施用鈍化劑對水稻田中汞的修復效果

任佳佳, 石艷平, 陳軼平

(嘉興市土肥植保與農(nóng)村能源站, 浙江 嘉興 314050)

隨著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量機械化設備作業(yè)及使用化學物質(zhì)種類越來越多樣化, 使得耕地土壤重金屬污染問題越來越嚴重[1]。近年來的研究證明, 中國內(nèi)陸地區(qū)居民接觸汞的主要食物來源是含汞的大米而非含汞的水產(chǎn)食品[2]。水稻植株對甲基汞有較強的積累能力,能直接從土壤吸收甲基汞, 并被水稻根系吸收并向上運輸, 然后累積在籽粒中。土壤中的無機汞主要在硫酸鹽還原細菌和鐵還原細菌作用下轉(zhuǎn)化為甲基汞, 更易被水稻根系吸收并在水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)移。全球90%的稻米產(chǎn)自亞洲, 而我國作為世界稻作的起源地, 有近2/3 的人口以稻米為主食[3]。土壤中汞含量超標, 使得農(nóng)作物的生長受到抑制, 影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 污染物也會隨之遷移, 一旦進入人體并積累, 將對人體健康造成嚴重危害[4]。因此, 農(nóng)田中重金屬汞的去除迫在眉睫。

土壤重金屬鈍化主要是通過在重金屬污染的土壤中加入鈍化劑后, 使得重金屬被鈍化劑包裹、吸附、沉淀、絡合等作用, 能夠減少土壤中重金屬的釋放或降低重金屬的遷移性和生物有效性, 從而達到快速降低重金屬的毒性并改善土壤性質(zhì), 是土壤重金屬修復的常用手段[5]。近年來許多鈍化劑如海泡石、石灰、生物質(zhì)炭以及不同類型的鈍化劑復配在土壤修復領域被大量應用并取得一定成效[6]。本文以石灰、有機肥、甲殼素、土壤調(diào)理劑4 種不同鈍化劑作為考察對象, 通過在嘉興市某個汞污染水稻田進行重金屬污染修復田間試驗, 分析比較以上4 種不同來源的鈍化劑對大田環(huán)境下土壤Hg 含量、水稻生長發(fā)育性狀、水稻體內(nèi)Hg 含量以及轉(zhuǎn)運和富集的影響, 篩選出能夠有效治理Hg 污染農(nóng)田的土壤鈍化劑, 為Hg 污染農(nóng)田大面積治理推廣應用提供科學依據(jù), 對糧食安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江省嘉興市某地, 位于北亞熱帶南緣, 屬東亞季風區(qū), 冬夏季風交替, 氣候溫和,四季分明, 水熱同步, 光熱同季, 年平均氣溫15.5 ～15.8 ℃。最熱月 (7 月) 平均氣溫28.1 ～28.4 ℃; 最冷月 (1 月) 平均氣溫2.7 ～3.3 ℃。年無霜期230 d 左右。年平均降水量1 100 ～1 200 mm, 年10 ℃以上積溫5 000 ℃, 年日照時數(shù)2 000 ～2 100 h。

1.2 試驗設計

供試水稻為秀水121, 試驗采用隨機區(qū)組排列設計, 共設置5 個處理, 每個試驗設置3 次重復,共15 個小區(qū), 每個小區(qū)面積為100 m2, 試驗材料分別為: 添加石灰、添加有機肥、添加甲殼素、添加土壤調(diào)理劑和不添加任何材料的對照處理(CK), 具體添加量如表1 所示。水稻種植過程中為防止各處理間相互影響, 在田埂上覆膜。種植前按照2 250 kg·hm-2撒施土壤調(diào)理劑并翻耕, 施肥、除蟲、除草等田間管理與當?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。

表1 鈍化劑種類及施加量

1.3 樣品采集與測定方法

水稻成熟后整株收獲, 先用自來水將根系泥土洗凈, 再用去離子水沖洗整個植株數(shù)次, 用濾紙吸干表面水分, 分為地上部 (莖、葉、籽粒) 和地下部(根)。在105 ℃下殺青30 min, 然后70 ℃下烘干至恒重后取出, 水稻谷粒使用小型脫殼機進行脫殼, 收集籽粒。每個部分經(jīng)粉碎機粉碎后備用。采集水稻樣品同時, 按五點取樣法采集0～20 cm 表層土壤。土壤樣品經(jīng)風干磨細后, 過1.5 mm (10 目)篩與0.17 mm (100 目) 篩, 備用。

土壤pH 值用電極法測定 (蒸餾水以2.5 ∶1的水土比浸提)。土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定。土壤有效態(tài)Hg 含量采用DTPA 浸提劑(0.005 mol·L-1DTPA + 0.01 mol·L-1CaCl2+0.1 mol·L-1TEA) 提取, 最后采用原子吸收光譜火焰法和石墨爐法測定。水稻樣品中的總Hg 含量采用原子吸收光譜儀進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得試驗數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2019 作前期處理, SPSS 21.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和各處理之間的差異性比較, 通過Origin2019 軟件繪圖。各部位的轉(zhuǎn)運系數(shù) (TF) 和富集系數(shù) (BCF) 計算方法如下:

2 結(jié)果與分析

2.1 鈍化劑對土壤Hg 有效態(tài)含量的影響

土壤中的重金屬以多種狀態(tài)存在, 而重金屬有效態(tài)才能夠被植物吸收利用, 所以土壤重金屬有效態(tài)指標能更好地反映耕地土壤污染狀況[7-8]。圖1顯示, 施用4 種鈍化劑都可以顯著降低重金屬汞的有效態(tài)含量 (P＜0.05), 進而影響水稻根系對重金屬汞的吸收利用。各組處理土壤中重金屬汞的有效態(tài)含量為: 甲殼素＜土壤調(diào)理劑＜有機肥＜石灰＜CK。施用石灰、土壤調(diào)理劑、有機肥處理與空白對照組CK 相比, 分別下降了53%、55%和51%,其中土壤調(diào)理劑、有機肥處理對降低土壤Hg 的生物有效性效果相當, 兩組處理效果都優(yōu)于石灰處理。施用甲殼素對降低土壤中Hg 生物有效性的效果最好, 較空白對照組顯著降低了59%。

圖1 不同鈍化劑處理對土壤Hg 有效態(tài)含量的影響

2.2 鈍化劑對Hg 污染稻田水稻生長發(fā)育性狀的影響

水稻生長發(fā)育性狀是考察鈍化劑的關鍵指標之一, 而4 種鈍化劑均能促進水稻生長發(fā)育說明了這4 種鈍化劑施用能夠減輕Hg 對水稻的毒害作用。從圖2 可以看出, 施用石灰、土壤調(diào)理劑、甲殼素處理及有機肥處理與CK 相比, 株高分別增加了9%、20%、25%、10%; 干 物 質(zhì) 量 分 別 增 加 了1%、6%、20%、15%; 千粒重分別增加了16%、15%、23%、7%; 分蘗數(shù)分別增加了20%、16%、27%、29%, 可以看出甲殼素處理效果最好。甲殼素處理與CK 相比, 株高、干物質(zhì)量、千粒重、分蘗數(shù)有顯著提高的效果 (P＜0.05), 這與楊雪玲等[9]的研究結(jié)果相似。石灰處理水稻的干物質(zhì)量與CK 處理效果相當, 而土壤調(diào)理劑、有機肥處理有顯著性提高 (P＜0.05)。施用甲殼素處理水稻的千粒重質(zhì)量增加最為顯著, 施用石灰、土壤調(diào)理劑效果其次, 施用有機肥效果與CK 無顯著差異。除土壤調(diào)理劑處理外, 其他3 種鈍化劑處理下水稻的分蘗數(shù)均有顯著性增加 (P＜0.05)。

圖2 不同鈍化劑處理對水稻生長發(fā)育性狀的影響

2.3 鈍化劑對水稻各部位積累Hg 含量的影響

由圖3 可知, 與水稻地上部分相比, 水稻根系中富集Hg 含量最高, 表明水稻根系對Hg 具有極強的束縛力和耐受力, 根系細胞對重金屬元素 Hg的通透性較低, 導致根部富集的Hg 含量最高[10]。在水稻根系中, 4 種鈍化劑處理中的Hg 含量較空白對照組均無明顯差異。在水稻莖稈中, 各處理中的Hg 含量均有降低, 相比對照下降11% ～19%,但差異未達到顯著水平。在水稻葉片中, 添加甲殼素處理顯著提高水稻葉片的Hg 含量, 提高41%(P＜0.05), 其他處理葉片中的Hg 含量與對照相比未達到顯著水平。在水稻籽粒中, 各處理對水稻籽粒中的Hg 含量影響差異顯著 (P＜0.05), 添加石灰、土壤調(diào)理劑、甲殼素、有機肥處理分別較對照組下降35%、29%、46%、38%, 其中添加甲殼素處理降低效果優(yōu)于添加石灰、土壤調(diào)理劑、有機肥處理。成熟期的水稻, Hg 大部分積累在根部,莖部Hg 含量積累水平相當, 但施用甲殼素能顯著提高水稻葉部Hg 含量的累積 (P＜0.05), 而其他3 組處理與CK 無顯著差異, 水稻籽粒中的Hg 含量在4 種鈍化劑處理下均顯著降低 (P＜0.05)。

