土壤调理剂对土壤镉含量及小麦镉积累的影响

晁建立,董 彰,李永革,王喜民

(1.许昌市农村能源管理工作站,河南许昌 461000;2.漯河市农业农村局,河南漯河462000;3.安阳市农业环境监测站,河南安阳 455000;4.许昌市建安区经济作物推广站,河南许昌 461000)

随着我国工业的快速发展,由于保护不当,个别农业作物种植区出现废水、废渣和废气排放对空气、土壤及生态环境造成的重金属污染问题。由于重金属的难降解性,进入土壤后,很难被土壤微生物或化学方法快速降解,若不加预防和治理,会在土壤中长期滞留,从而造成严重的土壤重金属污染[1]。土壤重金属污染主要有铬、镉、汞、砷、铅5种元素。研究表明,土壤受到污染的根本原因是土壤中污染物的含量超出了土壤自净能力的界限,从而使土壤的理化性质、生态环境质量和土壤自身的肥力和土壤健康受到严重损害,进而影响农作物的产量[2],且重金属污染物可通过食物链进行富集,对人体造成健康风险。近年来,河南新乡市[3]、河北省石家庄市[4]等多地已有报道并证实了农田土壤Cd污染导致小麦籽粒Cd含量超标的问题,农田土壤镉污染形势日益严峻,对我国粮食安全及人体健康构成了潜在威胁。目前,钝化修复是农田土壤重金属污染常用的方法之一,其中物理、化学修复技术钝化效果较好,但对物力、人力和技术的要求较高,多适用于小面积的土壤修复,因此在一定程度上限制了大面积推广应用[5]。复合微生物肥和重金属钝化剂由于能够与重金属发生吸附、有机络合、氧化还原等反应,且成本较低、使用方便,是目前土壤修复的主要方式之一。研究发现与单一钝化剂相比,组合钝化剂对重金属污染农田修复效果更佳,也是目前修复土壤重金属污染较为理想的方法之一[6]。鉴于此,笔者以2个镉积累吸收差异较大的冬小麦品种周麦18(高Cd积累)和郑麦366(低Cd积累)为供试材料,选用微生物肥和重金属钝化剂2种土壤改良剂进行大田试验,分析不同土壤改良剂处理对土壤Cd有效态、Cd形态、小麦籽粒Cd含量和产量及其构成因素的影响,旨在验证不同土壤改良剂处理对镉轻度污染麦田土壤有效镉含量、不同镉吸收类型小麦品种籽粒镉含量与产量的影响,为镉轻度污染农田土壤修复及冬小麦安全高效生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况试验在许昌市建安区选择重金属镉污染农田进行,该试验点因20世纪80年代河流上游建有化工厂往河流排放废水,当地农户常利用被污染河水灌溉农田而导致土壤Cd污染,Cd总量为0.536 mg/kg,接近GB 15618—2018土壤环境质量标准风险筛选值(pH>7.5,Cd=0.6 mg/kg),播前土壤基础养分如表1。

表1 播前土壤基础养分状况

1.2 供试材料试验选用的冬小麦品种为周麦18(高Cd积累)、郑麦366(低Cd积累),施用的土壤改良剂如表2所示。

表2 不同土壤改良剂比较

1.3 试验设计试验采用裂区设计,土壤改良剂处理为主区,分别为CK(空白对照)、WSW(微生物肥)、JBR(重金属钝化剂)和WSW+JBR(微生物肥和重金属钝化剂各计各量配施),品种为副区。为防止小麦生育期内灌溉时不同处理小区串水,将试验地灌溉水污染源进行截断,以保证灌溉用水中Cd含量不超标,其他管理依照当地传统生产模式进行。

1.4 样品处理

1.4.1土壤样品。在各处理小区采用五点取样法采集土壤0～20 cm土层样品,混匀后装入对应自封袋中,在室内自然风干,去除土中杂质后研磨并过20和100目筛备用。

