土壤调理剂对马铃薯降镉效果研究

汪 丹，周 伟，王梦园，张阳阳，余 庆,闫加力

(1.湖北省地质科学研究院/湖北省富硒产业研究院，湖北 武汉 430034；2.湖北省硒生态环境效应检测中心，湖北 武汉 430034；3.长江大学，湖北 荆州 434023)

1 引言

恩施地区硒资源集多样性、丰富性于一身，是中国唯一的独立硒矿产地，被国际组织誉为“世界硒都”。然而，大量调查表明，富硒地区土壤往往伴生重金属镉污染[1]，对土壤及农作物产生危害，并在食物链的传递下对人类健康构成潜在威胁。

目前，改变重金属在土壤中的存在形态，降低其在土壤中的迁移性和生物可利用性，对污染物进行固定化，从可溶态或可交换态转变为难溶态是土壤重金属污染的治理主要途径之一[2]。有机质、生物炭、含磷材料、黏土矿物以及含硅等钝化剂等均已被证明能有效降低土壤中镉的有效性，抑制植物对镉的吸收[3]。叶俊文等[4]研究表明随着有机质含量的增大，土壤中镉的可交换态含量显著降低。黄雁飞等[5]表明在镉污染稻田土壤中施用生物炭，可有效降低水稻稻米对镉的吸收量。赵艳玲[6]通过水稻栽培试验表明磷酸盐显著抑制水稻根系对镉的吸收和向地上部的转运，提高根际环境中磷酸盐浓度，能抑制根际中镉的生物有效性。近年来，利用黏土矿物对重金属的吸附、配合、共沉淀等作用来降低重金属在环境中的迁移性和生物有效性成为了研究热点，黏土矿物在缓解重金属对植物毒害作用极具应用前景[7]。此外，还有学者表明硅钙类材料也能缓解镉对植物的毒害[8，9]。

恩施是湖北省最大的马铃薯主产区，也是湖北省实施马铃薯主食开发的主战场[10]。而恩施富硒高镉土壤区占恩施面积的45.14%，面积约为10878.74 km2[11]，在高镉地区生产出质量安全的马铃薯具有十分重大的意义。土壤质地、pH值、有机质含量等均能影响土壤中镉的存在形态。因此，本文选取有机质、生物炭、含磷材料、硅钙材料和黏土矿物等钝化剂，通过不同组合与配比形成9种土壤调理剂，同时采集恩施高镉土壤开展马铃薯盆栽试验，研究不同调理剂对土壤中镉的形态变化影响以及对马铃薯镉含量的影响。以期为解决恩施富硒镉污染土壤可持续利用和农产品安全生产提供依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料

供试土壤：恩施新塘乡麻柳洞村(N 30.2671°，E 109.7760°)富硒高镉区旱地表层耕作土壤(0～20 cm)。土壤pH值7.74；水解性氮含量为316 mg/kg，有效磷含量为25 mg/kg，速效钾含量为137 mg/kg；镉含量高达21.8 mg/kg，超过中华人民共和国国家标准《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》GB15618-2018所规定的镉含量风险值(0.6 mg/kg)35倍；有效镉含量达到12.20 mg/kg。

供试作物：恩施州地理标志产品“马尔科”小土豆。

供试土壤调理剂：9种供试土壤调理剂由有机质(菜籽粕(RSM)、小麦秸秆生物炭(WSB)和稻壳生物炭(RHB))、含磷材料(钙镁磷肥(CAS)、过磷酸钙(SSP)和硅钙钾镁肥(FCSMP))、黏土矿物(海泡石(MMS)、凹凸棒石(ATP)和蛭石(VMT))以及硅钙类材料(硅肥(SF)和贝壳粉(MOP))按照不同组合和比例混合而成(表1)。

2.2 试验设计

马铃薯盆栽试验设计10个处理，其中CK为空白对照组，T1～T9为添加不同土壤调理剂试验组，每个处理5个重复，总计50个盆栽，各处理土壤调理剂添加量见表1。

表1 马铃薯盆栽试验设计

在盆栽试验开展之前，将供试土壤风干，过2 mm筛，准确称量土壤与钝化材料混合均匀装进花盆，每盆用土10 kg，每盆种植马铃薯2株。盆栽试验全程都在网棚中进行，保持通风与足够的光照，试验期间定期浇水，根据作物生长期的需水量维持适宜的持水率。马铃薯于2021年9月7日播种，2021年12月27日收获。

2.3 测定指标及分析方法

成熟期采集马铃薯及根系土样品，利用原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法测试马铃薯与土壤中镉含量；利用七步提取法提取土壤中镉形态；土壤pH值采样《土壤pH的测定》进行测定；利用叶绿素测定仪测试马铃薯植株叶片叶绿素含量。

2.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理，采用Origin Pro 9.1软件进行图件绘制。

3 结果与分析

3.1 调理剂对土壤pH值的影响

土壤pH值是影响镉可交换态含量的重要因素，pH值升高，可以增强土壤胶体和黏粒对重金属离子的吸附，使其生成重金属的沉淀，从而抑制了土壤中重金属元素向农作物体内迁移[12]。不同调理剂施用对土壤pH值的影响如图1所示。与空白对照CK相比，T1～T9试验组均能提高土壤pH值，提升幅度1.72%～10.00%，pH提升排序为T6>T8>T9>T4>T1>T7>T5>T3>T2。T6试验组效果最为显著，主要是由于T6试验组施用了浓度较高的小麦秸秆生物炭，生物炭具有碱性特征[13]，能有效提高土壤的pH值；而贝壳粉作为碱性钝化剂，具有较高的pH值，也能起到提高土壤pH值的作用。

