Cd脅迫下黃土施用污泥對小麥生長及Cd富集遷移的影響

李虎，趙一莎，劉沖，武文飛，王厚成，南忠仁

蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000

Cd脅迫下黃土施用污泥對小麥生長及Cd富集遷移的影響

李虎，趙一莎，劉沖，武文飛，王厚成，南忠仁*

蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000

為了能給污泥資源開發利用開辟新的途徑，以黃土為供試土壤，小麥（Triticumaestivum L.）為供試作物。采用盆栽試驗研究了泥在不同Cd脅迫黃土中對小麥生長的影響及其對小麥各部位Cd的富集遷移規律。試驗設計2個污泥處理水平，每個塑料盆中加入8.0 kg供試土壤或污泥含量為4.0%的供試土壤，土壤中以Cd(NO3)2?4H2O溶液形式加入的Cd質量分數分別為0.5、1.0、2.5、5.0、10.0、25.0、50 mg·kg-1，對應各處理為TS1～TS7。各脅迫水平均設置3個平行，同時設置對照TS0。結果表明，黃土中低水平的Cd脅迫可促進小麥的生長，且在Cd污染水平5.0 mg·kg-1時施污泥和未施污泥土壤中小麥生物量均最大，而高水平的Cd脅迫抑制小麥的生長，且Cd脅迫水平越高，抑制作用越強烈；Cd脅迫下施用污泥可促進小麥的生長，尤其是莖葉和籽粒的生長；小麥各部位Cd的含量隨土壤Cd處理水平的升高而增加且呈顯著正相關（P＜0.05），各部位最大濃度分別可以達到：45.32、14.41、9.66 mg·kg-1，且根系＞莖葉＞籽粒，污泥的施用能促進小麥對Cd的吸收；小麥各部位對Cd的富集能力均隨著土壤Cd脅迫水平的升高而先增加后減小，污泥的施用在一定程度上提高了小麥對Cd的富集能力，各部位富集系數最大分值分別為1.81、0.93、0.51，但對Cd進入小麥根系后向莖葉和籽粒的遷移影響不顯著。

小麥；污泥；Cd；富集；遷移

城市污泥中含有植物生長所需要的N、P、K等營養元素、大量的有機質及微量元素（郭廣慧等，2009；李艷霞等，2003），其資源化利用方式主要有土地利用、林業利用和城市綠化等（黃雅曦等，2006），其中土地利用是最為看好的城市污泥處置與資源化方式，受到世界各國重視（莫測輝等，2000）。污泥土地利用的主要問題是重金屬的毒害問題（Ahumada等，2009），但科學合理的施用就會得到良好的經濟效益和環境效益（蔡全英和莫測輝，2003）。如何科學合理的實現城市污泥的土地資源化利用，摸清城市污泥的土地資源化利用過程中植物對重金屬的吸收效應，是亟待解決的問題（張朝升等，2008）。

污泥中的重金屬進入土壤后經溶解、沉淀、凝聚、絡合、吸附等過程表現出不同的環境效應（Gupta和Sinha ，2006；Karvelas等，2003）。Cd是城市污泥中最常見的重金屬之一（史昕龍和陳紹偉，2001）。在這方面國外研究報道較多（Egiarte等，2008；Fuentes等，2004），國內也有一些報道（張瑋和傅大放，2007；于瑞蓮等，2011）。蘭州地處黃土高原西部，境內大部分為海拔1450～2500 m的黃土覆蓋的丘陵、河谷和盆地，其中丘陵所含的黃土熟化程度很低，植被覆蓋率很小（李萍等，2013），Cd含量很低（晉王強等，2010）。近年來，隨著城市的發展，綠化用土供需矛盾日益突出，黃土常被作為綠化土用于園林和荒漠化土地等（安登奎和王玉宏，2005），但黃土土粒板結、通透性差，缺乏有機養分，常導致植物生長不良而枯萎致死（王志和楊藝淵，2002）。用污泥能明顯的改良生土并供給植物養分，且肥效持久、后效顯著，優于化肥（薛澄澤和杜新科，2000）。

