不同施肥水平下生物質(zhì)高粱的生物量和重金屬吸收效果的研究

楊泉　王學(xué)華　羅小仁　楊柳　劉乾鋒

摘要：以3個生物質(zhì)高粱品種為材料，設(shè)置4個施肥量梯度。研究不同施肥量水平對3個高粱品種的生物產(chǎn)量、養(yǎng)分利用率以及重金屬吸收效果的影響。結(jié)果表明，3個品種對耕地中Cd的吸收效果較好，N2562、M4264這2個品種在施純氮300 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2時可實現(xiàn)60 t/hm2以上的生物產(chǎn)量，對Cd的吸收量分別可達(dá)25.42、26.47 g/hm2;而N5D61品種在施純氮225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2水平下就可以達(dá)到生物產(chǎn)量57 t/hm2以上，且對Cd的生物積累量比另2個品種高，吸收量可達(dá)36.98 g/hm2，表明N5D61品種為修復(fù)耕地重金屬Cd污染的理想材料。

關(guān)鍵詞：高粱;重金屬;施肥水平;生物量;養(yǎng)分利用率

中圖分類號： S514.06;X53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0138-05

糧食安全問題是一個關(guān)乎人類健康的重大問題，而其中重金屬超標(biāo)糧問題不易解決且危害很大[1]。許多耕地遭受到尾砂礦、工廠廢棄物和生活垃圾的不正確處理以及污水灌溉等因素的影響，耕地中重金屬含量超過了農(nóng)作物安全生產(chǎn)的國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致耕地產(chǎn)糧重金屬含量超標(biāo)[2-4]。這部分重金屬超標(biāo)糧倘若流入市場，進(jìn)入食物鏈，最終危害的還是處于食物鏈頂端的人類自身[5-6]。因此，耕地重金屬污染治理也是我國糧食安全問題的一個重大課題。為讓老百姓能夠吃到安全的糧食，國家已于2014年啟動了針對耕地重金屬污染修復(fù)治理的相關(guān)政策。在國家政策的鼓勵下，廣大科學(xué)研究者根據(jù)各地域重金屬污染狀況的特點，不斷地嘗試應(yīng)用和創(chuàng)新各種方案來進(jìn)行土壤重金屬污染修復(fù)治理，力求能夠找到最理想的方案去緩解或徹底解決耕地重金屬污染問題。

以湖南省為例，其境內(nèi)長株潭地區(qū)土壤重金屬污染尤為嚴(yán)重[7-8]。有色金屬的開采，城市廢水的排放，工廠三廢的不妥善處理以及氣候因素的影響，致使許多耕地土壤中重金屬被不斷積累，土壤pH值降低，更多不易被作物吸收的結(jié)合態(tài)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀晦r(nóng)作物吸收的游離態(tài)重金屬，生產(chǎn)出的糧食也變成毒糧[9-11]?，F(xiàn)如今，關(guān)于重金屬污染治理的方法主要是把土壤中的重金屬進(jìn)行活化或鈍化，然后通過相關(guān)措施降低糧食作物對重金屬的過量吸收。這些修復(fù)措施主要有工程措施、化學(xué)修復(fù)措施、土壤中生物修復(fù)法以及植物修復(fù)法等[12-15]。而要徹底解決重金屬污染問題，應(yīng)做到截斷污染源和除掉耕地中過量的重金屬。為了保證重金屬污染修復(fù)更易推廣，采用簡單易行的操作方法最為有效。

本研究主要利用生物修復(fù)法清理耕地中的超標(biāo)重金屬。供試材料選擇生物量大、對重金屬的耐受性強、吸收量多且產(chǎn)品不進(jìn)入食物鏈的作物。因此，生物質(zhì)高粱成為比較理想的供試品種。本試驗設(shè)置不同品種配以不同施肥水平，通過對比3種生物質(zhì)高粱的生物產(chǎn)量和重金屬吸收量，來選擇合適品種和施肥水平，為修復(fù)耕地重金屬污染提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試高粱品種選用美國品種N2562、N5D61、M4264（在試驗中編號分別為A、B、C），由袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司提供。試驗使用肥料為尿素（河南晉開化工生產(chǎn)，有效總N含量≥46.4%）、鈣鎂磷肥（瀘溪縣中匯磷化有限公司生產(chǎn)，有效P2O5含量≥16%）、氯化鉀（加拿大進(jìn)口，有效K2O含 量≥60%）。