1.4.2小麦籽粒样品。成熟期采用五点法采集各处理100单穗,晒干脱粒后研磨备用。

1.5 测定项目与方法

1.5.1土壤Cd有效态。采用二乙基三胺五乙酸(DTPA)法浸提。

1.5.2土壤Cd全量。采用分析纯HNO3和HF消解。

1.5.3土壤Cd形态分级。采用Tessier五步连续提取法,将土壤重金属分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机态、残渣态。

1.5.4小麦籽粒Cd含量。优级纯HNO3消解;消解液以及土壤有效态和各形态提取液的Cd含量采用电感耦合等离子体质谱仪测定。

1.5.5产量及其构成因素。于小麦成熟期,选取各小区1 m双行进行穗数调查,并随机选取50穗进行穗粒数调查和脱粒晒干后进行千粒重的测定。每处理小区随机收割1 m2脱粒测产并测定籽粒含水量,按13%的含水量折算实际产量,每个小区重复3次。

1.6 数据处理采用Excel 2019处理试验数据和作图;通过SPSS 21.0软件在0.05水平下,对试验数据进行统计分析和差异显著性检验(Duncan’s新复极差法)。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良剂对土壤Cd有效态的影响由图1可知,在越冬期3种土壤改良剂处理均使土壤有效态Cd含量降低。与CK处理相比,WSW、JBR和WSW+JBR 3种处理分别降低了0.023、0.046、0.056 mg/kg,JBR和WSW+JBR处理的效果显著,其降幅分别高达18.05%、22.07%,WSW处理的降低效果比JBR和WSW+JBR处理弱,但也明显低于CK。由此说明,除CK外各土壤改良剂在短期内均能有效降低土壤Cd有效态,其中微生物有机肥与重金属钝化剂等量配施的降低效果较为明显。成熟期土壤Cd有效态整体低于越冬期,说明土壤中Cd的有效态含量具有随小麦生育时期推进而减少的趋势,这可能是由于小麦植株对土壤Cd有效态的吸收导致,与CK相比,WSW、WSW与JBR和WSW+JBR 3种土壤改良剂处理均能显著降低Cd有效态含量,其中JBR处理与WSW处理、WSW与WSW+JBR处理之间差异不显著,但WSW+JBR处理的Cd有效态含量显著低于WSW处理,相差0.028 mg/kg,WSW+JBR处理与CK相比,降低0.050 mg/kg,降幅达23.85%,比越冬期的降幅效果增加1.68%,WSW处理较CK降低10.54%,比越冬期的降幅效果增加了1.59%,JBR处理较CK降低了18.58%,比越冬期的降低效果增加0.53%。这说明微生物肥、重金属钝化剂,以及微生物肥与重金属钝化剂等量配施均可有效降低土壤中Cd有效态含量,且持效期长,在小麦成熟期对土壤Cd有效态含量仍具有持效性。

注:相同生育期不同小写字母表示在0.05水平差异。Note:Different lowercases of the same growth period indicated significant differences at 0.05 level.图1 不同土壤改良剂对土壤Cd有效态含量的影响Fig.1 Effects of different soil conditioners on soil Cd effective states

