鎘污染稻田甘薯種植專用土壤調理劑的應用研究

張超凡，張道微，黃艷嵐，周 虹，張 亞，董 芳

（1. 湖南省作物研究所，湖南 長沙 410125；2. 中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125）

鎘污染稻田甘薯種植專用土壤調理劑的應用研究

張超凡1,2，張道微1，黃艷嵐1，周 虹1，張 亞1，董 芳2

（1. 湖南省作物研究所，湖南 長沙 410125；2. 中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125）

生態農業修復是最直接有效的鎘污染農田污染治理的方法。該方法在篩選鎘低積累農作物品種的同時，還需配套合理的土壤處理措施和栽培方法，以更有效的實現鎘污染大田的利用和生態修復。試驗在篩選出鎘低積累甘薯品種“浙紫3號”的基礎上，分析了不同土壤調理劑、對甘薯生長、大田土壤和甘薯鎘積累的影響。實驗結果發現腐植酸不僅能促使“浙紫3號”增產，還能有效抑制甘薯對土壤鎘的吸收和積累，同時可以有效改良土壤結構，降低土壤單位重量的鎘含量，可做為鎘污染大田土壤調理劑的最優選擇。

鎘污染；生態農業修復；土壤調理劑；浙紫3號

重金屬鎘污染是目前全球面臨的重大環境問題，我國農田污灌區以鎘污染面積最大，有接近3.85萬hm2，占重金屬超標面積的59.6% 。由于鎘金屬對土壤的污染在自然環境中是不可逆的，會通過食物鏈在人體富集，危害人類健康。目前治理土壤鎘污染的方法除了物理轉移、化學處理、生物修復等方法外，最直接有效的思路來源于農業生態修復[1]。甘薯地上部莖葉和地下部塊根的鎘積累能力差異明顯，莖葉鎘積累能力遠大于塊根。按照國家蔬菜中污染物限值標準≤0.2 mg/kg（GB2726—2008），目前已經在鎘中度污染區稻田篩選了一批薯塊鎘積累量低于安全值的甘薯品種[2]。由于甘薯薯塊鎘積累量低，鮮薯產量高，對環境的適應能力強，能在重金屬污染耕地農業生態修復中擔任重要角色。

作物對土壤鎘的吸收與積累，除品種間差異因素外，還受土壤pH值、土壤氧化還原電位（Eh值）、土壤陽離子交換量等因素影響，與作物栽培模式也存在較大關系[3]。因此在篩選農作物鎘低積累品種的同時，還需配套合理的栽培管理，以實現鎘污染區稻田農業生態修復和治理。研究采用多種土壤調理劑處理鎘中度污染土壤，配合種植甘薯品種“浙紫3號”（在鎘含量為0.628 mg/kg的土壤中種植，鮮薯鎘平均含量為0.0361 mg/kg），以期實現土壤鎘污染治理和利用，為生態農業修復提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與小區設計

選用“浙紫3號”甘薯品種，栽培按照湖南地方標準《甘薯栽培技術規程》（標準編號DB43/T451—2009）進行，實施地點為湖南省農業科學院長沙縣北山鎮榮和橋村試驗基地，試驗地為黏壤土，地勢平坦，排灌方便。試驗設12個處理，采用隨機區組排列，3次重復。小區面積20 m2，栽插密度54 000株/hm2，壟寬1 m（包溝），高壟雙行，四周設保護行l m。除施肥管理外，其他田間管理水平一致。

根據不同土壤調理劑影響作物對重金屬鎘的吸收和積累原理，采用5種作用機理不同且具有代表性的土壤調理劑進行試驗，其中土壤修復劑復合共聚OH型（簡稱土壤修復劑）、土壤調理劑（調酸、降鎘）和堿性緩釋復合肥來源于湖南興湘科技開發有限公司，腐植酸來源于廣東大眾農業科技股份有限公司。試驗根據土壤調理劑的用量肥力補施復合肥，設置一組空白處理組為實驗對照，具體施用量如表1所示。

表1 土壤調理劑用量與實驗區施肥方法 （kg/667m2）

1.2 試驗數據采集內容與方法

試驗于2015年5月10日進行栽插，一周后補苗1次，考種時間為2015年11月1日，收獲時間為2015年11月15日，收獲時對小區進行測產。

樣品重金屬鎘含量檢測方法為：使用化肥前每個小區取1次土樣；收獲前每個小區取第2次土樣，與甘薯樣品一并送實驗室檢測重金屬含量；考種時分別取薯塊地上地下部分樣品，測完干率后粉碎檢測鎘含量。土壤取樣時，用測土配方施肥專用采樣器，在試驗田每個小區采集混合土壤，采樣深度0～20 cm。每個混合樣品約1 kg，測定土壤全鎘、土壤有效鎘、土壤有機質含量和pH值。

