董欣欣，孫保亞，宋雪英，郭志磊，劉 彥，王 月

(1.沈陽市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)服務(wù)中心(沈陽市農(nóng)業(yè)科學院)，遼寧 沈陽 110034；2.沈陽大學，遼寧 沈陽 110044)

0 引 言

土壤中重金屬可交換態(tài)鎘，亦稱作活性鎘或有效鎘(Cd)，可以直接被作物吸收，易于遷移轉(zhuǎn)化，對生態(tài)安全和人體健康造成威脅[1]。通過向土壤中施入土壤改良劑的化學修復(fù)可顯著降低有效鎘的活性和遷移轉(zhuǎn)化，從而減少作物對鎘的吸收，降低其生物毒性[2]。石灰、海泡石、有機肥、生物炭、和腐植酸等是目前常用的重金屬污染土壤鈍化劑[2-5]，而有機質(zhì)含量高的炭基蠶沙作為重金屬污染土壤的鈍化劑受到越來越多研究者的關(guān)注[6]。陳盾等[7]利用盆栽試驗研究鎘污染紅壤不同鈍化劑的鈍化效果，得出碳酸鈣顯著提高了土壤中Cd的鈍化率，同時小麥籽粒中Cd含量比對照降低27%，土壤pH值穩(wěn)定在7.6左右。曹永強等[8]通過實驗室模擬Cd污染棕壤試驗得出：花生秸稈生物炭配施磷肥可以顯著減少土壤有效態(tài)Cd含量，降低土壤Cd生物有效性。另外，于春曉等[9]利用室內(nèi)培養(yǎng)法研究生物炭、海泡石、磷礦粉單一和復(fù)合處理對潮棕壤鎘鈍化效果的影響，試驗結(jié)果顯示3種鈍化劑單一和復(fù)合處理均顯著降低了潮棕壤中活性Cd的含量，其中海泡石與磷礦粉復(fù)合處理土壤活性Cd含量降低23%，降低幅度最大。然而，目前大多數(shù)研究采用短期盆栽試驗或室內(nèi)培養(yǎng)試驗方法，其結(jié)果并不能完全反映鈍化劑的田間應(yīng)用效果。

因此，本試驗從中輕度污染農(nóng)田安全利用及保障農(nóng)產(chǎn)品安全角度出發(fā)，以東北地區(qū)鎘污染潮棕壤為研究對象，在大田作物常規(guī)管理情況下，研究不同鈍化劑的原位鈍化效果，篩選中輕度鎘污染的農(nóng)田上適宜的土壤鈍化劑，具有實地應(yīng)用的可行性及指導(dǎo)性。試驗的結(jié)果對于篩選鎘污染土壤鈍化劑，實現(xiàn)實地修復(fù)和重金屬污染農(nóng)田安全利用有著重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地

大田試驗在中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所沈陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測站開展，位于遼寧省沈陽市遼中區(qū)新民屯鎮(zhèn)寬場村(41°36′49.9″N,123°03′53.7″)。該試驗站氣候為溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度為10 ℃，年平均降水量為567 mm,全年無霜期平均為156 d。供試土壤為潮棕壤，2020年試驗地土壤主要化學性質(zhì)：pH 6.49，有機碳17.0 g·kg-1，陽離子交換量(CEC)17.25 cmol·kg-1，全氮1.71 g·kg-1，全磷1.62 g·g-1，全鉀20.0 g·kg-1，總鎘1.30 mg·kg-1，有效鎘0.85 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗開始于2020年，共設(shè)置6個處理，每個小區(qū)長20 m、寬5.7 m，面積為114 m2，相鄰之間間隔1.2 m。處理包括對照(不施用改良劑，CK)、施用1 500 kg·hm-2石灰(T1)[6,10-11]、施用3 000 kg·hm-2海泡石(T2)[9]、施用1 500 kg·hm-2有機肥(T3)、施用3 000 kg·hm-2腐殖酸(T4)[11]和施用10 500 kg·hm-2炭基蠶沙(T5)[6]，每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列?；适┯们闆r：深施富友玉米專用復(fù)合肥675 kg·hm-2，追施磷酸二銨75 kg·hm-2。有機肥選擇秸稈與牛糞堆漚腐熟生物有機肥。2020年春季，將鈍化劑均勻撒施田塊表面，然后進行翻耕，平整土地。玉米播種管理措施同當?shù)爻Ｒ?guī)管理模式一致。

1.3 取樣

1.3.1 土壤采樣。采樣時間為2020年4月試驗布設(shè)前和2020年9月作物收獲時，用土鉆取表層0～20 cm土壤，3次重復(fù)取樣,每一樣品均由五點混合而成新鮮土樣，挑出草根和石塊等雜物，過2 mm篩后放入自封袋帶回實驗室風干備用。

