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有机水溶肥在镉污染稻田中的应用效果研究 

时间:2015/07/15

试验单位:湖南省土壤肥料研究所;农业部长江中游平原农业环境重点实验室;中南大学研究生院隆平分院;佛山市植宝化工有限公司。

试验人员:田发祥、纪雄辉、郭勇军等

试验时间:2015年7月

文献出处:该论文2015年8月发表在《湖南农业科学》

摘 要:采用田间小区试验,在典型的镉污染稻区长沙县北山镇、湘潭县梅林桥镇开展了重金属修复剂“植宝素有机水溶肥料”、“植宝素腐植酸水溶肥料”的田间应用效果试验。结果表明,北山点施用“植宝素有机水溶肥料”处理(ZHW)和“植宝素腐植酸水溶肥料”处理(ZHF)分别比常规施肥处理水稻增产 7.77% (P<0.05)和 10.22% (P<0.05);湘潭点 ZHW 和 ZHF 处理分别比常规施肥处理水稻增产 8.60% (P<0.05)和 8.59% (P<0.05)。两试验点有机水溶肥的稻米镉含量皆达到食品安全国家标准,北山点 ZHW 和 ZHF 处理的稻米镉含量分别比常规施肥下降 48.15% (P<0.05)和 37.04% (P<0.05);湘潭点则分别下降 33.33% (P<0.05)和 52.38% (P<0.05),并对水稻吸收积累其他重金属也有一定的抑制效果。

关键词:有机肥;水溶肥;镉;重金属;植宝素

随着工农业的迅速发展,受工业“三废”和农业活动自身的影响,我国农用土壤重金属污染问题已日趋严重。南省是中国的有色金属之乡,受日益发展的采、选、冶等工业以及来自含重金属农业投入品的影响,农田土壤重金属污染已逐渐成为影响湖南经济发展和人类身体健康的重要环境问题。土壤重金属污染治理主要有淋洗法、客土法、电解法、化学钝化法、生物修复法等,其中最主要的是施用赤泥、石灰等碱性物质进行重金属污染土壤治理的土壤原位化学固定修复技术,通过提高土壤pH值,调控重金属在土壤中的赋存形态,降低其在土壤中的迁移性,减少作物对重金属的吸收,因其简便、快速高效等优点,是修复大面积重金属污染土壤的较好选择。但石灰、赤泥等的大量施用会引起土壤结构性变差,土壤板结,甚至导致石灰化田的形成。近年来,随着农业产业结构的调整和无公害食品产业的发展,有机肥已逐步成为我国肥料业生产和推广应用的热点,成为我国农业生产不可或缺的部分,研制有关肥类重金属钝化剂既能达到钝化土壤重金属的目的,还能改良土壤。试验采用有机类型钝化剂产品,在长沙县北山镇和湘潭县梅林桥镇的镉污染稻田开展可有机水溶肥应用效果研究,以期为其大面积的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1试验地点

根据《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)选择长沙县北山镇、湘潭县梅林桥镇2个中轻度隔污染稻田土壤开展田间试验。

    北山点(经度:113°03′28.4″;纬度:28°26′22.7″)。轻度污染点,为湖南省长沙县北山镇农业技术推广站试验基地,为双季稻种植制度,土壤为花岗岩发育的水稻土,土壤全镉含量0.43 mg/kg,土壤有效态镉含量0.15 mg/kg。污染原因为上世纪80年代至90年代上游建有一化工厂,下游长期灌溉污水所致。水稻品种采用湘晚籼12号。

湘潭点(经度:28°26′22.7″;纬度:28°26′22.7″)。中度污染点,为湖南省湘潭县梅林桥镇,双季稻种植,土壤为第四纪红壤发育水稻土。土壤全镉含量0.84 mg/kg,土壤有效态镉含量0.29 mg/kg。主要污染原因是湘潭及株洲工业废气经过大气沉降所致。水稻品种采用湘晚籼13号。

