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Cadmium security analysis of different organic materials and passivators under ryegrass-Guimu 1 hybrid rotation in soils with low Cd environmental capacity

有机物料和钝化剂对低Cd环境容量土壤黑麦草与桂牧1号轮作的Cd安全分析



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫20150303 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
谢运河,纪雄辉,黄涓,刘昭兵,朱坚.有机物料和钝化剂对低Cd环境容量土壤黑麦草与桂牧1号轮作的Cd安全分析.草业学报,2015,24(3):
3037.
XieYH,JiXH,HuangJ,LiuZB,ZhuJ.CadmiumsecurityanalysisofdifferentorganicmaterialsandpassivatorsunderryegrassGuimu1hybrid
rotationinsoilswithlowCdenvironmentalcapacity.ActaPrataculturaeSinica,2015,24(3):3037.
有机物料和钝化剂对低犆犱环境容量土壤
黑麦草与桂牧1号轮作的犆犱安全分析
谢运河1,2,3,纪雄辉1,2,3,黄涓1,3,刘昭兵2,3,朱坚1,3
(1.中南大学研究生院隆平分院,湖南 长沙410125;2.湖南省土壤肥料研究所,湖南 长沙410125;
3.农业部长江中游平原农业环境重点实验室,湖南 长沙410125)
摘要:针对南方稻田土壤酸化、重金属Cd环境容量小,采用田间小区试验研究改制黑麦草-桂牧1号轮作模式下
不同施肥和酸化调理对牧草质量安全的影响。结果表明,有机肥及其与石灰配施显著增加黑麦草与桂牧1号产
量,总鲜重分别达3.19×105,2.74×105kg/hm2,比单施化肥(对照)分别增产43.10%(犘<0.05),22.73%(犘<
0.05),而石灰、赤泥、稻草等对黑麦草和桂牧1号产量无显著影响;石灰、赤泥、有机肥及有机肥与石灰配施皆能提
高土壤pH值,降低土壤有效态Cd含量及其生物有效性;但有机肥、稻草的施用增加了土壤Cd残留。因此,应控
制有机肥和稻草的Cd含量与用量,以确保土壤的安全可持续利用;同时,低Cd环境容量土壤施用含Cd有机物料
不建议施用石灰等钝化剂,以促进南方牧草种植系统重金属循环减控。
关键词:镉;牧草;桂牧1号;黑麦草;有机肥;钝化剂  
犆犪犱犿犻狌犿狊犲犮狌狉犻狋狔犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狅狉犵犪狀犻犮 犿犪狋犲狉犻犪犾狊犪狀犱狆犪狊狊犻狏犪狋狅狉狊狌狀犱犲狉
狉狔犲犵狉犪狊狊犌狌犻犿狌1犺狔犫狉犻犱狉狅狋犪狋犻狅狀犻狀狊狅犻犾狊狑犻狋犺犾狅狑犆犱犲狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犮犪狆犪犮犻狋狔
XIEYunhe1,2,3,JIXionghui1,2,3,HUANGJuan1,3,LIUZhaobing2,3,ZHUJian1,3
1.犔狅狀犵狆犻狀犵犅狉犪狀犮犺狅犳犌狉犪犱狌犪狋犲犛犮犺狅狅犾,犆犲狀狋狉犪犾犛狅狌狋犺犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犆犺犪狀犵狊犺犪410125,犆犺犻狀犪;2.犛狅犻犾犪狀犱犉犲狉狋犻犾犻狕犲狉犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳
犎狌狀犪狀犘狉狅狏犻狀犮犲,犆犺犪狀犵狊犺犪410125,犆犺犻狀犪;3.犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲犓犲狔犔犪犫狅犳犃犵狉犻犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犻狀狋犺犲犕犻犱狊狋狉犲犪犿狅犳犢犪狀
犵狋狕犲犚犻狏犲狉犘犾犪犻狀,犆犺犪狀犵狊犺犪410125,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Toinvestigatetheinfluencesofdifferentorganicmanures,passivatorsandtheircombinationsoncad
miumcontentinforage,afieldplotexperimentwasconductedunderryegrassGuimu1hybridrotationinsouth
China,wherethepaddysoilistypicalyacidicandhaslowCdenvironmentalcapacity.Theresultsshowedthat
theyieldsofryegrassandGuimu1hybridincreasedsignificantlyby43.1%and22.7%,respectively,withthe
freshweightsreaching3.19×105and2.74×105kg/harespectively,comparedtothatofthecontrolafterthe
applicationoforganicfertilizers.Lime,redmudandricestrawexhibitednosignificanteffectsonyields.Appli
cationoflime,redmud,organicmanuresandorganicmanurescombinedwithlimecouldincreasethesoilpH,
decreasethesoilavailableCdcontentandrestrainthebioavailabilityofCd.However,theapplicationoforgan
icmanuresincreasedtheresidueofCdinsoils.Thereforedecreasingtheinputleveloforganicmanuresorusing
lowCdcontentorganicmanuresshouldensurethesustainableuseofsoil.Itisnotrecommendedtoaddpassi
第24卷 第3期
Vol.24,No.3
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年3月
March,2015
收稿日期:20140303;改回日期:20140421
基金项目:国家科技支撑计划课题(2012BAD14B171)和湖南省科技重大专项(2011FJ10023)资助。
作者简介:谢运河(1982),男,湖南新化人,在职博士。Email:yunhexie@163.com
通讯作者Correspondingauthor.Email:jixionghui@sohu.com
vatorssuchaslimewhenusingCdcontainingorganicmanurestoproduceforageunderryegrassGuimu1hy
bridrotationinlowenvironmentalcapacitysoils.
