不同化肥处理对湖南省株洲市农田土壤及桑树中重金属含量的影响

蒋勇兵 蒋诗梦 贾超华 曹 慧 王 明 李章宝 黄仁志

(湖南省蚕桑科学研究所，湖南长沙 410127)

2013年，媒体披露湖南省稻米镉(Cd)超标事件后，引起社会的广泛关注[1-2]。2014年国家开始启动重金属污染耕地的修复治理工作，首先在湖南省长株潭(长沙、株洲、湘潭)地区试点，在启动的0.95万hm2Cd超标农田种植结构调整中就有超过50%的面积落实种植桑树[3]。桑树作为一种在我国广泛分布的多年生木本植物，根系庞大，适应能力强，抗盐碱，耐贫瘠，在pH值为4.5～9.0的范围内都能生长[4-5]。在湖南省大部分Cd污染区种植桑树，桑树都能作为替代农作物种植而不受明显胁迫，并且污染区的桑叶对家蚕虫蛹统一生命率、全茧量、茧层率等指标没有显著不良影响[6-9]。桑树不仅对重金属具有一定的富集和耐受能力，而且蚕桑模式在增加农民收入的同时又消除了土壤中重金属通过食物链进入人体所造成的累积毒害的危险性，蚕桑模式有可能成为治理和安全利用我国重金属重度污染农田、实现农作物种植结构调整的一种经济生态模式[10-12]。

施肥作为农业活动中的一个重要环节，在农业生产中发挥着举足轻重的作用。合理施肥能促进植物的生长发育，不仅在有限的耕地面积上增加土地的利用价值，而且还能影响耕地土壤的生态，调控重金属的行为[13-14]。由于每一种作物都是以一定的比例吸收N、P、K养分，因此肥料中的养分配比很关键[15]。如果养分配比不对，往往容易造成某种营养元素缺失从而影响植物生长发育，或者某种营养元素过剩造成资源浪费与环境污染[16]。本研究以多种常规化肥为原料，按照等氮量施用原则，配制多种组合肥料，研究其对农田土壤和桑树中重金属Cd、铅(Pb)、铬(Cr)、砷(As)含量的影响，以期为利用常规的施肥活动来降低重金属污染提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试桑树品种 粤桑11号，一年生杂交苗，由广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所提供。2015年4月移栽于试验田，栽植行距为1.0 m、株距为0.3 m。试验田位于湖南省株洲市渌口区南洲镇许家湾村(北纬27.682°，东经113.136°)，面积约600 m2。该区域属于亚热带季风性湿润气候，年日照时数1 670 h，阳光辐射较少，较利于农作物生长，年均气温17.4 ℃，无霜期286 d，年降水量1 389 mm。

1.1.2 供试肥料 复混肥，湖北有机生物肥料有限责任公司产品，N、P2O5、K2O的质量比为15∶4∶6；复合肥，湖北诺维尔化肥有限公司产品，N、P2O5、K2O的质量比为25∶6∶9；尿素，湖北潜江金华润化肥有限公司产品，总氮46%；氯化钾，中化化肥有限公司产品，K2O有效含量60%；磷酸一铵，湖北三宁化工股份有限公司产品，总氮12%，P2O5有效含量61%。

1.1.3 主要试剂 浓盐酸(HCl)、浓硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)，均为优级纯，500 mL，瓶装，国药集团化学试剂有限公司产品。

1.1.4 主要仪器设备 PHS-3E型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司产品；DHG-9140型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司产品；HL-100型高速多功能粉碎机，上海塞耐机械有限公司产品；DigiBlock S36-iTouch型电热消解仪，北京莱伯泰科仪器股份有限公司产品；PerkinElmer ICP-OES Optima 8300型电感耦合等离子体发射光谱仪，珀金埃尔默企业管理(上海)有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设置 施肥试验共设置5个处理：(1)不施任何肥料，作为对照组，记为F0；(2)施用由复混肥、尿素复配而成的肥料，记为F1；(3)施用复合肥，记为F2；(4)施用由尿素、氯化钾、磷酸一铵复配而成的肥料，记为F3；(5)施用尿素，记为F4。每个处理3次重复，共15个小区，随机排列。2015年度施氮量为300 kg/hm2，除F4外，其它配制组合肥料中均按F2中N、P2O5、K2O质量比为25∶6∶9配平且混合均匀，年施肥分3次进行，分别在7月、8月和9月中旬进行，施肥量占比分别对应为20%、40%和40%。其中7月份的单株桑树施肥量如下：F0，不施化肥；F1，复混肥10.8 g、尿素0.4 g；F2，复合肥7.2 g；F3，尿素3.7 g、氯化钾1.1 g、磷酸一铵0.7 g；F4，尿素4.0 g。