試驗于2016年8—12月在湖南省株洲市株洲縣仙井鄉(xiāng)宏廈橋村國民合作社的農(nóng)田中進(jìn)行。試驗地土壤理化性質(zhì)測定如下：pH值為5.11，堿解氮含量為124.9 mg/kg，速效磷含量為86.6 mg/kg，速效鉀含量為205.8 mg/kg，全氮含量為1.57 g/kg，全磷含量為1.29 g/kg，全鉀含量為9.13 g/kg，有機質(zhì)含量 43.5 g/kg，重金屬含量見表3中F0行。

試驗處理如下：肥料處理水平有F1（以不施肥作為試驗對照）、F2（施純氮150 kg/hm2、P2O5 90 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2）、F3（施純氮225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2）、F4（施純氮300 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2）、F5（施純氮375 kg/hm2、P2O5 225 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2）。試驗施肥時，磷、鉀肥作為基肥施入土壤，氮肥按基肥 ∶追肥為3 ∶1施用，其中追肥在拔節(jié)期施用，設(shè)置3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為20 m2，種植密度為 13.7 cm×60.0 cm。

采用播種溝內(nèi)定點播種的方式，每點播種3～5粒種子，覆1 cm左右厚的淺土，在出苗后3～4葉期進(jìn)行間苗，5～6葉期進(jìn)行定苗。苗期管理根據(jù)天氣來合理安排水的排灌，并定期除草和防治病蟲害。

1.2 測定指標(biāo)及方法

生育期指標(biāo)測定：記載播種期、出苗期、拔節(jié)期、挑旗期、抽穗開花期、灌漿期、成熟期的日期。

干/鮮質(zhì)量測定：在成熟期進(jìn)行取樣，每個小區(qū)取樣5株，以小區(qū)整體各段區(qū)域高粱的平均株高、莖粗作為取樣標(biāo)準(zhǔn)，取回樣品分根、莖、葉、穗，測定干質(zhì)量。成熟期測生物產(chǎn)量，每個小區(qū)按5點取樣法選取5個點，每個點取10株樣，共50株，測定其鮮質(zhì)量。

氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量測定：速效氮含量采用堿解擴散法測定：速效磷含量采用NH4F-HCl法測定;速效鉀含量采用NH4OAc浸提火焰光度法測定;土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。植株全氮、磷、鉀的消化采用HClO4-H2SO4法進(jìn)行消化，消化完成后全氮和全磷含量用全自動流動分析儀測定，全鉀含量用火焰光度計測定。

重金屬含量測定：重金屬鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）、錳（Mn）的含量采用王水-高氯酸消煮-電子耦合等離子體質(zhì)譜法測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Excel 2016版軟件處理數(shù)據(jù)，采用DPS 7.05版對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料水平處理對不同高粱品種的生物產(chǎn)量以及養(yǎng)分利用的影響

2.1.1 不同品種高粱生物產(chǎn)量的表現(xiàn) 據(jù)表1結(jié)果顯示，不同施肥水平處理下，同一品種高粱生物產(chǎn)量表現(xiàn)具有明顯的差異性，不同品種間生物產(chǎn)量表現(xiàn)也有差別。根據(jù)測產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，地上部鮮質(zhì)量AF4、BF3、BF4、BF5、CF4、CF5處理值達(dá)到57 t/hm2以上，均顯著高于同一品種內(nèi)其他處理;品種間地上部鮮質(zhì)量不施肥3個品種間沒有顯著性差異，隨著施肥水平的提高，生物產(chǎn)量整體也隨之增大，當(dāng)A、C品種施肥水平達(dá)到F4處理水平，B品種達(dá)到F3處理水平時，再增加施肥量，3個品種的生物產(chǎn)量均不再顯著增加。全株干質(zhì)量與地上部鮮質(zhì)量的情況類似，據(jù)2項數(shù)據(jù)可以得出，在一定范圍內(nèi)，隨著施肥水平的提高，高粱的生物產(chǎn)量整體不斷增加，當(dāng)施肥水平超過F4處理時，相較于F4處理增施肥料對于增加生物產(chǎn)量的效果甚微，F(xiàn)4和F5處理都可得到較高的生物產(chǎn)量。

