调理剂对镉轻度污染农田蔬菜安全利用效果研究_聂娟娟.pdf

安徽科技学院学报，（）：收稿日期：基金项目：安徽省科技重大攻关项目（）。作者简介：聂娟娟（），女，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事生态环境与修复研究。通信作者：马友华，教授，：。调理剂对镉轻度污染农田蔬菜安全利用效果研究聂娟娟，陶荣浩，王宗亚，丁文清，胡兆云，李丁，马友华（安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥 ；安徽农业大学 资源与环境学院，农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽 合肥 ；皖江工学院 水利工程学院，安徽 马鞍山 ；铜陵市义安区农业技术推广中心，安徽 铜陵 ；芜湖格丰环保科技研究院有限公司，安徽 芜湖 ）摘要：目的：探究调理剂对镉轻度污染耕地蔬菜安全利用的效果。方法：通过年季田间试验，研究森美思纳米材料、石灰和钙镁磷肥对土壤有效态镉含量及不同种类蔬菜镉含量的影响。结果：不同调理剂对蔬菜可食用部位镉含量均有不同程度的降低，森美思对萝卜、大白菜、包菜、生姜和空心菜镉含量降低幅度为 。石灰对水芹菜、菠菜和辣椒镉含量降低幅度为 。钙镁磷肥对小白菜镉含量降低了 。仅空心菜超标，其余均未超标。不同处理均能在提高蔬菜土壤 的同时降低土壤有效态和蔬菜镉含量。相较于当季对照，土壤 提高了 ，土壤有效态镉则降低了 ，森美思对降低土壤有效态镉含量的效果最显著。双因素方差分析表明蔬菜种类和调理剂类型对蔬菜可食用部位镉及土壤有效态镉产生显著影响（）。结论：季连续施用调理剂能够实现轻度镉污染农田蔬菜的安全利用。关键词：土壤调理剂；蔬菜；镉污染；修复中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，；，；，）：，：，：，（）：；当前，由土壤重金属污染引起的农产品安全问题已经受到社会的广泛关注。土壤重金属含量过高会对蔬菜的生长及品质造成不良影响，人们食用被重金属污染的蔬菜等农产品后，重金属会富集在人体内，对身体健康造成威胁。农作物对土壤中 的吸收和富集的一个显著特点是生长并未受到太大影响，但产品中 含量却超过了相关标准限值。土壤重金属污染引发蔬菜重金属超标的现象已经愈发严重，因此如何对蔬菜地重金属污染进行修复和蔬菜的安全生产，是当前镉污染区域亟待解决的问题。原位化学修复技术具有成本低、对土壤干扰小、实施便捷、见效快等优点，广泛应用于大面积中轻度重金属污染耕地修复中。研究表明，在镉污染土壤施用调理剂可以抑制植物对镉的吸收。郭利敏等研究发现，赤红壤施用石灰、钙镁磷肥均能使土壤有效态 活性下降，降低小白菜 含量。余祖琛等研究表明，土壤调理剂能显著降低上海青和夏阳白中 含量。庞发虎等 运用盆栽试验表明，稻壳生物炭及羊粪有机肥等重金属调理剂均能显著降低生菜可食用部分 的含量。靳辉勇等 通过田间试验表明，硅酸盐土壤调理剂能够显著提升土壤，降低土壤 活性和蔬菜中 的积累量。李明德等 的盆栽试验结果显示，海泡石处理可使土壤有效态 含量降低，减弱空心菜对 的吸收。肖细元等 研究表明，施加适量的石灰能显著减少小白菜对重金属 的吸收，抑制其在蔬菜中由地下部向地上部的转运能力。朱维等 发现施加组配调理剂能够显著提高土壤，降低土壤中交换态 和 的含量以及蔬菜植株各部位中 和 的含量。同时，冉洪珍等 通过年田间试验表明，石灰与有机肥配施可使污染稻田土壤中有效态 和水稻 含量下降。赵颖颖等 试验表明，施用生石灰和纳米材料等均能显著提高土壤，并有效抑制土壤 的活性。当前多项研究报道了重金属调理剂能够阻控蔬菜对 的吸收。但这些研究基本上是单次试验且主要集中在短期的盆栽试验，存在较强局限性。调理剂连续施用的研究并不多，而修复效果与土壤性质、污染物类型、蔬菜种类密切相关，同时也缺少多种调理剂的田间对比效果试验。