1.3.2 玉米采樣。2020年9月采集成熟期玉米果穗和莖葉，每個小區(qū)采取5點“Z”形取樣，采集10個果穗混合樣和緊鄰果穗下部10株莖葉混合樣，分別裝入網(wǎng)紗袋帶回實驗室陰干備用。

1.4 測試指標及方法

土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測定[12]；土壤pH測定采用土水比1∶ 2.5的玻璃電極法；土壤鎘含量測定采用HNO3-HClO4法消解，原子吸收分光光度法；土壤有效鎘含量測定采用0.1 mol·L-1的鹽酸浸提，電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-OES)檢測[13]；玉米籽粒、莖葉鎘含量測定采用HNO3-H2O2法消解，原子吸收分光光度法；玉米產(chǎn)量測定選擇遠離小區(qū)邊際的位置取有代表性的樣點11.4 m2的面積，收獲全部果穗，計算果穗數(shù)目，稱取鮮重，選取5個果穗作為標準樣本測定出籽率和含水率。產(chǎn)量計算公式：

產(chǎn)量=單位面積干果穗重×出籽率×(1-含水率)÷(1-14%)，出籽率=(5個果穗籽粒干重÷5個果穗干重)×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS16.0(Chicago，IL，USA)、Excel 2019等軟件進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和作圖，采用Duncan法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈍化劑對土壤pH的影響

土壤pH是影響重金屬有效性的重要因素之一，與不施鈍化劑(CK)處理相比(pH為6.3)，施石灰(T1)和海泡石(T2)處理顯著提高了土壤pH，分別提高了0.5和0.4個單位(P<0.05)。施腐殖酸(T4)處理顯著降低了土壤pH，使土壤pH下降了0.3個單位(P<0.05)。施有機肥(T3)和炭基蠶沙(T5)處理土壤pH分別為6.5和6.4，對土壤pH影響不顯著(圖1)。

注：小寫字母代表不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.圖1 不同鈍化劑對土壤pH的影響Fig.1 Effects of different amendments on soil pH

2.2 不同鈍化劑對土壤有效Cd含量的影響

與不施鈍化劑(CK)的處理相比，施石灰(T1)、海泡石(T2)、炭基蠶沙(T5)、有機肥(T3)和腐殖酸(T14)處理均顯著降低了土壤中有效Cd含量，降低幅度分別為26.1%、22.7%、21.6%、18.2%和17.0%(P<0.05)?？梢娛覍τ行d的鈍化效果最佳，其次分別為海泡石、炭基蠶沙、有機肥和腐殖酸(圖2)。

圖2 不同鈍化劑對土壤有效鎘含量的影響Fig.2 Effects of different amendments on soil available Cd contents

2.3 不同鈍化劑對玉米籽粒、莖葉Cd含量的影響

不施鈍化劑(CK)處理玉米籽粒中鎘含量為0.065 mg·kg-1(圖3)，施用5種土壤鈍化劑后，籽粒中Cd含量顯著降低，其中施有機肥(T3)、海泡石(T2)、石灰(T1)、炭基蠶沙(T5)和腐殖酸(T4)處理籽粒中Cd含量分別為0.013、0.018、0.024、0.032和0.033 mg·kg-1，比CK處理分別顯著降低了80.4%、72.5%、62.7%、49.7%和49.2%(P<0.05)，可見有機肥和海泡石對降低玉米籽粒中Cd含量的效果最佳。

不同鈍化劑對玉米莖葉中Cd含量的影響不一致(圖3)。不施鈍化劑(CK)處理莖葉中Cd含量為1.47 mg·kg-1，而海泡石(T2)、石灰(T1)、腐殖酸(T4)和有機肥(T3)處理顯著降低玉米莖葉中Cd含量，分別降低了74.2%、47.6%、25.2%和20.4%(P<0.05)，可見海泡石和石灰對玉米莖葉中Cd含量降低效果最佳，但施炭基蠶沙(T3)處理對玉米莖葉中Cd含量無顯著影響。

圖3 不同鈍化劑對玉米鎘含量的影響Fig.3 Effects of different amendments on Cd contents in maize

2.4 不同鈍化劑對玉米產(chǎn)量的影響

與不施鈍化劑(CK)處理對比，施有機肥(T3)處理玉米產(chǎn)量為13 242 kg·hm-2，提高幅度為8.51%，同時取樣小區(qū)11.4 m2內(nèi)穗數(shù)增加8.33穗，小區(qū)穗重增加0.7 kg，空桿數(shù)減少2.67株；施腐殖質(zhì)(T4)和炭基蠶沙(T5)處理在不同程度降低了玉米產(chǎn)量，分別降低了18.6%和8.60%，同時空桿數(shù)、穗數(shù)以及穗重均減少；施石灰(T1)、海泡石(T2)處理對玉米畝產(chǎn)影響不大(表1)。

