花生施鈣對紅壤旱土酸度及有害金屬含量的影響

吳美慶，曾寧波,2,3§，王靜，唐康，劉登望,2,3*，李林,2,3*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙， 410128；2.湖南省花生工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙， 410128；3.國家花生工程技術(shù)研究中心長沙分中心，湖南 長沙， 410128；4.瀏陽市環(huán)境保護(hù)局，湖南 瀏陽， 410000）

我國南方地區(qū)高溫多雨，形成了廣泛的地帶性紅壤。紅壤是我國南方地區(qū)主要土壤類型，占全國耕地面積約1/3[1]。紅壤地區(qū)光熱水資源豐富，土壤資源生產(chǎn)潛力大。然而，紅壤在自然發(fā)育過程中，鈣等鹽基離子會大量流失，而氫、鋁、錳等元素累積成毒，導(dǎo)致紅壤地力低下，制約了紅壤區(qū)資源潛力的發(fā)揮[1,2]。近四十年來，由于施用化肥不合理和酸沉降等原因，加劇了農(nóng)田土壤酸化[3～5]，導(dǎo)致土壤中營養(yǎng)元素有效性降低，且鎘、鉛等重金屬元素累積，或增強(qiáng)毒性金屬元素的活性[6]。長期以來，施用石灰被認(rèn)為是改良土壤酸性和抑制鋁生物毒害的重要措施[7～10]，對土壤、作物降鎘效果比較顯著，同時增加作物的鈣積累[11,12]。石灰由于在污染土壤修復(fù)方面具有成本低廉，操作簡單等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，因此修復(fù)效果及機(jī)理也成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)研究熱點(diǎn)之一[13]。

鈣是作物正常生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，對于鈣素在花生生產(chǎn)上的應(yīng)用，國內(nèi)外已有大量研究[11,14,15]?；ㄉ羌t壤地區(qū)廣泛種植的作物，也是喜鈣作物[16]，土壤缺鈣會造成花生空秕，進(jìn)而引起產(chǎn)量降低，甚至絕收[17]。但是施用石灰鈣素對花生尤其種植不同粒型花生品種的紅壤中有害金屬元素的影響及與酸度變化的關(guān)系未見報(bào)道。因此，探究石灰鈣與土壤酸度、有毒金屬元素的互作，對科學(xué)合理施用鈣肥具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)選用湖南省主栽的3種不同粒型大小的花生品種：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)旱地作物研究所培育的大粒型品種湘花2008（百仁重80 g 左右）和中粒型品種湘花55（百仁重40～50 g），湖南省地方優(yōu)異小籽品種藍(lán)山小籽（百仁重40 g左右）。

試驗(yàn)土壤為新墾第四紀(jì)紅壤表土，選取自瀏陽市書院村月光坪，其肥力指標(biāo)為pH4.5（水:土=2.5:1）、堿解氮64 mg/kg、有效磷未檢出、速效鉀82 mg/kg、陽離子交換量13 cmol（+）/kg、交換性鈣0.74 cmol（1/2Ca2+）/kg、交換性鎂0.13 cmol（1/2Mg2+）/kg、有效鋅0.63 mg/kg、有效硫143.7 mg/kg、有效硼0.12 mg/kg、有效鉬0.08mg/kg，屬于酸性、缺鈣瘠薄紅壤土。土壤中鋁、錳、鎘、鉛含量分別為86.93 g/kg、122.30 mg/kg、0.244 mg/kg、198.07 mg/kg。

