土壤水分對(duì)Cd污染土壤蔬菜產(chǎn)量和Cd積累的影響

陳永堅(jiān)，疏仁宗，杜應(yīng)瓊，王富華，文 典，2，徐愛(ài)平，李富榮，趙沛華，杜瑞英，王 旭，何 舞

(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品公共監(jiān)測(cè)中心 510640;2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室;3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

Cd因其劇毒性及農(nóng)田污染的嚴(yán)重性而成為目前農(nóng)業(yè)研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1－3]。生產(chǎn)中多數(shù)污染土壤還在被利用。因此，如何減少食用農(nóng)產(chǎn)品從土壤等環(huán)境中吸收和積累Cd成為保障人民身體健康的關(guān)鍵。相較于其他重金屬元素，Cd在土壤中具有有效態(tài)比例較高、活性較強(qiáng)、更易被作物吸收等特點(diǎn)[4－5]。但也更易通過(guò)改變土壤環(huán)境條件而對(duì)其進(jìn)行控制，改土法、電化法等工程措施往往因工程量大、費(fèi)用高，并且有可能對(duì)土壤生態(tài)功能造成破壞而受到限制，農(nóng)藝調(diào)控措施則因簡(jiǎn)單易行[6]、不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次傷害而逐步受到重視。據(jù)報(bào)道，土壤水分調(diào)控能顯著影響水稻對(duì)Cd的吸收和累積，淹水還原環(huán)境能有效降低水稻對(duì)Cd的吸收和累積[7－9]。但目前水分對(duì)作物Cd吸收和累積影響的研究主要集中在水稻上，而對(duì)蔬菜等旱作影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文重點(diǎn)探討Cd污染土壤的不同田間持水量對(duì)土壤pH值、土壤有效態(tài)Cd含量、蔬菜產(chǎn)量及蔬菜Cd含量等的影響，以期為合理利用和科學(xué)治理Cd污染土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取自韶關(guān)礦區(qū)典型紅壤Cd污染菜地耕層，基本理化性狀:pH值6.69、速效氮141.58 mg/kg、有效磷 120.62 mg/kg、速效鉀 148.37 mg/kg、有機(jī)質(zhì)23.75 g/kg、CEC 10.02 cmol/kg、有效Cd 0.78 mg/kg、全Cd 4.00 mg/kg。設(shè)添加Cd的兩個(gè)土壤鎘水平，即土壤全Cd含量4.00 mg/kg(Cd1)、8.00 mg/kg(Cd2);以分 析 純 Cd(NO3)2·4H2O溶液的形式加入土壤，干濕交替2次，平衡1周。

供試蔬菜為尖葉油青甜菜心和玉帥竹葉青蕹菜，種子購(gòu)于廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所種子市場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在本單位盆栽場(chǎng)進(jìn)行，設(shè)2個(gè)處理:①40%田間持水量，②80%田間持水量。裝盆前測(cè)定土壤田間持水量為21%，每天用稱(chēng)重法將田間持水量補(bǔ)充到試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平。氮肥以尿素形式施200 mg(每公斤土施用量，下同)，磷肥以KH2PO4的形式施150 mg，鉀肥在KH2PO4的基礎(chǔ)上以KCl的形式補(bǔ)足到200 mg，并加入阿農(nóng)溶液1 mL。上述營(yíng)養(yǎng)元素均在裝盆時(shí)拌土施入。用直徑25 cm、高20 cm的塑料盆，每盆裝土3 kg，底部墊紗網(wǎng)防止漏土。5次重復(fù)，盆栽隨機(jī)擺放。

蔬菜種子經(jīng)1%NaClO消毒10 min后，用自來(lái)水沖洗數(shù)次，再用去離子水沖洗。浸泡過(guò)夜后菜心在2013年7月21日播種，9月12日收獲;蕹菜于7月24日播種，8月24日收獲。收獲后取蔬菜和土壤進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目分析。

1.3 測(cè)定方法

土壤全量Cd按照GB/T 17141－1997測(cè)定;蔬菜Cd含量按照GB/T 5009.15－2003，采用濕消解法測(cè)定;土壤有效態(tài) Cd按照 GB/T 23739－2009，采用DTPA浸提法，然后上ICP(美國(guó)Thermo公司產(chǎn)iCAP6000)測(cè)定。

土壤pH值采用pH計(jì)測(cè)定 (水土比為2.5∶1)，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，CEC采用醋酸銨法，全氮采用開(kāi)氏法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用Olsen－NaHCO3浸提—鉬藍(lán)比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度法，田間持水量采用環(huán)刀法。

蔬菜Cd積累量(mg)=蔬菜質(zhì)量(g)×蔬菜Cd含量(mg/kg)×10－3;蔬菜Cd富集系數(shù) =蔬菜 Cd含量(mg/kg)/土壤Cd含量(mg/kg)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析法 (one-way ANOVA)和最小顯著差數(shù)法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值

由表1可知，提高土壤田間持水量均可顯著提高土壤的pH值。在2種Cd水平下，80%持水量處理的菜心土壤pH值比40%持水量處理的分別提高0.33個(gè)單位和0.25個(gè)單位，蕹菜土壤pH值分別提高0.32個(gè)單位和0.25個(gè)單位。

