不同鈍化材料對(duì)玉米Cd、Pb積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

劉 奇,王 晟,陳 文,趙炫越,包 立,張乃明① (1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650201;2.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程研究中心,云南 昆明 650201;3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,云南 昆明 650201)

隨著我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快以及農(nóng)藥化肥的不合理施用,每年都有大量重金屬通過灌溉、大氣沉降等途徑轉(zhuǎn)移到土壤中[1-3]。調(diào)查顯示,我國(guó)耕地土壤重金屬污染點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)19.4%,污染耕地總面積達(dá)到2.3×107hm2,其中,高污染耕地面積占耕地面積的1.1%,中污染和低污染耕地面積占比分別為1.8%和16.5%[4-5]。由于我國(guó)人均耕地面積較少,大部分重金屬污染耕地仍用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]。土壤中重金屬會(huì)被農(nóng)作物富集,并通過食物鏈最終危害人體健康[7]。因此,在重金屬污染耕地上生產(chǎn)安全可食用的農(nóng)產(chǎn)品,具有重要現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值[8]。

玉米作為中國(guó)乃至世界的三大糧食作物之一,具有分布廣、產(chǎn)量高等特點(diǎn),并且屬于重金屬低積累作物[9]。目前,控制重金屬向食物鏈中轉(zhuǎn)移主要有2種途徑:一是篩選出對(duì)重金屬有耐受性且積累量低的農(nóng)作物品種[10];二是通過化學(xué)方法抑制農(nóng)作物對(duì)土壤重金屬吸收積累到可食用部位[11]。隨著土壤重金屬污染及糧食安全的社會(huì)關(guān)注度日益高漲,相應(yīng)的技術(shù)調(diào)控措施也得到廣泛研究。在一些中重度污染耕地上,僅僅依靠品種篩選很難達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的要求,因此化學(xué)鈍化修復(fù)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[12-13]?；瘜W(xué)鈍化修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)制包括沉淀作用、吸附作用和離子交換、氧化還原以及絡(luò)合作用,通過單一鈍化材料及復(fù)合鈍化材料實(shí)現(xiàn)耕地土壤重金屬的原位鈍化,改變土壤中重金屬的價(jià)態(tài)和形態(tài),降低其在環(huán)境中的生物有效性,從而減少作物對(duì)受污染土壤中重金屬的吸收,進(jìn)而保證糧食的安全生產(chǎn)?；瘜W(xué)鈍化修復(fù)技術(shù)具有成本低、易操作、效果快速、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[5,14]。常用鈍化修復(fù)材料包括土壤調(diào)理劑和葉面阻控劑兩大類,主要有生石灰、生物炭、有機(jī)肥、腐植酸和含硅硒類葉面肥等[5,15-16]。駱文軒等[16]通過田間試驗(yàn)證明,在酸性農(nóng)田中施用有機(jī)肥和石灰均能顯著降低土壤和水稻糙米中Cd含量,其中有機(jī)肥降低效果優(yōu)于石灰,且高用量有機(jī)肥的效果更加顯著。腐植酸是一種結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的高分子有機(jī)混合物,含有豐富的羧基、酚羥基、羰基和甲氧基等活性含氧官能團(tuán)[17-18],對(duì)土壤中Cd、Pb、Cu、Zn等重金屬活性具有一定抑制作用,同時(shí)還具有改良土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分[19]和增加玉米產(chǎn)量等功能[20]。于煥云等[21]在3個(gè)地區(qū)開展為期4年的田間試驗(yàn),結(jié)果表明施用葉面阻控劑后,不同重金屬污染程度耕地產(chǎn)出的稻米Cd含量分別降低38%、39%和43%。

