湛方棟，陳建軍，秦麗，王吉秀，李元

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明　650201）

鎘鉛污染的玉米秸稈還田對蠶豆生長、養(yǎng)分和鎘鉛含量的影響

湛方棟，陳建軍，秦麗，王吉秀，李元*

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明650201）

通過盆栽試驗，模擬鉛鋅礦區(qū)鎘鉛污染的玉米秸稈還田，研究玉米秸稈的不同部分（根茬、莖稈、葉片和整株）還田對土壤速效養(yǎng)分、蠶豆生長、養(yǎng)分（N、P和K）、Cd含量、Pb含量的影響，結(jié)果表明：玉米秸稈還田增加土壤的堿解N和速效K的含量，增幅分別為14%～58%和36%～134%，但對土壤速效P的含量影響不顯著。玉米秸稈還田顯著增加蠶豆地上部養(yǎng)分的含量，其中葉片還田使N、P和K含量分別增加28%、40%和102%，根茬還田使P含量增加42%，莖稈和整株還田使K含量增加61%和98%；但對蠶豆地下部養(yǎng)分含量沒有顯著影響（僅葉片還田增加蠶豆地下部的P含量）。玉米秸稈還田導(dǎo)致蠶豆葉片葉綠素a和葉綠素b的含量顯著下降，對蠶豆株高和生物量的影響小，僅葉片還田增加蠶豆的株高、莖稈還田增加蠶豆地上部的生物量。污染玉米秸稈還田極顯著增加蠶豆地上部的Cd和Pb、地下部的Cd含量，分別提高了56%～76%、50%～133%和204%～507%，葉片和整株還田的蠶豆地上部Pb和地下部Cd的含量增幅較大。綜上可知，鎘鉛污染的玉米秸稈還田在提高土壤肥力、改善后茬作物礦質(zhì)營養(yǎng)的同時，會增加后茬作物對Cd、Pb的吸收，降低葉片葉綠素含量，有一定的環(huán)境危害風(fēng)險，且秸稈不同部位的影響存在差異。

鉛鋅礦區(qū)；玉米秸稈；蠶豆；氮磷鉀；鎘；鉛

湛方棟，陳建軍，秦麗，等.鎘鉛污染的玉米秸稈還田對蠶豆生長、養(yǎng)分和鎘鉛含量的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，35（4）：661-668.

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在我國的金屬礦區(qū)，由于土壤重金屬背景值高、礦產(chǎn)資源的開采和冶煉等原因，礦區(qū)和周邊農(nóng)田土壤鎘（Cd）、鉛（Pb）等重金屬污染嚴重［1-2］，導(dǎo)致污染區(qū)域生長的作物植株和可食部分重金屬含量高［3-5］。作物秸稈中的重金屬含量普遍高于可食部分，如玉米根、莖和葉的Cd含量分別是籽粒的16.8、7.5和6.9倍，Pb含量是籽粒的4.1、2.6和1.3倍［6］。但相對于作物可食部分，對重金屬含量高的作物秸稈研究較少。

秸稈是作物收獲子實后剩余的部分，占作物生物量的50%以上。還田利用是我國秸稈資源處理的主要方式之一，具有改善土壤肥力、促進作物生長、提高作物產(chǎn)量等效益［7-8］。但將重金屬含量高的作物秸稈還田，可能會使秸稈成為土壤中重金屬的重要輸出源，影響后茬作物的生長，增加后茬作物對重金屬的吸收，因而存在一定的環(huán)境風(fēng)險［9-11］。因此，重金屬含量高的作物秸稈還田利用，需綜合考慮其對土壤養(yǎng)分、后茬作物生長與重金屬吸收等方面的影響。

云南地處中國西南部，有豐富的鉛鋅礦產(chǎn)資源，是中國重要的鉛鋅礦生產(chǎn)基地［12］。鉛鋅礦區(qū)及周邊農(nóng)田存在不同程度的重金屬污染，Cd和Pb是土壤主要的污染元素［1］，玉米-蠶豆輪作是當(dāng)?shù)刂饕姆N植模式。生長于鉛鋅礦周邊農(nóng)田的玉米秸稈Cd、Pb含量較高，如玉米根的Cd與Pb含量分別為5.31、318.42 mg·kg-1，莖為0.68、22.95 mg·kg-1，葉為1.25、226.73 mg·kg-1［13］。但鉛鋅礦區(qū)的玉米秸稈還田對后茬蠶豆有何影響，有待研究。

