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        含腐植酸復(fù)合肥料對(duì)水稻生長(zhǎng)及鎘吸收的影響

        2019-07-08 07:29:32張洪江劉志濤王永紅馬曉晶
        腐植酸 2019年3期
        關(guān)鍵詞:糙米莖稈腐植酸

        張洪江 劉志濤 王永紅 馬曉晶 馬 強(qiáng)

        1 龍蟒大地農(nóng)業(yè)有限公司 德陽(yáng) 618200

        2 龍蟒農(nóng)業(yè)技術(shù)研究院 德陽(yáng) 618200

        隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和各種化學(xué)產(chǎn)品、農(nóng)藥及化肥的廣泛使用,農(nóng)田土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻。當(dāng)前我國(guó)受Cd、Hg、As、Cr、Pb污染的耕地面積約2×107hm2,經(jīng)濟(jì)損失巨大[1,2]。重金屬污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。在各種重金屬污染中,鎘(Cd)因分布范圍廣、毒性高、易積累而危害尤為嚴(yán)重[2,4]。大量的研究表明,我國(guó)土壤、蔬菜、糧食作物受到不同程度的鎘污染[5],過(guò)高的土壤鎘含量導(dǎo)致蔬菜、糧食及經(jīng)濟(jì)作物食品安全性降低[4,6]。

        水稻是我國(guó)的主要糧食作物,鎘污染的案例也已屢見(jiàn)不鮮,為有效預(yù)防和治理鎘污染,開(kāi)展了大量的研究工作[2~5],其中,腐植酸鉀或腐植酸銨的應(yīng)用是較為成功的處理辦法之一[7,8],但因推廣成本高、勞動(dòng)投入大和公眾認(rèn)識(shí)不足等原因阻礙了其大量推廣應(yīng)用。因此,與現(xiàn)有常用農(nóng)資產(chǎn)品結(jié)合起來(lái)是最易實(shí)施的途徑。本研究擬通過(guò)腐植酸類物質(zhì)與復(fù)合肥料結(jié)合,探討其結(jié)合對(duì)肥效、重金屬有效性控制的可行性,為開(kāi)發(fā)出可廣泛推廣的鎘污染控制的肥料產(chǎn)品提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 供試土壤和供試品種

        供試土壤為四川省石亭江沖積潮土,土壤基本理化性質(zhì):砂質(zhì),pH 5.72,有機(jī)質(zhì)含量13.4 g/kg,堿解氮含量46.2 mg/kg,有效磷含量6.13 mg/kg,速效鉀含量42.7 mg/kg,土壤總鎘含量0.54 mg/kg,有效鎘含量0.12 mg/kg。供試作物為水稻,品種為“川6優(yōu)713”,采用常規(guī)旱育秧方式育苗。

        1.2 供試肥料

        供試肥料為含腐植酸復(fù)合肥料(龍蟒大地農(nóng)業(yè)有限公司研制),由尿素、磷酸一銨、氯化鉀、腐植酸鉀等原料造粒而成,產(chǎn)品N-P2O5-K2O指標(biāo)為22-8-10中氯,采用GB 15063-2009標(biāo)準(zhǔn)指定的檢測(cè)方法,檢測(cè)N 22.3%,P2O58.6%,K2O 10.1%,Cl 22.6%,pH 7.2,腐植酸含量按照HG/T 5046-2016的方法測(cè)定,活化腐植酸含量為5.2%。普通復(fù)合肥料(某公司市售)為不含腐植酸22-8-10中氯產(chǎn)品,采用相同檢測(cè)方法,檢測(cè)指標(biāo)為N 22.4%,P2O57.9%,K2O 9.7%,Cl 24.2%,pH 6.3。

        1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)于2018年3月12日至9月5日在龍蟒農(nóng)業(yè)技術(shù)研究院試驗(yàn)基地(四川省德陽(yáng)市綿竹市遵道鎮(zhèn)保水村)大棚內(nèi)進(jìn)行。