犓犲狔狑狅狉犱狊:cadmium;forage;Guimu1hybrid;ryegrass(犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲);organicmanure;passivators
土壤是环境要素的重要组成部分,它处于自然环境的中心位置,承担着环境中大约90%的来自各方面的污
染物。美国、英国、德国、荷兰等国家已经把治理土壤污染问题摆在与大气污染和水污染问题同等重要的位置,土
壤质量的研究与保护有助于整个生态环境质量的改善与提高,要做好大气和水环境的保护工作,就必须同时做好
土壤环境的防治与研究[1]。南方大面积农田土壤镉(Cd)含量为0.2~0.3mg/kg,处于土壤超标的警戒限,土壤
Cd环境容量低,如何确保其可持续利用具有重要意义。
黑麦草(犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲)-桂牧1号杂交象草(犘犲狀狀犻狊犲狋狌犿狆狌狉狆狌狉犲狌犿cv.GuimuNo.1,以下简称桂牧1
号)轮作并配施有机肥是南方牧草最主要的生产方式,但随有机肥、稻草秸秆等有机物料Cd含量逐年增加[24],
低Cd环境容量土壤上生产的牧草Cd超标风险也逐渐增大,并由畜牧业产品经过食物链逐级放大。尤其是近年
来重金属污染事件频繁发生,人们对安全食品的生产更加重视,畜牧产品质量安全控制的源头-牧草的质量安全
也引起广泛的社会关注,“安全的饲料=安全的食品”,“饲料安全=食品安全”在世界范围内已成为共识。牧草既
是饲料,又具有良好的生态保护与修复功能。特别是近年来,由于牧草具有生长快,生物量大等优点,将牧草作为
重金属土壤污染的修复植物也日益受到人们的青睐。而黑麦草和桂牧1号皆具有先锋植物特性,生长快,产量
高,可以多次刈割并再生,并且对重金属有很强的抗性和蓄积作用[2,5],也常用于治理和修复重金属污染土壤,在
土壤再利用过程中发挥着极其重要的作用。因此,在低Cd环境容量土壤上如何确保牧草Cd质量安全与确保土
壤可持续利用具有同样重要的现实意义。
本试验针对南方典型酸性低Cd环境容量稻田土壤,以稻田改制黑麦草-桂牧1号轮作模式为对象,研究有
机物料(有机肥、稻草),钝化剂(石灰、赤泥)及其配施对牧草Cd生物有效性、土壤酸性、土壤有效态Cd含量的影
响,并通过分析“土壤-植株”农田生态系统Cd平衡,估算有机肥、稻草的安全施用阈值,为南方典型酸性低Cd
环境容量土壤的安全可持续利用和优质安全牧草的生产提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试黑麦草为一年生四倍体黑麦草“海湾”;供试桂牧1号由湖南省畜牧研究所提供。
供试土壤为花岗岩发育的麻砂泥,前茬作物为水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪),pH5.05,有机质36.10g/kg,全氮2.04
g/kg,全磷0.54g/kg,全钾28.70g/kg,碱解氮150.00mg/kg,速效磷7.20mg/kg,速效钾67.02mg/kg,全量
Cd0.2205mg/kg,有效态Cd0.1214mg/kg。
供试赤泥来自郑州中国长城铝业集团,为联合法炼铝残渣。其化学性质为pH12.20,CaO399g/kg,SiO2
217g/kg,Fe2O392g/kg,Al2O359g/kg,K2O4.0g/kg,全量Cd0.06mg/kg,全量Pb173.22mg/kg,全量Zn
73.80mg/kg。赤泥风干过2mm筛待用。
供试有机肥购于长沙浩博生物技术有限公司,其全N、P2O5、K2O、有机C含量分别为7.1g/kg,21.3g/kg,
6.5g/kg,283.4g/kg,全Cd含量为0.62mg/kg。
供试稻草取自长沙县金井镇试验地周边农田,其 N、P2O5、K2O、有机C含量分别为8.7g/kg,1.1g/kg,
14.8g/kg,380g/kg,全Cd含量为0.72mg/kg。水稻收割后晒干切碎成5~8cm长的小段待用。
供试石灰购于长沙县金井镇,CaO含量545g/kg,全Cd含量0.41mg/kg。
供试尿素、过磷酸钙、氯化钾均由兴湘科技开发有限公司提供,其中尿素、氯化钾中Cd含量未检出,过磷酸
钙Cd含量为0.55mg/kg。
1.2 试验方法
试验选择桂牧1号与黑麦草轮作,设7个处理,3次重复,小区面积20m2,随机区组排列。以单施化肥(CK)
