刘 奇,王 晟,陈 文,赵炫越,包 立,张乃明① (1.云南农业大学资源与环境学院,云南 昆明 650201;2.云南省土壤培肥与污染修复工程研究中心,云南 昆明 650201;3.云南农业大学植物保护学院,云南 昆明 650201)

随着我国工业化、城市化进程不断加快以及农药化肥的不合理施用,每年都有大量重金属通过灌溉、大气沉降等途径转移到土壤中[1-3]。调查显示,我国耕地土壤重金属污染点位超标率高达19.4%,污染耕地总面积达到2.3×107hm2,其中,高污染耕地面积占耕地面积的1.1%,中污染和低污染耕地面积占比分别为1.8%和16.5%[4-5]。由于我国人均耕地面积较少,大部分重金属污染耕地仍用于农业生产[6]。土壤中重金属会被农作物富集,并通过食物链最终危害人体健康[7]。因此,在重金属污染耕地上生产安全可食用的农产品,具有重要现实意义和推广价值[8]。

玉米作为中国乃至世界的三大粮食作物之一,具有分布广、产量高等特点,并且属于重金属低积累作物[9]。目前,控制重金属向食物链中转移主要有2种途径:一是筛选出对重金属有耐受性且积累量低的农作物品种[10];二是通过化学方法抑制农作物对土壤重金属吸收积累到可食用部位[11]。随着土壤重金属污染及粮食安全的社会关注度日益高涨,相应的技术调控措施也得到广泛研究。在一些中重度污染耕地上,仅仅依靠品种筛选很难达到农产品安全生产的要求,因此化学钝化修复技术得到广泛应用[12-13]。化学钝化修复技术的作用机制包括沉淀作用、吸附作用和离子交换、氧化还原以及络合作用,通过单一钝化材料及复合钝化材料实现耕地土壤重金属的原位钝化,改变土壤中重金属的价态和形态,降低其在环境中的生物有效性,从而减少作物对受污染土壤中重金属的吸收,进而保证粮食的安全生产。化学钝化修复技术具有成本低、易操作、效果快速、无二次污染等优点[5,14]。常用钝化修复材料包括土壤调理剂和叶面阻控剂两大类,主要有生石灰、生物炭、有机肥、腐植酸和含硅硒类叶面肥等[5,15-16]。骆文轩等[16]通过田间试验证明,在酸性农田中施用有机肥和石灰均能显著降低土壤和水稻糙米中Cd含量,其中有机肥降低效果优于石灰,且高用量有机肥的效果更加显著。腐植酸是一种结构极其复杂的高分子有机混合物,含有丰富的羧基、酚羟基、羰基和甲氧基等活性含氧官能团[17-18],对土壤中Cd、Pb、Cu、Zn等重金属活性具有一定抑制作用,同时还具有改良土壤结构、调节土壤养分[19]和增加玉米产量等功能[20]。于焕云等[21]在3个地区开展为期4年的田间试验,结果表明施用叶面阻控剂后,不同重金属污染程度耕地产出的稻米Cd含量分别降低38%、39%和43%。

目前,有关钝化修复技术研究通常集中在单一钝化材料上,缺乏对土壤调理剂和叶面阻控剂等钝化材料组合施用效果的研究,涉及的重金属也以Cd为主,且主要应用于水稻和蔬菜等作物[22-24]。由于不同作物对重金属的响应机制存在差异,不能将单一作物试验结果广泛应用于其他农作物。玉米作为我国三大主粮之一,不同钝化材料对玉米积累与转运重金属的影响研究却鲜有报道。因此,通过大田试验分析4种钝化材料组合及用量对玉米产量以及各部位Cd、Pb积累与转运的影响,根据供试玉米籽粒Cd、Pb的富集系数(BCF)推算玉米安全种植的土壤风险阈值,以期为受Cd、Pb污染耕地的玉米安全利用提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间试验地点位于云南省宣威市热水镇格依村(26°03′16″ N、103°50′42″ E)。供试土壤为红壤,土壤pH值为6.50±0.36,有机质含量为(17.25±0.70) g·kg-1,碱解氮含量为(218.98±26.28) mg·kg-1,有效磷含量为(12.56±5.84) mg·kg-1,速效钾含量为(496.67±124.33) mg·kg-1,Cd含量为(2.18±0.07) mg·kg-1,Pb含量为(80.66±5.28) mg·kg-1。根据GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》,试验地土壤Cd含量超过农用地土壤重金属污染风险管制值(5.5

