不同生物有机肥对镉污染农田中水稻产量和土壤肥力的影响

2024-07-09 13:35何家众陈福明叶正钱柳丹宋肖琴
安徽农业科学 2024年12期
关键词:生物有机肥土壤肥力重金属

何家众 陈福明 叶正钱 柳丹 宋肖琴

摘要 [目的]探讨生物有机肥在镉(Cd)污染农田中的修复效果,保障水稻的安全生产。[方法]选用牛粪生物有机肥、炭基生物有机肥、大豆生物有机肥和海藻生物有机肥,在镉轻度污染稻田中开展为期2年的田间试验,测定土壤理化性质、土壤有效态Cd、水稻生长状况和产量、糙米Cd含量。[结果]田间试验结果表明生物有机肥的施用土壤pH平均提高0.32,碱解氮、有效磷、速效钾和有机质分别平均提高9.38%、15.69%、10.62%、11.64%。水稻株高、穗长、根长、穗重、千粒重和产量分别提高5.86%、3.83%、16.54%、16.91%、7.14%、3.65%。土壤有效态Cd含量显著下降0.10 mg/kg,降幅为39.12%,糙米Cd含量显著下降45.36%。[结论]生物有机肥在降低土壤Cd生物有效性和水稻籽粒中Cd含量具有显著作用,同时能够促进水稻生长和提高土壤肥力,其中炭基生物有机肥作用效果最好,未来可作为保障水稻安全生产的一项技术措施。

关键词 镉污染;土壤肥力;重金属;生物有机肥;微生物修复

中图分类号 S 141  文献标识码 A  文章编号 0517-6611(2024)12-0139-05

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.030

Effects of Different Bio-organic Fertilizers on Rice Yield and Soil Fertility in Cadmium-contaminated Farmland

HE Jia-zhong1, CHEN Fu-ming2, YE Zheng-qian3  et al

(1.Yiwu New Rural Construction Guidance Station, Yiwu, Zhejiang 322000;2.Yiwu Agricultural Technology Extension Service Center, Yiwu, Zhejiang 322000;3. Zhejiang Agriculture and Forestry University/ Key Laboratory of Bio-remediation of Soil Pollution in Zhejiang Province, Hangzhou, Zhejiang 311300)

Abstract [Objective] To explore the remediation effect of bio-organic fertilizer on cadmium-contaminated farmland and ensure the safe production of rice. [Method] Cattle manure bio-organic fertilizer, biochar-based bio-organic fertilizer, soybean bio-organic fertilizer and seaweed bio-organic fertilizer were selected to carry out a two-year field experiment in paddy fields with mild cadmium pollution. Soil physical and chemical properties, soil available Cd, rice growth and yield, and brown rice Cd content were determined. [Result] The field test results showed that the application of bio-organic fertilizer increased soil pH by an average of 0.32, alkali-hydrolyzed nitrogen, available phosphorus, available potassium and organic matter were increased by an average of 9.38%, 15.69%, 10.62% and 11.64%, respectively. The plant height, panicle length, root length, panicle weight, 1 000-grain weight and yield of rice were increased by 5.86%, 3.83%, 16.54%,16.91%, 7.14% and 3.65%, respectively. The available Cd content in soil decreased significantly by 0.10 mg/kg, a decrease of 39.12%, and the Cd content in brown rice decreased significantly by 45.36%. [Conclusion]Bio-organic fertilizer has a significant effect on reducing Cd bioavailability in soil and Cd content in rice grains, and can promote rice growth and improve soil fertility. Among them, carbon-based bio-organic fertilizer has the best effect, which can be used as a technical measure to ensure the safe production of rice in the future.

Key words Cadmium pollution;Soil fertility;Heavy metals;Bio-organic fertilizer;Microbial remediation

