堿性肥料對稻田土壤的影響范文
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《應用生態學報》2015年第十二期
摘要
以堿性復合肥為材料,在湖南郴州松柏村進行大田小區試驗,研究了堿性復合肥及其與微生物菌劑配合施用對稻田土壤和稻米鎘含量的影響.結果表明:水稻分蘗期、灌漿期和收獲期堿性肥料處理的土壤有效鎘含量較常規肥料處理分別降低8.3%、6.7%和16.4%.收獲期堿性肥料處理土壤有效鎘含量較插秧前降低了7.2%,而常規肥料處理卻增加了11.0%.配施微生物菌劑使土壤有效鎘增加了1.2%~23.3%.與常規肥料處理相比,堿性肥料處理根系、莖鞘、葉片、籽粒、稻米鎘含量顯著降低,分別降低了54.9%、56.6%、41.8%、62.7%、67.6%.與微生物菌劑配施時,堿性肥料處理稻米鎘含量卻增加63.2%.表明施用堿性肥料可顯著降低土壤中鎘的有效性及水稻各器官和稻米鎘含量,而堿性肥料與微生物菌劑配施則削弱了其對稻米鎘含量的降低效果.
關鍵詞
堿性肥料;鎘污染;水稻;稻米鎘含量
鎘是土壤中主要的重金屬污染元素之一，具有毒性強、移動性強、易被植物吸收等特點，可通過食物鏈進入人體，危害人類健康[1]。水稻又是吸收鎘能力最強的谷類作物之一，而稻米作為我國的主食之一，鎘安全問題倍受人們關注[2]。稻米中的鎘主要來自水稻生產過程中對土壤中鎘的吸收富集。水稻對土壤中鎘的吸收主要受土壤中鎘活性的影響[3]，土壤pH是影響土壤鎘活性最主要的因素[4]。改革開放以來，大量使用化肥已經導致我國農田土壤酸化現象嚴重[5]，稻田土壤pH下降已成為稻米鎘污染的根本原因[6]。湖南省是我國水稻的主要種植區域，稻谷產量居全國首位，近年來，湖南稻米鎘超標問題頻發[7-9]。一般認為治理土壤酸化進而降低土壤鎘活性是防止稻米鎘污染的根本措施，所以目前廣為采納的方法和措施是以石灰等堿性物質改良土壤酸性從而治理土壤鎘污染[10]。然而，石灰施用后易產生CaCO3、CaSO4而導致土壤板結，另一方面土壤的酸度緩沖能力強，施用一次或幾次根本不能解決土壤酸化問題，而如果年年大量施用石灰，無疑會降低土壤肥力和土地生產力。研究表明，施用有機肥、生物有機肥能降低稻米吸收累積鎘[11-12]，所以，在水稻栽培中有很多經營者推銷進口或國產的微生物菌劑，并聲稱可以取代有機肥。由此可見，欲通過改良土壤酸性而降低土壤鎘活性來解決大米鎘污染問題的出路在于研發一種既能正常供應氮磷鉀等養分，又能同時改良土壤酸性的肥料，即堿性肥料。在長期的水稻栽培中，通過堿性肥料的施用，在降低當季稻米鎘含量的同時緩慢改良土壤，使土壤逐漸從酸性變成中性，從而解決土壤和水稻鎘污染問題。基于此，廣東省高校環境友好型肥料工程技術研究中心自主研發了堿性氮磷鉀復合肥，以期在正常供應氮磷鉀養分的同時有效提高土壤pH值，從而降低土壤有效鎘含量，減小稻米鎘污染風險。為了檢驗堿性復合肥的降鎘效果，本文以堿性復合肥為供試肥料，配施微生物菌劑在湖南開展了大田小區試驗，旨在為以堿性復合肥治理稻米鎘污染提供理論依據。
1材料與方法
