三种改良剂对土壤中镉（Cd）的钝化及小白菜品质的影响

2022-02-15徐守俊党蕊娟莫测辉吴志超石含之李富荣杜瑞英

湖北农业科学 2022年22期

徐守俊，孙金，党蕊娟，王旭，莫测辉，吴志超，石含之，李富荣，杜瑞英

（1.广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所/农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（广州）/广东省农产品质量安全风险评估重点实验室，广州 510640；2.华中农业大学，武汉 430070；3.深圳润康生态环境股份有限公司，广东深圳 518102；4.暨南大学，广州 510632）

根据《全国土壤污染状况调查公报》的报道，镉（Cd）是中国土壤重金属污染最严重的元素之一，其点位超标率居重金属污染之首。工矿违规排放、污水灌溉、农药及肥料不合理施用等人为外源输入活动加剧了中国土壤Cd 污染问题［1］。土壤中的重金属镉可以通过农产品的累积富集进入食物链，人们长期摄入镉超标的农产品将会对身体健康造成不同程度地损害［2］。小白菜是人们日常生活中不可或缺的一种叶菜类蔬菜，但其对Cd 具有较强的富集能力［3］。Cd 是植物非必须元素，其影响小白菜的生长和品质，而且Cd 污染土壤种植的小白菜存在重金属Cd 超标风险，将会对人体健康带来不利影响［4-6］。

目前，原位钝化技术是解决中国农田土壤重金属超标问题高效且能适用于大范围推广的技术手段之一。原位钝化是通过向重金属污染土壤中添加土壤修复剂，从而降低土壤重金属的移动性和生物有效性［7］。常用的土壤修复剂主要包括含硅物质、含钙物质、含磷物质、金属氧化物、黏土矿物以及有机质等［8-10］。石灰、煤灰、钢渣、高炉渣等碱性物质可以提高土壤pH，促进重金属生成硅酸盐、碳酸盐、氢氧化物沉淀，可降低土壤中重金属有效性［8］。虽然这些产品能够在一定程度上对土壤中重金属产生钝化作用，但是也对土壤理化性状带来不利影响，最终可能影响农产品产量和品质［11-13］。例如，施用过多的钙质碱性物质会造成土壤板结，降低作物对矿质养分的吸收效率，从而对作物产量和品质造成不利影响［14］；当羟基磷灰石用量超过5%（质量分数）就会对某些植物产生毒害，抑制生长［15］。

因此，本研究选用白云石煅烧物、腐殖酸、山梨糖醇，并按照一定比例复配成一种富含钙镁、有机质、糖醇螯合钙的改良剂，以小白菜为研究对象，设置4 个不同施用量处理，研究复配改良剂对土壤Cd 的钝化效果以及对小白菜产量与品质的影响。拟通过本研究推断出此改良剂的最佳施用量，为Cd 污染区域叶菜类种植与安全管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤改良剂

土壤改良剂主要物料包括白云石煅烧物、腐植酸、山梨糖醇及尿素等。白云石煅烧物与腐植酸配料均匀混合并粉碎备用，然后将山梨糖醇、尿素混合并加水搅拌溶解分散后与上述物料（白云石煅烧物与腐植酸混合粉末）均匀混合，挤压造粒后干燥，最后对样品进行检测评价。土壤改良剂重金属含量及主要成分含量如表1 所示。

表1 供试土壤改良剂中重金属及主要成分含量

1.2 供试材料

供试小白菜品种为广东省主栽品种，由广东省农业科学院蔬菜研究所提供。

供试土壤为清远市英德市大站镇酸性重金属Cd 污染土壤，其pH 为5.75，土壤总Cd 含量为0.607 mg/kg。土样为0～20 cm 耕层土壤，经风干、粉碎过10 目筛后作为盆栽土壤。

1.3 试验设计

本试验采用室内土壤盆栽培养。试验共设置3种改良剂处理和1 个对照：0 g/kg 土（T0）、1.50 g/kg土（T1.5）、3.0 g/kg 土（T3.0）、4.5 g/kg 土（T4.5），每个处理重复4 次。种植前，土壤施用等量的底肥，每千克土施入N 0.25 g，P2O50.10g，K2O 0.20g，氮肥为尿素，磷肥为磷酸二氢钾，钾肥为硫酸钾，均为分析纯。每个处理的改良剂、肥料充分与土壤混合后，加去离子水使土壤水分含量达到田间持水量的60%，平衡2 周后风干磨碎重新混匀装盆。每盆直播后间苗，保证每盆留存5 株长势一致的小白菜，种植期间根据土壤干湿情况浇入适量的去离子水，并加盖防虫网防治虫害。培养28 d 后收获地上部并采集土壤样品。

1.4 样品采集与分析

土壤理化性质的测定：pH 用水浸提法，m（土壤）∶v（水）＝1∶2.5，用pH 计测定。土壤有效态Cd 含量采用DTPA 浸提剂提取后，利用电感耦合等离子体（ICP-MS）测定其含量。

植物样相关指标测定：小白菜地上部利用去离子水洗干净后，吸水纸吸干水分，利用百分之一天平称量鲜重并记录。地上部Cd 含量采用鲜样匀浆后，利用HNO3-HClO4（9∶1）微波消煮系统进行消煮，然后利用ICP-MS 测定。小白菜地上部可滴定酸含量测定方法为酸碱中和转移法；小白菜地上部维生素C 含量测定方法为2，6-氯酚靛酚法；小白菜地上部可溶性固形物含量测定方法参照折射仪法。

1.5 数据分析

数据采用Excel软件进行初步处理分析，然后采用SPSS 20.0 软件进行单因素方差分析，数据呈现均为平均值±标准误差（n=4），P＜0.05 为显著差异。利用Sigmaplot 12.0 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 添加不同量改良剂对土壤pH、有效态Cd 含量的影响