1.2.2 样品采集与处理 2015年4月桑树栽植之前采用梅花形布点法采集表层土壤(0～20 cm)样品5个，测定土壤中Cd、Pb、Cr和As的含量评估土壤样品污染程度。2015年10月底进行施肥处理后的土壤和桑树样品采集。每个试验小区均随机采集表层土壤样品3个，每个土壤样品0.5 kg 左右，将土壤样品带回实验室，自然风干，剔除其中的木头、石砾等杂质，每个样品分别过20目和100目尼龙筛，放入自封袋待分析。同样，采集土壤样品对应的整株桑树，将桑树分成根、茎、叶3部分，分别装入样品袋中，带回实验室，用自来水冲洗干净，再用蒸馏水润洗1次，晾干后在鼓风烘箱中于105 ℃条件下杀青30 min，茎和根用中药切片机切片后和桑叶分别于70 ℃烘干至恒质量。烘干的植物样品使用粉碎机粉碎后收集保存待测。

1.2.3 土壤和植物样品消解 土壤和植物样品消解参照文献[17]中所述方法进行。称取(0.500±0.010)g桑树样品至消解管，加入15 mL的混合酸(浓HNO3∶HClO4=4∶1)，浸泡过夜，置于电热板上消解。消解温度(180±5)℃，消解完全赶酸至近干，取下消解管冷却后，用去离子水定容至50 mL。每个土壤样品取(0.500±0.010)g至专用消解瓶，加入10 mL王水(浓HCl∶浓HNO3=3∶1)和5 mL的HClO4，浸泡过夜后，于200～220 ℃电热板上消解。若消解不完全，可再加少量HClO4，直到管中溶液变得透明无色，赶酸至近干，冷却，用去离子水定容至50 mL，待测。样品中的重金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定。每批次样品都做一个国家标准物质质控样和空白样。

1.2.4 重金属污染评价方法 采用单因子污染指数法、地累积指数法和内梅罗综合污染指数法对试验区域土壤的重金属污染情况进行评价[18-19]。其中，单因子污染指数的计算公式如下：

(1)

式中Pi为土壤单项污染指数，Ci为土壤中i污染物的实测含量(mg/kg)，Si为土壤中i污染物的标准值(mg/kg)。

地累积指数的计算公式如下：

(2)

式中Igeo为地累积指数，Ci为土壤中i污染物的实测含量(mg/kg)，1.5为考虑到成岩作用可能引起的背景值的变动而设定的常数，Bi为所测重金属地球化学背景值[11，20]。

综合污染指数的计算方式如下：

(3)

式中Pmax为土壤中重金属污染指数最大值(mg/kg)；Pave为土壤中各污染指数的平均值(mg/kg)[17]。

变异系数的计算公式如下：

(4)

式中CV为变异系数(%)，SD为标准偏差，Mean为某一重金属含量的算术平均值[21]。

富集系数的计算公式如下：

(5)

1.3 数据处理与分析

检测数据采用Microsoft Office 2010和SPSS 17.0软件进行分析，用Duncan新复极差法检验各处理组平均数的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理的土壤重金属污染评价

从耕地土壤重金属污染程度(表1)可以看出：试验田块土壤中Cd、Pb、Cr和As的含量分别为2.34、122.05、278.09、11.85 mg/kg；从单项污染指数来看，只有As属于清洁水平，Pb和Cr为轻度污染，Cd的污染指数为7.80，大于3，属于重度污染[22]；从地累积指数来看，评价的结果与单项污染指数类似，即As为无污染，Pb和Cr为中度污染，Cd的地累积指数为4.07，根据Müller[23]分类标准，属于强-极严重污染；试验耕地土壤的综合污染指数为5.87，属于重度污染[17]。CV反映重金属测定数值的离散程度，CV越大，表明该重金属元素离散程度越高，即该重金属含量受人类活动影响越大[24-25]。036%，重度变异[21，26]。Cd的变异系数为0.21，属于中度变异，结合背景值及变异系数，土壤中Cd污染受人为活动影响较为突出。

表1 耕地土壤重金属污染程度

2.2 不同施肥处理对土壤中pH值及重金属含量的影响

从不同化肥处理的土壤中重金属含量(表2)可以看出：5种不同施肥处理对土壤中Cd含量的影响作用不显著，但是与对照组F0相比，化肥处理降低了土壤中Cd的含量，其中F4处理的土壤中Cd含量最低，为1.75 mg/kg；土壤中Pb含量的变化规律与Cd类似，即与F0相比，化肥处理降低了土壤中Pb的含量，且F1处理的土壤中Pb含量最低，为105.65 mg/kg，差异显著(P<0.05)；土壤中Cr的含量除了F1处理组外，其它3个处理组与对照组相比没有显著差异，但是F1处理的土壤中Cr含量仅140.98 mg/kg，显著低于其它处理组。

表2 不同化肥处理的土壤中重金属含量 mg/kg

从不同化肥处理的土壤中pH值及有效镉含量(图1)可以看出：尽管5种处理分别对土壤的pH值及有效镉含量的影响不显著，但是施肥处理组都提高了土壤中的有效镉含量，其中F1处理的土壤有效镉含量最高，达到1.42 mg/kg；相反地，除了F1处理外，与F0相比，F2、F3和F4都降低了土壤的pH值，增加了土壤重金属的有效态Cd的含量，重金属Cd的植物可利用性增加，植物中Cd含量增加，而土壤中的Cd含量降低，与表2结果相一致。