目前,有關(guān)鈍化修復(fù)技術(shù)研究通常集中在單一鈍化材料上,缺乏對(duì)土壤調(diào)理劑和葉面阻控劑等鈍化材料組合施用效果的研究,涉及的重金屬也以Cd為主,且主要應(yīng)用于水稻和蔬菜等作物[22-24]。由于不同作物對(duì)重金屬的響應(yīng)機(jī)制存在差異,不能將單一作物試驗(yàn)結(jié)果廣泛應(yīng)用于其他農(nóng)作物。玉米作為我國(guó)三大主糧之一,不同鈍化材料對(duì)玉米積累與轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的影響研究卻鮮有報(bào)道。因此,通過大田試驗(yàn)分析4種鈍化材料組合及用量對(duì)玉米產(chǎn)量以及各部位Cd、Pb積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響,根據(jù)供試玉米籽粒Cd、Pb的富集系數(shù)(BCF)推算玉米安全種植的土壤風(fēng)險(xiǎn)閾值,以期為受Cd、Pb污染耕地的玉米安全利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南省宣威市熱水鎮(zhèn)格依村(26°03′16″ N、103°50′42″ E)。供試土壤為紅壤,土壤pH值為6.50±0.36,有機(jī)質(zhì)含量為(17.25±0.70) g·kg-1,堿解氮含量為(218.98±26.28) mg·kg-1,有效磷含量為(12.56±5.84) mg·kg-1,速效鉀含量為(496.67±124.33) mg·kg-1,Cd含量為(2.18±0.07) mg·kg-1,Pb含量為(80.66±5.28) mg·kg-1。根據(jù)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》,試驗(yàn)地土壤Cd含量超過農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)管制值(5.5

1.2 供試材料

供試玉米品種為云南省主栽雜交品種“華興單88”(滇審玉米2015018),由云南盛衍種業(yè)有限公司選育,親本關(guān)系為ZH08×QR273。葉面阻控劑為降鎘靈(JGL),由佛山市鐵人環(huán)保科技有限公司提供,主要成分為納米有機(jī)硅溶膠;土壤調(diào)理劑分別為商品有機(jī)肥(YJF),由昆明農(nóng)家樂復(fù)合肥有限責(zé)任公司提供;土壤改良專用腐植酸(FZS),由山西益成宏業(yè)腐植酸科技有限公司提供;土壤重金屬鈍化劑(DHJ)由云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程研究中心研發(fā)(國(guó)家發(fā)明專利號(hào):ZL201711312587.X),主要成分為生石灰和生物炭。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)面積約為3 000 m2,地勢(shì)平坦,所有小區(qū)均采用隨機(jī)區(qū)組排列方式,共設(shè)置10個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次,共30個(gè)小區(qū)。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格為長(zhǎng)11 m,寬9 m,面積為99 m2,根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣采用雙行種植,行距為55 cm,株距為45 cm。試驗(yàn)地四周設(shè)置4行保護(hù)行,各小區(qū)之間用筑壩隔開,以消除邊際效應(yīng)。每穴播3粒玉米種子,使種子入土2～3 cm,保持播種深度一致,玉米長(zhǎng)出2片葉片時(shí)進(jìn)行間苗,每穴留1株,各小區(qū)定株441株。JGL按7 500 mL·hm-2兌水稀釋40倍噴施;YJF1和YJF2分別按1 500和3 000 kg·hm-2用量撒施有機(jī)肥;FZS按1 500 kg·hm-2用量撒施土壤改良專用腐殖酸;DHJ按1 500 kg·hm-2用量撒施土壤重金屬鈍化劑;YJF1+、YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF1、YJF2、FZS和DHJ與JGL的組合處理。玉米播種前按1 125 kg·hm-2施用氮磷鉀三元復(fù)合肥(15-15-15)作為基肥,與土壤調(diào)理劑一同均勻撒施到各小區(qū)土壤表面,旋耕至0～20 cm土層中混合均勻后再進(jìn)行覆膜和播種等工作。JGL分別在玉米大喇叭口期和灌漿期共噴施2次,噴施時(shí)避開雨天在下午5點(diǎn)使用背負(fù)式農(nóng)用噴霧器進(jìn)行人工噴施。作物生長(zhǎng)期間按大田常規(guī)操作進(jìn)行灌溉、除草和除蟲等工作,拔節(jié)期按750 kg·hm-2追施尿素。于2021年4月底播種,同年10月初玉米成熟期收獲并取樣。

