沸石-铅交互作用对水稻生长发育及铅富集特性的影响

2017-03-22 05:15:16姜国辉李玉清
中国农村水利水电 2017年2期
关键词:沸石促进作用重金属

姜国辉,程 芳,田 英,李玉清

(1.沈阳农业大学水利学院,沈阳 110866;2.辽宁省水文局,沈阳 110003)

铅是已知重金属污染物中毒性最大的元素之一,随着工业技术的迅速发展,重金属铅污染问题日益严重。中国近海2/3的海域出现铅含量超标,近1/5的耕地受到铅污染。污水中的Pb2+进入土壤中,最终通过食物链积累进入人体,危害人类健康[1,2]。因此,有关再生水灌溉对农产品的产量和品质影响的研究是近来关注的焦点之一[3,4],水稻是我国主要粮食作物之一,在我国粮食生产中占重要的地位[5],有研究表明,水稻是一种典型的富铅作物,铅在水稻植株体中累积,导致水稻生长发育受阻,产量和品质下降,积累在水稻植株体内的铅通过食物链传递,危及人类和动物的健康[6-8]。因此,研究如何降低水稻对铅的吸收积累成为一项重要的课题。

化学改良技术以其廉价且影响作物耕作,被认为是土壤重金属污染治理最有效的方法之一。近年来,大量的改良剂被用于重金属污染土壤的治理,常见的有石灰、磷酸盐、堆肥、高炉渣、铁盐、硅酸盐、沸石等。吸附法是一种有效的物理化学水处理方法,常被用于净化重金属污染废水。沸石作为常用的吸附剂,既能改良土壤又能净化废水,能有效去除水中的重金属。关于沸石吸附重金属离子的研究已有报道。沸石具有孔道结构和离子交换性能,对废水中的铅有吸附作用。此外,沸石对土壤中重金属铅具有一定的钝化效果,可有效抑制土壤铅的迁移及生态有效性[9-10]。对于铅污染的土壤,采用多种改良剂配施已经有不少研究[11-13],而这些研究大多采用盆栽试验,在小区试验的较少,同时,大部分研究是针对复合改良剂对土壤污染的影响,或研究沸石对废水进行改良。农田重金属的含量状况关系到农产品质量安全、人类和动物健康等[14],因此,如何治理重金属污染农田以及如何控制重金属向水稻中转移是值得研究的课题。目前,少有学者研究灌溉水中的铅与沸石交互作用对土壤中铅含量及对水稻的影响。本文拟通过微区水稻种植试验,分析沸石与铅复合作用对水稻产量、铅在水稻植株中富集、生长性状等的影响,以期为我国含铅污水灌溉的粮食作物安全生产提供一些依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于沈阳农业大学水利学院综合试验基地(坐标:N41°44′,E123°27′,海拔44.7 m)。试验区属于温带大陆性季风气候区,年平均降水量700 mm左右。全年无霜期155~180 d。年平均气温为8.1 ℃,夏季平均气温为25.6 ℃。试验于2015年5月开始,试验微区面积4.2 m2(3.5 m×1.2 m),深度为30 cm,底部及四周均用塑料膜包裹,微区间筑埂隔离,各处理间互不渗透。为防止微区中的灌溉水被雨水稀释进而影响试验结果,设置透明遮雨棚,雨天遮盖,晴天全部打开。

1.2 供试材料

水稻品种为沈农9816,供试土壤为基地的棕壤土,各理化指标为:pH值7.41,有机质含量20.48 g/kg,全氮含量1.3 g/kg,速效磷20.69 mg/kg,速效钾50.11 mg/kg。常规施肥:硫酸钾100 kg/hm2,尿素300 kg/hm2,磷酸二氢钙200 kg/hm2。灌溉水为水利学院综合试验基地自供水,经检测,基地自供水符合饮用水水质标准,其中铅的浓度<0.06 μg/L。

