目前我国耕地污染问题日益突出, 大量的化肥、农药、灌溉污水、固体废弃物等不断流入耕地, 对生态环境、粮食安全构成威胁^[1], 据统计, 我国有超过2 000万hm²耕地受到重金属污染, 全国每年受重金属污染的粮食多达1 200万t, 导致粮食减产高达100多万t, 直接经济损失至少200亿元^[2]. 2014年《全国土壤污染状况调查公报》指出, 土壤点位超标率为19.4%, 无机污染物Pb和Cd的点位超标率分别为1.5%和7.0%^[3].由于土壤重金属污染的隐蔽性、滞后性、积累性和长期性, 以及重金属污染修复受重金属分布形态、土壤基质等因素影响, 存在去除效果不理想、修复难度大等问题^{[4, 5]}.水稻作为我国最重要的粮食作物, 在农业生产中占有重要地位, 尤其是Pb、Cd在低剂量下对动植物及人体存在较高的毒性, 通过食物链途径进入人体严重危害人体的健康^{[6, 7]}.如何有效减少重金属在水稻中的吸收和富集, 保障食品安全和农业可持续发展已成为当前的一项重要课题.

目前对于稻田土壤重金属钝化修复的方法主要有物理、化学、生物和生态修复等技术^{[8, 9]}, 其中应用最广泛的为化学钝化修复法, 钝化剂类型可分为无机类、有机类、微生物类、复合型等^[10], 该方法是通过向土壤添加无机、有机或者杂化的钝化材料, 吸附、固化重金属离子降低其生物有效性和在环境中的迁移性, 达到修复污染土壤的目的.近年来许多钝化材料如海泡石^[11~13]、石灰、煤灰粉^{[14, 15]}、沸石、钢渣^{[16, 17]}、生物质炭^[18~21]以及不同类型钝化材料复配^[22~25]被应用于土壤修复领域, 并取得了一定成效.然而通过对比以上钝化材料修复能力, 可看出其修复效果及机制大同小异, 重金属离子在多变的土壤微环境中极易活化使得钝化剂失效, 且大面积重金属钝化剂的大量施用会对土壤结构产生不良影响, 同时可能带入其他有害重金属元素, 造成二次污染^[26].因此, 培育和筛选应用范围广、抗干扰性强, 环境适应性好的新型材料是目前土壤修复方向研究的重点之一.本文以新型改性甲壳素为代表纤维素类衍生物土壤改良剂材料作为考察对象, 选取两种不同来源的土壤改良剂材料:以海泡石为代表的无机土壤改良剂材料、以生物质炭为代表的有机土壤固化剂材料作为对比, 以杂交水稻盐粳939为模式作物, 选取辽宁凌海市某Pd、Cd污染水稻地块进行重金属污染修复田间试验, 通过分析比较以上3种不同来源土壤改良剂材料对大田环境下土壤重金属的生物有效性、水稻生长、产量以及吸收累积重金属的影响, 考察施用改性甲壳素减少土壤及水稻重金属积累、吸收的可行性, 以期为甲壳素生物质资源在土壤改良方向的应用提供依据.

田间试验地点:辽宁凌海市建业乡平安村六组, 试验前试验地土壤农化性质:土壤类型为棕壤性土, 土壤pH值为6.5, 有机质含量为19.6 g·kg^-1, 碱解氮(全氮)含量为82 mg·kg^-1, 有效磷含量为40.2 mg·kg^-1, 速效钾含量为110 mg·kg^-1, 总Pb含量为306.3 mg·kg^-1, 总Cd含量为3.17 mg·kg^-1, 有效Pb含量为16.23 mg·kg^-1, 有效Cd含量为1.17 mg·kg^-1.总Cd、总Pb含量均超出GB 15618-1995《土壤环境质量标准》中酸性(≤6.5)土壤环境质量二级标准值.

样品分析试验地点:农业部农产品产后处理重点实验室.

试验时间: 2015年3月至2016年12月.

