镉污染稻田甘薯种植专用土壤调理剂的应用研究

张超凡，张道微，黄艳岚，周 虹，张 亚，董 芳

（1. 湖南省作物研究所，湖南 长沙 410125；2. 中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125）

镉污染稻田甘薯种植专用土壤调理剂的应用研究

张超凡1,2，张道微1，黄艳岚1，周 虹1，张 亚1，董 芳2

（1. 湖南省作物研究所，湖南 长沙 410125；2. 中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125）

生态农业修复是最直接有效的镉污染农田污染治理的方法。该方法在筛选镉低积累农作物品种的同时，还需配套合理的土壤处理措施和栽培方法，以更有效的实现镉污染大田的利用和生态修复。试验在筛选出镉低积累甘薯品种“浙紫3号”的基础上，分析了不同土壤调理剂、对甘薯生长、大田土壤和甘薯镉积累的影响。实验结果发现腐植酸不仅能促使“浙紫3号”增产，还能有效抑制甘薯对土壤镉的吸收和积累，同时可以有效改良土壤结构，降低土壤单位重量的镉含量，可做为镉污染大田土壤调理剂的最优选择。

镉污染；生态农业修复；土壤调理剂；浙紫3号

重金属镉污染是目前全球面临的重大环境问题，我国农田污灌区以镉污染面积最大，有接近3.85万hm2，占重金属超标面积的59.6% 。由于镉金属对土壤的污染在自然环境中是不可逆的，会通过食物链在人体富集，危害人类健康。目前治理土壤镉污染的方法除了物理转移、化学处理、生物修复等方法外，最直接有效的思路来源于农业生态修复[1]。甘薯地上部茎叶和地下部块根的镉积累能力差异明显，茎叶镉积累能力远大于块根。按照国家蔬菜中污染物限值标准≤0.2 mg/kg（GB2726—2008），目前已经在镉中度污染区稻田筛选了一批薯块镉积累量低于安全值的甘薯品种[2]。由于甘薯薯块镉积累量低，鲜薯产量高，对环境的适应能力强，能在重金属污染耕地农业生态修复中担任重要角色。

作物对土壤镉的吸收与积累，除品种间差异因素外，还受土壤pH值、土壤氧化还原电位（Eh值）、土壤阳离子交换量等因素影响，与作物栽培模式也存在较大关系[3]。因此在筛选农作物镉低积累品种的同时，还需配套合理的栽培管理，以实现镉污染区稻田农业生态修复和治理。研究采用多种土壤调理剂处理镉中度污染土壤，配合种植甘薯品种“浙紫3号”（在镉含量为0.628 mg/kg的土壤中种植，鲜薯镉平均含量为0.0361 mg/kg），以期实现土壤镉污染治理和利用，为生态农业修复提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与小区设计

选用“浙紫3号”甘薯品种，栽培按照湖南地方标准《甘薯栽培技术规程》（标准编号DB43/T451—2009）进行，实施地点为湖南省农业科学院长沙县北山镇荣和桥村试验基地，试验地为黏壤土，地势平坦，排灌方便。试验设12个处理，采用随机区组排列，3次重复。小区面积20 m2，栽插密度54 000株/hm2，垄宽1 m（包沟），高垄双行，四周设保护行l m。除施肥管理外，其他田间管理水平一致。

根据不同土壤调理剂影响作物对重金属镉的吸收和积累原理，采用5种作用机理不同且具有代表性的土壤调理剂进行试验，其中土壤修复剂复合共聚OH型（简称土壤修复剂）、土壤调理剂（调酸、降镉）和碱性缓释复合肥来源于湖南兴湘科技开发有限公司，腐植酸来源于广东大众农业科技股份有限公司。试验根据土壤调理剂的用量肥力补施复合肥，设置一组空白处理组为实验对照，具体施用量如表1所示。

表1 土壤调理剂用量与实验区施肥方法 （kg/667m2）

1.2 试验数据采集内容与方法

试验于2015年5月10日进行栽插，一周后补苗1次，考种时间为2015年11月1日，收获时间为2015年11月15日，收获时对小区进行测产。

样品重金属镉含量检测方法为：使用化肥前每个小区取1次土样；收获前每个小区取第2次土样，与甘薯样品一并送实验室检测重金属含量；考种时分别取薯块地上地下部分样品，测完干率后粉碎检测镉含量。土壤取样时，用测土配方施肥专用采样器，在试验田每个小区采集混合土壤，采样深度0～20 cm。每个混合样品约1 kg，测定土壤全镉、土壤有效镉、土壤有机质含量和pH值。

