矿物源调理剂对南方酸性镉污染水稻农田的修复作用.pdf
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1、DOI:10.11689/sc.2023020901林小兵,郭乃嘉,雷礼文,等.矿物源调理剂对南方酸性镉污染水稻农田的修复作用J.土壤与作物,2023,12(4):439 447.LIN X B,GUO N J,LEI L W,et al.Remediation of mineral conditioners on acid cadmium contaminated paddy farmland in southernChinaJ.Soils and Crops,2023,12(4):439 447.矿物源调理剂对南方酸性镉污染水稻农田的修复作用林小兵1,2,郭乃嘉3,雷礼文1,陈国钧1,胡秋
2、萍1,万长艳1,周琦娜1,肖秋云4,武琳1,周利军1(1.江西省红壤及种质资源研究所,国家红壤改良工程技术研究中心,江西 南昌 331717;2.江西农业大学 国土资源与环境学院,江西 南昌 330045;3.江西省农业生态与资源保护站,江西 南昌 330046;4.樟树市农业农村局,江西 樟树 331200)摘要:为验证土壤调理剂在江西新余酸性镉(Cd)污染稻田上的应用效果,采用田间小区试验,研究了以牡蛎壳、石灰石等为原料的 5 种矿物源调理剂对土壤 Cd、水稻产量及各部位中 Cd 含量的影响。结果表明:与对照相比,施用矿物源调理剂使土壤 pH 上升了 1.17 1.69 个单位,阳离子交换
3、量增加了 13.1%41.2%;土壤有效态 Cd 含量降低了 0.25%18.8%;水稻根系、茎秆、叶片、谷壳和糙米中 Cd 含量分别显著降低了 4.81%48.0%、44.7%84.9%、38.5%76.9%、45.8%79.2%和 43.4%75.5%,水稻产量增加了 0.81%17.9%。水稻不同部位中 Cd 富集系数表现为:根系茎杆叶片糙米谷壳,进入水稻体内的 Cd 主要富集在根系、茎杆和叶片部位。水稻各部位中 Cd 含量与土壤有效态 Cd 含量呈极显著正相关关系(P 0.01),而与土壤 pH 呈极显著负相关关系(P stem leaf brown rice husk.The Cd
4、in rice was mainly enriched in root,stem and leaf.The Cd content in each organ ofrice was significantly positively correlated with the soil available Cd(P 0.01),but negatively correlated with soil pH(P 0.01).The mineral conditioners exhibit better resistance and control effect on the migration and r
5、edistribution of Cd in the soil-rice system,which have yield-increasing effect and potential to ensure the safe production of rice.Key words:cadmium pollution;mineral;soil conditioner;remote validation;concentration factor 0引言大气沉降、灌溉水、畜禽粪便、化肥施用和市政污泥等导致土壤重金属污染问题日益突出,尤其是农田镉(Cd)污染1。据报道,我国有 19.4%的耕地重金属超
6、标,其中主要重金属污染元素为 Cd2。水稻(Oryza sativa)作为我国主要粮食作物之一,同时也是重金属 Cd 富集作物,很容易通过食物链进入人体,影响身体健康3 4。目前,重金属 Cd 污染土壤修复主要是改变 Cd 在土壤中的形态,降低其活性和迁移性5。土壤钝化技术因操作简单、经济实惠等特点,适合于大面积 Cd 污染的土壤修复6 7。钝化材料可以通过吸附、络合、沉淀、氧化还原及离子交换等来降低土壤中 Cd 的有效性,从而降低水稻对 Cd 的吸收、转运和富集8 10。常用的土壤调理剂主要为生石灰,但长期大量施用生石灰会导致土壤板结,土壤养分元素失衡,进而造成作物减产11 12。我国农业废
