土壤調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯降鎘效果研究

汪 丹，周 偉，王夢(mèng)園，張陽陽，余 慶,閆加力

(1.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院/湖北省富硒產(chǎn)業(yè)研究院，湖北 武漢 430034；2.湖北省硒生態(tài)環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)中心，湖北 武漢 430034；3.長江大學(xué)，湖北 荊州 434023)

1 引言

恩施地區(qū)硒資源集多樣性、豐富性于一身，是中國唯一的獨(dú)立硒礦產(chǎn)地，被國際組織譽(yù)為“世界硒都”。然而，大量調(diào)查表明，富硒地區(qū)土壤往往伴生重金屬鎘污染[1]，對(duì)土壤及農(nóng)作物產(chǎn)生危害，并在食物鏈的傳遞下對(duì)人類健康構(gòu)成潛在威脅。

目前，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，降低其在土壤中的遷移性和生物可利用性，對(duì)污染物進(jìn)行固定化，從可溶態(tài)或可交換態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶態(tài)是土壤重金屬污染的治理主要途徑之一[2]。有機(jī)質(zhì)、生物炭、含磷材料、黏土礦物以及含硅等鈍化劑等均已被證明能有效降低土壤中鎘的有效性，抑制植物對(duì)鎘的吸收[3]。葉俊文等[4]研究表明隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大，土壤中鎘的可交換態(tài)含量顯著降低。黃雁飛等[5]表明在鎘污染稻田土壤中施用生物炭，可有效降低水稻稻米對(duì)鎘的吸收量。趙艷玲[6]通過水稻栽培試驗(yàn)表明磷酸鹽顯著抑制水稻根系對(duì)鎘的吸收和向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，提高根際環(huán)境中磷酸鹽濃度，能抑制根際中鎘的生物有效性。近年來，利用黏土礦物對(duì)重金屬的吸附、配合、共沉淀等作用來降低重金屬在環(huán)境中的遷移性和生物有效性成為了研究熱點(diǎn)，黏土礦物在緩解重金屬對(duì)植物毒害作用極具應(yīng)用前景[7]。此外，還有學(xué)者表明硅鈣類材料也能緩解鎘對(duì)植物的毒害[8，9]。

恩施是湖北省最大的馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，也是湖北省實(shí)施馬鈴薯主食開發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)[10]。而恩施富硒高鎘土壤區(qū)占恩施面積的45.14%，面積約為10878.74 km2[11]，在高鎘地區(qū)生產(chǎn)出質(zhì)量安全的馬鈴薯具有十分重大的意義。土壤質(zhì)地、pH值、有機(jī)質(zhì)含量等均能影響土壤中鎘的存在形態(tài)。因此，本文選取有機(jī)質(zhì)、生物炭、含磷材料、硅鈣材料和黏土礦物等鈍化劑，通過不同組合與配比形成9種土壤調(diào)理劑，同時(shí)采集恩施高鎘土壤開展馬鈴薯盆栽試驗(yàn)，研究不同調(diào)理劑對(duì)土壤中鎘的形態(tài)變化影響以及對(duì)馬鈴薯鎘含量的影響。以期為解決恩施富硒鎘污染土壤可持續(xù)利用和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

供試土壤：恩施新塘鄉(xiāng)麻柳洞村(N 30.2671°，E 109.7760°)富硒高鎘區(qū)旱地表層耕作土壤(0～20 cm)。土壤pH值7.74；水解性氮含量為316 mg/kg，有效磷含量為25 mg/kg，速效鉀含量為137 mg/kg；鎘含量高達(dá)21.8 mg/kg，超過中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》GB15618-2018所規(guī)定的鎘含量風(fēng)險(xiǎn)值(0.6 mg/kg)35倍；有效鎘含量達(dá)到12.20 mg/kg。

供試作物：恩施州地理標(biāo)志產(chǎn)品“馬爾科”小土豆。

供試土壤調(diào)理劑：9種供試土壤調(diào)理劑由有機(jī)質(zhì)(菜籽粕(RSM)、小麥秸稈生物炭(WSB)和稻殼生物炭(RHB))、含磷材料(鈣鎂磷肥(CAS)、過磷酸鈣(SSP)和硅鈣鉀鎂肥(FCSMP))、黏土礦物(海泡石(MMS)、凹凸棒石(ATP)和蛭石(VMT))以及硅鈣類材料(硅肥(SF)和貝殼粉(MOP))按照不同組合和比例混合而成(表1)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