13第3期 谢运河 等:有机物料和钝化剂对低Cd环境容量土壤黑麦草与桂牧1号轮作的Cd安全分析
为对照、在施化肥的基础上增施赤泥3000kg/hm2(R1)、增施石灰1500kg/hm2(L)、增施有机肥15000kg/hm2
(M)、增施稻草7500kg/hm2(R2)、增施有机肥15000kg/hm2 和石灰1500kg/hm2(LM)、增施稻草7500
kg/hm2和石灰1500kg/hm2(LR2),共7个处理。
1.3 施肥管理
1)黑麦草
钝化剂及有机物料于2012年9月20日分小区均匀撒施,并与土壤充分混匀。基肥于9月27日施入,N、
P2O5、K2O施用量分别为150,90,90kg/hm2(施用有机物料的处理按有机物料N、P2O5、K2O养分含量的70%
进行计算,并用化肥补足),耙匀后条播黑麦草(种子用量60kg/hm2),播幅5cm,行距20cm,播种后盖土耙平并
浇水。每次刈割后追施尿素37.5kg/hm2。
2)桂牧1号
钝化剂及有机物料于2013年5月1日分小区于黑麦草行间开沟均匀撒施,并与土壤充分混匀。基肥于5月
9日在黑麦草行间隔行条施,N、P2O5、K2O施用量分别为300,90,90kg/hm2(施用有机物料的处理按有机物料
N、P2O5、K2O养分含量的70%进行计算,并用化肥补足),耙匀后覆薄土,5月10日在施肥行移栽桂牧1号,株
距70cm。每次刈割后追施尿素150kg/hm2。
1.4 取样与分析
黑麦草分别于2012年11月12日(第一茬)、12月24日(第二茬)、2013年3月5日(第三茬)、4月15日(第
四茬)、5月25日(第五茬)共取样5次,每次田间测定小区鲜草重,同时于长势均匀处刈割0.25m2(行长1m)烘
干进行测定水份含量,全部粉碎用封口袋保存备用测产;桂牧1号分别于2013年7月20日(第一茬)、9月11日
(第二茬)、10月24日(第三茬)、12月3日(第四茬)共取样4次,每次田间测定小区鲜草重,每次同时刈割5蔸烘
干测产测定水份含量,全部粉碎用封口袋保存备用。所有植株样测定前再次混匀测定Cd含量,每个样品测3个
平行,取其平均值。烘干粉碎后测定Cd含量,并于2013年5月25日、12月3日分两次取土样,土壤风干后过
0.850mm筛测定土壤有效态Cd含量以及土壤pH值。
土壤中有效态Cd含量用DTPA(二乙三胺五醋酸)浸提(土∶水=1∶5),石墨炉原子吸收分光光度计法测
定(GB/T237392009);土壤Cd全量用 HNO3HClO4HF消煮,石墨炉原子吸收分光光度计法测定(GB/T
171381997;171401997);植株 Cd含量用 HNO3HClO4 消煮,石墨炉原子吸收分光光度计法测定(GB/T
171381997;171401997)。
1.5 数据处理
植株对Cd的富集系数=植株Cd含量/土壤全Cd含量
Cd总带入量=肥料带入Cd量+钝化剂带入Cd量
土壤Cd残留量=(肥料Cd带入量-黑麦草Cd积累量)+(肥料Cd带入量-桂牧1号Cd积累量)
统计分析:采用SPSS10.0及 Microsoftexcel2003进行数据的统计分析。
2 结果与分析
2.1 有机物料和钝化剂对黑麦草、桂牧1号产量的影响
增施不同有机物料和钝化剂对黑麦草、桂牧1号产量影响显著(表1)。黑麦草与桂牧1号总鲜重、总干重由
高至低依次为:有机肥>有机肥+石灰>赤泥>对照>稻草+石灰>稻草>石灰。有机肥及其与石灰配施增产
显著,黑麦草鲜重分别为1.87×105,1.62×105kg/hm2,分别比单施化肥(对照)高52.99%,32.04%(犘<0.05);
桂牧1号鲜重分别为1.32×105,1.12×105kg/hm2,分别比对照高31.07%,11.40%(犘<0.05);两季总鲜重为
3.19×105kg/hm2,比对照增产43.10%(犘<0.05)。增施石灰、稻草及其与石灰配施后,黑麦草、桂牧1号略有
减产,但减产不显著。表明有机肥及其与石灰配施能显著增加黑麦草与桂牧1号产量,而石灰、赤泥、稻草等对黑
麦草以及桂牧1号产量无显著影响。
23 草 业 学 报 第24卷
表1 施用不同有机物料和钝化剂的黑麦草、桂牧1号产量
犜犪犫犾犲1 犜犺犲狔犻犲犾犱狊狅犳狉狔犲犵狉犪狊狊犪狀犱犌狌犻犿狌1犺狔犫狉犻犱狅犳犪狆狆犾狔犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犪狊狊犻狏犪狋狅狉狊犪狀犱狅狉犵犪狀犻犮犿犪狋犲狉犻犪犾狊 kg/hm2
处理
