當前農業土壤遭受重金屬污染日趨加重.統計資料表明,我國受Pb、Cd、As、Cr等重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2,約占耕地總面積的1/5[1].長江三角洲地區約有10%的耕地因重金屬污染基本喪失生產力.

因此如何有效地控制及治理土壤重金屬的污染,改良土壤質量,已成為農業生態環境保護研究中一項十分重要的內容.重金屬危害農作物生長、造成減產甚至絕收,被農作物吸收后進入食物鏈危害人畜健康.改良污染土壤、抑制重金屬活性減輕其危害是當前治理污染土壤的主要途徑.保水劑可改善土壤結構[2]、保貯水分[3-5],減少水土流失[6],能促進作物出苗、成活及存活率[3,7],增加干物質積累和糧食生產[7-9],調控水肥,影響糧食作物與藥用植物田的土壤養分轉化與供應[8,10-12].然而,針對保水劑的改良污染土壤效應及其對植物生長與養分吸收利用規律的研究鮮見報道.污染土壤應用保水劑改良及其相關研究的尚缺失不利于污染土壤改良和發展節水農業蔬菜栽培技術,該試驗針對此問題進行了深入研究,以期為污染土壤改良中保水劑的合理應用、節水高產栽培提供參考依據.

1材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤為褐土,取自農場大田耕層,土壤經自然風干后,揀去植物未腐爛殘體后混勻備用.其基礎理化性狀為:pH 8.3、有機質13.6g/kg、堿解氮74mg/kg、有效磷12.5mg/kg、速效鉀123mg/kg.氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀;供試保水劑購置于市場,"上海青"小白菜種子購置于洛陽市洛龍種子公司.

1.2試驗方法

試驗于2011年在河南科技大學試驗農場網室進行.按土壤污染程度\\(2水平\\)×改良劑添加量\\(3水平\\)雙因素設計,通過盆栽試驗進行.供試土壤污染劑選用醋酸鉛,改良劑選用保水劑;其中,醋酸鉛分Q\\(輕微污染土壤,按純鉛量0.02g/kg干土添加\\)和Z\\(較重污染土壤,純鉛量0.04g/kg干土添加\\)2個水平,保水劑分CK\\(對照,不施保水劑\\)、G1\\(小劑量,施用保水劑1.2g/kg干土\\)和G2\\(大劑量,施用保水劑2.4g/kg干土\\)3個水平.組合成QCK、QG1、QG2、ZCK、ZG1、ZG2共6個處理,隨機區組排列,9次重復.試驗盆皿為市售PVC大桶\\(高60cm,直徑50cm\\),每盆裝干土35kg.氮\\(N\\)用量每盆2.1g\\(折合約135kg N/hm2\\),磷\\(P2O5\\)和鉀\\(K2O\\)肥用量分別為每盆1.4g\\(約合P2O5或K2O90kg/hm2\\),氮磷鉀肥分別選用尿素、過磷酸鈣、氯化鉀.準確稱量保水劑改良劑、醋酸鉛污染劑與供試土壤充分混均后裝盆.每盆栽植65株"上海青",幼苗高1cm時疏苗至50株.分別于出苗后第25、40、60天,每處理隨機選取生長均勻一致的3盆進行測定.

1.3項目測定

種植前45d裝盆以確保土壤自然壓實,試驗盆埋入地下0.5m,底部均勻打直徑為1cm的6個孔,覆蓋以300目尼龍網布以利桶內水分與土體自由交換.2011年6月2516月28日出苗.種植前2d向盆施入肥料并灌水2L,所有肥料均作基肥溶于水中施用.整個測定期內除施肥、特旱時保苗灌等量水外,其它時期均依靠自然降水.

收獲時測定完土壤容重后,將"上海青"小白菜植株從盆中完整取出,用自來水洗凈根系泥土將植株放入烘箱中在105℃條件下殺青30min,80℃條件下經過48h烘至恒重,稱量干重.樣品經粉碎,過60目篩后待測N、P、K含量.

全N采用H2SO4-H2O2消煮-開氏法測定;全P采用H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測定;全K采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度計法測定;具體操作詳見文獻[6].養分積累量\\(g/盆\\)=干物質重\\(g/盆\\)×養分含量\\(g/kg\\)/1000;農學養分利用效率\\(%\\)=某養分干物質積累總量/施肥純養分量×100%.

1.4數據分析

試驗數據采用Excel軟件進行方差分析和作圖.

2結果與分析

2.1保水劑與醋酸鉛用量對蔬菜生物量的影響

從表1可以看出,各處理生物量隨生育進程均增加,但保水劑施用量對植物生長的影響因土壤鉛污染程度而異.

