不同降鎘處理對水稻土酸堿緩沖能力和有效鎘含量的影響

詹杉 袁紅 杜田甜 任威 鄺惠武 宋洪福 盛浩

摘? 要：通過在重金屬污染耕地達標生產區水稻土中連續2 a設置施用商品有機肥、土壤調理劑和石灰的大田降鎘定位試驗，研究其對土壤緩沖能力和有效鎘含量的影響。結果表明：與對照相比，施石灰、商品有機肥和土壤調理劑后，土壤pH提高0.1～0.4個單位，增幅在5.62%～8.67%之間，變化順序為：石灰>商品有機肥>土壤調理劑。土壤中總鎘和有效鎘含量降幅分別在0.24%～19.24%和3.48%～11.01%之間，其處理效果為：商品有機肥>石灰>土壤調理劑。3種降鎘處理中，水稻土酸堿緩沖容量都有所擴增，緩沖能力效果表現為：石灰>商品有機肥>土壤調理劑。不同降鎘處理均能改善土壤肥力且顯著增加有效磷含量（P<0.05）。研究區稻田土壤緩沖容量和能力與pH、交換性酸總量，及其他土壤養分等眾因子關系密切。

關鍵詞：水稻土;土壤緩沖性能;重金屬污染;土壤肥力

中圖分類號：S153 ?????文獻標識碼：A

Abstract： The amplification effect of soil acid and alkali buffering ability， as well as the decreasing of available cadmium （ACd）， was studied using a long-term positioning experiment of paddy soil in organic fertilizer， conditioner and lime in heavy metal contaminated restoration areas. Compared with CK， soil pH increased by 0.1-0.4 units， or by 5.62%-8.67%， and the improving effect was in a downtrend for lime， organic fertilizer and conditioner. The total cadmium （TCd） and ACd content of paddy soil decreased with the three treatments ranged between 0.24%-19.24% and 3.48%-11.01% respectively. Among them， the effect of the organic fertilizer treatment was better than that of the lime treatment， while that of the conditioner was the worst. The buffering capacity to soil acid and alkali was amplified for lime， organic fertilizer and conditioner in a downtrend. Soil fertility could be effectively improved by the three treatments， and the available phosphorus content increased significantly （P<0.05）. The paddy soil buffering capacity in the study area was closely related to pH， total exchange acid， and other soil nutrient factors.

Keywords： paddy soil; soil acid and alkali buffering ability; heavy metal pollution; soil fertility

自上世紀30年代以來，工農業發展迅速，但與此同時，農田土壤重金屬污染極為嚴重[1]。耕地土壤重金屬含量和有效性與土壤酸度、有機質、質地、水分和生物組成等因素關系密切[2-3]。有研究表明，治理土壤酸堿度、增施優質有機肥、選用改良土壤調理劑可在一定程度上降低土壤重金屬活性，能有效修復重金屬污染農田土壤[4-5]。湖南是我國稻米的主要產區，但同時也是有名的有色金屬之鄉，重金屬污染與糧食安全矛盾突出。加之亞熱帶季風氣候明顯，湖南土壤發育過程成熟，土壤酸化嚴重，土壤重金屬元素更為活躍。因此，開展農田土壤重金屬污染與土壤酸化過程的研究刻不容緩[6]。土壤pH和土壤酸堿緩沖性能是以土壤酸堿緩沖容量作為度量標準的土壤質量評價因子，其相關研究是土壤酸化治理、重金屬活性管理的重要理論依據。目前該方向的研究多趨向于應用，且多集中在不同土壤對酸堿的緩沖能力研究[7-8]，雖有提及土壤pH的變化，但從長期定位大田試驗角度展開同一母質稻田土壤重金屬污染修復方式對土壤酸堿緩沖性能和有效鎘含量影響的研究較少。

綜上所述，為有效評估土壤酸化與重金屬污染之間的關系，研究土壤酸堿緩沖性能是其首要任務之一。本研究選取湖南省株洲某村重金屬鎘污染修復達標生產區雙季水稻土為研究對象，設置石灰、商品有機肥、土壤調理劑的多點大田定位監測試驗樣區與對照區，連續耕種2 a，研究不同降鎘處理條件下土壤鎘含量與土壤酸堿緩沖性能的關聯變化特征，以及土壤肥力變化，從而尋求達標生產區水稻土生產力保持與降鎘效應的最優方式，為重金屬污染修復區耕地土壤可持續利用和糧食安全研究奠定基礎。