Treatment
鲜重Freshweight
黑麦草
Ryegrass
桂牧1号
Guimu1hybrid
总重
Totalweight
干重Dryweight
黑麦草
Ryegrass
桂牧1号
Guimu1hybrid
总重
Totalweight
CK 122431±1580c 100655±3040bcd 223085±3104c 16321±224b 12402±537bcd 28723±747cd
R1 121961±2675c 106888±8911bc 228848±10861c 15964±158b 13301±1148bc 29266±990c
L 116933±1596c 88248±4834d 205181±6360d 15932±241b 10952±645d 26883±707d
R2 109438±1354e 97287±8092cd 206724±9186d 15443±573b 12047±1034cd 27490±1579cd
M 187302±2036a 131928±10548a 319229±12523a 22158±206a 16373±1393a 38531±1223a
LR2 113399±1398d 94001±8265cd 207400±8522d 16324±297b 11668±1068cd 27992±1359cd
LM 161657±1482b 112130±7836b 273787±8354b 20337±184a 13925±1009b 34262±1119b
 注:表中同列不同小字母表示处理间差异显著(犘<0.05),下同。
 Note:Differentletterswithinacolumnindicatesignificantdifferencesamongthetreatments(犘<0.05).Thesamebelow.
2.2 有机物料和钝化剂对黑麦草、桂牧1号Cd含量的影响
本试验黑麦草、桂牧1号Cd含量分别为0.1999~0.2662mg/kg、0.2225~0.2989mg/kg(表2),低于饲料、
饲料添加剂卫生指标GB130782001规定的0.5mg/kg,皆可安全饲用。与对照相比,增施有机肥和钝化剂皆可
降低黑麦草和桂牧1号 Cd含量。其中黑麦草 Cd含量最低的是有机肥处理,仅0.1525mg/kg,比对照低
42.71%(犘<0.05);桂牧1号Cd含量最低的是赤泥处理,为0.2225mg/kg,比对照低17.29%(犘<0.05);而稻
草及其与石灰配施增加了桂牧1号Cd含量,其Cd含量分别为0.2989,0.2729mg/kg,比对照分别高11.12%
(犘<0.05),1.45%。
表2 施用不同有机物料和钝化剂的黑麦草、桂牧1号犆犱含量
犜犪犫犾犲2 犜犺犲犆犱犮狅狀狋犲狀狋狅犳狉狔犲犵狉犪狊狊犪狀犱犌狌犻犿狌1犺狔犫狉犻犱狅犳犪狆狆犾狔犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犪狊狊犻狏犪狋狅狉狊犪狀犱狅狉犵犪狀犻犮犿犪狋犲狉犻犪犾狊
处理
Treatment
Cd含量Cdcontent(mg/kg)
黑麦草Ryegrass 桂牧1号Guimu1hybrid
富集系数Concentrationfactor
黑麦草Ryegrass 桂牧1号Guimu1hybrid
CK 0.2662±0.0071a 0.2690±0.0212bc 1.21 1.22
R1 0.2301±0.0025b 0.2225±0.0178d 1.04 1.01
L 0.2362±0.0250ab 0.2666±0.0031bc 1.07 1.21
R2 0.2331±0.0034ab 0.2989±0.0200a 1.06 1.36
M 0.1525±0.0045d 0.2630±0.0159bc 0.69 1.19
LR2 0.2252±0.0123bc 0.2729±0.0109ab 1.02 1.24
LM 0.1999±0.0134c 0.2458±0.0026cd 0.91 1.11
 注:表中数据以干重计算,黑麦草Cd含量为5茬平均含量,桂牧1号Cd含量为4茬平均含量。
 Note:Datasarecalculatebydryweight,theCdcontentsofryegrassandGuimu1hybridareaveragevalueof5cropbatchand4cropbatchrespec
tively.
