冀北山区矿区周边镉铅污染农田钝化修复研究

薛忠财, 马方方, 柳洁

农学学报. 2021, 11(2): 50-56

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农学学报 ›› 2021, Vol. 11 ›› Issue (2) : 50-56. DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20200200031
土壤肥料/资源环境/生态

冀北山区矿区周边镉铅污染农田钝化修复研究

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The Immobilization of Cd and Pb in Contaminated Soil Around Mines in Mountainous Area of Northern Hebei

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摘要

为了筛选出一种适用于冀北山区矿区周边铅镉污染农田的土壤调理剂配方,本研究采用室内土壤培养试验,以石灰、蒙脱石、生物炭、沸石为材料,研究不同组合方式和添加量(0.5%、1%、3%、5%)对土壤中有效态Cd和Pb含量的影响。结果表明,土壤有效态Cd含量、有效态Pb含量和土壤pH因土壤调理剂不同组合方式和不同添加量呈现不同的变化趋势。与对照相比,随着添加量的增加,有效态Cd和Pb含量呈下降趋势,且不同材料组合的钝化效果均好于单一材料处理。按照20%~30%、10%~20%、40%~50%和0%~30%比例将石灰、蒙脱石、生物炭和沸石组合,对该地区土壤中有效态Cd和Pb的钝化效果最好。

Abstract

According to Cd and Pb pollution status in soil around mines in mountainous area of northern Hebei, the content of available Cd and Pb were studied after adding combinations of lime, montmorillonite, biochar and zeolites with different amounts (0.5%, 1%, 3%, 5%) by a soil culture experiment in laboratory, aiming to screen a soil conditioner with good effect. The results indicated that the content of available Cd, available Pb and pH in the soil were changed by different kinds and amounts of soil conditioners. The content of available Cd and Pb in the soil decreased with the increase of soil conditioner. Meanwhile, the immobilization effect of combinations of materials on the available Cd and Pb in soil was better than that of single material. The combination of 20%-30% lime, 10%-20% montmorillonite, 40%-50% biochar and 0-30% zeolites had the best decreasing effect on the content of available Cd and Pb in the soil around mines in mountainous area of northern Hebei.

关键词

冀北山区 / 重金属污染 / 土壤调理剂 / 钝化修复 / 生物炭

Key words

Mountainous Area of Northern Hebei / Heavy Metal Pollution / Soil Conditioner / Immobilization / Biochar

引用本文

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薛忠财 , 马方方 , 柳洁. 冀北山区矿区周边镉铅污染农田钝化修复研究. 农学学报. 2021, 11(2): 50-56 https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20200200031
Xue Zhongcai , Ma Fangfang , Liu Jie. The Immobilization of Cd and Pb in Contaminated Soil Around Mines in Mountainous Area of Northern Hebei. Journal of Agriculture. 2021, 11(2): 50-56 https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20200200031

0 引言

玉米是中国播种面积最大的粮食作物,2022年播种面积最大达4307.00万hm2,产量2.72亿t,分别占全国粮食作物面积和产量的36.40%、40.38%[1-2],在中国粮食安全、粮食增产中起着重要作用。草地贪夜蛾S. frugiperda隶属于鳞翅目夜蛾科,是原产于美洲热带和亚热带地区的多食性害虫,是巴西最具破坏性的玉米害虫之一[3-4],2018年首次在印度发现草地贪夜蛾为害,随后孟加拉、尼泊尔、斯里兰卡、缅甸等国家也相继发生[5]。中国于2018年12月在云南省江城县首次发现草地贪夜蛾幼虫为害[6],不到一年时间,在全国26个省市粮食主产区发现草地贪夜蛾为害[7],其扩散速度快、影响范围广、为害程度大的发展趋势对中国粮食安全生产构成严重威胁。草地贪夜蛾具有适应能力强、迁飞距离远、繁殖快、食性杂、为害隐蔽、防控难度大等诸多特点[8-9],在玉米的整个生育期和玉米植株的各个部位均能发生为害[10],已成为危害玉米产量、影响玉米品质的潜在制约因素,国外研究报道显示,草地贪夜蛾具有易产生抗药性的特点,对有机磷类、氨基甲酸酯类和拟除虫菊酯类杀虫剂具有中高水平的抗性,若防治不及时,极易造成爆发为害[3],因此加强玉米田草地贪夜蛾的田间管理,做好害虫防治工作,对保障玉米生产,提高玉米产量具有重要的意义。
双酰胺类杀虫剂主要作用于昆虫的鱼尼丁受体,通过激活昆虫肌肉细胞中的鱼尼丁受体,使昆虫肌肉松弛麻痹、瘫痪、停止取食,导致最终死亡[11-12]。双酰胺类杀虫剂作用机制独特,与传统农药无交互抗性、对非靶标生物安全、环境相容性好,对鳞翅目害虫活性高且持效期长[12-15],另外随着双酰胺类杀虫剂作用机理研究的不断深入、化学结构的不断优化,不同双酰胺类药剂的杀虫机制、杀虫谱和应用方式也存在一定的差异,在害虫综合防治和抗性害虫治理方面具有广阔的应用前景[16-17]。本研究通过室内生测的方法测定了4种主要双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾不同虫态的毒力,评价双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾的作用特点,以期为玉米田草地贪夜蛾综合防治和化学药剂的合理应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试试虫

