汪玉磊， 賈生強(qiáng)， 徐立軍， 謝煒， 王云龍， 蘇瑤*

(1.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江 杭州 310000； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；3.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 桐廬 311500)

自20世紀(jì)末，有關(guān)蔬菜地重金屬污染報道陸續(xù)增多，且污染面積日益擴(kuò)大，多為中輕度污染，且主要重金屬污染元素為鎘(Cd)[1-2]。為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，對中輕度Cd污染蔬菜地，通過“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”的模式進(jìn)行治理和修復(fù)[3]。生菜是居民日常食用蔬菜，屬于Cd高積累葉菜類蔬菜，Cd含量超標(biāo)風(fēng)險高，如何采取有效措施降低生菜Cd超標(biāo)風(fēng)險，是保障食品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。

鎘污染土地的修復(fù)主要是直接減少土壤中鎘含量或者改變土壤中鎘的存在形態(tài)，降低其活性和遷移性。土壤調(diào)理劑/鈍化劑能通過吸附、沉淀、絡(luò)合等作用降低重金屬鎘在土壤中的移動性和生物有效性[4]，通過抑制植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬過程來修復(fù)重金屬污染農(nóng)田，減少農(nóng)作物重金屬富集。施加生物有機(jī)肥可以提供豐富的營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)，增強(qiáng)土壤顆粒對總金屬的吸附并提高作物的抗逆性，進(jìn)而降低作物對重金屬的吸收[5-7]。葉面阻控劑也是一種常用的土壤重金屬鎘污染修復(fù)劑[8]，這一技術(shù)具有養(yǎng)分利用率高、肥效好、使用方便等特點(diǎn)[9]，富含的微量元素可以顯著影響作物對重金屬鎘的吸收，還能促進(jìn)其生長、提高其抗逆性[10-11]。因此，探討鈍化劑、有機(jī)肥與葉面阻控劑配施對土壤重金屬有效性及作物富集的影響具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本研究選取金華金東區(qū)某受重金屬污染的菜地，以當(dāng)?shù)刂髟陨似贩N為研究對象，通過設(shè)置不同調(diào)理劑與有機(jī)肥梯度、配合施用葉面阻控劑等綜合技術(shù)等處理，旨在為當(dāng)?shù)厥卟宿r(nóng)業(yè)生產(chǎn)探明調(diào)理劑、有機(jī)肥最佳施用量組合，為污染地區(qū)蔬菜安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年10—12月在金華市金東區(qū)孝順鎮(zhèn)橫塘俞村某蔬菜地進(jìn)行(29°11′56.3″N，119°55′10.56″E)，面積約為0.2 hm2。試驗(yàn)區(qū)域土壤理化性狀如下:pH 5.78、有機(jī)質(zhì)18.41 g·kg-1、堿解氮158.42 mg·kg-1、有效磷355.05 mg·kg-1、速效鉀478.5 mg·kg-1。土壤中鎘含量0.66 mg·kg-1，超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值0.3 mg·kg-1(GB 15618—2018)，為供試菜地的主要污染物。

1.2 試驗(yàn)材料

供試蔬菜作物選生菜，品種為意大利生菜，購自當(dāng)?shù)胤N肥公司。試驗(yàn)所用有機(jī)肥為腐殖酸有機(jī)肥；調(diào)理劑為江蘇天象土壤調(diào)理劑，葉面阻控劑為江蘇天象3號，均由江蘇天象生物科技有限公司制備。

1.3 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)20個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組分布，其中每個小區(qū)面積為30 m2，各小區(qū)調(diào)理劑、有機(jī)肥與葉面阻控劑用量如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理用量

1.4 樣品采集與方法

待蔬菜成熟后，各處理采用梅花法進(jìn)行5點(diǎn)取樣，采集土壤和蔬菜樣品。土壤采集后，經(jīng)風(fēng)干、粉碎，過 0.15 mm 孔徑篩后用于分析土壤性質(zhì)。生菜收集后，采用去離子水清洗干凈，烘干、稱重、粉碎，過0.15 mm 孔徑篩，備用。

