散法測定;土壤全氮用半微量開氏法測定;土壤速效磷和稻米磷用紫外可見分光光度計(SP-1920)測定;土壤速效鉀用原子吸收分光光度計(240FS)測定;土壤有機質用重鉻酸鉀外加熱法測定;水稻產量采用實收測產法測定,小區產量按小區稻谷干重及面積折算成畝產。

1.4 數據處理與分析

數據采用Microsoft Office Excel 2016和IBM SPSS Statistics 20.0軟件進行統計分析,采用Duncan多重檢驗法進行顯著性分析,文中圖表均用Microsoft Office Excel 2016制作。

2 結果與分析

2.1 三種堿性物料對酸性稻田土壤有效態Cd含量和土壤理化性質的影響

2.1.1 三種堿性物料對酸性稻田土壤有效態Cd含量的影響

如圖1所示,在pH6.5和pH7.0兩種不同目標pH值下,水稻收獲期土壤有效態Cd含量均較對照組差異顯著(P<0.05)。其中,在pH6.5下,三種堿性物料的施入分別使土壤有效態Cd含量平均降低45.68%、31.52%和42.63%;在pH7.0下,三種堿性物料的施入分別使土壤有效態Cd含量平均降低48.89%、50.45%和49.79%。相對而言,pH7.0組較pH6.5組土壤有效態Cd含量更低,但同一目標pH下,不同堿性物料施入組對土壤有效態Cd含量的影響差異不顯著;而不同目標pH下,僅石灰石粉施入對土壤Cd有效態含量的影響存在顯著差異,pH7.0要顯著低于pH6.5,其他兩種材料施入導致的差異不顯著(P<0.05)。高土壤pH條件下,可能會促進石灰石粉帶更多的負電荷,從而加強對Cd2+的吸附[7]。

圖1 試驗區三種堿性物料對田土有效態Cd含量的影響Figure 1 Effect of three alkaline materials on available state of cadmium in soil in the experimental area(注:上標不同小寫字母表示P<0.05水平的差異顯著性,下同)

2.1.2 三種堿性物料對酸性稻田土水稻收獲期pH的影響

如圖2所示,各試驗小區施入堿性物料前,土壤pH均為5.7。對pH6.5組水稻收獲后土壤pH測定結果表明,生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉組的pH相對移栽前(pH6.5)分別下降了6.15%、2.15%和1.54%,其中施入石灰石粉和牡蠣殼粉組土壤pH與對照組差異顯著(P<0.05);而pH7.0組,三種不同堿性物料施入組間收獲后的土壤pH差異不顯著,相較移栽前(pH7.0)分別下降了4.71%、4.71%和1.86%,但均與對照組差異顯著(P<0.05),說明這些堿性物料均對土壤pH具有調節能力。

圖2 試驗區三種堿性物料對土壤pH的影響Figure 2 Effects of three alkaline materials on soil pH in the experimental area

2.1.3 三種堿性物料對酸性稻田土有機質的影響

各試驗小區水稻收獲后土壤有機質含量測定的結果表明,pH6.5組,生石灰和牡蠣殼粉組的土壤有機質含量分別較對照組降低19.20%和11.11%,而石灰石粉組中土壤有機質與對照組中差異不顯著;pH7.0組,石灰石粉和牡蠣殼粉組的土壤有機質含量相比于對照組差異不顯著,而生石灰組會使土壤有機質含量增加8.63%(圖3)。

圖3 試驗區三種堿性物料對土壤有機質含量的影響Figure 3 Effects of three alkaline materials on soil organic matter in the experimental area

