碱性肥料对稻田土壤的影响范文

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《应用生态学报》2015年第十二期

摘要

以碱性复合肥为材料,在湖南郴州松柏村进行大田小区试验,研究了碱性复合肥及其与微生物菌剂配合施用对稻田土壤和稻米镉含量的影响.结果表明:水稻分蘖期、灌浆期和收获期碱性肥料处理的土壤有效镉含量较常规肥料处理分别降低8.3%、6.7%和16.4%.收获期碱性肥料处理土壤有效镉含量较插秧前降低了7.2%,而常规肥料处理却增加了11.0%.配施微生物菌剂使土壤有效镉增加了1.2%~23.3%.与常规肥料处理相比,碱性肥料处理根系、茎鞘、叶片、籽粒、稻米镉含量显著降低,分别降低了54.9%、56.6%、41.8%、62.7%、67.6%.与微生物菌剂配施时,碱性肥料处理稻米镉含量却增加63.2%.表明施用碱性肥料可显著降低土壤中镉的有效性及水稻各器官和稻米镉含量,而碱性肥料与微生物菌剂配施则削弱了其对稻米镉含量的降低效果.

关键词

碱性肥料;镉污染;水稻;稻米镉含量

镉是土壤中主要的重金属污染元素之一，具有毒性强、移动性强、易被植物吸收等特点，可通过食物链进入人体，危害人类健康[1]。水稻又是吸收镉能力最强的谷类作物之一，而稻米作为我国的主食之一，镉安全问题倍受人们关注[2]。稻米中的镉主要来自水稻生产过程中对土壤中镉的吸收富集。水稻对土壤中镉的吸收主要受土壤中镉活性的影响[3]，土壤pH是影响土壤镉活性最主要的因素[4]。改革开放以来，大量使用化肥已经导致我国农田土壤酸化现象严重[5]，稻田土壤pH下降已成为稻米镉污染的根本原因[6]。湖南省是我国水稻的主要种植区域，稻谷产量居全国首位，近年来，湖南稻米镉超标问题频发[7-9]。一般认为治理土壤酸化进而降低土壤镉活性是防止稻米镉污染的根本措施，所以目前广为采纳的方法和措施是以石灰等碱性物质改良土壤酸性从而治理土壤镉污染[10]。然而，石灰施用后易产生CaCO3、CaSO4而导致土壤板结，另一方面土壤的酸度缓冲能力强，施用一次或几次根本不能解决土壤酸化问题，而如果年年大量施用石灰，无疑会降低土壤肥力和土地生产力。研究表明，施用有机肥、生物有机肥能降低稻米吸收累积镉[11-12]，所以，在水稻栽培中有很多经营者推销进口或国产的微生物菌剂，并声称可以取代有机肥。由此可见，欲通过改良土壤酸性而降低土壤镉活性来解决大米镉污染问题的出路在于研发一种既能正常供应氮磷钾等养分，又能同时改良土壤酸性的肥料，即碱性肥料。在长期的水稻栽培中，通过碱性肥料的施用，在降低当季稻米镉含量的同时缓慢改良土壤，使土壤逐渐从酸性变成中性，从而解决土壤和水稻镉污染问题。基于此，广东省高校环境友好型肥料工程技术研究中心自主研发了碱性氮磷钾复合肥，以期在正常供应氮磷钾养分的同时有效提高土壤pH值，从而降低土壤有效镉含量，减小稻米镉污染风险。为了检验碱性复合肥的降镉效果，本文以碱性复合肥为供试肥料，配施微生物菌剂在湖南开展了大田小区试验，旨在为以碱性复合肥治理稻米镉污染提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料大田试验于2014年4月在湖南省郴州市永兴县湘阴渡镇松柏村中南三泰农场内进行。供试水稻为中早25，属籼型常规稻。3月10日育秧，4月28日移栽，7月16日收获。供试碱性复合肥为华南农业大学广东省高校环境友好型肥料工程技术研究中心自主研发的碱性复合肥，氮磷钾养分比例为22：8：15，文中以碱性肥料表示，该肥料以缓释氮为氮源，与磷钾熔融共聚反应后成pH8.5的氮磷钾复合肥；常规肥料是以尿素、普通复合肥（16-16-16）、农用硫酸钾配制的复混肥，氮磷钾养分同碱性肥料相同；无氮对照的磷钾肥是以过磷酸钙、农用硫酸钾配制的复混肥，氮磷钾养分比例为0：8：15；微生物菌剂是该公司购买的上海联业微生物菌剂。供试土壤为板页岩风化物和红砂岩风化物母质发育的水稻土。基本农化性状为：全氮1.46g•kg-1、有机质38.01g•kg-1、速效磷17.75mg•kg-1、速效钾89.38mg•kg-1、pH值5.55、全镉1.191mg•kg-1、有效镉0.756mg•kg-1。