2 結果與分析

2.1 不同土壤調理劑對甘薯生長的影響

對收獲期甘薯地上部生長主要農藝性狀分析，從表2可發現，土壤修復劑和土壤調理劑主要影響“浙紫3號”分枝數，相對于對照組其分枝數有顯著增加；而堿性緩釋肥和腐植酸促使“浙紫3號”莖粗的顯著增加；相對于生石灰處理對“浙紫3號”莖長造成的顯著抑制作用，腐植酸處理能有效促進莖的生長。從地上部分的產量看，相對于對照組，腐植酸促進甘薯地上部分生物量增加的效果最為顯著，生石灰處理會造成“浙紫3號”地上部分生物量的顯著降低。不同處理都降低了“浙紫3號”地上莖葉干率，其中堿性緩釋肥和腐植酸處理效果最為顯著。

表2 各試驗組甘薯地上部分主要農藝性狀

對地下部生長指標分析，從表3可發現，施用腐植酸小區“浙紫3號”產量最高；施用土壤修復劑和土壤調理劑也能獲得比對照組高的產量；施用生石灰造成“浙紫3號”產量的下降，各試驗組產量平均值相對于對照組都存在極顯著差異，有明顯的增產或者減產的作用。各小區對“浙紫3號”薯塊干率的影響不大，影響“浙紫3號”薯塊產量的主要因素為單株結薯個數和大中薯率。生石灰處理嚴重影響了甘薯結薯個數和大中薯率，進而造成了甘薯減產；腐植酸處理后結薯個數和大中薯率增加最為顯著。

表3 各試驗組甘薯地下部分主要農藝性狀

耐性指數是指污染物脅迫下植物某組織的干重與對照植物對應組織干重的比值。耐性指數越大，植物生物量所受影響越小，對污染物的耐性越大。盡管“浙紫3號”對土壤鎘含量的耐受閾值檢測目前尚在試驗階段，根據前期試驗結果分析，土壤鎘含量約為0.628 mg/kg的中度污染大田區對“浙紫3號”的生長無明顯影響，屬于耐受范圍內，因此可以排除土壤調理劑篩選試驗土壤背景毒素的干擾因素。在試驗過程中，適量生石灰處理雖然導致甘薯減產，但是相對于對照組耐性指數仍為0.852，說明在25 kg/667m2生石灰用量處理下甘薯存在較好的耐性，屬于安全施用范圍內。

2.2 不同降鎘肥處理對大田土壤的影響

對處理前和處理后的土壤鎘含量檢測，從表4可以看出，施用腐植酸肥對土壤鎘含量的影響最大，能大幅度降低單位重量土壤中鎘的含量；施用生石灰也能造成土壤鎘含量的顯著降低；施用土壤修復劑、土壤調理劑都能一定程度降低土壤鎘含量；施用堿性緩釋復合肥對土壤鎘含量的影響相對最小。盡管不同試驗區土壤鎘含量存在差異，但是其變化幅度很小，相對于平均值0.628 mg/kg，只存在0.05 mg/kg的差異，可以認為鎘含量處于同一水平。

表4 不同土壤調理劑對大田鎘含量的影響 （mg/kg）

2.3 不同降鎘肥處理對甘薯鎘積累的影響

從表5可以看出，施用腐植酸既能降低土壤單位鎘含量，同時又能降低甘薯莖葉、薯塊鎘的積累，為五類土壤鎘污染調理劑中效果最佳；土壤修復劑和土壤調理劑能降低土壤鎘含量，卻增加了甘薯薯塊鎘的吸收和積累；堿性緩釋復合肥對甘薯莖葉鎘吸收、積累有抑制作用；生石灰雖然能降低土壤中有效鎘含量，但對甘薯薯塊鎘積累的影響最不明顯，且對甘薯本身生長存在抑制作用。

表5 不同土壤調理劑對鮮薯鎘積累的影響 （mg/kg）

3 討 論

紫薯兼有糧食作物、經濟作物和藥用作物的多重特性。紫薯塊根幾乎含有普通甘薯的所有營養成分和活性物質，而且營養成分還高出普通甘薯數倍，尤其是富含特有的花青素，具有顯著的抗氧化功能、抗腫瘤功能和抗高血糖功能，備受廣大消費者青睞。紫薯經濟效益為普通甘薯的3倍以上，加工后產生的經濟效益更大，目前紫薯加工產品在國內外市場上十分暢銷，具有廣闊的市場和良好的經濟效益，能形成特色產業，促進農民增收，必將推動農業經濟的發展，成為農民致富的“金薯”。采用安全種植模式在鎘污染大田種質紫薯，既能提高農耕的產值，又能有效改良土壤重金屬污染問題，為重金屬污染大田生態農業修復的有效備選方案。

試驗以“浙紫3號”紫薯為實驗材料，選擇了幾種具有代表性的土壤調理劑，分別通過影響土壤pH值、Eh值、陽離子交換率等因素來調節甘薯對鎘的吸收與積累。生石灰、鈣鎂磷肥等成分對土壤鎘的作用原因相對明確，但是只能從單一因素上改良土壤和降低作物對鎘的吸收，而腐植酸等調理劑雖然對土壤鎘的作用和對植物鎘吸收的影響相對更復雜，但是在改良土壤鎘含量的同時，促進了作物的生長，抑制了作物對鎘的吸收，屬于較理想的土壤調理劑。