1.1供試材料大田試驗于2014年4月在湖南省郴州市永興縣湘陰渡鎮松柏村中南三泰農場內進行。供試水稻為中早25，屬秈型常規稻。3月10日育秧，4月28日移栽，7月16日收獲。供試堿性復合肥為華南農業大學廣東省高校環境友好型肥料工程技術研究中心自主研發的堿性復合肥，氮磷鉀養分比例為22：8：15，文中以堿性肥料表示，該肥料以緩釋氮為氮源，與磷鉀熔融共聚反應后成pH8.5的氮磷鉀復合肥；常規肥料是以尿素、普通復合肥（16-16-16）、農用硫酸鉀配制的復混肥，氮磷鉀養分同堿性肥料相同；無氮對照的磷鉀肥是以過磷酸鈣、農用硫酸鉀配制的復混肥，氮磷鉀養分比例為0：8：15；微生物菌劑是該公司購買的上海聯業微生物菌劑。供試土壤為板頁巖風化物和紅砂巖風化物母質發育的水稻土。基本農化性狀為：全氮1.46g•kg-1、有機質38.01g•kg-1、速效磷17.75mg•kg-1、速效鉀89.38mg•kg-1、pH值5.55、全鎘1.191mg•kg-1、有效鎘0.756mg•kg-1。
1.2試驗設計試驗為大田小區試驗，采用兩因素2×3完全隨機設計，因素一為微生物菌劑（BM），設不配施和配施兩個水平（施用量為2.7L•hm-2）；因素二為肥料類型，設3個類型即3個水平，分別為堿性肥料（AF）、常規肥料（CF）、磷鉀（無氮）肥料（NF），共6個處理，每個處理設5個重復，試驗區外設保護區，小區面積43.66m2，田間地壟用塑料膜分隔。肥料采用一基兩追分次施用，施用量分為基肥397.5kg•hm-2，蘗肥252kg•hm-2，穗肥63kg•hm-2。
1.3樣品采集與分析在泡田前用土鉆以棋盤法采集0~20cm耕層土壤20點，混勻后分取亞樣即為基礎土壤樣品，每個小區在水稻分蘗期、灌漿期、收獲期采集土壤樣品，風干粉碎后測定土壤有效鎘含量。收獲期分根系、莖鞘、葉片、籽粒采集水稻植株樣，烘干測定干物質量，粉碎測定各器官鎘含量，同時每小區從收獲稻谷中取稻谷樣品，烘干后脫殼，稻米粉碎后測定鎘含量[13]。土壤有效鎘采用DTPA浸提，原子吸收分光光度法測定；土壤全鎘采用HNO3-HCL-HCLO4法消解，原子吸收分光光度法測定；植株鎘含量采用干灰化-原子吸收分光光度法測定[14-15]。
1.4數據處理采用SPSS19.0和Excel2007軟件對數據進行統計分析，采用鄧肯式新復極差法（DMRT）進行方差分析和差異顯著性檢驗。
2結果與分析
2.1堿性肥料對稻田土壤有效鎘含量的影響由圖1可知，3種肥料處理土壤有效鎘含量在水稻生長期有一定的波動。不配施微生物菌劑時，分蘗期、灌漿期和收獲期土壤有效鎘含量一致表現為堿性肥料處理最低，3個時期分別較常規肥料處理降低8.3%、6.7%和16.4%。常規肥料處理土壤有效鎘含量在灌漿期以后達最大值，無氮肥料處理在分蘗期達最大，后兩個時期居中。配施微生物菌劑后，分蘗期、灌漿期和收獲期土壤有效鎘含量也表現為堿性肥料處理最低，而無氮肥料處理最高，3個時期堿性肥料處理土壤有效鎘含量分別較常規肥料處理降低9.5%、16.4%和17.7%。可見，即使在配施微生物菌劑時，堿性肥料與常規肥料相比仍有顯著的降鎘效果。3種肥料配施微生物菌劑后，均能增加分蘗期、灌漿期和收獲期土壤有效鎘含量。分蘗期配施微生物菌劑的無氮肥料、常規肥料和堿性肥料處理土壤有效鎘含量分別較不配施微生物菌劑處理增加8.2%、2.6%和1.2%，灌漿期分別增加23.3%、13.1%和1.3%，收獲期分別增加18.0%、8.3%和6.5%。