施用鋅肥對(duì)水稻吸收不同污染水平土壤中鎘的影響

應(yīng)金耀,徐穎菲,楊良覦,謝國(guó)雄,章明奎*

(1.浙江省杭州市蕭山區(qū)農(nóng)技推廣中心,浙江 蕭山 311203;2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 310058; 3.浙江省杭州市植保土肥總站,浙江 杭州 310020)

鎘是生物毒性較大的重金屬元素之一,也是我國(guó)農(nóng)田土壤最主要的污染重金屬元素,大宗類農(nóng)產(chǎn)品水稻等糧食中鎘污染與超標(biāo)在我國(guó)許多地區(qū)都有報(bào)道,稻米鎘污染問題已成為我國(guó)民眾關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]。人體攝入的鎘主要來自污染土壤中生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品[3-6],長(zhǎng)期攝入鎘超標(biāo)的食品可引發(fā)一系列的疾病。因此,阻控或減少農(nóng)作物從污染土壤中吸收鎘被認(rèn)為是保障農(nóng)產(chǎn)品安全的重要途徑[7-8]。影響土壤中鎘的生物有效性的因素較為復(fù)雜,土壤性狀、植物品種、肥料施用、其他金屬元素狀況都可影響作物對(duì)土壤中鎘的吸收[9-11]。其中,鎘與鋅、鐵、錳的交互作用一直備受研究者的關(guān)注,并被用于對(duì)農(nóng)產(chǎn)品中鎘的控制[12-17]。鎘與鋅在元素周期表中屬同族元素,具有相似的地球化學(xué)與環(huán)境行為,它們?cè)谕寥乐泻椭参矬w內(nèi)常常發(fā)生相互的競(jìng)爭(zhēng)與拮抗作用,植物對(duì)鋅鎘的吸收和積累存在著一定的相互作用。有研究表明,施用鋅肥能緩解作物鎘引起的生理脅迫[18],減少作物對(duì)鎘的吸收[19],從而降低農(nóng)產(chǎn)品中鎘的含量。施用鋅肥可增加水稻的產(chǎn)量,并降低水稻籽粒中鎘的含量[20-23]。稻米中鎘含量與鋅含量存在負(fù)相關(guān)[4]。但也有一些研究表明,施鋅增加了作物中鎘的積累[24]。Nan等以玉米和春小麥為試驗(yàn)材料,通過系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)這兩種作物從土壤中吸收的鋅與鎘存在線性、指數(shù)、一元二次方程和一元三次方程等多種相互關(guān)系[25]。可見,鋅對(duì)作物吸收土壤中鎘的作用較為復(fù)雜。以上試驗(yàn)結(jié)果的差異可能與作物品種、生長(zhǎng)條件、鎘的污染水平和鋅的施用方法等有關(guān)。為此,我們通過田間微區(qū)試驗(yàn),探討了土施與葉面噴施鋅肥對(duì)不同鎘污染水平土壤上生長(zhǎng)水稻對(duì)土壤鎘吸收的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在某一污染農(nóng)田上進(jìn)行,土壤類型為培泥砂田。試驗(yàn)前供試土壤基本理化性狀:有機(jī)質(zhì)含量29.56 g/kg，全氮1.87 g/kg，有效磷26.54 mg/kg，速效鉀83.69 mg/kg，全Zn 79.54 mg/kg，全Cd 0.48 mg/kg， pH值為5.54。供試水稻品種為“秀水63”,采用育苗(苗齡5葉)移栽方法,移栽密度為18萬穴/hm2；6月5日移栽,10月5日收獲。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置9個(gè)處理,由3個(gè)鎘污染水平土壤和3種鋅施用處理(即不施鋅、土施鋅肥與噴施鋅肥)組合而成(表1)。每一處理3個(gè)重復(fù),小區(qū)總數(shù)為27個(gè),小區(qū)面積為4 m2。通過在原污染土壤的基礎(chǔ)上添加不同量的Cd(NO3)2獲得3個(gè)不同鎘污染水平的農(nóng)田土壤(其中包括不添加鎘、保留原污染水平的農(nóng)田土壤),Cd(NO3)2在試驗(yàn)前2個(gè)月加入并與土壤充分混合，老化后測(cè)得的土壤鎘含量分別為0.48、1.52和3.47 mg/kg(分別代表輕度、中度和重度鎘污染水平)。土施鋅肥(ZnSO4)的用量為30 kg/hm2,試驗(yàn)前與表土充分混勻。葉面噴施鋅肥在分蘗、拔節(jié)期與抽穗期各進(jìn)行2次(共6次)；噴施ZnSO4溶液的濃度為0.1%,每次噴施至葉面濕潤(rùn)為止。各小區(qū)的其他管理措施均相同,其中化肥用量:15-15-15復(fù)合肥80 kg/hm2作基肥,尿素30 kg/hm2、硫酸鉀30 kg/hm2在拔節(jié)期施用。

