施肥與填閑種植籽粒莧對油麥菜Cd和土壤Cd的影響

谷佳林，蘇世鳴，陳延華，趙同科，魏丹，杜連鳳，鄒國元*

（1.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京100097；2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081）

鎘（Cd）是一種毒性較強的重金屬，土壤中有效態Cd 可被作物吸收進而通過食物鏈進入人體，危害人類健康[1-3]。近年來，由于污灌、糞肥、農用化學物質的不合理施用以及工業“三廢”的排放，中國耕地土壤Cd污染形勢日益嚴峻[4]，全國土壤污染狀況調查公報顯示，土壤Cd 點位超標率達到7.0%[5]。尤其菜地重金屬污染問題日益凸顯，曾希柏等[6]研究結果表明，按照《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）中的Ⅱ級標準來衡量，全國約24.1% 的菜地樣本Cd 含量超標。大量的研究表明，肥料的施用是土壤中Cd 的主要來源之一，而且不同肥料及不同的施肥措施對土壤和作物中Cd 含量的影響也不相同[7-8]。目前對于Cd 污染土壤的調控、修復方面的研究多集中于利用改土、電化、淋溶[9-11]、鈍化絡合[12-13]等工程修復以及通過植物、微生物、動物等生物修復[14-15]，而關于利用農藝措施阻控Cd 污染土壤方面的研究相對較少，僅有的報道也主要是研究施肥量對于Cd輸入輸出平衡的影響，針對肥料品種及其如何搭配的研究較少，研究對象也多集中于水稻、玉米[16]等糧食作物。油麥菜是市場常見的葉類蔬菜，在我國廣泛種植。但以油麥菜為代表的設施葉類蔬菜由于生長周期短，一年可重復種植多茬，而且施肥量普遍較高，相比其他蔬菜，葉菜對Cd 的吸收和富集能力更強，不合理的施肥可以造成其品質下降[17]和Cd 污染風險[18-19]。有研究表明籽粒莧具有生物量大、生長速度快、對Cd吸收能力強的特點，可用于防控土壤Cd 累積[20]。本文通過在高含量Cd 的設施土壤上連續進行2 年4 茬的油麥菜栽培試驗，研究不同施肥并結合填閑種植籽粒莧對油麥菜產量、Cd 吸收及土壤中Cd 含量的影響，分析評價上述農藝措施對阻控Cd 污染的作用，為輕度污染土壤上葉類蔬菜科學施肥及安全生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區情況

試驗于2017年3月至2018年10月在河北省青縣李營村北大棚（116°45′38.10″ E，38°31′53.11″ N）進行，試驗對象為油麥菜，土壤為潮土，試驗開始前對試驗地土壤情況進行取樣分析，理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗共設6 個處理：羊糞處理、雞糞處理、化肥處理、羊糞+化肥處理、雞糞+化肥處理、不施肥處理。各處理施氮量均為144 kg·hm-2。羊糞處理、化肥處理、雞糞+化肥處理、羊糞+化肥處理P2O5和K2O 的用量分別為90 kg·hm-2和90 kg·hm-2。試驗所用羊糞含氮（N）0.8%、磷（P2O5）0.5%、鉀（K2O）0.5%，pH 9.22；雞糞含氮（N）1.6%、磷（P2O5）1.5%、鉀（K2O）0.85%，pH 7.86。磷酸二銨Cd 含量為0.59 mg·kg-1，羊糞Cd 含量為0.18 mg·kg-1，雞糞Cd含量為0.25 mg·kg-1。化肥為尿素、磷酸氫二銨、硫酸鉀。試驗采用單因素隨機區組設計，每個處理3次重復，小區面積為7.0 m×2.1 m。油麥菜每年種植兩茬，2017 年4 月1 日定植油麥菜小苗，5 月8 日采收，9 月7 日定植小苗，10 月25 日采收。2018 年4 月5 日定植油麥菜小苗，5 月18 日采收，9 月5 日定植小苗，10 月25 日采收。2017 年5 月25 日至8月25日，2018年5月25日至8月30日種植籽粒莧，種植方式為種子條播，采收時將地上植株移出試驗地。籽粒莧種植期間不施肥，每茬油麥菜定植前肥料采用表面撒施然后旋耕15 cm。表2 為各處理代號及每茬施肥量。

