不同施肥模式对酸性土壤镉、铜有效态含量及在结球生菜中累积的影响.pdf

引文格式 杨育文 陈秋会 席运官 等 不同施肥模式对酸性土壤镉 铜有效态含量及在结球生菜中累积的影响 J 云南 农业大学学报 自然科学 2022 37 2 344 350 DOI 10 12101 j issn 1004 390X n 202109046 不同施肥模式对酸性土壤镉 铜有效态含量及 在结球生菜中累积的影响 杨育文1 陈秋会1 席运官1 刘明庆1 高 丽1 杨涛明2 和丽萍2 1 生态环境部南京环境科学研究所 江苏 南京 210042 2 云南生态环境科学研究院 云南 昆明 650034 摘要 目的 研究不同施肥模式对降低农田土壤重金属污染风险和减少蔬菜重金属含量的效果 为重金属污 染农田土壤安全利用提供参考 方法 采用田间试验方法 研究施用有机肥和化肥及其与碳酸钙石粉配施 对镉 Cd 和铜 Cu 污染酸性土壤的pH值和重金属有效态含量动态变化以及结球生菜生长及其可食用部位 Cd和Cu含量的影响 结果 施用有机肥和碳酸钙石粉能提高土壤pH值 施用化肥会降低土壤pH值 与 对照相比 单施有机肥22 5 t hm2和配施有机肥22 5 t hm2 碳酸钙石粉1 5 t hm2处理在45 d时对土壤有效态 Cd和Cu含量的降低效果更为明显 有效态Cd含量分别降低38 41 和43 12 有效态Cu含量分别降 低54 79 和53 79 而施用化肥不利于土壤有效态Cd和Cu含量的降低 与对照相比 单施有机肥 22 5 t hm2和配施有机肥22 5 t hm2 碳酸钙石粉1 5 t hm2分别使结球生菜产量增加184 33 和153 31 生菜 中Cd含量分别降低60 17 和36 40 生菜中Cu含量分别降低47 27 和19 35 施用化肥不能降低结球 生菜中Cd和Cu含量 结论 单施有机肥和有机肥与碳酸钙石粉配施能提高土壤pH 降低土壤Cd和 Cu生物有效性 提高蔬菜产量及其安全品质 研究结果可为降低类似区域农田Cd和Cu污染风险以及提高蔬 菜安全品质提供借鉴 关键词 农田土壤修复 施肥模式 碳酸钙石粉 土壤有效态Cd 土壤有效态Cu 中图分类号 S636 906 2 文献标志码 A 文章编号 1004 390X 2022 02 0344 07 Effects of Different Fertilization Patterns on Available Cadmium and Copper in Acidic Soil and Its Impact on Cd and Cu Accumulation in Head Lettuce YANG Yuwen1 CHEN Qiuhui1 XI Yunguan1 LIU Mingqing1 GAO Li1 YANG Taoming2 HE Liping2 1 Nanjing Institute of Environmental Sciences Ministry of Ecology and Environment Nanjing 210042 China 2 Yunnan Research Academy of Eco environmental Sciences Kunming 650034 China Abstract Purpose To study the effects of different fertilization patterns on reducing the risk of heavy metal pollution in farmland soil and the content of heavy metals in vegetables so as to provide reference for the safe utilization of heavy metal polluted farmland soil Method A field experi 云南农业大学学报 自然科学 2022 37 2 344 350 Journal of Yunnan Agricultural University Natural Science E mail ynauzkxb 收稿日期 2021 09 29 修回日期 2022 02 15 网络首发日期 2022 03 24 基金项目 云南省生态环境厅土壤修复项目 YNZDZB 2017 002 中央级公益性科研院所基本科研业务专 项 GYZX210514 作者简介 杨育文 1991 女 甘肃武威人 硕士 助理研究员 主要从事有机农业与农村面源污染防 治研究 E mail yywofrcc 通信作者 Corresponding author 席运官 1966 