表1 不同田間持水量對(duì)土壤pH值的影響

2.2 蔬菜產(chǎn)量

由圖1可知，在2種Cd水平下，提高田間持水量能顯著增加菜心產(chǎn)量，極顯著增加蕹菜產(chǎn)量。在Cd1和Cd2水平下，菜心80%田間持水量處理分別比40%田間持水量處理增產(chǎn)60.0%和101.8%，蕹菜分別增產(chǎn)148.0%和137.8%。增加田間持水量對(duì)蕹菜的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于菜心，這可能與蕹菜的喜水特性有關(guān)。與Cd1處理相比，Cd2處理對(duì)菜心生長(zhǎng)有抑制作用，在2種水分條件下 (40%和80%)菜心分別減產(chǎn)27.5%和8.5%，蕹菜分別減產(chǎn)4.8%和8.7%。

圖1 不同田間持水量對(duì)蔬菜產(chǎn)量的影響

2.3 土壤有效態(tài)Cd含量

由表2可知，在Cd1水平條件下，提高土壤田間持水量對(duì)2種蔬菜土壤有效態(tài)Cd含量均未產(chǎn)生顯著影響;在Cd2水平時(shí)，提高土壤田間持水量顯著降低了菜心土壤有效態(tài)Cd含量，極顯著降低了蕹菜土壤有效態(tài)Cd含量，降幅分別達(dá)到9.1%和24.3%。

表2 不同田間持水量對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響 (單位:mg/kg)

2.4 蔬菜Cd含量

圖2 不同田間持水量下蔬菜Cd含量

由圖2可知，提高土壤田間持水量能顯著或極顯著降低蔬菜體內(nèi)Cd含量。在2種土壤Cd水平下，80%田間持水量處理的菜心Cd含量比40%田間持水量的分別降低了23.0%和168.4%，蕹菜Cd含量分別降低了136.4%和214.8%。說(shuō)明提高土壤田間持水量對(duì)蕹菜Cd含量的降低效果優(yōu)于菜心，Cd2水平的效果優(yōu)于Cd1水平。

2.5 蔬菜Cd積累

從表3可知，對(duì)菜心而言，在2種Cd水平下，提高土壤田間持水量均未對(duì)其Cd積累量產(chǎn)生顯著影響。在Cd1水平下，提高土壤田間持水量未對(duì)蕹菜Cd積累量產(chǎn)生顯著影響，但在Cd2水平下，提高土壤田間持水量可顯著降低蕹菜體內(nèi)的Cd積累量。

表3 不同田間持水量對(duì)蔬菜Cd積累量的影響

從表4可以看出，提高土壤田間持水量顯著降低了菜心Cd1水平的Cd富集系數(shù)，極顯著降低了菜心Cd2水平和蕹菜在2種Cd水平下的Cd富集系數(shù)。在Cd1、Cd2水平下，菜心富集系數(shù)分別降低30.1%和186.7%，蕹菜分別降低171.3%和173.4%。另外，結(jié)合圖2可以看出，不同田間持水量對(duì)蔬菜Cd富集系數(shù)和蔬菜Cd含量有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，高水分含量降低蔬菜中Cd含量是因?yàn)槠浣档土耸卟藢?duì)土壤Cd的富集系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤田間持水量對(duì)蔬菜Cd含量的影響

土壤田間持水量對(duì)蔬菜Cd含量的影響主要有以下幾個(gè)方面:①提高土壤田間持水量可降低土壤溶液Cd含量[10];②提高土壤田間持水量可提高土壤pH值[11]，而土壤pH值是影響Cd形態(tài)和有效性的最重要因素[12－14]?？招牟说厣喜亢透档腃d含量與土壤 pH呈極顯著負(fù)相關(guān) (表5)。表明土壤pH值是影響空心菜吸收 Cd的主要因素之一[11]。在本試驗(yàn)中土壤pH值對(duì)蔬菜Cd含量的影響最為顯著，供試2種蔬菜Cd含量與土壤pH的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平。③提高土壤田間持水量促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，因稀釋效應(yīng)而降低了蔬菜Cd含量。

表4 不同田間持水量下蔬菜Cd富集系數(shù)

表5 試驗(yàn)主要因子間相關(guān)關(guān)系分析

另外，有研究認(rèn)為，高土壤持水量降低了土壤Eh，土壤中的 SO2－4被還原為 S2－，Cd在土壤中具有很強(qiáng)的親硫特性，可與S2－形成CdS沉淀;同時(shí)高土壤持水量增強(qiáng)了有機(jī)質(zhì)中的官能團(tuán)對(duì)Cd的絡(luò)合與螯合能力，從而降低Cd的活性[15－16]。

3.2 土壤有效態(tài)Cd含量

王艷紅等[11]在空心菜上的試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤DTPA－Cd含量和土壤pH值是影響空心菜體內(nèi)Cd含量的兩個(gè)最主要因素，且兩者呈顯著負(fù)相關(guān)。而在本試驗(yàn)中，土壤有效態(tài)Cd(DTPA－Cd)與蔬菜Cd含量及土壤pH值的相關(guān)性因蔬菜品種和土壤Cd水平的不同而有差異。何江華等[17]研究表明，菜心 (菜薹)只要加入低濃度Cd，其產(chǎn)量即極顯著下降;蕹菜則與菜心表現(xiàn)不同，當(dāng)培養(yǎng)液中加入低濃度Cd時(shí)，其產(chǎn)量不但不下降，反而有所上升，只有當(dāng)培養(yǎng)液中Cd濃度較高時(shí)，蕹菜產(chǎn)量才會(huì)下降，但其下降幅度遠(yuǎn)不及菜心等蔬菜。

提高田間持水量能提高土壤pH值，降低土壤有效態(tài)Cd含量，提高蔬菜產(chǎn)量，同時(shí)大幅度降低蔬菜Cd含量，是一種環(huán)境友好、廉價(jià)高效的重金屬污染調(diào)控措施。

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