1.4 樣品采集與檢測(cè)

于玉米成熟期在每個(gè)小區(qū)采集1個(gè)玉米植株混合樣品和1個(gè)對(duì)應(yīng)的土壤混合樣品。土壤樣品按五點(diǎn)取樣法采集0～20 cm表層土壤,現(xiàn)場(chǎng)混勻?yàn)?個(gè)樣品裝入自封袋,帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)室溫避光風(fēng)干后去除碎石和動(dòng)植物殘?bào)w等異物,用研缽研磨后過0.15 mm孔徑尼龍篩裝袋待測(cè)。玉米植株樣品按五點(diǎn)取樣法每個(gè)小區(qū)采集5個(gè)整株,帶回實(shí)驗(yàn)室后將玉米植株樣品分為根、莖、葉、棒芯和籽粒5個(gè)部分,先用純水沖洗后再用去離子水洗凈,在105 ℃烘箱中殺青30 min后調(diào)至65 ℃烘干至恒重,測(cè)定干重后使用粉碎機(jī)磨碎,過0.15 mm孔徑尼龍篩裝袋待測(cè)。土壤理化性質(zhì)測(cè)定參照國(guó)標(biāo)方法和《土壤農(nóng)化分析》[25]進(jìn)行測(cè)定。土壤Cd、Pb含量按照GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》,植株Cd、Pb含量分別按照GB 5009.15—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》和GB 5009.12—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測(cè)定》,采用原子吸收光度計(jì)(Hitachi Z-2000)測(cè)定。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)土壤樣品(GBW07405)和植物樣品(GBW10012)進(jìn)行質(zhì)量控制,標(biāo)準(zhǔn)樣品檢測(cè)結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2019和SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Origin 2021軟件繪圖,采用最小顯著差數(shù)法(LSD)比較平均值,數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(M±SD)表示,差異顯著水平為P<0.05。

1.5.1富集系數(shù)(BCF)

富集系數(shù)反映作物對(duì)土壤重金屬的積累能力,富集系數(shù)越大,其積累重金屬的能力越強(qiáng),計(jì)算公式為

FBC,i=Ci/Cs。

(1)

式(1)中,FBC,i為供試玉米i部位中Cd或Pb的富集系數(shù);Ci為供試玉米i部位Cd或Pb含量,mg·kg-1;Cs為土壤中Cd或Pb含量,mg·kg-1。

1.5.2轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映作物各部位間重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)、分配的能力,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越大,其轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬能力越強(qiáng),計(jì)算公式為

FT,根部-莖部=C莖部/C根部,

(2)

FT,莖部-葉部=C葉部/C莖部,

(3)

FT,莖部-棒芯=C棒芯/C莖部,

(4)

FT,棒芯-籽粒=C籽粒/C棒芯。

(5)

式(2)～(5)中,FT,根部-莖部、FT,莖部-葉部、FT,莖部-棒芯和FT,棒芯-籽粒分別為供試玉米Cd或Pb由根部向莖部、由莖部向葉部、由莖部向棒芯和由棒芯向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù);C根部、C莖部、C葉部、C棒芯和C籽粒分別為供試玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒中Cd或Pb含量,mg·kg-1。

1.5.3土壤Cd、Pb風(fēng)險(xiǎn)閾值(T)

根據(jù)GB 2762—2022《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》規(guī)定的谷物及其制品中Cd限值(0.1 mg·kg-1)和Pb限值(0.2 mg·kg-1),由供試玉米籽粒Cd和Pb的BCF推算得到玉米安全種植的土壤Cd和Pb風(fēng)險(xiǎn)閾值T,計(jì)算公式[8,26-27]為