ZCK相比QCK處理,蔬菜生物量隨生育進程呈降低趨勢,并在第60天顯著降低9.7%,表明污染加重將抑制蔬菜生長.相比未施改良劑CK處理,輕微污染土壤上,保水劑施用增加了蔬菜的生物產量,增幅隨保水劑用量的增加而增大;QG2比QG1處理在第25、40、60天分別顯著增加了7.4%、14.5%、12.1%,表明利用保水劑改良輕微鉛污染土壤促進了蔬菜生長且促進效應與施用量呈正相關.相比CK處理,較重污染土壤上,施用小劑量保水劑有用助于蔬菜生長,而施用大劑量保水劑則不利于蔬菜生長;ZG1比ZCK處理在第40、60天分別顯著增加蔬菜生物量24.7%、11.3%,ZG2相比ZCK處理差異均未達到顯著水平,ZG2相比ZG1處理在第25、40、60天顯著降低4.2%~19.5%,表明改良較重鉛污染土壤施用小劑量保水劑能促進蔬菜生長,而施用大劑量保水劑無增產效應.

2保水劑與醋酸鉛用量對植株養分吸收積累的影響

2.2.1氮素

從表2可以看出,隨著生長進程,所有處理蔬菜植株氮素含量與總吸氮量分別呈下降與增加趨勢.ZCK相比QCK處理,隨土壤鉛污染而加重,第25天蔬菜中氮含量減少6.2%和總吸收氮量顯著降低8.0%\\(P<0.05\\),但第40、60天蔬菜中氮含量則顯著增加7.2%、22.4%\\(P<0.05\\)和氮素積累量則分別略增3.9%和顯著增加12.4%\\(P<0.05\\).保水劑用量對植株吸收積累氮素的趨勢明顯受土壤鉛污染程度影響.

輕微鉛污染土壤上,施用小劑量保水劑在第25天顯著降低蔬菜中氮素含量8.3%,而第40、60天則顯著增加12.0%、58.5%,相應的氮素積累量分別降低5.2%和顯著增加18.3%、74.0%;施用大劑量保水劑則增加蔬菜中氮素含量與積累量,并在第40天和第60天分別顯著增加18.5%、23.0%和43.1%、52.4%.較重鉛污染土壤上,施用小劑量與大劑量保水劑均降低了第25天蔬菜中氮素含量與積累量,在第40天大劑量顯著增加蔬菜中氮素含量9.7%和積累量11.5%,小劑量不影響氮含量但顯著增加了氮素積累量的26.5%;在第60天施用保水劑對蔬菜中氮素含量與積累量均無顯著影響.總之,調控鉛污染土壤上植株體內的氮素吸收與積累,需根據鉛污染程度選擇合適保水劑用量.

2.2.2磷素

由表3可知,隨生長進程,所有處理植物體內磷素積累量呈上升趨勢.ZCK相比QCK處理,土壤鉛污染加重顯著降低了第25天蔬菜中磷素含量和積累量32.3%、34.8%,第60天磷素積累量15.8%,其它未達到顯著水平.輕微和重鉛污染土壤施用保水劑在第25天均降低了蔬菜磷素含量,在重污染土壤上施用大劑量保水劑在第40天顯著降低磷素含量11.1%,第60天無顯著影響.輕微鉛污染土壤上,施用保水劑顯著降低第25天蔬菜中磷積累量40.4%~41.5%,在第40、60天施用小劑量保水劑具有增加磷素積累量趨勢,而施用大 劑 量 保 水 劑 則 顯 著 增 加 磷 素 積 累 量13.7%、20.6%.較重鉛污染土壤上,施用小劑量保水劑在第40、60天顯著增加磷素積累量22.6%、25.2%,而施用大劑量保水劑在第25、40天均降低了磷素積累量,在第60天則顯著增加9.4%.綜合來說,調控鉛污染土壤上植株體內的磷素積累,需要根據鉛污染程度、生長時間等因素來選擇適宜的保水劑用量.

2.2.3鉀素

由表4可知,隨生長進程,植株體內的鉀素含量除較重鉛污染土壤呈持續降低趨勢以外均呈先增加后降低趨勢,而積累量則均呈增加態勢.相比CK處理,施用保水劑處理在第60天顯著增加了輕微鉛污染土壤上和在第40、60天較重鉛污染土壤上生長的蔬菜中鉀素含量;輕微鉛污染土壤上,隨保水劑用量增大在40d前具有降低蔬菜中鉀素含量態勢,而鉀積累量在第60天顯著增加12.8%;較重鉛污染土壤上,隨保水劑用量增 大 蔬 菜中的鉀素含量僅在第60天顯著增 加13.2%,其它2個測定時段均未達顯著差異水平,但鉀素積累量在第40天顯著降低24.9%.綜上,輕微鉛污染土壤上施用較大劑量保水劑一定程度上有利于鉀素積累,而較重鉛污染土壤上施用較小劑量保水劑有利于鉀素積累.

