亚热带农业研究 2020,Vol. 16Issue (4): 217-223   PDF   
DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2020.04.001
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文章信息

陈琨, 上官宇先, 杨乾龙, 尹宏亮, 黑儿平, 秦鱼生
CHEN Kun, SHANGGUAN Yuxian, YANG Qianlong, YIN Hongliang, HEI Erping, QIN Yusheng
钛石膏对镉污染土壤水稻生长及镉有效性的影响
Effect of titanium gypsum application on rice growth and cadmium availability in cadmium-contaminated soil
亚热带农业研究, 2020, 16(4): 217-223
Subtropical Agriculture Research, 2020, 16(4): 217-223.
DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2020.04.001

文章历史

收稿日期: 2020-11-02
钛石膏对镉污染土壤水稻生长及镉有效性的影响
陈琨1,2, 上官宇先1,2, 杨乾龙3, 尹宏亮1,2, 黑儿平1,2, 秦鱼生1,2     
1. 四川省农业科学院土壤肥料研究所, 四川 成都 610066;
2. 农业部南方坡耕地植物营养与农业环境 科学观测实验站, 四川 成都 610066;
3. 南充市顺庆区农业农村局, 四川 南充 637000
摘要[目的] 以土壤可持续发展、农产品安全和环境友好为目标,在镉污染土壤上研究添加钛石膏后对土壤中镉的钝化效果和水稻镉吸收的控制效应。[方法] 采用盆栽模拟试验。选择轻度、中度镉污染土壤(全镉含量分别为0.537、0.906 mg·kg-1),在施用等量化肥的基础上设9个处理,各处理每千克土分别添加钛石膏0(CK)、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0、64.0 g,研究钛石膏用量对水稻生长、产量及稻米镉含量的影响。[结果] 土壤中过高的镉含量会抑制水稻生长发育,导致减产。添加钛石膏后,能够有效提高水稻经济系数,有利于提高水稻产量和品质。添加钛石膏可显著降低轻度镉污染土壤的稻米镉含量,从0.014 mg·kg-1降低到0.004 mg·kg-1,而中度镉污染土壤稻米镉含量则呈现先升高后降低的趋势。在轻度镉污染土壤上添加钛石膏比CK显著降低土壤有效镉含量,从0.045 mg·kg-1降低到0.017 mg·kg-1;中度镉污染土壤有效镉含量的变化不太稳定。[结论] 添加钛石膏对土壤有效镉的钝化效果受施肥和种植模式等多种因素影响,对轻度镉污染土壤的改良效果更加稳定和明显。
关键词水稻    土壤        有效性    钛石膏    
Effect of titanium gypsum application on rice growth and cadmium availability in cadmium-contaminated soil
CHEN Kun1,2, SHANGGUAN Yuxian1,2, YANG Qianlong3, YIN Hongliang1,2, HEI Erping1,2, QIN Yusheng1,2     
1. Soil and Fertilizer Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu, Sichuan 610066, China;
2. Observation Experimental Station of Plant Nutrition and Agro-Environment Sciences on Southern Sloping Lands, Ministry of Agriculture, Chengdu, Sichuan 610066, China;
3. Agricultural and Rural Bureau of Shunqing District, Nanchong City, Nanchong, Sichun 637000, China
Abstract: [Purpose] With the goal of sustainable development of soil, safety of agricultural products and environmental friendliness, the passivation effect of titanium gypsum on soil, and the control effect of cadmium absorption by rice after applying titanium gypsum on cadmium contaminated soil were investigated. [Method] A potted simulation test was conducted with mildly and moderately cadmium-polluted soil (total cadmium content was 0.537 and 0.906 mg·kg-1, respectively), There were nine treatments, all had the same amount of conventional chemical fertilizers. In addition, different amount of titanium gypsum was applied, namely, 0 (CK), 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0, 16.0, 32.0, and 64.0 g·kg-1 of titanium gypsum to study the effect on rice growth, yield, and cadmium content. [Result] Excessive cadmium content in the soil could inhibit the growth and development of rice and reduce the yield. Adding titanium gypsum can effectively improve the economic coefficient of rice, which is conducive to improving the yield and quality of rice. The addition of titanium gypsum significantly reduced the cadmium content of rice grains in lightly cadmium-contaminated soil from 0.014 to 0.004 mg·kg-1, while the cadmium content of rice grains in moderately cadmium-contaminated soil showed a trend of first increasing and then decreasing. Adding titanium gypsum to mildly cadmium polluted soil also significantly reduced its available cadmium content than the CK, from 0.045 to 0.017 mg·kg-1; however, the change of available cadmium in moderately cadmium-contaminated soil was not stable. [Conclusion] The passivation effect on soil available cadmium content of additing titanium gypsum is affected by various factors such as fertilization and planting mode, and the improvement effect on mildly cadmium-polluted soil is more stable and obvious.
Key words: rice    soil    cadmium    availability    titanium gypsum    

