施用锌肥对水稻吸收不同污染水平土壤中镉的影响

应金耀,徐颖菲,杨良觎,谢国雄,章明奎*

(1.浙江省杭州市萧山区农技推广中心,浙江 萧山 311203;2.浙江大学 环境与资源学院,浙江 杭州 310058; 3.浙江省杭州市植保土肥总站,浙江 杭州 310020)

镉是生物毒性较大的重金属元素之一,也是我国农田土壤最主要的污染重金属元素,大宗类农产品水稻等粮食中镉污染与超标在我国许多地区都有报道,稻米镉污染问题已成为我国民众关注的热点[1-2]。人体摄入的镉主要来自污染土壤中生产的农产品[3-6],长期摄入镉超标的食品可引发一系列的疾病。因此,阻控或减少农作物从污染土壤中吸收镉被认为是保障农产品安全的重要途径[7-8]。影响土壤中镉的生物有效性的因素较为复杂,土壤性状、植物品种、肥料施用、其他金属元素状况都可影响作物对土壤中镉的吸收[9-11]。其中,镉与锌、铁、锰的交互作用一直备受研究者的关注,并被用于对农产品中镉的控制[12-17]。镉与锌在元素周期表中属同族元素,具有相似的地球化学与环境行为,它们在土壤中和植物体内常常发生相互的竞争与拮抗作用,植物对锌镉的吸收和积累存在着一定的相互作用。有研究表明,施用锌肥能缓解作物镉引起的生理胁迫[18],减少作物对镉的吸收[19],从而降低农产品中镉的含量。施用锌肥可增加水稻的产量,并降低水稻籽粒中镉的含量[20-23]。稻米中镉含量与锌含量存在负相关[4]。但也有一些研究表明,施锌增加了作物中镉的积累[24]。Nan等以玉米和春小麦为试验材料,通过系统的研究发现这两种作物从土壤中吸收的锌与镉存在线性、指数、一元二次方程和一元三次方程等多种相互关系[25]。可见,锌对作物吸收土壤中镉的作用较为复杂。以上试验结果的差异可能与作物品种、生长条件、镉的污染水平和锌的施用方法等有关。为此,我们通过田间微区试验,探讨了土施与叶面喷施锌肥对不同镉污染水平土壤上生长水稻对土壤镉吸收的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在某一污染农田上进行,土壤类型为培泥砂田。试验前供试土壤基本理化性状:有机质含量29.56 g/kg，全氮1.87 g/kg，有效磷26.54 mg/kg，速效钾83.69 mg/kg，全Zn 79.54 mg/kg，全Cd 0.48 mg/kg， pH值为5.54。供试水稻品种为“秀水63”,采用育苗(苗龄5叶)移栽方法,移栽密度为18万穴/hm2；6月5日移栽,10月5日收获。

1.2 试验方法

试验设置9个处理,由3个镉污染水平土壤和3种锌施用处理(即不施锌、土施锌肥与喷施锌肥)组合而成(表1)。每一处理3个重复,小区总数为27个,小区面积为4 m2。通过在原污染土壤的基础上添加不同量的Cd(NO3)2获得3个不同镉污染水平的农田土壤(其中包括不添加镉、保留原污染水平的农田土壤),Cd(NO3)2在试验前2个月加入并与土壤充分混合，老化后测得的土壤镉含量分别为0.48、1.52和3.47 mg/kg(分别代表轻度、中度和重度镉污染水平)。土施锌肥(ZnSO4)的用量为30 kg/hm2,试验前与表土充分混匀。叶面喷施锌肥在分蘖、拔节期与抽穗期各进行2次(共6次)；喷施ZnSO4溶液的浓度为0.1%,每次喷施至叶面湿润为止。各小区的其他管理措施均相同,其中化肥用量:15-15-15复合肥80 kg/hm2作基肥,尿素30 kg/hm2、硫酸钾30 kg/hm2在拔节期施用。