目前，黃土中施用污泥及其重金屬對作物生長影響的研究尚鮮見報道。本文即擬通過盆栽實驗，探求污泥在不同Cd脅迫黃土中對小麥生長的影響及其對小麥各部位Cd的富集遷移規律，為污泥資源的開發利用開辟新的途徑。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為黃土，采自蘭州市榆中縣郊區，采回后鋪在塑料薄膜上于自然陰涼處風干，壓碎，剔除石塊等異物，過2 mm尼龍篩備用。其基本理化性質為：pH=8.85，有機質含量1.54%，EC＝895.5 μs·cm-1，Cd背景含量0.116 mg·kg-1；供試污泥采自蘭州市七里河污水處理廠（A2O工藝），采回后鋪在塑料薄膜上于自然陰涼處風干，壓碎，過2 mm尼龍篩，備用。其基本理化性質為：pH=7.81，EC=3142 μs·cm-1，有機質含量24.50%，Cd背景含量為0.116 mg·kg-1。

供試作物為小麥（Triticumaestivum L.），購自甘肅省農業科學院。

1.2 試驗設計

根據長期對黃土中Cd含量的調查，對出現的最大濃度作適當延伸，確定為試驗設計的8個處理水平。同時根據研究區的施肥狀況，確定為試驗設計的2個污泥處理水平。每個塑料盆中加入8.0 kg供試土壤或污泥含量為 4.0%的供試土壤，土壤中以Cd(NO3)2?4H2O溶液形式一次性加入的Cd質量分數分別為0.5、1.0、2.5、5.0、10.0、25.0、50 mg·kg-1，對應各處理為TS1～TS7。各脅迫水平均設置3個平行，同時設置對照TS0。加去離子水使得土壤含水率為田間持水量的60%，保持3周后按農作制度播入小麥種子。幼苗生長7 d后間苗留取10棵，約120 d后收獲測量小麥的主枝長度和平均根系長度以及麥穗長度，并測定小麥的根、莖葉、籽粒 Cd含量及生物量，并采集土壤樣品和植物樣品。土壤樣品自然風干后過100目尼龍篩，以四分法取50 g待用。植物樣品分為莖葉、根系和籽粒，用自來水沖洗干凈后再用去離子水反復沖洗，經105 ℃殺青2 h，75 ℃烘干至恒重后粉碎，過60目尼龍篩待用。

1.3 分析測試

土壤理化指標用土壤農化常規分析方法測定（魯如坤，2000）。土壤樣品用HNO3-HF-HClO4三酸法消解（Tessier等，1979）。植物樣品用 GB/T5009規定的HNO3-HClO4混合酸法消解。Cd含量用原子吸收光譜儀（Thermo Fishier，SOLAAR M6）測定。試驗中均采用20%平行樣、GSS-1標準土樣和GSB-6標準菠菜樣品進行質控，誤差控制在5%以內。試劑均為優級純，試驗器皿在使用前均用10%硝酸浸泡24 h以上。

1.4 數據處理

所得數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0進行統計分析、作圖等。

2 結果與討論

2.1 不同處理對小麥生長的影響

生物量（干質量）的變化是在正常環境中生長的植物受到外界重金屬影響時最直接的響應，可以表征重金屬元素對植物的作用類型和程度（Liu等，2008）。不同Cd脅迫水平污泥施加與否情景下小麥各部位的干質量變化情況見表1。

