施用钝化剂对水稻田中汞的修复效果

任佳佳, 石艳平, 陈轶平

(嘉兴市土肥植保与农村能源站, 浙江 嘉兴 314050)

随着我国现代化农业的快速发展, 农业生产过程中大量机械化设备作业及使用化学物质种类越来越多样化, 使得耕地土壤重金属污染问题越来越严重[1]。近年来的研究证明, 中国内陆地区居民接触汞的主要食物来源是含汞的大米而非含汞的水产食品[2]。水稻植株对甲基汞有较强的积累能力,能直接从土壤吸收甲基汞, 并被水稻根系吸收并向上运输, 然后累积在籽粒中。土壤中的无机汞主要在硫酸盐还原细菌和铁还原细菌作用下转化为甲基汞, 更易被水稻根系吸收并在水稻体内转移。全球90%的稻米产自亚洲, 而我国作为世界稻作的起源地, 有近2/3 的人口以稻米为主食[3]。土壤中汞含量超标, 使得农作物的生长受到抑制, 影响农田生态系统, 污染物也会随之迁移, 一旦进入人体并积累, 将对人体健康造成严重危害[4]。因此, 农田中重金属汞的去除迫在眉睫。

土壤重金属钝化主要是通过在重金属污染的土壤中加入钝化剂后, 使得重金属被钝化剂包裹、吸附、沉淀、络合等作用, 能够减少土壤中重金属的释放或降低重金属的迁移性和生物有效性, 从而达到快速降低重金属的毒性并改善土壤性质, 是土壤重金属修复的常用手段[5]。近年来许多钝化剂如海泡石、石灰、生物质炭以及不同类型的钝化剂复配在土壤修复领域被大量应用并取得一定成效[6]。本文以石灰、有机肥、甲壳素、土壤调理剂4 种不同钝化剂作为考察对象, 通过在嘉兴市某个汞污染水稻田进行重金属污染修复田间试验, 分析比较以上4 种不同来源的钝化剂对大田环境下土壤Hg 含量、水稻生长发育性状、水稻体内Hg 含量以及转运和富集的影响, 筛选出能够有效治理Hg 污染农田的土壤钝化剂, 为Hg 污染农田大面积治理推广应用提供科学依据, 对粮食安全生产具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省嘉兴市某地, 位于北亚热带南缘, 属东亚季风区, 冬夏季风交替, 气候温和,四季分明, 水热同步, 光热同季, 年平均气温15.5 ～15.8 ℃。最热月 (7 月) 平均气温28.1 ～28.4 ℃; 最冷月 (1 月) 平均气温2.7 ～3.3 ℃。年无霜期230 d 左右。年平均降水量1 100 ～1 200 mm, 年10 ℃以上积温5 000 ℃, 年日照时数2 000 ～2 100 h。

1.2 试验设计

供试水稻为秀水121, 试验采用随机区组排列设计, 共设置5 个处理, 每个试验设置3 次重复,共15 个小区, 每个小区面积为100 m2, 试验材料分别为: 添加石灰、添加有机肥、添加甲壳素、添加土壤调理剂和不添加任何材料的对照处理(CK), 具体添加量如表1 所示。水稻种植过程中为防止各处理间相互影响, 在田埂上覆膜。种植前按照2 250 kg·hm-2撒施土壤调理剂并翻耕, 施肥、除虫、除草等田间管理与当地常规管理一致。

表1 钝化剂种类及施加量

1.3 样品采集与测定方法

水稻成熟后整株收获, 先用自来水将根系泥土洗净, 再用去离子水冲洗整个植株数次, 用滤纸吸干表面水分, 分为地上部 (茎、叶、籽粒) 和地下部(根)。在105 ℃下杀青30 min, 然后70 ℃下烘干至恒重后取出, 水稻谷粒使用小型脱壳机进行脱壳, 收集籽粒。每个部分经粉碎机粉碎后备用。采集水稻样品同时, 按五点取样法采集0～20 cm 表层土壤。土壤样品经风干磨细后, 过1.5 mm (10 目)筛与0.17 mm (100 目) 筛, 备用。

土壤pH 值用电极法测定 (蒸馏水以2.5 ∶1的水土比浸提)。土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定。土壤有效态Hg 含量采用DTPA 浸提剂(0.005 mol·L-1DTPA + 0.01 mol·L-1CaCl2+0.1 mol·L-1TEA) 提取, 最后采用原子吸收光谱火焰法和石墨炉法测定。水稻样品中的总Hg 含量采用原子吸收光谱仪进行测定。