1.2 供试材料

供试玉米品种为云南省主栽杂交品种“华兴单88”(滇审玉米2015018),由云南盛衍种业有限公司选育,亲本关系为ZH08×QR273。叶面阻控剂为降镉灵(JGL),由佛山市铁人环保科技有限公司提供,主要成分为纳米有机硅溶胶;土壤调理剂分别为商品有机肥(YJF),由昆明农家乐复合肥有限责任公司提供;土壤改良专用腐植酸(FZS),由山西益成宏业腐植酸科技有限公司提供;土壤重金属钝化剂(DHJ)由云南农业大学云南省土壤培肥与污染修复工程研究中心研发(国家发明专利号:ZL201711312587.X),主要成分为生石灰和生物炭。

1.3 试验设计

试验区面积约为3 000 m2,地势平坦,所有小区均采用随机区组排列方式,共设置10个处理,每个处理重复3次,共30个小区。每个试验小区规格为长11 m,宽9 m,面积为99 m2,根据当地种植习惯采用双行种植,行距为55 cm,株距为45 cm。试验地四周设置4行保护行,各小区之间用筑坝隔开,以消除边际效应。每穴播3粒玉米种子,使种子入土2～3 cm,保持播种深度一致,玉米长出2片叶片时进行间苗,每穴留1株,各小区定株441株。JGL按7 500 mL·hm-2兑水稀释40倍喷施;YJF1和YJF2分别按1 500和3 000 kg·hm-2用量撒施有机肥;FZS按1 500 kg·hm-2用量撒施土壤改良专用腐殖酸;DHJ按1 500 kg·hm-2用量撒施土壤重金属钝化剂;YJF1+、YJF2+、FZS+和DHJ+分别为YJF1、YJF2、FZS和DHJ与JGL的组合处理。玉米播种前按1 125 kg·hm-2施用氮磷钾三元复合肥(15-15-15)作为基肥,与土壤调理剂一同均匀撒施到各小区土壤表面,旋耕至0～20 cm土层中混合均匀后再进行覆膜和播种等工作。JGL分别在玉米大喇叭口期和灌浆期共喷施2次,喷施时避开雨天在下午5点使用背负式农用喷雾器进行人工喷施。作物生长期间按大田常规操作进行灌溉、除草和除虫等工作,拔节期按750 kg·hm-2追施尿素。于2021年4月底播种,同年10月初玉米成熟期收获并取样。

1.4 样品采集与检测

于玉米成熟期在每个小区采集1个玉米植株混合样品和1个对应的土壤混合样品。土壤样品按五点取样法采集0～20 cm表层土壤,现场混匀为1个样品装入自封袋,带回实验室经室温避光风干后去除碎石和动植物残体等异物,用研钵研磨后过0.15 mm孔径尼龙筛装袋待测。玉米植株样品按五点取样法每个小区采集5个整株,带回实验室后将玉米植株样品分为根、茎、叶、棒芯和籽粒5个部分,先用纯水冲洗后再用去离子水洗净,在105 ℃烘箱中杀青30 min后调至65 ℃烘干至恒重,测定干重后使用粉碎机磨碎,过0.15 mm孔径尼龙筛装袋待测。土壤理化性质测定参照国标方法和《土壤农化分析》[25]进行测定。土壤Cd、Pb含量按照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》,植株Cd、Pb含量分别按照GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》和GB 5009.12—2017《食品安全国家标准 食品中铅的测定》,采用原子吸收光度计(Hitachi Z-2000)测定。以国家标准参比物质土壤样品(GBW07405)和植物样品(GBW10012)进行质量控制,标准样品检测结果均在允许误差范围内。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2019和SPSS 23.0软件进行数据统计分析,采用Origin 2021软件绘图,采用最小显著差数法(LSD)比较平均值,数据采用平均值±标准差(M±SD)表示,差异显著水平为P<0.05。

