不同土壤調理劑對生菜產量及重金屬累積的影響

劉海萍, 楊 陽, 賈 聰, 尹 嬌, 劉鑫祖, 胡浪浪, 肖植特, 王勁松

(1.云南省土壤肥料工作站 云南昆明 650034; 2.宜良縣農業農村局 云南昆明 652100;3.云南云測農化科技發展有限公司 云南昆明 650000;4.曲靖市土壤肥料工作站 云南曲靖 655000)

近年來,由于工業的快速發展、農業污水灌溉和化肥的過量施用[1],農田土壤的重金屬污染已經成為威脅土壤環境質量的主要問題之一[2]。據統計,我國約有19.4%的農田土壤重金屬含量超標,主要污染元素為鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、銅(Cu)和鉛(Pb)[3]。土壤重金屬污染不僅會影響土壤質量與作物產量,還能通過食物鏈危害人體健康。隨著物質生活水平的提高,人們對健康問題越來越關注,土壤質量和蔬菜品質的提升已成為重要的研究方向。

設施土壤是我國城郊典型的商業化旱耕土,由于重金屬累積程度逐年加深,引起設施土壤生產力逐年下降和生態環境破壞,導致農產品品質和經濟效益也逐漸降低。因此,改善設施土壤重金屬污染和環境健康狀況,對提高城郊區生態環境功能和設施農業經濟效益具有重要的現實意義[4]。

農田土壤重金屬污染的治理措施主要包括工程修復、化學修復、生態修復和生物修復等[5]。多數土壤調理劑是由化學和生物修復技術相結合的產品,具有成本低廉、效果顯著和見效快等優點,目前已成為市場上土壤調理與修復的熱門產品。將土壤調理劑運用于設施土壤中重金屬累積較多的區域,對蔬菜產量提升和品質改善有較好的作用[6]。運用生物技術和化學方法將土壤微生物技術與肥料施用有效結合,再通過鈍化修復和農藝調控等措施[7-8],可達到降低土壤重金屬有效性、抑制作物對重金屬吸收的目的。

農業生產中將含硅、鈣和鎂等物質添加到土壤調理劑產品中,能有效起到鈍化作用,減少土壤重金屬向地上部的轉運量,起到區室化阻隔的作用[9-10]。將含磷肥料運用到農田土壤的重金屬污染修復中已經取得很好的成效[11],有研究表明施用磷肥后,可以減少Cd在植物木質部的長距離輸送,植物地上部分Cd含量降低[12]。土壤中的磷可以與有效態Pb生成沉淀,運用磷酸鹽材料修復土壤中有效態Pb,也是導致作物Pb含量減少的重要原因[13]。鑒于此,云南優土農化科技有限公司通過添加改良土壤的功能微生物菌劑和硅、鈣、鎂等化學元素,研制了一批土壤調理劑。本文擬探討在城郊蔬菜連續種植區域且重金屬含量高的土壤中,施用不同土壤調理劑后種植的生菜對土壤重金屬吸收累積的情況,篩選能有效抑制生菜吸收重金屬的土壤調理劑,以期為大面積推廣該土壤調理劑提供理論指導與技術支撐,同時為類似區域控制土壤重金屬污染、提高蔬菜品質及經濟效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2021年在云南省昆明市某蔬菜種植基地進行,試驗點海拔1 512 m,年平均降雨量1 175 mm,年平均積溫22 ℃,試驗區地勢平坦。供試土壤為水稻土,質地為壤土,土壤肥力中上等。供試土壤基本理化性狀:pH為6.04,w(有機質)為20.20 g/kg,w(全氮)為1.22 g/kg,w(全磷)為1.11 g/kg,w(全鉀)為13.80 g/kg。

供試肥料:有機肥料,云南保山山田生物有機肥有限公司;尿素,云南云天化股份有限公司;鈣鎂磷肥,云南福貴磷化工有限公司;硫酸鉀,云南綠之源肥業有限公司。供試肥料的基本理化性狀見表1。

