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不同施肥水平下生物质高粱的生物量和重金属吸收效果的研究

范文

杨泉　王学华　罗小仁　杨柳　刘乾锋

摘要：以3个生物质高粱品种为材料，设置4个施肥量梯度。研究不同施肥量水平对3个高粱品种的生物产量、养分利用率以及重金属吸收效果的影响。结果表明，3个品种对耕地中Cd的吸收效果较好，N2562、M4264这2个品种在施纯氮300 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2时可实现60 t/hm2以上的生物产量，对Cd的吸收量分别可达25.42、26.47 g/hm2;而N5D61品种在施纯氮225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2水平下就可以达到生物产量57 t/hm2以上，且对Cd的生物积累量比另2个品种高，吸收量可达36.98 g/hm2，表明N5D61品种为修复耕地重金属Cd污染的理想材料。

关键词：高粱;重金属;施肥水平;生物量;养分利用率

中图分类号： S514.06;X53文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）09-0138-05

粮食安全问题是一个关乎人类健康的重大问题，而其中重金属超标粮问题不易解决且危害很大[1]。许多耕地遭受到尾砂矿、工厂废弃物和生活垃圾的不正确处理以及污水灌溉等因素的影响，耕地中重金属含量超过了农作物安全生产的国家标准，进而导致耕地产粮重金属含量超标[2-4]。这部分重金属超标粮倘若流入市场，进入食物链，最终危害的还是处于食物链顶端的人类自身[5-6]。因此，耕地重金属污染治理也是我国粮食安全问题的一个重大课题。为让老百姓能够吃到安全的粮食，国家已于2014年启动了針对耕地重金属污染修复治理的相关政策。在国家政策的鼓励下，广大科学研究者根据各地域重金属污染状况的特点，不断地尝试应用和创新各种方案来进行土壤重金属污染修复治理，力求能够找到最理想的方案去缓解或彻底解决耕地重金属污染问题。

以湖南省为例，其境内长株潭地区土壤重金属污染尤为严重[7-8]。有色金属的开采，城市废水的排放，工厂三废的不妥善处理以及气候因素的影响，致使许多耕地土壤中重金属被不断积累，土壤pH值降低，更多不易被作物吸收的结合态重金属转变为可被农作物吸收的游离态重金属，生产出的粮食也变成毒粮[9-11]。现如今，关于重金属污染治理的方法主要是把土壤中的重金属进行活化或钝化，然后通过相关措施降低粮食作物对重金属的过量吸收。这些修复措施主要有工程措施、化学修复措施、土壤中生物修复法以及植物修复法等[12-15]。而要彻底解决重金属污染问题，应做到截断污染源和除掉耕地中过量的重金属。为了保证重金属污染修复更易推广，采用简单易行的操作方法最为有效。

本研究主要利用生物修复法清理耕地中的超标重金属。供试材料选择生物量大、对重金属的耐受性强、吸收量多且产品不进入食物链的作物。因此，生物质高粱成为比较理想的供试品种。本试验设置不同品种配以不同施肥水平，通过对比3种生物质高粱的生物产量和重金属吸收量，来选择合适品种和施肥水平，为修复耕地重金属污染提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试高粱品种选用美国品种N2562、N5D61、M4264（在试验中编号分别为A、B、C），由袁隆平农业高科技股份有限公司提供。试验使用肥料为尿素（河南晋开化工生产，有效总N含量≥46.4%）、钙镁磷肥（泸溪县中汇磷化有限公司生产，有效P2O5含量≥16%）、氯化钾（加拿大进口，有效K2O含量≥60%）。

试验于2016年8—12月在湖南省株洲市株洲县仙井乡宏厦桥村国民合作社的农田中进行。试验地土壤理化性质测定如下：pH值为5.11，碱解氮含量为124.9 mg/kg，速效磷含量为86.6 mg/kg，速效钾含量为205.8 mg/kg，全氮含量为1.57 g/kg，全磷含量为1.29 g/kg，全钾含量为9.13 g/kg，有机质含量 43.5 g/kg，重金属含量见表3中F0行。

