施肥與填閑種植籽粒莧對(duì)油麥菜Cd和土壤Cd的影響

谷佳林，蘇世鳴，陳延華，趙同科，魏丹，杜連鳳，鄒國(guó)元*

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京100097；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081）

鎘（Cd）是一種毒性較強(qiáng)的重金屬，土壤中有效態(tài)Cd 可被作物吸收進(jìn)而通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，危害人類(lèi)健康[1-3]。近年來(lái)，由于污灌、糞肥、農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)的不合理施用以及工業(yè)“三廢”的排放，中國(guó)耕地土壤Cd污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻[4]，全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，土壤Cd 點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%[5]。尤其菜地重金屬污染問(wèn)題日益凸顯，曾希柏等[6]研究結(jié)果表明，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）中的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，全國(guó)約24.1% 的菜地樣本Cd 含量超標(biāo)。大量的研究表明，肥料的施用是土壤中Cd 的主要來(lái)源之一，而且不同肥料及不同的施肥措施對(duì)土壤和作物中Cd 含量的影響也不相同[7-8]。目前對(duì)于Cd 污染土壤的調(diào)控、修復(fù)方面的研究多集中于利用改土、電化、淋溶[9-11]、鈍化絡(luò)合[12-13]等工程修復(fù)以及通過(guò)植物、微生物、動(dòng)物等生物修復(fù)[14-15]，而關(guān)于利用農(nóng)藝措施阻控Cd 污染土壤方面的研究相對(duì)較少，僅有的報(bào)道也主要是研究施肥量對(duì)于Cd輸入輸出平衡的影響，針對(duì)肥料品種及其如何搭配的研究較少，研究對(duì)象也多集中于水稻、玉米[16]等糧食作物。油麥菜是市場(chǎng)常見(jiàn)的葉類(lèi)蔬菜，在我國(guó)廣泛種植。但以油麥菜為代表的設(shè)施葉類(lèi)蔬菜由于生長(zhǎng)周期短，一年可重復(fù)種植多茬，而且施肥量普遍較高，相比其他蔬菜，葉菜對(duì)Cd 的吸收和富集能力更強(qiáng)，不合理的施肥可以造成其品質(zhì)下降[17]和Cd 污染風(fēng)險(xiǎn)[18-19]。有研究表明籽粒莧具有生物量大、生長(zhǎng)速度快、對(duì)Cd吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于防控土壤Cd 累積[20]。本文通過(guò)在高含量Cd 的設(shè)施土壤上連續(xù)進(jìn)行2 年4 茬的油麥菜栽培試驗(yàn)，研究不同施肥并結(jié)合填閑種植籽粒莧對(duì)油麥菜產(chǎn)量、Cd 吸收及土壤中Cd 含量的影響，分析評(píng)價(jià)上述農(nóng)藝措施對(duì)阻控Cd 污染的作用，為輕度污染土壤上葉類(lèi)蔬菜科學(xué)施肥及安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)情況

試驗(yàn)于2017年3月至2018年10月在河北省青縣李營(yíng)村北大棚（116°45′38.10″ E，38°31′53.11″ N）進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象為油麥菜，土壤為潮土，試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)試驗(yàn)地土壤情況進(jìn)行取樣分析，理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)處理：羊糞處理、雞糞處理、化肥處理、羊糞+化肥處理、雞糞+化肥處理、不施肥處理。各處理施氮量均為144 kg·hm-2。羊糞處理、化肥處理、雞糞+化肥處理、羊糞+化肥處理P2O5和K2O 的用量分別為90 kg·hm-2和90 kg·hm-2。試驗(yàn)所用羊糞含氮（N）0.8%、磷（P2O5）0.5%、鉀（K2O）0.5%，pH 9.22；雞糞含氮（N）1.6%、磷（P2O5）1.5%、鉀（K2O）0.85%，pH 7.86。磷酸二銨Cd 含量為0.59 mg·kg-1，羊糞Cd 含量為0.18 mg·kg-1，雞糞Cd含量為0.25 mg·kg-1?；蕿槟蛩?、磷酸氫二銨、硫酸鉀。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為7.0 m×2.1 m。油麥菜每年種植兩茬，2017 年4 月1 日定植油麥菜小苗，5 月8 日采收，9 月7 日定植小苗，10 月25 日采收。2018 年4 月5 日定植油麥菜小苗，5 月18 日采收，9 月5 日定植小苗，10 月25 日采收。2017 年5 月25 日至8月25日，2018年5月25日至8月30日種植籽粒莧，種植方式為種子條播，采收時(shí)將地上植株移出試驗(yàn)地。籽粒莧種植期間不施肥，每茬油麥菜定植前肥料采用表面撒施然后旋耕15 cm。表2 為各處理代號(hào)及每茬施肥量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