供试草地贪夜蛾2021年采自泰安市农业科学院玉米试验田,幼虫在室内人工饲料[18]上饲养直至化蛹,掏出的蛹放入养虫笼中羽化交配产卵,笼中培养皿内放沾有复合维生素糖水的脱脂棉供成虫补充营养,在笼中放置瓦楞形蜡纸供成虫产卵,每天将有卵块的蜡纸取出放入磨口玻璃缸中待孵化,初孵幼虫用毛笔挑入加有人工饲料的24孔养虫板内饲养,试验时选取同日龄的卵、3龄幼虫、成虫进行试验。各虫态均在温度(27±1)℃、相对湿度为RH 50%~75%、光周期为14L:10D的养虫间内饲养。

1.2 供试药剂

95.3%氯虫苯甲酰胺(chlorantraniliprole)原药(上海杜邦农化有限公司),95%氟苯虫酰胺(flubendiamide)原药(拜耳股份公司),95%四氯虫酰胺(tetrachlorantraniliprole)原药(沈阳科创化学品有限公司),94%溴氰虫酰胺(cyantraniliprole)原药(上海杜邦农化有限公司)。

1.3 生物测定

1.3.1 浸卵法

取供试药剂根据预备试验确定的浓度按等比方法将其稀释成5个浓度,将同一天所产、饱满有光泽的卵粒,于各系列浓度药液中浸渍10 s,以不加药剂溶剂为空白对照,处理后卵卡于室温下晾干后,转移至孵化缸,上覆干净玉米叶片,放入养虫室,待卵孵化后,每天更换玉米叶片,至幼虫长至2龄,记录卵的孵化率和幼虫成活率,每处理重复4次,每重复卵粒数不低于30粒[19]

1.3.2 浸叶法

取供试药剂根据预备试验确定的浓度按等比方法将其稀释成5个浓度,将未用药玉米叶用洗衣粉将表面蜡质层洗去晾干,用打孔器打成直径1.5 cm的圆叶片,分别在药液中浸泡10 s,取出后在吸水纸上晾干,然后放入24孔养虫板中,每孔2片叶,并接入3龄幼虫1头,每处理重复4次,每重复24头试虫,以清水作对照。药剂处理24、48、72 h后检查结果,用镊子轻触无反应者视为死亡[20]。毒力倍数R1R2R3的计算见公式(1)~(2)。
毒力倍数R3计算方法同公式(2)。
毒力倍数R1=四氯虫酰胺LC50氯虫苯甲酰胺(氟苯虫酰胺或溴氰虫酰胺)LC50
(1)
毒力倍数R2=溴氰虫酰胺LC50氯虫苯甲酰胺(氟苯虫酰胺或四氯虫酰胺)LC50
(2)

1.3.3 饲喂毒营养液法

参照张友军等[19]的方法略有改动,将同一天羽化未经交配的成虫移入三角瓶内,用营养液配制不同浓度药液,将棉球浸入毒营养液中至不滴水,悬挂于三角瓶中,每处理重复3次,每重复10头成虫,处理后24 h检查结果,不能正常飞行记为死亡。毒力倍数R4的计算见公式(3)。
毒力倍数R4=氟苯虫酰胺LC50氯虫苯甲酰胺(四氯虫酰胺或溴氰虫酰胺)LC50
(3)

1.4 数据分析

不同药剂间的死亡率采用Abbott’s公式校正,采用DPS 7.05软件对数据进行统计分析,计算LC50、毒力回归方程、LSD法检验各处理在P=0.05水平的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾卵的毒力

