凌爾仲,陳遠榮,密靜強,于 浩,王延俊
桂平富硒土地改良效果初步對比研究
凌爾仲,陳遠榮,密靜強,于 浩,王延俊
(桂林理工大學地球科學學院,廣西 桂林 541006)
桂平富硒土地中大量含有As、Cd、Pb等有毒有害元素,對于如何降低有毒有害元素含量和提高Se的利用率,成為了生態農業和土地改良中所關注的焦點。此次土地改良是使用石灰加有機肥相混合的方式,通過對桂平地區水稻、花生、火龍果等種植區土地改良前后的土壤和植物樣品進行分析,結果顯示:①改良后植物組織及果實中的Se含量均有所提高;②植物組織及果實對As、Cd、Pb的吸收量減少。As、Cd更多地被固定在土壤中,它們在土壤中的含量增加,而土壤中的Pb含量變化不大。這表明,桂平富硒土地通過改良能較好地提高硒的利用率,并為大規模富硒產業的培育提供技術保障。
富硒土地;有毒有害元素;土地改良;硒利用率;桂平
硒(Se)是維持生物細胞正常功能所必需的微量元素,具有抗氧化、提高人體免疫力、維持甲狀腺發揮正常作用、預防心血管疾病等諸多功能(H. Skrode et al.,2017)。缺硒會引起心肌壞死、萎縮、軟骨組織壞死、甲狀腺腫大等多種病癥(Ying, H et al.,2012)。Se元素是無法被人體自主合成的,人體本身需要硒的總含量約為15mg,為了維持硒的正常水平,就需要從食物中獲取(Smits, J.E et al.,2019),而絕大多數食物中的硒又是通過從土壤中遷移而來的。廣西桂平土地富硒,2013年至2017年,廣西地質調查研究院做了相關研究(柴龍飛等,2019;劉華應等,2020;蔣惠俏等,2020),顯示從大瑤山南部至貴港平南一帶土壤富含Se元素,土壤中的砷、鉛、鎘(As、Pb、Cd)等有毒有害元素含量較高或超標。由于農作物中的重金屬超標會使植物細胞的分裂和生長會受到抑制,降低某些酶的活性,影響其阻止蛋白質的合成,從而使農作物的生長發育受到抑制(詹翼達等,2019)。因此,在富硒土地資源開發利用的過程中,要保證富硒土壤能夠得到充分利用,還要避免土壤中因有毒有害元素含量過高而導致作物果實的限量指標超標,于是需對富硒土壤進行改良,這對于相關農業、種植業乃至養殖業的規模開發與利用均具有重要的現實意義。