圖3 不同鈍化劑處理對成熟水稻體內(nèi)Hg 含量的影響

2.4 鈍化劑對水稻Hg 轉(zhuǎn)運和積累的影響

從表2 可以看出, 未添加任何鈍化劑處理的水稻體系內(nèi)Hg 的轉(zhuǎn)運系數(shù)依次為TF根-莖＜TF莖-葉＜TF莖-籽粒, 而添加4 種鈍化劑處理的水稻體系內(nèi)Hg的轉(zhuǎn)運系數(shù)為TF根-莖＜TF莖-籽粒＜TF莖-葉。與對照組比較, 各處理對水稻中的Hg 根系到莖稈、莖稈到葉片轉(zhuǎn)運系數(shù)影響不大。與對照相比, 各處理對水稻中的Hg 莖稈到葉片轉(zhuǎn)運系數(shù)均有上升, 但是添加4 種鈍化劑處理將水稻中的Hg 莖稈到籽粒轉(zhuǎn)運系數(shù)顯著降低 (P＜0.05), 表明鈍化劑的施用抑制了重金屬汞從莖部向籽粒的遷移。不同部位對Hg 的富集能力不同, 水稻BCF根含量最大說明重金屬Hg 主要富集在根部。鈍化劑處理下的BCF莖均高于對照, 但并沒有顯著差異。土壤調(diào)理劑、甲殼素處理下水稻的BCF葉顯著高于CK (P＜0.05), 石灰、有機肥處理與CK 無顯著差異。甲殼素、有機肥處理下的水稻BCF籽粒值與CK 中的有顯著性差異(P＜0.05), 其他2 種鈍化劑處理組與CK 差異不大。即添加石灰、土壤調(diào)理劑、甲殼素、有機肥可以促進Hg 從莖稈到葉片的轉(zhuǎn)運并在水稻莖部積累, 從而來減少Hg 在水稻籽粒中的積累, 其中添加甲殼素、有機肥處理效果優(yōu)于添加石灰、土壤調(diào)理劑處理。

表2 不同鈍化劑處理對水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)運系數(shù)和富集系數(shù)的影響

3 討論

本研究結(jié)果表明, 4 種鈍化劑的施用能夠顯著降低土壤中Hg 的有效態(tài)含量。施用鈍化劑能改變重金屬汞的賦存形態(tài), 從而使得土壤中汞的有效態(tài)含量下降。有相關研究表明, 石灰通過提高土壤pH 值和增加黏土礦物、有機質(zhì)和鐵鋁氧化物等來促進重金屬離子專性吸附比例。pH 值上升可以增加土壤膠體吸附重金屬離子的能力或促進重金屬離子反應生成沉淀[11]。而有機肥的施用會將大量的有機質(zhì)帶入土壤, 有機質(zhì)降解轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的腐殖質(zhì)可以抑制汞的甲基化, 減輕重金屬的毒害作用[12-13]。鈍化劑施用后水稻株高、干物質(zhì)量、千粒重、分蘗數(shù)均呈上升趨勢, 說明鈍化劑可以增加水稻的生物量, 促進植株的生長發(fā)育。一方面是因為鈍化劑的施用可以降低重金屬的生物有效性從而減輕重金屬對作物的毒害作用, 另一方面是鈍化劑的施用可以改良土壤理化性質(zhì)并提供豐富的營養(yǎng)來促進作物生長。研究結(jié)果顯示, 施用甲殼素對降低水稻籽粒中的汞含量效果最好, 作用機理可能是因為甲殼素含有大量的羥基、氨基基團, 能夠吸附重金屬離子,并與之形成穩(wěn)定的螯合物, 進而降低重金屬的生物有效性, 達到減少土壤中的重金屬向作物體內(nèi)轉(zhuǎn)移的目的[14]。甲殼素還可以改變土壤孔隙和團粒結(jié)構(gòu), 提高土壤肥力來促進水稻生長[15-16]。

研究結(jié)果表明, 添加甲殼素處理比添加石灰、土壤調(diào)理劑、有機肥處理對土壤中的重金屬汞的鈍化效果最好, 可能是由于甲殼素既能吸附重金屬離子來抑制汞的轉(zhuǎn)運遷移, 又能提高土壤肥力來促進作物生長發(fā)育, 達到增產(chǎn)作用。

4 結(jié)論

石灰、土壤調(diào)理劑、甲殼素、有機肥處理使得土壤中有效Hg 含量顯著下降 (P＜0.05), 與CK相比分別降低了53%、55%、59%、51%。另外,鈍化劑的施用還可以提供營養(yǎng)來促進水稻生長, 增加水稻產(chǎn)量。

鈍化劑處理下水稻根系和莖部的Hg 含量與CK 無顯著差異, 甲殼素處理下水稻葉部Hg 含量較CK 顯著提高41%, 石灰、土壤調(diào)理劑、甲殼素、有機肥處理的水稻籽粒中Hg 含量分別比CK降低了35%、29%、46%、38%, 而甲殼素處理下籽粒Hg 含量最低, 說明效果最好。

鈍化劑處理后水稻體內(nèi)Hg 從莖到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)明顯降低 (P＜0.05) 且BCF籽粒＜BCF葉, 與CK 相反, 表明鈍化劑可以抑制Hg 向籽粒轉(zhuǎn)運遷移, 從而減少籽粒中Hg 含量。