硅钙镁土壤调理剂对酸性镉污染土壤及稻米的降镉效果

2018-01-27周卫军周雨舟罗思颖

河南农业科学 2017年12期

曹胜，周卫军，周雨舟，罗思颖

(湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128)

镉(Cd)大米不仅仅是粮食安全问题，更是环境问题，其反映了我国农业生产中土壤的重金属污染现状[1]。Cd大米的产生是土壤污染和土壤退化的综合结果，因此，对重金属Cd污染的土壤既要考虑土壤重金属修复治理，也要考虑优化土壤结构、提高土壤地力[2]。酸性土壤施用石灰是最常用土壤调理剂，常用来提高酸性土壤pH值[3]，南方红土丘陵地区将相间分布的紫砂土掺拌于黏质红壤，可调节土壤pH值、改良土壤质地；黄土高原地区施用黑矾后，土壤疏松，土壤结构显著改善[4]。近年来，随着土壤质量退化问题特别是土壤重金属污染问题的逐渐严重，土壤调理剂的作用越来越引起了人们的关注[5-6]。

目前，关于土壤调理剂对Cd污染的影响研究主要侧重于通过对土壤中重金属吸收、降解、转移来降低土壤中Cd的含量或活性[7-10]，而不同土壤调理剂对Cd修复治理效果差异较大，且修复机制还不是很清楚[11-12]，因此，在实际Cd污染中，调理剂并未广泛应用。目前,常用的土壤调理剂为石灰，但长期大量施用石灰会导致土壤板结、土壤养分元素失衡，使得作物减产[13]。鉴于此，以典型酸性Cd污染稻田为对象，研究施用硅钙镁土壤调理剂对土壤Cd形态、土壤养分、pH值、水稻经济性状的影响，旨在为进一步利用硅钙镁土壤调理剂修复Cd污染提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于湖南省醴陵市均楚镇黄田村，土壤类型为第四纪红色黏土发育的红黄泥。试验前，取试验地耕层混合样测定，其中土壤各养分含量为碱解氮227 mg/kg、速效磷14.52 mg/kg、速效钾112 mg/kg、有机质40.93 g/kg，pH值为5.22，土壤全Cd含量为0.75 mg/kg、有效态Cd含量为0.48 mg/kg，总体上试验地耕层土壤肥力呈较高水平。

1.2 试验材料

于2016年6月17日种植水稻(品种为五优308)，7月18日整地，7月22日作埂覆膜，7月24日按试验方案施基肥，并进行移栽，10月30日收割，测产验收后考察各处理多项经济性状。供试硅钙镁土壤调理剂为山西凯盛肥业集团有限公司生产的探路先锋土壤调理剂(颗粒)，主要成分为CaO≥35.00%、MgO≥5.00%、SiO2≥13.00%，pH值为10.00～12.00，粒度(1.00～4.75 mm)≥90%。

1.3 试验设计

采用田间小区试验，共设4个处理：处理1(CK)，常规施肥(40%复合肥450 kg/hm2+46%尿素75 kg/hm2+60%氯化钾75 kg/hm2，下同)；处理2(T150)，土壤调理剂施用量为1 500 kg/hm2+常规施肥；处理3(T225)，土壤调理剂施用量为2 250 kg/hm2+常规施肥；处理4(T300)，土壤调理剂施用量为3 000 kg/hm2+常规施肥。每个处理重复3次，共12个小区，每个小区面积30 m2，随机区组排列。小区间用土埂包农膜隔离，四周设置1.50 m宽保护行。复合肥作基肥1次施用，尿素和氯化钾作为追肥于移栽后7 d撒施。

1.4 样品的采集与指标测定

于耕作前按S形9点取样法采集耕层土壤样品，采样土层深度为20 cm，分析测试土壤中Cd含量和其他理化性质。水稻收获前1 d采集水稻植株和土壤样品，采用5点取样法取长势均匀的水稻5株，籽粒、茎叶烘干后测定Cd含量，在水稻植株取样点两边10 cm处取表层20 cm土样，测定土壤Cd含量及土壤理化性状。

土壤全Cd的测定采用王水-高氯酸消解原子吸收光谱法，有效态Cd的测定采用原子吸收法(GB/T 23739—2009)，土壤pH值的测定采用玻璃电极法，土壤理化性状的测定采用农化分析方法[14]，水稻茎叶和糙米Cd含量的测定采用HNO3-H2O2微波消煮ICP-MS法。

