液體有機肥對鉛、鎘污染下馬鈴薯重金屬吸收及干物質積累的研究

王沛裴，鄭順林，2*，何彩蓮，張　琴，萬年鑫，羅艷琴，袁繼超，2

（1.四川農業大學農學院，成都611130；2.西南地區作物栽培重點實驗室，成都611130）

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液體有機肥對鉛、鎘污染下馬鈴薯重金屬吸收及干物質積累的研究

王沛裴1，鄭順林1，2*，何彩蓮1，張琴1，萬年鑫1，羅艷琴1，袁繼超1，2

（1.四川農業大學農學院，成都611130；2.西南地區作物栽培重點實驗室，成都611130）

摘要：采用盆栽實驗，研究了Pb、Cd污染下，一種液體有機肥對馬鈴薯各器官Pb、Cd吸收量的影響及對馬鈴薯生長的緩解作用。結果表明：在基施液體有機肥作用下，馬鈴薯各器官對Pb、Cd的吸收具有明顯差異，Pb和Pb、Cd復合污染條件下，馬鈴薯Pb、Cd吸收情況一致，即根＞葉＞莖＞塊莖，而Cd污染下，馬鈴薯各器官吸收量變化規律為根＞莖＞葉＞塊莖；馬鈴薯的根冠比、干物質累積量和單株產量隨液體有機肥濃度增加而增加，且各處理均在有機肥高濃度時達到最大值；馬鈴薯塊莖中Pb、Cd吸收量在研究范圍內隨有機肥濃度的增加而減少，塊莖中Pb吸收量比未施加液體有機肥組降低34.7%，Cd吸收量比未施加液體有機肥組降低52.1%。綜上認為在研究范圍內，馬鈴薯底施液體有機肥對Pb、Cd污染均有較明顯的緩解效應。Pb污染下塊莖中的Pb含量均超標，Cd污染下，塊莖膨大期塊莖中的Cd含量全部未超標，塊莖成熟期部分處理超標，可以通過適當提前收獲，降低塊莖的Cd吸收，達到安全標準。

關鍵詞：液體有機肥；Pb、Cd污染；馬鈴薯；緩解效應

王沛裴，鄭順林，何彩蓮,等.液體有機肥對鉛、鎘污染下馬鈴薯重金屬吸收及干物質積累的研究[J].農業環境科學學報, 2016, 35（3）：425-431.

WANG Pei-pei, ZHENG Shun-lin, HE Cai-lian, et al. Effects of liquid organic fertilizer on absorption of lead and cadmium and dry matter accumulation in different organs of potato[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（3）:425-431.

重金屬污染具有相對穩定性和難降解性，因此對它的治理成為國內外研究熱點[1]。國家土壤環境質量二級標準規定，當土壤6.5＜pH＜7.5時土壤Pb含量的臨界值為300 mg·kg-1、Cd為0.3 mg·kg-1。Pb作為植物生長非必需元素，主要被植物根部吸收、積累，通過破壞活性氧代謝酶系統[2]，影響細胞代謝，抑制植物正常生長[3]。低濃度Cd會促進植物生長[4]，高濃度Cd通過破壞植物抗氧化系統[5]，影響植物生長。研究發現小麥根、莖、葉長度和生物量都隨Cd濃度的增大而逐漸下降[6]。

目前重金屬污染治理較理想的方法，是通過施用有機肥緩解重金屬污染。有機肥分解時釋放出熱量、二氧化碳和氨等物質為植物生長提供能量，同時有機肥中的胡敏酸和富里酸與重金屬形成難溶性沉淀（如硫化物）[7]，降低自由離子活度系數，降低重金屬含量，為植物生長提供良好環境。羅連光等[8]研究發現有機肥作用下，水稻獲得最佳經濟效益且重金屬含量均未超標。唐明燈等[9]發現Pb、Cd污染下，施加有機肥為生菜生長提供良好的生態環境。曾德武等[11]與李正強等[10]研究表明，有機肥能夠提高植物地下生物量，減少重金屬對作物根系的毒害作用。

