不同镉污染水平下氮肥对稻田土壤中镉迁移转化的影响

2019-01-09孙向平曾粮斌

江苏农业科学 2018年23期

孙向平，严理，曾粮斌

(中国农业科学院麻类研究所，湖南长沙 410205)

2014年4月国家环境保护部和国土资源部公布的全国土壤污染状况调查公报显示，镉(Cd)的点位超标率最高，正式被确定为我国土壤的首要污染物[1]。镉是一种非常容易被水稻累积的重金属元素，具有很强的迁移性而且有严重的危害性[2]。据报道，我国每年由于土壤Cd污染的农产品超标达 14.6亿kg[3]，水稻是我国最重要的粮食作物之一，稻谷产量占全国谷物总产量的40%以上[4]。目前，稻田镉污染已经成为严重影响粮食安全生产的问题。Cd在土壤中因其高毒性和高移动性，采用传统物理或化学方法治理不仅成本高、周期长，且更易造成二次污染[5]。施肥作为农业生产中的增产措施，对土壤中重金属的生物有效性有显著的影响。水稻(OryzasativaL.)由于具有生物量大、适应性强、栽种技术成熟及遗传性状稳定等特点，也有国外学者利用水稻Cd高积累材料进行Cd污染农田修复[5]。有报道显示，高镉条件可以抑制植物生长导致减产，镉还会通过营养元素影响植物的气孔开放、蒸腾和光合作用，进入植物体后与相关酶结合抑制植物对水分的吸收和运输，抑制光合作用、呼吸作用及其他生理功能等[6]，也有报道称镉在低浓度下，能刺激作物的生长和发育[7]。氮素是作物生长和产量品质形成所必需的重要元素。采取有效措施减少污染土壤中镉进入植物的可食部位是关系到人体健康及农业持续发展的重要问题。

氮肥对土壤镉的影响已有大量研究报道，但关于氮肥施入对不同镉水平条件下土壤镉迁移转化及其生物有效性的报道还比较少。尤其是关于高Cd条件下施用氮肥对水稻生长以及重金属Cd在水稻植株中分布趋势的影响的报道较少。本研究通过设置不同的镉污染水平，以稻田土壤为对象，通过氮肥的施入研究不同梯度浓度Cd条件下，土壤镉的形态转化特征以及水稻各器官对镉吸收的影响。为通过农艺措施调控对重金属污染稻田实现边修复边利用的原则提供重要的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为湘晚籼13号。试验用土壤采自中国农业科学院麻类研究所10 hm2试验基地的黄泥土(酸性土壤)。试验时间为2015年4—10月，试验用肥料为市场上常规的商品肥料。试验用土壤和肥料基本化学性质及总Cd含量见表1。

表1 供试土壤和肥料主要理化性质

1.2 试验设计

试验采用室外盆栽试验，设置5个处理：CK(对照)、NT(模拟镉污染浓度为5 mg/kg)、LT(模拟镉污染浓度为 5 mg/kg)、MT(模拟镉污染浓度为10 mg/kg)、HT(模拟镉污染浓度为20 mg/kg)。每个处理设3个重复，共15盆。CK、NT不施肥，其他处理施氮150 kg/hm2、磷(P2O5)67.5 kg/hm2、钾(K2O)225 kg/hm2。土壤和有机肥分别风干并过4 mm筛，每盆装土16 kg，把土壤和相应肥料充分混合均匀，同时用CdCl2配制成溶液加入土壤中。盆栽过程中灌浆成熟期晒田7 d，其他时间保持盆栽土壤中1～2 cm水位高度。分别在分蘖期、拔节期、抽穗开花期、灌浆成熟期采取土壤样品。土壤样品风干后分别过1、0.149 mm筛备用。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 氧化还原电位(Eh)值、pH值测定方法 Eh值用氧化还原电位测定仪(ORP)原位测定。取过1 mm筛的土壤样品测定土壤pH值，测定方法采用去离子水浸提pH计法(水土比2.5 mL ∶1.0 g)。

1.3.2 重金属形态提取及测定方法 Cd形态的提取方法见表2。镉含量的测定采用原子吸收光谱法。

表2 重金属BCR连续化学提取法

1.4 数据分析

采用SPSS 20.0及Excel 2007软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 施用氮肥对不同镉污染水平下pH值的影响

由图1可知，镉污染土壤中施用氮肥降低了土壤的pH值。pH值在污染土壤中的变化幅度要大于没有污染的土壤，其中中度污染土壤中pH值的变化趋势与其他处理不同。水稻收获后土壤pH值的大小为LT>HT>MT>CK=NT。