1.2试验设计试验为大田小区试验，采用两因素2×3完全随机设计，因素一为微生物菌剂（BM），设不配施和配施两个水平（施用量为2.7L•hm-2）；因素二为肥料类型，设3个类型即3个水平，分别为碱性肥料（AF）、常规肥料（CF）、磷钾（无氮）肥料（NF），共6个处理，每个处理设5个重复，试验区外设保护区，小区面积43.66m2，田间地垄用塑料膜分隔。肥料采用一基两追分次施用，施用量分为基肥397.5kg•hm-2，蘖肥252kg•hm-2，穗肥63kg•hm-2。

1.3样品采集与分析在泡田前用土钻以棋盘法采集0~20cm耕层土壤20点，混匀后分取亚样即为基础土壤样品，每个小区在水稻分蘖期、灌浆期、收获期采集土壤样品，风干粉碎后测定土壤有效镉含量。收获期分根系、茎鞘、叶片、籽粒采集水稻植株样，烘干测定干物质量，粉碎测定各器官镉含量，同时每小区从收获稻谷中取稻谷样品，烘干后脱壳，稻米粉碎后测定镉含量[13]。土壤有效镉采用DTPA浸提，原子吸收分光光度法测定；土壤全镉采用HNO3-HCL-HCLO4法消解，原子吸收分光光度法测定；植株镉含量采用干灰化-原子吸收分光光度法测定[14-15]。

1.4数据处理采用SPSS19.0和Excel2007软件对数据进行统计分析，采用邓肯式新复极差法（DMRT）进行方差分析和差异显著性检验。

2结果与分析

2.1碱性肥料对稻田土壤有效镉含量的影响由图1可知，3种肥料处理土壤有效镉含量在水稻生长期有一定的波动。不配施微生物菌剂时，分蘖期、灌浆期和收获期土壤有效镉含量一致表现为碱性肥料处理最低，3个时期分别较常规肥料处理降低8.3%、6.7%和16.4%。常规肥料处理土壤有效镉含量在灌浆期以后达最大值，无氮肥料处理在分蘖期达最大，后两个时期居中。配施微生物菌剂后，分蘖期、灌浆期和收获期土壤有效镉含量也表现为碱性肥料处理最低，而无氮肥料处理最高，3个时期碱性肥料处理土壤有效镉含量分别较常规肥料处理降低9.5%、16.4%和17.7%。可见，即使在配施微生物菌剂时，碱性肥料与常规肥料相比仍有显著的降镉效果。3种肥料配施微生物菌剂后，均能增加分蘖期、灌浆期和收获期土壤有效镉含量。分蘖期配施微生物菌剂的无氮肥料、常规肥料和碱性肥料处理土壤有效镉含量分别较不配施微生物菌剂处理增加8.2%、2.6%和1.2%，灌浆期分别增加23.3%、13.1%和1.3%，收获期分别增加18.0%、8.3%和6.5%。不配施微生物菌剂时，与插秧前相比，碱性肥料处理能显著降低收获期土壤有效镉含量（降低7.2%），而常规肥料处理却显著增加了土壤有效镉含量（增加11.0%）。而配施微生物菌剂时，碱性肥料处理收获期土壤有效镉含量与插秧前相比无显著差异，无氮肥料处理土壤有效镉含量增加18.1%，常规肥料处理增加20.1%。可见，无论在水稻生长期还是收获期，碱性肥料都能显著降低土壤有效镉含量。配施微生物菌剂后，虽然碱性肥料较常规肥料仍能显著降低水稻生长期土壤的有效镉含量，但是整个生长期各肥料处理土壤有效镉含量均有所增加，收获期碱性肥料处理的土壤有效镉含量未降低，即配施微生物菌剂反而削弱了碱性肥料的降镉效果。