產(chǎn)量測(cè)定：收獲時(shí)，按小區(qū)收割測(cè)產(chǎn)量。

植株樣品測(cè)定：Cd 含量采用HNO3-HClO4消解，石墨爐原子吸收光譜法（GB 5009.15—2014）測(cè)定。

土樣測(cè)定：pH 采用電位法（水∶土＝2.5∶1）；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用乙酸銨提取-火焰分光光度法[21]測(cè)定。土壤有效態(tài)Cd 采用DTPA 浸提石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 23739—2009）測(cè)定；土壤全Cd 采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全消解石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用Microsoft Excel 2016 計(jì)算和作圖，應(yīng)用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of studied soil

表2 施肥量及處理代號(hào)（kg·hm-2）Table 2 Schemes of nitrogen，phosphorus and potassium application of the treatments（kg·hm-2）

2 結(jié)果與討論

2.1 不同施肥對(duì)油麥菜產(chǎn)量的影響

連續(xù)2 年4 茬的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，各施肥處理的油麥菜產(chǎn)量均顯著高于CK 處理（圖1），說(shuō)明試驗(yàn)地施肥可以提高油麥菜的產(chǎn)量，而且各處理產(chǎn)量差異表現(xiàn)出一致的規(guī)律性。CK、JF、YF、JF+HF、YF+HF和HF處理4 茬油麥菜的平均產(chǎn)量分別為：4 690.97、7 461.94、7 398.65、8 413.14、8 133.40 kg · hm-2和7 321.27 kg·hm-2。JF+HF處理和YF+HF處理每茬的產(chǎn)量均顯著高于其他施肥處理，表明采用有機(jī)肥料和無(wú)機(jī)肥料配合施用的方式有利于油麥菜植株的生長(zhǎng)，能顯著提高產(chǎn)量。JF、YF和HF處理間產(chǎn)量無(wú)顯著性差異。

2.2 不同施肥對(duì)油麥菜植株Cd含量的影響

各處理的油麥菜植株中Cd 的含量范圍在0.018～0.035 mg·kg-1（表3），均未超過(guò)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）對(duì)葉菜限定的標(biāo)準(zhǔn)值0.2 mg·kg-1，表明試驗(yàn)所采用施肥量及施肥模式可以滿(mǎn)足油麥菜的安全質(zhì)量。但連續(xù)4 茬各處理間植株中的Cd 含量存在差異，其中2017 年第2 茬至2018年第2茬，連續(xù)3茬CK處理和HF處理的植株Cd含量顯著高于其他處理，這與CK 處理生物量顯著低于其他處理，植株吸收重金屬元素的生物稀釋作用不足導(dǎo)致單位質(zhì)量Cd 濃度相對(duì)增加有關(guān)，進(jìn)而表明合理施肥可以增加生物量，降低植株Cd 的含量。這與前人研究結(jié)果[22-25]類(lèi)似。本試驗(yàn)中所施用的肥料中雞糞、羊糞和磷酸二銨含有Cd，JF、YF、HF、JF+HF、YF+HF 處理每茬Cd 輸入量分別是2 250.00、3 240.00、126.56、1 155.98 mg·hm-2和1 682.84 mg·hm-2。從Cd 輸入量來(lái)看，HF 處理最少，但第2 茬至第4 茬HF 處理植株中Cd 含量均顯著高于其他處理，表明化肥的施用可促進(jìn)植株對(duì)Cd 吸收，這與化肥的施入對(duì)Cd形態(tài)轉(zhuǎn)化特征產(chǎn)生了影響有關(guān)[26-28]，而且有研究表明有機(jī)肥的施入可以降低植株Cd 含量[29]。值得注意的是各處理植株Cd 含量均呈現(xiàn)小幅度下降的趨勢(shì)。

圖1 不同施肥對(duì)油麥菜的產(chǎn)量的影響Figure 1 The yield of lettuce under different fertilization treatments

表3 不同施肥處理油麥菜植株Cd含量（mg·kg-1）Table 3 Effect of different fertilizer treatment on the Cd content of lettuce（mg·kg-1）