因此，为降低蔬菜重金属的污染风险，全面提升蔬菜产地安全水平，本研究选取我国铜陵市某硫铁矿区附近的轻度 污染蔬菜产地进行修复试验，以期为镉轻度污染农田蔬菜安全利用效果研究提供科学依据。材料与方法 研究区域概况试验地位于安徽省铜陵市某存在 污染风险的安全利用类蔬菜地内，试验地一直用于当地轮作蔬安徽科技学院学报 年菜的种植。供试土壤 含量为 ，土壤有效态 含量为 ，根据 ，本试验地土壤属于安全利用类耕地。供试土壤为中壤，土壤 为 ，有机质含量为 ，碱解氮含量为 ，有效磷含量为 ，速效钾含量为 。试验设计本试验设个处理：（）对照（）：不施加土壤调理剂；（）森美思处理（）：施用 的森美思纳米材料；（）石灰处理（）：施用 石灰；（）钙镁磷肥处理（）：施用 钙镁磷肥。修复材料采用季连续施用的方式。本蔬菜试验共进行季：第季于 年月种植小白菜（小头青）、水芹菜和菠菜（绿贝贝）等种蔬菜，年月收获；第季于 年 月种植大白菜（大头青）、萝卜（圆白萝卜）和包菜（丰康）等种蔬菜，年 月收获；第季于 年月种植辣椒（皖椒号）、空心菜和生姜（铜陵白姜）等种蔬菜，于 年月收获。共布设 个小区，采用随机排列的方式，每个小区面积（），每个处理个重复，小区间沟宽，重复之间宽。肥料的施用依据当地高产栽培技术，调理剂于肥料施入周前施入各小区，用旋耕机混匀。蔬菜生长期间灌溉所使用的水源符合 。供试材料石灰中含 ，为 ，含量为 。钙镁磷肥中含 ，为 ，含量为 。森美思纳米材料主要成分包括凹土、蒙脱土、改性助剂和石灰 等，含 量 为 ，为 。本 试 验 土 壤 调 理 材 料 重 金 属 含 量 均 符 合 和 规定的限值。样品采集与处理每季蔬菜成熟后采集蔬菜和土壤样品，在每个小区利用对角线法选取个点，用不锈钢剪刀采集蔬菜可食部分并混合；用竹铲采集 耕层土壤样品并混合，利用四分法留存。采集的蔬菜鲜样用去离子水清洗，杀青 ，然后 烘干至恒重，粉碎，过 目尼龙筛，装入封口袋保存。采集的土壤样品阴凉处自然风干，然后用木棍碾压，将杂物剔除，分别过和 尼龙筛，保存。分析方法土壤有效态（）的测定参照 ，使用 原子吸收分光光度计（德国耶拿）火焰法测定；蔬菜样品中 含量参照 ，采用电感耦合等离子体质谱法测定；其余理化指标按照国标方法和 土壤农化分析 测定，土壤 采用去 蒸馏水浸提（土水比），精密 计（）测定。同时在试验中加入国家标准参比物质，分别用 、和 进行质量控制分析，结果均符合允许的误差范围。评价标准富集系数（）和镉单因子超标指数（）参照应蓉蓉等 方法进行计算。在供试的种蔬菜中，小白菜、水芹菜、菠菜、大白菜和包菜的限量值为 ；萝卜、空心菜和生姜的限量值为 ；辣椒的限量值为 。由表所示，根据值的范围，可将农产品超标程度分为级。表农产品超标程度分级 超标等级未超标 轻度超标 重度超标 数据处理本试验获取的所有数据均采用 和 软件进行分析，同时采用 软件进行单、双因素方差分析，多重比较，法进行相关性分析。第 卷第期聂娟娟，等：调理剂对镉轻度污染农田蔬菜安全利用效果研究结果与分析 不同处理对蔬菜可食用部位 含量的影响如图所示，各处理相较于空白均能降低种蔬菜中可食用部位 的含量。其中，在、和处理下，第季种植的蔬菜 含量降低率分别为 、和 ；第季种植的蔬菜 含量的降低率分别为 、和 ，第季种植的蔬菜 含量降低率分别为 、和 。综合季蔬菜 含量降低效果，处理下不同蔬菜 含量降低效果最为显著，降低幅度为 ，但该处理未能将空心菜、辣椒等蔬菜 含量降低至标准以下；处理下的水芹菜、菠菜和辣椒降低效果最显著，降低幅度为 ，但在连续施用的后两季效果有所降低；处理下的小白菜 含量降低效果最为显著，降低幅度为 ，连续施用后效果提升最显著。图不同处理对蔬菜可食用部位 含量的影响 注：柱上不同字母表示处理间差异显著（）。下同。不同种类蔬菜中重金属 的富集作用由表可知，各处理下不同蔬菜种类对 的富集能力有差异。在 处理下，不同蔬菜对 的富集系数为 ，萝卜、水芹菜和生姜对 富集能力最弱；在 处理下，不同蔬菜对 的富集系数为 ，萝卜、水芹菜和小白菜对 富集能力最弱；在处理下，不同蔬菜对 的富集系数为 ，水芹菜、小白菜和萝卜对 富集能力最弱。