2.2碱性肥料对水稻各器官镉含量的影响由表1可知，水稻各器官镉含量依次为：根系＞茎鞘＞籽粒＞叶片。无论是否配施微生物菌剂，碱性肥料处理较常规肥料处理均显著降低了水稻各器官镉含量。单施碱性肥料处理水稻根系、茎鞘、籽粒、叶片镉含量较单施常规肥料处理分别降低54.9%、56.6%、62.7%、41.8%；配施微生物菌剂后，碱性肥料处理水稻根系、茎鞘、籽粒、叶片镉含量较常规肥料处理分别降低16.5%、45.9%、37.9%、32.3%。表明施用碱性肥料较常规肥料显著降低了水稻各器官镉含量，其中籽粒镉含量降低比例最大。与单施碱性肥料和常规肥料相比，配施微生物菌剂后，碱性肥料处理根系、叶片、籽粒中镉含量分别增加31.6%、23.8%、7.1%，而常规肥料处理根系、籽粒中镉含量分别降低了29.0%、35.8%。可见，与单施各肥料相比，配施微生物菌剂会增加碱性肥料处理根系、叶片、籽粒镉含量，对常规肥料则有降低根系和籽粒镉含量的效果。总之，配施微生物菌剂削弱了碱性肥料的降镉效果。

2.3碱性肥料对稻米镉含量的影响由图2可知，无论是否配施微生物菌剂，碱性肥料处理较常规肥料处理稻米镉含量显著降低。不配施微生物菌剂时，碱性肥料处理较常规肥料处理稻米镉含量降低0.527mg•kg-1，降幅67.6%；配施微生物菌剂时，碱性肥料处理较常规肥料处理稻米镉含量降低0.192mg•kg-1，降幅31.7%。配施微生物菌剂后碱性肥料处理稻米镉含量较单施碱性肥料处理增加了0.160mg•kg-1，增幅63.2%；常规肥料处理稻米镉含量降低了0.175mg•kg-1，降幅22.5%。由此可以认为，与常规肥料相比，施用碱性肥料可以显著降低稻米镉含量。配施微生物菌剂增加了碱性肥料处理稻米镉含量，而对常规肥料处理稻米镉含量有降低的效果，配施微生物菌剂的3个肥料处理稻米镉含量均高于单施碱性肥料处理。可见，单施碱性肥料对稻米镉含量降低效果最好。