所用肥料均為化學(xué)純試劑，包括氧化鈣（CaO）、尿素、磷酸二氫鉀、六水合氯化鎂，硼砂、鉬酸氨。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省長沙市芙蓉區(qū)東郊的湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園實(shí)驗(yàn)基地，地理坐標(biāo)東經(jīng)E113°44′5″，北緯N28°10′57″，海拔80 m；屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均氣溫18.2℃，年降雨量為1400 mm，全年無霜期為275 d。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用內(nèi)徑36 cm、高75 cm、壁厚度0.5 cm、無底的PVC 圓桶進(jìn)行土柱試驗(yàn)。為阻隔桶內(nèi)與試驗(yàn)地之間的土壤、水體相通，在起壟的地面上鋪設(shè)厚地膜，再將圓桶底端放于地膜上，裝入供試土壤90 kg。施鈣組每桶施加CaO 9.375 g（相當(dāng)于大田每公頃生石灰750 kg），與基肥一起施入，對照不施鈣肥。為保證除鈣以外的基本養(yǎng)分需求，參照土壤化驗(yàn)結(jié)果及大田養(yǎng)分臨界標(biāo)準(zhǔn)，在桶內(nèi)0～30 cm 表土層均勻施加基肥：尿素3.857 g、磷酸二氫鉀7.897 g、六水合氯化鎂17 g，苗期噴施硼、鉬微肥。每個處理3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。播種前將土澆透，待表層土壤含水量降至70%左右時播種。2014 年6 月4 日播種，每盆播種8 粒，齊苗后間苗，定苗長勢均勻的4株。10月1日收獲。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤取樣方法 于苗期、花針期、結(jié)莢期、飽果期、成熟期，每處理各重復(fù)選擇生長一致的3桶（共12 個植株），先用小鏟子弄松根部周圍土壤，然后將植株輕輕拔起，小心抖落根部大塊土壤，用已消毒的羊毛刷刷下附著在根際的細(xì)土。將全部12株花生根際土壤混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室后過篩（2 mm），將剩余部分土壤及挖取的全桶0～20 cm 表層土混勻，作為耕作層土樣。兩類土壤撿凈枯枝落葉與根系，自然風(fēng)干，研磨后過篩，用于測定土壤理化性質(zhì)。

1.4.2 土壤指標(biāo)測定 pH 值采用2.5∶1 水土比測定。鋁（Al）、Mn（錳）、鉛（Pb）、Cd（鎘）含量測定：濃硝酸（HNO3）消煮后，采用上海珀金埃爾默儀器有限公司生產(chǎn)OPTIMA8300型號的ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定[18,19]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用EXCEL 進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、作圖，用SPSS19.0進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施鈣對花生土壤pH值的影響

pH值既反映土壤酸堿度，也是陰陽離子平衡狀況的重要表征。由表1可知，整體來看，無論施鈣與否，各個時期土壤pH 值均以生育中期（結(jié)莢期）最高，品種間土壤pH 值差異較大，以藍(lán)山小籽（小籽）（4.82）＞湘花55（中籽）（4.78）＞湘花2008（大籽）（4.66）；根 際 土 壤（4.78）略 高 于 耕 作 層 土壤（4.73）。

表1 施鈣對不同粒型花生土壤pH值影響Table 1 Effect of calcium treatments on soil pH of different seed type peanut

施石灰后土壤pH 值與不施比較，各花生品種各個時期各層次土壤整體表現(xiàn)升高。其中，全生育期耕作層（0～20 cm）土壤pH平均值不同品種增幅以湘花55（6.06%）＞湘花2008（3.13%）＞藍(lán)山小籽（0.04%）；全生育期根際土壤pH 平均值亦均升高，增幅以湘花55（中籽）（8.60%）＞湘花2008（大籽）（6.61%）＞藍(lán)山小籽（小籽）（5.30%）。

2.2 施鈣對花生土壤鋁元素含量的影響

鋁元素是地殼中第三大元素，本身大量存在于自然界中，目前沒有鋁“污染”的標(biāo)準(zhǔn)限值，但作物經(jīng)濟(jì)器官含鋁量偏高對人體健康也有一定影響。此外，土壤交換性鋁含量與潛在酸度密切相關(guān)。由表2 可知，整體來看，不論施石灰與否，品種間土壤鋁含量差異較小，但以藍(lán)山小籽（82.46 g/kg）＞湘花55（81.72 g/kg）＞湘花2008（81.60 g/kg）；根際土壤（82.65 g/kg）略高于耕作層土壤（81.20 g/kg）。施鈣后土壤鋁含量與不施比較，各花生品種各個時期各層次土壤鋁含量均呈降低趨勢。其中，全生育期耕作層土壤鋁含量平均值湘花2008 降幅最大（3.98%），湘花55降幅其次（3.22%），藍(lán)山小籽品種反而升高1.20%，全生育期根際土壤鋁含量平均值均降低，大、中、小籽品種分別降低7.87%、3.59%、5.49%。