作物對鎘的吸收能力都受土壤pH值的影響，在適于作物生長的范圍內，土壤微環境pH值和植物鎘的積累量呈顯著負相關[4]。石灰對鎘污染治理的主要依據是提高了土壤微環境pH值，從而降低土壤中有效態鎘含量，抑制作物對鎘的吸收和積累。但生石灰等堿性物質的施用也存在對植物毒害的副作用，適量的生石灰等堿性物質的使用雖然能降低作物對鎘的吸收和積累，卻影響植物正常的生長。

Eh值是溶液氧化性或還原性強弱的衡量指標，土壤中有許多氧化還原體系，氧化條件下（Eh值高時）比還原條件下（Eh值低時）更容易促進作物對鎘的吸收。鈣鎂磷肥因為影響到土壤中的Eh值，已成為重要的重金屬污染土壤改良劑。土壤調理劑和土壤修復劑主要含鈣鎂磷肥，在堿性土壤上施用能達到改良土壤環境、增產和緩解鎘毒害的作用[5]。試驗中檢測發現試用適量土壤調理劑和土壤修復劑對甘薯的生長有顯著促進影響，又能調節甘薯對重金屬鎘的吸收和積累，可以開發作為甘薯在鎘污染大田栽培的配套調理劑。

腐植酸對植物體的生長發育有明顯的促進作用，并能提高植物的抗性能力。腐植酸鈉能抑制作物對鎘污染區土壤中鎘的吸收，延緩無機肥的釋放，減少養分的損失同時也改善了甘薯的品質，是一種較理想的環保型高效肥料[6]。此外腐植酸既能促進甘薯生長，增加甘薯產量，抑制甘薯對重金屬鎘的吸收和積累，又能有效降低耕地中鎘含量，調節和改良耕地土壤結構，能在生態農業修復過程中發揮較理想的作用。

[1] Huang Y Z，Hao X W，Lei M，et al. The remediation technology and remediation practice of heavy metals-contaminated soil [J]. J Agro-Envir Sci.，2013，32（3）：409-417.

[2] 張超凡， 張道微， 黃艷嵐，等. 甘薯與馬鈴薯在土壤鎘污染治理中的應用研究進展[J]. 湖南農業科學，2015，（9）：87-90.

[3] Chen H，Guo D F， Guo F，et al. Research advances on cadmium absorption and accumulation of plant [J]. Chinese Agric Sci Bulletin，2013，29（3）：6-11.

[4] Zhan S J，Yu H，Feng W Q，et al. Effects of different organic material and lime on soil pH and available cadmium [J]. Southwest China J Agric Sci.，2011，24（3）：999-1003.

[5] 謝 素. 紅薯對芘、Cd、Pb復合污染土壤修復潛力的研究[D]. 廣州：暨南大學，2014.

[6] Chen R P，Zhang Y L，Ma A J，et al. Study on the modification of humic acid and its adsorption to cadmium [J]. J Nanjing Forestry University（Nat Sci Edition），2014，38（4）：102-106.

（責任編輯：肖彥資）

Application Research of Sweet Potato Cultivation Special Soil Conditioner in Cadmium Polluted Field

ZHANG Chao-fan1,2，ZHANG Dao-wei1，HUANG Yan-lan1，ZHOU Hong1，ZHAGN Ya1，Fang Dong2（1. Hunan Crop Research Institute, Changsha 410125, PRC;
2. Longping Branch Graduate School, Central South University, Changsha 410125, PRC）

The most direct and effective method for the treatment of cadmium(Cd) pollution in soil is the agricultural ecological restoration, which need to screen crop varieties with the low Cd accumulation and find reasonable measures of soil treatment and corresponding cultivation techniques, in order to achieve more effcient use and ecological restoration of the Cd polluted farmland. This trial had screened sweet potato varieties “Zhezi No.3” with low Cd accumulation. In the meanwhile, the effects of different soil conditioner on the growth of sweet potato, the Cd contamation of soil and sweet potato were studied. This trial had found that humic acid was the optimal Cd contaminated feld soil conditioner. It can promoted “Zhezi No.3” production, inhibit the Cd absorption and accumulation in sweet potato on the soil, improve soil structure effectively, reduce soil Cd content per unit weight, optimal choice Cd contaminated feld soil conditioning agent.

cadmium pollution; ecological agriculture restoration; soil conditioner; Zhezi No. 3

book=35,ebook=43

X53

A

1006-060X（2016）12-0035-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.012.012

2016-08-31

國家甘薯產業技術體系資助（CARS-11-C-16）；湖南省財政專項（湘財農指[2014]180號）

張超凡（1962-），男，湖南邵陽市人，研究員，主要從事甘薯育種與甘薯栽培研究工作。