供试改良剂:交联改性甲壳素, 其有效成是在甲壳素(脱乙酰度≥55%)微球半溶解状态下经过EDTA酰基后, 与戊二醛交联反应所得的交联甲壳素(CC), 其中:甲壳素含量≥20%、壳聚糖含量≥12%, 上海贯发海洋生物科技有限公司提供; 生物质炭为玉米秸秆炭(BC), 在缺氧条件下550~600℃热解6~8 h制备, 炭含量≥35%, 平均孔径3.8 nm, 江苏华丰农业生物工程有限公司提供; 海泡石(SEP):主要成分为: H₂O 12.8%、MgO 23.6%、Al₂O₃ 7.4%、SiO₂ 56.2%, 湖南天捷海泡石有限公司提供.

供试作物:水稻-盐梗939.

试验共设置7个不同处理, 随机排列, 重复3次, 共21个试验小区, 每个小区面积30m².采用覆塑料薄膜的泥巴埂分隔, 外设保护区.试验设计: ①不添加任何改良剂, CK; ②海泡石: 167 kg·hm^-2(SEP-1)、333 kg·hm^-2(SEP-2); ③生物质炭: 167 kg·hm^-2(BC-1)、333 kg·hm^-2(BC-2); ④改性甲壳素: 167 kg·hm^-2(CC-1)、333 kg·hm^-2(CC-2), 每个小区面积30 m².试验期间, 分别每年3月底即水稻播种前将不同改良剂与常规施肥的肥料充分混合后施用于稻田耕层土壤, 于每年4月上旬播种水稻, 5月中下旬插秧, 于10月上旬收割水稻.

常规施肥:亩底施水稻专用复合肥30 kg, 生育期内追施尿素15 kg.其他灌溉、防病虫害措施相同.

2016年10月水稻收获后, 采集附着于根系表面0~0.5 cm的土壤样品, 自然风干后磨碎过1 mm尼龙筛保存待测; 每个种植小区随机采取5株水稻植株, 将植株根、秸秆和籽粒分开, 用去离子水洗净, 晾干后放入烘箱, 105℃杀青30 min, 然后在60℃下烘干至恒重, 使用小型脱壳机将水稻谷粒脱壳, 收集籽粒.水稻各部位(根系、茎叶、籽粒)粉碎后过100目筛, 密封保存待测.

土壤pH值用酸度计(PHS-3C, 雷磁)测定, 固液比为1:2.5(即10 g土加25 mL水), 用5 mmol·L^-1的DTPA恒温振荡浸提-原子吸收分光光度计法(Z-2300, 日本HITACH公司)测定土壤样品中重金属Pb、Cd有效态含量^[27], 用HNO₃-H₂O₂消解-石墨炉原子吸收光谱法测水稻各器官中重金属Pb、Cd含量, 测产方法为各小区选取1m²样方测定平均株高、穗长、穗粒数、千粒重, 各小区单打单收, 测定实际产量.

所有数据输入Excel 2007(Microsoft, USA)作预处理, 后采用SPSS19.0 (Statistical Product and Service Solution, USA)统计分析软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA), 利用Duncan新复极差法对差异显著性进行分析, 试验作图采用Sigma plot12.5软件.

由表 1可见, 随着3种改良剂添加量的增加, 各处理使土壤pH值增加了0.34~0.64个单位, 且对土壤pH值的影响效果与CK相比均达到极显著水平(P＜0.01), SEP-2处理对土壤pH值影响最为显著, 土壤pH值达到7.09, 与其他各处理差异显著(P＜0.05). CC-1、CC-2处理相对CK可使土壤pH值提高0.36-0.45个单位, 与BC对土壤pH值的影响效果相当(P＞0.05), 弱于SEP处理. SEP、BC、CC各处理均能显著(P＜0.05)降低土壤中Pb、Cd有效态的含量, SEP-1、SEP-2处理使土壤有效Pb、Cd含量分别下降了51.07%~73.81%、22.52%~33.33%, BC-1、BC-2处理使土壤有效Pb、Cd含量分别下降了44.54%~66.42%、27.02%~37.84%, CC-1、CC-2处理使土壤有效Pb、Cd含量分别下降了46.40%~64.01%、29.73%~43.24%.通过方差分析可知, SEP处理降低土壤中Pb含量效果最好, CC与BC在各处理水平上对土壤中Pb含量的影响效果相当, 不存在显著性差异(P＞0.05); CC、BC、SEP在各处理水平上降低土壤中Cd含量效果相当, 不存在显著性差异.比较各处理对土壤有效Pb、Cd降低程度可发现, 3种改良剂对土壤中Pb的钝化效果高于Cd, 其中CC-2处理对Cd的钝化效果略优于SEP、BC.