1.3 測定項目與方法

產量測定：收獲時，按小區收割測產量。

植株樣品測定：Cd 含量采用HNO3-HClO4消解，石墨爐原子吸收光譜法（GB 5009.15—2014）測定。

土樣測定：pH 采用電位法（水∶土＝2.5∶1）；有機質含量采用重鉻酸鉀法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用乙酸銨提取-火焰分光光度法[21]測定。土壤有效態Cd 采用DTPA 浸提石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 23739—2009）測定；土壤全Cd 采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全消解石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997）測定。

1.4 數據處理

試驗數據應用Microsoft Excel 2016 計算和作圖，應用SPSS 17.0進行數據分析。

表1 試驗地土壤理化性質Table 1 Physicochemical properties of studied soil

表2 施肥量及處理代號（kg·hm-2）Table 2 Schemes of nitrogen，phosphorus and potassium application of the treatments（kg·hm-2）

2 結果與討論

2.1 不同施肥對油麥菜產量的影響

連續2 年4 茬的試驗數據表明，各施肥處理的油麥菜產量均顯著高于CK 處理（圖1），說明試驗地施肥可以提高油麥菜的產量，而且各處理產量差異表現出一致的規律性。CK、JF、YF、JF+HF、YF+HF和HF處理4 茬油麥菜的平均產量分別為：4 690.97、7 461.94、7 398.65、8 413.14、8 133.40 kg · hm-2和7 321.27 kg·hm-2。JF+HF處理和YF+HF處理每茬的產量均顯著高于其他施肥處理，表明采用有機肥料和無機肥料配合施用的方式有利于油麥菜植株的生長，能顯著提高產量。JF、YF和HF處理間產量無顯著性差異。

2.2 不同施肥對油麥菜植株Cd含量的影響

各處理的油麥菜植株中Cd 的含量范圍在0.018～0.035 mg·kg-1（表3），均未超過《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）對葉菜限定的標準值0.2 mg·kg-1，表明試驗所采用施肥量及施肥模式可以滿足油麥菜的安全質量。但連續4 茬各處理間植株中的Cd 含量存在差異，其中2017 年第2 茬至2018年第2茬，連續3茬CK處理和HF處理的植株Cd含量顯著高于其他處理，這與CK 處理生物量顯著低于其他處理，植株吸收重金屬元素的生物稀釋作用不足導致單位質量Cd 濃度相對增加有關，進而表明合理施肥可以增加生物量，降低植株Cd 的含量。這與前人研究結果[22-25]類似。本試驗中所施用的肥料中雞糞、羊糞和磷酸二銨含有Cd，JF、YF、HF、JF+HF、YF+HF 處理每茬Cd 輸入量分別是2 250.00、3 240.00、126.56、1 155.98 mg·hm-2和1 682.84 mg·hm-2。從Cd 輸入量來看，HF 處理最少，但第2 茬至第4 茬HF 處理植株中Cd 含量均顯著高于其他處理，表明化肥的施用可促進植株對Cd 吸收，這與化肥的施入對Cd形態轉化特征產生了影響有關[26-28]，而且有研究表明有機肥的施入可以降低植株Cd 含量[29]。值得注意的是各處理植株Cd 含量均呈現小幅度下降的趨勢。

圖1 不同施肥對油麥菜的產量的影響Figure 1 The yield of lettuce under different fertilization treatments

表3 不同施肥處理油麥菜植株Cd含量（mg·kg-1）Table 3 Effect of different fertilizer treatment on the Cd content of lettuce（mg·kg-1）