本文以來自云南某鉛鋅礦周邊農(nóng)田的玉米秸稈為研究材料，采用盆栽實驗，施加玉米秸稈的不同部分（根茬、莖稈、葉片和整株），模擬秸稈還田，測定盆栽土壤速效養(yǎng)分含量，后茬蠶豆的株高、生物量、葉綠素含量、植株部分養(yǎng)分、Cd和Pb的含量等指標(biāo)，綜合分析重金屬含量高的玉米秸稈還田對后茬作物生長、重金屬吸收的影響，評估重金屬污染秸稈還田利用的環(huán)境風(fēng)險，為污染區(qū)域作物秸稈的管理與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試土壤與玉米秸稈

供試土壤采自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山，土壤基本理化性質(zhì)：pH5.85，有機質(zhì)含量7.37 g·kg-1，全N、全P和全K含量分別為0.19、1.35、3.64 g·kg-1，堿解N、速效P和速效K含量分別為33.7、10.4、148.7 mg·kg-1，Pb含量37.04 mg·kg-1，Cd含量0.32 mg·kg-1。

玉米秸稈采自云南省某鉛鋅礦區(qū)周邊農(nóng)田，秸稈基本理化性質(zhì)見表1。秸稈分成根茬、莖稈、葉片和整株4部分，分別剪成1 cm左右的小段后備用。

表1　鉛鋅礦區(qū)的玉米秸稈養(yǎng)分和鎘鉛含量Table 1　Content of nutrients，Cd and Pb in maize stalk sampled from a Pb-Zn mining area

1.2盆栽試驗與來理

盆栽試驗于2014用12月開始至2015用3月結(jié)束，在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山試驗農(nóng)場大棚內(nèi)進行。試驗設(shè)不施秸稈的對照處理和施玉米秸稈不同部位（根茬、莖稈、葉片和整株）的處理，每個處理4個重復(fù)。添加秸稈處理為：稱取過2 mm篩的土壤15.6 kg，按2.5%的比例分別加入0.4 kg的玉米秸稈根茬、莖稈、葉片和整株，與土壤充分混勻后，平均分裝到4個花盆。

每盆播種蠶豆種子4顆，出苗7 d后間苗至2棵。培養(yǎng)過程中不施肥，自然光照，根據(jù)盆栽土壤水分狀況澆灌蒸餾水，以保持盆栽土壤濕潤。

1.3土壤、植株樣品采集與指標(biāo)測定

蠶豆生長120 d后，常規(guī)方法測定植物的株高。稱取0.5 g蠶豆頂部葉片，碾磨成漿，采用96%乙醇提取葉片葉綠素，定容至25 mL，選取波長665 nm和649 nm，分光光度法測定和計算葉片葉綠素a和b的含量［14］。

收獲時將植物地上部和地下部分開，先用自來水沖洗，后用蒸餾水漂洗干凈，晾干，然后于105益殺青30 min，再經(jīng)烘干（75益，72 h），每株分別稱重，獲得生物量。

植物烘干樣品用粉碎機全部粉碎、混勻，過0.25 mm篩后備用。稱取0.1 g蠶豆植株地上部和地下部干樣，H2SO4-H2O2消煮，分別采用奈氏比色法、釩鉬黃比色法和火焰光度法測定N、P和K的含量［15］。稱取0.5 g蠶豆植株地上部和地下部干樣，采用硝酸-高氯酸（4頤1）濕法消解，將濾液定容到50 mL，采用火焰原子吸收分光光度法測定Pb和Cd的含量［15］。

土壤樣品風(fēng)干、磨碎，過100目篩后備用。土壤pH值采用電位計法，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，全N采用半微量開氏法，全P采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，全K采用NaOH熔融-火焰光度法，堿解N含量采用堿解擴散法，速效P含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效K含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定［15］。稱取5.0 g土壤樣品，采用王水-高氯酸濕法消解土壤樣品，過濾后用蒸餾水將濾液定容到50 mL，火焰原子吸收分光光度法測定Pb和Cd的含量［15］。

1.4數(shù)據(jù)來理方法

實驗數(shù)據(jù)運用Microsoft Excel對數(shù)據(jù)進行處理，計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行方差分析和多重比較。

