不同类型土壤调理剂对土壤-水稻系统重金属含量的影响

何凤鹏，谷 雨，冯光辉，吴海勇，刘琼峰，李明德

（1.湘乡市东郊乡农技站，湖南　湘乡 411400；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南　长沙 410125）



不同类型土壤调理剂对土壤-水稻系统重金属含量的影响

何凤鹏1，谷 雨2，冯光辉1，吴海勇2，刘琼峰2，李明德2

（1.湘乡市东郊乡农技站，湖南湘乡 411400；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125）

摘 要：以天然矿物类土壤调理剂、复合微生物肥、微生物菌剂为材料，在湖南省典型稻田开展田间试验，研究不同类型土壤调理剂对土壤-水稻系统重金属含量的影响。结果表明：施用天然矿物类土壤调理剂和复合微生物肥均能提高土壤的pH值，降低土壤中的有效镉和稻米中的总镉含量；施用不同类型土壤调理剂可以降低稻米中的重金属镉、铬、汞、砷含量，其中，天然矿物类土壤调理剂对于降低稻米中总镉和总铬的效果比复合微生物肥和微生物菌剂更明显，但施用天然矿物类土壤调理剂后，水稻产量有所降低；施用复合微生物肥和微生物菌剂对于降低稻米中的总镉、总铬含量也有一定效果，且可提高水稻产量。

关键词：土壤调理剂；重金属；土壤-水稻系统

土壤是作物吸收重金属的最主要来源，重金属难降解、易积累、毒性大，不利于作物的生长发育，对其产量和品质均有较大影响，尤其是还存在被作物吸收，进入食物链危害人体健康的潜在威胁［1］。我国的水稻田土壤和稻米重金属污染问题已相当严重。据报道，目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2 000万hm2，约占总耕地面积的1/5，其中受Cd污染的耕地面积近1.33万hm2，涉及11个省25个地区，导致每年粮食减产超过1 000万t，受污染粮食多达1 200万t，合计经济损失至少200亿元。据农业部稻米及其制品质量监督检验测试中心2002年对全国市场稻米安全性抽检结果显示，稻米中超标最严重的是铅，超标率为28.4%；其次是镉，超标率为10.3%；砷和汞超标率相对较低，分别为2.8%和3.4%；并呈现出复合污染的现象。因此，如何降低土壤-水稻系统中重金属的污染是目前国内外关注的重点问题［2］。

施用土壤调理剂是修复退化土壤的重要措施之一。土壤调理剂是以农用保水剂及富含有机质、腐殖酸的天然泥炭或其他有机物为主要原料，辅以生物活性成分及营养元素，经科学工艺加工而成的产品，有极其显著的“保水、增肥、透气”3大土壤调理性能。研究表明，土壤调理剂可以调节土壤的物理、化学和（或）生物性状，对改良土壤结构、降低土壤盐碱危害、改善土壤水分状况及修复污染土壤等有显著作用［3-5］。近年来，土壤调理剂被广泛应用于土壤重金属污染修复，国内外的土壤调理剂品种繁多，不同调理剂的性质与组成、作用机理以及在土壤重金属治理中的效果差异也较大［6-7］。但是目前针对不同类型土壤调理剂对土壤-水稻系统重金属含量的影响效果研究少有报道。笔者在湖南省典型稻田开展田间试验，研究不同类型土壤调理剂（天然矿物类土壤调理剂、复合微生物肥、微生物菌剂）对土壤-水稻系统重金属含量以及水稻产量的影响，以期为土壤-水稻体系重金属含量的减控提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验于2015年3～7月在湖南省湘乡市东郊乡王塘村进行，供试土壤为第四纪红色粘土发育的红黄泥田，pH值5.14，土壤有机质和总氮含量分别为39.2 和2.24 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为187.2、18.7和128.9 mg/kg，阳离子交换量11.8 cmol/ kg（以H+计），土壤总镉、有效镉、总铅、总铬、总汞和总砷含量分别为0.30、0.153、40.3、62.5、0.226 和11.6 mg/kg。

供试土壤调理剂有天然矿物类土壤调理剂（土壤调理剂A1、A2、A3、A4）、复合微生物肥（复合微生物肥B1、B2）和微生物菌剂（微生物菌剂C1），分别由厂家寄送。土壤调理剂的主要成分及含量见表1。供试水稻品种为中嘉早17。

表1 土壤调理剂的主要成分及含量

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验设8个处理：处理1（CK），常规施肥（40%复合肥30 kg/667m2+尿素7.5 kg/667m2+氯化钾5 kg/667m2）；处理2，常规施肥+土壤调理剂A1；处理3，常规施肥+土壤调理剂A2；处理4，常规施肥+土壤调理剂A3；处理5，常规施肥+土壤调理剂A4；处理6，常规施肥+复合微生物肥B1；处理7，常规施肥+复合微生物肥B2；处理8，常规施肥+微生物菌剂C1。土壤调理剂、复合微生物肥、微生物菌剂的用量均为150 kg/667m2。每个处理3次重复，共24个小区，小区面积30 m2，按随机区组排列。小区间设隔离行，各小区间田埂用塑料薄膜铺盖至田间土表30 cm以下，防止小区间串水串肥。各小区水稻均采取移栽种植，移栽密度为16.7 cm×20.0 cm。