图1 不同化肥处理的土壤中pH值及有效镉含量

2.3 不同施肥处理对桑树重金属含量的影响

从图1可以看出，除F1处理的土壤pH值略有增加外，其余化肥处理都降低了土壤的pH值，增加了土壤中重金属的有效态含量。从图2可以看出：与F0相比，不同施肥处理都增加了Cd在桑树根和茎中的含量，其中F2处理显著增加了Cd在桑树根、茎、叶中的含量(P<0.05)(图2-A)。在桑叶中，F2与F0相比，重金属Cd的含量显著增加了，尽管F4处理的桑叶中Cd含量最低，但与F0相比差异不显著(图2-A)。对于重金属Pb，桑树根部的含量要大于茎和叶，其中F2处理的桑树根部中Pb含量最大，只是处理组与对照组相比都没有显著差异(图2-B)，与F0相比，桑树根和茎中Pb的含量在不同施肥处理条件下没有显著差别，其中F1和F2处理都增加了Pb在桑树根部的积累，降低了其在茎和叶中的含量(图2-B)；相反，F3和F4处理降低了Pb在桑树根和茎中的含量，增加了其在叶中的积累，其中F4处理的桑叶中Pb含量显著高于F0(P<0.05)(图2-B)。Cr在桑树中的富集规律较为明显，根部的含量远远高于茎和叶中的含量，与F0相比，施肥处理都增加了Cr在桑树根部中的含量，其中F4处理达到显著水平(P<0.05)；同时，施肥处理都降低了Cr在茎、叶中的含量，只是与F0相比差异不显著(图2-C)。对于Cd和Cr，其在桑树中的含量大小都满足根>叶>茎。

在桑树同一部位中，不同小写英文字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.4 不同施肥处理对富集系数的影响

从表3可以看出，桑树根、茎、叶对土壤中重金属Cd、Pb、Cr的富集系数都小于1。粤桑11号桑树对重金属的富集能力表现为Cd>Pb>Cr，说明桑树对不同的重金属有不同的富集能力，对Cd的富集系数在0.29～0.76之间，对Pb的富集系数在0.01～0.06之间，对Cr的富集系数在0.00～0.06之间(表3)。在相同处理条件下，桑树对Cd的富集能力表现为根>叶>茎，与Cd在桑树各部位中的含量表现出相同的规律(图2-A)。

表3 不同化肥处理的桑树各部位富集系数

3 小结与讨论

本试验田块土壤为重金属重度污染，其中As属于清洁水平，Pb和Cr为轻度污染，Cd属于重度污染。在重金属重度污染耕地种植桑树，不仅能够避免重金属通过食物链对人体造成毒害作用，而且能够安全利用受污染的耕地，增加农民收入[8]。富集系数是一个反映植物富集重金属能力的重要指标[11，29]。桑树的不同部位对重金属都有一定的富集能力，粤桑11号根、茎、叶对土壤中重金属Cd、Pb、Cr的富集系数都小于1，表明桑树品种粤桑11号不是重金属Cd、Pb、Cr的超富集植物，这与之前的研究结果一致[12，30-31]。桑树对不同重金属的富集能力不同，富集能力表现为Cd>Pb>Cr(表3)。Cd在土壤中的迁移能力较强，易于被桑树吸收，且容易从桑树根部转移到桑叶中[32]。一般来说，重金属在桑树根、茎、叶中的分布规律呈现为根>茎>叶[12，32-33]。但是，在本试验条件下，除了F0、F1和F2处理的桑叶中的Pb含量小于茎外，对Cd、Pb、Cr而言，不同处理的桑树中重金属含量都呈现出根>叶>茎(图2)。这可能与试验时间的长短、不同季节取样等因素有关[31，34]。桑树对Pb和Cr的富集系数都小于0.1，表明该试验中桑树体内富集的Pb和Cr含量很少。可能原因有以下几种情况：一是试验大田土壤中Pb和Cr为轻度污染，土壤中的含量本来较少；二是桑树不是Pb和Cr的超富集植物，对这2种重金属的富集能力较差。也正因为这样，桑树中富集的Pb和Cr的含量较少，尤其是桑叶中，因此更有利于污染区桑叶的开发利用。而桑叶的质量与施肥管理息息相关，同时施肥管理还能影响土壤的理化性质，改变土壤中重金属的植物可利用性[35-36]。在该试验中，不考虑大气沉降和地下淋滤等影响，理论上土壤中的重金属含量的减少大致等于桑树体内富集的量，而桑树富集土壤中的重金属含量多少直接与土壤的理化性质和重金属的有效态含量有关[37]。化肥处理对桑树富集重金属的影响因肥料类型、重金属种类和桑树富集部位等的不同而有差异(图2)，本试验中化肥处理降低了土壤的pH值，增加了土壤中有效态镉的含量，促进了桑树对重金属的富集，从而降低了土壤中Cd和Pb的含量。对于Cd严重污染的土壤，从修复效果来看，F2效果更好；从安全利用来分析，F4最好，F4处理中桑叶的Cd含量最低，对家蚕的毒害也就最小。因此针对重金属污染土壤不同的修复利用方式，开发不同的桑树专用肥很有必要。