1.5.1富集系数(BCF)

富集系数反映作物对土壤重金属的积累能力,富集系数越大,其积累重金属的能力越强,计算公式为

FBC,i=Ci/Cs。

(1)

式(1)中,FBC,i为供试玉米i部位中Cd或Pb的富集系数;Ci为供试玉米i部位Cd或Pb含量,mg·kg-1;Cs为土壤中Cd或Pb含量,mg·kg-1。

1.5.2转运系数(TF)

转运系数反映作物各部位间重金属转运、分配的能力,转运系数越大,其转运重金属能力越强,计算公式为

FT,根部-茎部=C茎部/C根部,

(2)

FT,茎部-叶部=C叶部/C茎部,

(3)

FT,茎部-棒芯=C棒芯/C茎部,

(4)

FT,棒芯-籽粒=C籽粒/C棒芯。

(5)

式(2)～(5)中,FT,根部-茎部、FT,茎部-叶部、FT,茎部-棒芯和FT,棒芯-籽粒分别为供试玉米Cd或Pb由根部向茎部、由茎部向叶部、由茎部向棒芯和由棒芯向籽粒的转运系数;C根部、C茎部、C叶部、C棒芯和C籽粒分别为供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯和籽粒中Cd或Pb含量,mg·kg-1。

1.5.3土壤Cd、Pb风险阈值(T)

根据GB 2762—2022《食品安全国家标准 食品中污染物限量》规定的谷物及其制品中Cd限值(0.1 mg·kg-1)和Pb限值(0.2 mg·kg-1),由供试玉米籽粒Cd和Pb的BCF推算得到玉米安全种植的土壤Cd和Pb风险阈值T,计算公式[8,26-27]为

T=E/FBC,籽粒。

(6)

式(6)中,E为Cd和Pb限值,mg·kg-1。

2 结果与分析

2.1 不同处理对供试玉米生物量、产量和生物性状的影响

如表1所示,不同处理供试玉米各部位干重、产量和生物性状均存在显著差异(P<0.05)。不同处理供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯和籽粒干重范围分别为10.3～19.5、77.4～106.8、67.7～88.3、57.3～79.8和212.6～281.3 g·株-1,平均值分别为14.8、92.0、78.6、70.2和256.1 g·株-1,变异系数介于7.7%～22.3%之间;供试玉米产量范围为8 591.2～11 365.1 kg·hm-2,平均值为10 349.4 kg·hm-2,变异系数为7.7%,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL处理玉米产量比CK分别提高32.3%、30.6%、27.9%、25.3%、22.2%、19.0%、17.2%、15.7%和14.4%;供试玉米株高、茎粗和叶面积范围分别为211.7～238.6 cm、18.4～25.3 mm、510.2～730.2 cm2,平均值分别为225.6 cm、21.3 mm和617.0 cm2,变异系数介于4.0%～12.2%之间。不同处理供试玉米各部位干重、产量以及生物性状均表现为FZS+>YJF2+>FZS>YJF2>YJF1+>DHJ+>YJF1>DHJ>JGL>CK。相较于CK,其他9种处理供试玉米各部位干重、产量和生物性状均显著提升,且钝化材料组合处理提升效果均优于单一材料处理,这说明叶面阻控剂和土壤调理剂的组合措施相较于单一材料措施可以更好地调节供试玉米生长发育,其中,FZS+处理提升效果最优。