基金项目 义乌市省级水稻安全利用技术试验及推广项目(SJZJZC20-22240GK)。

作者简介 何家众(1987—),男,浙江义乌人,高级农艺师,从事植保和土壤肥料技术推广研究。*通信作者,高级农艺师,从事土壤污染与生态修复研究。

收稿日期 2023-08-16

水稻是南方绝大部分地区的主食,保障水稻安全对人体健康具有重要意义。近年来,随着工业化的发展导致农田土壤受到不同程度的污染,其中重金属污染最为严重[1]。重金属对人体具有很强的危害性,如镉(Cd)是毒性最强的重金属元素之一,对肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼、血液等均可产生毒性并有致癌作用[2]。铅(Pb)可迅速进入血液循环发生铅中毒,最突出的表现是抑制血红素和细胞色素的生成[3]。汞(Hg)会对中枢神经造成损伤,导致感觉障碍,严重者可出现全身瘫痪、精神错乱,甚至死亡[4]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示目前我国82.8%的超标点位为Cd、Pb、As等污染[5]。据统计,每年由耕地重金属污染导致1 000多万t粮食受到Cd污染[6]。土壤重金属的活性会随着土壤pH的下降而逐渐增强,而在水稻田中为了追求产量注重化肥投入轻视有机肥施用,造成土壤不断酸化,因此重金属的生物有效性也在不断提高[7]。如何在保障农业生产的过程中,降低水稻籽粒中的重金属尤其是Cd含量是一项值得研究的问题。目前常见的主要有施用化学改良剂,如施用石灰、钙镁磷肥、矿渣等碱性物质,通过提高土壤pH来降低有效态Cd含量[8]。或者采用叶面喷施硅肥、硒肥等,抑制Cd向籽粒中的转运[9]。但这些方式都存在一定的弊端和风险性,长期施用石灰等碱性物质,一方面会造成土壤板结,破坏土壤结构,导致土壤环境恶化[10]。另一方面,改良剂本身所携带的重金属会随着时间的积累对人体健康造成影响[11]。叶面肥则受到环境、气候等多重因素的影响,使其作用效果不佳[12]。因此开发新的技术措施,从而保障水稻的安全生产显得尤为重要。微生物修复技术被认为是一项高效、环保的措施,其修复的机理主要是通过微生物吸附、矿化、沉淀等方式降低重金属的生物有效性[13]。高玉振等[14]研究胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)能够通过络合吸附Cr6+,林海等[15]证实芽孢杆菌(Bacillussp)可以通过物理吸附能固定Cd2+。但微生物的增殖需要一定的环境,因此其不能直接运用到农田中。寻找合适的载体来提高其作用效果是进行微生物修复的关键,生物有机肥是通过在有机载体上接种一种或多种功能性微生物的一种新型肥料[16]。将其施用到农田中不仅能够为微生物提供载体还能为土壤补充大量的有机质。研究表明,施用生物有机肥不仅能够提高土壤肥力还能改善作物产量和品质。张志鹏等[17]研究发现,施用复合微生物菌肥可显著促进小麦生长,提高小麦产量,增加小麦种植的经济效益。段文学等[18]发现在甘薯种植中施用枯草芽孢杆菌可显著提高土壤脱氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性及土壤有效磷、速效钾和有机质含量,显著提高甘薯可溶性糖和维生素C含量。生物有机肥在各类作物中的研究均有涉及,但其在修复Cd污染农田中的应用较少。因此笔者基于前人的研究基础,选用4种生物有机肥,在Cd轻度污染水稻田中开展了为期2年的田间试验,探究其对土壤肥力、土壤Cd生物有效性以及籽粒Cd含量的影响,以期为Cd污染耕地的安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省义乌市某农田,该地区属亚热带季风气候,温和湿润,四季分明,年平均气温在17 ℃左右,年平均降水量为1 100~1 600 mm。土壤类型为水稻土,土壤基础理化性质:pH 5.34,有机质16.72 g/kg,碱解氮150.48 mg/kg,有效磷18.64 mg/kg,速效钾65.17 mg/kg,有效态Cd 0.24 mg/kg,Cd全量0.46 mg/kg。按照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018),该试验地土壤属于Cd轻微污染。

1.2 试验材料

水稻种子:水稻品种选择当地主栽品种单季稻华浙优1号,水稻种子来源于金华市种子公司。肥料:水稻专用配方肥N∶P2O5∶K2O=20∶10∶15,来源于安徽道尔肥业有限公司。生物有机肥:牛粪生物有机肥来自金华市惠君有机肥制造公司,主要菌种为枯草芽孢杆菌,有效活菌数≥5 亿/g,pH 7.12,有机质35.37%,N+P2O5+K2O=6%,全氮1.33%,全磷3.32%,全钾1.34%;炭基生物有机肥来自中化(烟台)作物营养有限公司,原材料为秸秆生物炭和羊粪有机肥,主要菌种为枯草芽孢杆菌和固氮红螺菌,有效活菌数≥3 亿/g,pH 7.43,有机质46.15%,N+P2O5+K2O=5%,全氮2.61%,全磷4.15%,全钾2.47%;大豆生物有机肥来自史丹利农业集团股份有限公司,原材料为大豆,主要菌种为枯草芽孢杆菌,有效活菌数≥5 亿/g,pH 7.15,有机质71.24%,N+P2O5+K2O=8%,全氮1.35%,全磷3.42%,全钾2.14%;海藻生物有机肥来自山东日照沃力生物科技有限公司,原材料为海藻和木薯渣,主要菌种为地衣芽孢杆菌和木霉菌,有效活菌数≥2 亿/g,pH 7.26,有机质51.26%,N+P2O5+K2O=4%,全氮1.24%,全磷1.02%,全钾2.11%,海藻蛋白5%。

