施肥对农田栽参土壤重金属含量的影响

施肥对农田栽参土壤重金属含量的影响

人参是吉林省的特产，种植面积和产量占全国为数不多。经过多年的发展，吉林省的人参已成为世界人参的主要供应来源。农田栽参是人参产业的主要发展模式,人参是多年生宿根草本植物,生长过程中土壤理化性状和微生物结构的改变是栽参障碍的重要原因,影响人参健康生长。施肥不仅能够改善参地土壤理化性状及微生物群落结构,而且对老参地也有改善作用,但施肥造成的重金属污染也越来越被人们重视,重金属在土壤中积累已经成为全球共同关注的环境问题。大量研究表明,有机肥和人参专用肥的合理施用具有增加人参产量、改善品质、降低病害、改善土壤生态环境等多方面积极作用。重金属对土壤的污染具有长期性、隐蔽性及不可逆等特点,施肥会加重土壤重金属的污染风险,造成土壤中重金属的富集,给农业生产带来安全隐患,降低作物产量或造成品质下降。一般畜禽粪肥中重金属如Cu、Zn、Cr等含量较高,直接施用会给土壤造成重金属污染。畜禽粪便产生的环境污染,已经成为我国农村面源污染的主要来源之一。农田土壤由于有机质含量低、通透性差而不易直接栽培人参。目前参农常用的有机肥为猪粪和鹿粪。EM菌肥因其含有大量的有机质,同时在加工制作过程中加入适宜的微生物而被用作人参土壤改良。多功能微生物制剂是中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研制的新型微生物肥料,能够改善土壤养分状况,提高土壤肥力。这些肥料是农田栽参土壤改良常用的肥料。施肥虽然能够提高土壤肥力,提高人参产量,改善人参品质,但施肥也会导致土壤重金属污染,现有研究中施肥对农田栽参土壤重金属影响的研究尚未见报道。为此,本试验研究了不同肥料对栽参土壤重金属全量和有效态的影响状况,旨在为农田栽参土壤改良提供依据。1材料和方法1.1土壤白浆土试验设在中国农业科学院特产研究所农田栽参基地(东经126°11′,北纬44°06′,海拔231m),土壤为白浆土,曾种植过白菜、萝卜、玉米等作物,耕作史约40年,土壤有机质含量18.60g/kg,全氮1.62g/kg,全磷0.10g/kg,全钾9.87g/kg,碱解氮12.10g/kg,速效磷16.80mg/kg,有效钾576mg/kg。1.2肥料来源及重金属含量试验土壤样品:多功能微生物制剂直接基施(A),多功能微生物制剂激活后基施(B),多功能微生物制剂激活后花期施入(C),鹿粪(D),EM菌肥(E),猪粪(F),对照(ck)。供试新型多功能微生物制剂为中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研制,鹿粪为中国农业科学院研究所鹿场产,EM菌发酵玉米秸秆有机肥为自制。猪粪在当地购买,肥料中重金属含量见表1。参苗购自人参之乡的抚松县露水河镇沿江乡塄场村,品种为二马牙类型,二年生参苗,平均单支重0.56g。1.3化肥及激活后合理施肥试验设计采用4因素、3水平,4因素为多功能微生物制剂、猪粪、鹿粪和EM菌肥,其中多功能微生物制剂的施入量为50,100,150g/m23个水平,并按照处理方式不同分为直接作基肥施用、激活后基肥施用及激活后花期施用;猪粪、鹿粪和EM菌肥3个水平施用量均为1.35,2.70,4.05kg/m2。小区面积2m2,3次重复,随机排列。不同肥料以基肥形式施入时间为4月29日,多功能微生物制剂激活后花期施入时间为6月11日。株行距9cm×20cm,栽参量60株/m2,斜栽,覆土3cm,单畦苇帘拱棚,单层帘下覆PVC蓝色农膜,透光度20%,基肥于作床时按试验设计施入,与床土充分搅拌至均匀一致;激活多功能微生物制剂是将多功能微生物制剂和葡萄糖按照质量1∶1比例混合后用水浸泡24h后施入床中。于9月26日进行土壤和人参样品的采集。