2.2 不同土壤改良剂对土壤Cd形态分级的影响由表3可知,与CK相比,越冬期WSW、JBR和WSW+JBR这3种土壤改良剂处理均能显著降低土壤Cd的可交换态,分别降低了0.018、0.027和0.046 mg/kg;WSW+JBR处理还可使土壤Cd碳酸盐结合态显著降低,但WSW、JBR处理与CK间无显著差异;WSW+JBR处理的土壤Cd铁锰氧化物结合态显著高于另外3种处理,较CK提高35.45%;WSW和JBR处理间的土壤Cd有机态含量与CK和WSW+JBR处理间无明显差异,但CK处理显著低于WSW+JBR处理,两者相差0.005 mg/kg;WSW+JBR的土壤Cd残渣态分别比CK、WSW、JBR这3种处理多0.019、0.007、0.006 mg/kg。由此说明,施用微生物肥、重金属钝化剂和微生物肥与重金属钝化剂等量配施具有减少土壤Cd可交换态、碳酸盐结合态,增加土壤Cd铁锰氧化物结合态、有机态和残渣态的能力,其中微生物肥与重金属钝化剂等量配施的效果最优。随着小麦生育时期推进,成熟期土壤中Cd的可交换态和碳酸盐结合态含量整体较越冬期下降,其中WSW、JBR和WSW+JBR处理对土壤Cd可交换态的降低效果基本相同,均明显低于CK处理中土壤Cd可交换态含量;与对照相比,WSW处理仍不能降低土壤中Cd碳酸盐结合态,但JBR处理显著低于CK。由此说明,JBR对土壤Cd碳酸盐结合态具有长期降低效果,WSW+JBR处理仍为最低值,且与CK相比降低了0.028 mg/kg,降幅高达63.64%;土壤中Cd铁锰氧化物结合态不同处理的含量变化趋势大致与越冬期相同,WSW+JBR处理的含量较高,但与JBR处理间无显著差异,进一步证明重金属钝化剂具有持效性;3个土壤改良剂处理的土壤Cd有机态含量间无显著差异,且均显著高于CK处理;土壤Cd残渣态在各处理间含量的趋势与越冬期完全保持一致,CK、WSW、JBR、WSW+JBR处理分别比越冬期增加了0.005、0.007、0.007、0.009 mg/kg。综上可知,土壤中Cd分布形态易被生物吸收的可交换态、碳酸盐结合态随时间变化可向残渣态方向移动,微生物肥和重金属钝化剂均可加速转移速率且具有持效性,其中微生物肥和重金属钝化剂等量配施的效果最为明显。

表3 不同土壤改良剂对土壤Cd形态分级的影响

2.3 不同钝化剂对小麦籽粒中Cd含量的影响由图3可知,周麦18和郑麦366籽粒Cd含量的不同处理均未超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)(谷物Cd限值0.1 mg/kg),WSW、JBR和WSW+JBR这3种土壤改良剂处理均能降低2种冬小麦籽粒Cd含量。周麦18的WSW、JBR、WSW+JBR处理的籽粒Cd含量分别为0.075、0.067、0.061 mg/kg,但WSW与CK处理间无显著差异,JBR、WSW+JBR处理与CK间存在显著差异,JBR处理的降低幅度为16.25%,WSW+JBR处理比CK处理的籽粒Cd含量降低了0.019 mg/kg,降幅为23.75%,WSW+JBR处理与JBR处理间有显著差异。WSW和JBR处理也对郑麦366籽粒Cd含量具有降低效果,分别为0.049、0.051 mg/kg,与CK处理相比降低了9.82%和5.52%,但降低效果不明显,WSW+JBR处理下的郑麦366籽粒Cd含量为0.037 mg/kg,相比CK处理降低了31.29%,与其他处理间均有显著差异,且为2个品种间籽粒Cd含量最低处理。由此说明,微生物肥单施效果对冬小麦籽粒Cd的降低效果不明显,重金属钝化剂可有效降低高Cd积累冬小麦品种籽粒Cd含量,但对低Cd积累品种效果不明显,微生物肥与重金属钝化剂等量配施的效果最好。

注:不同小写字母表示在0.05水平差异。Note:Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.图3 不同土壤改良剂对小麦籽粒Cd含量的影响Fig.3 Effects of different soil conditioners on wheat grain Cd content

