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        不同施肥處理對設施黃瓜生產(chǎn)系統(tǒng)重金屬Cd積累的影響

        2018-03-27 01:37:01盧金海李博文楊志新
        江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018年4期

        盧金海, 李博文, 楊志新, 趙 洪

        (河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室,河北保定 071000)

        設施栽培作為一項提高蔬菜、花卉等作物產(chǎn)量的有效途徑,近年來在我國迅猛發(fā)展,以日光溫室和塑料大棚為主的設施栽培面積已超過100萬hm2[1-2]。河北省永清縣作為全國優(yōu)質(zhì)設施栽培蔬菜基地,設施蔬菜種植面積達到21 133 hm2,其中設施黃瓜面積為4 800 hm2。由于設施環(huán)境的特殊性,溫室土壤常出現(xiàn)酸化、次生鹽漬化、微生物區(qū)系失調(diào)和殘留的硝酸鹽、亞硝酸鹽、重金屬超標等問題,其中重金屬含量超標尤為突出[3]。因此,設施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的生態(tài)安全問題越來越受到關注。

        蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的重金屬平衡決定著土壤中重金屬的變化趨勢及污染積累,進而對蔬菜生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響。目前,大多學者集中在對土壤重金屬的評價分析上,而對系統(tǒng)中重金屬凈積累研究尚少。Dach等對比研究波蘭、荷蘭農(nóng)業(yè)區(qū)的重金屬平衡水平發(fā)現(xiàn),高強度的種植模式會加大土壤生態(tài)系統(tǒng)對重金屬的積累,從而嚴重影響土壤環(huán)境及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)安全性[4];王麗英等對河北省設施蔬菜土壤微量金屬元素調(diào)查與評價表明,該地區(qū)土壤出現(xiàn)不同程度的重金屬污染和微量元素積累[5]。

        施肥是影響土壤重金屬含量的重要因素,有研究表明,大量施肥的菜地土壤中某些重金屬含量顯著高于種植糧食作物的農(nóng)田土壤[6-7]。目前,有關設施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)控制重金屬積累的安全施肥研究尚未見報道。本研究以具有代表性管理模式的河北省永清縣日光溫室黃瓜為對象,通過連續(xù)2年的定位試驗,以建立減少重金屬積累的安全施肥方案,為降低土壤環(huán)境質(zhì)量風險提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于河北省廊坊市永清縣永清鎮(zhèn)北岔口村,116°25′37″~116°25′52″E、39°13′34″~39°19′51″N,為國家級無公害蔬菜生產(chǎn)基地,屬北溫帶亞濕潤氣候區(qū),大陸性季風氣候,雨熱同季,年平均日照2 740 h,年平均降水540 mm,年平均氣溫 11.5 ℃。試驗選用種植10年黃瓜的廊坊40型日光溫室大棚,土壤類型為潮褐土,質(zhì)地為壤土,土壤有機質(zhì)含量為 2.70%,速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為146.5、400.2、684.0 mg/kg,pH值為7.5左右。黃瓜管理模式在當?shù)鼐哂休^強的代表性,生產(chǎn)茬口一般為每年的10月底到翌年6、7月份。

        1.2 試驗設計

        試驗在1個溫室大棚內(nèi)完成,共設5個不同的施肥處理(表1、表2),灌水、噴施農(nóng)藥與菜農(nóng)常規(guī)管理基本一致。每處理重復3次,試驗小區(qū)隨機排列。

        表1 第1年設施黃瓜不同施肥處理及其用量

        注:處理T2、T3、T4磷、鉀肥施用量不變,P2O5、K2O用量分別為360、600 kg/hm2;有機氮由有機配方肥、雞糞提供。表2同。表中農(nóng)大的全稱為河北農(nóng)業(yè)大學,下同。

