磷石膏改良石灰土对不同品种牧草吸收Cd的影响及风险评价

2022-12-07 08:49张卫兵刘元生陈祖拥卜通达
山地农业生物学报 2022年6期
关键词:白三叶高羊茅菊苣

张卫兵,刘元生,陈祖拥,朱 健,卜通达

(1.贵州大学 后勤管理处,贵州 贵阳 550025;2.贵州大学 环境与资源研究所,贵州 贵阳 550025)

我国磷矿资源主要集中在云南、贵州、湖北、四川等地,磷化工已成为贵州省经济发展的优势产业[1]。磷肥生产以磷矿石为原料,磷矿石除含有磷、钾、钙、锰、锌等营养元素以外,同时也含砷、镉、铬和氟等有害元素,特别是镉含量较高[2],耕地长期大量施用利用磷矿粉生产的过磷酸钙及钙镁磷肥,会造成土壤重金属累积,从而影响农产品质量[3-6]。当前磷化工企业主要是利用磷矿粉加浓硫酸制取磷酸,再加氨水生产磷酸二氢铵;但在湿法磷酸生产过程中副产大量的磷石膏,磷石膏露天堆放过程中有害元素的迁移,会对堆场周边的水体及土壤质量产生明显的影响[7-9],磷石膏的资源化利用成为磷化工企业可持续发展的重要前提。目前对磷石膏的利用主要是建材方面,而把磷石膏作为土壤改良剂及植生基质利用方面也开展了一些研究工作,但存在种植作物重金属污染的风险[3-4,10]。此外,对改良磷石膏基质种植牧草的可行性也有研究[11-12]。向仰州等[11]在改良磷石膏基质上种植的黑麦草和紫花苜蓿的发芽能力、出苗时间、平均株高、绿期、分蘖率和成活率均优于早熟禾、百喜草和白三叶,可以利用磷石膏改良土壤种植牧草对矿山废弃地进行生态修复。但是,在磷石膏改良土壤上种植的牧草是否对重金属产生富集,对牧草利用途径尤为重要,特别是碳酸盐岩发育的石灰土,土壤镉的富集明显高于其他土壤[13-14]。

近年贵州喀斯特山区农户利用耕地种植牧草大力发展养殖业,施用磷肥能促进牧草生长及提高产量和品质[15]。磷石膏具有酸度较强且富含磷、硫等元素的特点,施用磷石膏改良石灰土能调节土壤酸碱度和提高土壤的养分水平,但石灰土本身Cd含量较高,磷石膏也含有较多的Cd,需要进一步了解磷石膏改良石灰土后不同牧草品种对Cd的吸收和累积特点,并对污染风险进行评估。本文以贵州省开阳磷化工基地磷石膏为研究对象,通过对喀斯特山区种植牧草的土壤类型进行调查并选取代表性的土壤进行盆栽试验,探讨磷石膏改良石灰土后种植牧草的生长状况及植株对重金属累积的生态风险,为磷石膏的资源化利用及矿山生态环境治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区土壤调查及供试土壤样品采集

研究区位于贵州省中部喀斯特地貌区,海拔在1100~1200 m之间,属亚热带季风性湿润气候,年降雨量在1100~1300 mm,降雨主要集中在5~8月,年平均气温15.0 ℃左右,土壤多为碳酸盐岩发育的石灰土,农业以旱作为主,主要种植玉米、油菜、蔬菜等,局部低洼地段种植水稻,多数地方在冬季利用耕地种植牧草发展养殖业。在调查土壤镉含量水平的基础上,参考我国农用地土壤环境质量标准(GB15618-2018)[16],选取高于筛选值的旱地土壤作盆栽试验,野外采集0~20 cm的表层土壤混合均匀后带回试验场风干备用。试验用磷石膏来源于开阳县小寨坝磷石膏堆场当年堆体表层混合样品(pH 4.02,总Cd的含量5.37 mg/kg,低于肥料中砷、镉、铅、铬、汞生态指标标准限值(GB/T 23349-2009,Cd≤10 mg/kg)。

