不同土壤调理剂对生菜产量及重金属累积的影响

刘海萍, 杨 阳, 贾 聪, 尹 娇, 刘鑫祖, 胡浪浪, 肖植特, 王劲松

(1.云南省土壤肥料工作站 云南昆明 650034; 2.宜良县农业农村局 云南昆明 652100;3.云南云测农化科技发展有限公司 云南昆明 650000;4.曲靖市土壤肥料工作站 云南曲靖 655000)

近年来,由于工业的快速发展、农业污水灌溉和化肥的过量施用[1],农田土壤的重金属污染已经成为威胁土壤环境质量的主要问题之一[2]。据统计,我国约有19.4%的农田土壤重金属含量超标,主要污染元素为镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铜(Cu)和铅(Pb)[3]。土壤重金属污染不仅会影响土壤质量与作物产量,还能通过食物链危害人体健康。随着物质生活水平的提高,人们对健康问题越来越关注,土壤质量和蔬菜品质的提升已成为重要的研究方向。

设施土壤是我国城郊典型的商业化旱耕土,由于重金属累积程度逐年加深,引起设施土壤生产力逐年下降和生态环境破坏,导致农产品品质和经济效益也逐渐降低。因此,改善设施土壤重金属污染和环境健康状况,对提高城郊区生态环境功能和设施农业经济效益具有重要的现实意义[4]。

农田土壤重金属污染的治理措施主要包括工程修复、化学修复、生态修复和生物修复等[5]。多数土壤调理剂是由化学和生物修复技术相结合的产品,具有成本低廉、效果显著和见效快等优点,目前已成为市场上土壤调理与修复的热门产品。将土壤调理剂运用于设施土壤中重金属累积较多的区域,对蔬菜产量提升和品质改善有较好的作用[6]。运用生物技术和化学方法将土壤微生物技术与肥料施用有效结合,再通过钝化修复和农艺调控等措施[7-8],可达到降低土壤重金属有效性、抑制作物对重金属吸收的目的。

农业生产中将含硅、钙和镁等物质添加到土壤调理剂产品中,能有效起到钝化作用,减少土壤重金属向地上部的转运量,起到区室化阻隔的作用[9-10]。将含磷肥料运用到农田土壤的重金属污染修复中已经取得很好的成效[11],有研究表明施用磷肥后,可以减少Cd在植物木质部的长距离输送,植物地上部分Cd含量降低[12]。土壤中的磷可以与有效态Pb生成沉淀,运用磷酸盐材料修复土壤中有效态Pb,也是导致作物Pb含量减少的重要原因[13]。鉴于此,云南优土农化科技有限公司通过添加改良土壤的功能微生物菌剂和硅、钙、镁等化学元素,研制了一批土壤调理剂。本文拟探讨在城郊蔬菜连续种植区域且重金属含量高的土壤中,施用不同土壤调理剂后种植的生菜对土壤重金属吸收累积的情况,筛选能有效抑制生菜吸收重金属的土壤调理剂,以期为大面积推广该土壤调理剂提供理论指导与技术支撑,同时为类似区域控制土壤重金属污染、提高蔬菜品质及经济效益提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2021年在云南省昆明市某蔬菜种植基地进行,试验点海拔1 512 m,年平均降雨量1 175 mm,年平均积温22 ℃,试验区地势平坦。供试土壤为水稻土,质地为壤土,土壤肥力中上等。供试土壤基本理化性状:pH为6.04,w(有机质)为20.20 g/kg,w(全氮)为1.22 g/kg,w(全磷)为1.11 g/kg,w(全钾)为13.80 g/kg。

供试肥料:有机肥料,云南保山山田生物有机肥有限公司;尿素,云南云天化股份有限公司;钙镁磷肥,云南福贵磷化工有限公司;硫酸钾,云南绿之源肥业有限公司。供试肥料的基本理化性状见表1。

表1 供试肥料的基本理化性状

供试作物:生菜,品种为当地主栽的意大利生菜。

供试土壤调理剂:云南优土农化科技有限公司生产的土壤调理剂1号、2号、3号、4号和5号产品,5个产品中硅、钙、钾、镁、磷和枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等微生物菌的配比不同,其养分含量见表2。

表2 供试土壤调理剂养分含量

1.2 试验设计

为研究不同土壤调理剂施用后生菜产量及对土壤重金属吸收累积的情况,试验设6个处理:对照(CK),常规施肥;C1,常规施肥+1号土壤调理剂;C2,常规施肥+2号土壤调理剂;C3,常规施肥+3号土壤调理剂;C4,常规施肥+4号土壤调理剂;C5,常规施肥+5号土壤调理剂。每个处理设3次重复,小区面积20 m2,各小区随机排列。

常规施肥的化肥施用量按照N∶P2O5∶K2O为12∶8∶10的配比进行,分基肥和追肥施用。基肥施用量为有机肥800 kg/亩(1亩=667 m2)、尿素13.11 kg/亩、钙镁磷肥44.44 kg/亩和硫酸钾13.24 kg/亩。追肥分两次进行,第1次于生菜移栽成活一周后追施尿素和硫酸钾,施用量为尿素15.00 kg/亩和硫酸钾2.00 kg/亩;第2次于生菜莲座期追施尿素和硫酸钾,施用量为尿素15.00 kg/亩和硫酸钾4.00 kg/亩。土壤调理剂产品全部按照试验方案作基肥一次性施入,施用量均为150 kg/亩。

1.3 样品采集与分析

在试验收获前,各小区取生菜地上部分植株样进行测试。生菜中Cd、Cr、Pb、As的含量按照《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中的方法进行测定,小区测产采用全部实收测产方式进行,测产前记录生菜的株高、冠径等生物学性状指标数据。