表 1 (Table 1)

表 1 不同处理对土壤pH及Pb、Cd生物有效态含量的影响1) Table 1 Effects of different treatments on the soil pH and bioavailability of Pb and Cd 处理 土壤pH值 生物有效态含量/mg·kg-1 Pb Cd CK 6.45±0.16c 16.23±1.13a 1.11±0.89a SEP1 6.85±0.20b 7.94±0.64c 0.86±0.11b SEP2 7.09±0.06a 4.25±0.58e 0.74±0.10c BC1 6.79±0.14 b 9.04±0.64b 0.81±0.04b BC2 6.93±0.12ab 5.45±0.58d 0.69±0.08c CC1 6.81±0.22 b 8.75±0.42bc 0.78±0.04b CC2 6.90±0.07ab 5.84±0.25d 0.63±0.07c 1)不同小写字母表示各处理间在P=0.05水平上存在显著性差异, 下同

表 1 不同处理对土壤pH及Pb、Cd生物有效态含量的影响1) Table 1 Effects of different treatments on the soil pH and bioavailability of Pb and Cd

图 1表示的是不同处理对水稻体内Cd和Pb含量的影响.各改良剂处理均能显著降低水稻各部位中的Pb、Cd含量(P＜0.05). 图 1可看出, 施用167~333 kg·hm^-2的CC与CK相比可显著降低水稻各部位中的Pb、Cd含量(P＜0.05), 其中根系中分别降低了16.09%~38.14%、21.22%~31.38%, 茎叶中分别降低了19.17%~46.92%、25.66%~45.34%, 籽粒中分别降低了29.47%~58.25%, 44.75%~64.02%, CC-2处理可使水稻籽粒中的Pb、Cd含量分别降低到(0.204 1±0.011) mg·kg^-1和(0.192 2±0.021) mg·kg^-1, 低于或接近于GB 2762-2005中大米Pb、Cd的限量值(0.20mg·kg^-1).由方差分析可看出, CC处理降低水稻根系中Pb含量效果显著低于SEP处理(P＜0.05), 与BC处理效果相当(P＞0.05), 即对水稻根系中Pb含量固化能力依次为SEP>BC≈CC.由图 1(b)可以看出, CC-1与BC-1降低水稻茎叶中Pb含量效果相当(P＞0.05), 低于施用SEP-1处理(P＜0.05), 但CC-2处理与BC-2及SEP-2处理间不存在显著性差异(P＞0.05);施用CC、BC、SEP对水稻籽粒中Pb含量影响在各处理水平上效果相当, 不存在显著性差异(P＞0.05).由图 1(c)、1(d)可看出, CC降低水稻根系、籽粒中Cd含量的效果总体优于SEP和BC.尤其是高剂量CC处理(333 kg·hm^-2)与其他各个处理存在显著性差异(P＜0.05);施用CC、BC、SEP对水稻茎叶中Cd含量影响在各处理水平上效果相当, 不存在显著性差异(P＞0.05).

图 1

Fig. 1

图 1 不同处理对水稻各部位Pb、Cd含量的影响 Fig. 1 Effects of different treatments on the Pb and Cd contents in different organs of rice

另外还可以看出, Pb在植物体内的含量由高到低的顺序为:根、茎叶、籽粒, Cd的顺序为:根、籽粒、茎叶, 籽粒中Cd含量高于茎叶, 与陈少毅等^[28]、丁凌云等^[29]的研究结果一致, 原因可能为Cd更易于与籽粒中的小分子有机物比如可溶性蛋白质等物质结合, 有利于其转运积累到水稻籽粒中.已有研究证明, 在水稻籽粒中, 以蛋白质相结合的Cd比例最高, 其中以球蛋白和谷蛋白结合的Cd比例为高, Cd蛋白复合体的分子量为54.5×10³和5.5×10^3[30]; 另外有研究表明^{[31, 32]}, 蒸腾作用影响植物对Cd的吸收转运, 水稻生长期叶片蒸腾作用的影响也会导致Cd向水稻籽粒中迁移.