不配施微生物菌劑時，與插秧前相比，堿性肥料處理能顯著降低收獲期土壤有效鎘含量（降低7.2%），而常規肥料處理卻顯著增加了土壤有效鎘含量（增加11.0%）。而配施微生物菌劑時，堿性肥料處理收獲期土壤有效鎘含量與插秧前相比無顯著差異，無氮肥料處理土壤有效鎘含量增加18.1%，常規肥料處理增加20.1%。可見，無論在水稻生長期還是收獲期，堿性肥料都能顯著降低土壤有效鎘含量。配施微生物菌劑后，雖然堿性肥料較常規肥料仍能顯著降低水稻生長期土壤的有效鎘含量，但是整個生長期各肥料處理土壤有效鎘含量均有所增加，收獲期堿性肥料處理的土壤有效鎘含量未降低，即配施微生物菌劑反而削弱了堿性肥料的降鎘效果。
2.2堿性肥料對水稻各器官鎘含量的影響由表1可知，水稻各器官鎘含量依次為：根系＞莖鞘＞籽粒＞葉片。無論是否配施微生物菌劑，堿性肥料處理較常規肥料處理均顯著降低了水稻各器官鎘含量。單施堿性肥料處理水稻根系、莖鞘、籽粒、葉片鎘含量較單施常規肥料處理分別降低54.9%、56.6%、62.7%、41.8%；配施微生物菌劑后，堿性肥料處理水稻根系、莖鞘、籽粒、葉片鎘含量較常規肥料處理分別降低16.5%、45.9%、37.9%、32.3%。表明施用堿性肥料較常規肥料顯著降低了水稻各器官鎘含量，其中籽粒鎘含量降低比例最大。與單施堿性肥料和常規肥料相比，配施微生物菌劑后，堿性肥料處理根系、葉片、籽粒中鎘含量分別增加31.6%、23.8%、7.1%，而常規肥料處理根系、籽粒中鎘含量分別降低了29.0%、35.8%。可見，與單施各肥料相比，配施微生物菌劑會增加堿性肥料處理根系、葉片、籽粒鎘含量，對常規肥料則有降低根系和籽粒鎘含量的效果。總之，配施微生物菌劑削弱了堿性肥料的降鎘效果。
2.3堿性肥料對稻米鎘含量的影響由圖2可知，無論是否配施微生物菌劑，堿性肥料處理較常規肥料處理稻米鎘含量顯著降低。不配施微生物菌劑時，堿性肥料處理較常規肥料處理稻米鎘含量降低0.527mg•kg-1，降幅67.6%；配施微生物菌劑時，堿性肥料處理較常規肥料處理稻米鎘含量降低0.192mg•kg-1，降幅31.7%。配施微生物菌劑后堿性肥料處理稻米鎘含量較單施堿性肥料處理增加了0.160mg•kg-1，增幅63.2%；常規肥料處理稻米鎘含量降低了0.175mg•kg-1，降幅22.5%。由此可以認為，與常規肥料相比，施用堿性肥料可以顯著降低稻米鎘含量。配施微生物菌劑增加了堿性肥料處理稻米鎘含量，而對常規肥料處理稻米鎘含量有降低的效果，配施微生物菌劑的3個肥料處理稻米鎘含量均高于單施堿性肥料處理。可見，單施堿性肥料對稻米鎘含量降低效果最好。
3討論
3.1堿性肥料對土壤鎘有效性的影響土壤鎘有效性指土壤中可被植物吸收富集的鎘。影響土壤鎘有效性的主要因素是土壤pH，此外土壤有機質、氧化還原狀況等也是影響土壤中鎘有效性的重要因素[16]。本研究結果表明，施用常規肥料水稻生長前期土壤中有效鎘含量顯著降低，在水稻生長后期土壤中有效鎘含量顯著升高，施用堿性肥料則顯著降低了土壤中有效鎘含量。其原因可能是水稻生長前期，常規肥料處理中氮素轉化為NH4+，提高了土壤pH，進而降低了土壤中鎘的有效性，在水稻生長后期，由于土壤中氮素轉化、水稻對氮素的吸收和根系分泌的酸性物質都會引起土壤pH下降，從而使土壤中有效鎘含量顯著升高[17-18]。