表1 田间小区试验处理设计

水稻收获时测算稻谷产量。每一混合土样由各小区内7个分样混合而成。采集的土壤样品经风干后分别过2 mm和0.15 mm塑料土筛,用于土壤养分和重金属测定。同时,采集水稻植株样(分为根部、秸秆和籽粒样),依次用含少量洗洁精的自来水、纯自来水冲洗2～3次,去除附着的灰尘及其污染物质,之后继续用去离子水冲洗2～3次。将清洗后的植株样品混匀、烘干,用于重金属分析。植物样经高氯酸消化后用石墨炉-原子吸收光谱法测定锌和镉;土壤样品经盐酸-硝酸-高氯酸消解后,用石墨炉-原子吸收分光光度法测定镉，用原子光谱吸收法测定锌。在分析过程中采用标准物质进行质量控制,将各重金属的测试误差控制在5%以内，重复样间的相对误差控制在10%以下。土壤有效态锌和镉用DTPA提取,用石墨炉-原子吸收光谱法进行测定。土壤有机质、全氮、全磷等养分含量和pH值采用常规方法进行测定。

2 结果与分析

2.1 施用锌肥对水稻产量的影响

施用锌肥对3种镉污染水平土壤的pH值和有机质含量无明显的影响(表2)。但施用锌肥对水稻产量有一定的影响,对于土壤镉污染水平较高的土壤(3.47 mg/kg),与对照比较土施锌肥可显著增加水稻产量,而喷施锌肥对水稻产量的影响不明显。而对于土壤镉污染水平较低(0.48 mg/kg)和中度的土壤(1.52 mg/kg),与对照比较土施或喷施锌肥虽可略增水稻产量,但增产幅度均没有达到显著水平(表2)。

表2 施锌对水稻产量和收获时土壤理化性状的影响

2.2 施用锌肥对土壤有效锌和植物中锌含量的影响

从表3可以看出：在试验中期,土施锌肥可显著增加3种镉污染水平土壤的有效锌含量,但叶面喷施锌肥对土壤有效锌含量的影响不明显；至试验后期,土施锌肥土壤的有效锌含量仍显著高于对照的,但增幅明显下降。由表4可知：无论是土施锌肥还是叶面喷施锌肥对植物中锌积累均有明显的效果,它们的锌含量均显著高于对照的；土施锌肥增加水稻根部锌含量的效果明显优于叶面喷施锌肥的,而叶面喷施锌肥增加秸秆和籽粒锌含量的效果优于土施锌肥的。

2.3 施用锌肥对土壤有效镉和植物中镉含量的影响

施用锌肥对轻度和中度镉污染土壤中镉的有效性影响不明显,土施锌肥却明显增加了重度污染土壤中镉的生物有效性(表3)。由表4可见：对于镉污染较轻的土壤,土施锌肥和叶面喷施锌肥均增加了水稻根部镉的积累,但降低了秸秆和籽粒中镉的积累,并以土施锌肥对秸秆和籽粒中镉积累的降低效果较为明显，土施锌肥与叶面喷施锌肥后水稻籽粒中镉含量比对照分别下降了37.04%和25.93%；对于镉中度污染的土壤,土施锌肥和叶面喷施锌肥对降低水稻根部、秸秆和籽粒中镉的积累均有一定的效果,以土施锌肥降低秸秆和籽粒中镉积累的效果较为明显，土施锌肥与叶面喷施锌肥后水稻籽粒中镉含量比对照分别下降了28.21%和20.51%；对于镉污染较重的土壤,土施锌肥和叶面喷施锌肥增加了水稻根部和秸秆镉的积累,同时,土施锌肥也增加了籽粒中镉的积累(比对照增加了13.23%),而叶面喷施锌肥可降低籽粒中镉的积累(比对照下降了16.17%)。