转运系数是指植物地上部某元素含量(mg·kg^-1)与植物地下部元素含量(mg·kg^-1)之比(包括根到茎叶、茎叶到籽粒、根系到籽粒), 用于评估水稻各部位对重金属的转运能力.转运系数越大, 说明该部位对重金属的转运能力越强. 表 2为各处理水稻中Pb和Cd的根系到茎叶、茎叶到籽粒、根系到籽粒的转运系数.从中可看出, 与CK相比, 添加167~333 kg·hm^-2剂量的BC和CC, 水稻中Pb的根系到茎叶转运系数变化不大(P＞0.05), 添加167~333 kg·hm^-2的SEP使Pb的根系到茎叶转运系数明显提高, 即添加SEP可促进Pb从根系到茎叶的迁移, 添加167~333 kg·hm^-2剂量的SEP、BC和CC均可显著降低Pb茎叶到籽粒的迁移, 且CC与BC效果相当, 高于SEP; 添加167~333 kg·hm^-2的BC和CC可显著降低Pb根系到籽粒的转运系数, 而SEP各处理对其影响效果不显著.与CK相比, 添加167~333 kg·hm^-2的CC可不同程度降低Cd根系到茎叶的转运系数但差于SEP、BC处理、可显著降低Cd茎叶到籽粒、根系到籽粒中转运系数且效果优于SEP、BC处理.

表 2 (Table 2)

表 2 不同处理下水稻各器官间重金属转运系数 Table 2 Translation factor of heavy metals in different rice organs under different treatments 处理 Pb转运系数 Cd转运系数 茎叶/根 籽粒/茎叶 籽粒/根系 茎叶/根 籽粒/茎叶 籽粒/根系 CK 0.029b 0.146a 0.004 3a 0.050a 1.303a 0.065a SEP-1 0.041ab 0.107b 0.004 4a 0.042ab 1.170b 0.049bc SEP-2 0.051a 0.104b 0.005 3a 0.030c 1.193ab 0.036c BC-1 0.031b 0.084 9c 0.002 6b 0.044a 1.247a 0.055ab BC-2 0.036b 0.074c 0.002 7b 0.038bc 1.093b 0.042c CC-1 0.029b 0.081c 0.002 4b 0.046a 0.968bc 0.044bc CC-2 0.030b 0.073c 0.002 2b 0.041b 0.858c 0.035c

表 2 不同处理下水稻各器官间重金属转运系数 Table 2 Translation factor of heavy metals in different rice organs under different treatments

3种土壤改良剂对水稻生育期生育性状影响见表 3.施用167~333 kg·hm^-2的CC与CK、SEP处理及BC处理相比, 株高分别增加了1.1~2.6、1.1~1.2、0.2~1.1 cm; 穗长分别增加了0.6~1.2、0.7~0.8、0.1~1.0cm.穗粒数分别增加了3.5~4.1、2.5~2.8、-0.3~2.1个; 千粒重分别增加了5.5~6.1、5.0~6.2、2.7~4.5g.通过方差分析可知, CC效果最好, 167~333 kg·hm^-2改性甲壳素处理相对于CK和SEP处理, 对水稻株高、穗长、千粒重有显著提高效果(P＜0.05), 167 kg·hm^-2BC处理与对照相比可显著(P＜0.05)提高水稻株高、穗长及千粒重, 但是增加其用量到333 kg·hm^-2, 其改善水稻生育性状效果下降, 与对照组相比无显著性差异(P＞0.05), 167~333 kg·hm^-2SEP处理对以上各指标的影响均不显著(P＞0.05).另外, 3种改良剂各处理对水稻穗粒数增加效果均不显著(P＞0.05).