1.2 盆栽试验设计及植株样品采集

盆栽试验在贵州大学南校区试验农场进行,供试土壤为石灰岩风化物发育的大眼泥土(pH 7.77,总Cd的含量0.852 mg/kg,高于我国的农用地土壤环境质量标准(GB15618-2018)中筛选值,pH≧7.5,Cd 0.8 mg/kg);供试牧草品种6个:黑麦草(LoliumperenneL.)、高羊茅(FestucaarundinaceaL.)、紫花苜蓿(MedicagostivaL.)、白三叶(TrifoliumrepensL.)、燕麦(Arenasativa)、菊苣(CichoriumintybusL.)。盆栽试验设磷石膏处理、对照处理(未施用磷石膏),每个处理设置4次重复。利用塑料盆(直径30 cm,高40 cm)装土,每盆装风干过5 mm 筛的土壤5.0 kg,每盆在装土时加入N、P、K肥(5.0 g尿素、5.0 g磷酸二氢钾);施磷石膏处理每盆再均匀混合加入100.0 g磷石膏(1.5%)。于2018年9月20日播种,每个处理分别种植6种牧草种子。牧草出苗后,每2~3天浇一次水,保持盆栽土壤适宜的含水率(20%~30%),一个月后在室外天然降雨条件下观察牧草正常生长情况,12月底收割牧草,测定生物量及采集植物样品。

1.3 重金属含量的测定方法

土壤、磷石膏重金属全量分析以HNO3-HF-HClO4混合分解法消解样品,植物样品采用HNO3-HClO4混合分解法消解样品,制成待测液后采用石墨炉原子吸收光谱仪测定Cd的含量[17]。

1.4 数据处理与分析

Ii为镉污染指数;P为测定值;S为牧草限量标准值(《饲料卫生标准》GB13078-2017,植物性饲料原料Cd的限量要求为:Cd≤1.0 mg/kg)。依据污染指数Ii≤0.7为安全,0.73.0为严重污染,对牧草Cd污染风险进行评价。

数据采用DPS软件进行数理统计分析,计算每处理(6种牧草)4个重复测定值的平均值及标准差,并进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种牧草对高镉土壤Cd吸收及富集的差异性

从表2中可知,不同品种牧草对土壤镉的吸收存在明显的区别,在盆栽试验的4个重复中黑麦草Cd含量范围为0.192~0.371 mg/kg,高羊茅Cd含量为0.223~0.315 mg/kg,紫花苜蓿Cd含量为0.108~0.228 mg/kg,白三叶Cd含量为0.103~0.210 mg/kg,燕麦Cd含量为0.241~0.306 mg/kg,菊苣Cd含量为0.387~0.470 mg/kg,牧草植株Cd平均含量最高是菊苣,其次是高羊茅,燕麦、黑麦草,最低是紫花苜蓿、白三叶;菊苣植株Cd的平均含量分别比高羊茅、燕麦、黑麦草、紫花苜蓿、白三叶高34.77%、39.32%、39.77%、65.23%、67.27%。多重比较结果表明,菊苣植株Cd的含量均显著地高于其他5个牧草品种,而禾本科牧草(高羊茅、燕麦、黑麦草)植株Cd的含量又显著地比豆科牧草(紫花苜蓿、白三叶)高,但是禾本科牧草品种之间以及豆科牧草品种之间植株Cd含量未出现显著性的差别。

表1 未施用磷石膏下不同品种牧草植株Cd的含量及富集系数Tab.1 Cd content of plants and Cd enrichment coefficient of different forage grass

从植株Cd的生物富集系数来看,黑麦草、高羊茅、紫花苜蓿、白三叶、燕麦、菊苣的生物富集系数范围分别为20.83%~46.88%、24.19%~46.06%、10.96%~27.12%、10.45%~24.63%、24.45%~49.98%和39.26%~75.47%,其平均生物富集系数的大小顺序是菊苣>燕麦、高羊茅>黑麦草>紫花苜蓿>白三叶。多重比较结果表明,菊苣植株Cd的生物富集系数均显著地高于其他5个牧草品种,但禾本科牧草(高羊茅、燕麦、黑麦草)植株Cd的生物富集系数与豆科牧草(紫花苜蓿、白三叶)品种之间差异不明显。