表1 土壤Se含量等級劃分
資料來源于《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295-2016)
桂平位于廣西的中東部,地處潯郁平原核心地帶,黔江、郁江、潯江在城區交匯,北回歸線橫貫市境中部,市境地勢為南北兩端高,向中部平原傾斜,總體上山地丘陵較多,平地稍少。年平均氣溫21.6℃,年平均降雨量1682.6mm,年平均相對濕度79.4%,年平均日照時數1596h(廣西氣候中心,2007)。桂平市是廣西第一人口大縣,糧食作物播種面積和總產量位居廣西縣域第一,還是廣西最大的玉桂、荔枝、淮山和米粉等農副產品種植和加工基地,素有廣西“魚米之鄉”的美譽(郭映云等,2020)。
試驗區位于桂平市的石龍鎮、厚祿鄉和石咀鎮三地,在這三處試驗區里分別種植火龍果、水稻和花生。根據《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295-2016)制定的硒養分地球化學等級劃分標準(中華人民共和國國土資源部,2016),試驗區土壤中平均Se含量為0.74mg/kg,Se含量等級劃分為“高”(見表1),屬于富硒土地。但有毒有害元素As、Pb、Cd的含量較高或超標。改良前(2018年8月),花生的Pb含量超過了《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中規定的限量指標(中華人民共和國衛生部,2017)。水稻和花生的As含量較高,但未超過國家規定限量。火龍果因為當時(2018年8月)還沒結果,所以將2018年12月采摘的批次作為改良前的植物樣。
2.1.1 施加硒肥
富硒有機液體肥料Se含量約30%,有機質的含量20%,Fe、Zn、Mg等微量元素各占1%左右,其余為水溶液(林德恩,2018)。將肥料稀釋1/500后灑在土壤上翻土。按此方法配比的硒肥可以提高土壤的pH值,也利于植物的吸收。
2.1.2 施用農家肥
為了避免土壤中重金屬等有毒有害元素的污染,在土地改良中通常使用農家肥。相比化肥,農家肥中的有毒有害元素含量很低,且含有較多的有機物質,這些有機物質容易與重金屬元素結合而形成金屬硫化物沉淀(謝玉峰等,2020)。另外,農家有機質肥料可以提高土壤肥力,促進作物生長(Anshori等,2021)。
2.1.3 噴灑石灰水
Cd、Pb元素在酸性土壤中的含量高,噴灑石灰水可提高土壤pH值,降低土壤中的Cd、Pb元素含量;使重金屬形成沉淀,有效降低重金屬生物可利用性(董海霞等,2016;李光輝等,2021)。根據研究(黃柏豪等,2020),生石灰每季施用量1500~3000 kg/hm2范圍為佳。
2.1.4 生物修復法
生物修復法是在修復區中種植各種植物、引入蚯蚓、喂養家禽或放牧等方法來進行土地改良(董振潔等,2020;秦廣震等,2021;朱曉亞等,2020),如蚯蚓可改善土壤氧化條件。種植牧草,如寬葉雀稗、巴拉草、狗尾草、柱花草、木豆、三葉草的種植等可以提高土壤中的速效磷、速效氮、有機質含量和土地水涵養性,也可以降低As、Hg、Cr元素的含量(張俊鵬等,2007)。適當進行家禽的喂養和放牧可以消減草地群落的冗余程度,使土壤的養分循環加快,有利于土壤微生物的繁殖,促進土壤有機質、銨態氮和有效磷含量的增加(李燕等,2020;畢道杰,2018)。
圖1 桂平富硒土地采樣位置圖
試驗區土地改良方法及時間選擇如下:
嶺南地區土壤礦物成份風化,大量鉀、鈉等堿金屬及部分鈣、鎂離子流失,使土壤顯酸性。而在中國南方地區高氧化與酸-弱酸性的環境條件下,有利于重金屬的活化,使得As、Pb、Cd等有毒有害元素更容易遷移到植物軀干和果實中,從而引起植物中的機體組織和果實的有毒有害元素含量超標。對此,本次桂平富硒土地改良所采用的是熟石灰與有機肥相結合的方法。即將生石灰加水堆漚幾天變成熟石灰后,再與農家肥(主要為牛糞)按一定比例混合堆漚一星期,后在試驗區所種植物的揚花期,將其按一定的量施灑于植物根系周圍的土壤中。土壤酸堿度(pH值)對作物生長至關重要,直接影響到土壤養分的有效性和重金屬形態與活性(曾琴琴等,2019)。本次改良利用熟石灰pH值為12的強堿性,將土壤中的pH值由原來的酸-弱酸性調節為中性、弱堿性,后與OH-結合形成難溶的氫氧化物固定于土壤中,從而抑制As、Pb、Cd等有毒有害元素在土壤中的遷移性和生物有效性,減少其進入植物軀干和果實的量。同時,對人體健康有益高價態(正6價)硒離子在堿性條件下,易于在果實中富集,因而這種土壤改良方法對硒的利用是有益的。雖然石灰添加可能會導致土壤板結(胡雪芳等,2018)及鈣、鉀、鎂等營養元素平衡失調(矯威,2014),但將與有機肥混合調節后,則可消除弊端,同時提升土壤肥力。
改良時間選在植物生長的揚花期的原因是:這樣既可抑制As、Pb、Cd等有毒有害元素在植物揚花至果實形成階段進入植物果實的含量,又能減少石灰的用量,節約土壤改良的成本,從而提高經濟效益。
試驗采樣的地點位于廣西桂平市的石咀鎮、石龍鎮和厚祿鄉的峽口村三地,如圖1所示。采取樣品包括土樣和植物樣。
2018年8月,在試驗區采集土地改良前的原始樣品:①在石龍鎮公路邊取了3個土樣和1個植物樣。所采的土樣位于火龍果基地,該處土壤呈紅褐色,黏土,不含砂礫,無雜質,采樣深度約25cm,每個土樣重約600g;所采的植物樣為火龍果苗,同樣取自該處的火龍果基地。②在石咀鎮取了3個土樣和2個植物樣。所采的土樣位于花生種植基地,該處土壤呈灰褐色,黏性一般,含細砂,采樣深度10~15cm,每個土樣重約600g;所取的植物樣為當地村民已采的花生,將其分成花生仁和花生殼進行實驗分析。③在峽口村一帶取了3個土樣和2個植物樣。所采的土樣位于峽口村水稻種植基地,該處土壤呈灰褐色,黏性較強,不含砂礫,采樣深度20~25cm,每個土樣重約600g。于一水稻加工基地取得大米和糠作為植物樣。
后于2018年12月采集土地改良后的樣品:①在石龍鎮的火龍果基地取了改良后的2個土樣、2顆火龍果和2棵火龍果苗植物樣,土壤與8月份的相比,顏色、粒度、黏度變化不大,為紅褐色黏土。②在石咀鎮取了改良后的花生仁、花生殼植物樣各1個,土樣2個,土壤呈灰褐色,但較改良之前的顏色更淺,黏性一般,含細砂。③在峽口村取了改良后的原生大米、糠植物樣各1個,土樣2個,土壤為灰褐色黏土,不含砂礫,與改良前的顏色、粒度、黏度變化均不大。
土地改良前后在試驗區采樣情況如表2所示。