1.3 试验设计

第1年试验于2021年5月开展,当年10月收获,第2年与第1年时间保持一致。共设置5个处理,分别为:不施用生物有机肥(CK),牛粪生物有机肥(BF1),炭基生物有机肥(BF2),大豆生物有机肥(BF3),海藻生物有机肥(BF4)。试验小区面积为100 m2(长20 m,宽5 m),每个处理3次重复,共15个小区,各小区之间构筑田埂并覆膜,每个小区均设置单独进、出水口,防止串水串肥。采用人工移栽的插秧方式,采用25 cm×10 cm的株行距种植,每穴2~3株,浅插匀植。生物有机肥在水稻移栽前1 d,按照600 kg/hm2用量进行人工撒施,确保施用均匀,同时在种植前按照375 kg/hm2的水稻专用复合肥(20-10-15)作为基肥,在秧苗移栽大田后10 d进行追肥,追肥采用150 kg/hm2尿素。其他水肥管理与当地常规管理模式保持一致。

1.4 样品采集

土壤样品:在每年水稻成熟时按照五点取样法,在每个小区利用不锈钢土钻进行取土,每份样品1 kg,充分混匀后剔除杂物,土壤样品带至实验室进行自然风干,磨碎分别过2.00和0.15 mm标准筛用于测定土壤基本理化性质和有效态Cd。

水稻样品:在收获时每个小区取3株水稻整株样品,将根部样品洗净后测定株高、穗长、根长,后将水稻105 ℃杀青30 min后,转至80 ℃烘干至恒重。籽粒样品采用小型水稻脱壳机进行脱壳,磨碎,放置于4 ℃冰箱保存待测。

1.5 样品测定

土壤基础理化性质参考《土壤农化分析》[19],土壤pH采用pH计(Orion 3 Star,Thermo Ltd.,USA)测定(土∶水=1∶2.5),土壤有效磷用HCl-NH4F萃取,然后用钼蓝法测定,碱解氮采用碱解扩散法,速效钾采用CH3COONH4浸提-火焰光度计法,有机碳采用K2Cr2O7氧化容量法-外加热法,土壤有机质=土壤有机碳×1.724。土壤有效态Cd含量参考《土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法》(GB/T 23739—2009)[20]。土壤Cd全量参考《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)[21]。水稻株高、根长、穗长采用2 m卷尺进行测量,穗重、千粒重采用百分之一天平进行称重,小区产量采取全小区收割后换算1 hm2产量[22]。糙米Cd含量参考《食品安全国家标准 食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)[23]。

1.6 数据分析

使用SPSS 23软件进行数据统计分析,采用单因素方差分析(One-way ANOVA)对数据进行差异显著性检验,用邓肯法做多重比较,利用origin 2021进行绘图,试验数据采用平均值±标准差(SD)表示。

2 结果与分析

2.1 不同生物有机肥对土壤肥力的影响

由表1可知,在施用生物有机肥的第一年,土壤有机质含量表现出BF2(18.20 g/kg)>BF1(17.74 g/kg)>BF4(17.68 g/kg)>BF3(16.75 g/kg)>CK(16.50 g/kg)。与CK处理相比,施用生物有机肥后土壤有机质含量增加1.52%~10.30%。BF2处理碱解氮含量最高为170.24 mg/kg,其次是BF3处理为166.14 mg/kg,与CK处理(155.56 mg/kg)相比,分别增加9.44%、6.80%。生物有机肥处理土壤有效磷含量与CK处理相比增加2.37~5.86 mg/kg,其中BF2处理含量最高为26.81 mg/kg,较CK处理增幅为27.97%。土壤速效钾含量BF2处理最高为80.65 mg/kg,与CK处理相比显著增加13.27 mg/kg,增幅为19.69%(P<0.05)。在施用生物有机肥的第2年,土壤有机质含量较第1年均有所增加,其中BF2处理有机质含量最高,为19.82 g/kg,较第一年增加1.62 g/kg,与CK处理相比显著增加26.48%。BF2处理土壤碱解氮和速效钾含量与第一年效果一致,与CK处理相比分别显著增加25.92、15.65 mg/kg,增幅分别为16.16%、22.29%(P<0.05)。土壤有效磷含量以BF2处理最高,为28.01 mg/kg,BF4处理次之,为25.57 mg/kg。