據(jù)表1的單株根、莖、葉、穗干質(zhì)量數(shù)據(jù)考察顯示，莖對高粱生物產(chǎn)量貢獻(xiàn)度最大，其干質(zhì)量甚至超過根、葉、穗干質(zhì)量之和的2～3倍。3個品種在F4處理水平范圍內(nèi)，根干質(zhì)量總體上隨施肥水平的升高而增大，其后再增施肥料根干質(zhì)量反而開始減少;莖干質(zhì)量總體上隨施肥量的增多而增大，3個品種間略有些差異，A品種施肥處理之間相對比較平衡，可見其對養(yǎng)分敏感度要弱于另外2個品種;B品種隨施肥量梯度呈現(xiàn)出明顯的正比變化梯度，可見其對養(yǎng)分的需求潛力較大，多施肥利于增產(chǎn);C品種在施肥水平達(dá)到F4時，已經(jīng)達(dá)到飽和，再增施肥料莖干質(zhì)量增加量不明顯。3個品種的葉干質(zhì)量同一施肥水平上均表現(xiàn)為C>A>B。穗部干質(zhì)量由于播種時間較晚，籽粒受孕失敗，均為秕粒，因此穗部干質(zhì)量水平較低，且A、C品種穗部干質(zhì)量均表現(xiàn)為在F4處理水平上達(dá)到最大值，B品種在F5水平達(dá)到最大值。

2.1.2 不同高粱品種肥料利用率的表現(xiàn) 根據(jù)公式[作物肥料利用率=（施肥小區(qū)作物吸收的養(yǎng)分量-不施肥小區(qū)作物吸收的養(yǎng)分量）/（肥料施用量×肥料養(yǎng)分含量）×100%]計算出不同施肥水平下各個品種的養(yǎng)分利用率（表2）。氮元素養(yǎng)分利用情況：3個品種利用率在28%～47%之間，其中A品種在F2處理水平時最高，達(dá)到45%，F(xiàn)5處理水平時最低僅有28%;B品種在F3處理水平時利用率達(dá)到最大值47%，其他施肥水平相差不大;C品種在F2、F3、F4這3個處理水平時利用率較高，均在42%及以上，F(xiàn)5較這3個水平較低。磷元素養(yǎng)分利用情況：A品種在12%～23%之間，F(xiàn)2處理要高于同品種內(nèi)另3個施肥處理;B品種在17%～26%之間，F(xiàn)3處理利用率最高且高于其他同品種處理水平;C品種利用率在14%～24%之間，F(xiàn)3和F4處理相對較高，分別為22%、24%。鉀元素養(yǎng)分利用率要遠(yuǎn)高于氮元素和磷元素，A品種利用率在50%～74%之間，F(xiàn)2處理最高，為74%，其次是F5處理的64%;B品種養(yǎng)分利用率在78%～90%之間，F(xiàn)2處理值最低;C品種養(yǎng)分利用率差異較大，在53%～90%之間，F(xiàn)4處理最大，F(xiàn)2處理最小，3個品種均未表現(xiàn)出明顯的正反比關(guān)系。綜合分析，在較低施肥水平下，A、C這2個品種的氮素利用率較高，B、C這2個品種對磷元素的需求比A品種大，B品種對鉀元素的需求要高于A、C這2個品種。

2.2 不同肥料水平下不同高粱品種對重金屬吸收效果的影響

2.2.1 試驗前后土壤中重金屬含量 土壤背景數(shù)據(jù)顯示，土壤pH值為5.11，根據(jù)國家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，對于pH值低于6.5的土壤要求安全生產(chǎn)的重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)分別為Cr含量≤250.0 mg/kg，As含量≤30.0 mg/kg，Cd含量≤0.3 mg/kg，Pb含量≤250.0 mg/kg。由表3可以看出，Cr、As、Pb 3種重金屬均在安全生產(chǎn)范圍內(nèi)，Mn元素含量較高，Cd含量超出了安全農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的近2倍。因此采取相關(guān)措施進(jìn)行土壤Cd的超標(biāo)修復(fù)非常有必要。本試驗前后土壤中重金屬含量變化不大，甚至出現(xiàn)增加情況，造成此種現(xiàn)象的原因有以下2種可能：首先是試驗田為水稻田，長期淹灌，試驗過程中為旱地，造成了土壤中重金屬流動性較差，造成重金屬累積。其次，試驗過程中，由于試驗期間下雨較少，從原水稻田水源處進(jìn)行了引水灌溉，水源中重金屬含量可能較高，水灌進(jìn)試驗田后直接下滲未外排，造成重金屬積累，雖然通過試驗吸收了部分重金屬，但并未截斷污染源，因此造成修復(fù)效果不明顯。由此可見，截斷污染源對徹底解決土壤重金屬污染至關(guān)重要。