1? 材料與方法

1.1? 研究區概況

研究區位于湖南省中東部的株洲，典型的湘江中游低丘崗地地貌，中亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17.5?℃，年均降雨量1389 mm。土壤母質為紫色頁巖風化物，土種為紫泥田。試驗前研究區長期種植水稻，耕層厚度平均為12?cm，質地為粘壤土，pH平均約為5.0。

試驗地共設置6個處理，分別為石灰、商品有機肥、土壤調理劑及各處理的對照。每種處理各有5個重復試驗區。每個田塊修筑田埂平均分隔，一半為降鎘處理，另一半為對照，共計30個田塊。田埂高約30?cm，用塑料薄膜包被，防止浸水，修筑單排單灌溝渠，避免串灌。統一種植鎘低積累水稻品種（早稻品種為中嘉早17號，晚稻為湘晚秈13號），水稻移栽至成熟期保持淹水灌溉。對照區采用當地水稻種植傳統土肥技術（淺耕+習慣施肥），當地習慣施肥采用的是“一基一追”施肥法，即基肥：30%的復合肥（18∶5∶7）40 kg;追肥：尿素5 kg、氯化鉀5 kg。基肥+追肥總養分施用量N素、P2O5和K2O分別為9.5、2.0、5.8?kg。商品有機肥采用當地政府招標中標產品（有機質≥45%，N+P2O5+K2O≥5%），施用量2250 kg/hm2。土壤調理劑為當地市場主銷無機型堿性商品（N+P2O5+K2O=8%、有效鈣≥20%、有效鎂≥12%）。石灰、商品有機肥和土壤調理劑均在早、晚稻翻耕時（大致在移栽前7 d）各撒施1次，再旋耕，使之均勻混合，施用量為2.25 t/hm2。

1.2? 樣品采集與分析

種植2 a的晚稻收獲后，在試驗區中按“S”型取樣法，用竹制土鉆隨機多點采取表層混合土壤樣品。土樣帶回室內經自然風干至塑限，用手沿孔隙掰碎，室內攤平繼續自然風干后研磨，分別過10目、60目和100目尼龍篩，備用。

土壤基本理化特性采用常規分析方法測定[9]：pH采用電位法，液土比2.5∶1;有機碳（SOC）用重鉻酸鉀-硫酸消化法;堿解氮（AN）用硒粉、硫酸銅、硫酸消化蒸餾法（開氏法）;速效鉀（AK）用醋酸銨浸提火焰光度法;有效磷（AP）用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法;土壤陽離子交換量（CEC）用醋酸銨EDTA交換法;交換性氫（EXH）和交換性鋁（EXAl）用氯化鉀浸提;土壤總鎘含量采用硝酸-雙氧水-氫氟酸消解，ICP-MS測定;土壤有效態鎘采用醋酸銨提取，ICP-MS測定。

土壤pH緩沖容量測定：每個土樣分別取11只50 mL玻璃燒杯，依次編號，每燒杯中稱取試驗土樣5 g（過1或2 mm篩），在1～5號燒杯中依次加入0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mL的0.1 mol/L HCl溶液;6～10號燒杯中依次加入與HCl等量、等濃度的NaOH溶液，11號燒杯中不加酸堿，加入無CO2蒸餾水，使各燒杯總體積達25.0 mL，蓋保鮮膜，搖勻（振蕩器震蕩1 h，震速以土壤懸液不溢出為準），放置72 h，每日間歇搖動3～4次，測定pH。酸堿緩沖容量依據公式計算：

pHBC=[（5b）/m][（6b）/m]

式中，pHBC為試驗結束時的酸堿緩沖容量;b為截距;m為斜率。

1.3? 數據處理

采用Microsoft Excel 2010及SPSS17.0軟件進行數據處理、統計分析和制圖。

2? 結果與分析

2.1? 不同處理水稻土的酸堿緩沖容量

土壤pH是土壤理化性質中一項很重要的基礎指標，其高低直接影響到土壤各種養分的固定、

釋放和淋失及土壤重金屬活化程度，進而對作物的發育狀況產生不同程度的影響。研究區3種降鎘處理的稻田土壤pH變化較大，其變化區間為5.1～7.7，平均為6.2。對照土壤pH變化區間為4.8～7.7，平均為5.8。由此可見，與對照相比，石灰、商品有機肥和土壤調理劑處理均不同程度提高土壤pH，其增幅分別為30.4%、8.7%和5.6%。