试验处理如下：肥料处理水平有F1（以不施肥作为试验对照）、F2（施纯氮150 kg/hm2、P2O5 90 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2）、F3（施纯氮225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2）、F4（施纯氮300 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2）、F5（施纯氮375 kg/hm2、P2O5 225 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2）。试验施肥时，磷、钾肥作为基肥施入土壤，氮肥按基肥 ∶追肥为3 ∶1施用，其中追肥在拔节期施用，设置3次重复，随机区组排列，小区面积为20 m2，种植密度为 13.7 cm×60.0 cm。

采用播种沟内定点播种的方式，每点播种3～5粒种子，覆1 cm左右厚的浅土，在出苗后3～4叶期进行间苗，5～6叶期进行定苗。苗期管理根据天气来合理安排水的排灌，并定期除草和防治病虫害。

1.2 测定指标及方法

生育期指标测定：记载播种期、出苗期、拔节期、挑旗期、抽穗开花期、灌浆期、成熟期的日期。

干/鲜质量测定：在成熟期进行取样，每个小区取样5株，以小区整体各段区域高粱的平均株高、茎粗作为取样标准，取回样品分根、茎、叶、穗，测定干质量。成熟期测生物产量，每个小区按5点取样法选取5个点，每个点取10株样，共50株，测定其鲜质量。

氮、磷、钾等养分含量测定：速效氮含量采用碱解扩散法测定：速效磷含量采用NH4F-HCl法测定;速效钾含量采用NH4OAc浸提火焰光度法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。植株全氮、磷、钾的消化采用HClO4-H2SO4法进行消化，消化完成后全氮和全磷含量用全自动流动分析仪测定，全钾含量用火焰光度计测定。

重金属含量测定：重金属镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）、锰（Mn）的含量采用王水-高氯酸消煮-电子耦合等离子体质谱法测定。

1.3 数据统计分析

使用Excel 2016版软件处理数据，采用DPS 7.05版对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同肥料水平处理对不同高粱品种的生物产量以及养分利用的影响

2.1.1 不同品种高粱生物产量的表现据表1结果显示，不同施肥水平处理下，同一品种高粱生物产量表现具有明显的差异性，不同品种间生物产量表现也有差别。根据测产数据可知，地上部鲜质量AF4、BF3、BF4、BF5、CF4、CF5处理值达到57 t/hm2以上，均显著高于同一品种内其他处理;品种间地上部鲜质量不施肥3个品种间没有显著性差异，随着施肥水平的提高，生物产量整体也随之增大，当A、C品种施肥水平达到F4处理水平，B品种达到F3处理水平时，再增加施肥量，3个品种的生物产量均不再显著增加。全株干质量与地上部鲜质量的情况类似，据2项数据可以得出，在一定范围内，随着施肥水平的提高，高粱的生物产量整体不断增加，当施肥水平超过F4处理时，相较于F4处理增施肥料对于增加生物产量的效果甚微，F4和F5处理都可得到较高的生物产量。

据表1的单株根、茎、叶、穗干质量数据考察显示，茎对高粱生物产量贡献度最大，其干质量甚至超过根、叶、穗干质量之和的2～3倍。3个品种在F4处理水平范围内，根干质量总体上随施肥水平的升高而增大，其后再增施肥料根干质量反而开始减少;茎干质量总体上随施肥量的增多而增大，3个品种间略有些差异，A品种施肥处理之间相对比较平衡，可见其对养分敏感度要弱于另外2个品种;B品种随施肥量梯度呈现出明显的正比变化梯度，可见其对养分的需求潜力较大，多施肥利于增产;C品种在施肥水平达到F4时，已经达到饱和，再增施肥料茎干质量增加量不明显。3个品种的叶干质量同一施肥水平上均表现为C>A>B。穗部干质量由于播种时间较晚，籽粒受孕失败，均为秕粒，因此穗部干质量水平较低，且A、C品种穗部干质量均表现为在F4处理水平上达到最大值，B品种在F5水平达到最大值。