表1为4种不同浓度双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾卵活性的方差分析结果。氯虫苯甲酰胺、氟苯虫酰胺、四氯虫酰胺、溴氰虫酰胺不同浓度下对草地贪夜蛾卵的孵化率分别在90.84%~92.88%、90.67%~92.29%、90.94%~93.23%、90.08%~93.05%,与各自对照差异均不显著。经过氯虫苯甲酰胺各浓度处理后,草地贪夜蛾初孵幼虫存活率随着浓度的升高而逐渐降低,其中10 mg/L处理的存活率仅为10.03%,显著低于空白对照处理的存活率,0.016 mg/L处理的存活率为65.45%,与空白对照差异不显著;相同浓度下氟苯虫酰胺处理后初孵幼虫存活率较氯虫苯甲酰胺高,其中10 mg/L处理的存活率为24.79%,显著低于空白对照处理;四氯虫酰胺10 mg/L处理后草地贪夜蛾初孵幼虫存活率仅为1.81%,显著低于空白对照处理,0.016 mg/L处理初孵幼虫存活率仅为49.49%,显著低于对空白对照处理72.27%的存活率;溴氰虫酰胺除0.016 mg/L处理初孵幼虫存活率为69.50%,与空白对照差异不显著外,其余各处理初孵幼虫存活率在21.72%~62.11%之间,显著低于空白对照处理。
表1 4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾卵的毒力
药剂 浓度/(mg/L) 孵化率/% 初孵幼虫存活率/%
氯虫苯甲酰胺
Chlorantraniliprole
10 92.88aA 10.03cD
2 90.84aA 17.16cCD
0.4 91.54aA 30.24bBC
0.08 92.43aA 43.70bB
0.016 91.08aA 65.45aA
0 93.19aA 74.72aA
氟苯虫酰胺
Flubendiamide
10 91.33aA 24.79eD
2 92.29aA 35.71dCD
0.4 91.48aA 46.16cBC
0.08 90.67aA 59.18bB
0.016 91.40aA 72.72aA
0 93.25aA 73.46aA
四氯虫酰胺
Tetrachlorantraniliprole
10 91.53aA 1.81dD
2 90.94aA 3.70dD
0.4 93.23aA 19.05cC
0.08 92.27aA 30.08cC
0.016 92.48aA 49.49bB
0 92.38aA 72.27aA
溴氰虫酰胺
Cyantraniliprole
10 91.34aA 21.72eD
2 92.79aA 39.58dC
0.4 93.05aA 52.77cB
0.08 90.56aA 62.11bAB
0.016 90.08aA 69.50abA
0 92.48aA 73.02aA

2.2 4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾幼虫的毒力

采用浸叶法测定4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾3龄幼虫的毒力(表2),结果表明药后24 h,4种双酰胺类杀虫剂均未表现出较好的毒力效果,LC50值分别在402.63~4327.27 mg/L之间,其中四氯虫酰胺毒力最低,氯虫苯甲酰胺、氟苯虫酰胺、溴氰虫酰胺分别为其毒力的3.57、3.85、10.75倍;药后48 h,各药剂毒力均较药后24 h有了较大提升,其中四氯虫酰胺毒力提升较快,从4327.27 mg/L提升到1.12 mg/L,对草地贪夜蛾表现出较高的毒力效果,氯虫苯甲酰胺、氟苯虫酰胺、溴氰虫酰胺对草地贪夜蛾LC50值分别为10.83、30.80、56.54 mg/L;药后72 h,各药剂处理草地贪夜蛾幼虫表现出明显的虫体收缩、活力减弱、取食量减少等症状,LC50值明显降低,4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾毒力分别为0.78、1.81、0.12、4.06 mg/L,其中溴氰虫酰胺对草地贪夜蛾毒力最低,氯虫苯甲酰胺、氟苯虫酰胺、四氯虫酰胺分别是其毒力的5.21、2.24、33.83倍。
表2 4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾幼虫的毒力
药剂 调查时间/h 斜率(±SE) LC50(95%CL)/(mg/L) R1 R2 R3
氯虫苯甲酰胺Chlorantraniliprole 24 0.41±0.04 1213.39(338.44~4350.33) 3.57 - -
48 0.29±0.03 10.83(5.02~23.39) - 5.22 -
72 0.39±0.05 0.78(0.34~1.75) - - 5.21
氟苯虫酰胺Flubendiamide 24 0.48±0.02 1123.86(666.78~1894.26) 3.85 - -
48 0.36±0.04 30.80(10.04~94.45) - 1.84 -
72 0.48±0.01 1.81(1.54~2.13) - - 2.24
四氯虫酰胺Tetrachlorantraniliprole 24 0.49±0.05 4327.27(974.57~19213.53) 1.00 - -
48 0.37±0.02 1.12(0.83~1.52) - 50.48 -
72 0.48±0.07 0.12(0.04~0.34) - - 33.83
溴氰虫酰胺Cyantraniliprole 24 0.60±0.04 402.63(194.04~835.44) 10.75 - -
48 0.58±0.03 56.54(30.71~104.10) - 1.00 -
72 0.65±0.04 4.06(2.70~6.12) - - 1.00
注:表中各药剂分别进行不同浓度间孵化率、初孵幼虫存活率方差分析