表1 不同鈍化劑對玉米產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different amendments on maize yields

3 討論

3.1 不同鈍化劑對土壤有效Cd鈍化的影響

向土壤中加入鈍化劑，通過絡(luò)合、離子交換、吸附或共沉淀作用改變Cd在土壤中的形態(tài)，從而降低重金屬的生物有效性，是一種很好的土壤修復(fù)方法[14]。然而，鈍化劑修復(fù)金屬污染土壤的實際效果會受到一些環(huán)境因素的影響，如土壤pH 值、土壤類型、重金屬類型、植物種類等，因地制宜施用改良劑是修復(fù)重金屬污染土壤的關(guān)鍵。本研究中5種鈍化劑石灰、海泡石、有機肥、腐殖酸和炭基蠶沙施用于Cd污染潮棕壤后均顯著降低了土壤中有效Cd含量，說明這5種鈍化劑均能使潮棕壤中有效Cd向固定態(tài)Cd轉(zhuǎn)化。石灰固態(tài)堿性類物質(zhì)可以提高土壤 pH 值，本研究中施入石灰使土壤pH值提高了0.5個單位，土壤pH值升高會促進土壤膠體和粘粒對重金屬離子的吸附，同時土壤pH值增加土壤溶液中氫氧根離子濃度，有利于Cd2+生成難溶的碳酸鹽或氫氧化物沉淀[8,15-17]；海泡石降低土壤有效Cd含量可能是由于海泡石提高了潮棕壤的土壤pH值，Cd2+生成了難溶氫氧化物沉淀，另外，海泡石具有較大的內(nèi)外面積和比表面積，通過吸附、離子交換固定了重金屬Cd[9]；有機肥、腐殖質(zhì)通過增加土壤陽離子交換量增強對有效Cd的吸附或使有效Cd形成難溶性的金屬有機絡(luò)合物[2]；蠶沙中的有機質(zhì)含量豐富，有機質(zhì)中的極性基團如羧基、羥基、氨基等，能與重金屬結(jié)合形成穩(wěn)定不溶性金屬有機復(fù)合物，降低土壤中重金屬有效性[18]。

3.2 不同鈍化劑對玉米籽粒、莖葉Cd積累及玉米產(chǎn)量的影響

土壤中的重金屬形態(tài)可以決定重金屬植物有效性，重金屬被鈍化后，可以減少其向深層土壤和地下水的遷移，并且可以減少植物對重金屬的吸收，從而降低重金屬的生物有效性和可遷移性，降低其在作物中的積累，減少重金屬通過食物鏈傳遞對人體造成的危害[4,19-20]。本研究中，不同鈍化劑使潮棕壤中有效Cd含量顯著降低的同時也顯著減少了玉米籽粒中Cd含量，這與羅遠恒等[10]研究結(jié)果相一致。前期研究表明，重金屬Cd在玉米植株不同器官中的分布為葉>根>莖>籽粒，且玉米莖葉部Cd含量在成熟期最高[21-23]。本研究測定玉米成熟期莖葉中Cd含量，發(fā)現(xiàn)玉米籽粒中Cd含量遠低于玉米莖葉中Cd含量，但是，施用炭基蠶沙并沒有降低玉米莖葉中Cd含量，有機質(zhì)含量高的蠶沙作為土壤重金屬鈍化劑的研究極少，其作用機理需要進一步探討。

鄒文秀等[24]研究有機培肥13年后玉米產(chǎn)量與施用化肥玉米產(chǎn)量無差異，本研究施用不同鈍化劑后玉米產(chǎn)量表現(xiàn)不同，在正常施用化肥基礎(chǔ)上施用秸稈牛糞生物堆漚腐熟有機肥明顯增加了當季玉米產(chǎn)量；石灰和海泡石由于不能提供植物生長所需元素，對產(chǎn)量無影響；腐殖酸顯著降低了玉米產(chǎn)量，這可能是由于腐殖酸降低了土壤pH值，使土壤中營養(yǎng)元素淋失所致[18]；黎秋君等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在pH值為3.95的酸性土壤中添加蠶沙能夠顯著提高土壤有機質(zhì)含量，但本研究向潮棕壤施入炭基蠶沙卻顯著降低了玉米產(chǎn)量，其原因有待進一步研究。

4 結(jié)論

在大田作物常規(guī)管理情況下，基于鎘污染潮棕壤的原位鈍化修復(fù)試驗研究，綜合5種鈍化劑的修復(fù)效果和農(nóng)作物的產(chǎn)量指標，推薦施用石灰、海泡石或有機肥作為潮棕壤農(nóng)田鎘污染的鈍化劑進行推廣應(yīng)用。