男 江西抚州人 博士 研究员 主要从事有机农业与 农业环境保护研究 E mail xyg nies org 网络首发地址 ment was conducted to investigate the effects of organic fertilizer chemical fertilizer and their com bined application with calcium carbonate powder on the dynamic changes of pH value and available content of Cd and Cu in acidic soil the growth of head lettuce and the enrichment of Cd and Cu in its edible parts Results Combined application of organic fertilizer and calcium carbonate powder could increase the soil pH while the application of chemical fertilizer reduced the soil pH Compared with the control the effect of application of organic fertilizer 22 5 t hm2 and combined application of organic fertilizer 22 5 t hm2 calcium carbonate powder 1 5 t hm2 on reducing the content of available Cd and Cu in soil was more obvious at 45 days the content of available Cd in soil decreased by 38 41 and 43 12 respectively and the content of available Cu in soil decreased by 54 79 and 53 79 respectively the application of chemical fertilizer was not conducive to the reduction of the content of available Cd and Cu in soil Compared with the control the application of organic fertilizer 22 5 t hm2 and the combination of organic fertilizer 22 5 t hm2 calcium carbonate powder 1 5 t hm2 increased the yield of head lettuce by 184 33 and 153 31 respectively the content of Cd in lettuce decreased by 60 17 and 36 40 respectively the content of Cu in lettuce decreased by 47 27 and 19 35 respectively the application of chemical fertilizer could not reduce the contents of Cd and Cu in head lettuce Conclusion The application of organic fertilizer and the combination of organic fertilizer and calcium carbonate powder can improve soil pH reduce the bioavailability of soil Cd and Cu and improve the yield and safety quality of vegetables The results can provide reference for redu cing the risk of Cd and Cu pollution in farmland in similar areas and improving the safety and quality of vegetables Keywords farmland soil remediation fertilization pattern