2 结果与分析

2.1 不同土壤调理剂对甘薯生长的影响

对收获期甘薯地上部生长主要农艺性状分析，从表2可发现，土壤修复剂和土壤调理剂主要影响“浙紫3号”分枝数，相对于对照组其分枝数有显著增加；而碱性缓释肥和腐植酸促使“浙紫3号”茎粗的显著增加；相对于生石灰处理对“浙紫3号”茎长造成的显著抑制作用，腐植酸处理能有效促进茎的生长。从地上部分的产量看，相对于对照组，腐植酸促进甘薯地上部分生物量增加的效果最为显著，生石灰处理会造成“浙紫3号”地上部分生物量的显著降低。不同处理都降低了“浙紫3号”地上茎叶干率，其中碱性缓释肥和腐植酸处理效果最为显著。

表2 各试验组甘薯地上部分主要农艺性状

对地下部生长指标分析，从表3可发现，施用腐植酸小区“浙紫3号”产量最高；施用土壤修复剂和土壤调理剂也能获得比对照组高的产量；施用生石灰造成“浙紫3号”产量的下降，各试验组产量平均值相对于对照组都存在极显著差异，有明显的增产或者减产的作用。各小区对“浙紫3号”薯块干率的影响不大，影响“浙紫3号”薯块产量的主要因素为单株结薯个数和大中薯率。生石灰处理严重影响了甘薯结薯个数和大中薯率，进而造成了甘薯减产；腐植酸处理后结薯个数和大中薯率增加最为显著。

表3 各试验组甘薯地下部分主要农艺性状

耐性指数是指污染物胁迫下植物某组织的干重与对照植物对应组织干重的比值。耐性指数越大，植物生物量所受影响越小，对污染物的耐性越大。尽管“浙紫3号”对土壤镉含量的耐受阈值检测目前尚在试验阶段，根据前期试验结果分析，土壤镉含量约为0.628 mg/kg的中度污染大田区对“浙紫3号”的生长无明显影响，属于耐受范围内，因此可以排除土壤调理剂筛选试验土壤背景毒素的干扰因素。在试验过程中，适量生石灰处理虽然导致甘薯减产，但是相对于对照组耐性指数仍为0.852，说明在25 kg/667m2生石灰用量处理下甘薯存在较好的耐性，属于安全施用范围内。

2.2 不同降镉肥处理对大田土壤的影响

对处理前和处理后的土壤镉含量检测，从表4可以看出，施用腐植酸肥对土壤镉含量的影响最大，能大幅度降低单位重量土壤中镉的含量；施用生石灰也能造成土壤镉含量的显著降低；施用土壤修复剂、土壤调理剂都能一定程度降低土壤镉含量；施用碱性缓释复合肥对土壤镉含量的影响相对最小。尽管不同试验区土壤镉含量存在差异，但是其变化幅度很小，相对于平均值0.628 mg/kg，只存在0.05 mg/kg的差异，可以认为镉含量处于同一水平。

表4 不同土壤调理剂对大田镉含量的影响 （mg/kg）

2.3 不同降镉肥处理对甘薯镉积累的影响

从表5可以看出，施用腐植酸既能降低土壤单位镉含量，同时又能降低甘薯茎叶、薯块镉的积累，为五类土壤镉污染调理剂中效果最佳；土壤修复剂和土壤调理剂能降低土壤镉含量，却增加了甘薯薯块镉的吸收和积累；碱性缓释复合肥对甘薯茎叶镉吸收、积累有抑制作用；生石灰虽然能降低土壤中有效镉含量，但对甘薯薯块镉积累的影响最不明显，且对甘薯本身生长存在抑制作用。

表5 不同土壤调理剂对鲜薯镉积累的影响 （mg/kg）

3 讨 论

紫薯兼有粮食作物、经济作物和药用作物的多重特性。紫薯块根几乎含有普通甘薯的所有营养成分和活性物质，而且营养成分还高出普通甘薯数倍，尤其是富含特有的花青素，具有显著的抗氧化功能、抗肿瘤功能和抗高血糖功能，备受广大消费者青睐。紫薯经济效益为普通甘薯的3倍以上，加工后产生的经济效益更大，目前紫薯加工产品在国内外市场上十分畅销，具有广阔的市场和良好的经济效益，能形成特色产业，促进农民增收，必将推动农业经济的发展，成为农民致富的“金薯”。采用安全种植模式在镉污染大田种质紫薯，既能提高农耕的产值，又能有效改良土壤重金属污染问题，为重金属污染大田生态农业修复的有效备选方案。

试验以“浙紫3号”紫薯为实验材料，选择了几种具有代表性的土壤调理剂，分别通过影响土壤pH值、Eh值、阳离子交换率等因素来调节甘薯对镉的吸收与积累。生石灰、钙镁磷肥等成分对土壤镉的作用原因相对明确，但是只能从单一因素上改良土壤和降低作物对镉的吸收，而腐植酸等调理剂虽然对土壤镉的作用和对植物镉吸收的影响相对更复杂，但是在改良土壤镉含量的同时，促进了作物的生长，抑制了作物对镉的吸收，属于较理想的土壤调理剂。