1.5 数据处理

数据用Excel 2010整理，用SPSS 19.0软件统计分析，采用ANOVA进行方差分析，Duncan氏法进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤调理剂对水稻产量及经济性状的影响

田间试验结果如表1所示，施用硅钙镁土壤调理剂处理的水稻平均产量在8 288.81～8 522.28 kg/hm2，较CK增产755.49～988.96 kg/hm2，增产率为10.03%～13.13%，表明施用土壤调理剂能显著提高水稻产量。土壤调理剂施用量较大的处理增产效果优于施用量较少的处理，表现为T150处理的水稻产量显著高于CK，但显著低于T225、T300处理，且T225、T300处理间无显著差异。可见，土壤调理剂的适宜施用量在2 250～3 000 kg/hm2。

表1 土壤调理剂对水稻产量及经济性状的影响

注：同列不同小写字母表示在0.05水平差异显著，下同。

施用土壤调理剂处理与CK相比，有效穗数增加4.49万～7.51万穗/hm2，穗总粒数增加4.20～8.62粒，穗实粒数增加7.33～8.61粒，结实率提高0.71%～2.52%，千粒质量增加0.30～0.41 g。可见，施用土壤调理剂对水稻经济性状有一定的改善作用，为水稻产量的提高打下了基础。

2.2 土壤调理剂对土壤养分含量、pH值、有效态Cd含量及糙米Cd含量的影响

从表2可知，施用土壤调理剂显著提高了土壤养分含量，与CK相比，T150、T225、T300处理的土壤碱解氮含量显著增加，增加10.12～17.30 mg/kg，增幅4.62%～7.90%，其中T225处理的土壤碱解氮含量最高，为236.42 mg/kg。3个施用土壤调理剂土壤速效磷平均含量在16.02～16.63 mg/kg，T150处理较CK高1.61 mg/kg，T225、T300处理较CK分别高2.00、2.22 mg/kg，且差异显著。3个处理的土壤速效钾平均含量在135.10～145.14 mg/kg，较CK高27.89～37.93 mg/kg，但T150、T225、T300处理间无显著差异。从提高土壤养分角度分析，土壤调理剂的施用量应在2 250 kg/hm2以上。

表2 土壤调理剂对土壤养分、pH值、有效态Cd及糙米Cd含量的影响

施用土壤调理剂可以显著提高土壤pH值，施用量较少的T150处理pH值稍高于CK，无显著差异；施用量较大的T225、T300处理的pH值较CK显著提高了0.30～0.31。可见，从改良土壤pH值的角度来看，土壤调理剂施用量应在2 250 kg/hm2以上。

施用土壤调理剂后，土壤有效态Cd含量明显降低，与CK相比，T150、T225、T300处理有效态Cd含量分别降低了10.64%、40.43%、44.68%，T150、CK处理间无显著差异。T225、T300处理土壤有效态Cd含量显著低于T150处理，但两者间无显著差异。可见，从改良酸性Cd污染稻田的角度来看，土壤调理剂的施用量应在2 250 kg/hm2以上。此外，施用土壤调理剂降低了糙米Cd含量，3个施用土壤调理剂处理的糙米Cd含量较CK分别降低13.85%、36.92%、40.00%。T150处理Cd含量较CK降低0.09 mg/kg；T225、T300处理Cd含量较CK分别降低0.24、0.26 mg/kg，且达到显著差异，而T225、T300处理间无显著差异。因此，从1季水稻施用土壤调理剂的降Cd效果来看，土壤调理剂的施用量达到2 250 kg/hm2即可。

2.3 土壤 pH值、有效态Cd含量与糙米 Cd含量的相关性

土壤pH值、有效态Cd含量、糙米Cd含量的相关性分析结果(表3)表明，糙米Cd含量与土壤有效态Cd含量呈极显著正相关，与土壤pH值呈极显著负相关，土壤有效态Cd含量与土壤pH值呈极显著负相关。说明土壤中有效态Cd含量、糙米Cd含量随土壤pH值的升高而降低。