表1 田間小區(qū)試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

水稻收獲時(shí)測(cè)算稻谷產(chǎn)量。每一混合土樣由各小區(qū)內(nèi)7個(gè)分樣混合而成。采集的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后分別過2 mm和0.15 mm塑料土篩,用于土壤養(yǎng)分和重金屬測(cè)定。同時(shí),采集水稻植株樣(分為根部、秸稈和籽粒樣),依次用含少量洗潔精的自來水、純自來水沖洗2～3次,去除附著的灰塵及其污染物質(zhì),之后繼續(xù)用去離子水沖洗2～3次。將清洗后的植株樣品混勻、烘干,用于重金屬分析。植物樣經(jīng)高氯酸消化后用石墨爐-原子吸收光譜法測(cè)定鋅和鎘;土壤樣品經(jīng)鹽酸-硝酸-高氯酸消解后,用石墨爐-原子吸收分光光度法測(cè)定鎘，用原子光譜吸收法測(cè)定鋅。在分析過程中采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制,將各重金屬的測(cè)試誤差控制在5%以內(nèi)，重復(fù)樣間的相對(duì)誤差控制在10%以下。土壤有效態(tài)鋅和鎘用DTPA提取,用石墨爐-原子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等養(yǎng)分含量和pH值采用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用鋅肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

施用鋅肥對(duì)3種鎘污染水平土壤的pH值和有機(jī)質(zhì)含量無明顯的影響(表2)。但施用鋅肥對(duì)水稻產(chǎn)量有一定的影響,對(duì)于土壤鎘污染水平較高的土壤(3.47 mg/kg),與對(duì)照比較土施鋅肥可顯著增加水稻產(chǎn)量,而噴施鋅肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響不明顯。而對(duì)于土壤鎘污染水平較低(0.48 mg/kg)和中度的土壤(1.52 mg/kg),與對(duì)照比較土施或噴施鋅肥雖可略增水稻產(chǎn)量,但增產(chǎn)幅度均沒有達(dá)到顯著水平(表2)。

表2 施鋅對(duì)水稻產(chǎn)量和收獲時(shí)土壤理化性狀的影響

2.2 施用鋅肥對(duì)土壤有效鋅和植物中鋅含量的影響

從表3可以看出：在試驗(yàn)中期,土施鋅肥可顯著增加3種鎘污染水平土壤的有效鋅含量,但葉面噴施鋅肥對(duì)土壤有效鋅含量的影響不明顯；至試驗(yàn)后期,土施鋅肥土壤的有效鋅含量仍顯著高于對(duì)照的,但增幅明顯下降。由表4可知：無論是土施鋅肥還是葉面噴施鋅肥對(duì)植物中鋅積累均有明顯的效果,它們的鋅含量均顯著高于對(duì)照的；土施鋅肥增加水稻根部鋅含量的效果明顯優(yōu)于葉面噴施鋅肥的,而葉面噴施鋅肥增加秸稈和籽粒鋅含量的效果優(yōu)于土施鋅肥的。

2.3 施用鋅肥對(duì)土壤有效鎘和植物中鎘含量的影響

施用鋅肥對(duì)輕度和中度鎘污染土壤中鎘的有效性影響不明顯,土施鋅肥卻明顯增加了重度污染土壤中鎘的生物有效性(表3)。由表4可見：對(duì)于鎘污染較輕的土壤,土施鋅肥和葉面噴施鋅肥均增加了水稻根部鎘的積累,但降低了秸稈和籽粒中鎘的積累,并以土施鋅肥對(duì)秸稈和籽粒中鎘積累的降低效果較為明顯，土施鋅肥與葉面噴施鋅肥后水稻籽粒中鎘含量比對(duì)照分別下降了37.04%和25.93%；對(duì)于鎘中度污染的土壤,土施鋅肥和葉面噴施鋅肥對(duì)降低水稻根部、秸稈和籽粒中鎘的積累均有一定的效果,以土施鋅肥降低秸稈和籽粒中鎘積累的效果較為明顯，土施鋅肥與葉面噴施鋅肥后水稻籽粒中鎘含量比對(duì)照分別下降了28.21%和20.51%；對(duì)于鎘污染較重的土壤,土施鋅肥和葉面噴施鋅肥增加了水稻根部和秸稈鎘的積累,同時(shí),土施鋅肥也增加了籽粒中鎘的積累(比對(duì)照增加了13.23%),而葉面噴施鋅肥可降低籽粒中鎘的積累(比對(duì)照下降了16.17%)。