2014年四川首發土壤污染狀況調查公報中，Cd 以28.7%的超標率成為主要污染物，對糧食安全存在較大的隱性風險，因此找到一種安全種植糧食的措施具有重要實踐意義。本研究通過盆栽試驗，以四大主糧之一的馬鈴薯為材料，在Pb、Cd重度污染的土壤中施加不同濃度液體有機肥，探索馬鈴薯各器官Pb、Cd吸收量的變化，揭示液體有機肥對Pb、Cd污染的緩解效果，尋找治理Pb、Cd污染的最佳濃度，為Pb、Cd污染的土壤安全生產馬鈴薯提供重要依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤屬于壤土，取自四川省成都市溫江區青浦園試驗田，具體理化性質如下：Pb含量28.34 mg· kg-1，Cd含量2.52 mg·kg-1，有機質含量7.92 g·kg-1，全氮2.08g·kg-1，速效磷6.56g·kg-1，速效鉀32.67mg·kg-1，pH6.68。供試馬鈴薯為脫毒種薯川芋117。供試有機肥為云南七彩環保科技有限公司提供的商品新型液體有機肥，其有機質≥30%，N+P2O5+K2O含量≥10%，氨基酸含量≥8%，pH5.8～6.8。供試藥品Pb（NO3）2、CdCl2為成都市科龍化工試劑廠提供的分析純。

1.2試驗設計

采集土壤在除去殘枝、石子等雜物后充分混勻，分裝于規格一致的塑料桶中（直徑27 cm、高25 cm），每桶土重7 kg。Pb（NO3）2、CdCl2與土壤混勻，且濃度分別為1000 mg·kg-1和20 mg·kg-1；土壤中有機肥濃度分別為（C0）0 g·kg-1、（C1）0.2 g·kg-1、（C2）2 g· kg-1、（C3）20 g·kg-1四個處理。試驗處理分Pb污染、Cd污染和Pb、Cd復合污染三種污染模式，具體處理依次為：PbC0、PbC1、PbC2、PbC3；CdC0、CdC1、CdC2、CdC3；PbCdC0、PbCdC1、PbCdC2、PbCdC3。Pb（NO3）2、CdCl2以及有機肥以溶液形式與土壤混勻。種植馬鈴薯前一星期，所有實驗用土每日充分攪拌，使各桶土壤中重金屬、有機肥均勻分布，試驗分別以PbC0、CdC0、PbCdC0為各處理的對照，每處理9個重復。于2015 年2月10日種植馬鈴薯，每盆種3株，2015年6月6日收獲。

1.3指標測定及方法

在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨脹期及塊莖成熟期進行取樣。每次采集馬鈴薯地上生物量和地下生物量，分根、莖、葉、塊莖進行處理，自來水沖洗干凈，蒸餾水潤洗兩次，烘箱內殺青0.5 h后，烘干至恒重，粉碎、磨細，過100目篩裝袋備用。采用火焰原子吸收分光光度計測定樣品中Pb、Cd含量。

