不同改良剂对Cd污染红壤土上小白菜生长和Cd吸收的影响

2016-07-14代允超李文祥王娟玲吕家珑

西北农业学报 2016年7期

关键词：改良剂泥炭鸡粪

代允超，李文祥，王娟玲，吕家珑

(1.西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌　712100；2.陕西省农业环境保护监测站，西安　710003；3.陕西省大荔县农技中心土肥站，陕西大荔　715100)

不同改良剂对Cd污染红壤土上小白菜生长和Cd吸收的影响

代允超1，李文祥2，王娟玲3，吕家珑1

(1.西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌712100；2.陕西省农业环境保护监测站，西安710003；3.陕西省大荔县农技中心土肥站，陕西大荔715100)

通过盆栽试验，研究施用不同改良剂[石灰(L)、鸡粪(F)、泥炭(T)、鸡粪+石灰(FL)和泥炭+石灰(TL)]对Cd污染湖南红壤土壤上小白菜生物量、土壤有效Cd质量分数、小白菜地上部分Cd吸收量和土壤pH的影响。结果表明：石灰、鸡粪、泥炭单施或配施均可显著增加小白菜生物量，且配施处理较单施处理好，各处理间增产顺序为FL≈TL>F>T>L。与不施改良剂(对照，CK)相比，无论是改良剂单施还是配施，土壤有效Cd质量分数和小白菜Cd质量分数均显著降低，且改良效果顺序为FL≈TL>FL≈T≈L。不同改良剂处理的土壤有效Cd与小白菜地上部分Cd质量分数呈正相关(R2=0.99)，改良剂是通过降低土壤中Cd的有效性达到降低小白菜地上部分Cd质量分数的效果。除T处理对供试土壤pH影响不显著外，其他处理均可显著提高土壤pH，且各处理对pH的影响顺序为FL≈TL≈L>F>T。

石灰；鸡粪；泥炭；Cd；红壤土；小白菜

近年来，随着经济的快速发展，环境污染不断加重。土壤污染特别是Cd对土壤的污染极其严重，Cd在土壤中移动性较强，易被作物吸收，且毒性较强，被作物吸收后不仅会降低作物产量和品质，还可随食物链逐级传递，在人体内富集到一定浓度后就会危害健康[1-4]。因此，修复或改良重金属污染土壤的研究已成为当今一大热点。添加化学改良剂(石灰和有机物料等)因其实施方便、费用低且效果好而广受关注[5-6]。夏汉平[4]研究表明，施用石灰可使土壤pH升高，促进土壤中游离重金属形成沉淀，减小土壤中Cd对作物的毒害和Cd的吸收量；有研究表明，添加有机物料不仅能提高土壤养分，改善土壤物理、化学性质，还可通过对重金属的吸附改变其在土壤中的存在形态[7-9]。目前，采用一种改良剂修复Cd污染土壤已有较多研究，但关于多种改良剂混合施用的研究较少，本试验以小白菜为研究对象，采用盆栽试验，研究改良剂(石灰、鸡粪、泥炭)单施和配施对供试Cd污染红壤土上小白菜地上部分生物量、土壤中有效Cd质量分数、小白菜地上部分对Cd的吸收量、土壤pH的影响，以期为土壤污染修复和食品安全提供理论根据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试土壤采自湖南祁阳耕层土壤，土壤类型为红壤土，风干后过5 mm筛，取过筛后土壤，外源添加Cd(CdSO4·5H2O)，模拟Cd污染土壤，每千克土Cd添加量为0.60 mg，混合均匀后老化3个月，老化期间保持含水量至田间持水量的70%。老化后的土壤供基本理化性质测定[10]及培养试验使用，土壤性质见表1。

供试改良剂及性质：石灰，pH为13.00；鸡粪，pH为8.01，m(水)∶m(鸡粪)=5∶1，全碳为265 mg·kg-1；泥炭，pH为5.45，m(水)∶m(泥炭)=2.5∶1，w(有机碳)=32%，所有改良剂中Cd均未检测出。供试作物为小白菜。

表1　供试红壤土基本性状

1.2试验设计

试验所用单施改良剂每千克土添加量为石灰7 mg(L)、鸡粪10 mg(F)、泥炭10 mg(T)。另外设置2个改良剂配施处理，分别是每千克土鸡粪10 mg与石灰7 mg配合施用(FL)；每千克土泥炭10 mg与石灰7 mg配合施用(TL)；不施改良剂处理为对照(CK)，共6个处理，每个处理重复3次。

每盆装人工Cd污染的土壤1 kg，各处理按上述改良剂添加量添加各种改良剂，同时加入底肥，肥料用量为：每千克土施尿素0.429 g、磷酸二氢钾0.698 g。将改良剂、底肥和土壤混合均匀后装入塑料花盆，培养3个月，在此期间保持水分至田间持水量的70%。培养完成后播种小白菜种子，1周后每盆定苗3株，生长期间用去离子水补充水分，45 d后收获小白菜地上部分，先用自来水冲洗干净，再用蒸馏水冲洗3次，最后用滤纸擦干后称鲜质量，90 ℃杀青0.5 h，65 ℃烘干，粉碎后备用。同时采集土壤样品，自然风干后磨细并过20目尼龙筛备用。