不同有机物料及钝化剂对黑麦草、桂牧1号吸收积累Cd的效果也不同(表2)。对照处理桂牧1号Cd含量
(0.2690mg/kg)与黑麦草Cd含量(0.2662mg/kg)相当,表明黑麦草-桂牧1号轮作下,两者在低Cd环境容量
下对Cd的吸收积累能力相近;赤泥处理桂牧1号Cd含量与黑麦草Cd含量皆显著低于对照,且桂牧1号Cd含
量低于黑麦草,表明增施赤泥可有效降低黑麦草-桂牧1号轮作系统的牧草Cd含量,且对后季桂牧1号效果优
于黑麦草,其原因可能是由于黑麦草季施用赤泥具有一定的后效作用;而石灰、稻草、有机肥及稻草、有机肥与石
灰配施处理黑麦草Cd含量分别比对照降低11.27%,12.43%,42.71%(犘<0.05),15.40%(犘<0.05),24.91%
33第3期 谢运河 等:有机物料和钝化剂对低Cd环境容量土壤黑麦草与桂牧1号轮作的Cd安全分析
(犘<0.05),但对桂牧1号的降Cd效果不理想,甚至还促进桂牧1号对Cd的吸收(R2 及LR2 处理)。
增施有机物料和钝化剂的黑麦草富集系数皆小于对照,其中有机肥及其与石灰配施2个处理黑麦草富集系
数仅0.69,0.91,分别比对照低39.67%,24.79%,其余处理皆高于1。桂牧1号所有处理富集系数皆高于1,以
增施赤泥效果最好,其富集系数仅1.01,比对照低17.21%;其次是有机肥及其与石灰配施处理,富集系数分别为
1.19和1.11,略低于对照;但稻草及其与石灰配施处理桂牧1号的富集系数分别达1.36,1.24,分别比对照高
11.48%,1.64%。
结果表明黑麦草、桂牧1号皆具有较高富集Cd的特性,且在低Cd环境容量土壤增施有机物料和钝化剂有
利于抑制黑麦草对Cd的吸收,降低黑麦草Cd含量,增施有机肥及其与石灰配施降Cd效果显著;除赤泥处理外,
增施石灰、有机物料及其与石灰配施对桂牧1号的降Cd效果并不明显,且增施稻草及其与石灰配施反而增加桂
牧1号对Cd的吸收积累,但施用有机物料时配施石灰可降低桂牧1号Cd含量。
2.3 有机物料和钝化剂对土壤pH值及土壤有效态Cd含量的影响
增施有机物料和钝化剂皆可提高土壤pH值(表3),黑麦草当季土壤pH值由高至低依次为石灰>稻草+石
灰>有机肥+石灰>赤泥>有机肥>稻草>对照,石灰处理土壤pH值达5.54,比对照(pH=4.75)高0.79;桂
牧1号当季则为石灰+有机肥>石灰>稻草+石灰>赤泥>有机肥>稻草>对照,轮作桂牧1号后,有机肥与石
灰配施处理土壤pH值为6.07,比对照(pH=4.84)高1.23;稻田改制牧草后,黑麦草当季对照、有机肥、稻草3
个处理土壤pH值较改制前(pH=5.05)下降,再轮作桂牧1号后仅对照、稻草2个处理土壤pH值低于改制前,
其余皆上升。表明石灰及其与有机物料配施对土壤pH值的提高幅度较大,赤泥次之,有机物料则对土壤pH值
的影响较小;而增施钝化剂、有机肥及其与石灰混施皆可有效提高土壤pH值,改良土壤酸性,但增施稻草或单施
化肥则降低土壤pH值,易引起土壤酸化。
表3 施用不同有机物料和钝化剂的黑麦草、桂牧1号收获后土壤有效态犆犱含量及土壤狆犎值
犜犪犫犾犲3 犜犺犲狊狅犻犾犪狏犪犻犾犪犫犾犲犆犱犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱狊狅犻犾狆犎狏犪犾狌犲犪犳狋犲狉犺犪狉狏犲狊狋犻狀犵狉狔犲犵狉犪狊狊犪狀犱犌狌犻犿狌1
犺狔犫狉犻犱狅犳犪狆狆犾狔犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犪狊狊犻狏犪狋狅狉狊犪狀犱狅狉犵犪狀犻犮犿犪狋犲狉犻犪犾狊.