1.4數據分析

采用Excel軟件與DPS軟件進行數據處理。

2　結果與分析

2.1Pb污染下液體有機肥對馬鈴薯Pb吸收的影響

由圖1可知，液體有機肥作用下，馬鈴薯各器官在塊莖成熟期對Pb的吸收情況：相同有機肥濃度下，根中Pb含量除PbCdC0大于PbC0處理、PbCdC3大于PbC3處理外，其余均是Pb、Cd復合污染小于單一Pb污染（圖1a）；莖中Pb含量除處理PbCdC0大于PbC0，其余均是Pb、Cd復合污染大于單一Pb污染（圖1b）；葉片中Pb含量除PbCdC1大于PbC1處理外，其余均是Pb、Cd復合污染小于單一Pb污染（圖1c）；塊莖中Pb含量均是Pb、Cd復合污染大于單一Pb污染（圖1d）。在整個生育期，馬鈴薯各個器官Pb吸收量依次為根＞莖、葉＞塊莖，并且根、莖和塊莖中Pb吸收量隨著有機肥濃度的增加而減少，而葉中則是隨著有機肥濃度的增加而增加。參照GB 18406.1—2001，蔬菜中Pb≤0.2 mg·kg-1，試驗馬鈴薯塊莖中Pb含量均超標（圖1d），但不同濃度有機肥作用下，各處理下馬鈴薯塊莖中Pb吸收量存在明顯差異。塊莖成熟期，單因素污染下馬鈴薯塊莖中Pb的吸收量減少率最大，處理PbC1、PbC2、PbC3與PbC0相比，其減少率分別為37%、40%、61%；塊莖形成期，Pb、Cd復合污染下馬鈴薯塊莖中的Pb吸收量減少率最大，處理PbCdC1、PbCdC2、PbCdC3與PbCdC0相比，其減少率分別為22%、50%、57%（圖1d）。這表明：在研究范圍內隨著液體有機肥濃度的增加，馬鈴薯塊莖中Pb含量減少；塊莖成熟期，液體有機肥在單因素污染下緩解效果最好；塊莖形成期液體有機肥在Pb、Cd復合污染下緩解效果最好。

圖1　液體有機肥對馬鈴薯不同器官Pb吸收量的影響Figure 1 Effects of liquid organic fertilizer on Pb absorption in different organs of potato

圖2　液體有機肥對馬鈴薯不同器官Cd吸收量的影響Figure 2 Effects of liquid organic fertilizer on Cd absorption in different organs of potato

2.2Cd污染下液體有機肥對馬鈴薯Cd吸收的影響

由圖2可知，整個生育期，馬鈴薯各個器官Cd吸收量依次為根＞莖、葉＞塊莖；塊莖成熟期Pb、Cd復合污染下，馬鈴薯的根和葉隨液體有機肥濃度增大Cd吸收量增加（圖2a、圖2c），而莖和塊莖隨液體有機肥濃度增大Cd吸收量減少（圖2b、圖2d）。液體有機肥作用下，馬鈴薯塊莖中Cd含量（參照GB 18406.1—2001，蔬菜中Cd≤0.05 mg·kg-1）變化如下：塊莖膨大期均未超標，塊莖成熟期，單因素處理馬鈴薯塊莖中Cd含量均未超標，Pb、Cd復合處理只有處理CdC3未超標（圖2d）。但是隨著有機肥濃度的變化，塊莖中Cd含量呈現較大降低趨勢。單因素污染在塊莖膨大期，馬鈴薯塊莖中的Cd含量減少率最大，處理CdC1、CdC2、CdC3與CdC0相比減少率分別為91%、90%、51%；Pb、Cd復合污染在塊莖成熟期，馬鈴薯塊莖中的Cd含量減少率最大，處理PbCdC1、PbCdC2、PbCdC3與PbCdC0相比減少率分別為47%、54%、68%。這表明，在研究范圍內，液體有機肥濃度越大，馬鈴薯塊莖中Cd的吸收量越少；Cd污染下，液體有機肥在塊莖膨大期緩解效果最好；Pb、Cd復合污染下，液體有機肥在塊莖成熟期緩解效果最好。

2.3馬鈴薯葉面積的變化

Pb、Cd污染下，馬鈴薯葉面積隨液體有機肥濃度的增大而增大，在相同濃度有機肥處理下，馬鈴薯葉面積變化規律基本是單一Pb污染＞Pb、Cd復合污染＞單一Cd污染（表1）。在塊莖形成期和塊莖膨大期，液體有機肥對單一Pb污染下馬鈴薯葉面積提升率分別為55.37%、53.95%，單一Cd污染下馬鈴薯葉面積提升率分別為74.05%、61.34%；塊莖成熟期，單一Pb污染下液體有機肥對葉面積提升率下降為12.31%，而單一Cd污染下葉面積提升率持續上升，其提升率為74.39%。液體有機肥處于低濃度和中濃度時，對Pb、Cd復合污染下馬鈴薯葉面積提升率均較低，低濃度時提升率為2.56%，中濃度時為8.06%，在有機肥高濃度時葉面積表現出明顯提升，平均達到20.01%。這表明在研究范圍內，液體有機肥對Pb、Cd污染下馬鈴薯葉面積增長有明顯促進作用，在相同有機肥濃度下，葉面積大小順序為單一Pb污染＞Pb、Cd復合污染＞單一Cd污染。

