保水剂改良铅污染土壤对蔬菜的生产的作用

　　当前农业土壤遭受重金属污染日趋加重.统计资料表明,我国受Pb、Cd、As、Cr等重金属污染的耕地面积近2 000万hm²,约占耕地总面积的1/5[1].长江三角洲地区约有10%的耕地因重金属污染基本丧失生产力.

　　因此如何有效地控制及治理土壤重金属的污染,改良土壤质量,已成为农业生态环境保护研究中一项十分重要的内容.重金属危害农作物生长、造成减产甚至绝收,被农作物吸收后进入食物链危害人畜健康.改良污染土壤、抑制重金属活性减轻其危害是当前治理污染土壤的主要途径.保水剂可改善土壤结构[2]、保贮水分[3-5],减少水土流失[6],能促进作物出苗、成活及存活率[3,7],增加干物质积累和粮食生产[7-9],调控水肥,影响粮食作物与药用植物田的土壤养分转化与供应[8,10-12].然而,针对保水剂的改良污染土壤效应及其对植物生长与养分吸收利用规律的研究鲜见报道.污染土壤应用保水剂改良及其相关研究的尚缺失不利于污染土壤改良和发展节水农业蔬菜栽培技术,该试验针对此问题进行了深入研究,以期为污染土壤改良中保水剂的合理应用、节水高产栽培提供参考依据.

　　1材料与方法

　　1.1试验材料

　　供试土壤为褐土,取自农场大田耕层,土壤经自然风干后,拣去植物未腐烂残体后混匀备用.其基础理化性状为:pH 8.3、有机质13.6g/kg、碱解氮74mg/kg、有效磷12.5mg/kg、速效钾123mg/kg.氮、磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙、硫酸钾;供试保水剂购置于市场,"上海青"小白菜种子购置于洛阳市洛龙种子公司.

　　1.2试验方法

　　试验于2011年在河南科技大学试验农场网室进行.按土壤污染程度(2水平)×改良剂添加量(3水平)双因素设计,通过盆栽试验进行.供试土壤污染剂选用醋酸铅,改良剂选用保水剂;其中,醋酸铅分Q(轻微污染土壤,按纯铅量0.02g/kg干土添加)和Z(较重污染土壤,纯铅量0.04g/kg干土添加)2个水平,保水剂分CK(对照,不施保水剂)、G1(小剂量,施用保水剂1.2g/kg干土)和G2(大剂量,施用保水剂2.4g/kg干土)3个水平.组合成QCK、QG1、QG2、ZCK、ZG1、ZG2共6个处理,随机区组排列,9次重复.试验盆皿为市售PVC大桶(高60cm,直径50cm),每盆装干土35kg.氮(N)用量每盆2.1g(折合约135kg N/hm²),磷(P2O5)和钾(K2O)肥用量分别为每盆1.4g(约合P2O5或K2O90kg/hm²),氮磷钾肥分别选用尿素、过磷酸钙、氯化钾.准确称量保水剂改良剂、醋酸铅污染剂与供试土壤充分混均后装盆.每盆栽植65株"上海青",幼苗高1cm时疏苗至50株.分别于出苗后第25、40、60天,每处理随机选取生长均匀一致的3盆进行测定.

　　1.3项目测定

　　种植前45d装盆以确保土壤自然压实,试验盆埋入地下0.5m,底部均匀打直径为1cm的6个孔,覆盖以300目尼龙网布以利桶内水分与土体自由交换.2011年6月2516月28日出苗.种植前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.整个测定期内除施肥、特旱时保苗灌等量水外,其它时期均依靠自然降水.

　　收获时测定完土壤容重后,将"上海青"小白菜植株从盆中完整取出,用自来水洗净根系泥土将植株放入烘箱中在105℃条件下杀青30min,80℃条件下经过48h烘至恒重,称量干重.样品经粉碎,过60目筛后待测N、P、K含量.

　　全N采用H2SO4-H2O2消煮-开氏法测定;全P采用H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色法测定;全K采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度计法测定;具体操作详见文献[6].养分积累量(g/盆)=干物质重(g/盆)×养分含量(g/kg)/1000;农学养分利用效率(%)=某养分干物质积累总量/施肥纯养分量×100%.

　　1.4数据分析

　　试验数据采用Excel软件进行方差分析和作图.

　　2结果与分析

　　2.1保水剂与醋酸铅用量对蔬菜生物量的影响

　　从表1可以看出,各处理生物量随生育进程均增加,但保水剂施用量对植物生长的影响因土壤铅污染程度而异.