表2 試驗區采樣情況
樣品采集完成后,分析由桂林礦產地質研究院分析測試中心承擔,利用原子熒光光譜法(AFS)、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測試了土壤樣和植物樣的Se、As、Pb、Cd等元素的含量。各元素的分析方法見表3。

表3 樣品分析方法
(1)全Se含量對比結果:在土地改良后,石咀、峽口、石龍三地土壤全Se含量都較土地改良前有所提高,石咀花生種植區土壤全Se含量由0.33mg/kg提高到1.15mg/kg,增加了248%,Se含量等級由“適量”變至“高”(表1、表4);峽口水稻種植區土壤全Se含量由原先的0.42mg/kg提高到1.42mg/kg,增加了238%;石龍火龍果種植區的土壤全Se含量略有提高,由之前的1.46mg/kg提高到1.5mg/kg,增加了2.7%。根據三地Se的增加幅度,由大到小分別為:石咀>峽口>石龍。其中石咀、峽口兩地土壤Se含量有大幅度的提高,且增加幅度相近。究其原因可能是峽口和石咀種植區在植物揚花后施用了含硒的葉面肥,而石龍的火龍果種植區沒有施用。
在As、Pb、Cd三種有毒有害元素中,除了Pb在土壤中的含量變化不大以外,As、Cd在很大程度上被固定在土壤中,它們在土壤中的含量增加。在不同試驗區中增加的幅度不同。
(2)As含量對比結果:As是一種變價元素,具有與重金屬元素相似的化學性質,它可以以吸附、絡合等方式與土壤中的其他組分發生反應。本次的初步改良,As因為絡合作用,形成了難溶于水且難被植物吸收的臭蔥石形式而被固定在土壤中。通過對比發現,石咀、峽口、石龍三地土壤As含量較改良前都有不同幅度的增長。石咀As含量由233 mg/kg升高到530 mg/kg,增加了127%;峽口As含量由251.67 mg/kg升高到499mg/kg,增加了98%;石龍As含量由409.67 mg/kg升高到563.5mg/kg,增加了38%。土壤中As含量的增加,反應了As在土壤中的活性被抑制,遷移困難,植物對As的吸收量減少。