T=E/FBC,籽粒。

(6)

式(6)中,E為Cd和Pb限值,mg·kg-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)供試玉米生物量、產(chǎn)量和生物性狀的影響

如表1所示,不同處理供試玉米各部位干重、產(chǎn)量和生物性狀均存在顯著差異(P<0.05)。不同處理供試玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒干重范圍分別為10.3～19.5、77.4～106.8、67.7～88.3、57.3～79.8和212.6～281.3 g·株-1,平均值分別為14.8、92.0、78.6、70.2和256.1 g·株-1,變異系數(shù)介于7.7%～22.3%之間;供試玉米產(chǎn)量范圍為8 591.2～11 365.1 kg·hm-2,平均值為10 349.4 kg·hm-2,變異系數(shù)為7.7%,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL處理玉米產(chǎn)量比CK分別提高32.3%、30.6%、27.9%、25.3%、22.2%、19.0%、17.2%、15.7%和14.4%;供試玉米株高、莖粗和葉面積范圍分別為211.7～238.6 cm、18.4～25.3 mm、510.2～730.2 cm2,平均值分別為225.6 cm、21.3 mm和617.0 cm2,變異系數(shù)介于4.0%～12.2%之間。不同處理供試玉米各部位干重、產(chǎn)量以及生物性狀均表現(xiàn)為FZS+>YJF2+>FZS>YJF2>YJF1+>DHJ+>YJF1>DHJ>JGL>CK。相較于CK,其他9種處理供試玉米各部位干重、產(chǎn)量和生物性狀均顯著提升,且鈍化材料組合處理提升效果均優(yōu)于單一材料處理,這說明葉面阻控劑和土壤調(diào)理劑的組合措施相較于單一材料措施可以更好地調(diào)節(jié)供試玉米生長(zhǎng)發(fā)育,其中,FZS+處理提升效果最優(yōu)。

表1 不同處理供試玉米生物量、產(chǎn)量和生物性狀Table 1 Biomass, yield and biological traits of the test maize under different treatments

2.2 不同處理對(duì)玉米Cd、Pb含量及積累量的影響

如表2所示,不同處理供試玉米各部位Cd含量及積累量均存在顯著差異(P<0.05)。供試玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒中Cd含量范圍分別為1.59～2.24、0.16～0.44、0.56～0.87、0.028～0.066和0.010～0.029 mg·kg-1,平均值分別為1.90、0.26、0.68、0.044和0.017 mg·kg-1,變異系數(shù)介于16.0%～38.0%之間,各部位Cd含量表現(xiàn)為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部。不同處理供試玉米籽粒中Cd含量從小到大依次為FZS+

表2 不同處理供試玉米各部位Cd含量及積累量Table 2 Cd content and accumulation in various parts of the test maize under different treatments

如表3所示,不同處理供試玉米各部位Pb含量及積累量均存在顯著差異(P<0.05)。供試玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒中Pb含量范圍分別為2.62～5.25、0.41～1.37、1.12～1.62、0.21～0.48和0.08～0.18 mg·kg-1,平均值分別為3.61、0.75、1.36、0.29和0.12 mg·kg-1,變異系數(shù)介于12.1%～37.4%之間,各部位Pb含量表現(xiàn)為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部。不同處理供試玉米籽粒中Pb含量從小到大依次為FZS+

表3 不同處理供試玉米各部位Pb含量及積累量Table 3 Pb content and accumulation in various parts of the test maize under different treatments