表4 施鋅對(duì)水稻秸稈和籽粒中鋅、鎘含量的影響 mg/kg

3 討論

鎘是土壤-植物系統(tǒng)中毒性和遷移性最強(qiáng)的重金屬元素之一,鋅是高等植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素,鎘與鋅之間的交互作用近年來受到眾多研究者的關(guān)注[26-27]。由于鎘離子與鋅離子有相同的離子半徑及較為相似的化學(xué)性質(zhì),所以兩者易在土壤與植物體內(nèi)的相同吸附位點(diǎn)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng),從而產(chǎn)生交互作用,但鋅與鎘的交互作用較為復(fù)雜,可以是協(xié)同、拮抗或無直接相關(guān)[20-24]。在土壤中,鋅與鎘可競(jìng)爭(zhēng)土壤中粘土礦物、氧化物及有機(jī)質(zhì)上的陽離子交換吸附位點(diǎn)[28],因此,理論上土施鋅肥可促使鎘的解吸,增加土壤中鎘的有效性。但本研究的結(jié)果表明,在鎘輕度與中度污染的土壤中,土施鋅肥提高土壤中鎘有效性的效果并不明顯,只有在鎘重度污染的土壤中,土施鋅肥才能明顯增加土壤中鎘的生物有效性(表3)。其原因是:在鎘輕度和中度污染的條件下,土壤膠體表面被鎘離子占據(jù)的點(diǎn)位較少,因此肥料鋅對(duì)膠體表面鎘的解吸不明顯;而在鎘重度污染的條件下,土壤膠體表面有較多的點(diǎn)位被鎘離子占據(jù),此時(shí)施鋅可導(dǎo)致較為明顯的鎘的解吸,從而能增加土壤中鎘的有效性。由于土施鋅肥在輕度和中度污染的土壤中對(duì)土壤鎘的有效性影響不明顯,而土施鋅肥明顯增加了土壤中鋅的有效性,因此,土施鋅肥后增加了鎘輕度和中度污染土壤中有效鋅與有效鎘的比值,且比值相對(duì)較高(鎘輕度污染土壤中不施鋅對(duì)照與土施鋅肥處理的土壤有效鋅與有效鎘的比值分別為20.82和72.38;鎘中度污染土壤中對(duì)應(yīng)的比值分別為7.64和24.56)。而在鎘高度污染的土壤中,雖然土施鋅肥也增加了土壤中有效鋅與有效鎘的比值,但此比值明顯較低(鎘重度污染土壤中不施鋅對(duì)照與土施鋅肥處理的土壤有效鋅與有效鎘的比值分別為2.73和7.88)。這可能也是在鎘輕度和中度污染農(nóng)田中土施鋅肥降低籽粒中鎘積累而在鎘重度污染農(nóng)田中施用鋅肥反而增加籽粒中鎘積累的原因。這一結(jié)果表明,在鎘輕度和中度污染的農(nóng)田中施鋅可降低植物根部對(duì)鎘的吸收。這與一些文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果[20-23,29-30]一致。

此外,鋅的存在可影響植物對(duì)鎘的運(yùn)輸,施鋅可阻止鎘從根系的木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)角o葉部[31-32]。由于鎘與鋅的吸收和運(yùn)輸可能共用細(xì)胞質(zhì)上的同一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)子,當(dāng)兩種離子同時(shí)存在時(shí),將競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)運(yùn)子的結(jié)合位點(diǎn),因此由施肥引入的高濃度鋅可優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn),阻止鎘向韌皮部的轉(zhuǎn)運(yùn),這與施鋅(包括土施鋅肥和葉面噴施鋅肥)增強(qiáng)了鋅的競(jìng)爭(zhēng)能力、減弱了鎘的競(jìng)爭(zhēng)能力有關(guān),從而使進(jìn)入植物體內(nèi)的鎘多滯留在根部和秸稈中。在鎘重度污染土壤中,由于有效鎘水平較高,相應(yīng)地進(jìn)入植物體內(nèi)鎘的數(shù)量也較多,因此鋅的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)并不明顯,因此施鋅降低籽粒中鎘積累的效果不顯著。

本研究發(fā)現(xiàn),葉面噴施鋅肥不影響土壤中有效鎘的水平,而明顯增加了稻株體內(nèi)鋅的含量,因此葉面噴施鋅肥抑制水稻籽粒中重金屬積累的效果較為穩(wěn)定。土施鋅肥因同時(shí)改變了土壤中有效態(tài)鋅和有效態(tài)鎘的水平,而這兩者的增幅不同可能與土壤重金屬污染程度有關(guān),因此土施鋅肥是否能抑制籽粒中鎘的積累因土壤污染程度不同而有所差別。土施鋅肥是降低還是增加籽粒中鎘的積累可能與土壤中鋅鎘比的高低有關(guān),這還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

施用鋅肥對(duì)水稻中鎘積累的影響因土壤鎘污染程度、鋅肥施用方法及水稻器官不同有較大的差異。葉面噴施鋅肥能有效抑制不同污染土壤上生長(zhǎng)水稻籽粒中鎘的積累。土施鋅肥對(duì)輕、中度污染土壤上生長(zhǎng)的水稻籽粒中鎘積累有明顯的抑制作用,但在重污染土壤上土施鋅肥反而增加了水稻籽粒中鎘的積累。在鎘輕度、中度污染土壤上,土施鋅肥抑制水稻籽粒中鎘積累的效果好于葉面噴施鋅肥。