由表1可知，隨著土壤Cd脅迫水平的升高，無論污泥施加與否，小麥各部位干質量均呈先增加后減小的趨勢。與對照TS0相較，未施加污泥情景下， TS4和TS5Cd脅迫水平下的小麥根系干質量顯著高于其他脅迫水平，且TS4（0.33±0.07 g）顯著高于 TS5（0.20±0.08 g）（P＜0.05），TS2～TS6脅迫水平下莖葉干質量顯著高于其他脅迫水平（P＜0.05），TS2～TS5脅迫水平下籽粒干質量顯著高于其他脅迫水平（P＜0.05）；施加污泥情景下，TS4和 TS5Cd脅迫水平下的小麥根系干質量顯著高于其他脅迫水平，且TS4（0.41±0.02 g）顯著高于TS5（0.30±0.02 g）（P＜0.05），TS2～TS5脅迫水平下莖葉干質量顯著高于其他脅迫水平（P＜0.05），TS2～TS4脅迫水平下籽粒干質量顯著高于其他脅迫水平（P＜0.05）。該結果表明，無論污泥施加與否，一定范圍內較低濃度的Cd脅迫均能促進小麥生長，較高濃度的Cd脅迫則抑制小麥生長，小麥對Cd脅迫的耐受作用存在臨界濃度，與已有的相關研究結果（Liu和 Zhang，2007；賈夏，2011）相同。這可能是較低的Cd濃度能使提高作物體內酸性磷酸酶和過氧化氫酶等的活性或加快生物體內某些生化反應，從而促進其生長，而當Cd濃度超過作物生長極限值時，作物的生理生化、生長環境和營養狀況均不同程度的受到傷害，作物的生長發育就開始受到不同程度的抑制（Bonten，2008）。因此，高濃度的Cd會嚴重抑制作物的生長發育和新陳代謝，從而使得生物量顯著降低（Xia等，2000）。實驗觀察亦發現，Cd對小麥毒害達到一定程度后，植株就會表現出生長遲緩、植株矮小、褪綠等中毒癥狀，嚴重影響其產量，這與黎佳佳等人（黎佳佳等，2006）的觀測結果一致。

表1 不同Cd脅迫水平添加與不添加污泥情景下小麥各部位的干質量Table 1 The dry weight of wheat on different levels of Cd stress and sewage sludge amendment rates

表2 不同Cd脅迫水平添加與不添加污泥情景下小麥各部位的Cd含量Table 2 The Cd content of various parts of wheat on different levels of Cd stress and sewage sludge amendment rates

施加污泥與未施加污泥情景相較，同一Cd脅迫水平施加污泥情景下小麥各部位的干質量較大，僅在TS5和TS6Cd脅迫水平下，小麥根系干質量在兩種處理間差異顯著（P＜0.05），僅在 TS0和TS1Cd脅迫水平下，小麥莖葉干質量在兩種處理間差異顯著（P＜0.05），在Cd所有脅迫水平下，小麥籽粒干質量在兩種處理間差異顯著著（P＜0.05）。該結果表明，在Cd脅迫下，施用污泥有利于促進小麥生長，尤其是莖葉和籽粒的生長，可能是由于一定水平內的Cd對小麥的毒害作用小于污泥中豐富的N、P、K和有機質等營養元素對小麥的促進作用，污泥在一定程度上能顯著提高小麥莖葉和籽粒的生物量（康少杰等，2011a）。可見，小麥在單一Cd脅迫下無論施加污泥與否，其各部位的生物量較之對照均有一定程度的增加，且高濃度Cd脅迫下仍能較好的生長，各部位的干質量并未顯著小于對照TS0，說明小麥對Cd具有較高的耐性。