2　結(jié)果與分析

2.1秸稈還田對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

與對照處理相比，根茬還田的土壤堿解N含量增加了58%（P＜0.01），葉片和整株還田分別增加37%和36%（P＜0.05），莖稈還田增加14%（P＞0.05）。玉米秸稈還田極顯著增加土壤速效K的含量（P＜0.01），葉片、莖稈、整株和根茬還田的土壤速效K含量分別增加134%、83%、49%和36%。可見，除土壤速效P的含量沒有顯著變化外，玉米秸稈還田會增加土壤堿解N和速效K的含量（圖1）。

圖1　秸稈還田對土壤速效養(yǎng)分含量的影響Figure 1　Effects of maize stalk applications on available nutrients in soil

2.2秸稈還田對蠶豆植株養(yǎng)分含量的影響

玉米秸稈不同部分還田后，根茬還田使蠶豆地上部P含量增加42%（P＜0.05）；莖稈和整株還田增加蠶豆地上部K含量（P＜0.01），增幅分別為61%和98%；葉片還田導(dǎo)致蠶豆地上部的N、P含量顯著增加（P＜ 0.05）、K含量極顯著增加（P＜0.01），分別增加了28%、40%和102%?？梢姡衩兹~片還田增加蠶豆地上部N、P和K含量的效應(yīng)最大（圖2）。

除葉片還田使蠶豆地下部P含量增加65%（P＜0.01）、整株還田與莖稈還田蠶豆地下部K含量差異顯著（P＜0.05）外，玉米秸稈不同部分還田對蠶豆地下部的N、P和K含量沒有顯著影響（圖3）。

2.3秸稈還田對蠶豆生長的影響

葉片和整株還田的蠶豆葉片葉綠素a含量分別降低14%和15%（P＜0.05），根茬、莖稈、葉片和整株還田的蠶豆葉綠素b含量分別降低35%、33%、21%和27%（P＜0.01）。可見，玉米秸稈還田導(dǎo)致蠶豆葉片葉綠素含量降低（圖4）。

圖2　秸稈還田對蠶豆地上部N、P和K含量的影響Figure 2　Effects of maize stalk applications on N，P and K content in aboveground part of faba bean

圖3　秸稈還田對蠶豆地下部N、P和K含量的影響Figure 3　Effects of maize stalk applications on N，P and K content in belowground part of faba bean

葉片還田顯著增加蠶豆植株的株高（P＜0.05），增幅為11%；莖稈還田極顯著增加蠶豆地上部生物量（P＜0.01），增幅為93%。玉米秸稈的其余部分還田對蠶豆株高、地上部和地下部的生物量沒有顯著影響（圖5）。

2.4秸稈還田對蠶豆植株鎘、鉛含量的影響

玉米秸稈不同部分還田都導(dǎo)致蠶豆地上部Cd和Pb含量極顯著增加（P＜0.01），分別增加了56%～76%和50%～133%。秸稈不同部分處理間的蠶豆地上部Cd含量差異不顯著，蠶豆地上部的Pb含量為葉片、整株還田＞莖稈還田＞根茬還田。表明玉米秸稈還田增加蠶豆地上部的Cd和Pb含量（圖6）。

根茬、莖稈、葉片和植株還田都導(dǎo)致蠶豆地下部Cd含量極顯著增加（P＜0.01），分別增加了351%、204%、490%和507%，蠶豆地下部的Cd含量為葉片、整株還田＞根茬還田＞莖稈還田。不同處理間蠶豆地下部Pb含量沒有顯著差異。表明玉米秸稈還田增加蠶豆地下部的Cd含量，但未增加Pb含量（圖7）。

3　討論

3.1重金屬污染的秸稈還田對土壤重金屬有效性的影響

作物秸稈中重金屬含量通常遠高于可食部分，重金屬污染的秸稈還田，會把作物吸收的大部分重金屬歸還農(nóng)田，增加農(nóng)田土壤重金屬的含量。長期定位試驗表明，水稻秸稈還田將秸稈中富集的Cd重新歸還到稻田土壤中，導(dǎo)致土壤Cd含量顯著升高［16］。將重金屬污染的作物秸稈施加到清潔土壤上，由于清潔土壤本底重金屬含量低，秸稈對土壤重金屬輸入的貢獻大，顯著增加土壤重金屬的含量［17］。由于作物根茬的重金屬含量通常高于其他部分，根茬連續(xù)還田更能增加土壤重金屬的含量［11］。