图1 不同调理剂施用对土壤pH值的影响

3.2 调理剂对土壤镉形态的影响

恩施高镉地区表层耕地土壤镉的形态中离子交换态、碳酸盐岩结合态、残渣态占比较大，其次为铁锰结合态、腐殖酸结合态、强有机结合态以及水溶态(图2)。由于水溶态和离子交换态总和为可交换态，容易发生转化和迁移，容易被农作物吸收利用，对农作物的危害最大[14]；而碳酸盐结合态、腐殖酸结合态和铁锰结合态，根据环境的变化可能被二次释放，对作物存在潜在危害，可见恩施高镉地区种植旱地土作物存在较大的镉污染风险[15]。

不同调理剂对马铃薯根系土中镉的形态影响如图2所示。土壤调理剂施用后，相对于原始土壤(图3)土壤中碳酸盐结合态和残渣态Cd依旧占据最大比例。相对于空白对照CK，T1～T9试验组可交换态镉的含量均呈现下降趋势，下降幅度2.82%～13.60%，尤其是BT4～BT8试验组下降幅度均大于10%。另一方面，部分调理剂如T1、T3、T8的施用还促进了土壤中的镉向农作物不可利用的强有机结合态转变。总体而言，所有添加土壤调理剂的试验组均能降低土壤中Cd的生物可利用性。

图2 原始土壤中镉的不同形态占比

图3 不同调理剂施用对土壤镉的形态影响

3.3 调理剂对马铃薯镉含量的影响

不同土壤调理剂施用后马铃薯中镉含量如图4所示，相对于空白对照组CK，T1～T9试验组马铃薯中镉含量均呈下降趋势，从0.42 mg/kg最低下降至最低0.15 mg/kg，下降幅度达到0.48%～65.00%。调理剂降镉效果排序为T7>T9>T8>T1>T2>T4>T6>T3>T5。主要是由于土壤调理剂的添加，升高了土壤pH值，降低了土壤中镉的生物有效性；增强了对土壤中的镉的吸附作用，减少了可供农作物吸收的有效镉总量。总体而言添加蛭石试验组(T7～T9)降镉效果优于T1～T6试验组，尤其以T7试验组降镉效果最佳，主要是由于一部分以离子交换形式进入到蛭石内部结构中，一部分因蛭石表面带负电荷，而被吸附于其表面，使土壤中交换态，碳酸盐结合态镉含量下降，大大降低了镉的活性，显著抑制了镉对植物生长的影响。

图4 不同调理剂施用对马铃薯镉含量的影响

3.4 调理剂对马铃薯植株叶绿素和株高影响

叶绿素是光合作用能力和植被发育阶段的指示器，是监测湿地植被生长健康状况的重要指标之一。不同调理剂施用对马铃薯叶片叶绿素对影响如图5所示，T1～T9试验组植株叶绿素相对于CK空白对照组，均呈现增高趋势，增加程度3.42%～11.80%。可见土壤调理剂的施用，降低了土壤中镉对马铃薯的胁迫，植株生长抑制得到缓解。

图5 不同调理剂施用对马铃薯叶片叶绿素对影响

不同土壤调理剂施用对马铃薯植株株高的影响如图6所示，结果表明，无论是苗期还是成熟期，T1～T9添加土壤调理剂的试验组植株株高均高于CK空白对照组。T4、T5、T6试验组株高增长趋势显著，主要是由于其土壤调理剂成分相对于其他6个试验组增加了贝壳粉，而贝壳粉中含有大量的钙、磷、锰、锌、铜、铁、钾、镁等微量元素，促进了马铃薯植株的生长。

图6 不同土壤调理剂施用对马铃薯苗期和成熟期植株株高的影响

4 结论

本文供试9种土壤调理剂的添加，均能有效提高土壤pH值，降低土壤中镉的生物有效性，以及马铃薯中镉的含量，同时缓解了镉对马铃薯的胁迫，促进了植株的生长。主要是由于土壤调理剂原料中菜籽粕对镉有较好的吸附能力[16]，并且可以提高土壤中有机质的含量，进一步降低土壤中可交换态镉的含量；生物炭的添加可以增加金属阳离子和生物炭衍生质子之间的静电相互作用和离子交换作用，促使可交换态镉转变为有机结合态等植物不易吸收的形态，从而降低土壤中镉的有效性[17]，同时还能有效提高土壤pH值，降低镉的活性；含磷材料的添加可以产生PO43-、HPO42-、H2PO4-，与重金属生成Cd5(PO4)3OH、Cd5(PO4)3Cl等难溶的沉淀物，进而有效降低土壤中可溶态镉的含量[18]；黏土矿物由于其较大的比表面积和很强的吸附性能，能将土壤中可溶性镉元素吸附在其表面或将游离态镉固定在矿物的层间结构中；硅肥的施用可以缓解重金属对农作物的毒害作用；贝壳粉的添加抑制的镉的活性，并且可以增加植物的生物量[19]，还可以提高土壤pH值，增加土壤中有机质的含量。总体而言，本文研究的由有机质、生物炭、含磷材料、黏土矿物以及硅钙材料等钝化剂根据不同配比混合而成的9种土壤调理剂能有效降低马铃薯中镉的含量，以T7调理剂效果最佳，可以在恩施高镉地区进行推广。