2.2 小麥對Cd的吸收和分布

不同Cd脅迫水平污泥施加與否情景下小麥各部位的Cd含量變化情況見表2。

由表2可知，無論污泥施加與否，小麥各部位的Cd含量均隨著Cd脅迫濃度的升高而持續增加。在試驗設計的濃度范圍內，盡管小麥的生物量已受到一定程度的抑制，但其不同部位對Cd的吸收并未達到峰值。與對照TS0相較，未施加污泥情景下，TS3～TS7Cd脅迫水平下的小麥根系和籽粒Cd含量顯著高于其他脅迫水平（P＜0.05），在所有Cd脅迫水平下莖葉 Cd含量顯著高于都差異性顯著（P＜0.05）；施加污泥情景下，自TS3 Cd脅迫水平開始小麥各部位 Cd含量顯著高于其他脅迫水平（P＜0.05）。各部位的Cd含量相較，根系最高，莖葉次之，籽粒最低，此結果與莫爭（2002）等研究結果一致。該結果表明，有較多的Cd 從土壤進入了根系，但 Cd 從根系轉移至莖葉相對比較困難，而Cd從莖葉轉移至籽粒更加困難。原因可能是當植物根系暴露在濃度較高的重金屬環境中時，植物可以通過一些轉運蛋白如 MRP7、HMA3、CAXs等將重金屬轉運到液泡，并且產生更多的植物絡合素將一些重金屬絡合在液泡中，限制重金屬轉運到木質部，進而減少其向地上部的運輸，導致根系中的重金屬含量高于莖葉和籽粒（黃白飛等，2013）。

如表3所示，無論施加污泥與否，小麥各部位的Cd含量與土壤中Cd添加量均達到極顯著的正相關關系（P＜0.01），表明小麥各部位的Cd含量與土壤 Cd污染的程度直接相關，即實驗情景下 Cd的脅迫濃度（全量）可以很好地表征小麥各部位對Cd的吸收特征和變化趨勢。

表3 不同部位Cd含量與土壤中Cd添加量的相關性分析結果Table 3 The correlation analysis of Cd content of various parts of wheat and add the amount of Cd in soil

表4 不同Cd脅迫水平添加與不添加污泥情景下小麥各部位的生物富集系數Table 4 The BCF of various parts of the wheat on different levels of Cd stress and sewage sludge amendment rates

施加污泥與未施加污泥情景相較，同一Cd脅迫水平施加污泥情景下小麥各部位的Cd含量較大，僅在TS4Cd脅迫水平下，小麥根系和莖葉Cd含量在兩種處理間差異顯著（P＜0.05），僅在 TS5和TS7Cd脅迫水平下，小麥莖葉Cd含量在兩種處理間差異顯著（P＜0.05）。陳曦等（2010）研究發現，在Cd脅迫下，施用污泥有利于促進小麥各部位對Cd的吸收，此外許田芬（2012）和康少杰（2011）研究青菜和玉米等植物結果亦是如此。可能是污泥中豐富的N、P、K和有機質等營養元素所致（戴亮等，2012；陳桂梅等，2010）。同時，與未施加污泥情景相較，Cd脅迫水平較低時施加污泥情景下小麥各部位的Cd含量總體較高，但差異并不顯著，即在低Cd脅迫水平時，兩種情景下小麥對Cd的富集量相差不大，甚至還出現施加污泥情景下小麥各部位Cd含量比未施加污泥情景下含量少的現象，與Walker等（2003）研究結果一致。這表明，Cd脅迫水平較低時，污泥的施用對小麥吸收Cd的影響不顯著（P＞0.05），隨著土壤Cd脅迫水平的升高，污泥的施用對小麥吸收Cd的影響開始變得顯著（P＜0.05），且差異愈加明顯（褚艷春等，2013）。已有研究表明，重金屬Cd含量與營養元素含量間呈正相關關系，即兩者表現為協同作用（Thapa等，2012），本實驗表明，在污泥提供的營養元素一定時，高Cd脅迫水平下二者的交互作用較低Cd脅迫水平更大。