1.4 数据处理

所得试验数据利用Microsoft Excel 2019 作前期处理, SPSS 21.0 软件对数据进行统计分析和各处理之间的差异性比较, 通过Origin2019 软件绘图。各部位的转运系数 (TF) 和富集系数 (BCF) 计算方法如下:

2 结果与分析

2.1 钝化剂对土壤Hg 有效态含量的影响

土壤中的重金属以多种状态存在, 而重金属有效态才能够被植物吸收利用, 所以土壤重金属有效态指标能更好地反映耕地土壤污染状况[7-8]。图1显示, 施用4 种钝化剂都可以显著降低重金属汞的有效态含量 (P＜0.05), 进而影响水稻根系对重金属汞的吸收利用。各组处理土壤中重金属汞的有效态含量为: 甲壳素＜土壤调理剂＜有机肥＜石灰＜CK。施用石灰、土壤调理剂、有机肥处理与空白对照组CK 相比, 分别下降了53%、55%和51%,其中土壤调理剂、有机肥处理对降低土壤Hg 的生物有效性效果相当, 两组处理效果都优于石灰处理。施用甲壳素对降低土壤中Hg 生物有效性的效果最好, 较空白对照组显著降低了59%。

图1 不同钝化剂处理对土壤Hg 有效态含量的影响

2.2 钝化剂对Hg 污染稻田水稻生长发育性状的影响

水稻生长发育性状是考察钝化剂的关键指标之一, 而4 种钝化剂均能促进水稻生长发育说明了这4 种钝化剂施用能够减轻Hg 对水稻的毒害作用。从图2 可以看出, 施用石灰、土壤调理剂、甲壳素处理及有机肥处理与CK 相比, 株高分别增加了9%、20%、25%、10%; 干 物 质 量 分 别 增 加 了1%、6%、20%、15%; 千粒重分别增加了16%、15%、23%、7%; 分蘖数分别增加了20%、16%、27%、29%, 可以看出甲壳素处理效果最好。甲壳素处理与CK 相比, 株高、干物质量、千粒重、分蘖数有显著提高的效果 (P＜0.05), 这与杨雪玲等[9]的研究结果相似。石灰处理水稻的干物质量与CK 处理效果相当, 而土壤调理剂、有机肥处理有显著性提高 (P＜0.05)。施用甲壳素处理水稻的千粒重质量增加最为显著, 施用石灰、土壤调理剂效果其次, 施用有机肥效果与CK 无显著差异。除土壤调理剂处理外, 其他3 种钝化剂处理下水稻的分蘖数均有显著性增加 (P＜0.05)。

图2 不同钝化剂处理对水稻生长发育性状的影响

2.3 钝化剂对水稻各部位积累Hg 含量的影响

由图3 可知, 与水稻地上部分相比, 水稻根系中富集Hg 含量最高, 表明水稻根系对Hg 具有极强的束缚力和耐受力, 根系细胞对重金属元素 Hg的通透性较低, 导致根部富集的Hg 含量最高[10]。在水稻根系中, 4 种钝化剂处理中的Hg 含量较空白对照组均无明显差异。在水稻茎秆中, 各处理中的Hg 含量均有降低, 相比对照下降11% ～19%,但差异未达到显著水平。在水稻叶片中, 添加甲壳素处理显著提高水稻叶片的Hg 含量, 提高41%(P＜0.05), 其他处理叶片中的Hg 含量与对照相比未达到显著水平。在水稻籽粒中, 各处理对水稻籽粒中的Hg 含量影响差异显著 (P＜0.05), 添加石灰、土壤调理剂、甲壳素、有机肥处理分别较对照组下降35%、29%、46%、38%, 其中添加甲壳素处理降低效果优于添加石灰、土壤调理剂、有机肥处理。成熟期的水稻, Hg 大部分积累在根部,茎部Hg 含量积累水平相当, 但施用甲壳素能显著提高水稻叶部Hg 含量的累积 (P＜0.05), 而其他3 组处理与CK 无显著差异, 水稻籽粒中的Hg 含量在4 种钝化剂处理下均显著降低 (P＜0.05)。