1.3 试验设计

试验设铅及沸石2因素,铅因子4个浓度梯度,沸石3个施用量,共12个处理,各处理试验见表1,每个处理3个重复。灌溉水铅处理浓度为0(B0)、0.15(B1)、0.20(B2)、0.25 mg/L(B3),用硝酸铅[Pb(NO3)2]配制。沸石施用量包括无沸石(W0)、施用沸石2 500 kg/hm2(W1)、施用沸石5 000 kg/hm2(W2)。沸石于插秧前结合耙地先于肥料一次施入。缓苗期12个处理均灌溉基地自供水,水层保持3 cm厚。返青期开始,除B0各处理外,其他处理灌溉对应浓度含铅因子水溶液。

表1 试验处理设计Tab.1 The experiment processing design

1.4 测定数据及方法

(1)试验取样。每2 d进行一次田间调查测定,记录不同处理的水稻生长发育情况;间隔20 d取样一次,其中在水稻营养生长时期取2次,水稻生殖生长时期取样1次,水稻成熟期取样1次;每次每个处理取5株,用土钻取深度0~20 cm土壤0.5~1.0 kg左右。

(2)生长性状测定。每次取样测定水稻的株高、分蘖数和地上、地下物质生物量。

(3)产量测定。考查每穗粒数、结实率、千粒重、产量。

(4)样品处理。土样在自然条件下阴干、研磨、过100目筛;植物样品经烘干,植物粉碎机磨碎,研钵研磨成粉状后,过100目筛。

(5)土壤及水稻植株中铅含量测定。根据GB 5009.12-2010,采用压力消解罐消解法处理样品,用原子吸收分光光度计(HITACHI Z-2000)采用火焰法进行测定。

(6)数据处理。采用Office 2010整理数据,采用SPSS 19.0统计分析软件进行单因素方差分析,采用Dunccn检验法对数据进行显著性比较(P<0.05),采用Origin软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同沸石添加量下,铅水浓度变化对水稻产量的影响

沸石施用于铅污水灌溉的水稻土中,不同沸石施用量对水稻产量的影响见表2。从表2可见,当沸石施用量是W1处理时,以无沸石添加的W0组为对照,不同浓度的含铅水灌溉,清水产量增加5.9%,其余处理分别减少3.77%、8.7%、17.6%;当沸石施用量为W2处理时,与W0相比水稻产量呈上升趋势,不同浓度的含铅水灌溉,稻米产量分别高于对照8.84%、11.20%、16.84%、8.50%,差异达显著水平(p<0.05)。

表2 不同铅浓度灌溉水及沸石施用量对水稻产量的影响 g/区

注:表中不同小写字母表示各处理间差异显著(p<0.05)。

当铅水浓度为B1处理时,以B0组为对照,不同沸石添加量下,W0产量增加10.43%,W1产量增加0.1%,W2产量增加10.13%;当铅水浓度为B2处理时,以B0组为对照,不同沸石添加量下,W0产量增加16.38%,W1产量增加14.08%,W2产量增加24.94%;当铅水浓度为B3处理时,不同沸石添加量下,W0产量减少2.35%,W1产量减少24.11%,W2产量减少0.24%。

说明W1处理时,对水稻产量有抑制作用,而W2时对水稻产量有促进作用,且在不同铅浓度灌溉水中,沸石对水稻产量的作用不同,在清水中起促进作用,在铅水灌溉下,W1各处理的抑制程度B3>B2>B1,W2各处理的促进程度B2>B1>清水>B3。

以B0W0处理为对照,B1W1增产6.04%,B1W2增产19.87%,B2W1增产6.27%,B2W2增产35.98%,B3W1减产19.61%,B3W2增产8.58%,说明沸石与铅交互作用对水稻产量影响强弱为:B2W2>B1W2>B3W2>B2W1> B1W1>B3W1。