2.3保水劑與醋酸鉛用量對肥料利用率的影響

從圖1可以看出,氮、磷、鉀肥的農學利用效率與肥料種類、保水劑用量水平、土壤遭受鉛污染的程度密切相關.ZCK相比QCK處理,氮肥利用效率略有提高,但磷、鉀肥利用效率顯著下降15.9%、21.9%.施用保水劑后,氮、磷、鉀肥的農學利用效率隨土壤鉛污染程度的增加均降低.相比CK處理,輕微鉛污染土壤上,施用小劑量和大劑量保水劑均顯著增加了氮、磷、鉀肥的養分利用效率;較重鉛污染土壤上,施用保水劑未顯著影響氮肥的農學利用效率,而施用小劑量、大劑量保水劑則顯著增加了磷、鉀肥的農學利用效率.保水劑施用在輕微鉛污染土壤上隨用量增加具有降低氮肥和增加磷鉀肥農學利用效率的趨勢;在較重鉛污染土壤上隨保水劑用量水平的增加顯著降低了磷肥的利用效率12.6%,對氮鉀肥的利用效率影響不大.表明施用保水劑改良土壤影響肥料利用率,影響程度受綜合因素制約.

3討論與結論

自20世紀末,土壤遭受重金屬污染形勢日益嚴峻[1,13],改良污染土壤是減少重金屬危害,促進植物生長遏制土壤退化的重要措施[14],高聚物保水劑是功能多樣優質的土壤改良劑[7,9].該研究發現,重金屬鉛污染土壤程度愈重則對蔬菜生長抑制程度越大.在其它作物上也獲得了類似結果[5,7,11].該研究表明,鉛污染較輕土壤上施用保水劑將顯著增加蔬菜生物量,增幅隨著保水劑用量的增加而增大,而在污染較重的土壤上施用小劑量的保水劑有助于增產、施用大劑量的則不利于蔬菜生長.由于保水劑具有豐富的活性功能基團,能與重金屬發生多種形式結合,將土壤重金屬固定鈍化來減輕重金屬的危害[7],保水劑用量越大則解除土壤中重金屬的生物毒害能力愈強[15],越能減少污染危害促進植物生長.

然而,在較重鉛污染土壤上施用大劑量保水劑降低了蔬菜生物量,這與保水劑鈍化固定重金屬減少污染危害促進植物生長作用相矛盾.由于保水劑具有強大的水分吸持能力[12],保水劑施入土壤后將與植物競爭水分,造成土壤中植物可利于水分減少,該研究中在鉛污染較重土壤上加入的大劑量保水劑量可能偏大,吸持了過多土壤水分并限制蔬菜生長對土壤水分的需求,進而不利蔬菜生長并導致減產.

保水劑除吸持水分和固定重金屬功能外[7,12],也吸持固定氮磷鉀等可溶性養分且釋放緩慢[11],一定時間內降低了土壤中植物可吸收養分數量,減少了植物吸收數量.該研究發現,相比CK處理,施用保水劑后在第25天甚至到第40天仍抑制了蔬菜中養分含量及積累量,但影響程度受土壤污染程度、保水劑用量和養分類型制約.保水劑施用量越大則在前期抑制植物對養分吸收程度表現越明顯,萬惠娥等[16]基于非污染土壤的農作物保水劑應用研究也發現了類似的結果.該研究發現,在鉛污染土壤上施用保水劑不同程度顯著增加了鉀、氮、磷素積累量和肥料的農學利用效率.

該研究中,施用保水劑提高了植株體內養分積累量,但前期效果不如后期明顯,這主要是由于保水劑緩慢釋放固持的速效養分及蔬菜生物量較小共同作用的原因.施用保水劑處理氮、磷、鉀主要養分呈生長中期含量較高而生長后期又下降趨勢,但積累量隨生育進程持續增加.這表明一方面保水劑對養分的釋放可能使40d左右土壤中養分供應量較大,后期降低除養分供應原因外,還應與植物生長的"稀釋效應"有關,但隨著植株體的增大,養分積累量呈增大趨勢.鉛污染土壤上,施用保水劑能提高肥料的利用率,在污染較輕土壤上施用較大用量保水劑提高磷鉀肥利用率的幅度更大,這與劉世亮等[10]研究結果一致;而較小劑量的保水劑提高污染較輕土壤上氮素利用效率幅度比大劑量更大,而且在污染較重土壤上小劑量比大劑量更能提高氮磷鉀肥的利用效率,這與劉世亮等[10]研究結果不一致.劉世亮等[10]將保水劑應用于非污染土壤上種植的玉米上發現施用保水劑能提高氮磷鉀肥料的利用率,較大的保水劑用量改土提高肥效作用更好.表明除植物類型差異原因外,土壤污染因素將會影響保水劑用量及其促控肥效作用[11].此外,保水劑用量對蔬菜重金屬鉛的吸收與積累的影響,事關蔬菜生產安全,應作為下一步研究的重點.

保水劑改良鉛污染土壤影響蔬菜生長與氮磷鉀肥利用效率.土壤鉛污染加重不利于蔬菜生長與吸收利用氮磷鉀養分,鉛污染較輕土壤上增加保水劑用量和污染較重土壤上施用小劑量保水劑有助于蔬菜增產;隨土壤鉛污染加重,較小的保水劑用量有利于養分的吸收利用,但存在氮磷鉀養分種類差異.改良鉛污染土壤保水劑用量適宜范圍為1.2~2.4g/kg干土,污染較輕可加大保水劑用量,而污染較重易降低保水劑用量.

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