2.4馬鈴薯各器官干物質量的變化

如表2、表3所示，Pb、Cd污染下，馬鈴薯干物質量、根冠比和單株產量變化趨勢基本一致，即隨著液體有機肥濃度的增大而增大。Cd污染下，馬鈴薯干物質累積量、根冠比和總產量相對Pb、Cd復合污染呈降低趨勢，且隨著液體有機肥濃度增加，降低趨勢越發不明顯，即在塊莖成熟期，Cd污染下馬鈴薯干物質量是Pb、Cd復合污染下干物質量的78.6%；Cd污染下馬鈴薯單株產量是Pb、Cd復合污染下單株產量的89.1%。這表明在研究范圍內，Pb、Cd污染下施加液體有機肥可以促進馬鈴薯生長；Pb、Cd復合污染下，馬鈴薯干物質量、根冠比、單株產量均高于Cd污染，但隨著有機肥濃度的增大，差異越來越不明顯。

3　討論

液體有機肥相對普通有機肥的優勢是含有大量氨基酸、腐植酸組分和較完全的營養元素，施入土壤后經分解合成相關物質，能夠促進土壤形成良好的團粒結構，減少土壤中Pb、Cd有機質結合態或殘渣態[12]，使土壤通氣良好[13]，降低植物對土壤中Pb2+、Cd2+的吸收，為植物的安全生長提供良好環境。

表1　馬鈴薯葉面積的變化Table 1 Changes of leaf area of potato

根冠比的高低決定植物根系活性的強弱，葉面積是植物受外界環境影響的直觀表現。Pb、Cd污染下，馬鈴薯總產量、葉面積、根冠比和干物質量隨液體有機肥濃度的增加而增加（表1、表2、表3）。馬鈴薯各器官Pb、Cd吸收量與張玉秀等[14]研究一致，即根＞莖、葉＞塊莖，且根對Pb、Cd吸收量隨液體有機肥濃度的增大而增加。根吸收Pb、Cd量大的主要原因是液體有機肥增加植物根際環境中的有機酸、腐殖質等，使根系分泌大量植物絡合素等物質，促進土壤重金屬的溶解和根系的吸收，所以大部分Pb2+、Cd2+滯留在馬鈴薯根部[16]，只有一小部分Pb2+、Cd2+被植物吸收后轉運進入馬鈴薯各器官。

表2　馬鈴薯各器官干物質及根冠比的變化Table 2 Changes of dry mass and root to shoot ratios of potato

表3　馬鈴薯單株產量變化Table 3 Yields of single potato plant

Pb污染下，馬鈴薯塊莖中Pb吸收量小的原因是：一方面液體有機質抑制土壤對Pb2+的吸附，促進對Pb的解析[15]，使土壤Pb2+的有效態含量降低，活性下降，抑制Pb2+由土壤向植物體系中的遷移[16]；另一方面塊莖中Pb2+需要通過根部轉運至葉片后再合成淀粉并且通過消耗能量和載體運輸至塊莖，其過程復雜、程序繁多，所以最后進入塊莖的Pb2+含量最少。Cd污染下，馬鈴薯塊莖中Cd吸收量小的原因是：一方面隨有機肥濃度增大根系分泌物增加（包括有機酸），并使分泌物與Cd通過競爭性結合后滯留在根表面的Cd2+量增加，因此通過主動運輸轉移至其他器官的Cd2+量減少；另一方面馬鈴薯根系向地上部分輸送營養時，各個器官都會對Cd2+產生截留作用，隨著有機肥濃度的增大截留作用增強（圖2a、圖2c），所以大部分Cd2+被截留在根、莖、葉中，最后到達馬鈴薯塊莖中的Cd2+較低。另外Pb、Cd復合污染時，植物對Pb、Cd的吸收可能存在拮抗作用，高濃度Pb會抑制植物對Cd的吸收，占用Cd的轉運蛋白酶，減少馬鈴薯對Cd的吸收量，但隨著有機肥濃度的增加這種抑制作用越來越弱。