处理
Treatment
土壤pH值SoilpHvalue
黑麦草Ryegrass 桂牧1号Guimu1hybrid
土壤有效态Cd含量SoilavailableCdcontent(mg/kg)
黑麦草Ryegrass 桂牧1号Guimu1hybrid
CK 4.75±0.15c 4.84±0.04e 0.1205±0.0024a 0.0931±0.0030b
R1 5.07±0.29bc 5.35±0.10c 0.1042±0.0081c 0.0874±0.0070bc
L 5.54±0.38a 5.84±0.13ab 0.0972±0.0044c 0.0830±0.0045c
R2 4.88±0.14bc 4.95±0.17de 0.1116±0.0060b 0.1128±0.0042a
M 4.94±0.20bc 5.17±0.05cd 0.1025±0.0058c 0.0802±0.0089c
LR2 5.36±0.23ab 5.72±0.30b 0.1060±0.0046bc 0.0879±0.0099bc
LM 5.18±0.26b 6.07±0.07a 0.1000±0.0125c 0.0835±0.0067bc
与对照相比,增施钝化剂和有机物料均降低了黑麦草当季土壤有效态Cd含量(表3),石灰、有机肥+石灰、
有机肥、赤泥、稻草+石灰、稻草处理分别比对照降低19.34%,17.01%,14.91%,13.53%,12.03%,7.39%;与
稻田改制前(土壤有效态Cd含量为0.1214mg/kg)相比,所有处理土壤有效态Cd含量皆降低;轮作桂牧1号
后,除稻草处理土壤有效态Cd含量高于对照外,其余处理土壤有效态Cd含量皆低于对照,且低于黑麦草当季。
表明稻田改制黑麦草与桂牧1号轮作可降低土壤有效态Cd含量,且增施钝化剂、有机肥及其与石灰配施皆可降
低土壤有效态Cd含量。
可见,低Cd环境容量土壤改制黑麦草-桂牧1号轮作,土壤pH值增加,但土壤有效态Cd含量下降;增施石
灰、赤泥等钝化剂可有效增加土壤pH值,降低土壤有效态Cd含量;增施有机肥也能提高土壤pH值,降低土壤
有效态Cd含量,但增施稻草降低了土壤pH值,提高了土壤有效态Cd含量;有机物料与石灰配施也具有增加土
壤pH值、降低土壤有效态Cd含量的效果。
43 草 业 学 报 第24卷
2.4 黑麦草-桂牧1号轮作下施用有机物料和
钝化剂的土壤Cd平衡分析
由于有机物料施用量大,有机肥、稻草施用量
分别为15000,7500kg/hm2,且Cd含量高,其Cd
含量分别为0.62,0.72mg/kg,有机肥、稻草单季
带入农田的Cd分别达9329,5783mg/hm2,其与
石灰配施带入农田的Cd更高,单季带入量分别
为9943,6397mg/hm2。土壤Cd输出主要是黑
麦草和桂牧1号作为饲草带出(表4),Cd总累积
量由高至低依次为:对照>有机肥>有机肥+石
灰>稻草>稻草+石灰>石灰>赤泥,表明增施
有机物料及其与石灰配施增加了牧草对Cd的累
积,而石灰、赤泥等钝化剂则降低了牧草对Cd的
累积。
土壤Cd残留量结果(表4)表明,赤泥、石灰
表4 施用不同有机物料和钝化剂的黑麦草、桂牧1号
犆犱积累及土壤犆犱年残留量
犜犪犫犾犲4 犜犺犲犆犱犪犮犮狌犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳狉狔犲犵狉犪狊狊犪狀犱犌狌犻犿狌1犺狔犫狉犻犱
犪狀犱狋犺犲狊狅犻犾犆犱狉犲狊犻犱狌犲狅犳犪狆狆犾狔犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犪狊狊犻狏犪狋狅狉狊
犪狀犱狅狉犵犪狀犻犮犿犪狋犲狉犻犪犾狊 mg/hm2
处理
Treatment
肥料Cd带入
量Fertilizer
Cd
Cd积累量Cdaccumulation
黑麦草