馬鈴薯盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)10個(gè)處理，其中CK為空白對(duì)照組，T1～T9為添加不同土壤調(diào)理劑試驗(yàn)組，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，總計(jì)50個(gè)盆栽，各處理土壤調(diào)理劑添加量見表1。

表1 馬鈴薯盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在盆栽試驗(yàn)開展之前，將供試土壤風(fēng)干，過2 mm篩，準(zhǔn)確稱量土壤與鈍化材料混合均勻裝進(jìn)花盆，每盆用土10 kg，每盆種植馬鈴薯2株。盆栽試驗(yàn)全程都在網(wǎng)棚中進(jìn)行，保持通風(fēng)與足夠的光照，試驗(yàn)期間定期澆水，根據(jù)作物生長期的需水量維持適宜的持水率。馬鈴薯于2021年9月7日播種，2021年12月27日收獲。

2.3 測(cè)定指標(biāo)及分析方法

成熟期采集馬鈴薯及根系土樣品，利用原子熒光光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)試馬鈴薯與土壤中鎘含量；利用七步提取法提取土壤中鎘形態(tài)；土壤pH值采樣《土壤pH的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定；利用葉綠素測(cè)定儀測(cè)試馬鈴薯植株葉片葉綠素含量。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Origin Pro 9.1軟件進(jìn)行圖件繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 調(diào)理劑對(duì)土壤pH值的影響

土壤pH值是影響鎘可交換態(tài)含量的重要因素，pH值升高，可以增強(qiáng)土壤膠體和黏粒對(duì)重金屬離子的吸附，使其生成重金屬的沉淀，從而抑制了土壤中重金屬元素向農(nóng)作物體內(nèi)遷移[12]。不同調(diào)理劑施用對(duì)土壤pH值的影響如圖1所示。與空白對(duì)照CK相比，T1～T9試驗(yàn)組均能提高土壤pH值，提升幅度1.72%～10.00%，pH提升排序?yàn)門6>T8>T9>T4>T1>T7>T5>T3>T2。T6試驗(yàn)組效果最為顯著，主要是由于T6試驗(yàn)組施用了濃度較高的小麥秸稈生物炭，生物炭具有堿性特征[13]，能有效提高土壤的pH值；而貝殼粉作為堿性鈍化劑，具有較高的pH值，也能起到提高土壤pH值的作用。

圖1 不同調(diào)理劑施用對(duì)土壤pH值的影響

3.2 調(diào)理劑對(duì)土壤鎘形態(tài)的影響

恩施高鎘地區(qū)表層耕地土壤鎘的形態(tài)中離子交換態(tài)、碳酸鹽巖結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)占比較大，其次為鐵錳結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)以及水溶態(tài)(圖2)。由于水溶態(tài)和離子交換態(tài)總和為可交換態(tài)，容易發(fā)生轉(zhuǎn)化和遷移，容易被農(nóng)作物吸收利用，對(duì)農(nóng)作物的危害最大[14]；而碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)和鐵錳結(jié)合態(tài)，根據(jù)環(huán)境的變化可能被二次釋放，對(duì)作物存在潛在危害，可見恩施高鎘地區(qū)種植旱地土作物存在較大的鎘污染風(fēng)險(xiǎn)[15]。

不同調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯根系土中鎘的形態(tài)影響如圖2所示。土壤調(diào)理劑施用后，相對(duì)于原始土壤(圖3)土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cd依舊占據(jù)最大比例。相對(duì)于空白對(duì)照CK，T1～T9試驗(yàn)組可交換態(tài)鎘的含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降幅度2.82%～13.60%，尤其是BT4～BT8試驗(yàn)組下降幅度均大于10%。另一方面，部分調(diào)理劑如T1、T3、T8的施用還促進(jìn)了土壤中的鎘向農(nóng)作物不可利用的強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變。總體而言，所有添加土壤調(diào)理劑的試驗(yàn)組均能降低土壤中Cd的生物可利用性。