生菜樣品中Cd 含量參照GB 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》，采用原子吸收光譜法測定。土壤有效態(tài)Cd 含量參照GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》，采用二乙烯三胺五乙酸浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定。土壤理化性質(zhì)的測定:土壤 pH參照 NY/T 1121.2—2006《土壤檢測第2部分：土壤pH的測定》采用電位法測定(土液質(zhì)量比為1∶2.5)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，采用SPSS 20.0對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，采用Design Expert 8.0進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，采用SIGMAPLOT 8.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)理劑和有機(jī)肥施用對生菜可食部分Cd積累的影響

相較于空白處理組(0.202 mg·kg-1)，單施土壤調(diào)理劑能顯著降低生菜可食部分中Cd含量(0.154 7～0.180 2 mg·kg-1)，表明調(diào)理劑的施用能有效阻控土壤中Cd向生菜的遷移。其中在施用量3 750 kg·hm-2內(nèi)，隨施用量的增加效果略有提高；但當(dāng)單施調(diào)理劑用量達(dá)6 000 kg·hm-2時，生菜可食部分Cd含量(0.168 mg·kg-1)高于施用量3 750 kg·hm-2(0.155 mg·kg-1)，說明土壤調(diào)理劑用量超過3 750 kg·hm-2后對Cd的阻控效果無明顯提高，甚至可能產(chǎn)生負(fù)面影響(圖1)。這可能是由于調(diào)理劑通過螯合作用吸附重金屬，從而阻止土壤中鎘向有效態(tài)轉(zhuǎn)化，但當(dāng)調(diào)理劑施用量過高時，酸溶態(tài)鎘反而會增多，可能是因?yàn)檎{(diào)理劑濃度過高，已達(dá)到平衡吸附量。

圖中橫線表示生菜可食部分Cd含量國家標(biāo)準(zhǔn)限值，柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)，圖3同。

相較而言，單施有機(jī)肥量為1 500 kg·hm-2時無顯著效果(可食部分Cd含量約0.199 mg·kg-1)，但有機(jī)肥施入量為3 750和6 000 kg·hm-2則能顯著降低生菜可食部分Cd含量，分別到0.149和0.128 mg·kg-1，可見生菜可食部分Cd的積累可隨有機(jī)肥施入量的增加而下降，表明有機(jī)肥的施用可有效阻控土壤中Cd向生菜的遷移。此外，施入3 750和6 000 kg·hm-2有機(jī)肥的效果優(yōu)于施入同樣量的調(diào)理劑，Cd含量分別降低4%和24%，表明針對本試驗(yàn)而言，有機(jī)肥對土壤Cd向生菜可食部分遷移的阻控能力強(qiáng)于土壤調(diào)理劑。

與單施調(diào)理劑或有機(jī)肥相比，兩種材料的同時施用僅在有機(jī)肥用量1 500 kg·hm-2，調(diào)理劑用量6 000 kg·hm-2的組合下，相較于單施1 500 kg·hm-2有機(jī)肥顯著減少生菜可食部分Cd含量；此外，在調(diào)理劑用量1 500 kg·hm-2條件下，生菜可食部分Cd含量隨有機(jī)肥施用量增加而略有下降。而其他組合均表現(xiàn)為增加生菜可食部Cd含量，尤其是施用量都較高時。由此表明，有機(jī)肥和調(diào)理劑同時較大量施用會發(fā)生明顯的拮抗效應(yīng)，顯著降低對土壤Cd的阻控能力；但在有機(jī)肥或調(diào)理劑施用量低于1 500 kg·hm-2時，這種拮抗效應(yīng)相對較微弱，此時可以通過增加另一材料的施入量達(dá)到對Cd遷移的有效阻控。