Pb、Cd污染下，馬鈴薯塊莖對Pb、Cd的轉運能力減弱[17]，而液體有機肥的施加能夠恢復其Pb、Cd轉運能力。液體有機肥作用下，雖然在研究范圍內馬鈴薯塊莖中Pb、Cd含量未完全達標（圖1d、圖2d），但塊莖中Pb、Cd含量隨液體有機肥濃度的升高而減少。實驗結果發現，塊莖中Pb、Cd含量減少除有機肥對馬鈴薯塊莖自身的影響外，與馬鈴薯其他器官Pb、Cd的吸收量是密不可分的。相關性分析表明，Pb污染下，塊莖中Pb含量與根呈極顯著相關（r=0.658 6**），與莖呈極顯著相關（r=0.769 8**），與葉呈極顯著相關（r=0.724 8**）；Cd污染下，塊莖中Cd含量與根呈顯著相關（r=0.473 5*），與莖呈顯著相關（r=0.481 4*），與葉呈顯著相關（r=0.465 3*）。

4　結論

本實驗研究范圍內發現：Pb污染下，塊莖成熟期馬鈴薯塊莖中Pb吸收量最少；Cd污染下，塊莖膨大期馬鈴薯塊莖Cd吸收量最少；單因素污染下塊莖中Pb、Cd吸收量低于Pb、Cd復合污染；馬鈴薯塊莖中的Pb、Cd含量隨液體有機肥濃度的增大而減少。

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Effects of liquid organic fertilizer on absorption of lead and cadmium and dry matter accumulation in different organs of potato

WANG Pei-pei1, ZHENG Shun-lin1,2*, HE Cai-lian1, ZHANG Qin1, WAN Nian-xin1, LUO Yan-qin1, YUAN Ji-chao1,2
（1.College of Agriculture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2.Key Laboratory of Southwest Region Crop Cultivation, Chengdu 611130, China）

Abstract：Controlling heavy metal pollution that is a potential threat to crop growth in soil has been a hot topic. In this study, the effects of liquid organic fertilizer on the absorption of lead and cadmium in different organs of potato and on plant growth were investigated in pot experiment. Under liquid organic fertilizer as basal fertilizer, there are significant differences in the absorption of lead and cadmium in different organs of potato. In lead and lead/cadmium pollution, lead and cadmium accumulation by different parts of potato was roots＞leaves＞stems＞tubers, whereas lead and cadmium accumulation was roots＞stems＞leaves＞tubers in cadmium pollution. The root/shoot ratio, the accumulation of dry matter and the yield of single potato plant were the maximum at the highest organic fertilizer rate. Applying liquid organic fertilizer decreased lead and cadmium uptake in potato tubers by 34.7% and 52.1%, respectively, as compared to the control. Lead concentrations in potato tubers did not exceed the standard under lead pollution. However, cadmium concentrations in the tubers exceeded the standard during tuber expansion period though tuber cadmium in some treatments fell below the standard at the mature stage. The present experimental results show that liquid organic fertilizer can reduce the content of lead and cadmium in potato, and that harvesting potato earlier might reduce cadmium uptake by potato tubers.

Keywords：liquid organic fertilizer; lead and cadmium pollution; potato; mitigation effect

*通信作者：鄭順林E-mail：zhengshunlin123@163.com

作者簡介：王沛裴（1991—），女，重慶人，研究生，主要從事馬鈴薯高產栽培技術研究。E-mail: wangpp717@163.com

基金項目：國家科技支撐計劃（2012BAD06B0407）；國家現代農業產業技術體系（馬鈴薯）建設專項（編號CARS-P20）；四川省育種攻關配套項目（2011NZ0098-15-5）

收稿日期：2015-10-06

中圖分類號：X503.231

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）03-0425-07

doi:10.11654/jaes.2016.03.003