2.3 4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾成虫的毒力

饲喂毒营养液法测定结果(表3)表明,4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾成虫表现出不同的毒力作用,其中氯虫苯甲酰胺毒力最高,为6.20 mg/L,其次是四氯虫酰胺、溴氰虫酰胺,LC50值分别为6.28、20.75 mg/L,氟苯虫酰胺最低为25.96 mg/L,分别为其毒力的4.19、4.13、1.25倍。
表3 4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾成虫的毒力
药剂 斜率(±SE) LC50(95%CL)/(mg/L) R4
氯虫苯甲酰胺
Chlorantraniliprole
0.63±0.02 6.20(5.22~7.37) 4.19
氟苯虫酰胺
Flubendiamide
0.57±0.01 25.96(23.19~29.05) 1.00
四氯虫酰胺
Tetrachlorantraniliprole
0.61±0.03 6.28(4.15~9.52) 4.13
溴氰虫酰胺
Cyantraniliprole
0.60±0.01 20.75(18.49~23.29) 1.25

3 讨论与结论

3.1 讨论

化学防治是草地贪夜蛾应急防控的主要手段,在抑制种群发展、减轻作物损害方面发挥着重要作用。鲁艳辉等[21]采用浸叶法测定氯虫苯甲酰胺对草地贪夜蛾LC50值为4.483 mg/L。王欢欢等[22]测定氯虫苯甲酰胺、四氯虫酰胺对草地贪夜蛾幼虫LC50值分别为0.276、0.254 mg/L。符伟等[23]采用浸虫法测定了氯虫苯甲酰胺对草地贪夜蛾2龄幼虫LC50值为8.057 mg/L。尹艳琼等[24]分别测定了云南5地草地贪夜蛾对氯虫苯甲酰胺的毒力,分别在3.31~10.50 mg/L之间。陈承宇等[25]采用浸虫法测定了氯虫苯甲酰胺、四氯虫酰胺对云南崇明县、开远市、安徽泾县、江苏涟水县四地草地贪夜蛾种群3龄幼虫毒力,LC50值分别在9.64~23.58、13.22~33.55 mg/L之间,表明不同地区采集的草地贪夜蛾种群经过当地化学防治等多种防治措施的应用,对同一种杀虫剂的毒力存在较大差异,并且会随着该种类杀虫剂的大规模应用,害虫对药剂的耐受性逐渐升高,直至产生抗药性,因此在该类杀虫剂的高效应用上,需加强抗药性监测,以延缓抗药性的产生。杨帆等[26]研究表明室内采用浸卵法测定氯虫苯甲酰胺悬浮剂、溴氰虫酰胺、四氯虫酰胺对草地贪夜蛾卵孵化均不存在抑制作用,但对初孵幼虫存活率存在一定差异,且差异达显著水平,这可能与药剂作用方式和害虫生活习性存在一定关系。
谢显彪等[27]在玉米小喇叭口期采用1%氯虫苯甲酰胺颗粒剂45 g/hm2拌砂撒芯对草地贪夜蛾防治效果最高可达85.41%。杨帆等[26]在玉米喇叭口期采用200 g/L氯虫苯甲酰胺悬浮剂37.5 g/hm2、10%溴氰虫酰胺可分散油悬浮剂33.0 g/hm2、10%四氯虫酰胺悬浮剂45.0 g/hm2喷雾施药对草地贪夜蛾防治效果可达90.29%、79.48%、91.11%。徐永伟等[28]在玉米喇叭口期采用200 g/L氯虫苯甲酰胺悬浮剂75.0 g/hm2无人机喷雾,对草地贪夜蛾防治效果可达100%。防治方式的多样化为玉米田草地贪夜蛾的防治提供了多种选择,但在防治成本和防治效果上还存在较大差距。