表3 土壤pH值、有效态Cd含量和糙米Cd含量的相关分析

注：**表示在0.01水平上极显著。

2.4 水稻施用土壤调理剂的经济效益分析

为探讨硅钙镁土壤调理剂的经济实用性，对3个处理及对照做经济效益分析(表4)。施用调理剂的T150、T225、T300处理产量较CK分别增加755.49、988.96、955.53 kg/hm2，增产率分别为10.03%、13.13%、12.68%；以产值来看，3个处理产值较CK分别增加2 039.83、2 669.20、2 579.94元/hm2，除去增加的肥料成本，T150、T225处理纯收入较CK分别增加689.83、644.20元/hm2，但T300处理纯收入较CK降低120.06元/hm2。因此，从经济最佳效益考虑，土壤调理剂的最佳施用量为2 250 kg/hm2。

表4 施用土壤调理剂的水稻经济效益

注：稻谷国家按市场价2.70 元/kg计算，硅钙镁调理剂按900元/t计算。

3 结论与讨论

土壤调理剂可以改善土壤结构、活化土壤养分、改良土壤的微生物特性[2]，进而促进作物对养分的吸收，改善作物的经济性状，最终提高作物产量[5,15]。本研究发现，施用土壤调理剂处理土壤养分含量较对照均增加，其中，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别增加10.12～17.30 mg/kg、1.61～2.22 mg/kg、27.89～37.93 mg/kg，产量提高755.49～988.96 kg/hm2。调理剂能显著提高作物产量，一是调理剂含有的有效态硅、钙、镁可直接供给作物吸收利用，二是调理剂显著的“保水、增肥、透气”三大土壤调理性能，良好的结构对土壤团粒结构有所改善，能够提高土壤透气性、促进土壤微生物活性、增强土壤肥水渗透力，进而促进水稻的生长、提高稻谷产量。因此，硅钙镁土壤调理剂具有较好的土壤改良潜力。

土壤调理剂中含有一定量石灰，石灰是碱性物质，可以调节土壤pH值，与土壤中其他物质发生反应，增加土壤的可变电荷，提高土壤对Cd离子的吸附；同时反应产物OH-可以与CO2、Cd反应形成碳酸镉沉淀，进而降低土壤中Cd的活性[16]。因此，当碱性硅肥施入土壤后，土壤 pH值升高，Cd的有效性降低。徐胜光等[11]研究了硅钙调控对酸矿水污染农田水稻Cd含量的影响，结果表明，与未施硅钙肥相比，施硅肥显著提高了1～4 mm根际、非根际pH值和有效硅含量，显著降低了根际和非根际有效态Cd含量；邓腾灏博等[17]的盆栽试验研究表明，施用硅肥(钢渣) 后土壤 pH值基本处在适宜水稻生长的5.0～6.0，较不施用钢渣显著提高24.7%～55.9%，土壤有效态重金属Cd、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)含量呈现显著下降趋势；刘昭兵等[18]也发现，土壤有效态Cd含量与土壤pH值呈极显著线性负相关。本研究中，供试土壤调理剂为碱性，pH值为10.00～12.00，且含有较高的CaO，施用后土壤pH值较CK显著提高0.04～0.31，可能亦是其降低土壤有效态Cd含量的原因之一。有研究表明，硅(Si)和Cd在土壤中的竞争吸附作用也可以影响土壤Cd的有效性，施硅后土壤中专性吸附态Cd或铁锰氧化物结合态Cd含量增加，可使土壤有效态Cd含量降低[16]。此外，在不引起土壤pH值变化的情况下，Si可能与Cd形成不易被植物吸收的Si-Cd共沉淀，减少土壤中活性较高的交换态Cd的数量[19]。由于土壤调理剂中有效态Si含量较高，Si和Cd竞争吸附使得施用土壤调理剂的T150、T225、T300处理土壤有效态Cd含量较对照分别降低了10.64%、40.43%、44.68%，即酸性Cd污染稻田施用土壤调理剂后，土壤有效态 Cd含量均显著降低，这与前人研究结果[20-22]相似。

水稻是喜硅作物，硅肥的施用可提高水稻对病害、干旱、盐胁迫、营养元素缺失以及金属胁迫的抗性[20]，减轻Cd的毒害作用，使水稻根部吸收的Cd向地上部分的迁移量减少[23-25]，这与目前大多数研究结果一致。本试验中，当土壤调理剂的施用量为2 250 kg/hm2时，水稻糙米Cd含量较对照显著降低了36.92%，说明土壤调理剂能降低糙米Cd含量，且施用量应在2 250 kg/hm2以上。

综合考虑降Cd效果、pH值改良、产量等因素，硅钙镁土壤调理剂改良酸性Cd污染稻田的最佳施用量应在2 250～3 000 kg/hm2。

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