2.2 最佳調(diào)理劑和有機(jī)肥施用量預(yù)測

對試驗(yàn)中的調(diào)理劑和有機(jī)肥施用量2個因子采用Box-Behnken進(jìn)行處理設(shè)計(jì)，利于各處理生菜可食部分Cd含量(表2)，通過多項(xiàng)式回歸分析對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，建立Cd含量的模型方程如下：

表2 各處理生菜可食部分Cd含量

R=0.194 80-1.350 765×10-3×A-2.401 695×10-3×B+1.288 900 5×10-5×AB。

(1)

式中：R為生菜可食部分Cd含量(mg·kg-1)；A為調(diào)理劑用量(kg·hm-2)；B為有機(jī)肥用量(kg·hm-2)。

對模型方程方差分析，P<0.01表明本實(shí)驗(yàn)所選用的模型與實(shí)測值間能較高吻合(P=0.005 2**)，說明所得的模型方程對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度較好，可用此模型來分析和解釋本實(shí)驗(yàn)中所選影響因子對生菜可食部分Cd積累的影響。R2值為0.75，說明有75%的生菜可食部分Cd積累變異分布在所研究的2個因子中。

模型的高度顯著項(xiàng)(P<0.01)有調(diào)理劑用量的線性項(xiàng)(P=0.019 3**)、調(diào)理劑和有機(jī)肥用量的交叉項(xiàng)(P=0.001 8**)，由此表明，調(diào)理劑的用量顯著影響生菜可食部分的Cd積累，而調(diào)理劑和有機(jī)肥同時施用也會對生菜可食部分的Cd含量產(chǎn)生顯著影響，且該影響具有明顯的非線性關(guān)系。

從公式(1)的分析可以預(yù)測，擬將生菜可食部分Cd含量下降至1.4～2.0 mg·kg-1時，調(diào)理劑和有機(jī)肥的最佳施用量分別是487.5和5 550 kg·hm-2。該組合下生菜可食部分Cd含量的模型預(yù)估值為0.143 mg·kg-1。設(shè)置生菜可食部分Cd含量0～2.0 mg·kg-1，模型給出的最優(yōu)組合是調(diào)理劑施用量為0，有機(jī)肥施用量6 000 kg·hm-2，預(yù)估Cd含量為0.131 mg·kg-1；而僅施調(diào)理劑6 000 kg·hm-2時，Cd含量為0.159 mg·kg-1。

以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過Design Expert軟件繪制Cd含量與因素的響應(yīng)曲面圖(圖2)。可食部分Cd含量隨調(diào)理劑和有機(jī)肥單獨(dú)施用量的增加而減少，但兩者同時施用時，則隨施用量的增加而增加，表明試驗(yàn)用調(diào)理劑和有機(jī)肥單獨(dú)作為安全利用技術(shù)實(shí)施時均能起到較好的重金屬阻控效果，但二者同時施用時，其效果會有所抵消，這可能與兩種材料對重金屬的阻控原理不同有關(guān)。調(diào)理劑中主要包含鈣、鎂等物質(zhì)，可以提高土壤pH，改善土壤酸化，進(jìn)而減少有效Cd的形成，抑制其向作物遷移。有機(jī)肥則主要通過其富含的腐殖酸等有機(jī)質(zhì)對重金屬的螯合作用，實(shí)現(xiàn)阻控。兩種材料同時大量施用時，有機(jī)肥中的功能成分可能會與調(diào)理劑中的功能成分發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致其對重金屬的鈍化和阻控效果大幅降低。對于本試驗(yàn)菜地，單施有機(jī)肥效果優(yōu)于單施調(diào)理劑，這主要是由于本地區(qū)土壤為弱酸性，施用調(diào)理劑所鈍化的重金屬含量相對有機(jī)肥螯合的重金屬含量較低，因此，施加調(diào)理劑的效果相對較弱。

