不同化肥處理對(duì)湖南省株洲市農(nóng)田土壤及桑樹中重金屬含量的影響

蔣勇兵 蔣詩夢(mèng) 賈超華 曹 慧 王 明 李章寶 黃仁志

(湖南省蠶?？茖W(xué)研究所，湖南長(zhǎng)沙 410127)

2013年，媒體披露湖南省稻米鎘(Cd)超標(biāo)事件后，引起社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-2]。2014年國(guó)家開始啟動(dòng)重金屬污染耕地的修復(fù)治理工作，首先在湖南省長(zhǎng)株潭(長(zhǎng)沙、株洲、湘潭)地區(qū)試點(diǎn)，在啟動(dòng)的0.95萬hm2Cd超標(biāo)農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中就有超過50%的面積落實(shí)種植桑樹[3]。桑樹作為一種在我國(guó)廣泛分布的多年生木本植物，根系龐大，適應(yīng)能力強(qiáng)，抗鹽堿，耐貧瘠，在pH值為4.5～9.0的范圍內(nèi)都能生長(zhǎng)[4-5]。在湖南省大部分Cd污染區(qū)種植桑樹，桑樹都能作為替代農(nóng)作物種植而不受明顯脅迫，并且污染區(qū)的桑葉對(duì)家蠶蟲蛹統(tǒng)一生命率、全繭量、繭層率等指標(biāo)沒有顯著不良影響[6-9]。桑樹不僅對(duì)重金屬具有一定的富集和耐受能力，而且蠶桑模式在增加農(nóng)民收入的同時(shí)又消除了土壤中重金屬通過食物鏈進(jìn)入人體所造成的累積毒害的危險(xiǎn)性，蠶桑模式有可能成為治理和安全利用我國(guó)重金屬重度污染農(nóng)田、實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的一種經(jīng)濟(jì)生態(tài)模式[10-12]。

施肥作為農(nóng)業(yè)活動(dòng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。合理施肥能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，不僅在有限的耕地面積上增加土地的利用價(jià)值，而且還能影響耕地土壤的生態(tài)，調(diào)控重金屬的行為[13-14]。由于每一種作物都是以一定的比例吸收N、P、K養(yǎng)分，因此肥料中的養(yǎng)分配比很關(guān)鍵[15]。如果養(yǎng)分配比不對(duì)，往往容易造成某種營(yíng)養(yǎng)元素缺失從而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，或者某種營(yíng)養(yǎng)元素過剩造成資源浪費(fèi)與環(huán)境污染[16]。本研究以多種常規(guī)化肥為原料，按照等氮量施用原則，配制多種組合肥料，研究其對(duì)農(nóng)田土壤和桑樹中重金屬Cd、鉛(Pb)、鉻(Cr)、砷(As)含量的影響，以期為利用常規(guī)的施肥活動(dòng)來降低重金屬污染提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試桑樹品種 粵桑11號(hào)，一年生雜交苗，由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所提供。2015年4月移栽于試驗(yàn)田，栽植行距為1.0 m、株距為0.3 m。試驗(yàn)田位于湖南省株洲市淥口區(qū)南洲鎮(zhèn)許家灣村(北緯27.682°，東經(jīng)113.136°)，面積約600 m2。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年日照時(shí)數(shù)1 670 h，陽光輻射較少，較利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，年均氣溫17.4 ℃，無霜期286 d，年降水量1 389 mm。

1.1.2 供試肥料 復(fù)混肥，湖北有機(jī)生物肥料有限責(zé)任公司產(chǎn)品，N、P2O5、K2O的質(zhì)量比為15∶4∶6；復(fù)合肥，湖北諾維爾化肥有限公司產(chǎn)品，N、P2O5、K2O的質(zhì)量比為25∶6∶9；尿素，湖北潛江金華潤(rùn)化肥有限公司產(chǎn)品，總氮46%；氯化鉀，中化化肥有限公司產(chǎn)品，K2O有效含量60%；磷酸一銨，湖北三寧化工股份有限公司產(chǎn)品，總氮12%，P2O5有效含量61%。

1.1.3 主要試劑 濃鹽酸(HCl)、濃硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)，均為優(yōu)級(jí)純，500 mL，瓶裝，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