2.3 不同處理對(duì)玉米Cd、Pb富集系數(shù)(BCF)的影響

如圖1所示,不同處理供試玉米各部位Cd的BCF間均存在顯著差異(P<0.05)。不同處理供試玉米Cd的BCF根部、BCF莖部、BCF葉部、BCF棒芯和BCF籽粒范圍分別為0.692～1.075、0.071～0.212、0.246～0.418、0.012～0.032和0.004～0.014,平均值分別為0.872、0.119、0.314、0.020和0.008,變異系數(shù)介于18.5%～40.0%之間,各部位Cd富集能力均表現(xiàn)為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部。除CK和JGL處理BCF根部>1外,其他處理各部位Cd的BCF均小于1,說明在Cd污染耕地上,未施用土壤調(diào)理劑的玉米根部會(huì)產(chǎn)生超富集現(xiàn)象。相較于CK,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL處理供試玉米Cd的BCF籽粒分別降低68.7%、65.1%、61.7%、54.4%、50.7%、42.6%、39.9%、34.8%和33.2%,表現(xiàn)為JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+。不同處理供試玉米Cd的BCF根部從小到大依次為FZS+

CK為對(duì)照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機(jī)肥,FZS為腐植酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米同一部位不同處理間Cd富集系數(shù)差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理供試玉米各部位Cd富集系數(shù)Fig.1 Bioconcentration factors of Cd in each part of the test maize under different treatments

如圖2所示,不同處理供試玉米各部位Pb的BCF均存在顯著差異(P<0.05)。不同處理供試玉米Pb的BCF根部、BCF莖部、BCF葉部、BCF棒芯和BCF籽粒范圍分別為0.030 7～0.063 7、0.004 8～0.016 6、0.013 1～0.019 6、0.002 5～0.005 8、0.000 9～0.002 2,平均值分別為0.044 7、0.009 2、0.016 8、0.003 6和0.001 5,變異系數(shù)介于11.2%～34.9%之間,各部位Pb富集能力均表現(xiàn)為籽粒<棒芯<莖部<根部<葉部。供試玉米各部位Pb的BCF均小于0.1,這說明供試玉米對(duì)Pb的吸收能力均處于較弱水平。相較于CK,FZS+、YJF2+、FZS、YJF2、YJF1+、DHJ+、YJF1、DHJ和JGL處理供試玉米Pb的BCF籽粒分別降低57.6%、46.2%、45.2%、42.1%、35.8%、32.6%、28.9%、26.2%和16.8%,表現(xiàn)為JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+。不同處理供試玉米Pb的BCF根部從小到大依次為FZS+

CK為對(duì)照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機(jī)肥,FZS為腐殖酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米同一部位不同處理間Pb富集系數(shù)差異顯著(P<0.05)。圖2 不同處理供試玉米各部位Pb富集系數(shù)Fig.2 Bioconcentration factors of Pb in each part of the test maize under different treatments

2.4 不同處理對(duì)玉米Cd、Pb轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)的影響

如圖3所示,不同處理供試玉米各部位Cd的TF均存在顯著差異(P<0.05)。供試玉米Cd的TF根部-莖部、TF莖部-葉部、TF莖部-棒芯和TF棒芯-籽粒范圍分別為0.100～0.204、1.968～2.222、0.149～0.195和0.353～0.451,平均值分別為0.135、2.814、0.177和0.377,變異系數(shù)介于17.6%～29.7%之間,各部位間Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力均表現(xiàn)為根部-莖部<莖部-棒芯<棒芯-籽粒<莖部-葉部。不同處理供試玉米Cd的TF根部-莖部從小到大依次為YJF2+

CK為對(duì)照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機(jī)肥,FZS為腐殖酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米相應(yīng)部位間Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異顯著(P<0.05)。圖3 不同處理供試玉米各部位Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.3 Translocation factors of Cd in various parts of the test maize under different treatments

如圖4所示,不同處理供試玉米各部位Pb的TF均存在顯著差異(P<0.05)。供試玉米各部位間Pb的T根部-莖部、T莖部-葉部、T莖部-棒芯和T棒芯-籽粒范圍分別為0.155～0.260、1.184～2.763、0.338～0.525和0.363～0.482,平均值分別為0.203、1.983、0.412和0.405,變異系數(shù)介于12.%～24.5%之間,各部位間Pb轉(zhuǎn)運(yùn)能力均表現(xiàn)為根部-莖部<棒芯-籽粒<莖部-棒芯<莖部-葉部。不同處理供試玉米Pb的TF根部-莖部從小到大依次為FZS+

