有機肥料對重金屬鎘在土壤－小蘿卜體系中的遷移及對小蘿卜生長的影響研究

陳嵩岳，郭家園，冷 粟，王娟輝，張振斌，陳力可，劉 淼

（吉林大學環境與資源學院，地下水資源與環境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021）

土壤是一個復雜的體系，一旦遭受重金屬污染將難以徹底清除，具有長期性和不可逆性.鎘是一種極具生物毒性的環境污染元素，其在土壤中的累積不僅影響土壤的生態功能，還可通過土壤－植物系統危害作物生長以及通過食物鏈途徑最終危害人類健康［1］.施肥是農業生產中必不可少的一項增產措施，即使在污染土壤上亦是如此.肥料進入土壤后可對土壤產生一系列影響，這些都會影響到植物對重金屬元素的吸收.施肥主要通過以下兩種途徑影響植物對土壤中重金屬的吸收：一是植物生長吸收肥料的過程；二是根系和地上部分的生理代謝過程，或是重金屬在植物體內的運轉過程進而間接影響重金屬元素的吸收.因此，研究在污染農田中施肥對植物重金屬吸收的影響具有重要的意義［2］.

鎘是毒性最強的重金屬元素之一，在自然界普遍存在［3］.土壤中鎘的來源分為天然來源和人為來源.前者主要來自于巖石和礦物的本底；后者主要來源于工業“三廢”和含鎘化肥的大量施用.在重金屬元素中，鎘的潛在毒性僅次于汞，但鎘的污染更易產生大的危害［3］.植物能夠吸收土壤中的可溶態鎘，當鎘進入植物體內并且積累到一定程度時，植物便會出現毒害癥狀.鎘在土壤中一般在表層累積，而且一旦在土壤中累積就很難消除，成為持久性污染物.鎘的存在形態受土壤質地、pH值等條件影響差異很大，水溶態鎘是植物吸收鎘的直接來源［4］.目前，如何有效清除污染土壤中的鎘已成為科學家共同關注的難題.植物修復技術以其潛在的高效、廉價及環境友好性越來越受到重視，近年來，植物對鎘的吸收、轉運及解毒機制方面的研究取得了很大進展，為植物修復鎘污染土壤奠定了基礎［5］.

本試驗以小蘿卜為試材，通過盆栽試驗的方法在土壤中添加不同質量分數的金屬鎘，探討了在肥料的作用下，小蘿卜在鎘污染土壤中的生長情況及植株體內鎘的累積效應.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗土壤為質地均勻的東北黑土.取風干后的土壤過0.149mm細篩，稱取一定量的土壤進行基本性狀的測定.有機質含量測定采用K2CrO7氧化法；土壤pH采用電位法，在w水∶w土＝2.5∶1條件下用雷磁PHS－3B測定；全鎘含量采用HNO3－HClO4消解后原子吸收分光光度法測定；土壤有效鎘含量采用0.1mol／L HCl浸提后用石墨爐原子吸收分光光度計測定［6］，結果見表1.

表1 供試土壤的基本理化性質

試驗植物為小蘿卜，由吉林省蔬菜花卉科學研究所提供.肥料由廢舊報紙自制：用10%的HNO3溶液和10%的H3PO4溶液按照一定比例加入裝有40g報紙碎屑的燒杯中，浸泡1h后用KOH中和至pH＝8；加熱使酸性混合物由灰色變成棕褐色；在107℃干燥爐內進行干燥處理后進行研磨，即得所需肥料.

1.2 實驗處理及培養方法

設置鎘污染質量分數分別為0，10，20，40mg／kg，相當于土壤環境質量標準（三級標準）的0，10，20，40倍［7］.將Cd（NO3）2·4H2O配成溶液后與土壤混合.肥料的用量為0，1，3，5g／kg.采用盆栽試驗，每盆裝土1kg，共16組，每組4盆平行樣.平衡一周后播種，待生長5周后收獲.

1.3 測定方法

（1）生物量的測定.在種植的第5周收割小蘿卜，用自來水將各組小蘿卜洗凈后，再用蒸餾水洗滌，擦干表面水分.每組共取16株樣品，用電子天平稱量每株苗的鮮重，用直尺測量植株的根長、株高、葉寬，取平均值作為指標值.

（2）小蘿卜中鎘的測定.樣品預處理：準確稱取5.0g鮮樣，剪碎后倒于50mL錐形瓶中，加入5mL濃HNO3、3mL濃H2O2，55℃～65℃恒溫水浴加熱，3.5h后樣品完全溶解，取出冷卻20h后過濾，移入25mL容量瓶中，定容.每組取3個平行樣，同時做試劑空白對照［8］.將處理后樣品于PerkinElmer A600型石墨爐原子吸收分光光度計上進行分析，測定樣品的鎘含量.