1.4土壤有机溶剂的采集根据农田栽参床土分布方向按照多点混合进行采样,每个处理采集18~20株人参土壤样品。采集时先去除人参床土上覆盖的稻草,沿着人参生长方向和参须的走向将整个人参完整地挖出,抖掉根系外围土,用毛刷取紧贴在根系表面的土壤,将采集到的土壤样品分别混装在聚乙烯塑料自封袋中,带回实验室除去土壤中枯枝和大的砂粒,风干,分别过0.84mm(20目)和0.15mm(100目)尼龙筛待测。1.5全量、有效态重金属土壤全量重金属测定按照农业部发布的NY/T1613-2008行业标准采用三酸(HCl—HNO3—HClO4)法消解,重金属有效态含量采用0.1mol/LHCl按水土质量比5∶1浸提,1.5h后离心过滤。全量和有效态重金属均采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)测定(美国瓦里安公司)。测试过程中国家标准品Pb[GSBG62071-90(8201)]和Zn[GSBG62025-90(3001)]由国家钢铁材料测试中心提供,Cr和Cu混标液(GSB04-1767-2004)由国家有色金属和电子材料分析测试中心提供。数据分析采用SAS6.0和Excel2003软件进行统计。2结果与分析2.1土壤重金属含量农田栽参土壤中重金属Cr、Cu、Pb和Zn含量各不相同(表2),对照土壤中Zn的含量最高,Pb的含量最低,Cr和Cu含量介于Zn和Pb之间,多功能微生物制剂、鹿粪、EM菌肥和猪粪均对农田栽参土壤重金属含量有一定影响,施用肥料后土壤中Cr含量增加,Cu、Pb和Zn含量与肥料种类和施入量有关。当施入猪粪时,土壤中重金属全量随施入水平增加而升高。不同施肥水平对土壤中同一种重金属含量有一定影响。土壤中Cr、Cu和Pb的含量均随鹿粪和猪粪施入量的增加而增加,施入水平为4.05kg/m2时重金属含量显著高于1.35kg/m2(P<0.05);施入多功能微生物制剂后,土壤中重金属元素也有相应的提高,但随肥料施入量的增加重金属含量并未相应提高。以适宜的施入方式和施入量施用多功能微生物制剂可降低土壤中重金属含量,如多功能微生物制剂激活后以50g/m2花期施入,对Cr作用显著、多功能微生物制剂激活后以100g/m2作基肥施入对Pb作用显著。有机肥改良栽参土壤的同时对重金属含量有稀释作用。施用EM菌肥后土壤中Pb的含量降低趋势明显。经LSD分析,不同施入水平间差异显著,EM菌肥以4.05kg/m2施入后Pb的含量最低,为4.98mg/kg,远低于栽参土壤的背景值(对照土壤)6.28mg/kg。为了进一步明确不同肥料对土壤全量重金属含量的影响,对表2中各肥料施入水平的上限值结合对照进行对比分析,并根据环境质量标准中各种元素的限定值来判断农田栽参土壤中重金属元素的污染状况(表3)。不同肥料对土壤重金属有一定的影响,影响大小与重金属种类有关。施肥对Cr、Cu、Pb和Zn的含量影响显著(P<0.05),其中Cr和Cu含量大于对照。单从重金属含量不能很好地反映农田栽参土壤污染状况,需要依据国家环保局颁布的中华人民共和国国家标准各元素具体值来判定。本研究中农田栽参土壤Cr、Cu、Pb和Zn的含量均低于国家一级标准限定值,说明土壤质地良好。2.2施肥处理对土壤重金属含量的影响由表4可知,不同肥料施入土壤后,土壤中Cr、Cu、Pb和Zn的有效态有不同程度的提高,如施入EM菌肥后土壤中Pb和Zn的有效态含量明显提高,部分重金属元素因施入肥料有效态含量降低,如重金属Cr的有效态含量以EM菌肥处理为最低,并与其他处理之间差异显著(P<0.05)。同一施肥处理的不同水平对土壤中重金属有效态含量也有一定影响。多功能微生物制剂以不同方式施入土壤后对土壤中重金属有效态含量影响也不同,作为基肥施入后,对Pb、Zn、Cr和Cu有降低作用,多功能微生物制剂作基肥以50g/m2施入时Pb的含量为1.46mg/kg,多功能微生物制剂作基肥以150g/m2施入时Cr、Cu和Zn的含量最低,分别为0.29,2.74,3.99mg/kg。