2.2 磷石膏改良土壤对不同品种牧草Cd吸收及累积的影响

从表2与表1数据对比看出,土壤施用磷石膏后,6种牧草的地上生物量均出现较明显的增加,高羊茅、白三叶、紫花苜蓿、黑麦草、菊苣、燕麦生物量平均增加率分别是22.09%、16.67%、15.30%、14.90%、9.47%、8.31%。可见,石灰土施用磷石膏能明显的提高牧草的产量,特别是高羊茅,其次是白三叶、紫花苜蓿、黑麦草。石灰土施用磷石膏后,牧草植株Cd平均含量的大小顺序是菊苣>燕麦>高羊茅>黑麦草>白三叶>紫花苜蓿。多重比较结果表明,菊苣植株Cd的含量均显著地高于其他5个牧草品种,而禾本科牧草(高羊茅、燕麦、黑麦草)植株Cd的含量又显著地比豆科牧草(紫花苜蓿、白三叶)高,紫花苜蓿植株Cd的含量显著地低于菊苣和燕麦,但与白三叶之间未出现显著性差异;而燕麦、高羊茅、黑麦草、白三叶之间未出现明显的差别,与前面未施用磷石膏处理的试验结果基本一致。

从表3看出,石灰性土壤施磷石膏后明显地增加牧草中Cd的含量,不同品种牧草Cd含量增加率也出现明显的差异,黑麦草、高羊茅、紫花苜蓿、白三叶、燕麦、菊苣植株Cd含量增加的百分率分别为16.44%~50.47%、15.96%~62.93%、36.04%~95.37%、42.28%~130.10%、33.99%~86.72%和59.96%~193.54%;其平均增加率的大小顺序是高羊茅>黑麦草、白三叶、紫花苜蓿>菊苣、燕麦。多重比较结果表明:菊苣植株Cd含量的增加率均显著地低于其他5个牧草品种,黑麦草植株Cd含量的增加率也显著地低于白三叶,但黑麦草植株Cd含量的增加率与高羊茅、燕麦、紫花苜蓿之间未出现明显的差别,而且高羊茅、燕麦、紫花苜蓿之间也未出现明显的差别。

表2 施用磷石膏下不同品种牧草植株Cd的含量及富集系数Tab.2 Cd content of plants and Cd enrichment coefficient of different forage grass

2.3 石灰土施用磷石膏种植牧草的风险评估

从表3可知,在喀斯特山区土壤Cd含量超过农用地筛选值的耕地上种植高羊茅、黑麦草、白三叶、紫花苜蓿、菊苣、燕麦未出现污染风险。石灰土施用磷石膏后牧草植株Cd含量均出现较明显的增加,种植高羊茅、黑麦草、白三叶、紫花苜蓿、燕麦仍未出现污染风险,但菊苣的污染指数达到0.739~1.201,处于警戒及污染水平。可见,利用磷石膏改良石灰土种植牧草时,可以选择低镉累积的紫花苜蓿、白三叶,其次是黑麦草,从而减少牧草植株Cd的污染风险。

表3 盆栽条件下牧草植株镉的污染指数Tab.3 Pollution index of cadmium in forage grass under potted conditions

