有机肥、调理剂和阻控剂在生菜种植中的降镉效果

2022-11-07汪玉磊贾生强徐立军谢炜王云龙苏瑶

浙江农业科学 2022年11期

汪玉磊，贾生强，徐立军，谢炜，王云龙，苏瑶*

(1.浙江省耕地质量与肥料管理总站，浙江杭州 310000； 2.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，浙江杭州 310021；3.桐庐县农业技术推广中心，浙江桐庐 311500)

自20世纪末，有关蔬菜地重金属污染报道陆续增多，且污染面积日益扩大，多为中轻度污染，且主要重金属污染元素为镉(Cd)[1-2]。为保障农业生产功能，对中轻度Cd污染蔬菜地，通过“边生产边修复”的模式进行治理和修复[3]。生菜是居民日常食用蔬菜，属于Cd高积累叶菜类蔬菜，Cd含量超标风险高，如何采取有效措施降低生菜Cd超标风险，是保障食品安全和农业可持续发展的重要问题。

镉污染土地的修复主要是直接减少土壤中镉含量或者改变土壤中镉的存在形态，降低其活性和迁移性。土壤调理剂/钝化剂能通过吸附、沉淀、络合等作用降低重金属镉在土壤中的移动性和生物有效性[4]，通过抑制植物吸收转运重金属过程来修复重金属污染农田，减少农作物重金属富集。施加生物有机肥可以提供丰富的营养元素和有机质，增强土壤颗粒对总金属的吸附并提高作物的抗逆性，进而降低作物对重金属的吸收[5-7]。叶面阻控剂也是一种常用的土壤重金属镉污染修复剂[8]，这一技术具有养分利用率高、肥效好、使用方便等特点[9]，富含的微量元素可以显著影响作物对重金属镉的吸收，还能促进其生长、提高其抗逆性[10-11]。因此，探讨钝化剂、有机肥与叶面阻控剂配施对土壤重金属有效性及作物富集的影响具有重要现实意义。

本研究选取金华金东区某受重金属污染的菜地，以当地主栽生菜品种为研究对象，通过设置不同调理剂与有机肥梯度、配合施用叶面阻控剂等综合技术等处理，旨在为当地蔬菜农业生产探明调理剂、有机肥最佳施用量组合，为污染地区蔬菜安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年10—12月在金华市金东区孝顺镇横塘俞村某蔬菜地进行(29°11′56.3″N，119°55′10.56″E)，面积约为0.2 hm2。试验区域土壤理化性状如下:pH 5.78、有机质18.41 g·kg-1、碱解氮158.42 mg·kg-1、有效磷355.05 mg·kg-1、速效钾478.5 mg·kg-1。土壤中镉含量0.66 mg·kg-1，超过农用地土壤污染风险筛选值0.3 mg·kg-1(GB 15618—2018)，为供试菜地的主要污染物。

1.2 试验材料

供试蔬菜作物选生菜，品种为意大利生菜，购自当地种肥公司。试验所用有机肥为腐殖酸有机肥；调理剂为江苏天象土壤调理剂，叶面阻控剂为江苏天象3号，均由江苏天象生物科技有限公司制备。

1.3 处理设计

试验共设计20个处理，每个处理设置3个重复。进行随机区组分布，其中每个小区面积为30 m2，各小区调理剂、有机肥与叶面阻控剂用量如表1所示。

表1 试验设计处理用量

1.4 样品采集与方法

待蔬菜成熟后，各处理采用梅花法进行5点取样，采集土壤和蔬菜样品。土壤采集后，经风干、粉碎，过 0.15 mm 孔径筛后用于分析土壤性质。生菜收集后，采用去离子水清洗干净，烘干、称重、粉碎，过0.15 mm 孔径筛，备用。

生菜样品中Cd 含量参照GB 5009.15—2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》，采用原子吸收光谱法测定。土壤有效态Cd 含量参照GB/T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》，采用二乙烯三胺五乙酸浸提-电感耦合等离子体发射光谱法测定。土壤理化性质的测定:土壤 pH参照 NY/T 1121.2—2006《土壤检测第2部分：土壤pH的测定》采用电位法测定(土液质量比为1∶2.5)。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据初步处理，采用SPSS 20.0对试验结果进行单因素方差分析，采用Design Expert 8.0进行响应曲面分析，采用SIGMAPLOT 8.0制图。

