硅肥施用对重金属污染土壤甘蔗镉吸收的影响研究初探

郑煜基，陈能场，张雪霞，张晓霞，冷小艳

硅肥施用对重金属污染土壤甘蔗镉吸收的影响研究初探

郑煜基，陈能场，张雪霞，张晓霞，冷小艳

广东省生态环境与土壤研究所，广东 广州 510650

长期采用受铁矿尾矿水污染的河水进行灌溉的农田，其土壤存在一定重金属镉污染，且土壤酸化严重，有效硅活性低。甘蔗是需硅量较大的植物，因此在甘蔗种植过程中施用碱性硅肥既可补充硅营养又可通过硅肥控制镉的吸收。本试验通过硅肥不同施用量及基肥、基肥+追肥的施用方式的比较，结果表明：在甘蔗种植中一次性施用硅肥1500 kg·hm-2，可以使土壤中活性较高的弱酸提取态镉占镉总量的比例从38.45%下降到32.51%，而甘蔗不能利用的残渣态镉的占比从11.19%提高到14.78%；硅肥分为基肥与追肥两次施用的方式，其对土壤镉的形态的影响也存在相似的规律，且变化趋势更加显著，弱酸提取态镉占比从40.93%下降到35.47%，降幅更加显著；同样残渣态镉则随着硅肥施用量的增加而增加，其占比从16.26%增加到22.66%；施用硅肥能有效降低甘蔗汁中镉的含量，从一次性作为基肥施用的结果来看，每公顷施用375～1500 kg硅肥，其蔗汁中镉含量随施肥量增加而下降，从168.54 μg·L-1降至57.87 μg·L-1，降幅为28.26%～60.30%；蔗渣中镉含量也有相似的变化趋势，从468.36 μg·kg-1降至377.77 μg·kg-1，降幅为7.86%～19.34%；采用基肥+追肥施用硅肥，无论是蔗汁还是蔗渣，其镉的含量同样随硅肥施用量的增加而下降，蔗汁镉含量的降幅更大，最高可降81.18%，从而达到降低甘蔗汁及蔗渣中镉含量水平的目的。

硅肥；甘蔗；镉吸收

研究表明，硅肥使用在控制作物的重金属镉（Zhang等，2008；黄秋婵等，2008；徐胜光等，2007）和砷（郭伟等，2006）的吸收方面具有重要作用。其作用机理主要在于硅肥中所含的硅酸根离子与Cd、Hg、Pb等重金属发生化学反应，形成新的不易被植物吸收的硅酸化合物而沉淀下来；硅肥中的硅能提高土壤和植物根际pH，降低重金属的活性，增加了植物根际氧化能力（苏以荣，1993），从而改变土壤中重金属的赋存形态，最终改变其在土壤中的生物有效性（杨超光等，2005）。

研究区位于翁源县大宝山污灌区上坝村，近年来由于种植甘蔗经济效益较好，当地农户多数不种水稻而改种甘蔗，但是由于常年采用受大宝山铁矿的尾矿水污染的横石河水进行灌溉，甘蔗的品质安全亟待解决。根据最近的调查采样分析，结果表明：种植甘蔗土壤及甘蔗的重金属元素铁、锰、镉、砷含量均存在超标现象。因此，对甘蔗的重金属含量控制进行研究已迫不及待。本项目以施用硅肥为切入点，研究硅肥对甘蔗吸收重金属镉的控制效果，以期为当地甘蔗的安全种植提供科学依据。

1 材料与方法

1.1供试品种

供试甘蔗品种为广西黑皮果蔗。

1.2供试肥料

供试硅肥为自产硅肥，以硅灰石粉为原料经造粒而成，该肥料含有效硅SiO235%、CaO 15%，pH为9.7。

1.3试验方法

试验地设在广东翁源县新江镇上坝村，该处长期使用受大宝山铁矿尾矿水污染的横石河水进行农田灌溉，pH较低，供试土壤的养分含量见表1。

试验分两部分进行：

1）、不同硅肥施用量对土壤重金属影响研究

试验设硅肥施用量分别为0（CK）、375（处理1）、750（处理2）、1125（处理3）、1500 kg·hm-2（处理4）共5个处理，每处理3个重复，每一小区66.7

m2。硅肥的施用随基肥一次性施用。

表1 供试土壤的养分含量状况Table 1 Nutrient characteristics of tested soils

2）、不同硅肥施用方式对重金属影响研究

试验设置“基肥+追肥”施用处理，有（0+0）（CK）、（375+375）（处理一）、（750+375）（处理二）、（1125+375）kg·hm-2（处理三）共4个处理，追肥时间为大培土期，每处理3个重复，每小区66.7 m2。