镉(Cd)是一种广泛存在于环境中的重金属元素[1],容易被植物吸收积累[2]。由于工业废物排放、污水灌溉、大气沉降和长期施用磷肥,自然界中的镉污染越来越严重[3]。我国镉污染农田面积已超过28万hm2[4],每年生产镉含量超标的农产品达146万t,对农业生产和人们的身体健康构成严重威胁[5]。水稻是易于吸收镉的谷物之一[6]。有学者对我国市售的91个大米样品进行了随机采样和化学分析,发现有10%的样品镉含量超标[7]

钛石膏是采用硫酸法生产钛白粉时产生的以二水硫酸钙为主的副产物。钛石膏含有足量的钙和硫以及部分的铁和硅,可为作物生长提供必要的营养元素[8]。施用适量的钛石膏可以促进油菜生长,使油菜产量提高10%以上[9]。此外,钛石膏在土壤中的絮凝速度很快,能够防止土壤流失[10]。相关研究表明,钛石膏施入土壤后可以有效固定土壤中的重金属等[11-12]。Illera et al[13]研究表明,铅能够吸附在钛石膏表面,形成较为稳定的硫酸铅矿物;黄佳乐[14]研究表明,钛石膏可以明显降低土壤有效镉的含量,且能在一定程度上减少水稻籽粒中镉的积累并具有增产作用。但由于钛石膏含有一定量的重金属,用于土壤改良可能存在一定的环境污染风险[15]。因此,有必要对钛石膏农田资源化安全利用开展评价。

当前国内外对钛石膏的研究和利用还处于探索阶段。本课题组前期对钛石膏进行了测试,结果表明,钛石膏本身属于微碱性物质,其所包含的重金属含量等指标都符合《土壤环境质量·农用地土壤污染风险管控标准:GB 15618—2018》[16]中的土壤筛选值。本研究通过盆栽生物模拟试验,选择水稻进行钛石膏农田利用安全评价,在镉污染土壤上探讨钛石膏施用后对土壤镉的钝化效果和作物镉吸收的控制效应。

1 材料与方法 1.1 供试材料

于2018年3月6日至9月15日在四川省农业科学院土壤肥料研究所盆栽场开展盆栽试验,供试水稻品种为川优6203(国审稻2014016)。供试钛石膏为用硫酸法生产钛白粉时产生的废渣,其主要成分为二水石膏,经检测其重金属组分含量为:铜32.6 mg·kg-1、锌36.6 mg·kg-1、铅8.91 mg·kg-1、镉0.14 mg·kg-1、铬19.3 mg·kg-1、砷4.48 mg·kg-1和汞0.596 mg·kg-1。供试土壤为灰棕冲积物发育的水稻土,质地为中壤,采集于镉污染稻田0~20 cm的耕层。土样经去除植物残体、风干、用木槌碎化混匀后供水稻盆栽试验用。土壤镉污染程度分别为轻度污染(L,即超标1倍,全镉0.537 mg·kg-1)和中度污染(M,即超标2倍,全镉0.906 mg·kg-1),每盆装土8 kg(风干土)。总体上看,供试土壤的全氮和有机质含量丰富,有效磷和速效钾缺乏,属中等肥力水平(表 1)。供试氮肥为尿素(含46% N),磷肥为磷酸一铵(含11%N、44%P2O5),钾肥为硫酸钾(含50%K2O)。