图3 不同钝化剂处理对成熟水稻体内Hg 含量的影响

2.4 钝化剂对水稻Hg 转运和积累的影响

从表2 可以看出, 未添加任何钝化剂处理的水稻体系内Hg 的转运系数依次为TF根-茎＜TF茎-叶＜TF茎-籽粒, 而添加4 种钝化剂处理的水稻体系内Hg的转运系数为TF根-茎＜TF茎-籽粒＜TF茎-叶。与对照组比较, 各处理对水稻中的Hg 根系到茎秆、茎秆到叶片转运系数影响不大。与对照相比, 各处理对水稻中的Hg 茎秆到叶片转运系数均有上升, 但是添加4 种钝化剂处理将水稻中的Hg 茎秆到籽粒转运系数显著降低 (P＜0.05), 表明钝化剂的施用抑制了重金属汞从茎部向籽粒的迁移。不同部位对Hg 的富集能力不同, 水稻BCF根含量最大说明重金属Hg 主要富集在根部。钝化剂处理下的BCF茎均高于对照, 但并没有显著差异。土壤调理剂、甲壳素处理下水稻的BCF叶显著高于CK (P＜0.05), 石灰、有机肥处理与CK 无显著差异。甲壳素、有机肥处理下的水稻BCF籽粒值与CK 中的有显著性差异(P＜0.05), 其他2 种钝化剂处理组与CK 差异不大。即添加石灰、土壤调理剂、甲壳素、有机肥可以促进Hg 从茎秆到叶片的转运并在水稻茎部积累, 从而来减少Hg 在水稻籽粒中的积累, 其中添加甲壳素、有机肥处理效果优于添加石灰、土壤调理剂处理。

表2 不同钝化剂处理对水稻体内转运系数和富集系数的影响

3 讨论

本研究结果表明, 4 种钝化剂的施用能够显著降低土壤中Hg 的有效态含量。施用钝化剂能改变重金属汞的赋存形态, 从而使得土壤中汞的有效态含量下降。有相关研究表明, 石灰通过提高土壤pH 值和增加黏土矿物、有机质和铁铝氧化物等来促进重金属离子专性吸附比例。pH 值上升可以增加土壤胶体吸附重金属离子的能力或促进重金属离子反应生成沉淀[11]。而有机肥的施用会将大量的有机质带入土壤, 有机质降解转化产生的腐殖质可以抑制汞的甲基化, 减轻重金属的毒害作用[12-13]。钝化剂施用后水稻株高、干物质量、千粒重、分蘖数均呈上升趋势, 说明钝化剂可以增加水稻的生物量, 促进植株的生长发育。一方面是因为钝化剂的施用可以降低重金属的生物有效性从而减轻重金属对作物的毒害作用, 另一方面是钝化剂的施用可以改良土壤理化性质并提供丰富的营养来促进作物生长。研究结果显示, 施用甲壳素对降低水稻籽粒中的汞含量效果最好, 作用机理可能是因为甲壳素含有大量的羟基、氨基基团, 能够吸附重金属离子,并与之形成稳定的螯合物, 进而降低重金属的生物有效性, 达到减少土壤中的重金属向作物体内转移的目的[14]。甲壳素还可以改变土壤孔隙和团粒结构, 提高土壤肥力来促进水稻生长[15-16]。

研究结果表明, 添加甲壳素处理比添加石灰、土壤调理剂、有机肥处理对土壤中的重金属汞的钝化效果最好, 可能是由于甲壳素既能吸附重金属离子来抑制汞的转运迁移, 又能提高土壤肥力来促进作物生长发育, 达到增产作用。

4 结论

石灰、土壤调理剂、甲壳素、有机肥处理使得土壤中有效Hg 含量显著下降 (P＜0.05), 与CK相比分别降低了53%、55%、59%、51%。另外,钝化剂的施用还可以提供营养来促进水稻生长, 增加水稻产量。

钝化剂处理下水稻根系和茎部的Hg 含量与CK 无显著差异, 甲壳素处理下水稻叶部Hg 含量较CK 显著提高41%, 石灰、土壤调理剂、甲壳素、有机肥处理的水稻籽粒中Hg 含量分别比CK降低了35%、29%、46%、38%, 而甲壳素处理下籽粒Hg 含量最低, 说明效果最好。

钝化剂处理后水稻体内Hg 从茎到籽粒的转运系数明显降低 (P＜0.05) 且BCF籽粒＜BCF叶, 与CK 相反, 表明钝化剂可以抑制Hg 向籽粒转运迁移, 从而减少籽粒中Hg 含量。