其他土壤理化性质和见表1、表2。

1:供试土壤基本理化性质

pH

碱解氮

mg/kg

有效磷

mg/kg

速效钾

mg/kg

全氮

g/kg

全磷

g/kg

全钾

g/kg

有机质

g/kg

阳离子交换量

cmol(+)/kg

北山

5.2

207

30.8

165

3.08

0.92

29.8

44.7

10.8

湘潭

6.4

272

1.42

73

2.96

0.57

21.3

45.7

12.7

 

2:供试土壤重金属含量 单位:mg/kg)

总铅

总汞

总砷

总铬

总镉

有效汞

有效砷

有效铬

有效铅

有效镉

北山

61

0.23

28

34

0.43

0.00

2.1

0.01

7.5

0.15

湘潭

38

0.21

29

71

0.84

0.01

1.2

0.01

13

0.29

1.2 试验材料

有机水溶肥有“植宝素有机水溶肥料”和“植宝素腐植酸水溶肥肥料”(佛山市植宝化工有限公司),前者有机质≥120g/L,N+P205+K2O≥170g/L,Cu+Mn+Zn+B+Mo约30~50g/L,后者腐植酸≥40g/L;N+P205+K2O≥200g/L。

1.3 试验设置

试验设4个处理,处理1:对照(CK);处理2:施生石灰75kg/667m²(CKCa);处理3:喷施“植宝素有机水溶肥料”100mL/667m²(分返青、孕穗2次喷施)(ZHF);处理4:施“植宝素腐植酸水溶肥料”60L/667m²(ZHF)。各处理N、P2O5K2O用量分别为150、30、75kg/hm²,不足部分用尿素、过磷酸钙、氯化钾补齐。每处理3次重复,随机排列,小区面积20m²,小区间设隔离行,用塑料薄膜铺盖至田面30cm以下,各小区单灌单排,避免串灌串排。

“植宝素有机水溶肥料”作叶面肥,分别于返青期(移栽后7d左右)和孕穗期(移栽后40d左右)对水50kg/667m²喷施;“植宝素腐植酸水溶肥料”于土壤翻耕前一次性施入(水稻移栽前1周用瓢浇施),然后施用基肥,翻耕后充分耙均,移栽水稻秧苗。各处理除肥料施用不同外,其余农事操作相同。

样品采集与处理:试验开始前取基础土壤,测定土壤基本理化性质及重金属全量和有效态含量。水稻收获后每个试验小区,取0-15 cm土壤样,测定重金属有效态含量。水稻成熟后各小区单打单收,测产,并取样分析大米及植株中重金属含量,大米及植株样品采用微波消解后用ICP-MS进行重金属含量的测定。

2 结果与分析

2.1 供试肥料对水稻生长的影响

2.1.1供试肥料对水稻株高及分蘖数的影响    水稻分蘖盛期测定株高、分蘖数、叶片SPAD值(表3),结果表明,施用石灰对水稻株高和分蘖数具有一定的抑制作用,但叶片SPAD值略有增加;而ZHW和ZHF处理皆可较大幅度增加水稻株高和分蘖数,还在一定程度上提高了水稻叶片SPAD值,表明两种有机水溶肥皆有促进水稻生长和分蘖,提高水稻叶绿素含量的作用。

3  不同处理的水稻分蘖盛期株高、分蘖数及水稻叶片SPAD值

处理

北山

湘潭

株高(cm)

分蘖数

SPAD

株高(cm)