表 1 供试土壤的基本理化性质和镉含量 Table 1 Basic physical and chemical properties and cadmium content of experimental soil
土壤类型1) pH $\frac{{{w_{\rm{有机质}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ $\frac{{{w_{\rm{全氮}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ $\frac{{{w_{\rm{全磷}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ $\frac{{{w_{\rm{全钾}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ $\frac{{{w_{\rm{碱解氮}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ $\frac{{{w_{\rm{有效磷}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ $\frac{{{w_{\rm{速效钾}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ $\frac{{{w_{\rm{全镉}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$
M 7.25 52.3 2.95 1.91 20.6 110 5.7 51 0.906
L 6.08 40.4 2.28 1.16 17.9 152 48.4 282 0.537
1)M.中度镉污染; L.轻度镉污染。
1.2 试验设计

供试水稻种子用水冲洗干净后在室温下放置于育秧盘中催芽培育,长出2片真叶后移植到盆钵中,每盆移栽4株水稻。共设9个处理,各处理每千克土分别添加钛石膏0(CK)、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0、64.0 g,即每盆用量分别为0、4、8、16、32、64、128、256、512 g,所对应中度、轻度镉污染土壤的处理代号分别为M1~M9和L1~L9。各处理设4次重复。先将所需肥料或物料与土壤混匀,然后装盆。每盆的氮、磷和钾肥用量分别为1.6、1.2和1.2 g。所有物料均作底肥一次施用。

1.3 测定项目及方法 1.3.1 水稻农艺性状及生物量

收获时采集水稻植株样品,装入尼龙网袋带回室内,考察株高、穗长、有效穗数、籽粒重和秸秆重等农艺性状。

1.3.2 水稻镉含量

植株样品经风干、研磨后,采用石墨炉原子吸收光谱法[17]测定其籽粒和秸秆中的全镉含量。样品经磨碎过0.425 mm尼龙筛后,采用硝酸—高氯酸湿法消煮。消煮样品时,同时消煮空白和标准样品(GBW10010)进行质量控制和结果校正。

1.3.3 土壤全镉和有效镉含量

收获后每盆采集混合土样0.5 kg,风干后采用石墨炉原子吸收光谱法[17]测定土壤全镉和有效镉含量。土壤总镉含量采用硝酸—盐酸—高氯酸—氢氟酸消解测定;土壤有效态镉含量采用1 mol·L-1醋酸铵浸提测定。

1.4 统计与分析

采用Microsoft Excel 2010和DPS 6.55进行数据处理。通过LSD法检验差异显著性水平(P < 0.05)。

2 结果与分析 2.1 添加钛石膏对水稻农艺性状的影响

表 2可知,供试水稻品种对镉反应较为敏感。轻度镉污染土壤上水稻的株高、穗长和有效穗数均明显高于中度镉污染土壤上的水稻,轻度镉污染土壤的水稻平均株高、穗长和有效穗数较中度镉污染土壤上的水稻分别提高9.18%、6.45%和16.92%,表明土壤中过高的镉含量对水稻的生长发育产生了不良影响。由表 2还可知,添加钛石膏后,水稻株高和穗长基本与不施钛石膏处理相当,处理间没有显著差异。