作物对镉的吸收能力都受土壤pH值的影响，在适于作物生长的范围内，土壤微环境pH值和植物镉的积累量呈显著负相关[4]。石灰对镉污染治理的主要依据是提高了土壤微环境pH值，从而降低土壤中有效态镉含量，抑制作物对镉的吸收和积累。但生石灰等碱性物质的施用也存在对植物毒害的副作用，适量的生石灰等碱性物质的使用虽然能降低作物对镉的吸收和积累，却影响植物正常的生长。

Eh值是溶液氧化性或还原性强弱的衡量指标，土壤中有许多氧化还原体系，氧化条件下（Eh值高时）比还原条件下（Eh值低时）更容易促进作物对镉的吸收。钙镁磷肥因为影响到土壤中的Eh值，已成为重要的重金属污染土壤改良剂。土壤调理剂和土壤修复剂主要含钙镁磷肥，在碱性土壤上施用能达到改良土壤环境、增产和缓解镉毒害的作用[5]。试验中检测发现试用适量土壤调理剂和土壤修复剂对甘薯的生长有显著促进影响，又能调节甘薯对重金属镉的吸收和积累，可以开发作为甘薯在镉污染大田栽培的配套调理剂。

腐植酸对植物体的生长发育有明显的促进作用，并能提高植物的抗性能力。腐植酸钠能抑制作物对镉污染区土壤中镉的吸收，延缓无机肥的释放，减少养分的损失同时也改善了甘薯的品质，是一种较理想的环保型高效肥料[6]。此外腐植酸既能促进甘薯生长，增加甘薯产量，抑制甘薯对重金属镉的吸收和积累，又能有效降低耕地中镉含量，调节和改良耕地土壤结构，能在生态农业修复过程中发挥较理想的作用。

[1] Huang Y Z，Hao X W，Lei M，et al. The remediation technology and remediation practice of heavy metals-contaminated soil [J]. J Agro-Envir Sci.，2013，32（3）：409-417.

[2] 张超凡， 张道微， 黄艳岚，等. 甘薯与马铃薯在土壤镉污染治理中的应用研究进展[J]. 湖南农业科学，2015，（9）：87-90.

[3] Chen H，Guo D F， Guo F，et al. Research advances on cadmium absorption and accumulation of plant [J]. Chinese Agric Sci Bulletin，2013，29（3）：6-11.

[4] Zhan S J，Yu H，Feng W Q，et al. Effects of different organic material and lime on soil pH and available cadmium [J]. Southwest China J Agric Sci.，2011，24（3）：999-1003.

[5] 谢 素. 红薯对芘、Cd、Pb复合污染土壤修复潜力的研究[D]. 广州：暨南大学，2014.

[6] Chen R P，Zhang Y L，Ma A J，et al. Study on the modification of humic acid and its adsorption to cadmium [J]. J Nanjing Forestry University（Nat Sci Edition），2014，38（4）：102-106.

（责任编辑：肖彦资）

Application Research of Sweet Potato Cultivation Special Soil Conditioner in Cadmium Polluted Field

ZHANG Chao-fan1,2，ZHANG Dao-wei1，HUANG Yan-lan1，ZHOU Hong1，ZHAGN Ya1，Fang Dong2（1. Hunan Crop Research Institute, Changsha 410125, PRC;
2. Longping Branch Graduate School, Central South University, Changsha 410125, PRC）

The most direct and effective method for the treatment of cadmium(Cd) pollution in soil is the agricultural ecological restoration, which need to screen crop varieties with the low Cd accumulation and find reasonable measures of soil treatment and corresponding cultivation techniques, in order to achieve more effcient use and ecological restoration of the Cd polluted farmland. This trial had screened sweet potato varieties “Zhezi No.3” with low Cd accumulation. In the meanwhile, the effects of different soil conditioner on the growth of sweet potato, the Cd contamation of soil and sweet potato were studied. This trial had found that humic acid was the optimal Cd contaminated feld soil conditioner. It can promoted “Zhezi No.3” production, inhibit the Cd absorption and accumulation in sweet potato on the soil, improve soil structure effectively, reduce soil Cd content per unit weight, optimal choice Cd contaminated feld soil conditioning agent.

cadmium pollution; ecological agriculture restoration; soil conditioner; Zhezi No. 3

book=35,ebook=43

X53

A

1006-060X（2016）12-0035-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.012.012

2016-08-31

国家甘薯产业技术体系资助（CARS-11-C-16）；湖南省财政专项（湘财农指[2014]180号）

张超凡（1962-），男，湖南邵阳市人，研究员，主要从事甘薯育种与甘薯栽培研究工作。