3 结论与讨论

在喀斯特山区土壤Cd含量高出我国土壤环境质量标准(GB15618-2018)农用地筛选值(pH 6.5~7.5,Cd 0.6 mg/kg; pH≧7.5,Cd 0.8 mg/kg)的耕地土壤上种植菊苣、燕麦、高羊茅、黑麦草、紫花苜蓿、白三叶,其中菊苣植株Cd含量显著地高于其他5个牧草品种,而禾本科牧草植株Cd含量显著地比豆科牧草高,不同品种牧草对Cd的吸收及累积量出现明显的差异,菊苣属于容易富集Cd的牧草品种,而紫花苜蓿、白三叶属于低镉富集的牧草品种。在高镉土壤上种植的6个品种牧草植株Cd含量均未超过《饲料卫生标准》中植物性饲料原料的限值(Cd≤1.0 mg/kg),说明在高镉土壤上种植牧草总体上是安全的。然而,目前较多的研究结果表明,在高镉土壤种植蔬菜存在较大的污染风险,据张丹等[18]对本研究区贵阳市乌当区主要蔬菜基地的4种蔬菜100个样品的可食部分中铅、铜、铬、镉、砷、汞含量测试分析结果,莴笋中铅、镉、汞指标存在超标现象;苏琪娇等[19]对贵阳市花溪区46个菜地土壤样本及22个蔬菜样本进行检测,蔬菜中Zn、Cd、Pb、Cu 的含量及土壤中4种重金属出现了不同程度的污染,蔬菜受Cd、Pb元素污染相对严重。由于我国无公害蔬菜Cd的限值仅为0.5 mg/kg(农产品安全质量无公害蔬菜安全要求)GB/T18406.1-2001,在高镉土壤上种植蔬菜的污染风险远大于牧草种植。因此,对高镉土壤区的耕地通过减少蔬菜种植面积及增加牧草种植面积,通过发展畜牧业来调整农业产业结构,从而提高耕地资源的利用率。

石灰土施用磷石膏改良土壤后,种植的菊苣、燕麦、高羊茅、黑麦草、紫花苜蓿、白三叶地上生物量均有明显提高,而牧草植株Cd的含量也出现大幅度的增加,特别是对Cd吸收及富集能力较强的菊苣,植株Cd含量达到警戒及污染风险等级,菊苣不宜种植在磷石膏改良的土壤上,但可以选择低镉累积的紫花苜蓿、白三叶,其次是黑麦草,从而减少牧草植株Cd的污染风险。严莲英等[20]利用湖库底泥添加珍珠岩、锯木屑和蘑菇渣等材料(30.0%)种植的三叶草、黑麦草和孔雀草,也表明三叶草富集Cd能力低于黑麦草。因此,选择在磷石膏改良的石灰土上种植的牧草品种筛选尤为重要,磷石膏酸度较强并富含磷、硫等元素,石灰性土壤上施用磷石膏可以调节土壤酸碱度及提高土壤养分水平,从而提高牧草产量,但也大幅度增加了牧草植株Cd的含量,带来较大的饲料牧草质量安全风险。可见,利用磷石膏改良土壤时,需要根据牧草品种吸收Cd的特点来控制磷石膏的施用量,才能减少磷石膏中Cd等重金属迁移带来的环境影响及污染风险,这方面还值得深入研究。

在喀斯特山区土壤Cd含量水平超过农用地筛选值的耕地上种植6种牧草,其植株Cd含量及富集系数大小顺序是菊苣>燕麦、高羊茅、黑麦草>紫花苜蓿、白三叶,6种牧草Cd的含量水平均低于《饲料卫生标准》中植物性饲料原料的限值。菊苣植株Cd的含量和生物富集系数均显著地高于其他5个牧草品种,而禾本科牧草(高羊茅、燕麦、黑麦草)植株Cd的含量也显著地比豆科牧草(紫花苜蓿、白三叶)高,但禾本科牧草植株Cd的生物富集系与豆科牧草未出现明显的差异。不同品种牧草对土壤镉的吸收及累积是有明显差别的,在高镉的石灰性土壤上种植牧草,可以通过选择牧草品种来保证饲料牧草的质量。

石灰性土壤施磷石膏后,6种牧草地上生物量增加了8.31%~22.09%,但牧草植株Cd的含量增加了15.96%~193.54%;不同品种牧草植株Cd含量增加率也出现明显的差异,其大小顺序是高羊茅>黑麦草、白三叶、紫花苜蓿>菊苣、燕麦;虽然菊苣植株Cd含量的增加率显著地低于其他5个牧草品种,但菊苣植株Cd的含量仍比其他5个品种牧草高34.77%~67.27%,其含量水平达到警戒及污染风险等级;而种植高羊茅、黑麦草、白三叶、紫花苜蓿、燕麦植株Cd含量水平仍未出现污染风险。利用磷石膏改良石灰土种植牧草时,可以选择低镉累积的紫花苜蓿、白三叶,其次是黑麦草,从而减少牧草植株Cd的污染风险。

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