1.1.4 主要儀器設(shè)備 PHS-3E型pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)品；DHG-9140型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技有限公司產(chǎn)品；HL-100型高速多功能粉碎機(jī)，上海塞耐機(jī)械有限公司產(chǎn)品；DigiBlock S36-iTouch型電熱消解儀，北京萊伯泰科儀器股份有限公司產(chǎn)品；PerkinElmer ICP-OES Optima 8300型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，珀金埃爾默企業(yè)管理(上海)有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)置 施肥試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理：(1)不施任何肥料，作為對(duì)照組，記為F0；(2)施用由復(fù)混肥、尿素復(fù)配而成的肥料，記為F1；(3)施用復(fù)合肥，記為F2；(4)施用由尿素、氯化鉀、磷酸一銨復(fù)配而成的肥料，記為F3；(5)施用尿素，記為F4。每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列。2015年度施氮量為300 kg/hm2，除F4外，其它配制組合肥料中均按F2中N、P2O5、K2O質(zhì)量比為25∶6∶9配平且混合均勻，年施肥分3次進(jìn)行，分別在7月、8月和9月中旬進(jìn)行，施肥量占比分別對(duì)應(yīng)為20%、40%和40%。其中7月份的單株桑樹施肥量如下：F0，不施化肥；F1，復(fù)混肥10.8 g、尿素0.4 g；F2，復(fù)合肥7.2 g；F3，尿素3.7 g、氯化鉀1.1 g、磷酸一銨0.7 g；F4，尿素4.0 g。

1.2.2 樣品采集與處理 2015年4月桑樹栽植之前采用梅花形布點(diǎn)法采集表層土壤(0～20 cm)樣品5個(gè)，測(cè)定土壤中Cd、Pb、Cr和As的含量評(píng)估土壤樣品污染程度。2015年10月底進(jìn)行施肥處理后的土壤和桑樹樣品采集。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)均隨機(jī)采集表層土壤樣品3個(gè)，每個(gè)土壤樣品0.5 kg 左右，將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，剔除其中的木頭、石礫等雜質(zhì)，每個(gè)樣品分別過20目和100目尼龍篩，放入自封袋待分析。同樣，采集土壤樣品對(duì)應(yīng)的整株桑樹，將桑樹分成根、莖、葉3部分，分別裝入樣品袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來水沖洗干凈，再用蒸餾水潤(rùn)洗1次，晾干后在鼓風(fēng)烘箱中于105 ℃條件下殺青30 min，莖和根用中藥切片機(jī)切片后和桑葉分別于70 ℃烘干至恒質(zhì)量。烘干的植物樣品使用粉碎機(jī)粉碎后收集保存待測(cè)。

1.2.3 土壤和植物樣品消解 土壤和植物樣品消解參照文獻(xiàn)[17]中所述方法進(jìn)行。稱取(0.500±0.010)g桑樹樣品至消解管，加入15 mL的混合酸(濃HNO3∶HClO4=4∶1)，浸泡過夜，置于電熱板上消解。消解溫度(180±5)℃，消解完全趕酸至近干，取下消解管冷卻后，用去離子水定容至50 mL。每個(gè)土壤樣品取(0.500±0.010)g至專用消解瓶，加入10 mL王水(濃HCl∶濃HNO3=3∶1)和5 mL的HClO4，浸泡過夜后，于200～220 ℃電熱板上消解。若消解不完全，可再加少量HClO4，直到管中溶液變得透明無色，趕酸至近干，冷卻，用去離子水定容至50 mL，待測(cè)。樣品中的重金屬含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定。每批次樣品都做一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)質(zhì)控樣和空白樣。

1.2.4 重金屬污染評(píng)價(jià)方法 采用單因子污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)試驗(yàn)區(qū)域土壤的重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)[18-19]。其中，單因子污染指數(shù)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中Pi為土壤單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci為土壤中i污染物的實(shí)測(cè)含量(mg/kg)，Si為土壤中i污染物的標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg)。

地累積指數(shù)的計(jì)算公式如下：

(2)

式中Igeo為地累積指數(shù)，Ci為土壤中i污染物的實(shí)測(cè)含量(mg/kg)，1.5為考慮到成巖作用可能引起的背景值的變動(dòng)而設(shè)定的常數(shù)，Bi為所測(cè)重金屬地球化學(xué)背景值[11，20]。

綜合污染指數(shù)的計(jì)算方式如下：

(3)

式中Pmax為土壤中重金屬污染指數(shù)最大值(mg/kg)；Pave為土壤中各污染指數(shù)的平均值(mg/kg)[17]。

變異系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(4)

式中CV為變異系數(shù)(%)，SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差，Mean為某一重金屬含量的算術(shù)平均值[21]。

富集系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(5)

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

檢測(cè)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office 2010和SPSS 17.0軟件進(jìn)行分析，用Duncan新復(fù)極差法檢驗(yàn)各處理組平均數(shù)的差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

