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不同类型肥料对污染稻田土壤中镉迁移转化的影响

来源:《江苏农业科学》 点击:   2018-11-05 10:56:52

施肥作为重要的农艺措施对镉的生物有效性有显著的影响。本文设置对照(CK)、施用有机肥(MF)、施用50%有机肥+50%化肥(MCF)、施用化肥(CF)4个处理,研究其对模拟镉浓度为5mg/kg的盆栽水稻土壤中镉迁移转化的影响。

结果表明,有机肥的施入提高了水稻籽粒中镉的含量,但降低了根和茎中镉的含量;外源镉的添加主要是增加了土壤可交换态镉的含量;水稻成熟后,50%有机肥+50%化肥混施处理可交换态镉的含量比较高,水稻收获后,根、茎中镉含量较高,尤其是根部。

前 言

重金属污染日益成为人们关注的热点,尤其是镉(Cd)污染问题越来越突出。镉的生物有效性及毒性大小不仅与其在土壤中的总量多少有关,而且其在生态系统中的迁移转化和生物可利用性还取决于土壤中镉的赋存形态分布。根据《全国土壤污染状况调查公报》,我国土壤污染总超标率为16.1%,其中轻微、轻度、中度、重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%、1.1%,8 种无机污染物镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%,尤其是镉污染越来越严重。

污染土壤修复技术存在工程措施造价高、费时费工而且对土壤理化性质有破坏作用等缺陷。植物修复面临的最大问题是高重金属含量植物的处置困难,且修复效率较低,在农业生产实践中都面临不同程度的制约。农艺措施调控是指适时调整耕作管理制度以及在污染土壤中种植不进入食物链的农作物等,从而改变土壤重金属的生物活性,降低其生物有效性,减少重金属从土壤向植物体内的转移,实现降低重金属环境危害的一系列技术手段。施肥作为重要的农艺措施对镉的生物有效性有显著的影响。施肥通过以下5种途径影响植物对土壤中重金属的吸收:促进植物生长;影响土壤pH 值[在少数情况下影响氧化还原电位(Eh 值)];带入重金属离子,也提供能沉淀、络合重金属的基团;带入竞争离子;影响根系和地上部的代谢过程或重金属在体内的运转而间接影响重金属元素的吸收。

本研究利用不同的肥料类型,通过外源镉的添加,研究在镉污染稻田土壤中镉的迁移变化规律以及水稻镉吸收特征,为探讨在镉污染稻田土壤中水稻的安全种植模式提供参考依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

供试水稻品种为湘晚籼13 号。试验所用土壤采自中国农业科学院麻类研究所试验基地的酸性黄泥土(酸性土壤)。试验所用肥料为市场上的常规商品肥料。试验所用土壤和肥料的基本化学性质及Cd 总含量见表 1。

1.2试验设计

试验于2016 年4—10 月在中国农业科学院麻类研究所试验基地进行。共设置4 个处理,分别为对照(CK)、施用有机肥(MF)、施用50%有机肥+50%化肥(MCF)、施用化肥(CF)。每个处理设3 个重复,共12 盆。土壤和有机肥分别风干并过4 mm 筛,每盆装土16 kg,把土壤和相应肥料充分混合均匀,同时用CdCl2配制成溶液加进土壤中,使土壤模拟镉污染浓度为5 mg/kg。盆栽过程中灌浆成熟期晒田7 d,其他时间保持盆栽土壤中1~2 cm 水位高度。分别在分蘖期、拔节期、抽穗开花期、灌浆成熟期采取土壤样品。土壤样品风干后,分别过1、0.149 mm 筛备用。

1.3测定指标及方法

1.3.1 Eh(氧化还原电位)、pH 值的测定

Eh 值用ORP 仪原位测定。取过1 mm 筛的土壤样品测定土壤pH 值,测定方法采用去离子水浸提pH 计法(水土质量比2.5∶1)。

1.3.2 重金属形态提取及测定方法

镉含量的测定采用原子吸收光谱法。不同重金属形态的提取方法见表 2 。土壤和肥料中有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、速效养分含量、含水量等指标的测定采用常规方法。