根据农产品超标程度等级划分，辣椒和空心菜超出限量标准，存在轻度超标现象。从本试验的蔬菜种类划分来看，对 富集能力最强和污染指数最大的是叶菜类，最小的是瓜果类。表调理剂对蔬菜 的富集系数及超标指数影响 种类空白 森美思 石灰 钙镁磷肥 小白菜 水芹菜 菠菜 萝卜 大白菜 包菜 生姜 辣椒 空心菜 注：表中数据为“平均值标准差”。下同。安徽科技学院学报 年 调理剂连续施用对蔬菜地土壤、有机质和有效态 含量的影响由图可知，不同土壤调理剂处理对土壤、有机质和有效态 含量的影响程度具有显著差异性。与当季 处理相比，、和处理均能处理能使土壤 显著升高。季不同处理较当季 处理土壤 分别提高 、和 个单位，均能提高土壤，效果表现为 。与当季 处理相比，在、和处理下均能显著使土壤有效态 含量降低。相较于当季空白，不同处理下土壤有效态 含量分别降低了 、和 。其中 处理对土壤有效态 含量的降低效果最显著，不同处理对降低土壤有效态 的效果为：。除第季的 处理外，其余季不同处理均能显著提高土壤有机质含量，其中处理更能有效提高土壤有机质含量，这是由于钙镁磷肥的肥效平缓，磷素利用率高，有助于提高土壤的钙镁等营养元素含量，提高土壤有机质含量。图不同处理对土壤、有机质和土壤有效态 含量的影响 ，蔬菜中镉与土壤有效态、和有机质含量相关性分析通过对不同蔬菜种类的各个处理下蔬菜中 含量与土壤、有效态 含量和有机质含量进行相关性分析，结果如表所示，土壤有效态 含量与土壤、有机质含量均呈极显著性负相关（）；土壤 与有机质含量呈现极显著正相关（）。虽然蔬菜可食用部位 含量与土壤、有效态 含量呈现负相关关系，蔬菜可食用部位 含量与土壤有效态 含量呈现相关关系，但二者之间不显著。表蔬菜可食用部位 含量与土壤、有效态 和有机质含量的相关性分析 ，土壤 蔬菜 含量有效态 含量有机质含量土壤 蔬菜 含量 有效态 含量 有机质含量 注：在 级别，相关性极显著；在 级别，相关性显著。蔬菜种类与不同处理交互作用对蔬菜及土壤的双因素方差分析如表所示，通过双因素方差分析表明蔬菜种类和种类类型处理类型对蔬菜可食用部位 含量以及土壤有效态 均产生显著影响（），处理类型对蔬菜可食用部位 含量以及土壤有效态 无显著性影响；就衡量因素作用大小的平方和来看，种类类型处理类型对蔬菜可食用部位 含量的影响最明显，即蔬菜可食用部位对 的吸收特征主要受种类类型处理类型的控制；种类类型对土壤有效态 含量的影响最明显，即土壤有效态 的吸收特征主要受种类类型的控制。第 卷第期聂娟娟，等：调理剂对镉轻度污染农田蔬菜安全利用效果研究表蔬菜可食用部位 及土壤有效态 的双因素方差分析 因素变异来源平方和均方值值蔬菜 含量种类类型处理类型种类类型处理类型 土壤有效态 含量种类类型处理类型种类类型处理类型 注：表中数据自由度值；表示该变异来源因素对蔬菜部位中 含量影响显著。下同。通过种类和处理类型对土壤有效态 含量影响进行双因素分析，结果如表所示，在第季，种类类型和种类类型处理类型的交互效应对土壤有效态 含量的影响存在主效应，均达到极显著水平（），说明土壤有效态 含量受到了种类类型和种类类型处理类型的影响。在后季，种类类型、处理类型和种类类型和处理类型的交互效应对土壤有效态 含量的影响均达到了极显著水平（），说明土壤有效态 含量受到了种类类型、处理类型和二者交互效应的影响。这三者对土壤有效态 含量影响的离散平方和顺序为种类类型种类类型处理类型处理类型。表土壤有效态 含量双因素方差分析 时间变异来源平方和均方值值第季种类类型处理类型种类类型处理类型 第季种类类型处理类型种类类型处理类型 第季种类类型处理类型种类类型处理类型 结论与讨论本研究中种土壤调理剂均能使种蔬菜可食用部位 含量有不同程度的降低。处理对萝卜、大白菜、包菜、生姜和空心菜中可食用部位 含量降低效果最为显著。、和处理均能一定程度降低土壤有效态 含量。其中连续季施用的种修复材料效果最好的均为 处理；处理下第季修复效果较好，后季效果不明显；处理下前季修复效果不明显，第季修复效果有所提升。不同种类蔬菜对 的富集能力存在差异，根据农产品超标程度等级划分，空心菜超出限量标准，存在轻度超标现象。