土壤酸堿緩沖性能一方面可通過沉淀溶解、吸附解吸和絡合解絡平衡土壤組分和污染物的電荷特性，另一方面可通過調節土壤微生物的活性，進而改變污染物的毒性。從圖1可以看出，與對照相比，施用石灰、商品有機肥和土壤調理劑的水稻土酸堿緩沖容量均有所擴增。其中石灰和商品有機肥土壤緩沖能力大于土壤調理劑，其緩沖容量增幅分別為34%和15%，而土壤調理劑擴增作用相對最少。

2.2? 不同處理水稻土肥力變化

由表2可知，不同處理措施實施2?a后可有效改善土壤肥力狀況。與對照相比，土壤有機質、堿解氮、速效鉀含量在不同降鎘處理間差異顯著（P<0.05）。施用石灰后土壤肥力顯著改善，有機質變化區間為36.52～48.49?g/kg，堿解氮含量在182.42～411.61 mg/kg之間，有效磷為16.15～ 29.90?mg/kg，速效鉀為222.00～453.45 mg/kg，與對照相比，其增幅分別為3.22%、3.15%、173.27%、17.30%。與對照相比，施用商品有機肥土壤有效磷含量增幅達104.77%，而有機質及其他肥力指標含量變化不顯著。施用土壤調理劑后，試驗區稻田土壤肥料得到有效改善，土壤有機質含量從31.80 g/kg變化到34.70 g/kg，增幅9.20%，土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量相應增幅為18.27%、174.64%和4.54%。

2.3? 水稻土緩沖性能與土壤主要性質的相關分析

由表3可以看出，研究區稻田土壤pH、交換性酸總量和緩沖容量與土壤養分眾因子關系密切。一方面，土壤pH與有機質呈顯著性相關（P< 0.01），有機質通過其強大的官能團改善土壤性質，其礦化作用能有效改善土壤酸性，從而有利于抑制動植物對重金屬元素的吸收。另一方面，土壤有機質與土壤中總鎘、有效鎘含量呈顯著性正相關，有機物質通過腐殖化過程形成的高分子有機化合物與重金屬元素產生絡合作用和氧化還原反應，降低其毒性。有機質與鎘存在強烈的空間集群特征，能與鎘通過離子交換、吸附、螯合、絮凝、沉淀等一系列反應，形成難溶的絮凝態物質，即從環境化學角度，通過改變土壤負電荷量、pH等土壤理化性質，以提高土壤對鎘的吸附作用，降低土壤對鎘的解吸能力，使鎘被吸附到土壤內部或表面，增強土壤對鎘的固持能力[10]。供試土壤撒施石灰、商品有機肥、土壤調理劑，均可不同程度提高稻田土壤pH 0.1～0.4個單位，而總鎘和有效鎘含量平均降幅達到7.10%，與上述觀點一致。

3? 討論

3.1? 稻田土壤緩沖容量及影響因子對土壤重金屬含量的響應

眾多研究表明，緩沖容量的大小取決于土壤膠體的類型和含量（特別是腐殖質）及鐵、鋁氧化物，并最終受土壤pH與交換性酸含量的影響。當土壤pH升高或交換性酸含量降低時，土壤中水合氧化物、粘土礦物和有機質表面的負電荷增加，從而增強對重金屬離子的吸附能力，降低溶液中重金屬離子的濃度。胡敏等[11]研究表明，施入生石灰可顯著提高土壤pH，降低土壤交換性酸總量和土壤交換性Al3+含量，由此，其對重金屬污染元素的吸持、遷移及有效性、毒性均有極其重要的作用。石灰屬于高堿性氫氧化物，具有中和酸性土壤的功能，施用石灰能提高供試土壤pH，研究區pH增加0.3個單位，土壤有效鎘含量緩慢下降。張德樂等[12]對酸性條件下粉砂質壤土對Cd的吸附-解吸機制進行研究發現，壤土對Cd2+的吸附量和吸附率均隨pH升高而增加。由此可見，pH與鎘的解吸率間存在密切關系。本研究中3種降鎘處理不同程度提高供試土壤pH，重金屬含量與土壤交換性酸含量的關系呈顯著正相關（P<0.05），其中石灰處理后土壤緩沖能力的擴增作用最大，有效論證了他人研究結果。

