不同鎘污染水平下氮肥對(duì)稻田土壤中鎘遷移轉(zhuǎn)化的影響

孫向平， 嚴(yán) 理， 曾糧斌

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南長沙 410205)

2014年4月國家環(huán)境保護(hù)部和國土資源部公布的全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，鎘(Cd)的點(diǎn)位超標(biāo)率最高，正式被確定為我國土壤的首要污染物[1]。鎘是一種非常容易被水稻累積的重金屬元素，具有很強(qiáng)的遷移性而且有嚴(yán)重的危害性[2]。據(jù)報(bào)道，我國每年由于土壤Cd污染的農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)達(dá) 14.6億kg[3]，水稻是我國最重要的糧食作物之一，稻谷產(chǎn)量占全國谷物總產(chǎn)量的40%以上[4]。目前，稻田鎘污染已經(jīng)成為嚴(yán)重影響糧食安全生產(chǎn)的問題。Cd在土壤中因其高毒性和高移動(dòng)性，采用傳統(tǒng)物理或化學(xué)方法治理不僅成本高、周期長，且更易造成二次污染[5]。施肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的增產(chǎn)措施，對(duì)土壤中重金屬的生物有效性有顯著的影響。水稻(OryzasativaL.)由于具有生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)、栽種技術(shù)成熟及遺傳性狀穩(wěn)定等特點(diǎn)，也有國外學(xué)者利用水稻Cd高積累材料進(jìn)行Cd污染農(nóng)田修復(fù)[5]。有報(bào)道顯示，高鎘條件可以抑制植物生長導(dǎo)致減產(chǎn)，鎘還會(huì)通過營養(yǎng)元素影響植物的氣孔開放、蒸騰和光合作用，進(jìn)入植物體后與相關(guān)酶結(jié)合抑制植物對(duì)水分的吸收和運(yùn)輸，抑制光合作用、呼吸作用及其他生理功能等[6]，也有報(bào)道稱鎘在低濃度下，能刺激作物的生長和發(fā)育[7]。氮素是作物生長和產(chǎn)量品質(zhì)形成所必需的重要元素。采取有效措施減少污染土壤中鎘進(jìn)入植物的可食部位是關(guān)系到人體健康及農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要問題。

氮肥對(duì)土壤鎘的影響已有大量研究報(bào)道，但關(guān)于氮肥施入對(duì)不同鎘水平條件下土壤鎘遷移轉(zhuǎn)化及其生物有效性的報(bào)道還比較少。尤其是關(guān)于高Cd條件下施用氮肥對(duì)水稻生長以及重金屬Cd在水稻植株中分布趨勢的影響的報(bào)道較少。本研究通過設(shè)置不同的鎘污染水平，以稻田土壤為對(duì)象，通過氮肥的施入研究不同梯度濃度Cd條件下，土壤鎘的形態(tài)轉(zhuǎn)化特征以及水稻各器官對(duì)鎘吸收的影響。為通過農(nóng)藝措施調(diào)控對(duì)重金屬污染稻田實(shí)現(xiàn)邊修復(fù)邊利用的原則提供重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為湘晚秈13號(hào)。試驗(yàn)用土壤采自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所10 hm2試驗(yàn)基地的黃泥土(酸性土壤)。試驗(yàn)時(shí)間為2015年4—10月，試驗(yàn)用肥料為市場上常規(guī)的商品肥料。試驗(yàn)用土壤和肥料基本化學(xué)性質(zhì)及總Cd含量見表1。

表1 供試土壤和肥料主要理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用室外盆栽試驗(yàn)，設(shè)置5個(gè)處理：CK(對(duì)照)、NT(模擬鎘污染濃度為5 mg/kg)、LT(模擬鎘污染濃度為 5 mg/kg)、MT(模擬鎘污染濃度為10 mg/kg)、HT(模擬鎘污染濃度為20 mg/kg)。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共15盆。CK、NT不施肥，其他處理施氮150 kg/hm2、磷(P2O5)67.5 kg/hm2、鉀(K2O)225 kg/hm2。土壤和有機(jī)肥分別風(fēng)干并過4 mm篩，每盆裝土16 kg，把土壤和相應(yīng)肥料充分混合均勻，同時(shí)用CdCl2配制成溶液加入土壤中。盆栽過程中灌漿成熟期曬田7 d，其他時(shí)間保持盆栽土壤中1～2 cm水位高度。分別在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗開花期、灌漿成熟期采取土壤樣品。土壤樣品風(fēng)干后分別過1、0.149 mm篩備用。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 氧化還原電位(Eh)值、pH值測定方法 Eh值用氧化還原電位測定儀(ORP)原位測定。取過1 mm篩的土壤樣品測定土壤pH值，測定方法采用去離子水浸提pH計(jì)法(水土比2.5 mL ∶1.0 g)。

1.3.2 重金屬形態(tài)提取及測定方法 Cd形態(tài)的提取方法見表2。鎘含量的測定采用原子吸收光譜法。

表2 重金屬BCR連續(xù)化學(xué)提取法

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0及Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用氮肥對(duì)不同鎘污染水平下pH值的影響

由圖1可知，鎘污染土壤中施用氮肥降低了土壤的pH值。pH值在污染土壤中的變化幅度要大于沒有污染的土壤，其中中度污染土壤中pH值的變化趨勢與其他處理不同。水稻收獲后土壤pH值的大小為LT>HT>MT>CK=NT。