7、弃物和天然环境矿物材料资源丰富,种类繁多,为寻找原位、高效和低价的土壤环境修复技术提供了有利条件。矿物类材料如牡蛎壳、沸石、石灰石、海泡石等能有效提高土壤pH,改善土壤性质,增加土壤养分,并有效降低土壤重金属 Cd 有效性和水稻中重金属 Cd 含量13 14。本文选用的矿物源调理剂均为分布广泛、成本低廉的常见材料,如牡蛎壳、石灰石、白云石等,含大量钙、硅、磷、镁、锰、钾、锌及其他微量元素等,有利于促进作物生长,并在一定程度上能够提高土壤 pH,降低土壤重金属 Cd 活性6。本研究在已有研究的基础上,筛选出南方地区广泛使用的 5 种矿物源调理剂,在江西新余酸性镉污染农田进行异地验证试验,研究了矿
8、物源调理剂对土壤 Cd 有效性及水稻吸收 Cd 的影响,为 Cd 污染水稻农田安全生产提供数据支撑和理论依据。1材料与方法 1.1试验地概况大田试验位于江西省新余市珠珊镇内(2746N,11458E)。试验前土壤(0 20 cm)检测结果表明:有机质含量 22.2 gkg1,pH 5.16,有效磷 11.1 mgkg1,速效钾 67.9 mgkg1,碱解氮 22.1 mgkg1,阳离子交换量 5.11 cmolkg1,土壤全 Cd 含量 0.45 mgkg1,有效态 Cd 含量 0.22 mgkg1。1.2试验设计本试验选用土壤调理剂均在南方地区广泛施用且对糙米降 Cd 效果较好,主要成分为生
9、物源钙(牡蛎壳粉)、镁、硅等6。试验共设计 6 个处理:对照(CK:未添加土壤调理剂)、维地康(WDK)、宁粮(NL)、天象一号(TXN.1)、修复龙(XFL)和植宝(ZB)土壤调理剂,5 种土壤调理剂的代号、推荐用量及主要成分见表 1。每处理重复 3 次,随机区组排列,小区面积 25.2 m2(4.2 m 6 m)。土壤调理剂于水稻种植前 7 d 结合整地翻耕一次性撒施,使产品与土壤混合均匀。底肥施 48%复合肥 375 kghm2,第一次追肥尿素 150 kghm2,第二次追肥 48%复合肥 187.5 kghm2和尿素 112.5 kghm2。分别于 2021 年 7 月 20 日和 8
10、 月 15 日用甲虫片、蚜酮、水胺硫磷、井岗霉素、水胺等打药 2 次。1.3样品采集与测定方法水稻品种甬优 1 538 于 2021 年 5 月 24 日播种,6 月 21 日手工移栽,9 月 20 日进行水稻植株和土壤采样。用 HNO3-H2O2消解-电感耦合等离子体光谱仪(品牌:美国 Thermo Scientific,型号:iCAP-QC)测定水稻各部位中 Cd 含量,检出限 0.002 mgkg1。土壤总 Cd 含量通过王水提取,有效态 Cd 含量通过440土 壤 与 作 物第 12 卷DTPA 浸提15,提取液均采用电感耦合等离子体光谱仪(品牌:美国 Thermo Scientifi
11、c,型号:iCAP-RQ)测定,检出限 0.007 mgkg1。土壤 pH、有机质、阳离子交换量、速效钾、有效磷和碱解氮等理化性质的测定参照土壤农业化学分析方法16。水稻产量:成熟期将试验小区内所有水稻进行收割、烘干和称重。1.4统计分析试验所有数据分析通过 R 语言(www.r-project 4.1.3)软件,所有制图通过 R 语言程序包 ggplot2。采用 Tukey HSD 法对数据进行差异显著性分析(P 0.05),图表中数据为平均值标准差。生物富集系数(BCF)用水稻根系、茎秆、叶片、谷壳和糙米中 Cd 元素与土壤中 Cd 元素比值表示。2结果与分析 2.1土壤调理剂对土壤化学性
12、质的影响本试验中选用的矿物源调理剂均能显著提高土壤 pH 值(P 0.05,图 1a)。与 CK 相比,各处理土壤 pH 值增加了 1.17 1.69 个单位,其增幅为 21.4%30.8%。TXN.1、XFL 和 ZB 矿物源调理剂较 CK 比土壤有机质分别增加了 16.5%、16.2%和 15.7%;与 CK 相比,矿物源调理剂处理均能使土壤阳离子交换量提高 13.1%41.2%;仅有 XFL 调理剂的土壤速效钾含量较 CK 增加了 1.86%;WDK、XFL 和 ZB 调理剂土壤有效磷含量分别增加了 0.25%、10.9%和 35.6%;WDK、NL、TXN.1 和 XFL 调理剂土壤碱
13、解氮含量分别增加了 35.4%、27.3%、30.1%和 1.57%。2.2土壤调理剂对水稻不同部位 Cd 含量的影响施用矿物类材料在一定程度上显著降低了水稻植株中 Cd 含量(P 0.05)。与 CK 相比,各处理根系中 Cd 含量显著降低了 4.81%48.0%(P 0.05,图 2a),以 TXN.1 处理根系中 Cd 含量最低,为1.84 mgkg1;各处理茎秆中 Cd 含量显著降低了 44.7%84.9%(P 0.05,图 2b),以 TXN.1 处理最低,为 0.46 mgkg1;各处理叶片中 Cd 含量显著降低了 38.5%76.9%(P 0.05,图 2c),以 TXN.1 处