表1 供試肥料的基本理化性狀

供試作物:生菜,品種為當地主栽的意大利生菜。

供試土壤調理劑:云南優土農化科技有限公司生產的土壤調理劑1號、2號、3號、4號和5號產品,5個產品中硅、鈣、鉀、鎂、磷和枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等微生物菌的配比不同,其養分含量見表2。

表2 供試土壤調理劑養分含量

1.2 試驗設計

為研究不同土壤調理劑施用后生菜產量及對土壤重金屬吸收累積的情況,試驗設6個處理:對照(CK),常規施肥;C1,常規施肥+1號土壤調理劑;C2,常規施肥+2號土壤調理劑;C3,常規施肥+3號土壤調理劑;C4,常規施肥+4號土壤調理劑;C5,常規施肥+5號土壤調理劑。每個處理設3次重復,小區面積20 m2,各小區隨機排列。

常規施肥的化肥施用量按照N∶P2O5∶K2O為12∶8∶10的配比進行,分基肥和追肥施用。基肥施用量為有機肥800 kg/畝(1畝=667 m2)、尿素13.11 kg/畝、鈣鎂磷肥44.44 kg/畝和硫酸鉀13.24 kg/畝。追肥分兩次進行,第1次于生菜移栽成活一周后追施尿素和硫酸鉀,施用量為尿素15.00 kg/畝和硫酸鉀2.00 kg/畝;第2次于生菜蓮座期追施尿素和硫酸鉀,施用量為尿素15.00 kg/畝和硫酸鉀4.00 kg/畝。土壤調理劑產品全部按照試驗方案作基肥一次性施入,施用量均為150 kg/畝。

1.3 樣品采集與分析

在試驗收獲前,各小區取生菜地上部分植株樣進行測試。生菜中Cd、Cr、Pb、As的含量按照《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中的方法進行測定,小區測產采用全部實收測產方式進行,測產前記錄生菜的株高、冠徑等生物學性狀指標數據。

1.4 數據統計分析

試驗結果均為3次重復的平均值。采用軟件Excel 2016和全國農業技術推廣服務中心3414田間試驗設計與數據分析管理系統對試驗數據進行統計分析,選取最小顯著差異法(LSD)進行多重比較,差異顯著性水平設為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 不同土壤調理劑處理對生菜生物學性狀和產量的影響

施用不同土壤調理劑后,對生菜的株高、冠徑和產量的影響見表3。

表3 不同土壤調理劑處理的生菜生物學性狀和產量

從表3中株高的數據看:不同土壤調理劑處理的生菜株高與CK處理的相比,均有不同程度的增加,具體表現為C5>C4>C2>C1>C3>CK,C1、C2、C3、C4和C5處理分別比CK處理增加4.60%、7.60%、2.28%、8.14%和9.70%;C3處理的株高與CK處理的相比差異不顯著,其他處理的差異均達到顯著水平。

從表3中冠徑的數據看:不同土壤調理劑處理的冠徑與CK處理的相比均有不同程度的變化,具體表現為C5>C2>C4>C1>CK>C3,C1、C2、C3、C4和C5處理分別比CK處理增加2.40%、6.59%、-2.43%、6.48%和9.40%;C1、C3處理的冠徑與CK處理的相比差異不顯著,其他處理的差異均達到顯著水平。

從表3中小區實收測產的數據看:不同土壤調理劑處理的小區產量與CK處理的相比均有不同程度的增加,具體表現為C5>C2>C4>C1>C3>CK,C1、C2、C3、C4和C5處理分別比CK處理增加2.33%、6.85%、0.48%、6.64%和9.78%;C1、C3處理的小區產量與CK處理的相比差異不顯著,其他處理的差異均達到顯著水平。