表 2 钛石膏用量对不同浓度镉污染土壤上水稻农艺性状的影响1) Table 2 Effect of titanium gypsum application rate on rice agronomic characteristics in polluted soils with different concentrations of cadmium
处理 $\frac{{{w_{\rm{钛石膏}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ 株高/cm 穗长/cm $\frac{有效穗}{{穗 \cdot 盆^{ - 1}}}$
M1 0 87.45±4.95a 22.95±1.25a 30±4.00a
M2 0.5 84.63±4.22a 22.43±1.31a 31±3.30a
M3 1.0 70.38±3.41b 22.78±0.76a 26±2.35a
M4 2.0 87.30±3.93a 22.15±1.35a 31±1.30a
M5 4.0 94.03±1.41a 23.95±0.97a 29±0.83a
M6 8.0 86.40±5.75a 21.48±2.40a 26±3.67a
M7 16.0 88.13±6.18a 23.48±1.71a 29±2.28a
M8 32.0 93.45±1.40a 23.70±1.06a 28±3.50a
M9 64.0 92.10±3.02a 23.28±0.94a 30±4.03a
L1 0 94.15±3.41a 24.20±1.17a 36±1.48a
L2 0.5 95.65±1.35a 24.65±0.47a 36±2.45a
L3 1.0 98.88±0.87a 25.23±0.18a 35±2.95a
L4 2.0 98.13±0.81a 25.58±0.90a 31±1.92b
L5 4.0 93.43±4.15a 23.25±1.48a 32±3.08ab
L6 8.0 94.20±2.08a 23.90±0.44a 32±0.83ab
L7 16.0 94.95±4.19a 24.80±1.90a 34±1.30ab
L8 32.0 92.45±2.26a 23.70±0.95a 34±2.24ab
L9 64.0 93.98±1.56a 24.18±0.43a 34±3.67ab
1)M.土壤中度镉污染,L.土壤轻度镉污染;同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。
2.2 添加钛石膏对水稻籽粒产量和生物量的影响

表 3可知,轻度镉污染土壤上水稻的籽粒重和秸秆重均明显高于中度镉污染土壤上的水稻,说明土壤中过高的镉含量会抑制水稻的生长发育,导致水稻减产。从表 3还可知,添加钛石膏后,2种土壤的水稻籽粒重都明显高于对照;中度镉污染土壤上水稻秸秆重变化不大,轻度镉污染土壤上水稻秸秆重均较对照有所降低;2种土壤上水稻的经济系数均呈现稳定上升的趋势。综上可知,添加钛石膏能够有效提高水稻的经济系数,有利于提高产量和品质。

表 3 钛石膏用量对不同浓度镉污染土壤上水稻生物量和经济系数的影响1) Table 3 Effects of titanium gypsum application rate on rice biomass and economic coefficient in polluted soils with different concentrations of cadmium
处理 $\frac{{{w_{\rm{钛石膏}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ $\frac{籽粒重}{{{\rm{g}} \cdot 盆^{ - 1}}}$ $\frac{秸秆重}{{{\rm{g}} \cdot 盆^{ - 1}}}$ $\frac{生物量}{{{\rm{g}} \cdot 盆^{ - 1}}}$ $\frac{经济系数}{\%}$
M1 0 62.58±2.30b 98.28±3.55a 160.86±6.98b 38.90
M2 0.5 61.08±11.87b 109.50±5.48a 170.58±16.07ab 35.81
M3 1.0 65.63±11.77ab 106.84±9.07a 172.47±5.65ab 38.05
M4 2.0 69.60±22.90ab 109.07±4.14a 178.67±16.83a 38.95
M5 4.0 82.96±8.84a 104.07±6.63a 187.03±5.88a 44.36
M6 8.0 68.95±9.54ab 91.14±21.75a 160.09±25.91b 43.07
M7 16.0 74.33±12.84ab 105.66±12.79a 179.99±8.83a 41.30
M8 32.0 73.99±5.09ab 95.45±14.38a 169.44±16.68ab 43.67
M9 64.0 71.89±3.41ab 99.95±14.07a 171.84±14.81ab 41.84
L1 0 85.89±20.47b 161.23±14.01a 247.12±17.87ab 34.76
L2 0.5 98.64±12.68ab 153.96±11.90a 252.60±18.86ab 39.05
L3 1.0 131.80±9.53a 155.14±9.74a 286.94±15.29a 45.93
L4 2.0 122.32±10.98a 131.76±16.28ab 254.08±20.13ab 48.14
L5 4.0 106.43±17.88ab 132.22±14.65ab 238.65±19.88ab 44.60
L6 8.0 104.06±18.89ab 123.88±16.14b 227.94±30.33b 45.65
L7 16.0 122.44±14.84a 136.29±17.04ab 258.73±26.76ab 47.32
L8 32.0 120.01±6.14a 142.30±13.42ab 262.31±7.76ab 45.75
L9 64.0 105.49±20.94ab 144.29±42.76ab 249.78±55.01ab 42.23
1)M.土壤中度镉污染,L.土壤轻度镉污染;同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。
2.3 添加钛石膏对水稻吸收镉的影响