從耕地土壤重金屬污染程度(表1)可以看出：試驗(yàn)田塊土壤中Cd、Pb、Cr和As的含量分別為2.34、122.05、278.09、11.85 mg/kg；從單項(xiàng)污染指數(shù)來看，只有As屬于清潔水平，Pb和Cr為輕度污染，Cd的污染指數(shù)為7.80，大于3，屬于重度污染[22]；從地累積指數(shù)來看，評(píng)價(jià)的結(jié)果與單項(xiàng)污染指數(shù)類似，即As為無污染，Pb和Cr為中度污染，Cd的地累積指數(shù)為4.07，根據(jù)Müller[23]分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于強(qiáng)-極嚴(yán)重污染；試驗(yàn)耕地土壤的綜合污染指數(shù)為5.87，屬于重度污染[17]。CV反映重金屬測(cè)定數(shù)值的離散程度，CV越大，表明該重金屬元素離散程度越高，即該重金屬含量受人類活動(dòng)影響越大[24-25]。036%，重度變異[21，26]。Cd的變異系數(shù)為0.21，屬于中度變異，結(jié)合背景值及變異系數(shù)，土壤中Cd污染受人為活動(dòng)影響較為突出。

表1 耕地土壤重金屬污染程度

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤中pH值及重金屬含量的影響

從不同化肥處理的土壤中重金屬含量(表2)可以看出：5種不同施肥處理對(duì)土壤中Cd含量的影響作用不顯著，但是與對(duì)照組F0相比，化肥處理降低了土壤中Cd的含量，其中F4處理的土壤中Cd含量最低，為1.75 mg/kg；土壤中Pb含量的變化規(guī)律與Cd類似，即與F0相比，化肥處理降低了土壤中Pb的含量，且F1處理的土壤中Pb含量最低，為105.65 mg/kg，差異顯著(P<0.05)；土壤中Cr的含量除了F1處理組外，其它3個(gè)處理組與對(duì)照組相比沒有顯著差異，但是F1處理的土壤中Cr含量?jī)H140.98 mg/kg，顯著低于其它處理組。

表2 不同化肥處理的土壤中重金屬含量 mg/kg

從不同化肥處理的土壤中pH值及有效鎘含量(圖1)可以看出：盡管5種處理分別對(duì)土壤的pH值及有效鎘含量的影響不顯著，但是施肥處理組都提高了土壤中的有效鎘含量，其中F1處理的土壤有效鎘含量最高，達(dá)到1.42 mg/kg；相反地，除了F1處理外，與F0相比，F(xiàn)2、F3和F4都降低了土壤的pH值，增加了土壤重金屬的有效態(tài)Cd的含量，重金屬Cd的植物可利用性增加，植物中Cd含量增加，而土壤中的Cd含量降低，與表2結(jié)果相一致。

圖1 不同化肥處理的土壤中pH值及有效鎘含量

2.3 不同施肥處理對(duì)桑樹重金屬含量的影響

從圖1可以看出，除F1處理的土壤pH值略有增加外，其余化肥處理都降低了土壤的pH值，增加了土壤中重金屬的有效態(tài)含量。從圖2可以看出：與F0相比，不同施肥處理都增加了Cd在桑樹根和莖中的含量，其中F2處理顯著增加了Cd在桑樹根、莖、葉中的含量(P<0.05)(圖2-A)。在桑葉中，F(xiàn)2與F0相比，重金屬Cd的含量顯著增加了，盡管F4處理的桑葉中Cd含量最低，但與F0相比差異不顯著(圖2-A)。對(duì)于重金屬Pb，桑樹根部的含量要大于莖和葉，其中F2處理的桑樹根部中Pb含量最大，只是處理組與對(duì)照組相比都沒有顯著差異(圖2-B)，與F0相比，桑樹根和莖中Pb的含量在不同施肥處理?xiàng)l件下沒有顯著差別，其中F1和F2處理都增加了Pb在桑樹根部的積累，降低了其在莖和葉中的含量(圖2-B)；相反，F(xiàn)3和F4處理降低了Pb在桑樹根和莖中的含量，增加了其在葉中的積累，其中F4處理的桑葉中Pb含量顯著高于F0(P<0.05)(圖2-B)。Cr在桑樹中的富集規(guī)律較為明顯，根部的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于莖和葉中的含量，與F0相比，施肥處理都增加了Cr在桑樹根部中的含量，其中F4處理達(dá)到顯著水平(P<0.05)；同時(shí)，施肥處理都降低了Cr在莖、葉中的含量，只是與F0相比差異不顯著(圖2-C)。對(duì)于Cd和Cr，其在桑樹中的含量大小都滿足根>葉>莖。