2.1.2 不同高粱品种肥料利用率的表现根据公式[作物肥料利用率=（施肥小区作物吸收的养分量-不施肥小区作物吸收的养分量）/（肥料施用量×肥料养分含量）×100%]计算出不同施肥水平下各个品种的养分利用率（表2）。氮元素养分利用情况：3个品种利用率在28%～47%之间，其中A品种在F2处理水平时最高，达到45%，F5处理水平时最低仅有28%;B品种在F3处理水平时利用率达到最大值47%，其他施肥水平相差不大;C品种在F2、F3、F4这3个处理水平时利用率较高，均在42%及以上，F5较这3个水平较低。磷元素养分利用情况：A品种在12%～23%之间，F2处理要高于同品种内另3个施肥处理;B品种在17%～26%之间，F3处理利用率最高且高于其他同品种处理水平;C品种利用率在14%～24%之间，F3和F4处理相对较高，分别为22%、24%。钾元素养分利用率要远高于氮元素和磷元素，A品种利用率在50%～74%之间，F2处理最高，为74%，其次是F5处理的64%;B品种养分利用率在78%～90%之间，F2处理值最低;C品种养分利用率差异较大，在53%～90%之间，F4处理最大，F2处理最小，3个品种均未表现出明显的正反比关系。综合分析，在较低施肥水平下，A、C这2个品种的氮素利用率较高，B、C这2个品种对磷元素的需求比A品种大，B品种对钾元素的需求要高于A、C这2个品种。

2.2 不同肥料水平下不同高粱品种对重金属吸收效果的影响

2.2.1 试验前后土壤中重金属含量土壤背景数据显示，土壤pH值为5.11，根据国家土壤环境标准，对于pH值低于6.5的土壤要求安全生产的重金属含量标准分别为Cr含量≤250.0 mg/kg，As含量≤30.0 mg/kg，Cd含量≤0.3 mg/kg，Pb含量≤250.0 mg/kg。由表3可以看出，Cr、As、Pb 3种重金属均在安全生产范围内，Mn元素含量较高，Cd含量超出了安全农业生产标准的近2倍。因此采取相关措施进行土壤Cd的超标修复非常有必要。本试验前后土壤中重金属含量变化不大，甚至出现增加情况，造成此种现象的原因有以下2种可能：首先是试验田为水稻田，长期淹灌，试验过程中为旱地，造成了土壤中重金属流动性较差，造成重金属累积。其次，试验过程中，由于试验期间下雨较少，从原水稻田水源处进行了引水灌溉，水源中重金属含量可能较高，水灌进试验田后直接下渗未外排，造成重金属积累，虽然通过试验吸收了部分重金属，但并未截断污染源，因此造成修复效果不明显。由此可见，截断污染源对彻底解决土壤重金属污染至关重要。

2.2.2 不同高粱品种对重金属的吸收表现比较本试验中，虽然土壤中重金属含量由于污染源问题导致修复效果不明显，但所选3种供试生物质高粱由于其高生物产量优势，对土壤中重金属吸收量还是很可观。从表4可以看出，3个品种施肥处理比未施肥处理所吸收的重金属量有较大幅度的提高，总体上重金属吸收量与一定范围内的施肥量呈正比。A品种对As的吸收量在F2、F3这2个处理水平较高，F4和F5处理对Cr、Pb和Mn的吸收量要显著高于其他处理，F5处理对Cd的吸收最高，且与其他处理差异达到显著水平。B品种对Cr的吸收F3、F4、F5处理要高于其他2个处理，对其余4种重金属吸收量最高的为F5处理，其次为F4处理。C品種对5种重金属的吸收除Cr为F3、F4、F5较高外，其余4种重金属均是F4处理水平最高。3个品种对5种重金属吸收规律为Mn吸收量最大，其次是Cr，A、B 2个品种对As、Cd和Pb的吸收量在较高施肥水平下相差不大，较低施肥水平时Cd吸收最小，C品种每个施肥水平都是Cd吸收量最低，且在较高施肥水平下低于同一施肥水平的A、B 2个品种。可见，在选取修复土壤中的超标Cd时，A、B品种更合适，且在一定范围内吸收量与施肥量呈正相关关系。

2.2.3 不同施肥水平下各供试高粱品种对5种重金属富集系数表现重金属富集系数是不同高粱品种对土壤中重金属富集能力的一种体现，重金属富集系数=植物体内重金属含量/土壤（或沉积物）中重金属含量。从表5可知，3个品种对Cd和Cr的富集系数都大于1（Cr只有AF2处理小于1），富集能力较强，对Mn和As的富集系数只有0.2左右，对Pb的富集系数最低，表明高粱对Pb的富集能力很弱。由此可知，利用这3种高粱修复Cr和Cd超标的耕地效果可观。对Cr的富集，A和C品种没有表现出明显的规律性，而B品种则是在较低施肥水平下，富集系数较高，且要高于A和C品种。