2.2 施用氮肥對(duì)不同鎘污染水平下Eh值的影響

由圖2可知，鎘污染土壤在水稻的拔節(jié)期前，土壤Eh值都高于沒有污染土壤，但在水稻生育后期，污染土壤的Eh值要低于沒有污染土壤，施用氮肥的高鎘污染土壤中的Eh值在水稻生育期的變化要大于其他處理。中低鎘污染水平Eh值的變化趨勢與CK一致。水稻收獲后，土壤Eh值的大小順序?yàn)镹T>CK>LT>MT>HT。高鎘污染土壤中的Eh值比CK處理低16.9%。

2.3 不同處理對(duì)水稻各部位含鎘量的影響

水稻收獲后，根、莖、籽粒中鎘的濃度及含量如表3所示，整個(gè)生育期施用化學(xué)氮肥后發(fā)現(xiàn)水稻根、籽粒中鎘的濃度隨著鎘污染程度的增加而增加。在低鎘污染水平下，籽粒中鎘的濃度是沒有污染土壤中的籽粒鎘濃度的近3倍，根中鎘的濃度達(dá)到了未污染土壤的10倍。鎘污染濃度為20 mg/kg的土壤中，水稻收獲后，籽粒中鎘的濃度達(dá)到了0.731 mg/kg。鎘的吸收主要集中在水稻的根部。高鎘污染沒有提高水稻中鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。水稻收獲后，各部位鎘的含量，以根部截留最為明顯。在本研究中，在高鎘污染水平條件下，施用氮肥對(duì)水稻的產(chǎn)量變化幅度影響較小，鎘對(duì)水稻生長的毒害作用并沒有體現(xiàn)出來。

表3 不同處理對(duì)水稻各部位鎘含量的影響

土壤中鎘的形態(tài)變化如圖3所示，可見外源鎘的添加增加了水稻土壤中可交換態(tài)鎘的含量。在鎘污染條件下，施用氮肥對(duì)各污染水平條件下土壤中鎘形態(tài)的變化趨勢影響較小。但污染土壤中鎘的形態(tài)變化趨勢與沒有污染土壤中鎘的形態(tài)變化趨勢不同，水稻收獲后，CK處理土壤中殘余態(tài)鎘的比重要大于其他處理。施用氮肥處理?xiàng)l件下， 中高度鎘污染水平(≥10 mg/kg)水稻收獲后土壤中殘余態(tài)鎘比重要大于低度鎘污染土壤。

3 討論

土壤中Cd的生物有效性受多種因素的影響，土壤中鎘含量、土壤pH值和氧化還原電位等都會(huì)影響植物對(duì)鎘的吸收。研究表明，施用氮肥能改變土壤中的理化性質(zhì)，明顯增加植物中重金屬的濃度[8]。本研究在水稻的生育后期，污染土壤的Eh值要低于沒有污染的土壤。選取不同水稻品種，根據(jù)GB 2762—2005《食品中污染物限量》對(duì)大米中Cd的限量標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2 mg/kg)，水稻土土壤總Cd含量臨界值分別為2.0、3.1 mg/kg，其中土壤中Cd含量是影響作物Cd吸收的主要因子[9]。絕大多數(shù)作物對(duì)Cd的吸收隨土壤中Cd濃度的升高而增加，作物體內(nèi)Cd濃度與土壤中總Cd含量和有效Cd含量都呈顯著正相關(guān)[10]。本研究中水稻根、莖、籽粒鎘含量隨土壤鎘濃度的增加而增加。大量研究認(rèn)為，低濃度重金屬對(duì)植物有積極的“刺激作用”，但這種刺激作用受到濃度的限制[11]。曾翔等報(bào)道，有些水稻品種在鎘處理濃度為10 mg/L時(shí)，處理組根系數(shù)量、最大根系長度和發(fā)芽率等指標(biāo)高于對(duì)照組，表明此處理濃度對(duì)種子的萌發(fā)具有促進(jìn)作用[12]。當(dāng)鎘濃度為3 mg/L時(shí)，植物發(fā)芽率顯著降低，根短、根少，根尖的顏色略呈紅褐色，對(duì)植物根系生長產(chǎn)生毒害作用[13]。水稻根系吸收土壤環(huán)境中的鎘并最終積累在稻米中，在鎘含量為 20 mg/kg 的土壤中，水稻根系的生長并沒有受到鎘的毒害作用。水稻收獲后，鎘吸收主要集中在根部。鎘濃度的增加使得蔬菜中的鎘濃度也增加，但差異性不顯著[14]。研究表明，水稻品種的鎘耐性與其吸收鎘相對(duì)較少或向地上部運(yùn)輸比例較低有關(guān)[15]。高鎘污染沒有提高水稻中鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。施入生物炭在中低鎘污染水平下，根際與非根際土壤中鎘形態(tài)變化趨于一致但鎘形態(tài)含量存在差異。在高鎘污染水平下，生物質(zhì)炭引起根際與非根際土壤中鎘形態(tài)變化但不顯著[16]。施用氮肥處理?xiàng)l件下，中高度污染水平(≥10 mg/kg)水稻收獲后土壤中殘余態(tài)鎘比重要大于低度污染土壤。

4 結(jié)論

施用氮肥在高鎘污染土壤中的Eh值在水稻生育期的變化要大于其他處理。鎘的吸收主要集中在水稻的根部。施用氮肥在中高度污染水平(≥10 mg/kg)水稻收獲后土壤中殘余態(tài)鎘比重要大于低度污染土壤。