1.4 数据统计分析

试验结果均为3次重复的平均值。采用软件Excel 2016和全国农业技术推广服务中心3414田间试验设计与数据分析管理系统对试验数据进行统计分析,选取最小显著差异法(LSD)进行多重比较,差异显著性水平设为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同土壤调理剂处理对生菜生物学性状和产量的影响

施用不同土壤调理剂后,对生菜的株高、冠径和产量的影响见表3。

表3 不同土壤调理剂处理的生菜生物学性状和产量

从表3中株高的数据看:不同土壤调理剂处理的生菜株高与CK处理的相比,均有不同程度的增加,具体表现为C5>C4>C2>C1>C3>CK,C1、C2、C3、C4和C5处理分别比CK处理增加4.60%、7.60%、2.28%、8.14%和9.70%;C3处理的株高与CK处理的相比差异不显著,其他处理的差异均达到显著水平。

从表3中冠径的数据看:不同土壤调理剂处理的冠径与CK处理的相比均有不同程度的变化,具体表现为C5>C2>C4>C1>CK>C3,C1、C2、C3、C4和C5处理分别比CK处理增加2.40%、6.59%、-2.43%、6.48%和9.40%;C1、C3处理的冠径与CK处理的相比差异不显著,其他处理的差异均达到显著水平。

从表3中小区实收测产的数据看:不同土壤调理剂处理的小区产量与CK处理的相比均有不同程度的增加,具体表现为C5>C2>C4>C1>C3>CK,C1、C2、C3、C4和C5处理分别比CK处理增加2.33%、6.85%、0.48%、6.64%和9.78%;C1、C3处理的小区产量与CK处理的相比差异不显著,其他处理的差异均达到显著水平。

2.2 不同土壤调理剂处理对生菜地上部分重金属累积的影响

2.2.1 生菜地上部分Cd含量

从图1可以看出:施用不同土壤调理剂后,生菜地上部分Cd含量有明显的变化,Cd含量从高到低的顺序为C3>CK>C1>C4>C2>C5,除C3处理的Cd含量比CK处理的增加2.33%外,C1、C2、C4和C5处理的Cd含量分别比CK处理的下降1.16%、19.77%、15.12%和19.77%;C1、C3处理的Cd含量与CK处理的相比差异不显著,其他处理的差异呈显著水平。

注:图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0．05),下同

2.2.2 生菜地上部分Cr含量

从图2可以看出:施用不同土壤调理剂后,生菜地上部分Cr含量有明显变化,Cr含量从高到低的顺序为CK>C3>C1>C4>C2>C5,C1、C2、C3、C4和C5处理的Cr含量分别比CK处理的下降1.45%、24.55%、0.73%、24.18%和27.64%;C1、C3处理的Cr含量与CK处理的相比差异不显著,其他处理的差异呈显著水平。

图2 不同土壤调理剂处理的生菜地上部分Cr含量

2.2.3 生菜地上部分Pb含量

从图3可以看出:施用不同土壤调理剂后,生菜地上部分Pb含量有明显变化,Pb含量从高到低的顺序为CK>C1>C3>C2>C4>C5,C1、C2、C3、C4、C5处理的Pb含量分别比CK处理的下降0.53%、6.37%、0.80%、7.16%、11.41%;C1、C3处理的Pb含量与CK处理的相比差异不显著,其他处理的差异呈显著水平。

图3 不同土壤调理剂处理的生菜地上部分Pb含量

2.2.4 生菜地上部分As含量

从图4可以看出:施用不同土壤调理剂后,生菜地上部分As含量有明显变化,As含量从高到低的顺序为C3>CK>C1>C2>C4>C5,除C3处理的地上部分As含量比CK处理的增加1.03%外,C1、C2、C4、C5处理的地上部分As含量分别比CK处理的下降1.55%、17.53%、18.04%、20.62%;C1、C3处理的As含量与CK处理的相比差异不显著,其他处理的差异呈显著水平。

图4 不同土壤调理剂处理的生菜地上部分As含量

3 结语

本研究中施用不同土壤调理剂产品,对生菜的生物学性状和产量有较明显的影响,其中以C5、C2、C4处理的效果较好,C1、C3处理的效果一般。这应该与不同土壤调理剂产品的原料组成有很大关系,原料中添加了较多的肥料养分及微生物菌剂等,都能有效促进作物生物学性状改善和产量增加。

施用不同土壤调理剂产品后,能有效抑制生菜地上部分重金属的累积。从试验结果看,对Cd、Cr的抑制,以C5处理效果最好,C2处理其次,C4处理第三,C1、C3处理效果一般;对Pb、As的抑制,以C5处理效果最好,C4处理其次,C2处理第三,C1、C3处理效果一般。总体来看,C5处理能有效抑制生菜对重金属的富集,C2处理效果其次,C4处理效果第三,C1、C3处理效果不佳。

通过对试验结果的分析,C5处理能提高生菜产量,同时可有效降低生菜对土壤重金属的吸收,建议扩大研究常规施肥+5号土壤调理剂处理的适用作物范围,增强示范推广运用力度。

试验中的土壤调理剂产品,即在添加含硅、钙和镁等化学物质的基础上,加入含磷的物质,既有效稳定了土壤中Pb、Cd等重金属,又降低了其有效态含量[14],取得了抑制生菜对重金属吸收的效果。

土壤调理剂产品添加改良土壤的功能微生物菌剂,对改善土壤微环境,改良土壤结构性障碍,提升作物产量和品质具有重要意义[15-16]。试验所用产品正是利用微生物在修复被重金属污染的土壤方面具有独特的作用,一方面可以降低土壤中重金属的毒性,另一方面可以利用根际微生物对重金属的沉淀或吸附作用,实现重金属污染土壤的微生物稳定修复[17-18]。