分蘖数

SPAD

CK

56.5 ab

22.1 ab

37.8 a

43.5 b

25.3 a

34.2 a

CKCa

54.4 b

20.4 b

38.3 a

43.4 b

26.5 a

34.7 a

ZHW

57.8 a

23.3 a

38.0 a

44.8 a

25.4 a

34.7 a

ZHF

57.6 a

24.2 ab

38.3 a

45.1 a

26.8 a

35.0 a

注:表中同列不同小写字母表示处理间差异显著(P﹤0.05),下同。

2.1.2   供试肥料对水稻产量的影响   成熟期测定水稻实际产量和生物量(表4),结果表明,施用有机水溶肥皆显著增产,北山试验点ZHW和ZHF处理分别比常规施肥增产7.77%(P﹤0.05)和10.22%(P﹤0.05),分别比施用石灰增产9.13%(P﹤0.05)和11.61%(P﹤0.05);湘潭试验点ZHW和ZHF处理分别比常规施肥增产8.60%(P﹤0.05)和8.59%(P﹤0.05),分别比施用石灰增产9.98%(P﹤0.05)和9.97%(P﹤0.05)。ZHW处理的稻草干重与施用石灰及常规施肥处理间无显著差异,而ZHF处理则显著增加了稻草干重,表明ZHF处理的水稻产量增加显著,其稻草生物量也大幅度增加。

4  不同处理的水稻产量及稻草干重

处理

北山

湘潭

产量

kg/hm²

增产率

%

秸秆干重

kg/hm²

产量

kg/hm²

增产率

%

秸秆干重

kg/hm²

CK

7463b

6094 b

8839 b

6822 b

CKCa

7370 b

-1.25

5774 b

8728 b

-1.26

6499 b

ZHW

8042 a

7.77

5946 b

9599 a

8.60

6692 b

ZHF

8226 a

10.22

7203 a

9598 a

8.59

7911 a

2.2 供试肥料对水稻重金属含量的影响

2.2.1 供试肥料降低稻米重金属含量的效果   成熟期水稻稻米重金属含量结果表明(表5),北山和湘潭试验点常规施肥稻米隔含量分别为0.27和0.21mg/kg,超过食品安全国家标准(0.2mg/kg),其他重金属含量未超标。施用石灰显著降低稻米隔含量,北山点下降37.04%(P﹤0.05),湘潭点下降66.67%(P﹤0.05),稻米隔含量达到食品安全国家标准,湘潭点施用石灰的稻米铬含量也显著下降62.50%(P﹤0.05)。

北山和湘潭试验点施用两种有机水溶肥皆使稻米重金属含量达到食品安全国家标准。北山点ZHW处理显著降低稻米隔、铬含量,比常规施肥分别降低48.15%(P﹤0.05)和45.71(P﹤0.05);ZHF处理则显著降低稻米隔、砷含量,比常规施肥分别降低37.04%(P﹤0.05)和32.14%(P﹤0.05)。湘潭点ZHW处理降低稻米镉、铬含量,比常规施肥分别降低33.33%(P﹤0.05)和56.25%(P﹤0.05);ZHF处理则降低稻米隔、砷含量,比常规施肥分别降低52.38%(P﹤0.05)和75.00%(P﹤0.05)。可见,供试的两种有机水溶肥皆可显著降低稻米镉含量,并对水稻吸收积累其他重金属也有一定的抑制效果。

 

5  不同处理的稻米重金属含量   单位:mg/kg)

试点

处理

Cr

As

Cd

Hg

Pb

北山

CK

0.35 a

0.28 b

0.27 a

0.00 a

0.02 a

CKCa

0.31 a

0.49 a

0.17 b

0.01 a

0.02 a

ZHW

0.19 b

0.35 b

0.14 b

0.01 a

0.02 a

ZHF

0.53 a

0.19 c

0.17 b

0.00 a

0.02 a

湘潭

CK

0.16 a

0.30 a

0.21 a

0.02 a

0.18 a

CKCa

0.06 b

0.33 a

0.07 b

0.01 a

0.14 a

ZHW

0.07 b

0.09 b

0.14 ab

0.01 a

0.14 a

ZHF

0.04 b

0.55 a

0.10 b

0.01 a

0.16 a

2.2.2 供试肥料降低稻草重金属含量的效果

成熟期稻草重金属含量结果表明(表6),北山点施用石灰显著降低稻草镉含量,稻草镉含量比常规施肥降低44.20%(P﹤0.05);湘潭点施用石灰则显著降低稻草镉、铅、砷含量,比常规施肥分别降低59.62%(P﹤0.05)、25.21%(P﹤0.05)和20.30%(P﹤0.05)。