1.4数据分析

采用SAS 及Excel 软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1不同施肥处理对水稻土pH 值的影响

pH 值是影响重金属污染土壤钝化修复效率的重要因素之一。pH 值越高,重金属的溶解度越低,其活性就越低。从图 1 可以看出,化肥处理的整个水稻生育期的pH 值一直在一个比较高的水平;有机肥处理的pH 值相对较低;有机肥+化肥处理的生育期pH 值变化幅度较大。相比水稻种植前土壤的pH 值,水稻于成熟期收获后,CK、有机肥+化肥处理土壤pH 值有所降低。

2.2不同施肥处理对水稻土Eh 值的影响

随着Eh 值的增大,土壤中水溶性镉含量、水稻吸收镉的总量及地上部镉含量随之增加。这可能是因为在还原状况下,镉离子易与硫化物结合形成硫化镉沉淀。镉在氧化条件下(Eh 值高)比在还原条件下(Eh 值低)更容易由无效态转化为水溶态和交换态。由图 2 可知,各处理水稻土壤中Eh值都处在比较低的水平,尤其是有机肥处理,而化肥处理与有机肥处理Eh 值的变化情况相反。

2.3不同施肥处理对水稻各部位镉含量及土壤镉形态的影响

在模拟土壤镉污染浓度为5 mg/kg 时,通过将不同的肥料类型施入到污染水田中,由表 3 可以看出,在镉污染浓度较高时,施用有机肥促进了水稻籽粒对镉的吸收,但降低了水稻根及茎中镉的浓度。施用有机肥水稻各部位镉含量为根>籽粒>茎,且水稻根部镉含量要远大于地上各部位镉含量,说明水稻大部分镉主要累积在根部。

对不同处理条件下水稻土壤镉形态的影响分析发现,外源镉的添加主要是增加了土壤可交换态镉的含量,单施化肥处理的灌浆成熟期残余态镉含量比较高,其次为单施有机肥处理。50%有机肥+50%化肥混施处理可交换态镉的含量比较高(图 3)。可见单施化肥降低了土壤中可交换态镉的含量,减少了水稻籽粒的吸收量。

3 讨论与结论

施肥是影响土壤重金属含量的重要因素,不同土地利用方式施用肥料的种类和数量不同。土壤中的镉有很强的亲硫性质,可与水中的FeS 发生共沉淀,同时其活性也受土壤Eh值的影响,因而与土壤水分状况有着密切的关系。研究表明,水田土壤中施用有机肥会带入大量的可溶性有机质(dissolved organic matter,简称DOM),其与Cd2+的螯合提高了Cd 的活性和在土壤中的迁移能力,施用有机肥后,能够显著增加根际及土壤中交换态及有机结合态Cd 含量,是对照的2 倍多。本研究中有机肥的施入提高了污染稻田中水稻籽粒中镉的含量,因此施用有机肥加大了稻田土壤受重金属污染的风险。由于有机肥来源广泛、种类多样,导致不同有机肥对土壤重金属形态的影响可能也不同。将以猪粪、羊粪、鸡粪为原料的有机肥施用到种植小麦的镉污染土壤中,降低了土壤可交换态镉与碳酸盐结合态镉的含量,促进了土壤镉由可交换态和碳酸盐结合态向铁锰氧化物结合态、有机结合态和残留态的转化。

另有研究表明,土壤中重金属的有效性和在农作物中的积累状况还受到有机肥用量和比例的影响。施用氮肥可促进植物对重金属的吸收,但其作用程度与肥料形态有密切的关系,仅施化肥对土壤Cd 全量、有效态含量及活化率的影响均较小,本研究中化肥处理降低了水稻籽粒和茎中镉的含量。相关研究表明,在稻田土壤中施入中、高量有机肥处理明显提高了土壤Cd 的全量、有效态含量及活化率。其中有机肥的“激活”效应是导致土壤有效态重金属含量大幅提高的主要机制。

在模拟镉浓度为5 mg/kg 的水稻土壤中,有机肥的施入提高了水稻籽粒中镉的含量,但降低了根和茎中镉的含量。外源镉的添加主要是增加了土壤可交换态镉的含量。在灌浆成熟期,50%有机肥+50%化肥混施处理可交换态镉的含量比较高。水稻收获后,根、茎中镉含量较高,尤其是根部。

文章来源:《江苏农业科学》
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