CK為對(duì)照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機(jī)肥,FZS為腐殖酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米相應(yīng)部位間Pb轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異顯著(P<0.05)。圖4 不同處理供試玉米各部位Pb轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.4 Translocation factors of Pb in various parts of the test maize under different treatments

2.5 基于玉米安全利用的土壤Cd、Pb風(fēng)險(xiǎn)閾值(T)

如圖5所示,不同處理供試玉米土壤TCd從小到大依次為CK(TCd=7.4 mg·kg-1)

CK為對(duì)照,JGL為葉面阻控劑,YJF1和YJF2分別表示不同用量有機(jī)肥,FZS為腐殖酸,DHJ為土壤重金屬鈍化劑,YJF1+/YJF2+、FZS+和DHJ+分別為YJF、FZS和DHJ與JGL的組合。就同一種重金屬而言,直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間風(fēng)險(xiǎn)閾值差異顯著(P<0.05)。圖5 不同處理土壤Cd、Pb風(fēng)險(xiǎn)閾值Fig.5 Soil Cd and Pb risk thresholds under different treatments

3 討論

筆者試驗(yàn)中不同處理間供試玉米生物性狀、各部位生物量、產(chǎn)量、Cd和Pb含量、BCF以及TF均存在顯著差異(P<0.05),在各處理供試玉米品種以及土壤、施肥等外界環(huán)境因素均保持一致的情況下,不同處理間玉米各部位Cd、Pb積累和轉(zhuǎn)運(yùn)能力不同主要受不同阻控措施的影響。葉面阻控技術(shù)通過拮抗作用,促進(jìn)作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收,抑制含Cd、Pb的金屬酶活性,降低作物蒸騰效率以阻礙Cd、Pb向上運(yùn)輸,最后通過促進(jìn)抗氧化物質(zhì)的形成,增加對(duì)重金屬離子的吸附及螯合作用,從而進(jìn)一步降低植株體內(nèi)Cd、Pb的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)[28]。土壤鈍化技術(shù)通過提高土壤pH,與重金屬形成絡(luò)合物或磷酸鹽沉淀等方法,降低土壤重金屬有效性,從而減少農(nóng)作物對(duì)土壤中重金屬的積累[5,14]?；谵r(nóng)作物食用安全的土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)閾值[26-27]是既不影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,也不會(huì)造成環(huán)境污染的土壤重金屬最大含量[29]。同類型農(nóng)作物在種植時(shí)由于環(huán)境差異會(huì)出現(xiàn)不同風(fēng)險(xiǎn)閾值,風(fēng)險(xiǎn)閾值越大,表明作物對(duì)種植土壤環(huán)境中重金屬含量的要求越低[8]。