施用两种有机水溶肥均显著降低稻草镉含量。北山点ZHW和ZHF处理的稻草镉含量比常规施肥分别下降21.74%(P﹤0.05)和28.99%(P﹤0.05),但对稻草吸收积累铬、汞、砷、铅无显著影响;湘潭点ZHW处理有降低稻草镉、铅含量的趋势,ZHF处理也可有效降低稻草镉、砷、铅含量,其稻草镉、砷、铅含量分别比常规施肥降低26.44(P﹤0.05)、5.88%和17.81%。可见,供试的两种有机水溶肥对降低稻草吸收积累重镉、铅等金属也有一定的抑制作用。

 

6 不同处理的稻草重金属含量 单位:mg/kg)

试点

处理

Cr

As

Cd

Hg

Pb

北山

CK

5.20 b

4.08 a

1.38 a

0.02 a

1.00 a

CKCa

5.86 a

3.90 a

0.77 c

0.02 a

0.83 a

ZHW

5.28 ab

4.48 a

1.08 b

0.02 a

0.93 a

ZHF

4.37 b

4.34 a

0.98 b

0.02 a

0.96 a

湘潭

CK

7.93 a

1.87 b

0.87 a

0.04 a

7.30 a

CKCa

6.51 a

1.49 a

0.36 b

0.03 a

5.46 b

ZHW

7.83 a

1.66 a

0.77 a

0.03 a

6.59 ab

ZHF

8.48 a

1.76 a

0.64 b

0.04 a

6.60 ab

2.3 供试肥料对重金属活性及土壤理化性质的影响

2.3.1 供试肥料对土壤重金属有效性的影响  

水稻收获后,土壤有效态重金属含量结果表明(表7),北山、湘潭试验点施用有机水溶肥皆有降低土壤镉、铬、铅、砷、汞有效态含量的趋势,但差异未达显著水平。

 

7 北山点的土壤有效态重金属含量  单位:mg/kg)

试点

处理

Cr

As

Cd

Hg

Pb

北山

CK

0.09 a

2.27 a

0.23 a

0.00 a

6.34 a

CKCa

0.09 a

2.15 a

0.21 a

0.00 a

7.18 a

ZHW

0.06 a

2.27 a

0.21 a

0.00 a

7.11 a

ZHF

0.08 a

2.25 a

0.22 a

0.00 a

6.61 a

湘潭

CK

0.02 a

1.26 a

0.30 a

0.00 a

13.02 a

CKCa

0.02 a

1.18 a

0.28 a

0.00 a

12.74 a

ZHW

0.02 a

1.24 a

0.30 a

0.00 a

13.78 a

ZHF

0.01 a

1.18 a

0.30 a

0.00 a

14.16 a

2.3.2 供试肥料对土壤理化性状的影响

水稻收获后,土壤理化性状结果表明(表8),在北山和湘潭两试验点施用石灰皆显著提高土壤pH值,施用有机水溶肥也可有效提高了土壤pH值,北山点ZHW和ZHF处理分别比常规肥提高0.13和0.03个单位,而湘潭点也分别提高0.11和0.08个单位。但不同处理对土壤有机质含量、阳离子交换量、耕层容重以及孔隙度等皆无显著影响。

 