calcium carbonate powder available Cd of soil available Cu of soil 中国耕地重金属污染形势严峻 根据2014 年发布的 全国土壤污染状况调查公报 中国 耕地土壤点位超标率达19 4 从污染物超标情 况来看 镉 Cd 的点位超标率为7 0 铜 Cu 的点位超标率为2 1 在所有污染因子中分别位 居第一和第四 1 Cd和Cu等重金属在农田土壤 中不断积累 会影响农作物生长 导致农产品中 重金属含量超标 严重影响食品安全和消费者健 康 2 3 因此 土壤重金属污染修复技术及其应用 一直是国内外研究的热点 4 5 土壤重金属污染修复主要有物理修复 化学 修复 生物修复和农业生态修复等方法 6 对于 中轻度受污染农田 应尽量在不影响农业生产的 前提下 选择环境友好型方式修复重金属污染 同时综合考虑修复效果和修复成本 以便应用于 实际生产并能大面积推广 原位化学钝化法具有 经济 高效和简单易行等优点 在农田重金属污 染修复中运用广泛 7 常用的钝化剂包括石灰性 物质 炭材料 粘土矿物 有机肥和农业废弃物 等 碳酸钙是一种来源广泛 成本低廉和性质稳 定的石灰类钝化剂 它能与重金属发生反应生成 沉淀 并通过调节土壤pH使土壤中的重金属生 成氢氧化物沉淀 具有较好的钝化效果 8 9 有机 物料是国内外常用于重金属污染钝化修复的材 料 10 11 研究表明 施用有机肥不仅能够降低土 壤Cd活性 减少农作物对重金属的吸收积累 还能改善土壤理化性质 增加土壤肥力 是一种 较为经济有效的农田土壤重金属污染修复方法 12 赵家印等 13 通过盆栽试验研究发现 碳酸钙 与有机肥配施对降低云南重金属污染农田土壤中 有效态Cd和Cu及生菜中Cd和Cu的含量效果 显著 为进一步探究在实际生产条件下降低该地 区土壤及生菜中Cd和Cu含量的方法 本研究以 云南重金属污染农田土壤为研究对象 通过大田 试验研究不同肥料及其与碳酸钙石粉配施对土壤 pH和有效态Cd Cu含量动态变化以及生菜产量 和生菜可食用部位中重金属含量的影响 以寻求 高效低成本并符合当地农民生产习惯的重金属污 染农田安全利用技术 同时为降低类似地区农田 重金属污染风险 改善土壤质量和提高蔬菜安全 第 2 期杨育文 等 不同施肥模式对酸性土壤镉 铜有效态含量及在结球生菜中累积的影响345 品质提供科学依据 1 材料与方法 1 1 试验地概况及供试材料 试验于2019年10 12月在云南省昆明市盘 龙区某蔬菜种植基地开展 N25 05 E102 7 海 拔1 975 m 试验区属中亚热带高原季风气候区 全年平均气温14 9 年平均降水量1 000 5 mm 月最大降水量208 3 mm 供试土壤为红壤 参考文献 14 的方法测定 大田基础土样基本理化性质为 pH 5 86 全氮含 量2 3 g kg 有机质含量48 32 g kg 速效磷含量 41 96 mg kg 阳离子交换量18 55 cmol kg 全Cd 含量0 70 mg kg 有效态Cd含量0 26 mg kg 全Cu 含量193 27 mg kg 有效态Cu含量11 10 mg kg 该地区土壤重金属Cu和Cd含量超过 农用地土 壤污染风险管控标准 试行 15 的土壤风险筛选 值 5 5 pH 6 5时 全Cu 50 mg kg 全Cd 0 3 mg kg 试验蔬菜品种为结球生菜 Lactuca sativa var capitata L 苗龄20 d后移栽至大田 试验所用 有机肥为农场利用羊粪和鸽粪等原料充分发酵腐 熟所生产 其基本理化性质为 pH 7 67 总氮含 量24 70 g kg 总磷含量17 45 g kg 总钾含量 32 60 g kg 有机质含量505 00 g kg 全Cd含量 1 05 mg kg 全Cu含量59 00 mg kg 有机肥中 Cd含量符合NY T 525 2021 16 的规定 总Cd 3 mg kg 供试碳酸钙石粉由石灰石 购自云南 昆钢钙镁熔剂有限公司 磨制过250目筛后所 得 其Cd和Cu含量均低于检出限 pH值为 10 18 1 2 试验设计 试验共设置5个处理 表1 每个处理3次 重复 共设置随机排列试验小区15个 每个小 区规格为4 m 5 m 为防止串水 每个小区之间 设置宽50 cm 高25 cm的田埂 地块四周设保 护行 保护行各边宽度不少于1 m 有机肥和化 肥作为基肥撒施 不进行追肥 施用量根据农民 施肥经验及生菜需氮量确定 结球生菜移栽前 1 d 进行土壤翻耕 同时根据各试验小区的施肥 方案撒施基肥 碳酸钙石粉与基肥同时撒施 2019年10月15日移栽结球生菜 行距30 cm 株距20 cm 在其生长过程中 各小区采取相同 的浇水 