试验于2011年甘蔗种植季节进行。

1.4监测项目及方法

监测与分析项目：

试验前采集试验地土壤耕层混合样一个，测定土壤基本性状，收获期每个试验小区分别采集耕层土壤混合样及甘蔗样各一个，并分别进行土壤重金属镉的形态分析和甘蔗汁、蔗渣的镉含量测定。

供试土壤有效硅测定，用20 g·L-1柠檬酸浸提，浸提液用ICP-AES测定Si的含量；pH用电位法测定；土壤总镉含量测定，土样经消解后用石墨炉原子吸收分光光度法测定；不同形态重金属镉（弱酸提取态、可还原态、可氧化态、残渣态）含量用连续提取法进行测定（BCR法）；蔗汁、蔗渣等的重金属镉含量测定，样本经酸消解后，镉含量仍采用石墨炉原子吸收法测定。

2 结果与分析

2.1硅肥对土壤镉形态的影响

从表2可看出，硅肥作为基肥一次性施用，对土壤的重金属镉的形态产生了一定的影响，从收获期耕层土壤的分析可看出，弱酸提取态镉的含量占土壤总镉含量的比例随着施肥量的增加呈下降的态势，从对照的38.45%下降到32.51%，而残渣态则呈相反的态势，随着施硅肥量的增加，残渣态镉也相应有所增加，从11.19%提高到14.78%，这可能就是重金属镉与部分硅酸盐结合形成了硅酸盐化合物沉淀物所导致；另外可还原态及可氧化态镉则变化不大，可还原态总体占比在36.13%～37.52%之间，可氧化态在13.60%～15.17%之间。

从表3可以看出，硅肥分为基肥与追肥两次施用对土壤镉的形态的影响也存在与上述相似的规律，且变化趋势更加明显。弱酸提取态镉占比从40.93%下降到35.47%，降幅达5.46%；相同地，残渣态镉则随着硅肥施用量的增加而增加，其占比从16.26%增加到22.66%，这表明以追肥形式分次施用硅肥更有利于控制土壤镉的有效性。

2.2硅肥对甘蔗镉吸收的影响

从表4的结果可看出，施用硅肥能有效降低甘蔗汁中镉的含量，从一次性施用硅肥的试验结果来看，每公顷施用375～1500 kg硅肥，其蔗汁中镉含量随施肥量增加而下降，从168.54 μg·L-1降至57.87 μg·L-1，降幅为28.26%～60.30%；蔗渣中镉含量随施肥量的增加也存在相似的变化趋势，从468.36 μg·kg-1降至377.77 μg·kg-1，降幅为7.86%～19.34%；从蔗汁和蔗渣的镉含量还可看出，蔗汁中镉含量总体没有超标，对照处理的蔗汁接近临界值（200 μg·L-1），但是蔗渣的镉含量则依然超出食品安全标准限值（0.2 mg·kg-1）。

表2 不同硅肥施用量对土壤镉形态的影响Table 2 Cadmium forms under application of silicate fertilizer in different amounts

表3 (基肥+追肥)施用对土壤镉形态的影响Table 3 Cadmium forms under basal and dressing application of silicate fertilizer

从表4还可看出，采用“基肥+追肥”方式施用硅肥，无论是蔗汁还是蔗渣，其镉的含量均随硅肥施用量的增加而下降，由于试验2所在地块土壤

的镉含量相对较低，所以蔗汁镉含量的降幅显得更大，最高可降81.18%，蔗渣镉含量则依然超标。

表4 不同施肥形式对甘蔗镉含量的影响Table 4 Effect of fertilization on cadmiums in sugarcanes

3 小结

从以上的试验结果可以看出，对于受铁矿尾矿水污染的农田，在甘蔗种植中施用硅肥，可以有效降低土壤中活性较高的弱酸提取态镉的含量水平，提高甘蔗不能利用的残渣态镉的含量水平，从而达到降低甘蔗汁及蔗渣中镉含量水平的目的。当然由于蔗渣中镉含量依然超标，黑皮果蔗一般作为鲜食，食用过程必须注意安全。能否通过加大硅肥施用量或多次施用达到控制蔗渣镉含量于安全标准以内则有待进一步的试验。