8  不同处理的土壤理化性状

试点

处理

土壤pH

有机质

g/kg

阳离子交换量

cmol+/kg

耕层容重

g/cm3

孔隙度

%

北山

CK

5.19 b

43.7 a

10.7 a

1.4 a

45 a

CKCa

5.54 a

43.8 a

10.8 a

1.3 a

44 a

ZHW

5.32 ab

45.8 a

11.5 a

1.4 a

47 a

ZHF

5.22 ab

44.7 a

12.1 a

1.4 a

46 a

湘潭

CK

6.43 b

46.3 a

12.2 a

1.3 a

38 a

CKCa

6.88 a

46.3 a

12.9 a

1.3 a

37 a

ZHW

6.54 b

47.1 a

13.6 a

1.4 a

40 a

ZHF

6.51 b

46.9 a

12.8 a

1.4 a

40 a

3 讨论

“植宝素有机水溶肥料”、“植宝素腐植酸水溶肥料”皆可促进水稻株高及分蘖数的增加,并促进水稻叶绿素含量的增加,表明两种水溶肥料在同等肥力水平下对水稻的供肥能力更强,从而促进水稻产量显著增加。

有机肥施入土壤后增加土壤有机质含量,有机质既可吸附土壤中的重金属形成不被植物吸收的稳定态络合物,也可形成活性更高的可溶态。因此,在施用有机肥修复重金属污染土壤的报道中,既有添加有机质提高土壤重金属有效性的报道,也有增加有机质降低土壤重金属有效性的研究。但有机肥来源广泛,成份复杂,有的还具有较高含量的重金属,大量施用会增加土壤重金属污染的风险。而采用有机水溶肥,既可能利用了有机肥钝化重金属的特性,也可通过其加工环节降低其重金属含量,在修复重金属污染土壤的应用中具有更好的可控性。本研究结果表明,“植宝素有机水溶肥料”和“植宝素腐植酸水溶肥料”皆可降低稻米镉含量的效果,试点中轻度镉污染稻田施用供试的两种有机水溶肥后,稻米镉含量均达到食品安全国家标准。两种水溶肥料皆可提高土壤pH和有机质含量,能在一定程度上缓解土壤酸性,增加有机质含量还可以改良土壤环境,促进水稻的生长。稻米镉含量与土壤有效态镉含量及土壤pH值的相关性分析表明,稻米镉含量与土壤有效态镉含量呈正相关(北山:r=0.431;湘潭:r=0.147),与土壤pH值呈负相关(北山:r=-0.191;湘潭:r=-0.740**)。可见施用“植宝素有机水溶肥料”和“植宝素腐植酸水溶肥料”能在一定程度上提高土壤pH,降低土壤有效态镉含量,从而减少水稻对镉的吸收积累。

4 结论

1)“植宝素有机水溶肥料”、“植宝素腐植酸水溶肥料”皆可促进水稻生长和分蘖,提高水稻叶绿素含量。北山试验点施用两种水溶肥料后比常规施肥分别增产7.77%(P﹤0.05)和10.22%(P﹤0.05);湘潭试验点施用两种水溶肥料后分别比常规施肥增产8.60%(P﹤0.05)和8.59%(P﹤0.05)。

2)施用“植宝素有机水溶肥料”和“植宝素腐植酸水溶肥料”皆可显著降低水稻对镉的吸收积累,北山点施用两种水溶肥料的稻米镉含量比常规施肥分别下降48.15%(P﹤0.05)和37.04%(P﹤0.05),并对水稻吸收积累其他重金属也有一定的抑制效果。

参考文献:

[1] 张玉斌.重金属污染现状及防控策略[J].环境保护与循环经济2012,(6):4-7

[2] 袁姗姗,肖细元,郭朝晖.中国镉矿的区域分布及土壤镉污染风险分析[J]。环境污染与防治,2012.34(6:):51-56,100.

[3] Elouear Z, Bouhamed F, Bouzid J. Evaluation of different amendments to stabilize cadmium, zinc, and copper in a contaminated soil:influence on metal leaching and phytoavailability[J]. Soil and Sediment Contamination, 2014, 23(6): 628-640.

[4] 刘昭兵,纪雄辉,王国祥,等.赤泥对Cd污染稻田水稻生长及吸收累积Cd的影响[J].农业环境科学学报,2010.29(4):692-769.等等

 

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