针对添加不同量改良剂处理下土壤pH 及土壤有效态Cd 进行比较分析，结果如图1 所示。施用3种改良剂可显著提高土壤的pH（P＜0.05），土壤pH从T0 处理（对照）的5.75 提升到T4.5 处理的7.28，T1.5、T3.0、T4.5 处理的pH 相比T0 处理分别提高了12.9%、24.5%、26.7%。施用3 种改良剂可以显著降低土壤镉活性，起到一定的钝化效果，土壤有效态镉含量分别比T0 处理降低18.5%、29.7%、30.2%。结果表明，施用土壤改良剂可以有效地钝化土壤中的Cd。

图1 添加不同量改良剂对土壤pH 和有效态Cd 含量的影响

2.2 添加不同量改良剂对小白菜生长及地上部Cd含量的影响

测定小白菜地上部生物量及地上部的Cd 含量，结果如图2 所示。施用改良剂处理（T1.5、T3.0、T4.5）的小白菜长势优于T0 处理；施用改良剂处理的地上部鲜重相较于T0 处理分别提高了5.5%、7.9%、12.9%；施用不同量的改良剂也显著降低了小白菜地上部Cd 含量，分别降低了15.0%、34.5%、36.9%，表现出显著差异，地上部Cd 含量远低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762—2017）规定的叶菜类标准0.2 mg/kg。结果表明，施用一定浓度的改良剂对小白菜生长起到明显的促进作用，同时可以保障小白菜地上部Cd 含量达到安全水平。

图2 不同改良剂添加量下小白菜长势（a）、生物量（b）及可食部位Cd 含量（c）的差异

2.3 施用不同量改良剂对小白菜品质的影响

施用改良剂在一定程度上提高了小白菜地上部的品质，如表2 所示。相比T0 处理，T3.0 和T4.5 处理显著降低了可滴定酸含量，分别降低了29.55%、24.24%；T1.5、T3.0、T4.5 处理显著提高了维生C 含量，相对T0 处理分别提高了11.3%、12.7%、23.6%；施用不同浓度改良剂对小白菜地上部可溶性固形物含量无显著影响。结果表明，合理施用改良剂可以有效地提升小白菜品质。

表2 施用不同量改良剂对小白菜品质的影响

3 讨论

3.1 3 种改良剂对土壤重金属Cd 生物有效性的影响

研究表明，通过施用适宜浓度的土壤改良剂与土壤中重金属发生吸附、沉淀、离子交换、氧化还原等一系列反应，从而改变重金属在土壤中的赋存形态，降低其在土壤中的移动性和生物有效性，最终减少重金属对农作物的毒害以及在农产品中的富集，常用的土壤改良剂主要包括钙质、硅质、镁质等材料。例如，施用含钙质的石灰、石灰石、白云石粉、纳米级Ca/CaO 等可提高酸性土壤pH 或吸附反应，从而降低重金属活性［16-21］。其中，硅质材料改良剂可通过降低根际土壤镉活性以及减少根系中镉向地上部运输等机制降低农作物对重金属的吸收累积［22，23］。例如，施用硅肥在一定程度上降低了小白菜根际土壤有效镉含量。武成辉等［24］研究表明，在镉超标土壤施加0.5%的新型硅酸盐钝化剂可使小白菜Cd 含量降低59.17%。本研究施用的3 种改良剂主要由白云石煅烧物及腐殖酸等配制而成，富含钙、镁、硅等营养元素，同时pH 表现为碱性。3 种改良剂均可不同程度地提高土壤的pH，可能和该改良剂富含钙、镁、硅等碱性物质使其具有较高的pH 有关，同时，通过降低土壤中有效态镉含量，从而显著降低小白菜地上部的镉含量。武成辉等［24］和康宏宇等［21］研究发现，施用含钙质和硅质的改良剂具有提高土壤pH 和降低土壤镉生物有效性的作用。通过营养液培养试验发现，当腐殖酸处理的浓度为100 mg/L 时，可显著降低生菜中地上部镉含量［25］。本研究结果从效应机理方面与前人研究结果一致。

3.2 3 种改良剂对小白菜产量和品质的影响

本研究中所施用的改良剂富含作物生长所必须的钙、镁等营养元素，同时含有腐殖酸和糖醇钙等成分，单施或复配均能提高农产品产量和品质。研究表明，施用适宜浓度钙肥、镁肥可促进蔬菜的生长发育，提高蔬菜的产量与品质［26-28］。例如，施用一定浓度的硝酸钙和硫酸镁均能显著地提高小白菜地上部中维生素C 和还原糖的含量［29］。与常规施肥相比，施用糖醇螯合钙可提高茄子产量和品质，增产可达9.11%，VC 含量、可溶性固形物含量和糖酸比分别提高了85.38%、34.55%和49.51%［30］。也有研究表明，配施钾镁肥比施用单质硫酸钾具有显著的增产效果，增产幅度可达41.0%，表明施用适量镁肥可以起到显著增产作用［31］。腐殖酸作为一种功能性肥料，适量施用可以提高肥效、改良土壤，对农产品产量和品质具有显著提升作用。例如，当每千克土施用2.48 g 的腐殖酸时，可显著提高芹菜和韭菜的产量，施用100 mg/L 腐殖酸可以通过促进生菜的氮代谢和光合作用能力显著提高其产量［32-34］。此外，通过硅钙和腐殖酸合理复配对蔬菜的生长具有更好地促进作用，可显著提高蔬菜产量［35］。结合前人研究结果，通过对比发现，本研究中施用不同比例白云石煅烧物、腐殖酸等复配成的土壤改良剂均能不同程度地提高小白菜产量和品质。