ZHANG C C, WANG L J, NIE Q, et al. 2008. Long-term effects of exogenous silicon on cadmium translocation and toxicity in rice (Oryza sativa L.)[J]. Environmental and Experimental Botany, 62: 300-307.

黄秋婵, 韦友欢, 农克良, 等. 2008. 硅对镉胁迫下水稻幼苗营养器官外部形态与镉累积量的影响[J]. 江苏农业科学, (5): 20-23.

徐胜光, 周建民, 刘艳丽, 等. 2007. 硅钙调控对酸矿水污染农田水稻镉含量的作用机制[J]. 农业环境科学学报, 26: 1854-1859.

郭伟, 朱永官, 梁永超, 等. 2006. 土壤施硅对水稻吸收砷的影响[J]. 环境科学, 27(7): 1393-1397.

苏以荣. 1993. 硅缓解亚铁对水稻根系毒害的研究[J]. 热带亚热带土壤科学, 2(3): 171-l74.

杨超光, 豆虎, 梁永超, 等. 2005. 硅对土壤外源镉活性和玉米吸收镉的影响[J]. 中国农业科学, 8(1): 116-121.

Preliminary Study on the Effect of Silicate Fertilizers on Cadmium Absorption by Sugarcane in Heavy Metal Polluted Farmland

ZHENG Yuji，CHEN Nengchang, ZHANG Xuexia, ZHANG Xiaoxia, LENG Xiaoyan
Guangdong Institute of Ecology, Environmental and Soil Sciences, Guangzhou 510650, China

Farmland irrigated with river water polluted by acid mine drainage from iron ores will become very acidic, toxic with heavy metals like cadmiums and low availability of silicon for plant growth. Sugarcane plants needs a lot of silicon for better growth, thus application of silicate fertilizers not only adjust the low pH, but also supply sugarcane for with silicon for better growth and suppress its uptake of cadmium. Experiments were carried with different application rates, application methods (basal, basal + dressing) of silicate fertilizers with an aim to evaluating its effects and optimum dose and time of application. Results showed that with the application of 1500 kg·hm-2silicate fertilizer as basal, Cd availability of weak acidic extractable form decreased from 38.45% to 32.51%, and the residue form increased from 11.19% to 14.78%. Concomitantly, cadmium content in sugarcane juice decreased from 168.54 μg·L-1to 57.87 μg·L-1with a decreasing percentage of 7.86%～19.34% in the case of silicate application of 375～1500 kg·hm-2. Forms changes became more significant in the case of separate application of silicon fertilizer as basal and dressing with Cd availability of weak acidic extractable form decreased from 40.93% to 35.47% and residue form increased from 16.26% to 22.66%. The maximum decrease percentage of Cd content in sugarcane juice was 81.18%. It was concluded that the application of silicate fertilizer would be an effective method to reduce cadmium content in sugar cane plant grown in heavy metal polluted farmland.

silicate fertilizer; sugarcane; cadmium uptake

X53

A

1674-5906（2014）12-2010-03

广东省科技厅国际合作项目：（2010B050300016）；广东省科学院科学实验台站基金项目（SYTZ2010 10）

郑煜基（1963年生），男，高级工程师，主要研究方向为土壤化学。E-mail：yjzheng@soil.gd.cn

2014-10-22

郑煜基，陈能场，张雪霞，张晓霞，冷小艳. 硅肥施用对重金属污染土壤甘蔗镉吸收的影响研究初探[J]. 生态环境学报, 2014, 23(12): 2010-2012.

ZHENG Yuji，CHEN Nengchang, ZHANG Xuexia, ZHANG Xiaoxia, LENG Xiaoyan. Preliminary Study on the Effect of Silicate Fertilizers on Cadmium Absorption by Sugarcane in Heavy Metal Polluted Farmland [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(12): 2010-2012.