黑土区设施土壤积累特征及风化煤制剂修复效果研究

黑土区设施土壤积累特征及风化煤制剂修复效果研究_2015年论文集

黑土区设施土壤Zn积累特征及风化煤制剂修复效果研究

于志民　吕　品*　王立民

(黑龙江省科学院自然与生态研究所，湿地与生态保育国家地方联合工程实验室　哈尔滨　150040)

摘　要：基于黑龙江省黑土区设施土壤中存在Zn污染风险，为探索Zn积累特征及修复技术，利用风化煤制剂进行修复试验研究。结果表明：五常、肇东两地部分棚室有Zn含量超标现象，均为中等强度变异，Zn形态分布以残渣态为主，可利用态含量较少，移动性较弱；施用风化煤制剂显著降低设施黑土有效Zn含量，所有处理较对照差异均达显著水平(P＜0.05)，相关性分析表明，制剂中风化煤起主导作用，并根据修复效果确定最优风化煤制剂。

关键词：黑土　Zn　积累特征　风化煤制剂　修复

Study on Zn Accumulation Characteristics of Greenhouse Soil in Black Soil Zone and

Repair Effect ofWeathered Coal Preparation

Yu Zhimin,Lv Pin*,Wang Limin

(Institute of Natural Resources and Ecology,Heilongjiang Academy of Sciences,National and Provincial Joint Engi

neering Laboratory ofWetlands and Ecological Conservation,Harbin,150040)

Abstract: This study was based on the risk of Zn pollution in greenhouse soil of Heilongjiang Province.By weathered coal,the purpose of the reparative experiment is to explore the characteristics of Zn accumulation and reparative technology.The results showed that there were some phenomenons that the contents of Zn overproof in some of the greenhouse inWuchang and Zhaodong.The variance of the contents became middling.It is found that the morphology distribution of Zn mainly exist in residua,the available content of Zn was lower,and the mobility was weak.Application of weathered coal preparation significantly reduces the available Zn content in black soil.All treatments were significantly different(P<0.05).Correlation analysis showed that weathering coal played a leading role in preparation.Optimal weathering coal preparation should be determined according to the effect of repair.

Key words: black soil;Zn;accumulation features;weathered coal preparation;repair

黑龙江省黑土区域面积约为482万公顷，占总耕地面积的31.24%，由于黑土肥力较高、耕性好，在农业生产中具有不可替代的重要地位[1]。随着社会的快速发展和对黑土资源的开发利用，出现了水土流失，土层变薄、酸化，肥力下降及土传病害和重金属污染等一系列问题[2～6]。前人对黑龙江省黑土区土壤中的重金属状况进行了一定研究，但研究主要集中在黑龙江省黑土区农田重金属空间变异和分布状况研究[7～12]，而对黑龙江黑土区设施土壤重金属研究较少，而且主要进行污染评价探索[13]。本研究中针对黑龙江省黑土区域设施土壤中Zn积累现象，开展Zn含量、形态分布调查，并对利用以风化煤为主的制剂修复技术进行研究，为农业生产、环境管理和决策提供咨询服务，对绿色农业及生态环境可持续发展都有重要的现实意义。

[收稿日期]2015-11-10

[作者简介]于志民，男，1974年生，副研究员，主要研究方向：植物营养与土壤环境安全。*通讯作者：吕品，女，副研究员，E-mail：lvpinnd@yahoo.com.cn。

1　材料与方法

1.1　样品采集与处理

黑龙江省五常市五常镇和肇东市小康村两地Zn积累特征样品采集：每个试验区域按不同棚龄各采集土壤样品20个，分别为5年5个，10年5个，15年5个，20年5个。每一土样按“之”字型7点混合而成，约1 kg左右，样品采集深度为0～20cm。将采集的土壤样品去除石头和植物的根、叶等杂物后放在通风处，自然风干，先过0.841mm尼龙筛，部分储存于塑料瓶中，再过0.147mm尼龙筛，保存于自封袋中待测。

两地风化煤制剂试验区均为10年棚龄土壤，试验时间为2015年3～8月，分别在处理前和作物收获后，采用“之”字型采样法，在每个小区采集5点耕层(0～20cm)土样，混匀后作为小区土样，自然风干、研磨后先过0.841mm尼龙筛，部分储存于塑料瓶中，再过0.147mm尼龙筛，保存于自封袋中待测。

1.2　供试材料

供试材料为萝北县风化煤(腐植酸≥50%)和史丹利全营养复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。