圖2 原始土壤中鎘的不同形態(tài)占比

圖3 不同調(diào)理劑施用對(duì)土壤鎘的形態(tài)影響

3.3 調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯鎘含量的影響

不同土壤調(diào)理劑施用后馬鈴薯中鎘含量如圖4所示，相對(duì)于空白對(duì)照組CK，T1～T9試驗(yàn)組馬鈴薯中鎘含量均呈下降趨勢(shì)，從0.42 mg/kg最低下降至最低0.15 mg/kg，下降幅度達(dá)到0.48%～65.00%。調(diào)理劑降鎘效果排序?yàn)門7>T9>T8>T1>T2>T4>T6>T3>T5。主要是由于土壤調(diào)理劑的添加，升高了土壤pH值，降低了土壤中鎘的生物有效性；增強(qiáng)了對(duì)土壤中的鎘的吸附作用，減少了可供農(nóng)作物吸收的有效鎘總量?？傮w而言添加蛭石試驗(yàn)組(T7～T9)降鎘效果優(yōu)于T1～T6試驗(yàn)組，尤其以T7試驗(yàn)組降鎘效果最佳，主要是由于一部分以離子交換形式進(jìn)入到蛭石內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，一部分因蛭石表面帶負(fù)電荷，而被吸附于其表面，使土壤中交換態(tài)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘含量下降，大大降低了鎘的活性，顯著抑制了鎘對(duì)植物生長的影響。

圖4 不同調(diào)理劑施用對(duì)馬鈴薯鎘含量的影響

3.4 調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯植株葉綠素和株高影響

葉綠素是光合作用能力和植被發(fā)育階段的指示器，是監(jiān)測(cè)濕地植被生長健康狀況的重要指標(biāo)之一。不同調(diào)理劑施用對(duì)馬鈴薯葉片葉綠素對(duì)影響如圖5所示，T1～T9試驗(yàn)組植株葉綠素相對(duì)于CK空白對(duì)照組，均呈現(xiàn)增高趨勢(shì)，增加程度3.42%～11.80%?？梢娡寥勒{(diào)理劑的施用，降低了土壤中鎘對(duì)馬鈴薯的脅迫，植株生長抑制得到緩解。

圖5 不同調(diào)理劑施用對(duì)馬鈴薯葉片葉綠素對(duì)影響

不同土壤調(diào)理劑施用對(duì)馬鈴薯植株株高的影響如圖6所示，結(jié)果表明，無論是苗期還是成熟期，T1～T9添加土壤調(diào)理劑的試驗(yàn)組植株株高均高于CK空白對(duì)照組。T4、T5、T6試驗(yàn)組株高增長趨勢(shì)顯著，主要是由于其土壤調(diào)理劑成分相對(duì)于其他6個(gè)試驗(yàn)組增加了貝殼粉，而貝殼粉中含有大量的鈣、磷、錳、鋅、銅、鐵、鉀、鎂等微量元素，促進(jìn)了馬鈴薯植株的生長。

圖6 不同土壤調(diào)理劑施用對(duì)馬鈴薯苗期和成熟期植株株高的影響

4 結(jié)論

本文供試9種土壤調(diào)理劑的添加，均能有效提高土壤pH值，降低土壤中鎘的生物有效性，以及馬鈴薯中鎘的含量，同時(shí)緩解了鎘對(duì)馬鈴薯的脅迫，促進(jìn)了植株的生長。主要是由于土壤調(diào)理劑原料中菜籽粕對(duì)鎘有較好的吸附能力[16]，并且可以提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，進(jìn)一步降低土壤中可交換態(tài)鎘的含量；生物炭的添加可以增加金屬陽離子和生物炭衍生質(zhì)子之間的靜電相互作用和離子交換作用，促使可交換態(tài)鎘轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)結(jié)合態(tài)等植物不易吸收的形態(tài)，從而降低土壤中鎘的有效性[17]，同時(shí)還能有效提高土壤pH值，降低鎘的活性；含磷材料的添加可以產(chǎn)生PO43-、HPO42-、H2PO4-，與重金屬生成Cd5(PO4)3OH、Cd5(PO4)3Cl等難溶的沉淀物，進(jìn)而有效降低土壤中可溶態(tài)鎘的含量[18]；黏土礦物由于其較大的比表面積和很強(qiáng)的吸附性能，能將土壤中可溶性鎘元素吸附在其表面或?qū)⒂坞x態(tài)鎘固定在礦物的層間結(jié)構(gòu)中；硅肥的施用可以緩解重金屬對(duì)農(nóng)作物的毒害作用；貝殼粉的添加抑制的鎘的活性，并且可以增加植物的生物量[19]，還可以提高土壤pH值，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量?？傮w而言，本文研究的由有機(jī)質(zhì)、生物炭、含磷材料、黏土礦物以及硅鈣材料等鈍化劑根據(jù)不同配比混合而成的9種土壤調(diào)理劑能有效降低馬鈴薯中鎘的含量，以T7調(diào)理劑效果最佳，可以在恩施高鎘地區(qū)進(jìn)行推廣。