表 4可见,添加钛石膏能够明显降低轻度镉污染土壤上的水稻籽粒镉含量,而中度镉污染土壤上的水稻籽粒镉含量则大体呈现先升高后降低的趋势。总体来看,钛石膏用量为8.0~64.0 g·kg-1时,对降低水稻籽粒吸收镉有较好的效果,其中对轻度镉污染土壤的效果更显著,籽粒镉含量从0.014 mg·kg-1降低到0.004 mg·kg-1。考虑到经济效益,16.0 g·kg-1钛石膏用量相对较佳。从表 4还可知,添加钛石膏后秸秆吸收的镉含量并无太大变化。

表 4 钛石膏用量对不同浓度镉污染土壤上水稻秸秆和籽粒全镉含量的影响1) Table 4 Effect of titanium gypsum application rate on total cadmium content of rice straws and grains in polluted soils with different concentrations of cadmium
处理 $\frac{{{w_{\rm{钛石膏}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ w全镉/(mg·kg-1) 籽粒与秸秆镉含量比
M1 0 0.143±0.013ab 0.012±0.001ab 0.084
M2 0.5 0.130±0.010b 0.011±0.001ab 0.085
M3 1.0 0.135±0.011b 0.012±0.007ab 0.089
M4 2.0 0.133±0.003b 0.014±0.015a 0.105
M5 4.0 0.148±0.014ab 0.015±0.015a 0.101
M6 8.0 0.139±0.021ab 0.010±0.004ab 0.072
M7 16.0 0.150±0.024a 0.009±0.004ab 0.060
M8 32.0 0.145±0.015ab 0.009±0.001b 0.062
M9 64.0 0.149±0.024a 0.010±0.002ab 0.067
L1 0 0.130±0.013ab 0.014±0.007a 0.108
L2 0.5 0.132±0.014ab 0.009±0.003ab 0.068
L3 1.0 0.125±0.006b 0.008±0.001ab 0.064
L4 2.0 0.140±0.031a 0.006±0.001b 0.043
L5 4.0 0.151±0.026a 0.009±0.003ab 0.060
L6 8.0 0.125±0.009b 0.008±0.004ab 0.064
L7 16.0 0.124±0.007b 0.007±0.002ab 0.056
L8 32.0 0.131±0.004ab 0.004±0.000b 0.031
L9 64.0 0.150±0.007a 0.005±0.002b 0.033
1)M.土壤中度镉污染,L.土壤轻度镉污染;同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。
2.4 添加钛石膏对镉污染土壤镉含量的影响