14、理最低,为 0.15 mgkg1;各处理谷壳中 Cd 含量显著降低了 45.8%79.2%(P 0.05,图 2d),以 TXN.1 处理最低,为 0.05 mgkg1;各处理糙米中 Cd 含量显著降低了 43.4%75.5%(P 茎秆叶片谷壳糙米,均值分别为 2.65、1.23、0.29、0.23 和 0.11 mgkg1。从表 2 可知,施用矿物类材料能有效降低水稻各部位 Cd 富集系数,施用 5 种矿物源调理剂的水稻根 表 1供试土壤调理剂性质Table 1Properties of tested conditioners调理剂代号Conditionercode推荐用量Recommend
15、edrates/(kghm2)调理剂主要成分Main components of conditionerCK0WDK4 500CaO20.0%、SiO210.0%、pH 10.0 12.0、有机质12.0%;主要原料为牡蛎壳、石灰石、腐殖酸、甜叶菌渣等。Organic matter12.0%.The main materials are oyster shell,limestone,humic acid andsweet leaf fungus residue.NL3 750CaO33.0%、MgO5.0%、SiO228.0%、pH 10.012.0;主要原料为白云石、钾长石、石灰石等。The
16、 main materials are dolomite,potassium feldspar and limestone.TXN.14 950K2O2.0%、CaO25.0%、MgO5.0%、SiO210.0%、pH 11.0 13.0、有机质5.0%;主要原料为白云石、方解石、硫酸钙、有机质、硅肥、硫化钾等。Organic matter5.0%.The main materialsare dolomite,calcite,calcium sulfate,organic matter,silicon fertilizer,and potassium sulfide.XFL3 000CaO 4
17、0.0%,pH 8.0 10.0,主要原料为牡蛎壳粉、生物烟碱、氨基酸和中微量元素。The mainmaterials are oyster shell powder,biological nicotine,amino acids and trace elements.ZB3 750CaO30.0%、MgO6.0%、SiO210.0%、pH 10.0 12.0;主要原料为牡蛎壳、白云石、腐殖酸、生物质炭等。The main materials are oyster shell,dolomite,humic acid and biochar.第 4 期林小兵等:矿物源调理剂对南方酸性镉污染水稻农
18、田的修复作用441 系、茎杆、叶片、谷壳和糙米 Cd 生物富集系数范围分别为 7.57 12.5、2.04 6.13、0.61 1.51、0.23 0.48 和 0.47 1.01。与 CK 相比,各处理水稻根系中 Cd 的生物富集系数降低了 17.9%50.4%,其中TXN.1 显著低于 CK(P 0.05);各处理茎杆中 Cd 的生物富集系数显著降低了 53.5%85.3%(P 0.05);各处理叶片中 Cd 的生物富集系数降低了 46.8%78.5%,除 XFL 外,各处理均显著低于 CK(P 0.05);各处理谷壳中 Cd 的生物富集系数降低了 53.9%77.9%(P 0.05);各
19、处理糙米中 Cd 的生物富集系数降低了 51.2%77.3%(P 茎杆叶片糙米谷壳。富集系数说明施用矿物类材料阻止土壤重金属 Cd 进入水稻体内,进入水稻中的 Cd 主要富集在根系、茎杆和叶片部位,减少了其进入糙米中。如图 3a 所示,与 CK 处理相比,各处理土壤有效态 Cd 含量降低了 0.25%18.8%,以 TXN.1 处理平均含量最低,为 0.14 mgkg1。为进一步探讨土壤有效态 Cd 对糙米 Cd 的影响,分析了糙米 Cd 对土壤有效态 Cd 的富集系数,结果表明除 NL 和 XFL 处理外,其余各处理糙米 Cd 有效富集系数均显著低于CK(P WDKZBTXN.1NLCK。2