2.1.4 三種堿性物料對酸性稻田土堿解氮、速效磷、速效鉀含量的影響

如圖4所示,本研究試驗區域對照組收獲后土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量分別為130.3、15.24和138.7 mg/kg,而pH6.5和pH7.0處理組三種養分指標總體呈現升高趨勢。其中,土壤堿解氮在目標pH7.0時升高最顯著,生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉分別使其升高30.18%、45.27%和20.20%;土壤速效磷在目標pH6.5時升高最顯著,生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉分別使其升高396.94%、372.22%和244.05%;土壤速效鉀在目標pH7.0施用生石灰時,其含量與對照組差異顯著(P<0.05),相對升高了17.31%。這些土壤性質的變化可能是因為堿性物料施用后提升了土壤pH,提高了土壤微生物活性,促進了土壤和堿性物料中養分的分解釋放。

2.2 三種堿性物料對稻米Cd含量及水稻產量的影響

2.2.1 三種堿性物料對稻米Cd含量的影響

如圖5所示,試驗區對照組稻米Cd含量平均為0.148 mg/kg。pH6.5組,相對對照組,施用生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉的稻米Cd含量分別降低了0.081、0.084、0.038 mg/kg;而pH7.0組,施用上述三種堿性物料的稻米Cd含量分別降低了0.069、0.089、0.073 mg/kg。其中,三種堿性物料的兩種調節方式對稻米Cd含量均具有顯著性差異(P<0.05),其中石灰石粉的兩種調節方式效果尤為顯著,分別使稻米Cd含量較空白對照組降低56.70%、60.13%。由圖5可知,目標pH為7.0時,稻米降Cd率較目標pH為6.5效果更為顯著。

圖4 水稻收獲后土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量Figure 4 The content of soil alkali-hydrolyzable N, available P and available K contents after rice harvest

圖5 試驗區三種堿性物料對稻米Cd的影響Figure 5 Effects of three alkaline materials on Cadmium in rice in the experimental area

2.2.2 三種堿性物料對水稻產量的影響

如圖6所示,pH6.5處理組,生石灰施用使水稻增產4.39%,石灰石粉施用使水稻減產5.43%,牡蠣殼粉施用使水稻減產11.88%;pH7.0處理組,生石灰施用使水稻增產0.98%,石灰石粉施用使水稻減產17.92%,牡蠣殼粉施用使水稻增產3.61%。由此可見,僅有生石灰的兩種不同施入量和牡蠣殼粉的第二種施入量使水稻產量不低于對照組產量,但增幅不大,其余堿性物料的施用方式均降低了水稻產量。產生這種差異的原因可能是石灰石粉施入量大,其不易溶于水,流動性較差,會造成土壤板結,導致水稻減產[12-13]。

圖6 試驗區三種堿性物料對水稻產量的影響Figure 6 Effects of three alkaline materials on rice yield in the experimental area

3 討 論

3.1 三種堿性物料對酸性稻田土有效態Cd含量和土壤理化性質的影響

通常情況下,植物主要吸收土壤中重金屬的有效態部分,而土壤pH可以直接影響土壤中重金屬的形態分布和有效態含量,利用堿性物料可以有效改變土壤的酸堿環境,從而達到降低土壤中重金屬生物有效性的目的。胡柯鑫[14]研究表明早晚稻在堿性物料施入后,土壤有效態Cd含量在各生育期均下降,本研究結果也可以充分證明,將生石灰、石灰石粉和牡蠣殼粉三種堿性物料在不同目標pH下施入土壤可以有效降低試驗區域水稻收獲期土壤有效態Cd含量。

在6.5和7.0兩種不同目標pH下,水稻收獲期土壤有效態Cd含量均較空白對照組降幅明顯(P<0.05)。在目標pH為7.0時,三種堿性物料的施入分別使土壤有效態Cd含量降低48.89%、50.45%和49.79%;兩種目標pH相比,目標pH為7.0的土壤有效態Cd含量降低幅度高于目標pH為6.5;由于所選試驗地塊為當地耕地重金屬污染嚴格管控區,故存在稻米Cd含量超標情況。通過針對酸性稻田土有效態Cd含量的試驗結果可以看出,土壤有效態Cd含量均與對照組相比有顯著下降,多數降至國家標準線以下,符合試驗預期,這與高琳琳等[15]研究結果一致?？梢姾侠矸秶鷥饶繕藀H與土壤有效態Cd含量呈負相關,pH的升高使土壤Cd活性降低,脅迫重金屬Cd在土壤中形成絡合物,這與朱奇宏等[16]研究結果一致。Tahervand和Jalali[17]研究指出土壤固定重金屬的效率與土壤pH呈正相關,從側面證實了土壤pH升高對于土壤Cd有效性具有降低作用。