　　ZCK相比QCK处理,蔬菜生物量随生育进程呈降低趋势,并在第60天显着降低9.7%,表明污染加重将抑制蔬菜生长.相比未施改良剂CK处理,轻微污染土壤上,保水剂施用增加了蔬菜的生物产量,增幅随保水剂用量的增加而增大;QG2比QG1处理在第25、40、60天分别显着增加了7.4%、14.5%、12.1%,表明利用保水剂改良轻微铅污染土壤促进了蔬菜生长且促进效应与施用量呈正相关.相比CK处理,较重污染土壤上,施用小剂量保水剂有用助于蔬菜生长,而施用大剂量保水剂则不利于蔬菜生长;ZG1比ZCK处理在第40、60天分别显着增加蔬菜生物量24.7%、11.3%,ZG2相比ZCK处理差异均未达到显着水平,ZG2相比ZG1处理在第25、40、60天显着降低4.2%~19.5%,表明改良较重铅污染土壤施用小剂量保水剂能促进蔬菜生长,而施用大剂量保水剂无增产效应.

　　2保水剂与醋酸铅用量对植株养分吸收积累的影响

　　2.2.1氮素

　　从表2可以看出,随着生长进程,所有处理蔬菜植株氮素含量与总吸氮量分别呈下降与增加趋势.ZCK相比QCK处理,随土壤铅污染而加重,第25天蔬菜中氮含量减少6.2%和总吸收氮量显着降低8.0%(P<0.05),但第40、60天蔬菜中氮含量则显着增加7.2%、22.4%(P<0.05)和氮素积累量则分别略增3.9%和显着增加12.4%(P<0.05).保水剂用量对植株吸收积累氮素的趋势明显受土壤铅污染程度影响.

　　轻微铅污染土壤上,施用小剂量保水剂在第25天显着降低蔬菜中氮素含量8.3%,而第40、60天则显着增加12.0%、58.5%,相应的氮素积累量分别降低5.2%和显着增加18.3%、74.0%;施用大剂量保水剂则增加蔬菜中氮素含量与积累量,并在第40天和第60天分别显着增加18.5%、23.0%和43.1%、52.4%.较重铅污染土壤上,施用小剂量与大剂量保水剂均降低了第25天蔬菜中氮素含量与积累量,在第40天大剂量显着增加蔬菜中氮素含量9.7%和积累量11.5%,小剂量不影响氮含量但显着增加了氮素积累量的26.5%;在第60天施用保水剂对蔬菜中氮素含量与积累量均无显着影响.总之,调控铅污染土壤上植株体内的氮素吸收与积累,需根据铅污染程度选择合适保水剂用量.

　　2.2.2磷素

　　由表3可知,随生长进程,所有处理植物体内磷素积累量呈上升趋势.ZCK相比QCK处理,土壤铅污染加重显着降低了第25天蔬菜中磷素含量和积累量32.3%、34.8%,第60天磷素积累量15.8%,其它未达到显着水平.轻微和重铅污染土壤施用保水剂在第25天均降低了蔬菜磷素含量,在重污染土壤上施用大剂量保水剂在第40天显着降低磷素含量11.1%,第60天无显着影响.轻微铅污染土壤上,施用保水剂显着降低第25天蔬菜中磷积累量40.4%~41.5%,在第40、60天施用小剂量保水剂具有增加磷素积累量趋势,而施用大 剂 量 保 水 剂 则 显 着 增 加 磷 素 积 累 量13.7%、20.6%.较重铅污染土壤上,施用小剂量保水剂在第40、60天显着增加磷素积累量22.6%、25.2%,而施用大剂量保水剂在第25、40天均降低了磷素积累量,在第60天则显着增加9.4%.综合来说,调控铅污染土壤上植株体内的磷素积累,需要根据铅污染程度、生长时间等因素来选择适宜的保水剂用量.

　　2.2.3钾素

　　由表4可知,随生长进程,植株体内的钾素含量除较重铅污染土壤呈持续降低趋势以外均呈先增加后降低趋势,而积累量则均呈增加态势.相比CK处理,施用保水剂处理在第60天显着增加了轻微铅污染土壤上和在第40、60天较重铅污染土壤上生长的蔬菜中钾素含量;轻微铅污染土壤上,随保水剂用量增大在40d前具有降低蔬菜中钾素含量态势,而钾积累量在第60天显着增加12.8%;较重铅污染土壤上,随保水剂用量增 大 蔬 菜中的钾素含量仅在第60天显着增 加13.2%,其它2个测定时段均未达显着差异水平,但钾素积累量在第40天显着降低24.9%.综上,轻微铅污染土壤上施用较大剂量保水剂一定程度上有利于钾素积累,而较重铅污染土壤上施用较小剂量保水剂有利于钾素积累.