2 结果与分析

2.1 调理剂和有机肥施用对生菜可食部分Cd积累的影响

相较于空白处理组(0.202 mg·kg-1)，单施土壤调理剂能显著降低生菜可食部分中Cd含量(0.154 7～0.180 2 mg·kg-1)，表明调理剂的施用能有效阻控土壤中Cd向生菜的迁移。其中在施用量3 750 kg·hm-2内，随施用量的增加效果略有提高；但当单施调理剂用量达6 000 kg·hm-2时，生菜可食部分Cd含量(0.168 mg·kg-1)高于施用量3 750 kg·hm-2(0.155 mg·kg-1)，说明土壤调理剂用量超过3 750 kg·hm-2后对Cd的阻控效果无明显提高，甚至可能产生负面影响(图1)。这可能是由于调理剂通过螯合作用吸附重金属，从而阻止土壤中镉向有效态转化，但当调理剂施用量过高时，酸溶态镉反而会增多，可能是因为调理剂浓度过高，已达到平衡吸附量。

图中横线表示生菜可食部分Cd含量国家标准限值，柱上无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)，图3同。

相较而言，单施有机肥量为1 500 kg·hm-2时无显著效果(可食部分Cd含量约0.199 mg·kg-1)，但有机肥施入量为3 750和6 000 kg·hm-2则能显著降低生菜可食部分Cd含量，分别到0.149和0.128 mg·kg-1，可见生菜可食部分Cd的积累可随有机肥施入量的增加而下降，表明有机肥的施用可有效阻控土壤中Cd向生菜的迁移。此外，施入3 750和6 000 kg·hm-2有机肥的效果优于施入同样量的调理剂，Cd含量分别降低4%和24%，表明针对本试验而言，有机肥对土壤Cd向生菜可食部分迁移的阻控能力强于土壤调理剂。

与单施调理剂或有机肥相比，两种材料的同时施用仅在有机肥用量1 500 kg·hm-2，调理剂用量6 000 kg·hm-2的组合下，相较于单施1 500 kg·hm-2有机肥显著减少生菜可食部分Cd含量；此外，在调理剂用量1 500 kg·hm-2条件下，生菜可食部分Cd含量随有机肥施用量增加而略有下降。而其他组合均表现为增加生菜可食部Cd含量，尤其是施用量都较高时。由此表明，有机肥和调理剂同时较大量施用会发生明显的拮抗效应，显著降低对土壤Cd的阻控能力；但在有机肥或调理剂施用量低于1 500 kg·hm-2时，这种拮抗效应相对较微弱，此时可以通过增加另一材料的施入量达到对Cd迁移的有效阻控。

2.2 最佳调理剂和有机肥施用量预测

对试验中的调理剂和有机肥施用量2个因子采用Box-Behnken进行处理设计，利于各处理生菜可食部分Cd含量(表2)，通过多项式回归分析对实验数据进行回归拟合，建立Cd含量的模型方程如下：

表2 各处理生菜可食部分Cd含量

R=0.194 80-1.350 765×10-3×A-2.401 695×10-3×B+1.288 900 5×10-5×AB。

(1)

式中：R为生菜可食部分Cd含量(mg·kg-1)；A为调理剂用量(kg·hm-2)；B为有机肥用量(kg·hm-2)。

对模型方程方差分析，P<0.01表明本实验所选用的模型与实测值间能较高吻合(P=0.005 2**)，说明所得的模型方程对实验数据的拟合度较好，可用此模型来分析和解释本实验中所选影响因子对生菜可食部分Cd积累的影响。R2值为0.75，说明有75%的生菜可食部分Cd积累变异分布在所研究的2个因子中。

模型的高度显著项(P<0.01)有调理剂用量的线性项(P=0.019 3**)、调理剂和有机肥用量的交叉项(P=0.001 8**)，由此表明，调理剂的用量显著影响生菜可食部分的Cd积累，而调理剂和有机肥同时施用也会对生菜可食部分的Cd含量产生显著影响，且该影响具有明显的非线性关系。