2.4 不同土壤改良剂对小麦产量及其构成因素的影响由表4可知,土壤改良剂对周麦18和郑麦366的单位面积穗数、穗粒数、千粒重和产量均具有调控效应。与CK相比,WSW和WSW+JBR处理的周麦18穗数分别提高2.40%、6.82%,JBR处理降低了2.22%;对于郑麦366,仅WSW+JBR处理提高了5.11%,而且除了WSW+JBR处理的郑麦366与WSW处理间有显著差异,但与其余处理间差异不显著。与CK相比,WSW、JBR和WSW+JBR处理中周麦18的穗粒数分别提高9.11%、4.80%和10.53%,WSW、JBR和WSW+JBR处理对郑麦366的穗粒数提高幅度分别为9.02%、6.92%和14.16%。周麦18在JBR处理下千粒重最高,为56.91 g,分别比CK、WSW和WSW+JBR多了4.98、1.91、2.11 g,WSW处理的郑麦366的千粒重最高,为56.37 g。周麦18在WSW+JBR处理下的产量最高,为6 405.07 kg/hm2,与CK相比增产了906.13 kg/hm2,增幅高达16.48%,郑麦366的WSW+JBR处理产量在2个品种的所有处理中为最高,WSW和JBR处理对2个品种的增产效果略有不同。这说明单一配施一种土壤改良剂的提升效果有限,微生物肥主要可提高冬小麦千粒重,可使郑麦366的千粒重提至其处理最高水平,但不利于其单位面积成穗数,JBR钝化剂可使高Cd积累品种周麦18的千粒重达到所有处理最高值,WSW+JBR处理可有效提高单位面积成穗数和穗粒数,并使产量达到最高。

表4 不同土壤改良剂对小麦产量及其构成因素的影响

3 讨论

3.1 土壤改良剂对土壤Cd有效态的影响效应植物受重金属的毒害程度由土壤的重金属有效态含量决定[7],一般认为,植物对Cd的吸收程度与农产品对人类健康造成的安全风险问题受土壤中Cd的有效态含量的直接影响,因为土壤中Cd的自由态离子决定了Cd对动植物造成危害的程度,土壤中包含的Cd有效态越高则越容易被植物吸收[8]。徐明岗[9]研究发现,农田土壤重金属的有效态含量受土壤重金属全量、土壤pH、阳离子交换量、有机质含量、养分状况、存在时间和土地利用方式等诸多因素的影响。该研究发现,微生物肥、重金属钝化剂、微生物肥与重金属钝化剂等量配施处理均能有效降低镉污染农田中Cd的有效态含量,其中重金属钝化剂、微生物肥与重金属钝化剂等量配施在施用短期内效果较好,随着小麦生育时期的发展,3个处理间Cd有效态含量仍显著低于对照,说明土壤改良剂可持效降低土壤Cd有效态含量,且微生物肥与重金属钝化剂等量配施对镉污染农田中Cd的有效态的降低效果最好且具有持效性。崔红标等[10]研究表明,土壤改良剂的添加可以使土壤交换性酸和交换性铝的含量降低,从而导致了土壤Cd有效态含量的下降。张亚丽等[11]通过向Cd污染土壤添加有机肥,发现了施用有机肥后,土壤有效态Cd含量与对照相比显著降低,降幅约为40%,这与该试验结果土壤改良剂可显著降低Cd有效态含量的结果一致。

3.2 土壤改良剂对土壤Cd不同形态转化的影响效应对重金属的形态分级研究发现,土壤中作物吸收重金属的难易程度取决于重金属在土壤中的不同形态,Cd交换态和碳酸盐结合态活跃性高,易被生物吸收,相比之下铁锰氧化物结合态、有机态和残渣态活性逐渐降低,不易被生物吸收[12]。Liu等[13]通过向土壤中增施鸡粪堆肥发现,在其作用下土壤中Cd可交换态与碳酸盐结合态含量可有效降低,以及作物对Cd的积累量也具有显著降低效果,其作用机理是鸡粪堆肥的有机物质含量与土壤中Cd发生一系列化学反应,包括络合、吸附、共沉淀等导致了土壤中Cd形态发生转变。该试验研究发现,土壤自身具有一定的净化能力,随着生育期推进,土壤Cd生物有效性高的形态(可交换态、碳酸盐结合态)会向Cd生物有效性低的形态(有机态、残渣态)缓慢转移。Martin等[14]通过对Cd污染土壤添加化学钝化剂发现,钝化剂会对土壤中的Cd发生吸附、络合和共沉淀等一系列物理化学反应,造成土壤Cd形态中生物活性高的部分向残渣态方向进行转变。该试验中,3种土壤改良剂处理均可加速转移速率,且具有持效性,微生物肥和重金属钝化剂等量配施提高形态转移速率的效果最好。