表1 不同处理供试玉米生物量、产量和生物性状Table 1 Biomass, yield and biological traits of the test maize under different treatments

2.2 不同处理对玉米Cd、Pb含量及积累量的影响

如表2所示,不同处理供试玉米各部位Cd含量及积累量均存在显著差异(P<0.05)。供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯和籽粒中Cd含量范围分别为1.59～2.24、0.16～0.44、0.56～0.87、0.028～0.066和0.010～0.029 mg·kg-1,平均值分别为1.90、0.26、0.68、0.044和0.017 mg·kg-1,变异系数介于16.0%～38.0%之间,各部位Cd含量表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部。不同处理供试玉米籽粒中Cd含量从小到大依次为FZS+

表2 不同处理供试玉米各部位Cd含量及积累量Table 2 Cd content and accumulation in various parts of the test maize under different treatments

如表3所示,不同处理供试玉米各部位Pb含量及积累量均存在显著差异(P<0.05)。供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯和籽粒中Pb含量范围分别为2.62～5.25、0.41～1.37、1.12～1.62、0.21～0.48和0.08～0.18 mg·kg-1,平均值分别为3.61、0.75、1.36、0.29和0.12 mg·kg-1,变异系数介于12.1%～37.4%之间,各部位Pb含量表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部。不同处理供试玉米籽粒中Pb含量从小到大依次为FZS+

表3 不同处理供试玉米各部位Pb含量及积累量Table 3 Pb content and accumulation in various parts of the test maize under different treatments

2.3 不同处理对玉米Cd、Pb富集系数(BCF)的影响

如图1所示,不同处理供试玉米各部位Cd的BCF间均存在显著差异(P<0.05)。不同处理供试玉米Cd的BCF根部、BCF茎部、BCF叶部、BCF棒芯和BCF籽粒范围分别为0.692～1.075、0.071～0.212、0.246～0.418、0.012～0.032和0.004～0.014,平均值分别为0.872、0.119、0.314、0.020和0.008,变异系数介于18.5%～40.0%之间,各部位Cd富集能力均表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部。除CK和JGL处理BCF根部>1外,其他处理各部位Cd的BCF均小于1,说明在Cd污染耕地上,未施用土壤调理剂的玉米根部会产生超富集现象。相较于CK,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL处理供试玉米Cd的BCF籽粒分别降低68.7%、65.1%、61.7%、54.4%、50.7%、42.6%、39.9%、34.8%和33.2%,表现为JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+。不同处理供试玉米Cd的BCF根部从小到大依次为FZS+

CK为对照,JGL为叶面阻控剂,YJF1和YJF2分别表示不同用量有机肥,FZS为腐植酸,DHJ为土壤重金属钝化剂,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分别为YJF、FZS和DHJ与JGL的组合。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示玉米同一部位不同处理间Cd富集系数差异显著(P<0.05)。图1 不同处理供试玉米各部位Cd富集系数Fig.1 Bioconcentration factors of Cd in each part of the test maize under different treatments

如图2所示,不同处理供试玉米各部位Pb的BCF均存在显著差异(P<0.05)。不同处理供试玉米Pb的BCF根部、BCF茎部、BCF叶部、BCF棒芯和BCF籽粒范围分别为0.030 7～0.063 7、0.004 8～0.016 6、0.013 1～0.019 6、0.002 5～0.005 8、0.000 9～0.002 2,平均值分别为0.044 7、0.009 2、0.016 8、0.003 6和0.001 5,变异系数介于11.2%～34.9%之间,各部位Pb富集能力均表现为籽粒<棒芯<茎部<根部<叶部。供试玉米各部位Pb的BCF均小于0.1,这说明供试玉米对Pb的吸收能力均处于较弱水平。相较于CK,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL处理供试玉米Pb的BCF籽粒分别降低57.6%、46.2%、45.2%、42.1%、35.8%、32.6%、28.9%、26.2%和16.8%,表现为JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+。不同处理供试玉米Pb的BCF根部从小到大依次为FZS+