从公式(1)的分析可以预测，拟将生菜可食部分Cd含量下降至1.4～2.0 mg·kg-1时，调理剂和有机肥的最佳施用量分别是487.5和5 550 kg·hm-2。该组合下生菜可食部分Cd含量的模型预估值为0.143 mg·kg-1。设置生菜可食部分Cd含量0～2.0 mg·kg-1，模型给出的最优组合是调理剂施用量为0，有机肥施用量6 000 kg·hm-2，预估Cd含量为0.131 mg·kg-1；而仅施调理剂6 000 kg·hm-2时，Cd含量为0.159 mg·kg-1。

以数学模型为基础，通过Design Expert软件绘制Cd含量与因素的响应曲面图(图2)。可食部分Cd含量随调理剂和有机肥单独施用量的增加而减少，但两者同时施用时，则随施用量的增加而增加，表明试验用调理剂和有机肥单独作为安全利用技术实施时均能起到较好的重金属阻控效果，但二者同时施用时，其效果会有所抵消，这可能与两种材料对重金属的阻控原理不同有关。调理剂中主要包含钙、镁等物质，可以提高土壤pH，改善土壤酸化，进而减少有效Cd的形成，抑制其向作物迁移。有机肥则主要通过其富含的腐殖酸等有机质对重金属的螯合作用，实现阻控。两种材料同时大量施用时，有机肥中的功能成分可能会与调理剂中的功能成分发生反应，导致其对重金属的钝化和阻控效果大幅降低。对于本试验菜地，单施有机肥效果优于单施调理剂，这主要是由于本地区土壤为弱酸性，施用调理剂所钝化的重金属含量相对有机肥螯合的重金属含量较低，因此，施加调理剂的效果相对较弱。

图2 生菜可食部分Cd含量对调理剂和有机肥每667 m2施用量的响应曲面

2.3 叶面阻控剂配施对生菜可食部分Cd含量的影响

在调理剂和有机肥都同时施用(施用量1 500和3 750 kg·hm-2)的条件下，叶面阻控剂的喷施均能显著降低生菜可食部分Cd含量，降幅在9.1%～30.1%，表明喷施叶面阻控剂能有效阻控土壤中Cd向菜叶的迁移(图3)。

图3 叶面阻控剂喷施与不喷施条件下生菜可食部分的Cd含量

2.4 调理剂和有机肥施用对土壤pH、全镉及有效态镉含量的影响

施用调理剂或/和有机肥后，土壤pH变化范围在5.88～6.77(表3)。其中，施用调理剂1 500 kg·hm-2以上的处理，土壤pH较CK处理提高0.28～0.55个单位，但施用有机肥1 500 kg·hm-2以上的处理，土壤pH较CK处理降低了0.14～0.34个单位，且下降幅度随有机肥施入量的增加而增加。由此表明，试验用调理剂能在一定程度上改善受污染蔬菜地的pH。

表3 各处理土壤pH

与生菜种植前土壤全镉含量相比较，各处理土壤全镉含量下降0.00～0.15 mg·kg-1(图4)，这可能是由于生菜种植过程中对土壤镉有所吸收，进而降低了土壤全镉含量；另一方面也表明，试验过程中的农投品，包括施入的调理剂、有机肥及农户种植中施入的肥料与农药均未增加土壤全镉含量。

图中横线表示初始土壤全镉含量0.656 mg·kg-1。

比较不同处理土壤的有效态镉含量(图5)，结果显示，当调理剂施用量大于1 500 kg·hm-2时，土壤有效态镉含量相较于0～1 500 kg·hm-2调理剂施用量的处理均有所降低，降幅9.6%～11.9%，这可能是随调理剂施用量的增加，提高了土壤pH，改善了土壤酸化程度，进而有效降低了土壤有效态镉含量。此外，结果显示调理剂施用量在0～3 750 kg·hm-2时，土壤有效态镉含量随有机肥施用量的增加而有所下降，但调理剂施用量达6 000 kg·hm-2时，有机肥施用量的多少对土壤有效态镉含量并无影响。