鹿粪对Cu有明显的钝化作用,随着施用量的增加钝化作用加强,鹿粪作基肥以1.35kg/m2施入时Cu的含量为2.75mg/kg。施入猪粪对Cu具有活化作用,猪粪施入量越大Cu的含量越高,猪粪以4.05kg/m2基肥施入时,Cu的含量最高(5.72mg/kg)。2.3效态之间的相关试验结果表明,农田栽参土壤中Cr和Cu全量与有效态之间呈显著相关,相关系数分别为0.548和0.282。Pb和Zn元素的全量和有效态之间的相关性不明显,分别为-0.104和-0.103。3不同肥料对参地土壤重金属有效态含量的影响农田栽参土壤中4种重金属含量均低于国家标准限值,栽参土壤良好,施肥增加了农田栽参土壤中重金属含量,同一肥料不同施入水平土壤中重金属也存在差别。猪粪、鹿粪和EM菌肥随施用量的增加重金属Cr、Cu和Pb含量显著增加。多功能微生物制剂适宜的施入方式和施入量能够减缓重金属的增加趋势。如多功能微生物制剂激活后以50g/m2花期施入对Cr作用显著,多功能微生物制剂激活后以100g/m2基肥施入时对Pb作用显著。农田栽参土壤施入多功能微生物制剂、鹿粪、EM菌肥和猪粪后土壤中Cr含量增加。农户和鹿场购买饲料中均含有重金属(表1),鹿粪和猪粪属于栽参土壤改良常用的有机肥,来源于禽畜粪便,而禽畜粪便中重金属含量与饲料中重金属含量直接相关。由此可见,在一定程度上施肥增加了重金属全量含量,特别是施用有机肥和农家肥成为土壤重金属的输入源,这与其他学者研究结果相一致。由于肥料本身含有重金属,因此不同肥料施入量导致土壤重金属含量存在差别,Cr、Cu和Pb含量随鹿粪和猪粪施入量的增加而增加。适宜的肥料种类和施用剂量可以对参地土壤重金属有效态含量起到一定的调控作用,同一肥料对不同重金属的影响程度不同。使用适宜的EM菌肥能明显降低Cr有效态含量,多功能微生物制剂不同施入方式和施入量对Cu、Pb和Zn的有效态有明显降低作用。污染物的生态环境毒害作用是以生物有效性为基础的,重金属生物有效性受土壤中重金属有效态含量的影响。适宜的肥料种类和施用剂量可以对参地土壤重金属有效态含量起到一定的调控作用,同一种肥料对于不同重金属影响的程度不同,施肥能够改善土壤的理化性质,如pH、土壤溶液中离子组成以及阳离子交换量等,或直接与重金属离子发生反应。施用鹿粪和EM菌肥使土壤中重金属的有效态含量降低,有机肥、农家肥及有机肥与其他肥料的配合使用可以改善土壤理化性质,改变土壤中重金属的存在形态和生物有效性。多功能微生物制剂是人参土壤改良中筛选出的适宜人参改良的微生物肥料,在本研究中多功能微生物制剂对土壤中Cr、Cu、Pb和Zn具有明显的降低作用,多功能微生物制剂和EM菌肥均对重金属具有一定钝化作用,这与多功能微生物制剂和EM肥料含有大量微生物有关。首先,微生物在生长代谢过程中需要一些具有特殊生物学功能的微量元素,包括部分重金属元素;其次,微生物本身及其代谢产物都具有吸附和转化重金属的功能;此外,微生物通过多种渠道改变重金属的活性,使重金属在活动相与非活性相之间相互转化,表现出一定的抗性和解毒功能。鹿粪和猪粪对Cu的有效态含量影响程度不同,鹿粪可以钝化Cu的活性,鹿粪施入量越大钝化作用越强,而猪粪则相反,这由2种肥料特性决定,鹿粪可改善土壤的物理状况,调节土壤中氮磷钾比例,减少腐生线虫,降低人参地土壤的病害,猪粪还能够大量释放NH4+,进而改变土壤酸碱度,对一些重金属起到活化作用。施肥直接增加了土壤中重金属的全量含量,影响重金属有效态含量,其中Cr和Cu的有效态受全量影响显著,具有潜在重金属污染风险,栽参过程中值得警惕。重金属的有效态来源于全量重金属,受重金属全量影响,有效态重金属易被植物直接利用。土壤中Cr和Cu的全量显著地影响有