CK为对照,JGL为叶面阻控剂,YJF1和YJF2分别表示不同用量有机肥,FZS为腐殖酸,DHJ为土壤重金属钝化剂,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分别为YJF、FZS和DHJ与JGL的组合。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示玉米同一部位不同处理间Pb富集系数差异显著(P<0.05)。图2 不同处理供试玉米各部位Pb富集系数Fig.2 Bioconcentration factors of Pb in each part of the test maize under different treatments

2.4 不同处理对玉米Cd、Pb转运系数(TF)的影响

如图3所示,不同处理供试玉米各部位Cd的TF均存在显著差异(P<0.05)。供试玉米Cd的TF根部-茎部、TF茎部-叶部、TF茎部-棒芯和TF棒芯-籽粒范围分别为0.100～0.204、1.968～2.222、0.149～0.195和0.353～0.451,平均值分别为0.135、2.814、0.177和0.377,变异系数介于17.6%～29.7%之间,各部位间Cd转运能力均表现为根部-茎部<茎部-棒芯<棒芯-籽粒<茎部-叶部。不同处理供试玉米Cd的TF根部-茎部从小到大依次为YJF2+

CK为对照,JGL为叶面阻控剂,YJF1和YJF2分别表示不同用量有机肥,FZS为腐殖酸,DHJ为土壤重金属钝化剂,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分别为YJF、FZS和DHJ与JGL的组合。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示玉米相应部位间Cd转运系数差异显著(P<0.05)。图3 不同处理供试玉米各部位Cd转运系数Fig.3 Translocation factors of Cd in various parts of the test maize under different treatments

如图4所示,不同处理供试玉米各部位Pb的TF均存在显著差异(P<0.05)。供试玉米各部位间Pb的T根部-茎部、T茎部-叶部、T茎部-棒芯和T棒芯-籽粒范围分别为0.155～0.260、1.184～2.763、0.338～0.525和0.363～0.482,平均值分别为0.203、1.983、0.412和0.405,变异系数介于12.%～24.5%之间,各部位间Pb转运能力均表现为根部-茎部<棒芯-籽粒<茎部-棒芯<茎部-叶部。不同处理供试玉米Pb的TF根部-茎部从小到大依次为FZS+

CK为对照,JGL为叶面阻控剂,YJF1和YJF2分别表示不同用量有机肥,FZS为腐殖酸,DHJ为土壤重金属钝化剂,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分别为YJF、FZS和DHJ与JGL的组合。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示玉米相应部位间Pb转运系数差异显著(P<0.05)。图4 不同处理供试玉米各部位Pb转运系数Fig.4 Translocation factors of Pb in various parts of the test maize under different treatments

2.5 基于玉米安全利用的土壤Cd、Pb风险阈值(T)

如图5所示,不同处理供试玉米土壤TCd从小到大依次为CK(TCd=7.4 mg·kg-1)

CK为对照,JGL为叶面阻控剂,YJF1和YJF2分别表示不同用量有机肥,FZS为腐殖酸,DHJ为土壤重金属钝化剂,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分别为YJF、FZS和DHJ与JGL的组合。就同一种重金属而言,直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间风险阈值差异显著(P<0.05)。图5 不同处理土壤Cd、Pb风险阈值Fig.5 Soil Cd and Pb risk thresholds under different treatments