1.3　试验方法

试验地点：五常市五常镇蔬菜基地和肇东市小康村蔬菜基地。

试验设置：各试验区设置2处理3水平，分别为风化煤375 kg/hm2、750kg/hm2、1500kg/hm2和复合肥375 kg/hm2、750kg/hm2、1500kg/hm2。2个试验地共计36个试验小区，单位小区面积约为6 m2左右，长×宽为1.5　m×4 m左右。随机田间排列，于2015年3月20日，采用人工撒施方法将钝化材料均匀施入小区，然后翻拌混匀(深度20cm)并平整土地，五常镇蔬菜基地种植黄瓜，肇东市小康村蔬菜基地种植西红柿。应用Designexpert8.05进行正交试验设计，共9处理，3次重复，试验土壤理化指标和试验处理见表1和表2。

表1　试验区土壤理化性质
Tab.1 Physical and chemical properties of test area soil

表2　设施土壤正交试验处理
Tab.2 Facility soil treatment orthogonal test

1.4　样品分析

土壤重金属全量Zn使用CEM公司的MARS6微波消解仪，采用王水-氢氟酸-高氯酸混合消解，采用ICP-OES法测定；土壤不同形态Zn含量，应用改进的BCR的三步顺序提取法(Ross等，2002)。改进的BCR法提取法(1. g样品)如下：(l)弱酸可溶态：向样品中加入40mL 0.1 mol/L的HOAc溶液，22±5℃下振荡16 h，3000 r/min下离心20min，过滤出上清液，加5mL去离子水洗涤残余物，3000 r/min下离心10min，过滤出上清液；将所有上清液于50mL比色管中定容，ICP-OES测定重金属浓度。(2)氧化物结合态：向上一步残渣中加入40mL 0.5mol/L的NH2OH HCL溶液，22±5℃下振荡16 h；3000 r/min下离心20min，过滤出上清液，加5mL去离子水洗涤残余物，再于3000 r/min下离心10min，过滤出上清液；将所有上清液于50mL比色管中定容，ICPOES测定重金属浓度。(3)有机物结合态：向上一步残渣中加入10mL H2O2　(调节pH=2～3)，22±5℃下连续振荡l h：再加入10mL 30%的H2O2溶液，加热至85±2℃连续振荡l h；加入50mL 1.0　mol/L NH4OAc(pH=2)，22±5℃下连续振荡16 h；3000 r/min下离心20min，过滤出上清液，加5mL去离子水洗涤残余物，再于3000 r/min下离心10min，过滤出上清液；将所有上清液于50mL比色管中定容，ICP-OES测定重金属浓度。(4)残渣态：王水消解，遵循ISO规范(11466)，将澄清液于50mL比色管中定容，ICP-OES测定重金属浓度。土壤样品分析中进行平行测定，以上试剂均采用优级纯，溶液配制均使用超纯水。

采用SPSS16.0和Excel2003软件进行数据处理和图表制作。

2　结果与分析

2.1　黑土区设施土壤Zn含量分析

由表3可知，五常市五常镇设施土壤总Zn含量平均值为231.84mg/kg，最大值为最小值的3.87倍；肇东小康村设施土壤总Zn含量平均值为218.64mg/kg，最大值为最小值的3.0倍。两区域内土壤Zn含量变异系数分别为44.59%和17.84%，均为中等强度变异，五常市五常镇强于肇东市小康村。Zn含量的平均值与黑龙江省元素背景值相比，表现为强烈积累的特性。其中Zn积累量较大的部分样点数值超过了温室蔬菜产地环境质量质量评价标准(HJ 333-2006)，已经存在污染现象，两地Zn含量平均值也接近该标准，潜在污染风险巨大。

表3　设施土壤总Zn含量
Tab.3 Total Zn content of Greenhouse soil

注：n＝20。

2.2　设施土壤Zn的形态分布特征

由表4可知，两地土壤中Zn形态分布特征基本相同，以残渣态为主，约占总量70%以上，有机物结合态次之，约占总量10%～15%，其余为氧化物结合态和弱酸可提取态，氧化物结合态高于弱酸可提取态。其中，氧化物结合态和弱酸可提取态占总量均在4%～8%之间，说明Zn的移动性相对较低，不易被植物吸收利用。

表4　设施土壤Zn形态分布
Tab.4 Greenhouse soil Zn distribution　mg/kg

注：n＝20；括号内数据为重金属不同形态占总量的百分比(%)。

2.3　不同处理对黑土区设施土壤有效态Zn含量的影响

研究表明，土壤重金属总量代表其污染程度，只有被作物吸收利用的有效态含量部分才会对作物和人类造成危害，如何固定、钝化土壤中重金属有效形态，有效降低土壤中重金属有效态含量，是修复农田土壤重金属污染的关键所在[14]。

由图1可知，五常镇设施土壤所有处理均显著降低了土壤中有效态Zn的含量，与CK相比均达到显著差异水平(P＜0.05)。处理1～处理4之间差异不显著，它们对土壤有效态Zn的降低效果逊于处理5～处理9，并且与处理5～处理9之间差异显著(P＜0.05)。处理5～处理9中土壤中有效态Zn的含量降幅为53.71%～64.25%之间，其中处理7好于其他4种处理，并达显著差异水平(P＜0.05)，而处理5、处理6、处理8和处理9间差异不显著。