表 5可知,参试的2种土壤全镉含量在栽种水稻完成后较种植前的基础土样有不同程度下降,这可能与栽培过程中施肥模式和水分管理有较大的关系,以及受到土壤—作物相互反应的影响。在相同情况下,添加钛石膏比不添加钛石膏能更好降低土壤全镉含量,轻度镉污染土壤全镉含量降幅为1.63%~13.01%,中度镉污染土壤全镉含量变化规律不一致,除4、5号样品有所提高外,其余降幅在0.40%~31.85%之间。在轻度镉污染土壤上添加钛石膏的有效镉含量比不添加钛石膏显著降低,从0.045 mg·kg-1降低到0.017 mg·kg-1,降幅达62.22%;中度镉污染土壤有效镉含量的变化不太稳定,有的处理提高26.92%~57.69%。因此,推测添加钛石膏能够有效降低土壤全镉含量,但对有效镉含量的影响则受到施肥和种植模式等多种因素影响。总体来看,添加钛石膏对轻度污染土壤的改良效果更加稳定和明显。

表 5 钛石膏用量对不同浓度镉污染土壤上全镉和有效镉含量的影响1) Table 5 Effect of titanium gypsum application rate on total and available cadmium content in polluted soils with different concentrations of cadmium
处理 $\frac{{{w_{\rm{钛石膏}}}}}{{{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}}}$ w全镉/(mg·kg-1) $\frac{相对变化}{\%}$ w有效镉/(mg·kg-1) $\frac{相对变化}{\%}$
M1 0 0.744±0.111a - 0.026±0.007ab -
M2 0.5 0.714±0.138a -4.03 0.024±0.004ab -7.69
M3 1.0 0.708±0.075a -4.84 0.024±0.007ab -7.69
M4 2.0 0.759±0.042a 2.02 0.022±0.002b -15.38
M5 4.0 0.777±0.105a 4.44 0.033±0.005a 26.92
M6 8.0 0.741±0.060a -0.40 0.041±0.005a 57.69
M7 16.0 0.657±0.150ab -11.69 0.038±0.004a 46.15
M8 32.0 0.507±0.024b -31.85 0.036±0.003a 38.46
M9 64.0 0.549±0.048b -26.21 0.037±0.002a 42.31
L1 0 0.492±0.032a - 0.045±0.009a -
L2 0.5 0.444±0.102ab -9.76 0.019±0.002b -57.78
L3 1.0 0.476±0.064a -3.25 0.025±0.011b -44.44
L4 2.0 0.428±0.030b -13.01 0.024±0.002b -46.67
L5 4.0 0.450±0.044ab -8.54 0.024±0.002b -46.67
L6 8.0 0.440±0.020ab -10.57 0.026±0.006b -42.22
L7 16.0 0.478±0.038a -2.85 0.023±0.002b -48.89
L8 32.0 0.484±0.028a -1.63 0.017±0.008b -62.22
L9 64.0 0.460±0.096a -6.50 0.021±0.005b -53.33
1)M.土壤中度镉污染,L.土壤轻度镉污染;同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。
2.5 钛石膏添加量与土壤、水稻的相关性

表 6可以看出,钛石膏添加量与水稻籽粒中的镉含量、土壤中的镉含量呈负相关,但不显著。籽粒的镉含量与土壤的镉含量呈极显著正相关,相关系数为0.699,但籽粒的镉含量与生物量呈显著负相关,相关系数为-0.576。水稻的株高、生物量与土壤镉含量呈极显著负相关,相关系数分别为-0.663和-0.803。

表 6 钛石膏施用量与土壤及水稻的相关性1) Table 6 Correlation analysis of cadmium gypsum application rate and soil and rice
钛石膏用量 籽粒镉含量 土壤镉含量 株高 秸秆镉含量 生物量 有效镉含量
钛石膏用量 1 -0.457 -0.280 0.166 0.437 -0.005 0.055
籽粒镉含量 -0.457 1 0.699** -0.392 0.069 -0.576* 0.449
土壤镉含量 -0.280 0.699** 1 -0.663** 0.186 -0.803** 0.24
株高
0.166 -0.392 -0.663** 1 -0.044 0.656** -0.022
秸秆镉含量 0.437 0.069 0.186 -0.044 1 -0.411 0.296
生物量
-0.005 -0.576* -0.803** 0.656** -0.411 1 -0.425
有效镉含量 0.055 0.449 0.240 -0.022 0.296 -0.425 1
1)*表示P < 0.05;**表示P < 0.01。
3 讨论