3 讨论

笔者试验中不同处理间供试玉米生物性状、各部位生物量、产量、Cd和Pb含量、BCF以及TF均存在显著差异(P<0.05),在各处理供试玉米品种以及土壤、施肥等外界环境因素均保持一致的情况下,不同处理间玉米各部位Cd、Pb积累和转运能力不同主要受不同阻控措施的影响。叶面阻控技术通过拮抗作用,促进作物对营养元素的吸收,抑制含Cd、Pb的金属酶活性,降低作物蒸腾效率以阻碍Cd、Pb向上运输,最后通过促进抗氧化物质的形成,增加对重金属离子的吸附及螯合作用,从而进一步降低植株体内Cd、Pb的积累与转运[28]。土壤钝化技术通过提高土壤pH,与重金属形成络合物或磷酸盐沉淀等方法,降低土壤重金属有效性,从而减少农作物对土壤中重金属的积累[5,14]。基于农作物食用安全的土壤重金属风险阈值[26-27]是既不影响农产品质量和产量,也不会造成环境污染的土壤重金属最大含量[29]。同类型农作物在种植时由于环境差异会出现不同风险阈值,风险阈值越大,表明作物对种植土壤环境中重金属含量的要求越低[8]。

研究区土壤污染较为严重〔w(Cd)=(2.18±0.07) mg·kg-1、w(Pb)=(80.66±5.28) mg·kg-1〕,但所有处理玉米籽粒中Cd、Pb含量均低于国家食品安全标准〔w(Cd)≤0.1 mg·kg-1,w(Pb)≤0.2 mg·kg-1〕,所有处理玉米茎部、叶部和棒芯中Cd、Pb含量均低于国家饲料卫生标准〔w(Cd)≤1.0 mg·kg-1,w(Pb)≤30.0 mg·kg-1〕,试验种植的玉米地上部位均可用于农业生产,达到了“边生产、边修复”和受污染耕地安全利用的目的。研究区土壤Cd含量超过农用地土壤重金属污染风险管制值,但CK处理玉米籽粒Cd含量仍然远低于国家食品安全标准,笔者认为一方面是因为供试玉米品种(华兴单88)属于低积累玉米品种[30],另一方面根据GB 2762—2022对农产品重金属含量与农用地土壤重金属污染风险筛选值之间相互关系并结合实际生产进行验证发现,土壤与农产品重金属含量关系存在土壤超标而农作物不超标的“假阳性错误”情况。例如,云南省土壤培肥与污染修复工程研究中心团队于2018—2020年对云南典型区域土壤-农作物的协同采样监测结果表明,土壤中Pb含量超标而农产品Pb含量不超标的“假阳性错误”数据占比为3.6%,Cd的“假阳性错误”比例更高[31],这与陈世宝等[32]和夏家淇[33]研究结果相类似。

笔者研究中供试玉米Cd的BCF籽粒介于0.004～0.014之间,小于1;Pb的BCF籽粒介于0.000 9～0.002 2之间,远小于1,这可能与Cd和Pb在玉米体内转运速率差异有关。由于Cd易与蛋白质结合形成有机络合物,而这种有机络合物在玉米植株体内的迁移性比Pb强,进而导致Cd富集能力强于Pb,这表明供试玉米籽粒对土壤中Cd的富集能力强于Pb,这与唐乐斌等[8]研究结果一致。此外,土壤pH也是影响重金属在土壤中被作物吸收的因素之一[34],笔者试验中土壤pH为6.50±0.36,属于微酸性土壤,重金属在土壤中的迁移能力处于较强水平。不同处理供试玉米各部位Cd、Pb富集能力均表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部,这与其他学者对玉米各部位吸收积累Cd和Pb能力的研究结果[35-36]一致。不同处理供试玉米各部位Cd和Pb转运能力分别表现为根部-茎部<茎部-棒芯<棒芯-籽粒<茎部-叶部和根部-茎部<棒芯-籽粒<茎部-棒芯<茎部-叶部,除TF茎部-叶部>1外,其他各部位间Cd、Pb的TF均小于1,表明Cd、Pb在玉米各部位间转运过程中,由茎部向叶部的转运能力最强,这与前人研究结果[35-36]一致。