对Cd的富集而言，A品种表现为富集能力与施肥水平呈正相关关系，B、C品种没有明显的规律性，3个品种中B品种的富集能力最强，A品种比C品种在较高施肥水平下更具优势。

2.2.4 不同高粱品种对不同重金属转移系数的比较重金属在生物体内的转运储存能力也是体现生物对重金属吸收积累能力的一种表现，生物转移系数=地上部分的重金属含量/地下部分的重金属含量。从表6可知，表中5种重金属的转移系数均小于1，可见供试品种根部对5种重金属的转运能力并不是很强。鉴于此次试验修复的主要目标为Cd，3个品种中以B品种转移系数在0.67以上为最好，其次为C、A，且在低施肥水平下C品种高于A品种，高施肥水平下A品种较高。

2.2.5 不同高粱品种对重金属生物积累量的比较生物积累量=植物体积累量/生物量。由表7可知，B品种对Cr、Mn、Cd的生物积累比A、C品种要具有优势，B和C品种对Asr 生物积累量比A品种好。在同一品种不同处理下对其重金属生物积累量没有明显的规律性。可见，品种特性才是对重金属生物积累影响最大的因素，B品种在应用于重金属修复中比A和C品种表现更好。

3 结论与讨论

供试3种高粱品种的生物产量在适当的施肥量下均可达到57 t/hm2以上，这与其他作物相比，在生物产量上具有突出的优势。在施肥水平达到F3处理水平即施纯氮 225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2时，B品种可达到较高的生物产量，在F4水平即施纯氮300 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2时，3个品种的生物产量潜力可以得到充分的发挥，再加大施肥量，生物产量增加有限，养分利用率降低。3个品种最大生物产量情况比较为C>A>B即M4264>N2562>N5D61。养分利用上，保证高粱高生物产量时即F4施肥水平时，因品种差异钾肥利用率最高在50%～90%之间，其次是氮肥，其利用率在31%～43%之间，磷肥养分利用率最低，仅在15%～24%之间。据调查，我国作物肥料氮肥利用率约为30%～35%，磷肥利用率约为10%～20%，钾肥利用率约为35%～50%[16]。从钾肥利用率非常高，可以推断钾肥对生物质高粱非常重要，因此在施用肥料时，应根据品种特性选择养分利用率高的品种种植且合理安排肥料配比进行施用。对比发现在F4施肥水平下，M4264品种对3种养分利用率是最高的，其次是N5D61品种，这2个品种对钾肥的利用率很高，种植时应考虑适当提高钾肥用量，充分满足其生理需求，增加生物产量。

据土壤数据调查显示，试验点区域Cd含量已超过安全农业生产标准的近2倍，生产出来的粮食如果正常进入市场，必将会对人类健康造成危害。试验前后重金属含量的变化也充分说明了同时治理耕地土壤重金属污染源和被污染地的必要性，边治理边污染下的治理效果等于不治理。总体而言，3个品种在对5种重金属的吸收效果上很相近，N5D61品种稍强，其次是M4264品种。3个品种对Cd和Cr的富集效果都大于1，虽转移系数未达到1的标准，但试验结果显示，其施肥水平才是影响重金属吸收量的最大影响因素，而施肥水平最直接影响的是高粱的生物产量。综合分析，生物产量提高，通过高粱生物积累的重金属量也会相应提高。通过数据对比，3个品种均可较好地应用于Cd和Cr超标的耕地修复，而N5D61品种表现最为突出，特别是应用于Cd的超标修复上，其生物积累量甚至高过另外2个品种的1/3，再配以F3的施肥水平即施纯氮225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，可实现既经济又能充分发挥其生产潜力和保障较高的重金属吸收量。在收割高粱植株时，应尽量连根部一起移除，集中送往加工地作为能源植物使用，达到更好的耕地修复效果也避免吸收的重金属再次返回耕地。

综合本试验结果，选用高粱B品种（N5D61）作为耕地土壤重金属Cd超标的理想材料，同时采用施以纯氮 225 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2的施肥水平可以充分发挥其特性，既能较好地满足养分需求潜力，得到较高的生物产量，又能取得不错的重金属吸收量，达到修复耕地重金属污染的目的。

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