3.2 结论

我们开展了不同虫态草地贪夜蛾对4种双酰胺类杀虫剂的敏感性测定,结果表明4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾卵的孵化率均在90%以上,且与各自对照相比没有明显差异,表明4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾卵的发育没有影响,但卵孵化后初孵幼虫存活率随着处理浓度的提高而逐渐降低,呈现明显的剂量梯度效应,这可能跟草地贪夜蛾破壳前卵壳的保护作用存在一定关系。对幼虫敏感性的测定采用的是浸叶法,该方法的优点是能同时反映药剂的胃毒和触杀毒力,能较为客观、全面的反映药剂特性,从结果看,4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾幼虫敏感性存在一定差异,其中毒力最高的是四氯虫酰胺,药后72 h调查LC50值为0.12 mg/L,其次是氯虫苯甲酰胺、氟苯虫酰胺,分别为0.78、1.81 mg/L,毒力最低的为溴氰虫酰胺,LC50值为4.06 mg/L。从4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾成虫的敏感性来看,成虫LC50值明显大于草地贪夜蛾幼虫的LC50值,这可能是由于草地贪夜蛾成虫羽化后补充营养液习性决定的,但成虫取食量明显较幼虫取食量少,其摄入体内杀虫剂也较幼虫期少。4种双酰胺类杀虫剂对草地贪夜蛾初孵幼虫、幼虫、成虫敏感性虽存在一定差异,但仍表现出较高的毒力,在玉米田草地贪夜蛾防治中可作为高效防治药剂备选使用。
玉米属于高秆作物,中后期植株高大、茂密,常规喷雾雾滴很难穿透冠层到达防治部位,且费工费力,防治效果不理想,本研究仅在室内试验基础上评价了4种双酰胺类杀虫剂对不同虫态草地贪夜蛾的敏感性,为达到最大防治效果,还需结合玉米高效施药方式才能有效防治害虫对玉米的危害,真正解决玉米高产丰产问题。

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Biochar is a carbon-rich solid material derived from the pyrolysis of agricultural and forest residual biomass. Previous studies have shown that biochar is suitable as an adsorbent for soil contaminants such as heavy metals and consequently reduces their bioavailability. However, the long-term effect of different biochars on metal extractability or soil health has not been assessed. Therefore, a 1-year incubation experiment was carried out to investigate the effect of biochar produced from bamboo and rice straw (at temperatures >/=500 degrees C) on the heavy metal (cadmium (Cd), copper (Cu), lead (Pb), and zinc (Zn)) extractability and enzyme activity (urease, catalase, and acid phosphatase) in a contaminated sandy loam paddy soil. Three rates (0, 1, and 5%) and two mesh sizes (<0.25 and <1 mm) of biochar applications were investigated. After incubation, the physicochemical properties, extractable heavy metals, available phosphorus, and enzyme activity of soil samples were analyzed. The results demonstrated that rice straw biochar significantly (P < 0.05) increased the pH, electrical conductivity, and cation exchange capacity of the soil, especially at the 5% application rate. Both bamboo and rice straw biochar significantly (P < 0.05) decreased the concentration of CaCl2-extractable heavy metals as biochar application rate increased. The heavy metal extractability was significantly (P < 0.01) correlated with pH, water-soluble organic carbon, and available phosphorus in soil. The 5% application rate of fine rice straw biochar resulted in the greatest reductions of extractable Cu and Zn, 97.3 and 62.2%, respectively. Both bamboo and rice straw biochar were more effective at decreasing extractable Cu and Pb than removing extractable Cd and Zn from the soil. Urease activity increased by 143 and 107% after the addition of 5% coarse and fine rice straw biochars, respectively. Both bamboo and rice straw biochars significantly (P < 0.05) increased catalase activity but had no significant impact on acid phosphatase activity. In conclusion, the rice straw biochar had greater potential as an amendment for reducing the bioavailability of heavy metals in soil than that of the bamboo biochar. The impact of biochar treatment on heavy metal extractability and enzyme activity varied with the biochar type, application rate, and particle size.
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基金

河北民族师范学院博士科研启动基金项目“甜高粱对镉的耐性生理机制研究”(DR2018002)

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