表 3 (Table 3)

表 3 不同处理对水稻生育期生育性状影响 Table 3 Effects of different treatments on the growth characteristics of rice 改良剂 处理 株高/cm 穗长/cm 穗粒数/个 千粒重/g CK 94.0±0.16d 15.2±0.33cd 112.0±4.32a 26.4±1.18c 海泡石 SEP-1 94.0±0.28d 15.1±0.29d 113.0±5.72a 26.9±0.79c SEP-2 94.4±0.17cd 15.6±0.37bc 113.3±7.25a 26.3±0.67c 生物质炭 BC-1 94.9±0.25bc 15.7±0.08bc 115.8±2.39a 29.2±1.79b BC-2 94.5±0.28 cd 15.4±0.41cd 114.0±8.60a 28.0±2.16bc 改性甲壳素 CC-1 95.1±0.21ab 15.8±0.16bc 115.5±5.31a 31.9±1.59a CC-2 95.6±0.37a 16.4±0.14a 116.1±8.64a 32.5±2.94a

表 3 不同处理对水稻生育期生育性状影响 Table 3 Effects of different treatments on the growth characteristics of rice

稻谷产量增加表明了改良剂减轻了重金属对水稻的毒害作用, 也是考察土壤改良剂效果的关键指标之一, 对产量无明显抑制作用甚至有增产作用的材料在实际生产中才具有较好的推广应用前景.如图 2所示, 各处理稻谷产量在8 200~8 900 kg·hm^-2范围, 折合亩产量在546~594 kg, 达到当地中晚熟稻正常平均水平.施用167~333 kg·hm^-2的CC与CK、SEP处理及BC处理相比, 亩产分别增加了33.6~47、27.6~44、8.67~34.77 kg.通过方差分析可知, CC-2处理相比CK及SEP和BC各处理, 增产效果最明显(P＜0.05), 亩增产47kg, 增产率为8.59%.生物质炭在167 kg·hm^-2处理水平下较CK可明显提高水稻产量(P＜0.05), 而提高其用量到333 kg·hm^-2, 其增产效果减弱, 施用海泡石略有增产作用, 但差异无统计学意义(P＞0.05).

图 2

Fig. 2

图 2 不同处理对水稻产量的影响 Fig. 2 Effects of different treatments on rice yield

甲壳素是自然界第二丰富的生物质资源, 是唯一带正电荷的一种天然高分子聚合物, 每年的生物合成量约为100亿t以上.甲壳素经过改性之后生成的改性高分子具有无毒, 环境相容性好、在自然界形成良性循环等诸多优点, 有良好的应用前景^[33].近年来, 关于甲壳素的研究热点主要集中在肥料开发领域, 而其在重金属污染土壤修复中的相关研究相对滞后.甲壳素含有丰富的羟基、氨基基团, 是一种天然的阳离子交换剂, 具有较强的金属离子配位能力, 与许多金属离子能形成稳定的螯合物^[34].本文利用脱乙酰度55%的甲壳素作为原料, 通过戊二醛交联和EDTA接枝对其进行改性, 其机械性能提高的同时, 增加了其吸附作用和活性中心.以常用的土壤固化剂材料SEP和新型土壤固化剂材料BC作为对比, 研究了交联改性甲壳素对重金属污染稻田修复效果及对水稻重金属积累和产量的影响.

