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1.2试验设计
试验于2016 年4—10 月在中国农业科学院麻类研究所试验基地进行。共设置4 个处理,分别为对照(CK)、施用有机肥(MF)、施用50%有机肥+50%化肥(MCF)、施用化肥(CF)。每个处理设3 个重复,共12 盆。土壤和有机肥分别风干并过4 mm 筛,每盆装土16 kg,把土壤和相应肥料充分混合均匀,同时用CdCl2配制成溶液加进土壤中,使土壤模拟镉污染浓度为5 mg/kg。盆栽过程中灌浆成熟期晒田7 d,其他时间保持盆栽土壤中1~2 cm 水位高度。分别在分蘖期、拔节期、抽穗开花期、灌浆成熟期采取土壤样品。土壤样品风干后,分别过1、0.149 mm 筛备用。
1.3测定指标及方法
1.3.1 Eh(氧化还原电位)、pH 值的测定
Eh 值用ORP 仪原位测定。取过1 mm 筛的土壤样品测定土壤pH 值,测定方法采用去离子水浸提pH 计法(水土质量比2.5∶1)。
1.3.2 重金属形态提取及测定方法
镉含量的测定采用原子吸收光谱法。不同重金属形态的提取方法见表 2 。土壤和肥料中有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、速效养分含量、含水量等指标的测定采用常规方法。
1.4数据分析
采用SAS 及Excel 软件进行数据分析。
2 结果与分析
2.1不同施肥处理对水稻土pH 值的影响
pH 值是影响重金属污染土壤钝化修复效率的重要因素之一。pH 值越高,重金属的溶解度越低,其活性就越低。从图 1 可以看出,化肥处理的整个水稻生育期的pH 值一直在一个比较高的水平;有机肥处理的pH 值相对较低;有机肥+化肥处理的生育期pH 值变化幅度较大。相比水稻种植前土壤的pH 值,水稻于成熟期收获后,CK、有机肥+化肥处理土壤pH 值有所降低。
2.2不同施肥处理对水稻土Eh 值的影响
随着Eh 值的增大,土壤中水溶性镉含量、水稻吸收镉的总量及地上部镉含量随之增加。这可能是因为在还原状况下,镉离子易与硫化物结合形成硫化镉沉淀。镉在氧化条件下(Eh 值高)比在还原条件下(Eh 值低)更容易由无效态转化为水溶态和交换态。由图 2 可知,各处理水稻土壤中Eh值都处在比较低的水平,尤其是有机肥处理,而化肥处理与有机肥处理Eh 值的变化情况相反。
2.3不同施肥处理对水稻各部位镉含量及土壤镉形态的影响
在模拟土壤镉污染浓度为5 mg/kg 时,通过将不同的肥料类型施入到污染水田中,由表 3 可以看出,在镉污染浓度较高时,施用有机肥促进了水稻籽粒对镉的吸收,但降低了水稻根及茎中镉的浓度。施用有机肥水稻各部位镉含量为根>籽粒>茎,且水稻根部镉含量要远大于地上各部位镉含量,说明水稻大部分镉主要累积在根部。
对不同处理条件下水稻土壤镉形态的影响分析发现,外源镉的添加主要是增加了土壤可交换态镉的含量,单施化肥处理的灌浆成熟期残余态镉含量比较高,其次为单施有机肥处理。50%有机肥+50%化肥混施处理可交换态镉的含量比较高(图 3)。可见单施化肥降低了土壤中可交换态镉的含量,减少了水稻籽粒的吸收量。
3 讨论与结论
施肥是影响土壤重金属含量的重要因素,不同土地利用方式施用肥料的种类和数量不同。土壤中的镉有很强的亲硫性质,可与水中的FeS 发生共沉淀,同时其活性也受土壤Eh值的影响,因而与土壤水分状况有着密切的关系。研究表明,水田土壤中施用有机肥会带入大量的可溶性有机质(dissolved organic matter,简称DOM),其与Cd2+的螯合提高了Cd 的活性和在土壤中的迁移能力,施用有机肥后,能够显著增加根际及土壤中交换态及有机结合态Cd 含量,是对照的2 倍多。本研究中有机肥的施入提高了污染稻田中水稻籽粒中镉的含量,因此施用有机肥加大了稻田土壤受重金属污染的风险。由于有机肥来源广泛、种类多样,导致不同有机肥对土壤重金属形态的影响可能也不同。将以猪粪、羊粪、鸡粪为原料的有机肥施用到种植小麦的镉污染土壤中,降低了土壤可交换态镉与碳酸盐结合态镉的含量,促进了土壤镉由可交换态和碳酸盐结合态向铁锰氧化物结合态、有机结合态和残留态的转化。
另有研究表明,土壤中重金属的有效性和在农作物中的积累状况还受到有机肥用量和比例的影响。施用氮肥可促进植物对重金属的吸收,但其作用程度与肥料形态有密切的关系,仅施化肥对土壤Cd 全量、有效态含量及活化率的影响均较小,本研究中化肥处理降低了水稻籽粒和茎中镉的含量。相关研究表明,在稻田土壤中施入中、高量有机肥处理明显提高了土壤Cd 的全量、有效态含量及活化率。其中有机肥的“激活”效应是导致土壤有效态重金属含量大幅提高的主要机制。
在模拟镉浓度为5 mg/kg 的水稻土壤中,有机肥的施入提高了水稻籽粒中镉的含量,但降低了根和茎中镉的含量。外源镉的添加主要是增加了土壤可交换态镉的含量。在灌浆成熟期,50%有机肥+50%化肥混施处理可交换态镉的含量比较高。水稻收获后,根、茎中镉含量较高,尤其是根部。
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