Ryegrass
桂牧1号
Guimu1hybrid
总和
Total
土壤Cd残
留量SoilCd
residue
CK 411 4329 3392 7721 -6899
R1 594 3650 3007 6657 -5470
L 1026 3757 2954 6711 -4654
R2 5783 3551 3623 7174 4391
M 9329 3326 4373 7699 10958
LR2 6397 3612 3220 6832 5962
LM 9943 4012 3451 7463 12422
处理及对照土壤Cd残留量为负值,黑麦草-桂牧1号轮作下单施化肥(对照)、增施石灰、赤泥不会增加土壤Cd
污染风险;稻草、有机肥处理土壤Cd年残留量分别为4391,10958mg/hm2,按15cm 耕层土壤2.25×106
kg/hm2计算,其年增加土壤Cd含量分别为0.0020,0.0049mg/kg;其与石灰配施后土壤Cd残留更严重,其年残
留量分别达5962,12422mg/hm2,按15cm耕层土壤2.25×106kg/hm2 计算,其年增加土壤Cd含量分别为
0.0026,0.0055mg/kg,长期累积则会加大土壤Cd污染风险。
本试验采用的有机肥、稻草Cd含量分别为0.6219,0.7185mg/kg,通过控制有机肥、稻草施用量计算“农
田-土壤”系统Cd平衡(土壤Cd残留量=0),可得有机肥、稻草单季最大施用量分别为6184,4444kg/hm2,且
配施石灰1500kg/hm2 后有机肥、稻草最大施用量分别为5007,3351kg/hm2;而在不改变有机肥15000
kg/hm2、稻草7500kg/hm2 施用量情况下,通过控制有机肥、稻草Cd含量来控制土壤Cd平衡,可计算得出有机
肥、稻草最大Cd含量分别为0.2562,0.4258mg/kg,配施石灰1500kg/hm2 时其最大Cd含量分别为0.2074,
0.3210mg/kg。因此,在黑麦草-桂牧1号轮作中,应适当调减有机物料的Cd含量及用量,以促进牧草种植系
统重金属的循环减控。
3 讨论
黑麦草-桂牧1号轮作是南方牧草的主要生产方式,且配合施用有机肥产量高,品质好,已经成为南方牧草
主要栽培模式。近年来,随着农业产业结构的调整和无公害食品产业的发展,有机肥已逐步成为我国肥料业生产
和推广应用的热点,有机肥的使用已经成为我国农业生产不可或缺的部分,但由于有机肥、水稻秸秆等有机物料
Cd含量逐年增加[24],引起牧草Cd污染风险加大。土壤中有机质含量的多少不仅决定土壤的营养状况,而且通
过与土壤中重金属元素进行络合影响土壤中重金属的移动性和生物有效性[67]。有机质具有大量的官能团和超
大的比表面积,是土壤吸附Cd的重要载体,其对Cd的吸附能力远超任何其他矿质胶体[8],有机质分解过程中产
生酸性物质可降低土壤pH,分解产生的富里酸等小分子物质可与Cd等形成溶解度大的络合物,促进土壤中Cd
的溶解,增加土壤Cd有效性[910],而产生的分子量较大、结构复杂的胡敏酸等有机物质,同土壤中粘土矿物一起
吸附Cd,形成沉淀而产生固定作用,限制Cd的移动性和生物有效性[11]。因此,在研究过程中,既有通过添加有
机质提高土壤Cd有效性的报道[1213],也有通过增加有机质降低土壤Cd有效性的研究[7]。虽然有机物料在改良
Cd污染土壤方面具有不确定性,既可能抑制土壤Cd的有效性,也可能提高土壤Cd的有效性,但它在改善土壤
肥力、提高作物产量上具有稳定效果[1415]。本研究结果也表明,有机物料、钝化剂及其配施,可改良土壤酸性或减
缓土壤酸化进程,土壤pH值皆比单施化肥(对照)增加,且土壤有效态Cd含量降低(表3),尤其是施用有机肥,
53第3期 谢运河 等:有机物料和钝化剂对低Cd环境容量土壤黑麦草与桂牧1号轮作的Cd安全分析
黑麦草、桂牧1号皆增产显著。