1.2.2 土壤调理剂的使用方法 试验田翻耕、耙碎、整平后，做好小区间的田埂，然后按处理把土壤调理剂均匀撒施在对应的小区内，随即耙匀。1～2 d后再施基肥，移栽水稻。

1.2.3 样品采集与分析 试验前取基础土样1 kg，水稻收获后分小区采集耕作层（0～20 cm）混合土壤样品1 kg，充分风干，并按常规分析方法［8］测定土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、阳离子交换量、重金属总镉、有效镉、总铅、总铬、总汞、总砷含量。水稻收获后每个小区取收获的植株和籽粒样品各1 kg，测定植株和籽粒的总镉、铅、铬、汞、砷含量，并测定每个小区的实际产量。试验数据采用Excel 2003和DPS 9.50软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型土壤调理剂对土壤pH值及重金属含量的影响

表2 不同类型土壤调理剂对土壤pH值及重金属含量的影响　（mg/kg）

从表2中可以看出，除微生物菌剂外，施用天然矿物类土壤调理剂和复合微生物肥均能明显提高土壤的pH值，其中以处理3（天然矿物类土壤调理剂A2）和处理2（天然矿物类土壤调理剂A1）的效果最为明显，试验后土壤pH值分别为5.91、5.61，比对照分别提高了0.97、0.67，达到了显著差异水平。土壤pH值是影响重金属吸附与解吸，决定其迁移和有效态的重要因子［9］。研究表明，土壤中镉的有效性很大程度上受土壤中pH值的调节，土壤中pH值增高，镉的有效性就会显著降低，难以被植物吸收，植物中镉活性与土壤中pH值具有显著负相关性，土壤中pH值升高可以抑制镉的活性［10-11］。

从表2中还可以看出，与处理1（CK）相比，施用天然矿物类土壤调理剂的处理2、处理3、处理4、处理5能降低土壤有效镉、总铬、总汞的含量，处理3和处理5能降低土壤总砷的含量；其中，处理4天然矿物类土壤调理剂A3的降铬效果显著，比对照的总铬含量降低了9.5%。施用复合微生物肥的处理6和处理7也能降低土壤有效镉、总铬、总砷的含量；其中，处理6的降铬效果显著，比对照的总铬含量降低了8.3%。施用微生物菌剂的处理8能够降低土壤总铬、总汞、总砷的含量，但与对照相比，未达到显著性差异水平。

2.2 不同类型土壤调理剂对水稻重金属含量的影响

由表3可知，施用不同类型土壤调理剂对于降低稻米中重金属镉、铬、汞、砷含量的效果明显。施用天然矿物类土壤调理剂的（处理2、处理3、处理4、处理5）对于降低稻米和稻草中的重金属总镉含量比复合微生物肥（处理6、处理7）和微生物菌剂处理8的效果更显著，与对照相比差异显著，其中处理3天然矿物类土壤调理剂A2的降镉效果最明显，稻米和稻草中总镉的含量分别比对照降低了0.333和3.100 mg/kg，降幅分别为79.3%和75.3%。天然矿物类土壤调理剂对于降低稻米中总铬含量的效果也比较显著，4个处理的总铬含量与对照相比均达显著差异。处理3和处理4还可降低稻米中的总汞含量，与对照相比差异显著。处理4和处理5可降低稻米中的总砷含量，与对照相比差异显著。

表3 不同类型土壤调理剂对水稻植株重金属含量的影响　（mg/kg）

施用复合微生物肥对于降低稻米中的镉、铬、汞含量也有一定效果，处理6和处理7稻米中的总镉和总汞含量与对照相比均差异显著，两个处理稻米中的总镉含量分别降低了0.225和0.212 mg/kg，降幅为53.6%和49.5%。施用微生物菌剂的处理8可以降低稻米中的总镉、总铬含量，与对照的差异达显著水平。

总体上，各种类型土壤调理剂对稻米的降镉效果顺序为：天然矿物类土壤调理剂A2、A1、A4、A3＞复合微生物肥B1、B2＞微生物菌剂C1；降铬效果顺序为：天然矿物类土壤调理剂A4、A5、A2、A3＞微生物菌剂C1＞复合微生物肥B1、B2；降汞效果顺序为：天然矿物类土壤调理剂A2、A3和复合微生物肥B1、B2＞天然矿物类土壤调理剂A1、A4和微生物菌剂C1。