2.2 不同土壤調理劑處理對生菜地上部分重金屬累積的影響

2.2.1 生菜地上部分Cd含量

從圖1可以看出:施用不同土壤調理劑后,生菜地上部分Cd含量有明顯的變化,Cd含量從高到低的順序為C3>CK>C1>C4>C2>C5,除C3處理的Cd含量比CK處理的增加2.33%外,C1、C2、C4和C5處理的Cd含量分別比CK處理的下降1.16%、19.77%、15.12%和19.77%;C1、C3處理的Cd含量與CK處理的相比差異不顯著,其他處理的差異呈顯著水平。

注:圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0．05),下同

2.2.2 生菜地上部分Cr含量

從圖2可以看出:施用不同土壤調理劑后,生菜地上部分Cr含量有明顯變化,Cr含量從高到低的順序為CK>C3>C1>C4>C2>C5,C1、C2、C3、C4和C5處理的Cr含量分別比CK處理的下降1.45%、24.55%、0.73%、24.18%和27.64%;C1、C3處理的Cr含量與CK處理的相比差異不顯著,其他處理的差異呈顯著水平。

圖2 不同土壤調理劑處理的生菜地上部分Cr含量

2.2.3 生菜地上部分Pb含量

從圖3可以看出:施用不同土壤調理劑后,生菜地上部分Pb含量有明顯變化,Pb含量從高到低的順序為CK>C1>C3>C2>C4>C5,C1、C2、C3、C4、C5處理的Pb含量分別比CK處理的下降0.53%、6.37%、0.80%、7.16%、11.41%;C1、C3處理的Pb含量與CK處理的相比差異不顯著,其他處理的差異呈顯著水平。

圖3 不同土壤調理劑處理的生菜地上部分Pb含量

2.2.4 生菜地上部分As含量

從圖4可以看出:施用不同土壤調理劑后,生菜地上部分As含量有明顯變化,As含量從高到低的順序為C3>CK>C1>C2>C4>C5,除C3處理的地上部分As含量比CK處理的增加1.03%外,C1、C2、C4、C5處理的地上部分As含量分別比CK處理的下降1.55%、17.53%、18.04%、20.62%;C1、C3處理的As含量與CK處理的相比差異不顯著,其他處理的差異呈顯著水平。

圖4 不同土壤調理劑處理的生菜地上部分As含量

3 結語

本研究中施用不同土壤調理劑產品,對生菜的生物學性狀和產量有較明顯的影響,其中以C5、C2、C4處理的效果較好,C1、C3處理的效果一般。這應該與不同土壤調理劑產品的原料組成有很大關系,原料中添加了較多的肥料養分及微生物菌劑等,都能有效促進作物生物學性狀改善和產量增加。

施用不同土壤調理劑產品后,能有效抑制生菜地上部分重金屬的累積。從試驗結果看,對Cd、Cr的抑制,以C5處理效果最好,C2處理其次,C4處理第三,C1、C3處理效果一般;對Pb、As的抑制,以C5處理效果最好,C4處理其次,C2處理第三,C1、C3處理效果一般。總體來看,C5處理能有效抑制生菜對重金屬的富集,C2處理效果其次,C4處理效果第三,C1、C3處理效果不佳。

通過對試驗結果的分析,C5處理能提高生菜產量,同時可有效降低生菜對土壤重金屬的吸收,建議擴大研究常規施肥+5號土壤調理劑處理的適用作物范圍,增強示范推廣運用力度。

試驗中的土壤調理劑產品,即在添加含硅、鈣和鎂等化學物質的基礎上,加入含磷的物質,既有效穩定了土壤中Pb、Cd等重金屬,又降低了其有效態含量[14],取得了抑制生菜對重金屬吸收的效果。

土壤調理劑產品添加改良土壤的功能微生物菌劑,對改善土壤微環境,改良土壤結構性障礙,提升作物產量和品質具有重要意義[15-16]。試驗所用產品正是利用微生物在修復被重金屬污染的土壤方面具有獨特的作用,一方面可以降低土壤中重金屬的毒性,另一方面可以利用根際微生物對重金屬的沉淀或吸附作用,實現重金屬污染土壤的微生物穩定修復[17-18]。