不同重金屬鈍化劑對(duì)向日葵土壤及籽實(shí)重金屬富集效應(yīng)研究

王永寧，王躍飛，張 雷，劉宏金，羅 軍，郭曉宇，傅建偉，包 菡，喬志剛，武 巖

(內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010021)

土壤是人類(lèi)生存和社會(huì)發(fā)展不可或缺的自然資源，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。然而隨著工業(yè)化、城市化的飛速發(fā)展，土壤污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，其中重金屬對(duì)土壤造成的污染問(wèn)題最為突出[1]。土壤中重金屬具有一定的隱蔽性和潛伏性，不易被檢出，而且重金屬易在土壤中積累，一旦含量超標(biāo)造成土壤污染，不僅可能引起土壤的退化，而且還會(huì)通過(guò)食物被人體吸收，從而間接對(duì)食品安全產(chǎn)生巨大影響[2]。土壤重金屬污染已成為急需解決的重大環(huán)境問(wèn)題之一[3]。為充分實(shí)現(xiàn)農(nóng)田可持續(xù)利用，保障人類(lèi)獲得充足且安全的食品，迫切需要研究并提出經(jīng)濟(jì)、高效、可行的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)[4]。

土壤重金屬的修復(fù)方法有很多，大致分為3類(lèi)。一類(lèi)是鈍化修復(fù)，主要是通過(guò)向土壤中添加膨潤(rùn)土、生物炭、有機(jī)肥，使重金屬由活性向穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)化，以降低重金屬的遷移和生物可利用性[5-8]，具有費(fèi)用低、對(duì)環(huán)境影響小、效率高等特點(diǎn)[9]；另一類(lèi)是提取，主要是利用重金屬超積累植物或富集植物根系吸收污染土壤中的重金屬并運(yùn)移至植物地上部[10-12]；第3類(lèi)是對(duì)土壤進(jìn)行淋洗、稀釋、換土等物理修復(fù)方法[6]。利用天然鈍化劑修復(fù)重金屬的同時(shí)，改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤肥力、土壤陽(yáng)離子交換量、土壤透氣性[13]，這種方法修復(fù)重金屬的同時(shí)不會(huì)造成土壤二次污染，是當(dāng)前和今后常用的修復(fù)方法，該研究采用天然鈍化劑對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤重金屬進(jìn)行修復(fù)，探索生態(tài)解決方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料膨潤(rùn)土、生物炭、有機(jī)肥3種鈍化劑和一種菌肥，當(dāng)?shù)刂髟韵蛉湛贩N。

1.2 試驗(yàn)方法試驗(yàn)于2018年5—11月在內(nèi)蒙古中部某試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，開(kāi)始前采集0～20 cm耕層土壤。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，分別為不施鈍化劑(CK)、膨潤(rùn)土2 520 kg/hm2(DP)、生物炭510 kg/hm2(DS)、有機(jī)肥15 000 kg/hm2(DY)、菌肥300 kg/hm2(D1)、菌肥1 005 kg/hm2(D2)，3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2，供試作物為向日葵，田間管理同當(dāng)?shù)亍?/p>

1.3 樣品采集試驗(yàn)結(jié)束后分別采集每小區(qū)植株、根莖、0～20 cm耕層土壤樣品，制備保存。

1.4 檢測(cè)指標(biāo)土壤檢測(cè)pH、鉻(Cr)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)、汞(Hg)；籽實(shí)和秸稈檢測(cè)Cr、Pb、Cd、As、Hg。

1.5 試驗(yàn)初始土壤情況修復(fù)點(diǎn)土壤為栗鈣土，pH 6.56，Cr含量51.10 mg/kg、Pb含量322.00 mg/kg、Cd含量6.35 mg/kg、As含量2 679.00 mg/kg、Hg含量0.12 mg/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈍化劑處理對(duì)土壤pH的影響由圖1可知，對(duì)照處理下土壤的pH處于6.5～7.0，為微酸性土壤。與CK相比，D2、DP和DS處理顯著提高了土壤pH(P<0.05)，pH分別提高了0.84、1.03和0.72，可見(jiàn)菌肥施用量為1 005 kg/hm2、膨潤(rùn)土施用量為2 520 kg/hm2、生物炭施用量為510 kg/hm2均可以有效提高土壤pH，與何梓林等[14]、謝霏等[15]的研究結(jié)果一致。

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05)圖1 不同鈍化劑處理對(duì)土壤pH的影響Fig.1 Effect of different passivating agent treatments on soil pH

2.2 不同鈍化劑處理對(duì)向日葵籽實(shí)和秸稈吸收重金屬的影響由圖2可知，與CK相比，D2和DS處理均顯著降低了向日葵籽實(shí)中Cd含量(P<0.05)，分別是對(duì)照的0.75和0.55倍；D1、D2、DP和DS處理均顯著降低了向日葵籽實(shí)中Hg含量(P<0.05)，分別是對(duì)照的0.51、0.39、0.09和0.33倍，DP處理下向日葵籽實(shí)中Hg含量降低最多，降低了99.93%?？梢?jiàn)菌肥施用量為1 005 kg/hm2、生物炭施用量為510 kg/hm2可以控制土壤中Cd向向日葵籽實(shí)轉(zhuǎn)移，菌肥施用量為300和1 005 kg/hm2、膨潤(rùn)土施用量為2 520 kg/hm2、生物炭施用量為510 kg/hm2可以控制土壤中Hg向向日葵籽實(shí)中轉(zhuǎn)移，膨潤(rùn)土施用量為2 520 kg/hm2效果最好。