2.3 不同类型土壤调理剂对水稻产量及产值的影响

由表4可知，施用天然矿物类土壤调理剂后，水稻产量有所降低。其原因可能是天然矿物类土壤调理剂的碱性太强，其施用与基肥的间隔只有1 d，故而引起基肥中氮的挥发损失，进而使得肥料利用效率不高。施用复合微生物肥和微生物菌剂均可提高水稻的产量和产值。以处理7（复合微生物肥2）的增产增值效果最明显，其产量为481.5 kg/667m2，比对照增加了29.6 kg/667m2，增产率为6.6%，产值为1 300.1 元/667m2。

表4 不同类型土壤调理剂对水稻产量及产值的影响

3 结 论

施用天然矿物类土壤调理剂和复合微生物肥均可提高土壤pH值，而土壤pH值增高，使镉的有效性降低，难以被植物吸收，从而降低稻米中的总镉含量。

施用不同类型土壤调理剂可以降低稻米中的重金属镉、铬、汞、砷含量。其中，天然矿物类土壤调理剂对于降低稻米中总镉和总铬的效果比复合微生物肥和微生物菌剂更明显，但施用天然矿物类土壤调理剂后，水稻产量有所降低；施用复合微生物肥和微生物菌剂对于降低稻米中的总镉、总铬含量也有一定效果，且可提高水稻产量。

总体上，各种不同类型土壤调理剂对稻米的降镉效果顺序为：天然矿物类土壤调理剂A2、A1、A4、A3＞复合微生物肥B1、B2＞微生物菌剂C1；降铬效果顺序为：天然矿物类土壤调理剂A4、A5、A2、A3＞微生物菌剂C1＞复合微生物肥B1、B2；降汞效果顺序为：天然矿物类土壤调理剂A2、A3和复合微生物肥B1、B2＞天然矿物类土壤调理剂A1、A4和微生物菌剂C1。

参考文献：

［1］ 王 静，王 鑫，吴宇峰，等. 农田土壤重金属污染及污染修复技术研究进展［J］. 绿色科技，2011，（3）：85-88.

［2］ 程旺大，姚海根，吴 伟，等. 土壤-水稻体系中的重金属污染及其控制［J］. 中国农业科技导报，2005，7（4）：51-54.

［3］ 谷 雨，蒋 平，李志明，等. 不同土壤调理剂对酸性土壤的改良效果［J］. 湖南农业科学，2015，（3）：61-64.

［4］ 吴增芳. 土壤结构改良剂［M］. 北京：科学出版社，1976. 24-34.

［5］ 孙蓟锋，王 旭. 土壤调理剂的研究和应用进展［J］. 中国土壤与肥料，2013，（1）：1-7.

［6］ 张 曦，王 旭. 四种土壤调理剂对镉、铅的吸附效果研究［J］. 中国土壤与肥料，2012，（4）：6-10.

［7］ 陈义群，董元华. 土壤改良剂的研究及应用进展［J］. 生态环境，2008，17（3）：1282-1289.

［8］ 鲍士旦. 土壤农化分析［M］. 北京：中国农业出版社，2008.

［9］ 岳建华. 长株潭城市群土壤pH与重金属污染的研究［J］. 中国农学通报，2012，28（2）：267-272.

［10］陈岭啸，宋垠先，袁旭音，等. 长江三角洲典型地区土壤-水稻系统中Cd的分布及其迁移制约因素［J］. 地球科学与环报，2011，33 （3）：287-294.

［11］殷丽萍，张 博，李 昂. 土壤酸碱度对重金属在土壤中行为的影响［J］. 辽宁化工，2014，43（7）：865-867.

（责任编辑：成 平）

Effects of Different Types of Soil Conditioners on Heavy Metal Content in Soil-Rice System

HE Feng-peng1，GU Yu2，FENG Guang-hui1，WU Hai-yong2，LIU Qiong-feng2，LI Ming-de2
（1. Dongjiao Town Agrotechnical Station of Agricultual Bureau in Xiangxiang City of Hunan Province， Xiangxiang 411400， PRC；2. Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province， Changsha 410125， PRC）

Abstract：Field experiments were conducted to study the effects of different types of soil conditioners （natural mineral class soil conditioners， compound microbial fertilizers， microbial inoculants） on heavy metal content in soil-rice system at the typical paddy fields of Hunan. The results showed that applying natural mineral class soil conditioners and compound microbial fertilizers could improve the soil pH values， and reduce the available Cd content in soil and the total Cd content in rice. Application of different types of soil conditioners could reduce the content of Cd， Cr， Hg， and As in rice. Among them， natural mineral class soil conditioners were better than compound microbial fertilizers and microbial inoculants for the effects about reducing the total content of Cd and Cr in rice. But the rice yield decreased when applying natural mineral class soil conditioners. Compound microbial fertilizers and microbial inoculants had certain effects on reducing the content of the total content of Cd and Cr， and could increase the yield of rice.

Key words：soil conditioner； heavy metal； soil-rice system

中图分类号：S156.2

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）05-0031-04

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.05.010

收稿日期：2016-03-15

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAD14B17）

作者简介：何凤鹏（1962-），男，湖南湘乡市人，农艺师，主要从事农技推广工作。

通讯作者：李明德