3讨论

3.1碱性肥料对土壤镉有效性的影响土壤镉有效性指土壤中可被植物吸收富集的镉。影响土壤镉有效性的主要因素是土壤pH，此外土壤有机质、氧化还原状况等也是影响土壤中镉有效性的重要因素[16]。本研究结果表明，施用常规肥料水稻生长前期土壤中有效镉含量显著降低，在水稻生长后期土壤中有效镉含量显著升高，施用碱性肥料则显著降低了土壤中有效镉含量。其原因可能是水稻生长前期，常规肥料处理中氮素转化为NH4+，提高了土壤pH，进而降低了土壤中镉的有效性，在水稻生长后期，由于土壤中氮素转化、水稻对氮素的吸收和根系分泌的酸性物质都会引起土壤pH下降，从而使土壤中有效镉含量显著升高[17-18]。碱性肥料本身为碱性，施用后会带来OH-，从而提高土壤pH,钝化土壤有效镉[19]。国内相关研究表明，氮素形态及氮肥用量同样会影响土壤中镉的有效性，其中施用铵态氮肥处理使土壤有效镉含量增加最多[20-22]。而碱性肥料中氮素部分为脲醛缓释氮，改善了土壤氮素供应状况，进而减少了土壤中有效镉的含量。配施微生物菌剂后会增加土壤中微生物数量和活性，加快土壤中植物残体和有机质的分解，促进了植物残体和有机质中固定镉的释放，从而增加土壤中有效镉含量，进而增加了碱性肥料处理水稻中镉的含量[23-24]。

3.2碱性肥料对保障大米食用安全的影响植物主要是通过根系吸收土壤中的镉，根系从土壤中吸收的镉会经过木质部向地上部分运输，在植物营养生长时期会储存在茎叶中，在植物生殖生长时期茎叶中储存的镉会经过韧皮部向果实中转移[25]。本研究中水稻各器官中镉的含量依次为：根系＞茎鞘＞籽粒＞叶片。即表明土壤中的镉经水稻根系吸收，经由木质部装载向地上部分运输，在水稻营养生长时期，水稻吸收的镉会储存在茎叶中，在水稻抽穗后，茎叶中储存的镉再经韧皮部向籽粒中转移，随着籽粒中营养物质的积累，籽粒中镉的累积量也随之增加。因此，稻米中镉的含量除与土壤中镉的有效性密切相关外，与镉在水稻体内转运也密切相关。施用氮肥能明显促进水稻生长，增加水稻对土壤中养分的吸收和利用，提高水稻的生物量和产量。同时，水稻对土壤中镉的吸收与转运能力也随之增加，从而使水稻各器官的镉含量升高[26]。其原因在于镉在根系中的运输通道主要是由蛋白质和多肽构成的植物螯合肽，根系细胞膜上植物螯合肽的多少直接影响植物对镉的富集，丰富的氮素会能促进植物根系细胞膜上植物螯合肽的合成，植物螯合肽越多吸收的镉就越多，由此可以认为氮素与植物吸收镉之间存在协同作用[27-28]。施用常规肥料后，氮素会在较短的时间大量释放，造成水稻过量吸收氮素，增加了根系细胞膜合成大量的植物螯合肽，因此促进了水稻对镉的吸收[29]。

碱性肥料在显著降低土壤中有效镉含量的同时，还能稳定持久地供应氮素，在保障水稻正常生长的同时防止了水稻过量吸收氮素，有望减少根系细胞膜上植物螯合肽的合成，从而减少了水稻对土壤中镉的吸收，降低水稻中镉的含量。土壤微生物一方面会分解土壤中有机结合态镉和植物残体中富集的镉，分泌有机酸活化土壤中固定态镉，增加土壤中有效镉含量；另一方面微生物的一些分泌物或代谢产物是植物的生长刺激素，会促进水稻的生长，促使水稻对氮素养分吸收以及养分向生殖器官运输，同时也会促进镉的吸收和转运。因此，碱性肥料配施微生物菌剂后稻米及籽粒镉含量显著增加。由上述研究结果可以得出以下结论：碱性肥料较常规肥料能有效降低土壤中镉的有效性，同时显著降低了水稻各器官镉含量和稻米镉含量。配施微生物菌剂增加了3种肥料处理土壤中有效镉含量。碱性肥料与微生物菌剂配施对降低稻米镉含量的效果不如单施碱性肥料处理。因此单施碱性肥料能明显降低稻田土壤和稻米镉含量，是值得推荐的肥料类型。

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作者：张亮亮 樊小林 张立丹 刘芳 单位：华南农业大学农学院