　　2.3保水剂与醋酸铅用量对肥料利用率的影响

　　从图1可以看出,氮、磷、钾肥的农学利用效率与肥料种类、保水剂用量水平、土壤遭受铅污染的程度密切相关.ZCK相比QCK处理,氮肥利用效率略有提高,但磷、钾肥利用效率显着下降15.9%、21.9%.施用保水剂后,氮、磷、钾肥的农学利用效率随土壤铅污染程度的增加均降低.相比CK处理,轻微铅污染土壤上,施用小剂量和大剂量保水剂均显着增加了氮、磷、钾肥的养分利用效率;较重铅污染土壤上,施用保水剂未显着影响氮肥的农学利用效率,而施用小剂量、大剂量保水剂则显着增加了磷、钾肥的农学利用效率.保水剂施用在轻微铅污染土壤上随用量增加具有降低氮肥和增加磷钾肥农学利用效率的趋势;在较重铅污染土壤上随保水剂用量水平的增加显着降低了磷肥的利用效率12.6%,对氮钾肥的利用效率影响不大.表明施用保水剂改良土壤影响肥料利用率,影响程度受综合因素制约.

　　3讨论与结论

　　自20世纪末,土壤遭受重金属污染形势日益严峻[1,13],改良污染土壤是减少重金属危害,促进植物生长遏制土壤退化的重要措施[14],高聚物保水剂是功能多样优质的土壤改良剂[7,9].该研究发现,重金属铅污染土壤程度愈重则对蔬菜生长抑制程度越大.在其它作物上也获得了类似结果[5,7,11].该研究表明,铅污染较轻土壤上施用保水剂将显着增加蔬菜生物量,增幅随着保水剂用量的增加而增大,而在污染较重的土壤上施用小剂量的保水剂有助于增产、施用大剂量的则不利于蔬菜生长.由于保水剂具有丰富的活性功能基团,能与重金属发生多种形式结合,将土壤重金属固定钝化来减轻重金属的危害[7],保水剂用量越大则解除土壤中重金属的生物毒害能力愈强[15],越能减少污染危害促进植物生长.

　　然而,在较重铅污染土壤上施用大剂量保水剂降低了蔬菜生物量,这与保水剂钝化固定重金属减少污染危害促进植物生长作用相矛盾.由于保水剂具有强大的水分吸持能力[12],保水剂施入土壤后将与植物竞争水分,造成土壤中植物可利于水分减少,该研究中在铅污染较重土壤上加入的大剂量保水剂量可能偏大,吸持了过多土壤水分并限制蔬菜生长对土壤水分的需求,进而不利蔬菜生长并导致减产.

　　保水剂除吸持水分和固定重金属功能外[7,12],也吸持固定氮磷钾等可溶性养分且释放缓慢[11],一定时间内降低了土壤中植物可吸收养分数量,减少了植物吸收数量.该研究发现,相比CK处理,施用保水剂后在第25天甚至到第40天仍抑制了蔬菜中养分含量及积累量,但影响程度受土壤污染程度、保水剂用量和养分类型制约.保水剂施用量越大则在前期抑制植物对养分吸收程度表现越明显,万惠娥等[16]基于非污染土壤的农作物保水剂应用研究也发现了类似的结果.该研究发现,在铅污染土壤上施用保水剂不同程度显着增加了钾、氮、磷素积累量和肥料的农学利用效率.

　　该研究中,施用保水剂提高了植株体内养分积累量,但前期效果不如后期明显,这主要是由于保水剂缓慢释放固持的速效养分及蔬菜生物量较小共同作用的原因.施用保水剂处理氮、磷、钾主要养分呈生长中期含量较高而生长后期又下降趋势,但积累量随生育进程持续增加.这表明一方面保水剂对养分的释放可能使40d左右土壤中养分供应量较大,后期降低除养分供应原因外,还应与植物生长的"稀释效应"有关,但随着植株体的增大,养分积累量呈增大趋势.铅污染土壤上,施用保水剂能提高肥料的利用率,在污染较轻土壤上施用较大用量保水剂提高磷钾肥利用率的幅度更大,这与刘世亮等[10]研究结果一致;而较小剂量的保水剂提高污染较轻土壤上氮素利用效率幅度比大剂量更大,而且在污染较重土壤上小剂量比大剂量更能提高氮磷钾肥的利用效率,这与刘世亮等[10]研究结果不一致.刘世亮等[10]将保水剂应用于非污染土壤上种植的玉米上发现施用保水剂能提高氮磷钾肥料的利用率,较大的保水剂用量改土提高肥效作用更好.表明除植物类型差异原因外,土壤污染因素将会影响保水剂用量及其促控肥效作用[11].此外,保水剂用量对蔬菜重金属铅的吸收与积累的影响,事关蔬菜生产安全,应作为下一步研究的重点.

　　保水剂改良铅污染土壤影响蔬菜生长与氮磷钾肥利用效率.土壤铅污染加重不利于蔬菜生长与吸收利用氮磷钾养分,铅污染较轻土壤上增加保水剂用量和污染较重土壤上施用小剂量保水剂有助于蔬菜增产;随土壤铅污染加重,较小的保水剂用量有利于养分的吸收利用,但存在氮磷钾养分种类差异.改良铅污染土壤保水剂用量适宜范围为1.2~2.4g/kg干土,污染较轻可加大保水剂用量,而污染较重易降低保水剂用量.

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