在桑樹同一部位中，不同小寫英文字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同施肥處理對(duì)富集系數(shù)的影響

從表3可以看出，桑樹根、莖、葉對(duì)土壤中重金屬Cd、Pb、Cr的富集系數(shù)都小于1。粵桑11號(hào)桑樹對(duì)重金屬的富集能力表現(xiàn)為Cd>Pb>Cr，說明桑樹對(duì)不同的重金屬有不同的富集能力，對(duì)Cd的富集系數(shù)在0.29～0.76之間，對(duì)Pb的富集系數(shù)在0.01～0.06之間，對(duì)Cr的富集系數(shù)在0.00～0.06之間(表3)。在相同處理?xiàng)l件下，桑樹對(duì)Cd的富集能力表現(xiàn)為根>葉>莖，與Cd在桑樹各部位中的含量表現(xiàn)出相同的規(guī)律(圖2-A)。

表3 不同化肥處理的桑樹各部位富集系數(shù)

3 小結(jié)與討論

本試驗(yàn)田塊土壤為重金屬重度污染，其中As屬于清潔水平，Pb和Cr為輕度污染，Cd屬于重度污染。在重金屬重度污染耕地種植桑樹，不僅能夠避免重金屬通過食物鏈對(duì)人體造成毒害作用，而且能夠安全利用受污染的耕地，增加農(nóng)民收入[8]。富集系數(shù)是一個(gè)反映植物富集重金屬能力的重要指標(biāo)[11，29]。桑樹的不同部位對(duì)重金屬都有一定的富集能力，粵桑11號(hào)根、莖、葉對(duì)土壤中重金屬Cd、Pb、Cr的富集系數(shù)都小于1，表明桑樹品種粵桑11號(hào)不是重金屬Cd、Pb、Cr的超富集植物，這與之前的研究結(jié)果一致[12，30-31]。桑樹對(duì)不同重金屬的富集能力不同，富集能力表現(xiàn)為Cd>Pb>Cr(表3)。Cd在土壤中的遷移能力較強(qiáng)，易于被桑樹吸收，且容易從桑樹根部轉(zhuǎn)移到桑葉中[32]。一般來說，重金屬在桑樹根、莖、葉中的分布規(guī)律呈現(xiàn)為根>莖>葉[12，32-33]。但是，在本試驗(yàn)條件下，除了F0、F1和F2處理的桑葉中的Pb含量小于莖外，對(duì)Cd、Pb、Cr而言，不同處理的桑樹中重金屬含量都呈現(xiàn)出根>葉>莖(圖2)。這可能與試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短、不同季節(jié)取樣等因素有關(guān)[31，34]。桑樹對(duì)Pb和Cr的富集系數(shù)都小于0.1，表明該試驗(yàn)中桑樹體內(nèi)富集的Pb和Cr含量很少?？赡茉蛴幸韵聨追N情況：一是試驗(yàn)大田土壤中Pb和Cr為輕度污染，土壤中的含量本來較少；二是桑樹不是Pb和Cr的超富集植物，對(duì)這2種重金屬的富集能力較差。也正因?yàn)檫@樣，桑樹中富集的Pb和Cr的含量較少，尤其是桑葉中，因此更有利于污染區(qū)桑葉的開發(fā)利用。而桑葉的質(zhì)量與施肥管理息息相關(guān)，同時(shí)施肥管理還能影響土壤的理化性質(zhì)，改變土壤中重金屬的植物可利用性[35-36]。在該試驗(yàn)中，不考慮大氣沉降和地下淋濾等影響，理論上土壤中的重金屬含量的減少大致等于桑樹體內(nèi)富集的量，而桑樹富集土壤中的重金屬含量多少直接與土壤的理化性質(zhì)和重金屬的有效態(tài)含量有關(guān)[37]?；侍幚韺?duì)桑樹富集重金屬的影響因肥料類型、重金屬種類和桑樹富集部位等的不同而有差異(圖2)，本試驗(yàn)中化肥處理降低了土壤的pH值，增加了土壤中有效態(tài)鎘的含量，促進(jìn)了桑樹對(duì)重金屬的富集，從而降低了土壤中Cd和Pb的含量。對(duì)于Cd嚴(yán)重污染的土壤，從修復(fù)效果來看，F(xiàn)2效果更好；從安全利用來分析，F(xiàn)4最好，F(xiàn)4處理中桑葉的Cd含量最低，對(duì)家蠶的毒害也就最小。因此針對(duì)重金屬污染土壤不同的修復(fù)利用方式，開發(fā)不同的桑樹專用肥很有必要。