研究區(qū)土壤污染較為嚴(yán)重〔w(Cd)=(2.18±0.07) mg·kg-1、w(Pb)=(80.66±5.28) mg·kg-1〕,但所有處理玉米籽粒中Cd、Pb含量均低于國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)〔w(Cd)≤0.1 mg·kg-1,w(Pb)≤0.2 mg·kg-1〕,所有處理玉米莖部、葉部和棒芯中Cd、Pb含量均低于國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)〔w(Cd)≤1.0 mg·kg-1,w(Pb)≤30.0 mg·kg-1〕,試驗(yàn)種植的玉米地上部位均可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),達(dá)到了“邊生產(chǎn)、邊修復(fù)”和受污染耕地安全利用的目的。研究區(qū)土壤Cd含量超過農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)管制值,但CK處理玉米籽粒Cd含量仍然遠(yuǎn)低于國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn),筆者認(rèn)為一方面是因?yàn)楣┰囉衩灼贩N(華興單88)屬于低積累玉米品種[30],另一方面根據(jù)GB 2762—2022對(duì)農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量與農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值之間相互關(guān)系并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),土壤與農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量關(guān)系存在土壤超標(biāo)而農(nóng)作物不超標(biāo)的“假陽性錯(cuò)誤”情況。例如,云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程研究中心團(tuán)隊(duì)于2018—2020年對(duì)云南典型區(qū)域土壤-農(nóng)作物的協(xié)同采樣監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,土壤中Pb含量超標(biāo)而農(nóng)產(chǎn)品Pb含量不超標(biāo)的“假陽性錯(cuò)誤”數(shù)據(jù)占比為3.6%,Cd的“假陽性錯(cuò)誤”比例更高[31],這與陳世寶等[32]和夏家淇[33]研究結(jié)果相類似。

筆者研究中供試玉米Cd的BCF籽粒介于0.004～0.014之間,小于1;Pb的BCF籽粒介于0.000 9～0.002 2之間,遠(yuǎn)小于1,這可能與Cd和Pb在玉米體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)速率差異有關(guān)。由于Cd易與蛋白質(zhì)結(jié)合形成有機(jī)絡(luò)合物,而這種有機(jī)絡(luò)合物在玉米植株體內(nèi)的遷移性比Pb強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致Cd富集能力強(qiáng)于Pb,這表明供試玉米籽粒對(duì)土壤中Cd的富集能力強(qiáng)于Pb,這與唐樂斌等[8]研究結(jié)果一致。此外,土壤pH也是影響重金屬在土壤中被作物吸收的因素之一[34],筆者試驗(yàn)中土壤pH為6.50±0.36,屬于微酸性土壤,重金屬在土壤中的遷移能力處于較強(qiáng)水平。不同處理供試玉米各部位Cd、Pb富集能力均表現(xiàn)為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部,這與其他學(xué)者對(duì)玉米各部位吸收積累Cd和Pb能力的研究結(jié)果[35-36]一致。不同處理供試玉米各部位Cd和Pb轉(zhuǎn)運(yùn)能力分別表現(xiàn)為根部-莖部<莖部-棒芯<棒芯-籽粒<莖部-葉部和根部-莖部<棒芯-籽粒<莖部-棒芯<莖部-葉部,除TF莖部-葉部>1外,其他各部位間Cd、Pb的TF均小于1,表明Cd、Pb在玉米各部位間轉(zhuǎn)運(yùn)過程中,由莖部向葉部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng),這與前人研究結(jié)果[35-36]一致。