        試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理,3個(gè)不添加鎘污染處理:T0,普通復(fù)合肥料處理;T1,常量含腐植酸復(fù)合肥料處理;T2,減量含腐植酸復(fù)合肥料(減量20%)處理;3個(gè)添加鎘污染處理:T3,普通復(fù)合肥料處理;T4,常量含腐植酸復(fù)合肥料處理;T5,減量含腐植酸復(fù)合肥料(減量20%)處理。每處理重復(fù)6次,試驗(yàn)處理見(jiàn)表1。添加鎘污染土壤制作方法:將采回的土壤風(fēng)干后過(guò)2 mm篩,每盆裝土12 kg,模擬重度鎘污染狀況,每盆添加鎘(3CdSO4·8H2O)40 mg,與土壤混合均勻后編號(hào)并與各施肥處理用肥混合均勻后老化30天。經(jīng)老化后的盆缽采集土壤樣品后加入去離子水,使盆內(nèi)水面保持4~6 cm,培養(yǎng)至5月5日移栽秧苗。每盆移栽水稻3株,試驗(yàn)期間每2天補(bǔ)水1次,并保持盆內(nèi)水面3~5 cm,于成熟期分別采集每盆全部3株并區(qū)分為根、莖、葉和籽粒部分,籽粒經(jīng)風(fēng)干稱重后取部分籽粒制備為糙米用于檢測(cè)。

        表1 各處理重金屬鎘及肥料投入量Tab.1 The amount of Cd and fertilizer inputs of different treatments

        1.4 樣品測(cè)定和數(shù)據(jù)處理

        收獲的根、莖、葉分別烘干至恒重后稱量計(jì)產(chǎn),糙米采用試驗(yàn)電動(dòng)礱谷機(jī)(京奧JLGJ-45型,浙江臺(tái)州)進(jìn)行制備。植物樣品、糙米粉碎后經(jīng)過(guò)硝酸-高氯酸消化,采用ICP-OES(Avio 200,PerkinElmer,美國(guó))測(cè)定總鎘含量,采用大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10010(GSB-1)進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果標(biāo)定。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干,分別制備過(guò)2 mm和過(guò)0.149 mm尼龍篩的樣品,取過(guò)0.149 mm篩土壤樣品,采用鹽酸-硝酸-高氯酸消化,ICP-OES測(cè)定總鎘含量,取過(guò)2 mm篩土壤樣品,采用DTPA(二乙基三胺五乙酸)浸提(參照GB/T23739-2009),ICP-OES測(cè)定有效鎘含量。鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)用于計(jì)量鎘在作物各部位的遷移能力,分別按照莖稈與根系,葉片與莖稈,籽粒與葉片和糙米與籽粒的鎘含量比率進(jìn)行計(jì)算。采用Excel對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異顯著性分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 水稻生物量

        不同處理水稻各部位生物量情況見(jiàn)表2。由表可知,未添加鎘污染條件下,與施用普通復(fù)合肥料相比,施用常量含腐植酸復(fù)合肥料對(duì)水稻各部分和總生物量有促進(jìn)作用,且對(duì)根部、莖稈、葉片的生物量促進(jìn)作用顯著,分別增加13.2%、10.2%、9.7%;減量含腐植酸復(fù)合肥料處理?xiàng)l件下,仍對(duì)水稻各部位及總生物量有促進(jìn)作用,且對(duì)根部和葉片的生物量促進(jìn)作用顯著。添加鎘污染條件下,與施用普通復(fù)合肥料相比,施用常量含腐植酸復(fù)合肥料對(duì)水稻各部位和總生物量有促進(jìn)作用,且對(duì)根部、莖稈、籽粒的生物量促進(jìn)作用顯著,分別為17.6%、9.4%、12.1%;減量含腐植酸復(fù)合肥料處理?xiàng)l件下,仍對(duì)水稻各部位及總生物量有促進(jìn)作用,且對(duì)根部、莖稈和葉片的生物量促進(jìn)作用顯著。對(duì)比未添加和添加鎘污染的相同施肥量處理,除普通復(fù)合肥料處理葉片的生物量外,重金屬鎘污染并未顯著地影響植株各部位的生物量。另外,減量含腐植酸復(fù)合肥料處理并未減弱植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成,說(shuō)明含腐植酸復(fù)合肥料在保證水稻不減產(chǎn)的條件下,可以減少肥料施用量。

        表2 不同處理水稻各部位生物量情況Tab.2 Biomass of different parts of rice under different treatments 克 /盆