结果表明: ①在偏酸性Pb、Cd复合污染土壤中, 施用CC不仅可以提高土壤pH值, 还能显著降低土壤有效态Pb、Cd含量.其可能的机制是: CC作为碱性高分子物质一方面可提升土壤pH值, 土壤pH值的升高将增加土壤表面胶体所带负电荷量, 从而增加重金属离子的电性吸附^[34], 直接导致或诱导重金属形成氢氧化物沉淀, 从而达到钝化目的, 另一方面, CC通过离子交换、专性吸附及共沉反应降低土壤中重金属活性也是重金属污染土壤钝化修复的一个重要机制. ② CC可显著降低水稻各部位中的Pb、Cd含量及其在水稻地上部的分配积累, 不同程度降低Pb、Cd从根系到茎叶、茎叶到籽粒、根系到籽粒的转运系数.其主要机制可能是CC的添加对重金属的直接固定作用降低土壤中重金属的有效性、通过改善土壤的理化性质间接减少重金属的生物毒性, 从而改善水稻的根系微环境, 增强了水稻根表铁膜吸附沉淀重金属的能力^[36], 将重金属滞留在根系表面, 减少水稻植株对重金属的富集, 进而阻控Pb、Cd向水稻地上部分各器官的迁移和分配, 降低了Pb、Cd在茎、叶和籽粒中累积. ③CC可显著改善水稻生育期性状、显著提高水稻产量.其可能机制为:一方面, 甲壳素可激发和强化土壤中微生物数量的成倍增加, 提高土壤微生物活性.有研究发现土壤中添加甲壳素增加了壤中固氮菌、纤维分解菌、乳酸菌、放线菌等有益微生物的数量, 减少霉菌和其它一些丝状真菌, 改善土壤微生物区系的组成, 为植物生长创造良好的微生态环境^{[37, 38]}; 另一方面, 甲壳素/壳聚糖可促进根系生长, 活化根际状态, 改善土壤理化性质, 加快土壤中的有机物质腐殖化速, 加快了土壤团粒结构的形成, 土壤的透气性和保水保肥能力增强, 有效活化土壤中的养分, 提高氮、磷、钾等养分能被植物吸收的效率. ④ CC虽与SEP、BC对重金属土壤修复、改善水稻重金属吸收积累效应相比呈现出或高或低的效果, 但与CK相比改善效果显著, 且CC在改善水稻生育性状、提高水稻产量效果比SEP及BC效果显著, 这是由于CC本身兼具肥料的功效, 而SEP作为一种无机黏土矿物, 其本身没有肥效, 主要是间接通过改善土壤pH值和降低土壤中重金属有效态含量来达到增产效果, 因此在本研究中, 虽然其对水稻略有增产作用但与CK比并没有显著性差异; BC作为新兴的土壤改良剂材料, 虽然在作物增产方面报道居多, 但本研究发现, 167 kg·hm^-2添加量的生物质炭可以明显提高水稻产量, 但是提高到333 kg·hm^-2, 反而与CK差异不显著, 这与Deenik等^[40]和Rondon等^[41]的研究结果相似, 这可能初步归因于随着生物炭添加量的增多, 生物炭中易分解态有机碳随之增加, 所产生的激发效应使土壤微生物大量固氮, 从而减少氮素的作物可利用性^[42].同时生物炭自身性质、土壤理化特性、作物品种等复杂的交互作用也会使试验结果不尽一致.

综上, 施用CC与SEP、BC相比, 对Pb、Cd污染土壤重金属修复及降低水稻体内Pb、Cd含量效果并不差, 对重金属Pb、Cd在土壤-水稻系统的迁移与再分配具有较好的阻控作用, 且其增产作用明显, 具有较好的保障实现水稻安全生产的潜力.另外, 本文研究只是在短期内评价了改性甲壳素修复重金属污染土壤、改善土壤酸碱度的效果, 未将土壤环境在时空上的复杂性和随变性因素考虑在内, 建议加强对甲壳素及其改性衍生物在修复土壤重金属污染、改善土壤理化性质、降低水稻对重金属吸收积累机制的基础研究, 以及其治理镉铅复合污染稻田的时效性研究, 为进一步开发甲壳素资源在土壤改良剂开发方向的应用奠定理论基础.

(1) 改性甲壳素的添加可使土壤pH值提高0.36~0.45个单位, 显著改善土壤pH值, 使土壤中有效Pb、Cd的含量分别显著(P＜0.05)下降46.39%~64.01%、29.73%~43.24%.

(2) 改性甲壳素的添加可有效降低水稻各部位Cd、Pb含量.施用167~333 kg·hm^-2的CC与CK相比可显著降低水稻各部位中的Pb、Cd含量(P＜0.05), 其中根系中分别降低了16.09%~38.14%、21.22%~31.38%, 茎叶中分别降低了19.17%~46.92%、25.66%~45.34%, 籽粒中分别降低了29.47%~58.25%, 44.75%~64.02%, 施用333 kg·hm^-2的CC可使水稻籽粒中的Pb、Cd含量分别降低到(0.204 1±0.011) mg·kg^-1和(0.192 2±0.021) mg·kg^-1, 低于或接近于GB 2762-2005中大米Pb、Cd的限量值(0.20mg·kg^-1).

(3) 改性甲壳素可显著提高水稻产量.施用167~333 kg·hm^-2的CC与不添加任何改良剂的CK、SEP处理及BC处理相比, 亩产分别增加了33.6~47、27.6~44、8.67~34.77kg.其中CC-2增产效果最明显, 亩增产47kg, 增产率为8.59%.