2.3 各處理籽粒莧Cd吸收情況

由表4 數據可以看出，同一茬籽粒莧各施肥處理生物產量無顯著差異，但均顯著高于CK 處理。由于2017年各處理籽粒莧生物產量均高于其2018年的生物產量，且兩茬籽粒莧植株Cd 含量變化不大，導致2017 年籽粒莧植株吸收Cd 的量均高于2018 年。兩茬籽粒莧植株吸收Cd 最多的均為YF 處理。由于是大棚內種植，栽培前未施用肥料，只進行灌溉，因此本試驗中籽粒莧的生物產量不高，植株Cd 含量在0.10～0.12 mg·kg-1，處于較低水平，均符合《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）要求，可作為飼料加以利用。各處理累計吸收Cd 量為11 668.81～15 800.39 mg·hm-2。

2.4 不同施肥對土壤全Cd和有效態Cd含量的影響

表5為2018年第2茬油麥菜采收后0～30 cm土壤Cd 的含量。數據表明，各處理土壤中的總Cd 含量為0.50～0.53 mg·kg-1，且各處理間未達到顯著性差異。但HF處理土壤的有效態Cd含量顯著高于其他處理。雖然有研究表明pH 與土壤有效態Cd 呈負相關性[6，30-31]，但本試驗中，HF 處理的pH 顯著低于其他處理，與試驗開始前土壤pH 7.90相比，并不是因為化肥的施用導致土壤pH 的降低，而是因為有機肥的施用導致了土壤pH 的升高，從而降低了土壤有效態Cd含量，進而減少了植株的吸收量，這與表3 數據也相吻合。從第2 茬開始，HF 處理油麥菜植株Cd 含量顯著高于其他施肥處理，再次表明植株Cd 含量與土壤有效態Cd 含量的相關性。本研究數據表明，施肥會對土壤中有效態Cd的含量產生影響。

土壤Cd的輸入和累積主要是由化肥（磷肥）和有機肥（糞肥）引起，但進入土壤的Cd 能否進入食物鏈主要取決于有效態Cd的量。有機肥可通過提升土壤有機質或有效磷從而降低金屬活性[32]。但也有研究認為有機肥中的酸性物質會通過改變土壤表面電荷性質從而活化Cd 離子，甚至會活化過氧化物（Fe、Al），使其固定的Cd 釋放出來，從而提高Cd 在土壤中有效態的比例。化肥也可通過產生結合位點或改變金屬形態的方式降低Cd 的有效性[33]，但其過量使用也會導致土壤酸化，增加Cd 活性[30]。本研究中，有機肥的施入導致了土壤的pH 升高，與HF 處理相比，其土壤中有效態Cd含量顯著降低，但HF處理土壤中的有效態Cd含量與基礎土樣中數據相比并無增加。因此，不能片面地強調有機肥或化肥對土壤有效態Cd的單一影響，應尋求將兩者有機結合的施肥模式，確定最佳的配比，發揮不同肥料的優點，最低限度地降低土壤有效態Cd 含量和植物對其的吸收，這方面的研究還需深入進行。

表5 土壤總Cd和有效態Cd含量Table 5 The total Cd and available Cd of soil in different treatments

表4 各處理籽粒莧產量及Cd吸收量Table 4 Yield and cadmium uptake of Amaranthus hypochondriacus in different treatments