2.2 沸石胁迫下重金属铅在土壤、水稻植株中的富集

铅水灌溉下,水稻植株各部位均有铅的积累,铅的迁移路线一般为水中铅通过土进入根再运移到植株,或铅水直接进入根再向植株运移。试验中每个微区面积相同,土壤重量相等,各处理间控制灌水量差别小于10%以内。因此,水稻土中铅总量取决于灌溉水中的铅浓度,残留在土壤中的铅含量多,输送到水稻植株的铅含量则少。本试验不同处理下土及水稻各部位铅浓度对比详见图1。由图1可见,随着铅水浓度的增大水稻各部位铅含量增加,与郑春荣等[16]研究结果一致。施用不同量的沸石对土壤中及水稻根部铅浓度影响显著。

图1 不同处理下土及水稻各部位铅浓度对比图Fig.1 The lead concentration in different parts of soil and rice under different treatments

W1时,以W0组为对照,不同浓度铅水灌溉下土壤及根中单位铅含量均有提高,其中土浓度提高了14.69%、15.39% 、15.82%,根中铅浓度提高9.6%、37.82%、3.36%,茎、叶、米中铅浓度均有降低,其中茎降低60.59%、34.24% 、28.43%,叶降低27.59%、10.77% 、2.12%,米降低43.49%、37.75% 、28.81%;W2时,土壤铅浓度分别提高8.57%、8.56% 、6.04%,根提高29.76%、44.71% 、5.81%,茎降低66.03%、43.86% 、31.91%,叶降低44.83%、22.76% 、11.69%,米降低49.32%、45.36%、40.11%。

以B0W0处理为对照,B1W0处理米浓度增加55.32%,B1W1减少12.23%,B1W2减少21.28%;B2W0米浓度增加60.64%,B2W1没有增加,B2W2减少12.23%;B3W0、B3W1、B3W2米浓度增加88.3%、34.04%、12.77%。

由于施用沸石,土壤中铅富集最多,米中铅浓度降低的百分比最大,沸石和铅的交互作用,有效地抑制了灌溉水中铅离子向米粒中的转移,这与周航等[10]研究结果一致。且5 000 kg/hm2沸石添加量明显比2 500 kg/hm2的处理抑制效果好,沸石影响铅离子向米中运移强弱表现为B1W2>B2W2、B1W1>B2W1>B3W2>B3W1。

施用不同量的沸石,土壤中铅浓度与无沸石的W0处理均存在显著差异(p<0.05 );W1时,不同铅水浓度灌溉下,水稻籽粒中铅浓度与W0亦存在显著差异性(p<0.05 );当施用量为W2时,水稻籽粒中铅浓度与W0之间在B3时存在显著差异(p<0.05 )。

2.3 沸石与铅交互作用对水稻生育性状的影响

为考证沸石与铅交互作用对水稻生育性状的影响,试验在水稻生长期取样记录株高、分蘖数和地上、地下干重,结果见表3。在重金属铅处理的土壤中生长的作物,随着施铅浓度的增加,株高无明显变化[16]。从表3可以看出对水稻营养生长期部分生育性状影响为:低浓度铅水对水稻株高有促进作用,且灌溉水铅浓度越高,水稻株高增长量越低,高浓度铅离子对水稻株高起抑制作用,同一铅浓度,沸石添加量增加,水稻株高增长量越高,沸石对水稻的株高起促进作用,铅与沸石交互作用下,沸石对水稻株高的促进作用大于铅离子对水稻株高的抑制作用;铅离子对水稻分蘖数起抑制作用,同一铅浓度,沸石添加量增加,水稻分蘖数增长量越高,沸石对水稻的分蘖数起促进作用,铅与沸石交互作用下,沸石对水稻分蘖的促进作用大于铅离子对水稻分蘖的抑制作用;灌溉水铅浓度越高,水稻地上物质重增长量越低,铅离子对水稻地上物质重起抑制作用,同一铅浓度,沸石添加量增加,水稻地上物质重增长量越高,沸石对水稻地上物质干重起促进作用,铅与沸石交互作用下,沸石对水稻地上物质干重的促进作用大于铅离子对水稻地上物质干重的抑制作用;低浓度铅离子对水稻地下物质干重有促进作用,且灌溉水铅浓度越高,水稻地下物质干重增长量越低,高浓度铅离子对水稻地下物质干重起抑制作用,同一铅浓度,沸石添加量增加,水稻地下物质重增长量越高,沸石对水稻地下物质干重起促进作用,铅与沸石交互作用下,沸石对水稻地下物质干重的促进作用大于铅离子对水稻地下物质干重的抑制作用,且对地上物质干重作用大于对地下物质干重。