2.3 施用污泥對小麥富集和轉運Cd的影響

為了更好的探究Cd在小麥－黃土系統施加污泥與未施加污泥情景下的轉運積累規律，本文引入了生物富集系數（BCF）和轉運系數（TF）。生物BCF是植物根系與土壤中重金屬濃度的比值，TF是植物體地上部分與地下部分重金屬濃度的比值（Nan等，2000）。富集、轉移系數越大（黃麗榮等，2011），說明作物對重金屬的富集和遷移能力越大（Yoon等，2006）。小麥根系、莖葉和籽粒的富集系數分別以BCFR、BCFSL和BCFS表示，小麥莖葉和籽粒的遷移系數分別以 TFR－SL和 TFR－S表示。表4和表5分別是施加污泥與未施加污泥情景下Cd在小麥中的BCF和TF。

表4表明，隨著Cd脅迫水平的升高，施加污泥與未施加污泥情景下，小麥各部位的 BCF均呈現出先升高后降低的趨勢，且均在實驗設計的最高處理TS7水平最小。與對照TS0相較，未施加污泥情景下，BCFR除TS7水平外均差異顯著（P＜0.05），BCFSL僅TS5和TS6水平差異不顯著（P＜0.05），且TS7水平顯著小于對照TS0（P＜0.05），BCFS則在TS1～TS4水平差異顯著（P＜0.05）；施加污泥情景下，BCFR和 BCFS在TS1～TS4水平差異顯著（P＜0.05），BCFSL在 TS3～TS6水平差異顯著（P＜0.05）。小麥各部位Cd的BCF表現為根系最大，莖葉次之，籽粒最小，與李曉晨等（2007）研究結果一致，說明Cd富集能力更易在土壤－小麥根系界面進行，小麥根系－小麥莖葉界面次之，小麥莖葉－小麥籽粒界面相對最不易富集。

施加污泥與未施加污泥情景相較，施加污泥情景下小麥各部位的 BCF均大于未施加污泥情景，同一Cd脅迫水平下，BCFR僅TS6水平差異不顯著（P＜0.05），BCFSL僅TS1和TS2水平差異不顯著（P＜0.05），BCFS則在TS2、TS4、TS6和TS7水平差異顯著（P＜0.05），有研究表明，同一Cd脅迫水平下污泥的施用在一定程度上提高了小麥對Cd的富集能力，對小麥根系的Cd富集能力影響尤為顯著（陳祥等，2009）。即當Cd脅迫濃度超過一定范圍時，小麥對Cd的富集系數變得越來越小。武文飛等（2012）研究油菜也得出了相同的結果，這主要是因為隨著土壤中Cd元素濃度的升高，植物生長受到一定程度的抑制，Cd的吸收機能將會受到阻礙。

表5 不同Cd脅迫水平添加與不添加污泥情景下小麥各部位的轉運系數Table 5 The TF of various parts of the wheat on different levels of Cd stress and sewage sludge amendment rates

表5表明，隨著 Cd 脅迫水平的升高，施加污泥與未施加污泥情景下，小麥各部位的TF變化較為波動，但整體呈先升高后減小的趨勢，Cd向植物體內的遷移能力與土壤性質、重金屬形態等有關，當外源Cd濃度超過轉運極限值后，轉運系數將會變小（Topcuoglu等，2005）。與對照TS0相較，未施加污泥情景下，TFR－SL僅TS2水平顯著高于對照TS0（P＜0.05），TFR－S僅 TS1水平顯著高于對照TS0（P＜0.05）；施加污泥情景下，TFR－SL僅 TS2和 TS6水平顯著高于對照 TS0（P＜0.05），TFR－S僅TS2和TS3水平顯著高于對照TS0（P＜0.05）。

施加污泥與未施加污泥情景相較，TFR－SL僅TS0、TS6和TS7水平差異顯著（P＜0.05），TFR－S僅TS1和TS7水平差異顯著（P＜0.05），表明污泥的施用對Cd進入小麥根系后向莖葉和籽粒的遷移影響不顯著，Allan等（1989）也得到了相同的結論。