2.5 不同施肥及填閑種植籽粒莧對土壤Cd 輸入輸出的影響

由于肥料Cd 含量及施用量的不同，各處理因肥料的施用所帶入土壤中的Cd 含量相差較大，其中YF處理最高，4 次施肥累計達到12 960 mg·hm-2，而HF處理施用的磷肥（磷酸二銨）Cd 含量為0.59 mg·kg-1，高于雞糞和羊糞的0.25 mg·kg-1和0.18 mg·kg-1，但其施用量低，因此隨肥料帶入土壤中的Cd 量顯著低于施用了雞糞或羊糞的處理，僅為506.22 mg·hm-2。由于化肥的施入，土壤pH低于其他處理，土壤中有效態Cd 含量相對較高（表5），油麥菜植株中Cd 含量較高（表3），因此HF 處理隨油麥菜植株帶出的Cd 含量最高，為924.86 mg·hm-2。本試驗過程中如果不進行填閑種植籽粒莧，各施肥處理中只有HF處理Cd的輸入輸出呈負增長，其他施肥處理都會隨著肥料的逐年施用而導致土壤中的Cd 逐年累積增加。從土壤中Cd的凈增長量數據看（表6），由于進行了填閑籽粒莧種植，被籽粒莧植株帶出的Cd量較高，導致各施肥處理均呈現出Cd 凈減少，表明填閑種植籽粒莧可以有效防控因肥料施用而導致土壤Cd累積的風險。由于試驗地為大棚，灌溉用水為地下水，因此土壤中Cd的來源主要是肥料的帶入，本試驗所得數據表明，化肥的施用不會導致土壤中Cd 的增加，而有機肥料的不合理施用會導致土壤Cd 增加，這與李本銀等[34]和李傳哲等[35]的研究結論一致。雖然試驗過程中連續兩年種植籽粒莧各施肥處理土壤Cd 均呈負增長（減少量為3 400.11～16 219.03 mg·hm-2），但與土壤耕層中Cd的總量（0～20 cm 耕層Cd 總量約為2 311 155 mg·hm-2）相比數量較小。如果按照試驗中的速率，需要86.36～411.96 年才能使土壤中Cd 的含量降到0.3 mg·kg-1以下，因此利用填閑種植籽粒莧并不適用于Cd污染土壤的修復治理，其更大的作用是確保隨著連年的耕種，土壤中的Cd不會逐年增加累積，甚至降低。本試驗所在地塊的土壤Cd 含量為0.55 mg·kg-1，在pH＞7.5的情況下雖然沒有超過《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中0.6 mg·kg-1的限定標準，但已經超過了《溫室蔬菜產地環境質量評價標準》（HJ 333—2006）中0.4 mg·kg-1的限定標準，因此該土壤屬于高危土壤。在我國，這種處于超標邊緣的菜地數量可觀，如果長期采取不合理的施肥和種植措施，隨著連年的Cd輸入正增長，土壤Cd 存在超標的風險。本試驗通過填閑種植籽粒莧來吸收土壤中的Cd，實現了各處理土壤Cd的負增長。因此，對于處于超標邊緣的土壤，雖然不能用填閑種植籽粒莧的方式短時間降低土壤中的Cd含量，但可以通過合理施肥、填閑種植等簡單的農藝措施，既保證經濟效益的同時又不因肥料的投入而導致土壤中的Cd含量增加。連續兩年4 茬的試驗雖然已經顯現方法可行，但仍需要長期的定位試驗研究加以驗證，尤其是對土壤中總Cd含量及有效態Cd變化的跟蹤監測。

表6 不同施肥處理對土壤Cd輸入輸出的影響（mg·hm-2）Table 6 Effects of different fertilization treatments on input and output of total Cd in soil（mg·hm-2）

3 結論

（1）本試驗條件下，有機和無機肥料按照質量比1∶1 配施，可以顯著提高油麥菜的產量。采用雞糞與化肥按照1∶1的比例配施是推薦的施肥方案。

（2）施用化肥不會導致土壤中總Cd 的增加，而有機肥料的不合理施用是土壤Cd 增加的主要因素。

（3）在油麥菜種植過程中，填閑種植籽粒莧可有效防控因肥料施用而導致的土壤Cd累積風險。油麥菜植株和籽粒莧植株的Cd 含量均未超過《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中對葉菜限定的標準值，是一種可行的種植模式。