石灰、赤泥等钝化剂则具有提高土壤pH 值,通过抑制土壤中重金属活性而减少作物对重金属吸收的作
用[1617],赤泥除能提高土壤pH值外,还含有大量的Si,与Cd产生拮抗作用,既可抑制Cd从土壤进入根系,也可
减少Cd由根系向地上部的转运[18]。因此,有机物料与石灰等钝化剂配施的有机-中性化重金属修复技术,既可
发挥无机钝化剂对重金属有效性的钝化效果,又可发挥有机物料的土壤培肥能力,达到控制重金属含量与增产的
双重效果[19]。本研究结果表明,施用有机肥对黑麦草、桂牧1号增产显著,但其配施石灰降低了黑麦草和桂牧1
号产量,表明有机肥配施石灰对牧草产量具有一定的抑制作用,其原因可能是旱地土壤对石灰的缓冲性较弱及土
壤混合不均匀所致;而单施石灰、稻草、有机肥及稻草、有机肥与石灰配施虽然降低了黑麦草Cd含量,但对桂牧1
号的降Cd效果不理想,甚至还促进桂牧1号对Cd的吸收(R2 及LR2 处理),且皆表现为桂牧1号Cd含量高于
黑麦草,表明单施石灰以及稻草、有机肥及有机肥与石灰配施都能有效降低黑麦草对Cd的吸收,且对后季桂牧1
号吸收积累Cd的抑制作用下降,这可能是由于黑麦草生长期间处于低温季节(冬季),土壤有机质分解速度慢,
吸附较多的Cd,抑制了黑麦草对Cd的吸收积累,而桂牧1号生长期间处于高温季节(夏季),土壤中有机物料分
解加快,土壤解析出的Cd增加,但本研究中土壤有效态Cd含量并未见升高(表3),这可能是由于桂牧1号生长
处于夏季,对水分的需求更旺盛,同时也带动了其对Cd(主要是有效态Cd)的吸收,因而土壤有效态Cd含量相对
下降,并增加了桂牧1号植株Cd含量(表2)。结果还表明,有机物料配施石灰抑制了黑麦草、桂牧1号对Cd的
吸收,但处理间差异不显著,表明在低Cd环境容量土壤上施用有机物料配施石灰具有抑制牧草吸收积累Cd的
效果,但其效果不明显。因此,从牧草质量安全上看,在低Cd环境容量土壤中种植黑麦草、桂牧1号施用有机肥
时无需配施石灰、赤泥等钝化措施。
“作物-土壤”为一个特殊的农田生态系统,不仅要考虑其当季的安全利用,也要考虑其可持续生产。施用石
灰、赤泥能提高土壤pH值,有效改良酸性土壤,降低土壤有效态Cd含量(表3),降低了土壤Cd污染风险。而单
施化肥(对照)、增施石灰、赤泥处理的土壤Cd为净带出,不存在增加土壤Cd污染风险;但稻草、有机肥含Cd量
高,施用量大,土壤Cd残留量增加(表4),土壤Cd污染风险加大,进而影响到土壤的安全可持续利用;此外,石
灰、赤泥等钝化剂虽有利于提高土壤质量,降低黑麦草、桂牧1号植株的Cd含量,但与有机肥配合施用时增加了
土壤Cd残留,因此,为促进南方牧草种植系统重金属循环减控,达到“农田-土壤”系统Cd输出输入平衡,实现
土壤的可持续利用,应适当调减有机肥和稻草等有机物料的Cd含量及其用量,且在低Cd环境容量土壤施用含
Cd有机物料建议不施石灰等钝化剂。
4 结论
1)有机肥及其与石灰配施皆能显著增加黑麦草与桂牧1号产量,而石灰、赤泥、稻草等对黑麦草以及桂牧1
号产量无显著影响;
2)低Cd环境容量稻田土壤改制黑麦草-桂牧1号轮作后,土壤pH值增加,土壤有效态Cd含量下降;增施
石灰、赤泥、有机肥及其与石灰配施可增加土壤pH值,降低土壤有效态Cd含量及其生物有效性,但增施稻草则
降低了土壤pH值,增加了土壤有效态Cd含量及其生物有效性;
3)黑麦草-桂牧1号轮作配施含Cd有机肥和稻草,增加了土壤Cd的残留,应适当调减其Cd含量及用量,
且在低Cd环境容量土壤施用含Cd有机物料不建议施用石灰等钝化剂,以达到促进南方牧草种植系统重金属的
循环减控的目的。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲:
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