2.2 不同生物有机肥对水稻生长状况的影响

由表2可知,第一年各处理间水稻株高表现出较大差异,其中BF2处理最高(107.13 cm),其次是BF1(101.42 cm)和BF4处理(101.38 cm)。与CK处理相比,生物有机肥处理株高平均增加5.16 cm。各处理水稻穗长变化不大,其中以BF2处理最长(19.62 cm),与CK处理相比增加2.18 cm,增幅为12.50%。水稻根长表现出BF2(15.41 cm)>BF3(14.41 cm)>BF1(13.25 cm)>BF4(12.54 cm)>CK(11.39 cm)。在施用生物有机肥后的第二年,水稻株高以BF2处理最高为108.73 cm,其次是BF4处理(104.67 cm),BF1和BF3处理较为接近,分别为102.72、102.23 cm。第二年生物有机肥处理水稻穗长差异不显著,与CK相比增幅为1.06%~4.75%(P>0.05)。水稻根长以BF2处理(15.23 cm)最长,其次是BF3处理(15.16 cm),与CK处理相比分别增加2.30和2.23 cm。

2.3 不同生物有机肥对水稻产量的影响

对各处理产量指标进行分析发现,生物有机肥能够增加水稻穗重和千粒重从而提高水稻产量。由表3可知,第一年各处理穗重在28.64~33.67 g,BF4处理最大,与CK处理相比增加5.03 g,增幅为17.56%。水稻千粒重以BF2处理最大为25.63 g,其次是BF3处理为25.19 g,与CK处理相比分别增加2.68、2.24 g。各水稻产量表现为BF2>BF1>BF3>BF4>CK,与CK处理相比BF1和BF2处理分别增加481.20、612.00 kg/hm2,增幅分别为6.36%、8.09%。在生物有机肥施用后第二年,BF2处理水稻穗重最大为35.11 g,与CK处理相比显著增加8.06 g,增幅为29.80%(P<0.05)。各处理水稻千粒重为23.05~25.56 g,其中BF2处理最大,与CK处理相比增幅为10.89%。水稻产量以BF2处理(8 379.60 kg/hm2)最大,其次是BF3处理为7 899.75 kg/hm2,与CK处理相比,分别增加615.45、135.60 kg/hm2。

2.4 不同生物有机肥对土壤pH和有效Cd含量的影响

由图1a可知,第一年和第二年施用生物有机肥后土壤有效态Cd含量显著下降,其中BF2处理含量最低。第一年施用生物有机肥后与CK处理相比,BF2处理土壤有效态Cd含量显著下降0.11 mg/kg,降幅为45.83%(P<0.05)。BF1、BF3和BF4处理分别显著下降25.00%、33.33%、33.48%(P<0.05)。第二年与第一年相比,施用生物有机肥后,土壤有效态Cd含量逐渐下降。其中表现出与第一年相同的规律,表现为CK(0.26 mg/kg)>BF1(0.17 mg/kg)>BF3(0.15 mg/kg)>BF4(0.14 mg/kg)>BF2(0.12 mg/kg),与CK处理相比生物有机肥处理土壤有效态Cd含量下降0.09~0.14 mg/kg,降幅为34.62%~53.85%。从图1b可以看出,各处理土壤pH变化幅度不大,较CK处理,生物有机肥的施用可以提高土壤pH。其中BF1、BF2、BF3和BF4处理土壤pH分别提高0.29、0.37、0.17和0.22。在施用生物有机肥后的第二年,BF2处理pH为5.72,与CK相比提高0.50,生物有机肥处理平均提高0.38。

2.5 不同生物有机肥对水稻籽粒中Cd含量的影响

对不同处理水稻籽粒(糙米)中的Cd含量进行分析发现(图2),生物有机肥处理能够显著降低水稻籽粒中Cd含量。其中第一年BF1、BF2、BF3和BF4处理分别显著降低0.11、0.17、0.08和0.12 mg/kg,降幅分别为42.31%、65.38%、30.77%和46.15%(P<0.05)。第二年施用后发现与第一年表现出同样的规律,其中与CK相比BF2处理显著下降0.15 mg/kg,降幅为65.22%(P<0.05)。生物有机肥处理平均下降0.10 mg/kg,降幅为39.13%~65.22%。