        表2 第2年設施黃瓜不同施肥處理及其用量

        1.3 樣品采集與制備

        采集溫室的灌溉水樣及施用的各種肥料;化肥樣品磨碎,過100目篩,雞糞帶回實驗室,稱鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,磨碎,過100目篩,備用。以每試驗小區(qū)為采樣單元,分別于黃瓜種植前、每年黃瓜收獲后按“Z形布點法”等量采集深度為0~20 cm 的土壤,組成1個小區(qū)混合樣品;去除生物殘留及沙石,自然風干,過2 mm篩;取土樣300 g,研磨,過0.150 mm篩,備用。采集黃瓜果實及瓜秧,稱鮮質(zhì)量;用自來水沖洗2次,用去離子水沖洗1次,晾干;黃瓜樣品打成勻漿,經(jīng)消煮浸提制備成浸提液,瓜秧烘干、粉碎,過100目篩,備用。黃瓜開始收獲至采摘結束,記錄每試驗小區(qū)的收獲產(chǎn)量。

        1.4 樣品測定

        采用“四酸(鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸)分解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法”測定土壤樣品、化肥、雞糞中的重金屬Cd含量;采用“二酸(硝酸、高氯酸)分解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法”測定灌溉水樣中的重金屬Cd含量;采用“高壓消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法”測定植物樣品Cd含量。設施黃瓜蔬菜系統(tǒng)Cd的輸入量計算公式為:

        式中:Q為輸入重金屬元素總量;n為施肥或灌溉的管理次數(shù);Ci為施肥或灌溉水中Cd的含量;Mi為施肥或灌溉的量。

        1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

        采用Excel 2003、SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

        2 結果與分析

        2.1 不同肥料中Cd含量

        試驗結果表明,有機肥(雞糞)、菌力寶、磷酸二銨、復合肥、三友菌肥、硫酸鉀、農(nóng)大固態(tài)肥、農(nóng)大液肥、氨基酸水溶肥的Cd含量分別為(0.250 0±0.020 0)、(0.050 0±0.003 6)、(0.032 0±0.001 7)、(0.016 0±0.001 0)、(0.014 0±0.002 0)、(0.006 3±0.000 2)、(0.006 3±0.000 1)、(0.004 4±0.000 3)、(0.001 5±0.000 2) mg/kg,雞糞、菌力寶、磷酸二銨的Cd含量顯著高于其他肥料,且相互間差異顯著(P<0.05),氨基酸水溶肥的Cd含量顯著低于雞糞、菌力寶、二銨、復合肥(P<0.05),而復合肥、三友菌肥、硫酸鉀、農(nóng)大固態(tài)肥、農(nóng)大液肥的Cd含量相互間差異不顯著(P<0.05)。

        2.2 不同施肥處理下土壤Cd的輸入量

        日光溫室大棚黃瓜生產(chǎn)系統(tǒng)土壤重金屬的輸入量主要由化肥與有機肥施入量、農(nóng)藥投入量、灌溉用水量決定,由于灌溉用水、農(nóng)藥的重金屬含量極低(小于0.000 1 mg/kg)或無法檢出,故二者對Cd的輸入影響忽略不計。由圖1可見,設施黃瓜生產(chǎn)系統(tǒng)中,有機肥Cd輸入量占總施肥量Cd的輸入比例相對較高,而施用化肥導致Cd的輸入量相對較低;T2、T3、T4、T5處理第1年的化肥Cd輸入量分別為0.001 5、0.001 7、0.001 6、0.022 1 mg/m2,有機肥Cd輸入量分別為0.292、0.327、0.327、2.916 mg/m2,有機肥Cd輸入量分別占總肥料量Cd輸入量的99.49%、99.48%、99.51%、99.25%;T2、T3、T4、T5處理第2年的化肥Cd輸入量分別為0.001 3、0.001 4、0.001 3、0.010 1 mg/m2,有機肥Cd輸入量分別為0.361、0.361、0.361、1.492 mg/m2,有機肥Cd輸入量分別占總肥料量Cd輸入量的99.64%、99.61%、99.64%、99.33%;5個不同施肥處理中,T1、T2、T3、T4處理Cd輸入量明顯低于農(nóng)民常規(guī)施肥處理(T5處理),第1年Cd輸入量分別比T5處理減少100.00%、90.01%、88.81%、88.82%,第2年分別比T5處理減少100%、75.88%、75.87%、75.88%;2年黃瓜種植期內(nèi),減氮施肥處理(T3、T4處理)之間Cd的輸入量差異不明顯。