表4 施锌对水稻秸秆和籽粒中锌、镉含量的影响 mg/kg

3 讨论

镉是土壤-植物系统中毒性和迁移性最强的重金属元素之一,锌是高等植物生长必需的营养元素,镉与锌之间的交互作用近年来受到众多研究者的关注[26-27]。由于镉离子与锌离子有相同的离子半径及较为相似的化学性质,所以两者易在土壤与植物体内的相同吸附位点发生竞争,从而产生交互作用,但锌与镉的交互作用较为复杂,可以是协同、拮抗或无直接相关[20-24]。在土壤中,锌与镉可竞争土壤中粘土矿物、氧化物及有机质上的阳离子交换吸附位点[28],因此,理论上土施锌肥可促使镉的解吸,增加土壤中镉的有效性。但本研究的结果表明,在镉轻度与中度污染的土壤中,土施锌肥提高土壤中镉有效性的效果并不明显,只有在镉重度污染的土壤中,土施锌肥才能明显增加土壤中镉的生物有效性(表3)。其原因是:在镉轻度和中度污染的条件下,土壤胶体表面被镉离子占据的点位较少,因此肥料锌对胶体表面镉的解吸不明显;而在镉重度污染的条件下,土壤胶体表面有较多的点位被镉离子占据,此时施锌可导致较为明显的镉的解吸,从而能增加土壤中镉的有效性。由于土施锌肥在轻度和中度污染的土壤中对土壤镉的有效性影响不明显,而土施锌肥明显增加了土壤中锌的有效性,因此,土施锌肥后增加了镉轻度和中度污染土壤中有效锌与有效镉的比值,且比值相对较高(镉轻度污染土壤中不施锌对照与土施锌肥处理的土壤有效锌与有效镉的比值分别为20.82和72.38;镉中度污染土壤中对应的比值分别为7.64和24.56)。而在镉高度污染的土壤中,虽然土施锌肥也增加了土壤中有效锌与有效镉的比值,但此比值明显较低(镉重度污染土壤中不施锌对照与土施锌肥处理的土壤有效锌与有效镉的比值分别为2.73和7.88)。这可能也是在镉轻度和中度污染农田中土施锌肥降低籽粒中镉积累而在镉重度污染农田中施用锌肥反而增加籽粒中镉积累的原因。这一结果表明,在镉轻度和中度污染的农田中施锌可降低植物根部对镉的吸收。这与一些文献报道的结果[20-23,29-30]一致。

此外,锌的存在可影响植物对镉的运输,施锌可阻止镉从根系的木质部运输到茎叶部[31-32]。由于镉与锌的吸收和运输可能共用细胞质上的同一个转运子,当两种离子同时存在时,将竞争转运子的结合位点,因此由施肥引入的高浓度锌可优先竞争结合位点,阻止镉向韧皮部的转运,这与施锌(包括土施锌肥和叶面喷施锌肥)增强了锌的竞争能力、减弱了镉的竞争能力有关,从而使进入植物体内的镉多滞留在根部和秸秆中。在镉重度污染土壤中,由于有效镉水平较高,相应地进入植物体内镉的数量也较多,因此锌的竞争优势并不明显,因此施锌降低籽粒中镉积累的效果不显著。

本研究发现,叶面喷施锌肥不影响土壤中有效镉的水平,而明显增加了稻株体内锌的含量,因此叶面喷施锌肥抑制水稻籽粒中重金属积累的效果较为稳定。土施锌肥因同时改变了土壤中有效态锌和有效态镉的水平,而这两者的增幅不同可能与土壤重金属污染程度有关,因此土施锌肥是否能抑制籽粒中镉的积累因土壤污染程度不同而有所差别。土施锌肥是降低还是增加籽粒中镉的积累可能与土壤中锌镉比的高低有关,这还有待于进一步研究。

4 结论

施用锌肥对水稻中镉积累的影响因土壤镉污染程度、锌肥施用方法及水稻器官不同有较大的差异。叶面喷施锌肥能有效抑制不同污染土壤上生长水稻籽粒中镉的积累。土施锌肥对轻、中度污染土壤上生长的水稻籽粒中镉积累有明显的抑制作用,但在重污染土壤上土施锌肥反而增加了水稻籽粒中镉的积累。在镉轻度、中度污染土壤上,土施锌肥抑制水稻籽粒中镉积累的效果好于叶面喷施锌肥。