除草和病虫害防治等田间管理方式 1 3 样品采集与处理 考虑到土壤的异质性 各处理在翻耕与施肥 前都采集土样 测定土壤有效态Cd和Cu含量 及pH值 在试验开始后第15 30 45 60 75天时采集各小区0 20 cm表层土壤样品 经风 干和粉碎后过100目筛用于土壤参数分析 约 60 d 结球生菜成熟后 在各小区随机采集10颗 测其鲜质量 计算各小区生菜的平均鲜质量 估 算产量 随后用去离子水清洗干净 烘干和粉碎 后过100目筛 待测 土壤Cd含量的测定采用石墨炉原子吸收分 光光度法 17 土壤Cu含量的测定采用火焰原子 吸收分光光度法 18 土壤重金属有效态Cd和 Cu含量的测定采用二乙烯三胺五乙酸浸提 电 感耦合等离子体发射光谱法 19 生菜总Cd和总 Cu含量的测定采用原子吸收光谱法 20 21 1 4 数据处理 采用Microsoft Excel 2010和Origin 2019进 行数据处理和制图 采用SPSS 22 0软件进行显 著性检验 检验方法采用Duncan法 显著水平 为PCF CK OMC OM Cd含量均 未超过食品安全国家标准限值 0 2 mg kg 22 CFC处理结球生菜中Cd含量显著高于CK处 理 与CF处理差异不显著 OM处理生菜Cd含 量显著低于CFC CF和CK处理 与CK相比 OM和OMC处理生菜Cd含量分别降低60 17 和36 40 各处理的结球生菜可食用部位Cu含 量顺序为CF CFC CK OMC OM 且OM处理 的Cu含量显著低于其他处理 仅为CF处理的 49 89 与CK相比 OM和OMC处理的生菜 Cu含量分别降低47 27 和19 35 3 讨论 本研究OM和OMC处理土壤pH值总体呈 增加趋势 可能是有机物料加入土壤后产生的铵 离子导致pH值上升 而后期pH值短暂下降可 能与铵的硝化作用 有机肥腐解及植物根系分泌 的有机酸增多等因素有关 23 24 CF处理土壤 pH值总体呈先增加后降低的趋势 可能是尿素 的水解作用使土壤pH值在短期内上升 之后的 硝化作用又使pH值降低 曾清如等 25 研究发 现 酸性红壤中施用尿素后 硝化作用主要集中 在第2 4周 刘小燕等 26 研究发现 在砷污染土 壤施入尿素 pH值先短暂上升至最大值然后下 降 其中3 4周降幅最大 与本研究结果类似 从长期来看 施用尿素等化肥会导致土壤酸化 CFC处理因为碳酸钙的施入促进了土壤硝化作 用 27 再加上尿素的硝化作用使土壤pH值先短 暂下降 随后由于碳酸钙溶解产生OH 使土壤 pH值升高 28 李明等 29 在重度酸性镉污染菜地 Cd含量1 06 mg kg 施用4 5 t hm2 CaCO3 9个 月后仍保持较好的调酸效果 而本研究OMC和 CFC处理在试验第75天还维持着降酸效果 其 中第60天时降酸效果最佳 pH值分别较处理前 增加1 04和0 67 土壤有效态Cd和Cu含量降低主要发生在试 验开始的45 d内 且OM和OMC处理的土壤有 效态Cd和Cu含量降幅明显大于CK 表明有机 肥单施和有机肥与碳酸钙石粉配施均有利于降低 土壤有效态Cd和Cu含量 且有机肥与碳酸钙石 粉配施对土壤有效态Cd的降低效果优于单施有 机肥 施用有机肥能够提高土壤pH 增加有机 质含量 有机质可通过与土壤重金属发生络合作 用从而影响重金属的移动性及其植物有效性 30 31 但不同有机肥对土壤重金属具有活化和固定双 重影响 赵家印等 13 研究发现 有机肥的活化作 用可明显提高土壤有效态Cd和Cu含量 JONES 等 32 研究发现 生物炭和堆肥配施可显著降低 Cu的移动能力 叶俊文 33 指出 随着土壤有机质 增加 土壤Cu和Cd可交换态含量显著降低 施 用有机肥可有效治理Cu和Cd污染土壤 导致上 述研究产生差异的原因可能是有机肥中重金属含 量 34 有机质含量 有机质中胡敏酸和富里酸组 成差异 35 以及土壤的理化性质和种植条件 盆 栽 大田和温室等 不同 碳酸钙对土壤重金属 Cd和Cu的钝化机理相似 一方面通过调节土壤 pH使其生成氢氧化物沉淀 另一方面可与Cd和 Cu发生反应生成碳酸盐沉淀 且一定范围内钝 化效果随着碳酸钙添加剂量的增大而增强 36 38 CF处理的土壤有效态Cd和Cu含量降幅均小于 CK CFC处理的降幅小于或略高CK 表明施 用化肥不利于降低土壤有效态Cd和Cu含量 配 施碳酸钙的效果主要体现在试验初期 能在短期 内促进土壤有效态Cd和Cu含量降低 施用有机肥和碳酸钙石粉可显著增加结球生 菜产量 而单施化肥对其增产效果不显著 施用 化肥会导致土壤pH降低 进而引起土壤Al溶解 表 2 各处理下结球生菜的产量及其Cd和Cu含量 Tab 2 Yield and Cd and Cu content of head