表4 采樣區改良前后土壤中各元素含量(mg/kg)
(3)Cd含量對比結果:土壤中Cd的含量較改良前也有所增長,但幅度小于As。石咀Cd含量由0.86 mg/kg升高到1.01mg/kg,增加了17%;峽口Cd含量由1.09mg/kg升高到1.33mg/kg,增加了22%;石龍Cd含量由1.0mg/kg升高到1.4mg/kg,增加了40%。與As相似,這反映了Cd在土壤中的活性受到抑制,其遷移到植物中的量減少。
(4)Pb含量對比結果:與As和Cd元素在土壤中的增加不同,Pb元素在土壤中的含量整體上變化不大,盡管略有減少,但幅度并不大。峽口Pb含量由284.33mg/kg降低到262mg/kg,減少了8%;石龍Pb含量由435mg/kg降低到406mg/kg,減少了7%;石咀的Pb含量升高了,由四個月前的102.33 mg/kg升高到113.5 mg/kg,增加了11%,增加的幅度不大。
對不同地區土地改良前后土壤中各元素含量的對比結果如表4、圖2所示。

圖2 改良后土壤樣中各元素增加幅度
(1)全Se含量對比結果:土地改良后,所有農作物的Se含量都升高。石咀花生殼中全Se含量由原來的0.11 mg/kg升高到0.14mg/kg,增加了27%;花生仁中全Se含量由原來的0.23 mg/kg升高到0.28mg/kg,增加了22%。石龍火龍果苗從0.58 mg/kg升高到0.68mg/kg,增加了17%。峽口大米從0.26 mg/kg升高到0.35mg/kg,增加了35%;糠從0.12mg/kg升高到0.21mg/kg,增加了75%。對比可知,雖然水稻和花生的全Se含量較少,但提升幅度較大。火龍果苗全Se含量最大,但提升幅度稍小。2018年12月采摘的火龍果為第一批次,故沒有對照組,其Se含量為0.70mg/kg。由表5可知,這些農作物果實(大米、花生仁、火龍果)具有很高的Se含量,根據《富硒含硒食品與相關產品硒含量標準》(DB61/T556-2018)(陜西省質量技術監督局,2018),它們可被用來加工成富硒食品。從作物的作物果實及果殼、苗等組織(花生、水稻、火龍果苗)來看,Se增加幅度由大到小分別為:水稻>花生>火龍果苗。三種有毒有害元素As、Pb、Cd在各農作物果實及幼苗中都有所減少,減少幅度不一。

表5 植物樣品中硒含量與富硒含硒食品硒含量標準的對比
資料來源于實驗室測量和《富硒含硒食品與相關產品硒含量標準》(DB61/T556-2018)
三種有毒有害元素As、Pb、Cd在各農作物果實及果苗中都有所減少,減少幅度不一。
(2)As含量對比結果:經過四個月改良后,石咀花生殼的As含量由改良前的0.13 mg/kg降低到改良后的0.11mg/kg,減少了15%;花生仁從0.09mg/kg降低到改良后的0.07mg/kg,減少了22%。峽口大米從0.14mg/kg降低到改良后的0.11mg/kg,減少了21%,其改良前后均未超過As限量(表6);糠從0.15mg/kg降低到改良后的0.12mg/kg,減少了20%。石龍火龍果苗As的平均含量由之前的0.11mg/kg降低到0.09mg/kg,減少了18%。改良前火龍果的As含量為0.13mg/kg。整體來看,火龍果苗、水稻和花生的As含量都降低,約為20%。相對來說,As的降低幅度由大到小分別為:花生>水稻>火龍果苗。

表6 植物樣品中砷含量與食品砷限量指標的對比
注:資料來源于實驗室測量和《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762-2017)

表7 植物樣品中鉛含量與食品鉛限量指標的對比
(3)Pb含量對比結果:石咀花生殼的Pb含量由改良前的0.21 mg/kg降低到改良后的0.13mg/kg,減少了38%;花生仁中的Pb含量則由0.31 mg/kg降低到0.12mg/kg,減少了61%。峽口大米中的Pb從0.04mg/kg降低到改良后的0.03mg/kg,減少了25%;糠從0.03mg/kg降低到改良后的0.01mg/kg,減少了67%。石龍火龍果苗中Pb的含量從0.12mg/kg降低到0.10mg/kg,減少了17%。由此可見,對于各植物中Pb含量都有所減少,其中花生仁和米糠的降幅最大。在這些作物果實及果殼、苗等組織中,Pb的降低幅度由大到小分別為:花生>水稻>火龍果苗,在土地改良后,雖然改良前的火龍果Pb含量超標,為0.14 mg/kg,但花生中的Pb含量已低于國家規定的Pb限量值(表7),對花生的改良效果最為明顯。