1.3测定项目及方法

土壤有效Cd用0.05 mol·L-1的EDTA浸提，m(土)∶m(水)=1∶5，震荡2 h后过滤，土壤全Cd用EPA3052方法消解(硝酸-氢氟酸消煮)，土壤有效态Cd和全Cd均用原子吸收分光光度计火焰法测定[11]；植株Cd质量分数采用HNO3-HClO4(V1∶V2=4∶1)，原子吸收分光光度计石墨炉法测定。

1.4数据处理

用Microsoft excel 2003和SPSS 18.0对试验数据进行分析及作图，比较采用LSD法。

2结果与讨论

2.1添加改良剂对小白菜生物量的影响

5种添加改良剂的处理均可显著增加小白菜生物量(见图1)，与CK相比，F、T、L、FL和TL处理对小白菜生物量增幅分别为47.37%、38.78%、21.05%、57.75%和55.88%。且FL和TL配施效果好于单施F、T和L处理，其中FL处理可使供试土壤上小白菜生物量增产效果最好，增幅近60.00%，FL处理对小白菜生物量的增产效果略好于TL处理，但两者差异不显著；石灰、鸡粪、泥炭单施处理间对小白菜的增产效果顺序为F>T>L。

2.2添加改良剂对土壤Cd有效性和小白菜地上部分Cd质量分数的影响

由图2可知，施用改良剂对土壤Cd有效性的影响和对小白菜地上部分Cd质量分数的影响较一致，即施用改良剂的5个处理均可使Cd质量分数显著降低(图2)，且改良效果均为FL≈TL>F≈T≈L。由图2-A可以看出，与CK相比，F、T、L、FL和TL处理可使土壤有效Cd质量分数降低66.27%、65.06%、72.29%、84.34%和83.13%。由图2-B可以看出，F、T、L、FL和TL处理较CK可使小白菜地上部分Cd质量分数降低61.11%、55.56%、63.89%、80.56%和75.00%。

不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同

2.3小白菜地上部分Cd质量分数和土壤有效Cd质量分数的关系

由图3可以看出，小白菜地上部分Cd质量分数和土壤有效Cd质量分数呈正相关，相关系数为0.99，即土壤中有效Cd质量分数越高，小白菜地上部分Cd质量分数也越高，说明改良剂对降低小白菜地上部分Cd质量分数效果主要是通过降低Cd在土壤中的生物有效性来实现的。受Cd污染的土壤在加入改良剂后，可不同程度地降低土壤有效Cd质量分数，进而使小白菜体内的Cd质量分数随之降低。

图2　施用改良剂后土壤有效Cd和小白菜地上部分Cd质量分数

图3　土壤有效Cd质量分数和小白菜地上部分Cd质量分数的相关性

2.4施用改良剂对土壤pH的影响

土壤中重金属离子的生物有效性随pH的升高而下降，由表2可看出，除T处理外，其他处理均显著提高土壤pH，单施泥炭土壤的pH影响较小，这可能是T处理本身的土壤pH(5.45)较低导致的。F、L、FL和TL处理的pH分别比CK提高1.37、2.87、2.94和2.72。L、FL和TL 3个处理对土壤pH的提高效果显著好于单施鸡粪，但这3个处理之间对土壤pH的提高效果差异不显著。

表2　施用改良剂后土壤pH

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note:Different letters mean significant difference(P<0.05).

3讨论与结论

添加石灰对Cd污染土壤上作物的增产研究存在不同的结果，在Cd污染的酸性土壤上，添加石灰可增加作物生物量[12-14]，在中性土壤上(pH=6.82)，添加石灰对作物生物量影响较小[15]，产生该结果的原因可能是石灰施入酸性Cd污染土壤，提高了土壤pH，给作物生长提供一个相对良好的生长环境，故添加石灰对本试验的酸性土壤上小白菜生物量的增产效果较显著。另外，由于本试验中供试土壤本身的有机质质量分数较低，所以施用鸡粪和泥炭对提高小白菜生物量也有显著作用。