作物体内,尤其是可食用部位重金属含量和富集系数大小是反映钝化材料修复效果的直接证据[23]。笔者研究结果表明,施用钝化材料能有效地减少玉米根部、茎部、叶部、棒芯和籽粒中Cd、Pb含量和富集系数,提高玉米的土壤Cd、Pb风险阈值,说明钝化材料能有效降低玉米对土壤Cd、Pb的吸收,这与前人针对其他作物的研究结果[15,37-38]一致。JGL处理供试玉米籽粒Cd、Pb含量及相应BCF下降16.8%～33.2%,具有显著阻控效果,这可能是因为硅(Si)通过叶面吸收后会沉积在作物细胞壁上,与半纤维素、果胶和木质素络合,增加细胞壁机械性和外部保护层,从而促进作物生长。一方面Si可以调控农作物对营养元素的吸收,提升叶绿素含量,促进光合作用,降低细胞膜通透性和植株蒸腾速率;另一方面Si通过硅结合蛋白诱导,降低根部细胞细胞壁孔隙度,增加根部对Cd、Pb的吸收积累,从而抑制Cd、Pb向地上部和籽粒中转运[22,39-41]。FZS作为笔者试验阻控效果最显著的钝化材料,单独施用后供试玉米籽粒Cd、Pb含量及相应BCF就下降45.2%～61.7%。这可能是因为一方面FZS通过对重金属的吸附、络合等作用,形成有机金属络合物和吸附物,影响重金属离子迁移转化;另一方面FZS通过氧化还原作用使变价金属转化为毒性和迁移性更小的价态,将土壤重金属由较为活跃的形态转化为较为稳定的形态,从而降低玉米对Cd、Pb的积累与转运[17,37]。YJF中含有的有机物质和部分腐殖质可通过吸附、螯合等作用固定重金属或者与重金属形成不可溶性盐,使土壤重金属的生物活性和有效态含量降低,进而抑制作物对重金属的吸收[16,38]。而笔者研究中,增加剂量后的YJF2处理比YJF1处理抑制效果更好。张剑等[24]认为钝化剂降低土壤和作物中Cd含量的化学机制可能是钝化剂增加土壤pH和交换性盐基离子含量,增强Cd的吸附和沉淀,从而降低Cd移动性,最终削弱了作物对Cd的富集能力。

笔者研究结果表明,相较于CK,9种阻控措施均能显著提高供试玉米产量,并且能有效降低供试玉米籽粒Cd、Pb含量及富集转运能力。由于玉米本身属于低积累作物[9],根据计算出的土壤TCd和TPb,供试钝化材料可以应用于Cd、Pb污染更加严重的耕地。但不同作物对重金属响应机制存在差异[42],不能依据单一作物试验结果推广应用于其他农作物上。因此,针对不同农作物还需进一步开展不同钝化材料的效果研究。

4 结论

(1)通过田间试验证明,9种阻控措施处理供试玉米各部位干重、产量和生物性状均高于CK,产量提高14.4%～32.3%,各处理增产能力表现为JGL

(2)供试玉米各部位Cd、Pb含量及相应BCF均表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部;9种阻控措施处理玉米籽粒Cd、Pb含量及相应BCF相较CK分别降低31.0%～65.5%、18.2%～59.1%以及33.2%～68.7%、16.8%～57.6%,不同处理供试玉米籽粒Cd、Pb含量及相应BCF均表现为CK>JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+;9种阻控措施处理供试玉米的土壤TCd和TPb分别介于11.0～23.1和109.9～218.0 mg·kg-1之间。

(3)笔者试验条件中,FZS作为增产以及Cd、Pb阻控效果最好的钝化材料,建议在Cd轻中度污染玉米产区推广使用,FZS+(FZS与JGL)作为增产以及Cd、Pb阻控效果最好的的组合措施建议在Cd重度污染的玉米产区推广使用。