作物體內(nèi),尤其是可食用部位重金屬含量和富集系數(shù)大小是反映鈍化材料修復(fù)效果的直接證據(jù)[23]。筆者研究結(jié)果表明,施用鈍化材料能有效地減少玉米根部、莖部、葉部、棒芯和籽粒中Cd、Pb含量和富集系數(shù),提高玉米的土壤Cd、Pb風(fēng)險(xiǎn)閾值,說明鈍化材料能有效降低玉米對(duì)土壤Cd、Pb的吸收,這與前人針對(duì)其他作物的研究結(jié)果[15,37-38]一致。JGL處理供試玉米籽粒Cd、Pb含量及相應(yīng)BCF下降16.8%～33.2%,具有顯著阻控效果,這可能是因?yàn)楣?Si)通過葉面吸收后會(huì)沉積在作物細(xì)胞壁上,與半纖維素、果膠和木質(zhì)素絡(luò)合,增加細(xì)胞壁機(jī)械性和外部保護(hù)層,從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)。一方面Si可以調(diào)控農(nóng)作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收,提升葉綠素含量,促進(jìn)光合作用,降低細(xì)胞膜通透性和植株蒸騰速率;另一方面Si通過硅結(jié)合蛋白誘導(dǎo),降低根部細(xì)胞細(xì)胞壁孔隙度,增加根部對(duì)Cd、Pb的吸收積累,從而抑制Cd、Pb向地上部和籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)[22,39-41]。FZS作為筆者試驗(yàn)阻控效果最顯著的鈍化材料,單獨(dú)施用后供試玉米籽粒Cd、Pb含量及相應(yīng)BCF就下降45.2%～61.7%。這可能是因?yàn)橐环矫鍲ZS通過對(duì)重金屬的吸附、絡(luò)合等作用,形成有機(jī)金屬絡(luò)合物和吸附物,影響重金屬離子遷移轉(zhuǎn)化;另一方面FZS通過氧化還原作用使變價(jià)金屬轉(zhuǎn)化為毒性和遷移性更小的價(jià)態(tài),將土壤重金屬由較為活躍的形態(tài)轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的形態(tài),從而降低玉米對(duì)Cd、Pb的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)[17,37]。YJF中含有的有機(jī)物質(zhì)和部分腐殖質(zhì)可通過吸附、螯合等作用固定重金屬或者與重金屬形成不可溶性鹽,使土壤重金屬的生物活性和有效態(tài)含量降低,進(jìn)而抑制作物對(duì)重金屬的吸收[16,38]。而筆者研究中,增加劑量后的YJF2處理比YJF1處理抑制效果更好。張劍等[24]認(rèn)為鈍化劑降低土壤和作物中Cd含量的化學(xué)機(jī)制可能是鈍化劑增加土壤pH和交換性鹽基離子含量,增強(qiáng)Cd的吸附和沉淀,從而降低Cd移動(dòng)性,最終削弱了作物對(duì)Cd的富集能力。

筆者研究結(jié)果表明,相較于CK,9種阻控措施均能顯著提高供試玉米產(chǎn)量,并且能有效降低供試玉米籽粒Cd、Pb含量及富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力。由于玉米本身屬于低積累作物[9],根據(jù)計(jì)算出的土壤TCd和TPb,供試鈍化材料可以應(yīng)用于Cd、Pb污染更加嚴(yán)重的耕地。但不同作物對(duì)重金屬響應(yīng)機(jī)制存在差異[42],不能依據(jù)單一作物試驗(yàn)結(jié)果推廣應(yīng)用于其他農(nóng)作物上。因此,針對(duì)不同農(nóng)作物還需進(jìn)一步開展不同鈍化材料的效果研究。

4 結(jié)論

(1)通過田間試驗(yàn)證明,9種阻控措施處理供試玉米各部位干重、產(chǎn)量和生物性狀均高于CK,產(chǎn)量提高14.4%～32.3%,各處理增產(chǎn)能力表現(xiàn)為JGL

(2)供試玉米各部位Cd、Pb含量及相應(yīng)BCF均表現(xiàn)為籽粒<棒芯<莖部<葉部<根部;9種阻控措施處理玉米籽粒Cd、Pb含量及相應(yīng)BCF相較CK分別降低31.0%～65.5%、18.2%～59.1%以及33.2%～68.7%、16.8%～57.6%,不同處理供試玉米籽粒Cd、Pb含量及相應(yīng)BCF均表現(xiàn)為CK>JGL>DHJ>YJF1>DHJ+>YJF1+>YJF2>FZS>YJF2+>FZS+;9種阻控措施處理供試玉米的土壤TCd和TPb分別介于11.0～23.1和109.9～218.0 mg·kg-1之間。

(3)筆者試驗(yàn)條件中,FZS作為增產(chǎn)以及Cd、Pb阻控效果最好的鈍化材料,建議在Cd輕中度污染玉米產(chǎn)區(qū)推廣使用,FZS+(FZS與JGL)作為增產(chǎn)以及Cd、Pb阻控效果最好的的組合措施建議在Cd重度污染的玉米產(chǎn)區(qū)推廣使用。