从本试验的蔬菜种类划分来看，蔬菜富集 表现为：叶菜类根茎类茄果类。本试验结果表明，土壤调理剂的施用能够使土壤有效态 含量下降，进而使蔬菜对重金属的吸收能力下降，蔬菜可食用部位 也随之减少，与陈丹艳等 的研究结果一致。余祖琛等通过不同处理使土壤中有效态 含量降低，减弱土壤中重金属向植株部位的转运能力，使上海青和夏阳白中的重金属含量降低。鄢德梅等 研究发现，在施用钙镁磷肥条件下，可以使土壤有效态 活性降低，使水稻对 的吸收能力下降，降低籽粒中 含量。不同种类的蔬菜对重金属的吸收富集和吸收具有差异性。邹素敏等 研究表明，蔬菜中重金属含量不仅受到其本身的生理特性和遗传因素的影响，还与重金属在土壤作物系统中的迁移转化有关。周根娣等 的调查结果显示，叶菜类与其它种类的蔬菜相比污染更为严重。王丽凤等 通过对沈阳市蔬菜中重金属含量进行研究，发现蔬菜种类 含量的顺序为：叶菜类根茎类安徽科技学院学报 年瓜果类。杨晖等 把在丽水蔬菜基地采集的类种蔬菜作为研究对象，发现 的积累大小为：叶菜类花菜类根茎类茄果类。本研究表明，在 污染蔬菜地的同一处理条件下，不同种类之间重金属吸收程度不同，除部分蔬菜由于其特殊的生物结果、遗传基因等原因外，基本符合叶菜类根茎类茄果类的规律，这与周建昌等 对大宗消费蔬菜种类重金属积累规律的研究结果一致。研究结果显示，在添加土壤调理剂后，不同处理对土壤 和有效态 含量的影响程度具有显著差异性，同时也不同程度提高了土壤养分含量。土壤调理剂能够将可交换态的 转换为其他形态，使土壤中有效 含量显著降低，进而抑制蔬菜对 的吸收，降低蔬菜可食用部位 含量。不同土壤调理剂均可提高酸性土壤，效果表现为：。相关研究表明，含 的碱性调理剂施用后能有效降低蔬菜对 的吸收和转移能力。因此，在 含量超标的农田土壤中施用纳米修复材料、钙镁磷肥和石灰等含 成分的土壤调理剂，不仅可以提升土壤，还能显著降低土壤中有效态 含量，使土壤中有效重金属含量降低 。本研究中的、和处理均降低了土壤有效态 含量。其中，处理在改善土壤 和养分含量的同时，抑制了土壤中 向蔬菜可食用部分转化，这可能是由于处理中含有 、和，它们通过提高土壤，使土壤颗粒表面负电荷增加，促使土壤中 元素形成氢氧化物或碳酸盐结合态盐类沉淀。在 污染土壤上施用调理剂不仅会提高土壤，也会使土壤中重金属的形态及生物有效性发生改变。黄东风等通过研究发现，在土壤中施用含 的土壤调理剂，能够提高土壤，并使土壤有效态 含量降低。本试验相关性分析也表明，土壤有效态 与土壤 呈现出极显著性负相关，施用土壤调理剂能够提高土壤。张迪等 研究表明，石灰主要是通过提高土壤 来降低活性态 的含量，从而降低土壤中 的可移动性，最终达到降低蔬菜中 含量的目的。本研究中，、和 处理下均能显著降低土壤有效态 含量，处理对土壤有效态 含量的降低效果最显著。诸多研究表明，黏土矿物类修复材料对土壤中 具有较强的吸附和离子交换能力，能够有效降低土壤中 的可移动性。本试验中所用森美思纳米材料中含有大量的 、等离子和凹土、蒙脱土等黏土矿物，增强了土壤中有机质表面和水合氧化物的负电荷，加大对 的吸附。参考文献：黄国鑫，刘瑞平，杨瑞杰，等我国农用地土壤重金属污染风险管控研究进展与实践要求环境工程，（）：刘霈珈，吴克宁，罗明，等农用地土壤重金属超标评价与安全利用分区农业工程学报，（）：索琳娜，刘宝存，赵同科，等北京市菜地土壤重金属现状分析与评价农业工程学报，（）：睢福庆水稻对污染元素镉的积累机制和控制途径南京：南京农业大学，李涵，郭欢乐，柳瑜，等农田土壤重金属污染及调控措施（英文），（）：冯英，马璐瑶，王琼，等我国土壤蔬菜作物系统重金属污染及其安全生产综合农艺调控技术农业环境科学学报，（）：黄东风，王利民，李卫华，等重金属钝化剂对蔬菜土壤系统 和 的钝化效果研究生态环境学报，（）：郭利敏，艾绍英，唐明灯，等 不同改良剂对镉污染土壤中小白菜吸收镉的影响 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