3.3 土壤改良剂对冬小麦籽粒Cd含量的影响土壤改良剂能够降低小麦籽粒中Cd含量[15-16]。陈友民等[17]通过向重金属污染土壤中添加600、750、1 125、1 500 kg/hm2复合微生物肥处理发现,施用量超过750 kg/hm2时可显著降低稻谷籽粒Cd含量,且降低效果随复合微生物肥的增加而增加。杨梦丽等[18]的研究表明,钝化剂的添加可有效降低镉轻度污染土壤中小麦籽粒的Cd积累量,最大降低幅度达40.0%。陈亮妹等[19]通过选用不同Cd积累特性品种与生物有机肥等量,发现生物有机肥可有效降低小麦籽粒Cd含量,且随不同品种变化而具有差异性。该试验研究证明,高Cd积累冬小麦品种(周麦18)与低Cd积累冬小麦品种(郑麦366)在镉污染农田上籽粒Cd含量均未超过国家安全标准,仍可安全生产。微生物肥、重金属钝化剂、微生物肥与重金属钝化剂等量配施处理均能降低冬小麦籽粒Cd含量,对于高Cd积累品种,除微生物肥对冬小麦籽粒Cd含量的降低效果较弱外,重金属钝化剂、微生物肥与重金属钝化剂等量配施处理均能显著降低其籽粒Cd含量,微生物肥与重金属钝化剂等量配施处理的降低效果更为明显;对于低Cd积累冬小麦品种,微生物肥或重金属钝化剂单一施用效果不明显,微生物肥与重金属钝化剂等量配施的效果最为明显,可最大程度减少低Cd积累冬小麦籽粒Cd含量。

3.4 土壤改良剂对冬小麦产量及其构成因素的影响穗数、穗粒数和千粒重对Cd胁迫条件下的冬小麦产量具有直接影响作用[20]。陈娟等[21]研究发现,Cd污染会对小麦籽粒储藏物质合成能力和胚乳细胞的分裂能力产生影响,从而造成小麦籽粒重的降低。小麦穗数、穗粒数和千粒重均受Cd含量的影响,该研究中微生物肥、重金属钝化剂、微生物肥与重金属钝化剂等量配施3种处理均能提高周麦18和郑麦366的穗数、穗粒数、千粒重,进而实现增产,但是土壤改良剂的单一施用效果对冬小麦的产量及其构成因素较弱,微生物肥与重金属钝化剂等量配施对不同Cd积累类型的冬小麦品种籽粒产量及其构成因素提高的效果最为明显,从正面分析了施用土壤改良剂增产的原因。

4 结论

综合考虑施用土壤改良剂对不同Cd积累冬小麦品种的籽粒Cd含量、产量及其构成因素和土壤Cd有效态、土壤形态分级的影响,该试验生态条件下,微生物肥和重金属钝化剂等量配施有利于冬小麦籽粒Cd含量降低,提高镉轻度污染农田冬小麦产量构成因素,实现增产,降低农田中Cd有效态含量及促进土壤中Cd向残渣态方向转移。综上所述,微生物肥和重金属钝化剂2个土壤改良剂配施可配合低Cd积累品种实现镉轻度污染农田中冬小麦的安全、高产栽培。