2.3 各處理籽粒莧Cd吸收情況

由表4 數(shù)據(jù)可以看出，同一茬籽粒莧各施肥處理生物產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但均顯著高于CK 處理。由于2017年各處理籽粒莧生物產(chǎn)量均高于其2018年的生物產(chǎn)量，且兩茬籽粒莧植株Cd 含量變化不大，導(dǎo)致2017 年籽粒莧植株吸收Cd 的量均高于2018 年。兩茬籽粒莧植株吸收Cd 最多的均為YF 處理。由于是大棚內(nèi)種植，栽培前未施用肥料，只進(jìn)行灌溉，因此本試驗(yàn)中籽粒莧的生物產(chǎn)量不高，植株Cd 含量在0.10～0.12 mg·kg-1，處于較低水平，均符合《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）要求，可作為飼料加以利用。各處理累計(jì)吸收Cd 量為11 668.81～15 800.39 mg·hm-2。

2.4 不同施肥對(duì)土壤全Cd和有效態(tài)Cd含量的影響

表5為2018年第2茬油麥菜采收后0～30 cm土壤Cd 的含量。數(shù)據(jù)表明，各處理土壤中的總Cd 含量為0.50～0.53 mg·kg-1，且各處理間未達(dá)到顯著性差異。但HF處理土壤的有效態(tài)Cd含量顯著高于其他處理。雖然有研究表明pH 與土壤有效態(tài)Cd 呈負(fù)相關(guān)性[6，30-31]，但本試驗(yàn)中，HF 處理的pH 顯著低于其他處理，與試驗(yàn)開(kāi)始前土壤pH 7.90相比，并不是因?yàn)榛实氖┯脤?dǎo)致土壤pH 的降低，而是因?yàn)橛袡C(jī)肥的施用導(dǎo)致了土壤pH 的升高，從而降低了土壤有效態(tài)Cd含量，進(jìn)而減少了植株的吸收量，這與表3 數(shù)據(jù)也相吻合。從第2 茬開(kāi)始，HF 處理油麥菜植株Cd 含量顯著高于其他施肥處理，再次表明植株Cd 含量與土壤有效態(tài)Cd 含量的相關(guān)性。本研究數(shù)據(jù)表明，施肥會(huì)對(duì)土壤中有效態(tài)Cd的含量產(chǎn)生影響。

土壤Cd的輸入和累積主要是由化肥（磷肥）和有機(jī)肥（糞肥）引起，但進(jìn)入土壤的Cd 能否進(jìn)入食物鏈主要取決于有效態(tài)Cd的量。有機(jī)肥可通過(guò)提升土壤有機(jī)質(zhì)或有效磷從而降低金屬活性[32]。但也有研究認(rèn)為有機(jī)肥中的酸性物質(zhì)會(huì)通過(guò)改變土壤表面電荷性質(zhì)從而活化Cd 離子，甚至?xí)罨^(guò)氧化物（Fe、Al），使其固定的Cd 釋放出來(lái)，從而提高Cd 在土壤中有效態(tài)的比例?；室部赏ㄟ^(guò)產(chǎn)生結(jié)合位點(diǎn)或改變金屬形態(tài)的方式降低Cd 的有效性[33]，但其過(guò)量使用也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，增加Cd 活性[30]。本研究中，有機(jī)肥的施入導(dǎo)致了土壤的pH 升高，與HF 處理相比，其土壤中有效態(tài)Cd含量顯著降低，但HF處理土壤中的有效態(tài)Cd含量與基礎(chǔ)土樣中數(shù)據(jù)相比并無(wú)增加。因此，不能片面地強(qiáng)調(diào)有機(jī)肥或化肥對(duì)土壤有效態(tài)Cd的單一影響，應(yīng)尋求將兩者有機(jī)結(jié)合的施肥模式，確定最佳的配比，發(fā)揮不同肥料的優(yōu)點(diǎn)，最低限度地降低土壤有效態(tài)Cd 含量和植物對(duì)其的吸收，這方面的研究還需深入進(jìn)行。

表5 土壤總Cd和有效態(tài)Cd含量Table 5 The total Cd and available Cd of soil in different treatments

表4 各處理籽粒莧產(chǎn)量及Cd吸收量Table 4 Yield and cadmium uptake of Amaranthus hypochondriacus in different treatments