表3 施用沸石的水稻生育性状与对照的差异比较Tab.3 Comparison of the differences in growth traits oncontrol of rice using zeolite

对水稻生殖生长期影响为:铅离子及沸石对水稻株高均起促进作用,且浓度越高作用越明显,同一铅浓度,沸石添加量增加,水稻株高增长量越高;铅水浓度与沸石对水稻分蘖的影响无明显影响;灌溉水铅浓度越高,水稻地上物质干重增长量越高,铅离子对水稻地上物质干重起促进作用,同一铅浓度,沸石添加量增加,水稻地上物质干重增长量降低,沸石对水稻地上物质干重起抑制作用,铅与沸石交互作用下,高浓度铅水灌溉下沸石对水稻地上物质干重的抑制作用大于铅离子对水稻地上物质干重的促进作用;铅离子对水稻的地下物质干重有抑制作用,沸石对水稻地下物质干重起促进作用,铅与沸石交互作用下,铅离子对水稻地下物质干重的抑制作用大于沸石对水稻地下物质重的促进作用。

3 结 论

本试验研究表明,低浓度铅水灌溉下沸石对水稻产量有促进作用,沸石与铅交互作用下,不同沸石施用量对水稻产量的影响不同,施用2 500 kg/hm2时,降低水稻产量,铅水浓度越高降低越明显;施用5 000 kg/hm2时,促进水稻产量,铅水浓度越高促进越明显,以B0W0处理为对照,B1W1增产6.04%,B1W2增产19.87%,B2W1增产6.27%,B2W2增产35.98%,B3W1减产19.61%,B3W2增产8.58%。说明沸石与铅交互作用对水稻产量影响强弱为B2W2>B1W2>B3W2>B2W1> B1W1>B3W1。

铅易在植物体内累积,随着灌溉水铅浓度的增加,水稻根、茎、叶中的铅含量明显增高,施用沸石后,在沸石的胁迫下土壤和根中的铅浓度增加,茎、叶、米中铅浓度降低,土壤中铅浓度提高了6.04%~15.82%,根中提高了3.36%~37.82%,茎中降低28.43%~66.03%,叶中降低2.12%~44.83%,米中降低28.81%~49.32%。随着沸石施用量增加,茎、叶、米中铅浓度降低越多。铅和沸石交互作用下,土中铅占总灌入量比例高于未添加处理1.47%~11.1%,根中铅占比提高0.71%~7.75%,茎、叶、米中铅占降低0.12%~1.83%。因此, 施用沸石可以促进铅在土及根中的富集,抑制了铅金属到米粒中的转移。沸石与铅水交互作用对米中铅含量作用强弱为B3W2>B2W2>B1W2>B3W1>B2W1>B1W1>。

对水营养生长期部分生育性状的影响为:铅与沸石交互作用下,沸石对水稻株高、分蘖、地上物质重、地下物质重的促进作用大于铅离子对其的抑制作用,且对地上物质重的作用大于对地下物质重。对水稻生殖生长期影响为:铅离子及沸石对水稻株高均起促进作用,铅与沸石交互作用下,高浓度铅水灌溉下沸石对水稻地上物质重的抑制作用大于铅离子对水稻地上物质重的促进作用;铅与沸石交互作用下,铅离子对水稻地下物质重的抑制作用大于沸石对水稻地下物质重的促进作用。说明沸石与铅交互作用对水稻株高、分蘖、地上部干重、地下部干重的促进作用主要在生长初期。

针对铅污水灌溉或铅污染土壤种植水稻,可以在土壤中添加沸石,进而减少金属铅离子向米中运移,铅离子对水稻部分生育性状的影响在水稻生殖生长期,可在水稻生殖生长期避免用铅污水灌溉。

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