已有研究表明,钛石膏作为土壤改良剂对镉有一定的吸附作用,黄佳乐[14]评估了钛石膏用于改良镉污染土壤的潜力表明,钛石膏对镉具有良好的吸附性能。靳必强等[8]在总结前人研究成果时,也明确了钛石膏用作改良镉污染土壤的可行性和发展方向。本研究发现,在中度和轻度镉污染土壤上添加钛石膏,能不同程度地提高水稻籽粒产量和经济系数,同时对籽粒的镉积累有一定的抑制作用,这与赵文亮[18]的研究结果基本一致,即添加钛石膏改善了作物长势并一定程度上减少了水稻镉积累。本研究发现,中度镉污染土壤相比轻度镉污染土壤对水稻农艺性状有明显的抑制作用。林肖等[19]研究发现,水稻孕穗期根系活力和器官干物质量均随土壤镉含量的提高而降低。周静等[20]也发现,重度镉污染土壤明显增强水稻各器官镉富集和根—糙米各环节镉转运效率,明显促进糙米镉含量增加。本研究还表明,添加钛石膏较CK能更好地降低土壤全镉含量,轻度镉污染土壤全镉含量降幅为1.63%~13.01%、有效镉含量降幅为42.22%~62.22%,比中度镉污染土壤的改良效果更加稳定和明显。这主要是由于钛石膏的阳离子交换量较大,对土壤镉有一定的吸附作用,且对土壤酸碱度有调节作用。在土壤中,通过改变土壤酸碱度可以影响重金属的有效性[21-24],而根际土壤的酸碱度更是直接控制重金属有效性的重要因素之一[25]。钛石膏呈现碱性,添加到土壤中能够提高土壤的酸碱性,从而降低土壤中重金属的有效性[18]

总体上,钛石膏处理对于减少糙米重金属积累的效果更好,很可能是由于钛石膏的添加降低了土壤溶液中镉的含量[24],促使重金属含量达标[26]。钛石膏处理显著降低了水稻地上部镉的含量,是由于水稻土在淹水环境下,添加硫酸盐促进硫化镉的形成[27-28],从而减少水稻各部位包括糙米中镉的积累[29];也有研究表明,虽然施用过量硫素减少了水稻根表肢膜的形成,但水稻糙米中的镉含量仍显著下降,这可能是受到有效硫的影响[30]。与目前国内其他钝化剂相比[31],钛石膏的钝化作用优于一些有机钝化剂而低于常规石灰。但钛石膏的有效利用能够减少工业废弃物的排放,做到废物利用,因此具有一定的市场前景。

4 结论

(1) 土壤中过高的镉含量对水稻生长发育产生了不良影响。轻度镉污染土壤上水稻的农艺性状指标均明显比中度镉污染土壤上的水稻更好,添加钛石膏后,处理间没有显著差异。(2)不同用量的钛石膏能够增加水稻的籽粒产量。其中,分别在每千克中度、轻度镉污染土壤中添加4.0、1.0 g钛石膏,水稻的籽粒产量最高。(3)添加钛石膏能够降低土壤有效镉含量和水稻籽粒全镉含量。在32.0 g·kg-1钛石膏处理中,2种污染土壤上种植的水稻镉含量均最低;在中度镉污染土壤中,2.0 g·kg-1钛石膏处理下的土壤有效镉含量最低,而在轻度镉污染土壤中,32.0 g·kg-1钛石膏处理下的土壤有效镉含量最低。

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