土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分,具有促進植物生長發育、改善土壤環境、固肥保肥、促進土壤微生物生命活動等作用[19],是衡量土壤質量的重要指標之一。堿解氮、速效磷和速效鉀是植物生長所必需的營養元素,其含量高低也反映了土壤環境的優劣[20]。歐陽玲等[21]研究指出,土壤堿性改良劑的施入能有效降低土壤酸性并可以不同程度地增加土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量;蔡建軍等[22]研究指出堿性改良劑使土壤堿解氮、有效磷含量顯著提升,對有機質和速效鉀的影響較小。由本試驗結果可知,土壤有機質含量變化無規律,土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量普遍較對照組呈升高趨勢,其中速效鉀的增幅不顯著;在不同目標pH下施入三種堿性物料能在一定程度上升高堿解氮、速效磷、速效鉀含量,但對有機質影響不明顯。本研究結果與蔡建軍等[22]結論一致。

3.2 三種堿性物料對稻米Cd含量及水稻產量的影響

近些年來,我國南方地區土壤酸化問題愈加嚴峻,隨之而來的是諸多地區出現了農產品重金屬含量超標,故通過升高土壤pH,可使土壤對重金屬物質的吸收固定能力增強,并調控水稻根系活性,抑制Cd的轉移。代允超等[23]研究表明,堿性物料施入后,隨著土壤pH提高,土壤有效態Cd含量、作物對Cd的吸收量都有顯著降低。紀藝凝等[10]研究表明,施用貝殼粉鈍化修復酸性土壤Cd污染時,土壤pH與稻米Cd含量、土壤有效態Cd含量呈現明顯負相關。方克明等[24]研究指出施用石灰等堿性物質能使稻米Cd含量降低0.21 mg/kg,稻米Cd含量降低率為37.8%,差異極顯著。水稻植株Cd含量與土壤Cd全量無關,僅與土壤中的有效態Cd含量有關。本研究是在兩種目標pH下施入三種堿性物料,通過升高土壤pH的方式,降低土壤中有效態Cd含量,從而達到降低稻米Cd含量的目的。試驗區域的檢測及分析結果表明,兩種目標pH下三種堿性物料施入后,稻米Cd含量均與對照組呈顯著性差異(P<0.05),其中,兩種目標pH下施入石灰石粉使稻米Cd含量降幅尤為顯著,分別使稻米Cd含量較空白對照組降低56.70%和60.13%。本研究結果充分印證了通過施入堿性物料改變土壤酸性環境后,稻米Cd含量顯著降低。

水稻產量決定了農民對堿性物料的接受程度,并在很大程度上關系到此種修復方式能否被大面積應用于農業生產中。郭薈等[25]研究指出有機肥與石灰復合施入土壤使雙季水稻分別減產2.9%和9.2%;孫玉平等[26]則認為在不同pH土壤中施用石灰均能使水稻增產,增產可達16.9%～23.8%;羅華漢等[27]研究認為牡蠣殼粉對水稻具有增產作用,增產率達14.8%。本研究區生石灰的兩種目標pH施入方式分別使水稻增產4.39%和0.98%,在目標pH為7.0時施入牡蠣殼粉使水稻增產3.61%,其他幾種處理均減產,尤其目標pH為7.0時施入石灰石粉使水稻減產17.92%,可能是因為石灰石粉不易溶于水,流動性較差,會造成土壤板結,導致水稻減產[12-13]。