2.5 不同施肥及填閑種植籽粒莧對(duì)土壤Cd 輸入輸出的影響

由于肥料Cd 含量及施用量的不同，各處理因肥料的施用所帶入土壤中的Cd 含量相差較大，其中YF處理最高，4 次施肥累計(jì)達(dá)到12 960 mg·hm-2，而HF處理施用的磷肥（磷酸二銨）Cd 含量為0.59 mg·kg-1，高于雞糞和羊糞的0.25 mg·kg-1和0.18 mg·kg-1，但其施用量低，因此隨肥料帶入土壤中的Cd 量顯著低于施用了雞糞或羊糞的處理，僅為506.22 mg·hm-2。由于化肥的施入，土壤pH低于其他處理，土壤中有效態(tài)Cd 含量相對(duì)較高（表5），油麥菜植株中Cd 含量較高（表3），因此HF 處理隨油麥菜植株帶出的Cd 含量最高，為924.86 mg·hm-2。本試驗(yàn)過(guò)程中如果不進(jìn)行填閑種植籽粒莧，各施肥處理中只有HF處理Cd的輸入輸出呈負(fù)增長(zhǎng)，其他施肥處理都會(huì)隨著肥料的逐年施用而導(dǎo)致土壤中的Cd 逐年累積增加。從土壤中Cd的凈增長(zhǎng)量數(shù)據(jù)看（表6），由于進(jìn)行了填閑籽粒莧種植，被籽粒莧植株帶出的Cd量較高，導(dǎo)致各施肥處理均呈現(xiàn)出Cd 凈減少，表明填閑種植籽粒莧可以有效防控因肥料施用而導(dǎo)致土壤Cd累積的風(fēng)險(xiǎn)。由于試驗(yàn)地為大棚，灌溉用水為地下水，因此土壤中Cd的來(lái)源主要是肥料的帶入，本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)表明，化肥的施用不會(huì)導(dǎo)致土壤中Cd 的增加，而有機(jī)肥料的不合理施用會(huì)導(dǎo)致土壤Cd 增加，這與李本銀等[34]和李傳哲等[35]的研究結(jié)論一致。雖然試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)兩年種植籽粒莧各施肥處理土壤Cd 均呈負(fù)增長(zhǎng)（減少量為3 400.11～16 219.03 mg·hm-2），但與土壤耕層中Cd的總量（0～20 cm 耕層Cd 總量約為2 311 155 mg·hm-2）相比數(shù)量較小。如果按照試驗(yàn)中的速率，需要86.36～411.96 年才能使土壤中Cd 的含量降到0.3 mg·kg-1以下，因此利用填閑種植籽粒莧并不適用于Cd污染土壤的修復(fù)治理，其更大的作用是確保隨著連年的耕種，土壤中的Cd不會(huì)逐年增加累積，甚至降低。本試驗(yàn)所在地塊的土壤Cd 含量為0.55 mg·kg-1，在pH＞7.5的情況下雖然沒(méi)有超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中0.6 mg·kg-1的限定標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)超過(guò)了《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 333—2006）中0.4 mg·kg-1的限定標(biāo)準(zhǔn)，因此該土壤屬于高危土壤。在我國(guó)，這種處于超標(biāo)邊緣的菜地?cái)?shù)量可觀，如果長(zhǎng)期采取不合理的施肥和種植措施，隨著連年的Cd輸入正增長(zhǎng)，土壤Cd 存在超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。本試驗(yàn)通過(guò)填閑種植籽粒莧來(lái)吸收土壤中的Cd，實(shí)現(xiàn)了各處理土壤Cd的負(fù)增長(zhǎng)。因此，對(duì)于處于超標(biāo)邊緣的土壤，雖然不能用填閑種植籽粒莧的方式短時(shí)間降低土壤中的Cd含量，但可以通過(guò)合理施肥、填閑種植等簡(jiǎn)單的農(nóng)藝措施，既保證經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)又不因肥料的投入而導(dǎo)致土壤中的Cd含量增加。連續(xù)兩年4 茬的試驗(yàn)雖然已經(jīng)顯現(xiàn)方法可行，但仍需要長(zhǎng)期的定位試驗(yàn)研究加以驗(yàn)證，尤其是對(duì)土壤中總Cd含量及有效態(tài)Cd變化的跟蹤監(jiān)測(cè)。

表6 不同施肥處理對(duì)土壤Cd輸入輸出的影響（mg·hm-2）Table 6 Effects of different fertilization treatments on input and output of total Cd in soil（mg·hm-2）

3 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)條件下，有機(jī)和無(wú)機(jī)肥料按照質(zhì)量比1∶1 配施，可以顯著提高油麥菜的產(chǎn)量。采用雞糞與化肥按照1∶1的比例配施是推薦的施肥方案。

（2）施用化肥不會(huì)導(dǎo)致土壤中總Cd 的增加，而有機(jī)肥料的不合理施用是土壤Cd 增加的主要因素。

（3）在油麥菜種植過(guò)程中，填閑種植籽粒莧可有效防控因肥料施用而導(dǎo)致的土壤Cd累積風(fēng)險(xiǎn)。油麥菜植株和籽粒莧植株的Cd 含量均未超過(guò)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中對(duì)葉菜限定的標(biāo)準(zhǔn)值，是一種可行的種植模式。