表2 施鈣對不同粒型花生土壤鋁含量的影響Table 2 Effect of calcium treatments on soil Al contentof different seed type peanut /(g/kg)

2.3 施鈣對花生土壤錳元素含量的影響

錳元素是地殼中第11 大元素（0.10%），酸性土壤易于形成鐵錳結(jié)核，錳含量過高，會對作物產(chǎn)生危害。由表3 可知，整體來看，不論施鈣與否，品種間土壤錳含量差異很小，以藍(lán)山小籽（147.00 mg/kg）＞湘花55（146.22 mg/kg）＞湘花2008（146.15 mg/kg）；耕作層土壤（147.88 mg/kg）略高于根際土壤（144.83 mg/kg）。施鈣后土壤錳含量（145.18 mg/kg）與不施（147.53 mg/kg）比較，全生育期耕作層土壤錳含量平均值降幅以湘花55（3.04%）＞湘花2008（2.69%）＞藍(lán)山小籽（1.72%），全生育期根際土壤錳含量平均值湘花2008 和湘花55 分別升高6.67%、5.01%，藍(lán)山小籽降低12.58%。

表3 施鈣對不同粒型花生土壤錳含量的影響Table 3 Effect of calcium treatments on soil Mn content of different seed type peanut /(mg/kg)

2.4 施鈣對花生土壤鎘元素含量的影響

鎘是毒性很強(qiáng)的重金屬，我國規(guī)定pH 低于6.5的農(nóng)田土壤鎘含量應(yīng)低于0.3 mg/kg。由表4 可知，從整體上來說，該試驗(yàn)地鎘含量未超標(biāo)，不論施鈣與否，品種間土壤鎘含量差異較小，但以湘花55（0.246）＞湘花2008（0.236）＞藍(lán)山小籽（0.225）；耕作層土壤（0.239）略高于根際土壤（0.233）。施鈣土壤鎘含量與不施鈣比較，湘花2008全生育期耕作層土壤鎘含量平均值升高1.61%，湘花55、藍(lán)山小籽則分別降低1.44%、7.28%，全生育期根際土壤鎘含量平均值湘花2008、湘花55 分別升高3.73%、0.66%，藍(lán)山小籽降低10.14%。

表4 施鈣對不同粒型花生土壤鎘含量的影響Table 4 Effect of calcium treatments on soil Cd content of different seed type peanut /(mg/kg)

由此可知，施鈣在一定程度上對降低花生土壤中鎘毒有一定作用，且對藍(lán)山小籽作用效果最好，對耕作層作用效果好于根際土壤。

2.5 施鈣對花生土壤鉛元素含量的影響

鉛是毒性較強(qiáng)的重金屬，我國規(guī)定pH＜6.5 的農(nóng)田土壤鉛含量應(yīng)低于250 mg/kg。從表5 可以看出，該試驗(yàn)地鉛含量未超標(biāo)，從整體上來說，不論施鈣與否，品種間土壤鉛含量差異較小，以湘花55（188.75 mg/kg）＞湘花2008（188.60 mg/kg）＞藍(lán)山小籽（173.35 mg/kg）；耕作層土壤（184.20 mg/kg）略高于根際土壤（182.93 mg/kg）。施鈣土壤鉛含量與不施比較，各花生品種各個時期各層次土壤整體平均升高0.66%。其中，全生育期耕作層土壤鉛含量平均值湘花2008 升高0.95%，湘花55 升高2.04%，藍(lán)山小籽反而降低7.28%，全生育期根際土壤鉛含量平均值，湘花2008、湘花55 分別升高4.49%、4.52%，藍(lán)山小籽反而降低1.04%。

表5 施鈣對不同粒型花生土壤鉛含量的影響Table 5 Effect of calcium treatments on soil Pb content of different seed type peanut /(mg/kg)