堿性肥料本身為堿性，施用后會帶來OH-，從而提高土壤pH,鈍化土壤有效鎘[19]。國內相關研究表明，氮素形態及氮肥用量同樣會影響土壤中鎘的有效性，其中施用銨態氮肥處理使土壤有效鎘含量增加最多[20-22]。而堿性肥料中氮素部分為脲醛緩釋氮，改善了土壤氮素供應狀況，進而減少了土壤中有效鎘的含量。配施微生物菌劑后會增加土壤中微生物數量和活性，加快土壤中植物殘體和有機質的分解，促進了植物殘體和有機質中固定鎘的釋放，從而增加土壤中有效鎘含量，進而增加了堿性肥料處理水稻中鎘的含量[23-24]。
3.2堿性肥料對保障大米食用安全的影響植物主要是通過根系吸收土壤中的鎘，根系從土壤中吸收的鎘會經過木質部向地上部分運輸，在植物營養生長時期會儲存在莖葉中，在植物生殖生長時期莖葉中儲存的鎘會經過韌皮部向果實中轉移[25]。本研究中水稻各器官中鎘的含量依次為：根系＞莖鞘＞籽粒＞葉片。即表明土壤中的鎘經水稻根系吸收，經由木質部裝載向地上部分運輸，在水稻營養生長時期，水稻吸收的鎘會儲存在莖葉中，在水稻抽穗后，莖葉中儲存的鎘再經韌皮部向籽粒中轉移，隨著籽粒中營養物質的積累，籽粒中鎘的累積量也隨之增加。因此，稻米中鎘的含量除與土壤中鎘的有效性密切相關外，與鎘在水稻體內轉運也密切相關。施用氮肥能明顯促進水稻生長，增加水稻對土壤中養分的吸收和利用，提高水稻的生物量和產量。同時，水稻對土壤中鎘的吸收與轉運能力也隨之增加，從而使水稻各器官的鎘含量升高[26]。其原因在于鎘在根系中的運輸通道主要是由蛋白質和多肽構成的植物螯合肽，根系細胞膜上植物螯合肽的多少直接影響植物對鎘的富集，豐富的氮素會能促進植物根系細胞膜上植物螯合肽的合成，植物螯合肽越多吸收的鎘就越多，由此可以認為氮素與植物吸收鎘之間存在協同作用[27-28]。施用常規肥料后，氮素會在較短的時間大量釋放，造成水稻過量吸收氮素，增加了根系細胞膜合成大量的植物螯合肽，因此促進了水稻對鎘的吸收[29]。
堿性肥料在顯著降低土壤中有效鎘含量的同時，還能穩定持久地供應氮素，在保障水稻正常生長的同時防止了水稻過量吸收氮素，有望減少根系細胞膜上植物螯合肽的合成，從而減少了水稻對土壤中鎘的吸收，降低水稻中鎘的含量。土壤微生物一方面會分解土壤中有機結合態鎘和植物殘體中富集的鎘，分泌有機酸活化土壤中固定態鎘，增加土壤中有效鎘含量；另一方面微生物的一些分泌物或代謝產物是植物的生長刺激素，會促進水稻的生長，促使水稻對氮素養分吸收以及養分向生殖器官運輸，同時也會促進鎘的吸收和轉運。因此，堿性肥料配施微生物菌劑后稻米及籽粒鎘含量顯著增加。由上述研究結果可以得出以下結論：堿性肥料較常規肥料能有效降低土壤中鎘的有效性，同時顯著降低了水稻各器官鎘含量和稻米鎘含量。配施微生物菌劑增加了3種肥料處理土壤中有效鎘含量。堿性肥料與微生物菌劑配施對降低稻米鎘含量的效果不如單施堿性肥料處理。因此單施堿性肥料能明顯降低稻田土壤和稻米鎘含量，是值得推薦的肥料類型。
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作者：張亮亮 樊小林 張立丹 劉芳 單位：華南農業大學農學院