图1　不同处理对五常市设施土壤有效态Zn含量的影响
Fig.1 Effect of different treatments on available Zn in greenhouse soil ofWuchang

注：n=3，平均值±标准差。

由图2～图5可知，五常镇设施土壤有效态Zn含量变化与风化煤投入量和风化煤制剂总投入量影响较大，且与风化煤投入量显著相关，与修复剂总投入量显著相关，与复合肥投入量不相关，可知在修复剂中风化煤起主导作用。其中，处理7的风化煤制剂投入量为风化煤1500kg/hm2和复合肥375 kg/hm2，处于较高投入水平，该制剂配比可有效降低土壤中有效态Zn的含量，使土壤中有效态Zn的含量降低64.25%，且比高水平制剂投入量之间达到差异显著水平，被确定为最优修复设施土壤Zn污染的风化煤制剂。

图2　风化煤施入量与有效态Zn含量关系
Fig.2 Relationship between available Zn content and weathered coal input quantity

注：n=3，平均值±标准差。

图3　复合肥施入量与有效态Zn含量关系
Fig.3 Relationship between available Zn content and compound fertilizer input quantity

图4　风化煤制剂施入量与有效态Zn含量关系
Fig.4 Relationship between available Zn content and weathered coal preparation input quantity

由图5可知，肇东市小康村设施土壤所有试验处理较CK均达显著差异水平(P＜0.05)。其中处理1～处理4之间差异不显著，与CK差异显著，有效态Zn的降幅为17.38%～23.59%之间。处理5和处理6处理效果好于处理1至处理4，并达到显著差异水平(P＜0.05)，二者间差异不显著，有效态Zn的降低幅度分别为35.83%和35.15%之间。处理7至处理9降幅最明显，与CK相比，土壤中有效态Zn的含量分别降低的40.58%～42.72%之间，达显著水平(P＜0.05)，并且彼此之间差异不显著，其处理效果好于处理5和处理6，并达显著差异水平(P＜0.05)。

图5　不同处理对肇东市设施土壤有效态Zn含量的影响
Fig.5 Effect of different treatments on the content of available Zn in greenhouse soil of Zhaodong

注：n=3，平均值±标准差。

由图6～图8可知，肇东市小康村设施土壤有效态Zn与风化煤投入量、复合肥投入量和修复剂总投入量均相关性有所不同，且与风化煤投入量显著相关，与修复剂总投入量显著相关，与复合肥投入量不相关。由此可见，风化煤制剂产品中风化煤起主导作用。

总的来说，处理7的修复剂投入量为风化煤1500kg/hm2和复合肥375 kg/hm2，处于中高等投入水平，该修复剂配比可有效降低土壤中有效态Zn的含量，使土壤中有效态Zn含量降低42.72%，且与最高水平修复剂投入之间差异不显著。综合比较，确定处理7为最佳风化煤制剂。

图6　风化煤施入量与有效态Zn含量关系
Fig.6 Relationship between available Zn content and weathered coal input quantity

图7　复合肥施入量与有效态Zn含量关系
Fig.7 Relationship between available Zn content and compound fertilizer input quantity

图8　风化煤制剂施入量与有效态Zn含量关系
Fig.8 Relationship between available Zn content and weathered coal preparation input quantity

3　结论

(1)黑土区设施土壤Zn含量分析表明：五常市五常镇设施土壤总Zn含量平均值为231.84mg/kg，肇东小康村设施土壤总Zn含量平均值为218.64mg/kg，两地Zn含量均未超标，但接近国家标准。两区域内土壤Zn含量变异系数分别为44.59%和17.84%，均为中等强度变异，五常市五常镇强于肇东市小康村，潜在污染风险较大。

(2)设施土壤Zn的形态分布特征。两地土壤中Zn形态分布特征基本相同，以残渣态为主，约占总量70%以上，有机物结合态次之，约占总量10%～15%，其余为氧化物结合态和弱酸可提取态，氧化物结合态高于弱酸可提取态。其中，氧化物结合态和弱酸可提取态占总量均在4%～8%之间，说明Zn的移动性相对较低，不易被植物吸收利用。二者之间，五常市五常镇设施土壤重金属弱酸可提取态含量高于肇东小康村设施土壤重金属弱酸可提取态含量，而重金属残渣态含量低于肇东小康村设施土壤重金属残渣态含量，这与两地土壤pH值差异相关。

(3)利用风化煤制剂修复试验，结果表明：两地所有处理较对照均达到显著差异水平，其中风化煤1500kg/hm2和复合肥375 kg/hm2组合处理，分别使土壤中有效态Zn的含量降低64.25%和42.72%，为最优制剂；从相关性分析可知，在设施黑土重金属污染修复试验中，风化煤起主导作用。

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