（3）土壤的消解.樣品預處理：分別在距離土壤表面3，6，9cm處取上、中、下3層土壤，待土壤風干后，過0.149mm細篩；準確稱取1g土壤倒于50mL錐形瓶中，加水濕潤，加12mL濃HNO3、3mL濃HClO4置于電熱板上加熱，3.5h后樣品完全溶解，土壤呈灰白色或淡黃色；加適量蒸餾水，冷卻20h后過濾；移入到25mL容量瓶中，定容，搖勻［8－10］.將處理后樣品于PerkinElmer火焰原子吸收分光光度計上進行分析，測定樣品鎘含量.

2 結果與討論

2.1 不同質量分數鎘污染與肥料處理對小蘿卜生物量的影響

不同質量分數鎘污染與肥料處理下小蘿卜根長、株高、葉寬和鮮重的測定結果見表2.

由表2可以看出，肥料質量分數為0、鎘質量分數為10mg／kg時，根長指標與空白對照相比提高了20.1%；鎘質量分數為20mg／kg和40mg／kg時，根長指標與空白對照相比分別降低了11.6%和13.7%，抑制了小蘿卜根的生長.當肥料質量分數為1g／kg、鎘質量分數為0時，小蘿卜根長指標與空白對照相比提高了14.0%；金屬鎘加入時，肥料的施加抑制了小蘿卜根的生長，隨著鎘污染濃度的增加，抑制趨勢顯著.當鎘質量分數為40mg／kg時，根長與空白對照相比降低了13.7%.但隨著肥料濃度的增加，鎘對小蘿卜根生長的抑制作用沒有顯著變化.原因是肥料的施加促進了根對土壤中各種物質的吸收，當植物根部對重金屬吸收時，根細胞壁中存在大量交換位點，能將重金屬離子交換吸收或者固定.有研究表明，金屬鎘大部分集中在植物的根部，肥料的施加雖然促進了植物對所需物質的吸收，同時也促進了小蘿卜對金屬鎘的吸收，導致鎘在小蘿卜根部積累，而鎘抑制其根部生長的效應顯著大于肥料對其根部生長的促進作用，抑制了根的進一步生長［11］.說明鎘污染對小蘿卜根的生長有顯著的抑制作用，肥料的施加使這種抑制作用更為顯著.

表2 不同質量分數鎘污染與肥料處理對小蘿卜生物量的影響

株高的影響分析表明，無論是否加入肥料，當鎘污染的質量分數為10mg／kg和20mg／kg時對小蘿卜株高的影響均不顯著.當鎘污染的質量分數為40mg／kg時，在不添加肥料的情況下，金屬鎘對小蘿卜株高的生長沒有顯著影響；在施加肥料的情況下，鎘污染對小蘿卜株高的生長有抑制作用.無論是否加入金屬鎘，肥料的施加對小蘿卜株高都有不同程度的促進作用；當肥料質量分數為3g／kg時，這種促進作用最為顯著.鎘污染對小蘿卜葉寬和鮮重的影響并不顯著，肥料的施加促進了小蘿卜葉的生長.李德明等的研究表明，鎘在植物不同器官的分布量依次為根部、葉片、葉柄［12］，這與表2中鎘污染明顯抑制了小蘿卜根的生長而對株高和葉寬影響不顯著的結論一致.

2.2 不同質量分數鎘污染與肥料處理對小蘿卜根系耐性指數（RTI）的影響

根系耐性指數（RTI）是各處理組根系長度與對照根系長度的比值，能夠較好地反映植物對重金屬污染的耐性情況.由圖1可見，施加肥料且無鎘污染的3組小蘿卜根系耐性指數均大于1.0；加入鎘污染的各處理組中，僅鎘污染的質量分數為10mg／kg，且不加肥料組的根系耐性系數大于1.0，其余都小于1.0，小蘿卜根部生長均受阻.鎘污染的各處理組中，不施加肥料的處理組根系耐性系數普遍高于加入肥料的處理組.在鎘污染質量分數為40mg／kg、肥料質量分數為5g／kg時，根系耐性系數最低；從植物生長狀態看，在此濃度下小蘿卜根部短小、葉邊緣卷曲，有明顯的失綠癥狀.由此可見，高濃度的鎘污染使鎘離子在根部大量積累，降低了鎘離子向地上部位運輸的效率，影響了根部生長.

圖1 不同質量分數鎘污染與肥料處理下小蘿卜根系耐性指數

2.3 鎘在小蘿卜地上和地下部分的含量與分布

由圖2可見，當肥料質量分數為0，且加入鎘污染時，小蘿卜地上部分鎘含量高于加入肥料的各處理組，且隨著土壤鎘污染水平的增大，小蘿卜地上部分鎘含量也相應增高.加入肥料后，地上部分鎘含量明顯降低，并且當鎘污染水平較高時，加入的肥料的質量分數越大，地上部分鎘含量越低.無肥料處理組中，小蘿卜地下部分鎘含量隨著土壤鎘污染水平的增大而增加；加入肥料的各處理組地下部分鎘含量都有不同程度的增加，并且當土壤鎘污染水平較高時，加入的肥料的質量分數越大，地下部分鎘含量越高.施加肥料后地下部分鎘含量明顯高于地上部分，并且肥料的質量分數越高，差距越顯著.當鎘質量分數為40mg／kg、肥料質量分數為5g／kg時，小蘿卜根對鎘的吸收高于其他各組，吸收量與鎘質量分數為40mg／kg、肥料質量分數為0時相比增加了209.6%.