3 結論

1）黃土中低水平的Cd脅迫可促進小麥的生長，且在Cd污染水平5.0 mg·kg-1時施污泥和未施污泥土壤中小麥生物量均最大，而高水平的Cd脅迫抑制小麥的生長，且Cd脅迫水平越高，抑制作用越強烈，Cd脅迫下施用污泥可促進小麥的生長，尤其是莖葉和籽粒的生長；

2）小麥各部位Cd的含量隨土壤Cd處理水平的升高而增加且呈顯著正相關（P＜0.05），各部位最大濃度分別可以達到：45.32、14.41、9.66 mg·kg-1，且根系＞莖葉＞籽粒，污泥的施用能促進小麥對Cd的吸收；

3）小麥各部位對 Cd的富集能力均隨著土壤Cd脅迫水平的升高而先增加后減小，污泥的施用在一定程度上提高了小麥對Cd的富集能力，各部位富集系數最大分值分別為 1.81、0.93、0.51，但對Cd進入小麥根系后向莖葉和籽粒的遷移影響不顯著。

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Effects of the Application of Municipal Sewage Sludge to Loess on the Growth of Wheat and Cd Accumulation and Migration under Cd Stress

LI Hu, ZHAO Yisha, LIU Chong, WU Wenfei, WANG Houcheng, NAN Zhongren*

College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

In order to develop new approaches to utilization of sewage sludge, a pot experiment was conducted out for loess and wheat to study the effects of application of municipal sewage sludge on growth of wheat and accumulation and migration of cadmium under stress. There are two sludge treatment levels in the experimental and 8.0 kg test soil or amended with 4.0% sludge were added in each plastic pots. The solution of Cd (NO3)2·4H2O was added in soils with concentration of 0.5, 1.0, 2.5, 5.0, 10.0, 25.0, 50 mg·kg-1, corresponding to each treatment for TS1-TS7. Various stress levels were set up three parallel, and set the control TS0.The results indicated that low stress levels of cadmium in loess can promote the growth of wheat, and biomass of wheat in both soils reached maximum in stress levels of 5.0 mg·kg-1. However, high stress levels of cadmium inhibits the growth of wheat and inhibition promoted with increase of the stress levels. The application of municipal sewage sludge under cadmium stress can promote the growth of wheat, especially is the shoots and seeds; The content of cadmium of various parts of wheat increased with the increase of stress levels and this phenomenon was a significant positive correlation (P ＜0.05), and the maximum content of cadmium of various parts of wheat were the roots (45.32 mg·kg-1), followed by the shoots (14.41 mg·kg-1), the minimum is seed (9.66 mg·kg-1). The application of sludge can promote the absorption of cadmium in wheat; The accumulation capability of various parts of the wheat first increase and then decrease with increase of stress levels of cadmium. The application of municipal sewage sludge can improve the accumulation ability of cadmium in wheat and the maximum enrichment factor of the various parts of wheat were 1.81, 0.93, 0.51, but the impact on the migration of cadmium which shift from the roots to shoots and seed were not significant.

wheat municipal sludge; Cd; accumulation; translocation

X53

：A

：1674-5906（2014）08-1366-06

李虎，趙一莎，劉沖，武文飛，王厚成，南忠仁. Cd脅迫下黃土施用污泥對小麥生長及Cd富集遷移的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(8): 1366-1371.

LI Hu, ZHAO Yisha, LIU Chong, WU Wenfei, WANG Houcheng, NAN Zhongren. Effects of the Application of Municipal Sewage Sludge to Loess on the Growth of Wheat and Cd Accumulation and Migration under Cd Stress [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1366-1371.

國家自然科學基金項目（NSFC 51178209；NSFC 91025015）；蘭州大學中央高校基本科研業務費專項資金項目（lzujbky-2014-279；lzujbky-2014-208）

李虎（1990年生），男，碩士研究生，主要研究方向為環境污染機制與控制修復。E-mail：lih2013@lzu.edu.cn *通訊聯系人，E-mail：zhongrennan@126.com

2014-05-26