        2.2 水稻植株的鎘積累

        不同處理水稻各部位鎘含量的差異見(jiàn)表3。由表可知,6個(gè)處理均為水稻根系中的鎘含量最高,并依此由根系、莖稈、葉片向籽粒中遞減。土壤添加鎘污染后,水稻各部位鎘含量顯著增加。未添加鎘污染的處理中,與普通復(fù)合肥料處理相比,施用常量和減量含腐植酸復(fù)合肥料處理的水稻各部位鎘含量均無(wú)顯著差異。在添加鎘污染的處理中,與普通復(fù)合肥料處理相比,常量含腐植酸復(fù)合肥料顯著地降低了水稻根部、莖稈、葉片和籽粒中的鎘含量,其抑制率分別達(dá)到31.0%、20.3%、31.7%和21.4%,減量含腐植酸復(fù)合肥料處理?xiàng)l件下,水稻根系、葉片和籽粒中的鎘含量均顯著降低,而莖稈中鎘含量降低不顯著。綜上說(shuō)明,腐植酸對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)移有控制作用。

        水稻各部位鎘的積累體現(xiàn)鎘的吸收和轉(zhuǎn)移能力,不同處理水稻各部位鎘積累量的變化見(jiàn)表4。由表可知,在未添加鎘污染的處理中,水稻莖稈中鎘積累量最大,在添加鎘污染的處理中,水稻根部的鎘積累量最大,表明在鎘污染情況下,水稻植株表達(dá)出控制鎘轉(zhuǎn)移的能力。在未添加鎘污染的處理中,與普通復(fù)合肥料處理相比,施用常量含腐植酸復(fù)合肥料能使水稻根部、籽粒、總鎘積累量顯著降低,而莖稈和葉片鎘積累量降低不顯著;減量含腐植酸復(fù)合肥料處理能使植株根部、籽粒及植株總鎘積累量顯著降低,而葉片鎘積累量降低不顯著。在添加鎘污染的處理中,與普通復(fù)合肥料處理相比,施用常量含腐植酸復(fù)合肥料能使水稻根部、莖稈、葉片、籽粒及植株總鎘積累量顯著降低,減量含腐植酸復(fù)合肥料處理能使水稻根部、莖稈、葉片、籽粒鎘積累量顯著降低,而總鎘積累量降低不顯著。不同鎘污染條件下,常量與減量含腐植酸復(fù)合肥料處理各部位和總鎘積累量無(wú)顯著差異,但積累量數(shù)據(jù)前者低于后者,說(shuō)明抑制鎘吸收的能力與腐植酸的添加量正相關(guān)。

        表3 不同處理水稻各部位鎘含量差異Tab.3 Difference of Cd content in different parts of rice under different treatments mg/kg

        表4 不同處理水稻各部位鎘積累量的變化Tab.4 Variation of Cd accumulation in different parts of rice under different treatments 微克 /盆

        2.3 水稻糙米鎘含量

        不同處理水稻糙米鎘含量見(jiàn)圖1。由圖可知,在未添加鎘污染的各處理中,水稻糙米的鎘含量差異不顯著,且均低于糙米中鎘含量的限量標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762-2017)0.2 mg/kg。說(shuō)明,處于低鎘含量的酸性土壤中,水稻食用部位的鎘超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)低。在添加鎘污染的各處理中,水稻糙米鎘含量均超過(guò)0.2 mg/kg的安全標(biāo)準(zhǔn),普通復(fù)合肥料處理的糙米鎘含量最高,施用常量和減量含腐植酸復(fù)合肥料處理使水稻糙米中鎘含量分別比普通復(fù)合肥料處理減少38.2%和34.4%,差異達(dá)到顯著水平。

        圖1 不同處理水稻糙米鎘含量Fig.1 Cd content of brown rice under different treatments注:圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。

        2.4 鎘的轉(zhuǎn)移

        不同處理水稻鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)見(jiàn)表5。由表可知,未添加鎘污染的處理,水稻鎘的轉(zhuǎn)移以葉片向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高,以根部向莖稈處轉(zhuǎn)移系數(shù)最低;添加鎘污染的處理,除普通復(fù)合肥料的處理,水稻鎘的轉(zhuǎn)移以葉片向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高,3個(gè)處理均以根部向莖稈處轉(zhuǎn)移系數(shù)最低。與未添加鎘污染的處理相比,添加鎘污染的處理鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著降低,以葉片向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)降低幅度最大。