圖4　秸稈還田對蠶豆葉片葉綠素含量的影響Figure 4　Effects of maize stalk applications on chlorophyll content of faba bean leaves

圖5　秸稈還田對蠶豆株高和生物量的影響Figure 5　Effects of maize stalk applications on height and biomass of faba bean

同時，秸稈還田顯著影響土壤重金屬的有效性。一些研究發(fā)現(xiàn)，由于秸稈具有化學(xué)吸附性能，秸稈還田降低了土壤重金屬的生物有效性，一定程度上起到鈍化土壤重金屬的作用［18］。但重金屬含量高的秸稈還田，主要表現(xiàn)為提高土壤重金屬的生物有效性，其原因主要涉及兩方面：一方面，重金屬含量高的秸稈在土壤中的腐解過程可將秸稈吸收固定的重金屬釋放出來，提高土壤中DTPA提取態(tài)、醋酸提取態(tài)等有效態(tài)重金屬的含量［19］；另一方面，還田秸稈分解時，釋放有機酸和水溶性有機碳化合物［10，20-21］，降低土壤pH值，導(dǎo)致土壤中胡敏酸（HA）和富里酸（FA）含量的變化［22-23］，從而活化重金屬，促進土壤中有效態(tài)重金屬的含量增加。

3.2重金屬污染的秸稈還田對后茬作物生長與重金屬吸收的影響

秸稈還田對后茬作物生長與重金屬吸收的影響效應(yīng)，因作物秸稈和后茬作物種類的不同而存在差異。如菜豆秸稈還田對后茬白菜的生長和Cd含量影響不明顯，但玉米秸稈還田降低了白菜生物量，增加了白菜Cd含量［10］。玉米和菜豆根茬還田不影響后茬大白菜和冬小麥的生長以及后茬小麥的Cd吸收，但顯著增加后茬大白菜地上部Cd的含量［11］。Cd污染稻草秸稈還田導(dǎo)致后茬大白菜的Cd含量增加13.9%～84.1%，但降低后茬水稻籽粒和秸稈的Cd含量，降幅分別為12.8%～70.2%和39.3%～57.3%［19］。施小飛蓬和碎米薺秸稈可提高牛膝菊的株高和生物量，但施旱蓮草和豆瓣菜秸稈降低牛膝菊的株高和生物量，施加這4種植物的秸稈均提高牛膝菊地上部的Cd含量［24］。

圖6　秸稈還田對蠶豆地上部Cd、Pb含量的影響Figure 6　Effects of maize stalk applications on Cd and Pb content in aboveground part of faba bean

圖7　秸稈還田對蠶豆地下部Cd、Pb含量的影響Figure 7　Effects of maize stalk applications on Cd and Pb content in belowground part of faba bean

本試驗中，除葉片還田增加蠶豆的株高、莖稈還田增加蠶豆地上部的生物量外，秸稈的其余部分還田對蠶豆株高和生物量沒有顯著影響；玉米秸稈還田增加后茬蠶豆地上部的Cd和Pb、地下部的Cd含量，其中葉片和整株還田的蠶豆地上部Pb和地下部Cd的含量增幅較大。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常將收獲的蠶豆秸稈干燥粉碎作為飼料用于喂養(yǎng)牛、羊等家畜，而污染玉米秸稈還田極顯著增加后茬蠶豆秸稈的Pb含量，導(dǎo)致蠶豆秸稈飼用的安全風(fēng)險增大。因此，需要關(guān)注喂養(yǎng)重金屬污染的粗飼料對家畜生長和畜產(chǎn)品安全性的影響［25］。

玉米秸稈的不同部分對后茬作物生長與重金屬吸收的影響存在較大的差異，可能與玉米秸稈不同部分重金屬含量、生物降解性等性質(zhì)的不同有關(guān)。本試驗施用的秸稈Cd和Pb含量為葉片＞根茬＞莖稈，相對于根茬和莖稈還田，葉片和整株還田帶入清潔土壤的Cd和Pb數(shù)量更多。葉片的生物降解性最大，易在土壤中降解［26］，將吸收的重金屬釋放出來，可能是葉片和整株還田的蠶豆地上部Pb和地下部Cd含量較高的原因所在；而莖稈重金屬含量低，木質(zhì)素含量高［27］，在土壤中降解慢，導(dǎo)致莖稈吸收固定的重金屬不易釋放出來，可能是莖稈還田增加蠶豆地上部生物量的原因之一。