圖2 小蘿卜地上與地下部分鎘含量比較

2.4 鎘在小蘿卜中的轉移系數（TF）

轉移系數（TF）是植物地上部重金屬含量與其根部重金屬含量的比值［9］.由圖3可知，無肥料組的TF值隨著鎘污染質量分數的增大而增高，當鎘污染質量分數為40mg／kg時，TF值＞1，說明在不添加肥料的情況下，地下部分的鎘含量隨著鎘污染質量分數的增大而增大.同時，小蘿卜根部積累的鎘通過植物的蒸騰作用向植物的莖葉等地上部分轉移［13］.肥料的加入促進了植物根部的吸收，大量的鎘被富集在根部，且隨著鎘污染質量分數的增高，根部對鎘的吸收也增強.由圖3可知，加入肥料后，TF值隨著鎘污染質量分數的提高而降低，且TF值最低為0.20.說明根部向莖葉部分轉移鎘的能力顯著低于根部吸收鎘的能力，在鎘污染質量分數為20mg／kg和40mg／kg時，小蘿卜的平均轉移系數分別為0.36和0.32，表明小蘿卜吸收的鎘大部分集中在根部，鎘污染抑制了小蘿卜根部生長，說明根系是小蘿卜積累鎘的重要器官.

圖3 鎘在小蘿卜中的轉移系數

2.5 不同土壤層次的含鎘量

圖4是盆栽結束后不同層次土壤的鎘含量測定結果.由圖4可見，與種植前相比，土壤中鎘含量均有所下降，分析原因可能是小蘿卜種植期間每次澆水時部分金屬鎘會以離子形式隨著水溶液由花盆底部的透風空隙滲透出來，造成鎘的流失；另一個可能的原因是由于小蘿卜根系的吸收和代謝作用將土壤中的鎘通過根部吸收到其體內，并將部分鎘向地上部分運輸.當肥料質量分數為1g／kg和3g／kg時，鎘含量在土壤下層（距離土壤表面9cm處）降低顯著，分析原因為根部（根長約5cm）吸收距離土壤表面5cm左右的鎘，深處的鎘由于土壤中的濃度差向上遷移，導致下層含量降低.各污染濃度下，土壤各層含鎘量所呈現的規律大體相同，分別為中層含量大于上層和下層，分析原因為根部主要在中層對鎘進行吸收，由于濃度差導致其上層和下層的鎘向中層遷移.當肥料質量分數為5g／kg時，小蘿卜根部吸收范圍主要在土壤表層下3cm左右（此濃度下根長約為2.5cm），由于各層鎘質量分數的差異，導致輕度鎘污染的土壤上層含鎘量降低，下層和中層的鎘向上遷移，整體呈現鎘含量中層＞上層＞下層的趨勢.中度污染土壤的鎘含量為中層＞下層＞上層，分析原因是污染濃度較高，導致鎘在下層向上層的遷移效果不顯著.重度污染的土壤呈現鎘含量上層＞中層＞下層的規律，分析原因為鎘濃度的差異使大量的鎘向上遷移，最終累積到根部.［14－19］

圖4 各層土壤中鎘含量

3 結論

（1）鎘污染對小蘿卜根的生長有顯著的抑制作用，肥料的施加使這種抑制作用更為顯著.

（2）無論是否加入金屬鎘，肥料的施加對小蘿卜株高都有不同程度的促進作用，當肥料質量分數為3g／kg時，這種促進作用最為顯著.在施加肥料的情況下高濃度鎘對小蘿卜的株高有抑制作用.鎘污染對小蘿卜葉寬和鮮重的影響并不顯著，肥料的施加促進了小蘿卜的生長.

（3）鎘污染的各處理組中，不施加肥料的各處理組根系耐性系數普遍高于加入肥料的處理組，說明肥料的加入提高了根部對鎘的吸收能力，高質量分數的肥料阻止了鎘離子進一步向地上部分運輸，從而在根部積累，影響根部生長.根部向莖葉部分轉移鎘的能力顯著低于根部吸收鎘的能力，表明植物吸收的鎘大部分集中在根部；鎘污染抑制植物根部生長，說明根系是小蘿卜積累鎘的重要器官.

（4）小蘿卜通過根部對鎘進行富集，根的長度和吸收位置影響土壤中鎘的分布.

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