lettuce under different treatments 处理 treatment 产量 kg 667 m 2 yield Cd含量 mg kg 1 Cd content Cu含量 mg kg 1 Cu content CK 930 35 108 96 c 0 08 0 01 bc 0 86 0 08 a OM 2 645 25 291 11 a 0 03 0 01 d 0 46 0 04 b OMC 2 356 65 140 81 ab 0 05 0 02 cd 0 70 0 07 a CF 1 273 48 129 54 c 0 09 0 01 ab 0 91 0 20 a CFC 2 141 23 241 81 b 0 11 0 00 a 0 89 0 00 a 注 各处理施肥方式见表1 同列数据后不同小写字母表示在0 05水 平差异显著 Note Fertilization patterns of each treatment list in Tab 1 different lowercase letters indicate significant differences at 0 05 level 348云南农业大学学报第 37 卷 导致铝毒伤害 抑制蔬菜生长 25 而有机肥可提 高土壤pH 增加有机质含量 优化土壤结构 提高作物产量 唐明灯等 39 研究证实 施用猪 粪 牛粪 鸡粪和花生麸4种有机肥均可显著提高 生菜生物量 有研究发现 对酸性土壤增施 2 25 4 50 t hm2 CaCO3可增加土壤微生物量及其 活性 进而促进土壤溶解性有机碳增加及土壤氮 素转化 26 40 有利于作物生长 29 施用化肥使 pH值降低 土壤重金属生物有效性提高 蔬菜 对重金属的吸收增加 41 施用有机肥可提高土壤 有机质含量 使土壤中易被植物吸收的重金属通 过有机络合反应变为有机结合态 施用碳酸钙石 粉能降低土壤有效态Cd和Cu含量 进而降低蔬 菜重金属含量 42 因此 本研究OM和OMC处 理均有利于降低结球生菜可食用部位的重金属 Cu和Cd含量 且前者效果略优 李明等 29 在 Cd污染菜地施用CaCO3后 各类蔬菜Cd含量 均降低 其中叶菜类蔬菜Cd含量降幅最大 唐 希望等 43 研究发现 整个生长阶段生菜地上部 Cd含量和Ca含量呈正相关 同时与生菜地上部 生物量的变化高度相关 这可能是本研究CFC处 理生菜Cd含量大于CF处理以及OM处理生菜 Cd含量小于OMC处理的原因 4 结论 施用有机肥和碳酸钙石粉有利于提高土壤 pH值 增加结球生菜产量 降低结球生菜可食 用部位Cd和Cu的含量 施用化肥对结球生菜的 增产效果不明显且不利于降低土壤及结球生菜中 的Cd和Cu含量 可见 单施有机肥以及有机肥 与碳酸钙石粉配施是降低酸性农田土壤重金属 Cd和Cu污染风险 提高蔬菜产量及其安全品质 的良好措施 参考文献 环境保护部 国土资源部 全国土壤污染状况调查公报 J 中国环保产业 2014 5 10 1 赵江宁 王云霞 沈春晓 等 土壤铜污染对水稻产量形 成的影响 5年定位试验 J 农业环境科学学报 2012 31 11 2073 2 DIXIT R WASIULLAH MALAVIYA D et al Biore mediation of heavy metals from soil and aquatic environ ment an overview of principles and criteria of funda mental processes J Sustainability 2015 7 2 2189 DOI 10 3390 su7022189 3 ZENG F R ALI S ZHANG H T et al The Influence of pH and organic matter content in paddy soil on heavy metal availability and their uptake by rice plants J En vironmental Pollution 2011 159 84 DOI 10 1016 j en vpol 2010 09 019 4 ZHAO F J MA Y ZHU Y G et al Soil contamination in China current status and mitigation strategies J En vironmental Science Technology 2014 49 2 750 DOI 10 1021 es5047099 5 师艳丽 陈明 李凤果 等 土壤重金属污染修复技术研 究进展 J 有色金属科学与工程 2018 