2.2.2 不同高粱品種對重金屬的吸收表現(xiàn)比較 本試驗中，雖然土壤中重金屬含量由于污染源問題導(dǎo)致修復(fù)效果不明顯，但所選3種供試生物質(zhì)高粱由于其高生物產(chǎn)量優(yōu)勢，對土壤中重金屬吸收量還是很可觀。從表4可以看出，3個品種施肥處理比未施肥處理所吸收的重金屬量有較大幅度的提高，總體上重金屬吸收量與一定范圍內(nèi)的施肥量呈正比。A品種對As的吸收量在F2、F3這2個處理水平較高，F(xiàn)4和F5處理對Cr、Pb和Mn的吸收量要顯著高于其他處理，F(xiàn)5處理對Cd的吸收最高，且與其他處理差異達(dá)到顯著水平。B品種對Cr的吸收F3、F4、F5處理要高于其他2個處理，對其余4種重金屬吸收量最高的為F5處理，其次為F4處理。C品種對5種重金屬的吸收除Cr為F3、F4、F5較高外，其余4種重金屬均是F4處理水平最高。3個品種對5種重金屬吸收規(guī)律為Mn吸收量最大，其次是Cr，A、B 2個品種對As、Cd和Pb的吸收量在較高施肥水平下相差不大，較低施肥水平時Cd吸收最小，C品種每個施肥水平都是Cd吸收量最低，且在較高施肥水平下低于同一施肥水平的A、B 2個品種。可見，在選取修復(fù)土壤中的超標(biāo)Cd時，A、B品種更合適，且在一定范圍內(nèi)吸收量與施肥量呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2.3 不同施肥水平下各供試高粱品種對5種重金屬富集系數(shù)表現(xiàn) 重金屬富集系數(shù)是不同高粱品種對土壤中重金屬富集能力的一種體現(xiàn)，重金屬富集系數(shù)=植物體內(nèi)重金屬含量/土壤（或沉積物）中重金屬含量。從表5可知，3個品種對Cd和Cr的富集系數(shù)都大于1（Cr只有AF2處理小于1），富集能力較強，對Mn和As的富集系數(shù)只有0.2左右，對Pb的富集系數(shù)最低，表明高粱對Pb的富集能力很弱。由此可知，利用這3種高粱修復(fù)Cr和Cd超標(biāo)的耕地效果可觀。對Cr的富集，A和C品種沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，而B品種則是在較低施肥水平下，富集系數(shù)較高，且要高于A和C品種。

對Cd的富集而言，A品種表現(xiàn)為富集能力與施肥水平呈正相關(guān)關(guān)系，B、C品種沒有明顯的規(guī)律性，3個品種中B品種的富集能力最強，A品種比C品種在較高施肥水平下更具優(yōu)勢。

2.2.4 不同高粱品種對不同重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)的比較 重金屬在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運儲存能力也是體現(xiàn)生物對重金屬吸收積累能力的一種表現(xiàn)，生物轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部分的重金屬含量/地下部分的重金屬含量。從表6可知，表中5種重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，可見供試品種根部對5種重金屬的轉(zhuǎn)運能力并不是很強。鑒于此次試驗修復(fù)的主要目標(biāo)為Cd，3個品種中以B品種轉(zhuǎn)移系數(shù)在0.67以上為最好，其次為C、A，且在低施肥水平下C品種高于A品種，高施肥水平下A品種較高。