表8 植物樣品中鎘含量與食品鎘限量指標的對比
資料來源于實驗室測量和《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762-2017)
(4)Cd含量對比結果:石咀花生殼的Cd含量由改良前的0.15 mg/kg降低到改良后的0.12mg/kg,減少了20%;花生仁中的Cd含量由0.12 mg/kg降低到0.09mg/kg,減少了25%。峽口大米的Cd含量從0.15mg/kg降低到改良后的0.09mg/kg,減少了40%;糠從0.23mg/kg降低到改良后的0.10mg/kg,減少了57%。由表8可知,大米和花生仁的Cd含量都未超過國家規定的Cd限量值。石龍火龍果苗中的Cd含量從0.11mg/kg降低到0.09mg/kg,減少了18%。改良前火龍果Cd含量為0.12 mg/kg,超過國家規定的限量值。總體上,Cd的降低幅度由大到小分別為:水稻>花生>火龍果苗,對水稻的改良效果尤為明顯。
(5)由表9可知,在石龍火龍果中,雖然As、Pb、Cd含量均比改良前后火龍果苗的高,但根據改良后火龍果苗的As、Pb、Cd含量比改良前火龍果苗的低,推測之后生長出的火龍果中的有毒有害元素會低于這批次的火龍果(2018年12月)。值得作進一步的深入研究。

圖3 改良后植物樣中各元素增減幅度
采樣區土地改良前后植物樣中各元素含量的對比結果如表8、圖3所示。

表9 改良前后植物樣中各元素含量(mg/kg)
(1)經過土地改良后,有毒有害元素As、Cd、Pb形成難被植物吸收價態,其活性降低被固定在土壤中。Pb含量的變化不如As、Cd的明顯。
(2)在土地改良后的植物組織中,所有農作物的含Se量都有升高,其中花生仁和大米提高幅度尤為明顯。有毒有害元素As、Cd、Pb在花生、水稻、火龍果苗中都有所下降,其中花生仁中的Pb含量下降幅度較大;大米中的Cd含量下降幅度較大。
(3)在四個月時間內,雖然只做了第一階段的土壤改良試驗,但桂平富硒土壤改良已經取得了初步成效,為推廣試驗、深入研究提供了樣本和參考。建議今后加大試驗范圍、增加試驗的植物品種,并擴大試驗條件(包括試驗時間、石灰與有機肥用量)與試驗效果對比。
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A Preliminary Study of Improving Effect of Se-rich Soil in Guiping, Guangxi
LING Er-zhong CHEN Yuan-rong MI Jing-qiang YU Hao WANG Yan-jun
(School of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541006)
The Se-rich soil in Guiping, Guangxi is rich in poisonous and harmful elements such as As, Cd and Pb. It has become a focus in ecological agriculture to reduce the content of the poisonous and harmful elements and enhance the utilization ratio of Se. The method of soil improvement is to use lime-organic fertilizer mixture. The soil and plant samples in the rice, peanut, and pitaya growing areas before and after soil improvement in Guiping are analyzed, respectively. The results show that after soil improvement, content of Se in fruits and seedlings increases, while contents of As, Cd and Pb reduces which indicates that utilization ratio of Se increases.
Se-rich soil; poisonous and harmful elements; soil improvement; utilization ratio of Se; Guiping
P595;S153
A
1006-0995(2022)02 -0275-07
10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.019
2021-06-19
中國鋁業股份有限公司攻關課題“平果鋁土礦沉積型礦化成礦規律與找礦方法試驗及預測(gxzz201904)”資助
凌爾仲(1997-),男,廣西南丹人,碩士研究生,研究方向:地球化學
陳遠榮(1963-),男,廣西桂平人,博士,教授,研究方向:地球化學