9 5 66 DOI 10 13264 ki ysjskx 2018 05 012 6 谢玉峰 刘迪 陈振宁 等 耕地土壤重金属污染钝化修 复技术研究进展 J 江苏农业科学 2020 48 18 30 DOI 10 15889 j issn 1002 1302 2020 18 006 7 刘丽 吴燕明 周航 等 大田条件下施加组配改良剂对 蔬菜吸收重金属的影响 J 环境工程学报 2015 9 3 1489 DOI 10 12030 j cjee 20150382 8 任露陆 吴文成 陈显斌 等 碳酸钙与氢氧化钙修复重 金属污染土壤效果差异研究 J 环境科学与技术 2016 39 5 22 DOI 10 3969 j issn 1003 6504 2016 05 004 9 MAHAR A WANG P LI R H et al Immobilization of lead and cadmium in contaminated soil using amend ments a review J Pedosphere 2015 25 4 555 DOI 10 1016 S1002 0160 15 30036 9 10 刘娜 薛中俊 叶文玲 等 不同钝化材料对铜污染土壤 修复的影响 J 农业环境科学学报 2018 37 12 2694 DOI 10 11654 jaes 2018 0084 11 薛毅 尹泽润 盛浩 等 连续4a施有机肥降低紫泥田镉 活性与稻米镉含量 J 环境科学 2020 41 4 1880 DOI 10 13227 j hjkx 201910025 12 赵家印 席运官 代慧杰 等 钝化剂与有机肥配施对土 壤有效态重金属及其在生菜中累积的影响 J 生态与 农村环境学报 2019 35 11 1460 DOI 10 19741 j issn 1673 4831 2018 0793 13 鲁如坤 土壤农业化学分析方法 M 北京 中国农业 科技出版社 2000 14 GB 15618 2018 农用地土壤污染风险管控标准 试 行 S 15 NY T 525 2021 有机肥料 S 16 GB T 17141 1997 土壤质量 铅 镉的测定 石墨炉原 子吸收分光光度法 S 17 HJ 491 2019 土壤和沉积物 铜 锌 铅 镍 铬的 测定 火焰原子吸收分光光度法 S 18 HJ 804 2016 土壤8种有效态元素的测定 二乙烯三 胺五乙酸浸提 电感耦合等离子体发射光谱法 S 19 GB 5009 15 2014 食品安全国家标准 食品中镉的测 定 S 20 GB 5009 13 2003 食品中铜的测定 S 21 GB 2762 2017 食品安全国家标准 食品中污染物限 量 S 22 YAN F SCHUBERT S MENGEL K Soil pH increase due to biological decarboxylation of organic anions J Soil Biology Biochemistry 1996 28 4 5 617 DOI 10 1016 0038 0717 95 00180 8 23 第 2 期杨育文 等 不同施肥模式对酸性土壤镉 铜有效态含量及在结球生菜中累积的影响349 吴景贵 吕岩 王明辉 等 有机肥腐解过程的红外光谱 研究 J 植物营养学报 2004 10 3 259 DOI 10 3321 j issn 1008 505X 2004 03 008 24 曾清如 廖柏寒 蒋朝辉 等 施用尿素引起红壤pH及 铝活性的短期变化 J 应用生态学报 2005 16 2 249 DOI 10 13287 j 10019332 2005 0426 25 刘小燕 曾清如 周细红 等 尿素施用对砷污染土壤 pH值及砷活性的影响 J 土壤通报 2008 39 6 1441 DOI 10 3321 j issn 0564 3945 2008 06 045 26 郭安宁 段桂兰 赵中秋 等 施加碳酸钙对酸性土壤微 生物氮循环的影响 J 环境科学 2017 38 8 3483 DOI 10 13227 j hjkx 201701145 27 张湘茗 任学昌 万建新 等 碳酸钙对污染土壤中 Pb Zn Cd的稳定化作用 J 有色金属工程 2019 9 6 114 DOI 10 3969 j issn 2095 1744 2019 06 018 28 李明 陈宏坪 王子萱 等 石灰钝化法原位修复酸性镉 污染菜地土壤 J 环境工程学报 2018 12 10 2864 DOI 10 12030 j cjee 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