由圖2可知，DP處理顯著降低了秸稈中Cr和Pb的含量(P<0.05)，分別是對(duì)照的0.45和0.46倍；D2和DP處理顯著降低了向日葵秸稈中As含量(P<0.05)，分別是對(duì)照的0.36 和0.32倍；DP和DS處理顯著降低了向日葵秸稈中Hg含量(P<0.05)，分別是對(duì)照的0.25和0.28倍。膨潤(rùn)土施用量為2 520 kg/hm2可以有效控制土壤中Cr、Pb、As和Hg向向日葵秸稈中轉(zhuǎn)移，菌肥施用量為1 005 kg/hm2可以有效控制土壤中As向向日葵秸稈中轉(zhuǎn)移，生物炭施用量為510 kg/hm2可以有效控制土壤中Hg向向日葵秸稈中轉(zhuǎn)移。

注：不同小寫(xiě)字母表示同一部位不同處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at the same site(P<0.05)圖2 不同鈍化劑處理對(duì)向日葵地上部積累重金屬的影響Fig.2 Effects of different passivating agent treatments on the accumulation of heavy metals in sunflower overground

2.3 不同鈍化劑處理對(duì)向日葵產(chǎn)量的影響由圖3可知，除生物炭(DS)之外，其余處理均顯著提高了向日葵的籽實(shí)產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量，與CK相比，D1、D2、DP和DY處理下，向日葵籽實(shí)產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量均為對(duì)照的1.27、1.24、1.29和1.13倍，均提高了27.18%、24.26%、29.00%和13.50%。有研究表明，施用膨潤(rùn)土能提高花生產(chǎn)量[16]，生物菌肥能顯著提高甘薯的單株結(jié)薯數(shù)和大中薯率[17]，基施多功能高效生物有機(jī)肥750 kg/hm2，能降低稻米鎘、鉛和砷含量且顯著提高水稻產(chǎn)量，產(chǎn)值增加1 227.15～3 952.80元/hm2[18]，與該研究結(jié)果一致。因此，施用一定量生物鈍化劑不僅可以降低重金屬作物在地上部的積累，還可有效提高作物產(chǎn)量。

注：不同小寫(xiě)字母表示同一產(chǎn)量不同處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at the same yield(P<0.05)圖3 不同鈍化劑處理對(duì)向日葵產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of different passivating agent treatments on sunflower yield

2.4 不同鈍化劑處理下向日葵籽粒重金屬含量的安全性評(píng)價(jià)從表2可以看出，參照GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》，各處理向日葵籽實(shí)中Hg、As、Cr和Pb含量均未超過(guò)國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)家安全食用標(biāo)準(zhǔn)；除D2和DS處理之外，其余處理向日葵籽實(shí)中Cd含量均超過(guò)國(guó)家安全食用標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)施用微生物菌肥1 005 kg/hm2和生物炭510 kg/hm2可以有效降低向日葵籽粒中Cd含量，使其達(dá)到國(guó)家安全食用標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同處理下向日葵籽實(shí)重金屬含量和限量標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Heavy metal content and limit standards of sunflower seeds under different treatments mg/kg

2.5 不同鈍化劑處理下向日葵秸稈重金屬含量對(duì)畜禽健康評(píng)價(jià)從表3可以看出，參照GB 13078—2001《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，各處理向日葵秸稈中Cr、Pb和Hg含量均未超過(guò)國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)，符合畜禽食用標(biāo)準(zhǔn)；各處理向日葵秸稈中Cd和As均超過(guò)了飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的限量值，雖然D2和DP處理顯著降低了向日葵秸稈中As含量，但仍然超過(guò)了飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論與討論

針對(duì)弱酸性重金屬超標(biāo)栗鈣土壤種植向日葵修復(fù)問(wèn)題，施用菌肥300 kg/hm2可降低籽實(shí)中Hg含量；施用菌肥1 005 kg/hm2可調(diào)節(jié)土壤pH，降低籽實(shí)中Hg和Cd含量，降低秸稈中As含量，提高產(chǎn)量。施用膨潤(rùn)土2 520 kg/hm2可調(diào)節(jié)土壤pH，降低籽實(shí)Hg含量，降低秸稈中As、Hg、Cr、Pb含量，提高產(chǎn)量。施用生物炭510 kg/hm2可調(diào)節(jié)土壤pH，降低籽實(shí)中Hg和Cd含量，降低秸稈中Hg含量，提高產(chǎn)量。

表3 不同處理下向日葵秸稈重金屬含量和配合飼料限量標(biāo)準(zhǔn) Table 3 Heavy metal content of sunflower straw and limit standard of formulated feed under different treatments mg/kg