        2.3 不同施肥處理下土壤Cd的輸出量

        日光溫室大棚黃瓜生產(chǎn)系統(tǒng)土壤重金屬的輸出量主要由黃瓜秸稈、產(chǎn)出黃瓜果實的量所決定。由表3、表4可見,不同施肥處理間黃瓜果實、秸稈Cd含量差異不顯著,秸稈Cd含量明顯高于黃瓜果實。由圖2可見,2年內(nèi),不同施肥處理黃瓜秸稈的Cd輸出量明顯高于黃瓜果實;T1、T2、T3、T4、T5處理第1年的Cd輸出量分別為0.098、0.194、0.133、0.161、0.085 mg/m2,其中黃瓜秸稈Cd輸出量分別占輸出總量的83.11%、80.47%、82.41%、83.80%、86.28%;T1、T2、T3、T4、T5處理第2年的Cd輸出量分別為0.086、0.100、0.089、0.083、0.085 mg/m2,其中黃瓜秸稈Cd輸出量均占輸出總量的86.70%、97.54%、97.04%、97.24%、86.28%;T2處理的Cd輸出量相對最高,2年內(nèi)分別為T1、T3、T4、T5處理的 1.60、1.32、1.20、1.73倍。

        表3 不同施肥處理第1年的黃瓜產(chǎn)量、秸稈干質(zhì)量及其Cd含量

        注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

        2.4 不同施肥處理下土壤Cd的凈積累量

        重金屬總平衡量是由總輸入量、總輸出量相減而確定的。由圖3可見,除空白對照T1處理外,其他處理均有不同程度的Cd凈積累,其中T5處理的Cd凈積累量明顯高于其他處理; 與T5處理相比, T2、T3、T4處理第1年Cd凈積累分別比T5處理減少96.51%、93.12%、93.96%,第2年分別比T5處理減少81.48%、80.67%、80.30%。試驗表明,T2處理(推薦氮肥用量)的Cd凈積累量2年內(nèi)均相對最低,第1年為 0.100 mg/m2,第2年為0.262 mg/m2。

        表4 不同施肥處理第2年的黃瓜產(chǎn)量、秸稈干質(zhì)量及其Cd含量

        2.5 設施黃瓜系統(tǒng)不同施肥處理下的產(chǎn)投比

        由表5可見,第1年T5處理的黃瓜產(chǎn)量顯著高于其他施肥處理,而第2年T5處理的黃瓜產(chǎn)量與其他施肥處理T2、T3、T4差異不顯著;處理T2、T3、T4的產(chǎn)投比明顯高于T5處理,其中T2處理的產(chǎn)投比相對最高,第1、第2年產(chǎn)投比分別為53.5、73.7。

        3 結論與討論

        對溫室大棚黃瓜采取不同施肥處理,分析Cd的輸出、輸入量、凈積累及黃瓜產(chǎn)投比等,結果表明,雞糞的Cd含量相對最高,為(0.250 0±0.020 0) mg/kg,這可能是導致土壤重金屬Cd輸入高的重要因素,這與前人研究結論[8-9]較為一致;黃瓜2年種植期內(nèi),推薦氮肥用量、減氮施肥處理比常規(guī)施肥處理能夠有效減少重金屬Cd的輸入,降低Cd的積累,相互間對Cd的凈積累差異不明顯;不同施肥處理的黃瓜秸稈Cd輸出量明顯高于黃瓜果實;推薦氮肥用量處理Cd的輸出量相對最高,凈積累量相對最低,產(chǎn)投比相對最高。

        表5 設施黃瓜系統(tǒng)不同施肥處理下的黃瓜產(chǎn)量與產(chǎn)投比

        有研究表明,有機肥施用量的增加,將會導致土壤有機質(zhì)的逐漸增加,腐殖酸活化性能也增強,而有機物的分解使有機結合態(tài)重金屬逐漸釋放,重金屬的生物有效性明顯增強[10],如長期施用畜禽糞便等有機肥,將極易造成土壤重金屬的積累[11-13]。溫室黃瓜雖然施用的肥料其重金屬Cd含量均低于國家肥料限量標準,但長期施用大量農(nóng)家肥確實會引起土壤Cd的積累,增加土壤重金屬污染風險,而調(diào)整施肥方案,可有效控制或減輕土壤重金屬Cd的污染。

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