3 讨论

3.1 生物有机肥对土壤肥力的影响

该试验结果表明,施用2年生物有机肥后,土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量均有所上升。生物有机肥作为一种新型有机肥料,在土壤中施用一方面能够为土壤带来养分[24],另一方面,微生物会促进有机物质的分解,从而提高土壤有机碳和氮含量[25]。研究表明,在枸杞上施用生物有机肥料后,土壤中碱解氮和有机质含量显著上升[26],这与该研究结果一致。BF2处理(炭基生物有机肥)对土壤养分的提升作用较其他3种生物有机肥作用效果最为显著。生物炭是以农林废弃物等经过高温所形成的特殊炭,其中含有丰富的氮、磷和钾元素,在土壤中施用能够显著提高土壤中的养分含量[27]。李夏等[28]研究表明,在土壤中施用炭基生物有机肥显著提高了土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量。此外,生物炭pH通常为9~11,在土壤中施用能显著提高土壤pH[29]。研究表明,土壤pH的提高会增强硝化微生物活性,增强土壤硝化作用,从而提高土壤氮含量[30]。同时pH的提高会增强土壤磷酸还原酶活性,将不可溶性磷转化为可溶性磷[31]。供试的生物有机肥中枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等,其具有固氮溶磷和解钾的作用。李国君等[32]研究发现,在雷州半岛砖红壤施用微生物菌肥能够增加单株瓜数和瓜重,对西洋小南瓜的增产效果明显。

3.2 生物有机肥对水稻生长和产量的影响

生物有机肥的作用不仅在于提高土壤肥力,同时还可以促进水稻生长、提高水稻产量。该试验结果表明,供试的4种生物有机肥施用能提高水稻株高、穗长、根长、穗重、千粒重和水稻产量。生物有机肥中的功能性微生物如芽孢杆菌类,其可以在增殖过程中合成生长素(IAA)、细胞分蘖素(CTK)、赤霉素(GA)、乙烯(ETH)和脱落酸等植物激素从而促进细胞分蘖、伸长分化[33-34]。岳宏忠等[35]研究表明,在黄瓜中施用生物有机肥后黄瓜产量显著增加。王俊红等[36]研究发现,在小麦上施用生物有机肥后产量增加9.3%,这与该研究结果一致。从试验结果来看,以生物炭作为原料所制备的生物有机肥处理对水稻产量的提高作用最为显著。这主要是由于生物炭可为水稻生长提供营养元素,改良土壤理化特性,促进水稻分蘖和干物质积累,从而提高水稻产量。刘慧敏等[37]研究表明,生物炭的施用能够改善谷子叶面光合和根系对水分和矿质元素的吸收能力,从而提高谷子产量。宁川川等[38]研究表明,在水稻中施用秸秆生物炭能够增加水稻中硅和氮含量,从而提高双季稻产量。该研究结果表明,生物炭的施用对于水稻产量的提高具有积极作用,这与前人的研究结果一致。

3.3 生物有机肥对土壤和水稻籽粒中Cd含量的影响

土壤pH是影响土壤重金属活性的重要因素,特别是Cd活性的提高与土壤pH下降存在显著正相关关系。该试验结果表明,生物有机肥能够提高酸性水稻土壤pH,显著降低土壤有效态Cd含量。生物有机肥因其在发酵过程中由于微生物的作用,使肥料pH提高,当其添加到土壤中后能够提高土壤pH。此外炭基生物有机肥的施用对土壤pH的提升和有效态Cd含量的降低效果最为明显。生物炭因其pH较高,常作为酸性土壤改良剂。研究表明,在Cd污染的土壤中施用生物炭能够显著提高土壤pH,降低土壤有效态Cd含量[39]。同时对籽粒中Cd含量进行分析发现,生物有机肥的施用能够显著降低籽粒中Cd含量。一方面土壤有效态Cd含量的下降,水稻从土壤中吸收的Cd含量就会相应减少。另一方面,生物有机肥中的微生物可以通过钝化、吸附和固定作用减少Cd向水稻籽粒中的迁移。如枯草芽孢杆菌能够通过产生脲酶生成CO32-,Cd2+与CO32-结合能够产生CdCO3沉淀[40]。同时一些微生物的菌丝能够分泌一种特殊的蛋白为球囊霉素相关土壤蛋白,其能够与Cd2+结合并改变镉的存在形态使其向残渣态转换并固定在土壤中[41]。

4 结论

该试验结果表明,生物有机肥的施用能够提升土壤肥力,促进水稻生长,提高水稻产量,降低水稻籽粒中Cd含量。其中施用炭基生物有机肥在供试的几款生物有机肥中作用效果最为显著,未来利用生物炭开发生物有机肥并将其运用到土壤修复和作物增产过程中是一项不错的选择。

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