        表5 不同處理水稻鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)Tab.5 Transfer coefficients of Cd between different parts of rice under different treatments

        3 討論

        重金屬污染是困擾農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要因素之一,探索重金屬防控的有效辦法是研究和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。研究表明,腐植酸可與重金屬發(fā)生鈍化效應(yīng),有效降低重金屬的植物吸收和可食用部位的食用風(fēng)險(xiǎn)[9]。重金屬鎘對(duì)水稻造成生長(zhǎng)、生育障礙的濃度要求高[10,11],本研究結(jié)果也表明鎘污染并未對(duì)水稻生長(zhǎng)和發(fā)育構(gòu)成明顯威脅,但與低濃度鎘污染土壤相比,土壤添加鎘處理會(huì)促進(jìn)水稻對(duì)鎘的吸收。

        已有研究表明,腐植酸能降低作物的鎘吸收和轉(zhuǎn)移[5,12,13],本研究也證明添加腐植酸可抑制水稻對(duì)鎘吸收和轉(zhuǎn)移。土壤施用含腐植酸復(fù)合肥能夠保證復(fù)合肥的增產(chǎn)功效,還顯著降低水稻根系、莖稈、葉片和籽粒的鎘含量,這可能與腐植酸為有機(jī)物質(zhì)和含有豐富官能團(tuán)有關(guān)。研究表明,有機(jī)物質(zhì)通過(guò)其配位或螯合作用影響重金屬活性[14,15]。比較發(fā)現(xiàn),施用腐植酸復(fù)合肥料比施用普通復(fù)合肥料可減少水稻植物鎘積累量18.1%,其中籽粒中的積累量減少26.0%。

        根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762-2017(食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量),糙米中鎘含量以不超過(guò)0.2 mg/kg作為國(guó)家建議的衛(wèi)生安全限度,因此有必要采用技術(shù)手段降低其含量。大量的研究表明,硅、合成制劑、有機(jī)質(zhì)或其他堿性物質(zhì)均可降低植物對(duì)鎘的吸收。不過(guò),這些技術(shù)始終存在著運(yùn)用難度高、二次污染風(fēng)險(xiǎn)大或轉(zhuǎn)化成本過(guò)高的問(wèn)題,包括單質(zhì)的腐植酸鹽類。將具備有效控制重金屬的物質(zhì)直接融入復(fù)合肥料將大大降低運(yùn)用難度,本研究通過(guò)含腐植酸復(fù)合肥料的運(yùn)用,雖投入量并不大,使糙米的重金屬含量減少超過(guò)30%,表明腐植酸與復(fù)合肥結(jié)合控制作物的重金屬吸收具有可行性。

        另外,減量含腐植酸復(fù)合肥料處理中發(fā)現(xiàn),在減少含腐植酸復(fù)合肥料施肥量20%的情況下,仍與普通復(fù)合肥料具有相近的生物量和產(chǎn)量,且具有顯著的抑制鎘吸收和轉(zhuǎn)移的表現(xiàn),這體現(xiàn)了含腐植酸復(fù)合肥產(chǎn)品具有提高肥料利用效率的作用,也表現(xiàn)其抑制植物重金屬的吸收作用,為進(jìn)一步探討化肥減量及優(yōu)化腐植酸與復(fù)合肥的配比提供了支撐。

        4 結(jié)論

        (1)土壤施用含腐植酸復(fù)合肥料可顯著提高水稻根系生物量和籽粒產(chǎn)量,與普通復(fù)合肥料相比,減量含腐植酸復(fù)合肥料處理對(duì)水稻籽粒產(chǎn)量有增產(chǎn)但不顯著,與常量含腐植酸復(fù)混肥料相比,減量含腐植酸復(fù)合肥料處理對(duì)水稻籽粒產(chǎn)量有減產(chǎn)但不顯著。

        (2)在添加鎘污染的處理中,常量和減量施用含腐植酸復(fù)合肥料與普通復(fù)合肥料相比,顯著降低了水稻根部、葉片和糙米中的鎘含量,降低了鎘的轉(zhuǎn)移能力。

        (3)腐植酸與復(fù)合肥料有效組合,可用于水稻種植中控制土壤重金屬和化肥減量,組合優(yōu)化方式仍待研究。

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