圖2 生菜可食部分Cd含量對調(diào)理劑和有機(jī)肥每667 m2施用量的響應(yīng)曲面

2.3 葉面阻控劑配施對生菜可食部分Cd含量的影響

在調(diào)理劑和有機(jī)肥都同時施用(施用量1 500和3 750 kg·hm-2)的條件下，葉面阻控劑的噴施均能顯著降低生菜可食部分Cd含量，降幅在9.1%～30.1%，表明噴施葉面阻控劑能有效阻控土壤中Cd向菜葉的遷移(圖3)。

圖3 葉面阻控劑噴施與不噴施條件下生菜可食部分的Cd含量

2.4 調(diào)理劑和有機(jī)肥施用對土壤pH、全鎘及有效態(tài)鎘含量的影響

施用調(diào)理劑或/和有機(jī)肥后，土壤pH變化范圍在5.88～6.77(表3)。其中，施用調(diào)理劑1 500 kg·hm-2以上的處理，土壤pH較CK處理提高0.28～0.55個單位，但施用有機(jī)肥1 500 kg·hm-2以上的處理，土壤pH較CK處理降低了0.14～0.34個單位，且下降幅度隨有機(jī)肥施入量的增加而增加。由此表明，試驗(yàn)用調(diào)理劑能在一定程度上改善受污染蔬菜地的pH。

表3 各處理土壤pH

與生菜種植前土壤全鎘含量相比較，各處理土壤全鎘含量下降0.00～0.15 mg·kg-1(圖4)，這可能是由于生菜種植過程中對土壤鎘有所吸收，進(jìn)而降低了土壤全鎘含量；另一方面也表明，試驗(yàn)過程中的農(nóng)投品，包括施入的調(diào)理劑、有機(jī)肥及農(nóng)戶種植中施入的肥料與農(nóng)藥均未增加土壤全鎘含量。

圖中橫線表示初始土壤全鎘含量0.656 mg·kg-1。

比較不同處理土壤的有效態(tài)鎘含量(圖5)，結(jié)果顯示，當(dāng)調(diào)理劑施用量大于1 500 kg·hm-2時，土壤有效態(tài)鎘含量相較于0～1 500 kg·hm-2調(diào)理劑施用量的處理均有所降低，降幅9.6%～11.9%，這可能是隨調(diào)理劑施用量的增加，提高了土壤pH，改善了土壤酸化程度，進(jìn)而有效降低了土壤有效態(tài)鎘含量。此外，結(jié)果顯示調(diào)理劑施用量在0～3 750 kg·hm-2時，土壤有效態(tài)鎘含量隨有機(jī)肥施用量的增加而有所下降，但調(diào)理劑施用量達(dá)6 000 kg·hm-2時，有機(jī)肥施用量的多少對土壤有效態(tài)鎘含量并無影響。

圖5 調(diào)理劑和有機(jī)肥不同施入量下土壤有效態(tài)Cd含量

3 小結(jié)

單施調(diào)理劑1 500 kg·hm-2以上，能通過提高土壤pH，降低土壤有效態(tài)鎘含量，進(jìn)而有效降低生菜可食部分Cd含量，但施量增至6 000 kg·hm-2時，其效果與施3 750 kg·hm-2無顯著差異。

單施有機(jī)肥1 500 kg·hm-2以下對Cd向生菜可食部分的遷移無明顯抑制作用，但施用量在3 750 kg·hm-2以上，則能隨有機(jī)肥施入量增加而有效降低生菜可食部分Cd含量，且效果優(yōu)于單施調(diào)理劑。

調(diào)理劑和有機(jī)肥同時施用，且施用量大于3 750 kg·hm-2時會顯著降低其對Cd的阻控效果，難以確保達(dá)到安全利用水平；響應(yīng)曲面分析(RSM)結(jié)果顯示，單施6 000 kg·hm-2有機(jī)肥即可達(dá)到理想的安全利用效果，若能配套葉面阻控劑的噴施，則能更有效阻控Cd在生菜可食部分的積累。