20、.4相关性分析为进一步探讨土壤有效态 Cd、土壤化学性质与水稻各部位中 Cd 含量的关系,分别进行相关性分析 7.5(a)(b)(c)(d)(e)(f)baaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa7.06.5pH6.05.540453530速效钾Available potassium/(mgkg1)2520有效磷Available phosphorus/(mgkg1)25302015510碱解氮Alkaline nitrogen/(mgkg1)12016080403035有机质Organic matter/(gkg1)25201589阳离子交换量Cation exc
21、hange capacity/(cmolkg1)765处理TreatmentCKWDKNLTXN.1XFLZB处理TreatmentCKWDKNLTXN.1XFLZB处理TreatmentCKWDKNLTXN.1XFLZB注:不同小写字母表示处理间差异显著(P 0.05)。下同。Note:Different small letters indicate significant differences between treatments at P 0.05.The same is as below.图 1土壤调理剂对土壤化学性质的影响Fig.1Effects of soil condition
22、ers on soil chemical properties442土 壤 与 作 物第 12 卷(图 5),结果表明,土壤有效态 Cd 含量与水稻根系中 Cd 含量(R=0.73,P 0.01)、茎秆中 Cd 含量(R=0.80,P 0.01)、叶片中 Cd 含量(R=0.79,P 0.01)、谷壳中 Cd 含量(R=0.79,P 0.01)和糙米中 Cd 含量(R=0.80,P 0.01)均呈极显著正相关关系。而土壤 pH 与水稻根系中 Cd 含量(R=0.60,P 0.01)、茎秆中 Cd 含量(R=0.80,P 0.01)、叶片中 Cd 含量(R=0.83,P 0.01)、谷壳中 Cd
23、含量(R=0.68,P 0.01)和糙米中 Cd 含量(R=0.85,P 茎秆叶片糙米,根系是水稻各部位中最容易积累 Cd 的部位28,本试验中施用矿物类材料能有效降低水稻各部位 Cd 富集系数,各处理水稻根系中 Cd 的富集系数较 CK 降低了 17.9%50.4%,说明矿物类材料抑制了土壤中 Cd 的吸收和富集。总体上,本试验糙米 Cd 含量降低主要通过提高土壤 pH,降低土壤中 Cd 的有效性,抑制了重金属 Cd 向茎叶的迁移、转运与分配。施用矿物源调理剂后水稻籽粒产量均有不同程度的提高,其增幅为 0.81%17.9%,主要原因是调理剂含有丰富的碱性物质,可以调节土壤酸碱度,降低或减少重
24、金属 Cd 危害;其次含有丰富的 Ca、Mg、K、Si、Fe 等营养元素,促进水稻生长和发育。矿物源调理剂对 Cd 污染农田的钝化效果,特别是对土壤环境的影响,还需建立长期监测,如建立调理剂老化试验29,施用一次土壤调理剂能降低几季作物中 Cd 含量。针对不同地区、污染程度、土壤类型等建立起矿物源调理剂与农艺措施组合30,特别是水分调控31和叶面阻控技术32-33,降低矿物源调理剂的施用量和修复成本,充分利用天然环境矿物材料和农业废弃物等开发施用效果好、价格低廉的产品,进一步室内室外试验需要探讨矿物源调理剂对污染土壤和水稻降 Cd 机制。4结论5 种矿物源调理剂对重金属 Cd 在酸性土壤-水稻
25、体系的转运和富集具有较好的抑制作用,能够较好地保障水稻安全生产。其主要功能是通过提升土壤 pH,抑制土壤 Cd 活性,减少重金属 Cd 向茎叶的迁移、转运与再分配。此外,含有丰富的钙镁硅等离子在水稻植株体内产生拮抗或沉淀作用,也能抑制水稻茎秆中重金属 Cd 向糙米的迁移和再分配。参考文献 (References):刘进,潘月鹏,师华定.华北地区农田土壤镉来源及大气沉降的贡献J.农业环境科学学报,2022,41(8):16981708.LIU J,PAN Y P,SHI H D.Atmospheric deposition as a dominant source of cadmium in a
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