2.2 施用氮肥对不同镉污染水平下Eh值的影响

由图2可知，镉污染土壤在水稻的拔节期前，土壤Eh值都高于没有污染土壤，但在水稻生育后期，污染土壤的Eh值要低于没有污染土壤，施用氮肥的高镉污染土壤中的Eh值在水稻生育期的变化要大于其他处理。中低镉污染水平Eh值的变化趋势与CK一致。水稻收获后，土壤Eh值的大小顺序为NT>CK>LT>MT>HT。高镉污染土壤中的Eh值比CK处理低16.9%。

2.3 不同处理对水稻各部位含镉量的影响

水稻收获后，根、茎、籽粒中镉的浓度及含量如表3所示，整个生育期施用化学氮肥后发现水稻根、籽粒中镉的浓度随着镉污染程度的增加而增加。在低镉污染水平下，籽粒中镉的浓度是没有污染土壤中的籽粒镉浓度的近3倍，根中镉的浓度达到了未污染土壤的10倍。镉污染浓度为20 mg/kg的土壤中，水稻收获后，籽粒中镉的浓度达到了0.731 mg/kg。镉的吸收主要集中在水稻的根部。高镉污染没有提高水稻中镉的转运系数。水稻收获后，各部位镉的含量，以根部截留最为明显。在本研究中，在高镉污染水平条件下，施用氮肥对水稻的产量变化幅度影响较小，镉对水稻生长的毒害作用并没有体现出来。

表3 不同处理对水稻各部位镉含量的影响

土壤中镉的形态变化如图3所示，可见外源镉的添加增加了水稻土壤中可交换态镉的含量。在镉污染条件下，施用氮肥对各污染水平条件下土壤中镉形态的变化趋势影响较小。但污染土壤中镉的形态变化趋势与没有污染土壤中镉的形态变化趋势不同，水稻收获后，CK处理土壤中残余态镉的比重要大于其他处理。施用氮肥处理条件下，中高度镉污染水平(≥10 mg/kg)水稻收获后土壤中残余态镉比重要大于低度镉污染土壤。

3 讨论

土壤中Cd的生物有效性受多种因素的影响，土壤中镉含量、土壤pH值和氧化还原电位等都会影响植物对镉的吸收。研究表明，施用氮肥能改变土壤中的理化性质，明显增加植物中重金属的浓度[8]。本研究在水稻的生育后期，污染土壤的Eh值要低于没有污染的土壤。选取不同水稻品种，根据GB 2762—2005《食品中污染物限量》对大米中Cd的限量标准(≤0.2 mg/kg)，水稻土土壤总Cd含量临界值分别为2.0、3.1 mg/kg，其中土壤中Cd含量是影响作物Cd吸收的主要因子[9]。绝大多数作物对Cd的吸收随土壤中Cd浓度的升高而增加，作物体内Cd浓度与土壤中总Cd含量和有效Cd含量都呈显著正相关[10]。本研究中水稻根、茎、籽粒镉含量随土壤镉浓度的增加而增加。大量研究认为，低浓度重金属对植物有积极的“刺激作用”，但这种刺激作用受到浓度的限制[11]。曾翔等报道，有些水稻品种在镉处理浓度为10 mg/L时，处理组根系数量、最大根系长度和发芽率等指标高于对照组，表明此处理浓度对种子的萌发具有促进作用[12]。当镉浓度为3 mg/L时，植物发芽率显著降低，根短、根少，根尖的颜色略呈红褐色，对植物根系生长产生毒害作用[13]。水稻根系吸收土壤环境中的镉并最终积累在稻米中，在镉含量为 20 mg/kg 的土壤中，水稻根系的生长并没有受到镉的毒害作用。水稻收获后，镉吸收主要集中在根部。镉浓度的增加使得蔬菜中的镉浓度也增加，但差异性不显著[14]。研究表明，水稻品种的镉耐性与其吸收镉相对较少或向地上部运输比例较低有关[15]。高镉污染没有提高水稻中镉的转运系数。施入生物炭在中低镉污染水平下，根际与非根际土壤中镉形态变化趋于一致但镉形态含量存在差异。在高镉污染水平下，生物质炭引起根际与非根际土壤中镉形态变化但不显著[16]。施用氮肥处理条件下，中高度污染水平(≥10 mg/kg)水稻收获后土壤中残余态镉比重要大于低度污染土壤。