土壤有效重金属质量分数及作物对重金属的吸收受土壤性质的影响，如pH、土壤有机质、阳离子交换量等。如添加石灰可提高土壤pH，促进土壤中游离重金属形成沉淀，石灰中还含有一定量的铁、硅等离子，能够抑制作物对Cd的吸收，从而减小土壤中Cd对作物的毒害。Lee等[16]和廖敏等[17]研究表明，随着石灰用量的增加，土壤有效Cd质量分数下降，植物中各器官Cd质量分数也随之降低。本试验中鸡粪的pH为8.01，为碱性，可提高供试土壤pH，促使土壤中Cd形成沉淀，降低Cd生物有效性，此外，鸡粪还可以在土壤中分解为腐殖酸，该分解过程消耗大量氧气，使土壤处于还原状态，可能形成CdS等沉淀，腐殖酸中的羧基、羟基、酚羟基等基团还对Cd有螯合功能；泥炭可降低土壤有效Cd质量分数和小白菜地上部分Cd质量分数，原因可能是其分解可产生胡敏酸，对Cd在土壤中的生物活性有抑制作用[18]。有研究表明，添加有机物料可降低土壤重金属污染对作物的危害。如邵孝候等[19]研究表明，施用有机物料对酸性土壤Cd活性有一定的抑制作用。本研究与以上研究结果相一致，各处理均显著降低土壤有效Cd和小白菜地上部分Cd质量分数，其中添加鸡粪和泥炭提高了土壤有机质质量分数，添加石灰则是提高土壤pH。

本试验小白菜地上部分Cd质量分数和土壤有效Cd质量分数呈正相关(R2=0.99)，这与张青等[20]、Qiao等[21]、胡钟胜等[22]研究植株中Cd质量分数与土壤中交换态Cd质量分数呈正相关结论一致。受Cd污染的土壤在加入改良剂后，能不同程度地降低土壤有效Cd质量分数，进而使小白菜体内的Cd质量分数随之降低。另外，本试验除单独添加泥炭处理对土壤pH影响不显著外，其他各处理均可显著提高供试土壤pH，这与徐明岗等[23]、朱雅兰等[24]和Park等[25]研究结果类似。

综上所述，鸡粪、泥炭和石灰单施或配施均可显著提高Cd污染土壤上小白菜地上部分生物量，但不同处理对小白菜地上部分生物量增产效果有所差异，其增产顺序是鸡粪+石灰≈泥炭+石灰>鸡粪>泥炭>石灰；小白菜地上部分Cd质量分数和土壤有效Cd质量分数呈正相关(R2=0.99)，5种添加改良剂的处理均可降低土壤有效Cd质量分数和小白菜地上部分Cd质量分数，且不同处理间的改良效果是鸡粪+石灰≈泥炭+石灰>鸡粪≈泥炭≈石灰；除泥炭处理对供试红壤的pH影响不大外，其他4个处理均可以显著提高土壤pH，其中石灰处理的效应优于泥炭和鸡粪处理，通过添加改良剂提高土壤pH也是降低Cd对作物毒害的一种重要措施。

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Effects of Amendments on Growth ofBrassiachinensisand Cd Uptake in Cd-contaminated Red Soil

DAI Yunchao1, LI Wenxiang2，WANG Juanling3and LÜ Jialong1

(1.College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling Shaanxi712100, China;2.Shaanxi Monitoring Station of Agro-Environmental Protection, Xi’an710003, China；3.Soil and Fertilizer Sation of Agricultural Techology Center of Dali County,Shaanxi Province,Dali Shaanxi715100,China)

Effects of amendments [lime(L), chicken manure(F), peat(T), lime+chicken manure(FL), lime+peat(TL) ] application on biomass, Cd uptake byBrassiachinensis, soil available Cd and pH Cd contaminated red soils in Hunan were studied in a pot experiment. The results showed that all treatments significantly promoted the growth ofBrassiachinensis. The effects of mixing amendment application was better than single amendment application. The effects of these amendments was in order of FL≈TL>E>T>L. Compared with the control treatment, application amendment significantly decreased the Cd uptake ofBrassiachinensisand soil available Cd. The inhibition effects was in order of FL≈TL>F≈T≈L. The available Cd mass fraction in soil treated with different amendments was significantly positively correlated (R2=0.99) to Cd mass fraction inBrassiachinensisleaves, and the function of Cd mass fraction reduction inBrassiachinensisleaves was attributed to reduction of availability of Cd mass fraction in soil caused by amendments. All treatments significantly increased soil pH except for peat, and the effects was in order of FL≈TL>L>F>T.

Lime; Chicken manure; Peat; Cd; Red soil;Brassiachinensis

2015-06-23

2015-08-17

Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest(No. 200903015).

DAI Yunchao, male, doctoral candidate.Research area:heavy metals amendment of soil. E-mail:dai_xi_good@126.com

LÜ Jialong, male, professor, doctoral supervisor. Research area:soil chemistry. E-mail:ljlll@nwafu.edu.cn

(责任编辑：史亚歌Responsible editor:SHI Yage)

2015-06-23修回日期：2015-08-17

农业部公益性行业专项(200903015)。

代允超，男，博士研究生，研究方向为土壤重金属污染及修复。E-mail：dai_xi_good@126.com

吕家珑，男，教授，博士生导师，主要从事土壤化学研究。E-mail:ljlll@nwafu.edu.cn

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