重金屬污染的秸稈還田影響后茬作物生長與重金屬吸收的過程與效應(yīng)很復(fù)雜，是土壤肥力、重金屬含量和有效性、植物化感等方面綜合作用的結(jié)果，受土壤類型、作物種類、秸稈還田方式等因素的影響［10-11，16，19］。本研究僅為一次的初步試驗結(jié)果，今后需要將大田和室內(nèi)試驗相結(jié)合，開展長期系統(tǒng)的研究，重點研究污染秸稈帶入農(nóng)田的重金屬生物有效性、在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移特征及其影響因素，明確重金屬污染秸稈還田的農(nóng)業(yè)生態(tài)效應(yīng)與環(huán)境危害風(fēng)險，為金屬礦區(qū)農(nóng)業(yè)固體廢棄物的管理與利用提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

4　結(jié)論

鎘鉛污染的玉米秸稈還田可改善后茬蠶豆地上部的礦質(zhì)營養(yǎng)，但會降低蠶豆葉片葉綠素含量，增加蠶豆地上部的Cd和Pb、地下部的Cd含量，具有一定的環(huán)境危害風(fēng)險，秸稈不同部位的影響存在明顯差異。因此，利用污染區(qū)域的作物秸稈還田，應(yīng)綜合考慮秸稈提高土壤肥力、改善作物營養(yǎng)的有益效應(yīng)，以及秸稈中的重金屬釋放進入土壤、遷移進入后茬作物的環(huán)境危害問題。

致謝：感謝云南農(nóng)業(yè)大學(xué)2011級環(huán)境科學(xué)專業(yè)的劉承程、葉泰、張萍、韓倩倩等同學(xué)的幫助。

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Effects of applying Cd/Pb contaminated maize stalks on growth and nutrient and Cd and Pb content of faba bean

ZHAN Fang-dong，CHEN Jian-jun，QIN Li，WANG Ji-xiu，LI Yuan*
（College of Resources and Environment，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

In this experiment，Cd-Pb contaminated maize stalks grown in a Pb-Zn mining area was applied to soil，and biomass of roots，stems，leaves and whole plants of，and N，P，K，Cd and Pb content of faba bean plants and soil available nutrients were examined.Application of maize stalks enhanced soil available N and K by 14%～58%and 36%～134%，respectively；but had no significant effect on soil available P.Applying maize leaves increased faba bean N，P and K by 28%，40%and 102%，respectively，while adding maize roots only enhanced P by 42%.Applications of stems and whole plants promoted the faba bean K content by 61%and 98%，respectively.No significant effects of maize stalk applications on nutrient content in the underground part of faba bean were observed，except an increase in P content caused by maize leaves.However，maize stalk applications caused significant decreases in chlorophyll a and b in the faba bean leaves.The height and biomass of faba bean were little affected by maize stalk applications，but applying leaves and stems increased the height andaboveground biomass of the bean.Applications of maize leaves enhanced the Cd and Pb content in the aboveground part，and Cd content in the belowground part of faba bean by 56%～76%and 50%～133%，and 204%～507%，respectively.These results indicate that applying maize stalks contaminated with Cd/Pb shows beneficial roles in enhancing soil fertility and improving mineral nutrition of the following crop，while may cause environmental risks induced by Cd/Pb contamination to soils including increased plant Cd and Pb uptake by and decreased chlorophyll content in leaves of the following crops.

Pb-Zn mining area；maize stalk；faba bean；N，P and K；Cd；Pb

X503.231

A

1672-2043（2016）04-0661-08

10.11654/jaes.2016.04.008

2015-11-15

國家自然科學(xué)基金項目（41461093）；國家自然科學(xué)基金委員會-云南省人民政府聯(lián)合基金項目（U1202236）

湛方棟（1980—），男，博士，副教授，主要從事環(huán)境微生物與土壤修復(fù)研究。E-mail：zfd97@ynau.edu.cn

李元E-mail：liyuan@ynau.edu.cn