3 討論

3.1 施用鈣肥能顯著抑制花生田土壤酸化

土壤pH 對作物生長發(fā)育極為重要，健康良好的土壤應(yīng)維持一定酸堿平衡，適宜大多數(shù)農(nóng)作物正常生長發(fā)育的土壤pH 值在7.0 左右，或者微酸性、微堿性[20]?；ㄉ鷮ν寥浪釅A性適應(yīng)性很廣，但以pH 6.5左右較好[16]。土壤酸化（一般指pH 在5.5 以下）后，過高的氫離子濃度會對作物造成直接或間接的危害[21]。土壤酸化是質(zhì)量退化的一種重要表征，既是土壤肥力下降的一個重要原因，也是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

施用石灰被認(rèn)為是改良土壤酸性和抑制鋁毒的重要措施[22～26]。本研究也表明，施用石灰能使花生全生育期pH 值提高4.93%，且根際土的pH 增幅大于耕層土，其原因可能是石灰中的鈣素促進(jìn)了花生根系生長，吸收了更多的鹽基離子鈣素，也就遺留更多的OH-，造成pH增高，這與曾沐梵[5]認(rèn)為鹽基離子吸收是土壤酸化重要來源的結(jié)論一致。施石灰后pH 增幅以湘花55＞湘花2008＞藍(lán)山小籽的原因，也可能與中、大籽品種比小籽品種植株繁茂，根系發(fā)達(dá)有關(guān)。理論上，作為雙子葉植物的花生根尖是能主動向外界分泌大量H+，從而酸化根際環(huán)境[27]，而施用石灰抑制了根際土壤的酸化效應(yīng)。

3.2 石灰降低土壤有害金屬元素的效應(yīng)

土壤酸化對作物造成危害的一個重要機(jī)制是提高重金屬元素的活化能力，引起鋁、錳、鉻、鎘等重金屬的活化，從而影響植物根系的生長，如出現(xiàn)鋁中毒、錳中毒等現(xiàn)象，尤其紅壤酸化與鋁毒伴生[28]，土壤酸化還會造成鎘毒加重。而且活化的重金屬被作物吸收積累后，通過食物鏈危害人體健康[21]。有研究表明，施用石灰明顯提高土壤交換性鈣、鎂及鹽基總量和鹽基飽和度[25]，降低酸性紅壤交換性鋁含量[23,24,26]，有效緩解鋁脅迫[17]，減輕土壤錳毒危害[29]，顯著降低土壤有效鎘含量[30]，土壤pH 增加可有效降低鎘、鉛活性，降低其環(huán)境毒害作用[31]。然而，施用石灰并不能降低所有重金屬元素的有效態(tài)含量[32]，如石灰對降低土壤鉛有效態(tài)和植株中鉛含量的持效性較差[33]，也有研究表明施用石灰能降低土壤有效錳含量[34]。石灰對重金屬生物有效性的影響機(jī)理主要是通過改變土壤pH、陽離子交換量、微生物群落組成、氧化還原電位等多種機(jī)制協(xié)同作用，修復(fù)效果受石灰施用量、土壤類型、pH 值、重金屬污染類型與種類等因素綜合影響[13]。

本研究表明，施用石灰能使鋁明顯下降（3.85%），鎘、錳含量也分別降低2.13%、1.59%，這些結(jié)果與前人研究結(jié)果相似，而鉛含量升高0.66%，且pH 與錳含量具有穩(wěn)定正相關(guān)，土壤酸度與有效錳含量成正相關(guān)[7,35]。不同土壤部位和種植不同粒型大小品種均影響土壤有害金屬元素含量，其中鋁含量降幅以根際土＞耕作層土，大籽＞中籽＞小籽；錳含量降幅耕作土以中籽＞大籽＞小籽，根際土大、中籽升高，小籽降低；鎘含量在耕作層、根際土降幅均以小籽最大，大籽小幅升高，中籽有降有升；鉛含量大、中籽品種在根際土升幅大于耕層土，而小籽降低。至于土壤部位、品種粒型的影響機(jī)理有待深入探討。

鑒于石灰既是酸化抑制劑，又是鈣素提供者，因此，在花生種植生產(chǎn)中施加一定石灰鈣肥，有利于提高土壤中必需金屬元素如鈣素的積累，同時對緩解重金屬的毒害有一定的作用。