2.2.5 不同高粱品種對重金屬生物積累量的比較 生物積累量=植物體積累量/生物量。由表7可知，B品種對Cr、Mn、Cd的生物積累比A、C品種要具有優(yōu)勢，B和C品種對Asr 生物積累量比A品種好。在同一品種不同處理下對其重金屬生物積累量沒有明顯的規(guī)律性。可見，品種特性才是對重金屬生物積累影響最大的因素，B品種在應(yīng)用于重金屬修復(fù)中比A和C品種表現(xiàn)更好。

3 結(jié)論與討論

供試3種高粱品種的生物產(chǎn)量在適當(dāng)?shù)氖┓柿肯戮蛇_(dá)到57 t/hm2以上，這與其他作物相比，在生物產(chǎn)量上具有突出的優(yōu)勢。在施肥水平達(dá)到F3處理水平即施純氮 225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2時，B品種可達(dá)到較高的生物產(chǎn)量，在F4水平即施純氮300 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2時，3個品種的生物產(chǎn)量潛力可以得到充分的發(fā)揮，再加大施肥量，生物產(chǎn)量增加有限，養(yǎng)分利用率降低。3個品種最大生物產(chǎn)量情況比較為C>A>B即M4264>N2562>N5D61。養(yǎng)分利用上，保證高粱高生物產(chǎn)量時即F4施肥水平時，因品種差異鉀肥利用率最高在50%～90%之間，其次是氮肥，其利用率在31%～43%之間，磷肥養(yǎng)分利用率最低，僅在15%～24%之間。據(jù)調(diào)查，我國作物肥料氮肥利用率約為30%～35%，磷肥利用率約為10%～20%，鉀肥利用率約為35%～50%[16]。從鉀肥利用率非常高，可以推斷鉀肥對生物質(zhì)高粱非常重要，因此在施用肥料時，應(yīng)根據(jù)品種特性選擇養(yǎng)分利用率高的品種種植且合理安排肥料配比進(jìn)行施用。對比發(fā)現(xiàn)在F4施肥水平下，M4264品種對3種養(yǎng)分利用率是最高的，其次是N5D61品種，這2個品種對鉀肥的利用率很高，種植時應(yīng)考慮適當(dāng)提高鉀肥用量，充分滿足其生理需求，增加生物產(chǎn)量。

據(jù)土壤數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，試驗點區(qū)域Cd含量已超過安全農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的近2倍，生產(chǎn)出來的糧食如果正常進(jìn)入市場，必將會對人類健康造成危害。試驗前后重金屬含量的變化也充分說明了同時治理耕地土壤重金屬污染源和被污染地的必要性，邊治理邊污染下的治理效果等于不治理。總體而言，3個品種在對5種重金屬的吸收效果上很相近，N5D61品種稍強，其次是M4264品種。3個品種對Cd和Cr的富集效果都大于1，雖轉(zhuǎn)移系數(shù)未達(dá)到1的標(biāo)準(zhǔn)，但試驗結(jié)果顯示，其施肥水平才是影響重金屬吸收量的最大影響因素，而施肥水平最直接影響的是高粱的生物產(chǎn)量。綜合分析，生物產(chǎn)量提高，通過高粱生物積累的重金屬量也會相應(yīng)提高。通過數(shù)據(jù)對比，3個品種均可較好地應(yīng)用于Cd和Cr超標(biāo)的耕地修復(fù)，而N5D61品種表現(xiàn)最為突出，特別是應(yīng)用于Cd的超標(biāo)修復(fù)上，其生物積累量甚至高過另外2個品種的1/3，再配以F3的施肥水平即施純氮225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，可實現(xiàn)既經(jīng)濟又能充分發(fā)揮其生產(chǎn)潛力和保障較高的重金屬吸收量。在收割高粱植株時，應(yīng)盡量連根部一起移除，集中送往加工地作為能源植物使用，達(dá)到更好的耕地修復(fù)效果也避免吸收的重金屬再次返回耕地。

綜合本試驗結(jié)果，選用高粱B品種（N5D61）作為耕地土壤重金屬Cd超標(biāo)的理想材料，同時采用施以純氮 225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2的施肥水平可以充分發(fā)揮其特性，既能較好地滿足養(yǎng)分需求潛力，得到較高的生物產(chǎn)量，又能取得不錯的重金屬吸收量，達(dá)到修復(fù)耕地重金屬污染的目的。

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