3.2? 稻田土壤緩沖容量對土壤肥力因子的影響

要保證現代農業生產高產、優質、高效所需要的高度肥沃的土壤，需要重視土壤肥力的培育與提升。土壤對酸、堿的緩沖能力與土壤有機質含量成正相關。不同土類土壤雖對酸堿的緩沖性存在差異，但同一土壤對酸堿的緩沖性能隨有機質含量的升高而增強。陳翠玲等[13]研究表明，潮土區不同質地類型土壤酸緩沖容量大小順序為：粘土>中壤土>輕壤土>砂壤土>砂土。土壤pH對土壤養分的形態和有效性也有很大影響，如中性土壤中磷的有效性大。研究區土壤pH與有機質、堿解氮、速效鉀以及交換性酸之間存在極顯著相關關系（P<0.01），相關系數r值區間為0.471～ 0.882，與有效磷、速效鉀之間存在顯著性相關性（P<0.05）。土壤pH提高土壤各養分因子含量有顯著作用。呂波等[14]認為生石灰能改善黃棕壤和紅壤土壤肥力水平。趙慶雷等[15]認為增施有機肥后土壤堿解氮含量顯著提高，有機質含量較常規施肥處理顯著提升，與本研究結果一致。

4? 結論

水稻土緩沖能力受眾多因素制約，研究區3種不同降鎘處理下，水稻土酸堿緩沖容量均有一定的擴增效應，其變化順序為：石灰>商品有機肥>土壤調理劑。其中，石灰處理后緩沖容量增幅可達34%，對重金屬污染區修復及肥力改善效果更顯著，是維持重金屬污染修復耕地達標區水稻土生產力的最佳修復方式，兼有降低土壤有效鎘含量和提高土壤緩沖容量雙重效應，其次是商品有機肥與土壤調理劑處理石灰處理。

參考文獻

李泰平， 丁浩然， 徐海珍， 等. 農田重金屬污染土壤的原位鈍化研究[J]. 環境科學與技術， 2019， 42（1）： 226-230.

李育鵬， 胡海燕， 李兆君， 等. 土壤調理劑對紅壤pH值及空心菜產量和品質的影響[J]. 中國土壤與肥料， 2014（6）： 21-26.

Park J H， Lamb D， Paneerselvam P， et al. Role of organic amendments on enhanced bioremediation of heavy metal （loid） contaminated soils[J]. Journal of Hazardous Materials， 2011， 185（2-3）： 549-574.

倪中應， 石一珺， 謝國雄， 等. 石灰降低酸性農田農產品中重金屬積累的效果[J]. 現代農業科技， 2018（1）： 176-177.

Balal Y， Liu G， Wang R， et al. Investigating the potential influence of biochar and traditional organic amendments on the bioavailability and transfer of Cd in the soil-plant system[J]. Environmental Earth Sciences， 2016， 75（5）： 37.

于天一， 孫秀山， 石程仁， 等. 土壤酸化危害及防治技術研究進展[J]. 生態學雜志， 2014， 33（11）： 3137-3143.

胡? 波， 王云琦， 王玉杰， 等. 重慶縉云山酸雨區森林土壤酸緩沖機制及影響因素[J]. 水土保持學報， 2013， 27（5）： 77-83.

Aitken R L， Moody P W. Effect of valence and ionic strength on the measurement of pH buffer capacity[J]. Australian Journal of Soil Research， 1994， 32（5）： 975-984.

魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京： 中國農業科技出版社， 2000.

宋? 波， 王佛鵬， 周? 浪， 等. 廣西高鎘異常區水田土壤Cd含量特征及生態風險評價[J]. 環境科學， 2019， 40（5）： 2443-2452.

胡? 敏， 向永生， 魯劍巍. 石灰用量對酸性土壤酸度及大麥幼苗生長的影響[J]. 中國農業科學， 2016， 49（20）： 3896-3903.

張德樂， 靳孟貴， 方? 遠， 等. 酸性條件下粉砂質壤土對Cd2+的吸附解吸特性研究[J]. 中國土壤與肥料， 2014（4）： 29-34.

陳翠玲， 蔣愛鳳， 任秀娟， 等. 潮土區不同質地類型土壤對酸緩沖性能的研究[J]. 河南農業科學， 2005（10）： 64-66.

呂? 波， 王宇函， 夏? 浩， 等. 不同改良劑對黃棕壤和紅壤上白菜生長及土壤肥力影響的差異[J]. 中國農業科學， 2018， 51（22）： 4306-4315.

趙慶雷， 劉奇華， 信彩云， 等. 增施有機肥和生物肥對黃河三角洲新墾土壤肥力及稻谷產量的影響[J]. 山東農業科學， 2019， 51（1）： 110-114.