不同肥料對(duì)土壤中重金屬Cd的植物修復(fù)影響

張琦 徐靜靜

摘要：目前Cd污染農(nóng)田現(xiàn)象普遍，植物修復(fù)技術(shù)對(duì)周圍環(huán)境影響較小，污染治理成本較低、污染治理效果持久，具有良好推廣應(yīng)用前景，但植物地上部分的生物量一直是制約植物修復(fù)效率的主要限制因素。不同肥料對(duì)土壤中Cd的生物有效性及植物對(duì)Cd的吸收影響不同，本文主要分析不同肥料對(duì)土壤中重金屬Cd的植物修復(fù)的影響。

關(guān)鍵詞：肥料;土壤;鎘;植物修復(fù)

土壤中重金屬Cd的存在形態(tài)

重金屬以比較復(fù)雜的形態(tài)存在于土壤中，一般分為可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)4種，其生物有效性逐漸降低金屬穩(wěn)定性逐漸加強(qiáng)。土壤中存在的Cd的形態(tài)一般可以分為水溶性Cd以及非水溶性Cd兩大類。以離子態(tài)和絡(luò)合態(tài)存在的水溶性Cd等能被作物直接吸收，對(duì)生物危害性較大，而非水溶性Cd比如CdS和CdCO₃等不易遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，無(wú)法被作物直接吸收，但水溶性Cd和非水溶性Cd可以隨著環(huán)境條件的改變而相互轉(zhuǎn)化。

Cd污染的危害

Cd是重金屬當(dāng)中生物毒性最強(qiáng)的一種元素，其在環(huán)境當(dāng)中具有化學(xué)活性強(qiáng)、移動(dòng)性強(qiáng)并且生物毒性持久的特點(diǎn)。Cd可以通過(guò)水、大氣、動(dòng)植物等人類活動(dòng)必需接觸的介質(zhì)進(jìn)行侵害，危害著人類的健康。人體在長(zhǎng)期和高劑量的情況下攝入Cd，能夠引起高血壓和心腦血管疾病、對(duì)骨骼和肝腎造成深度傷害，人體受Cd污染影響還會(huì)造成腎衰竭、脊柱畸形和骨質(zhì)疏松等疾病。Cd不是植物生長(zhǎng)所必需的元素，Cd會(huì)影響植物的正常健康生長(zhǎng)，當(dāng)植物體內(nèi)的Cd累計(jì)到一定的含量時(shí)，就會(huì)使植物呈現(xiàn)出受毒害的癥狀^[4]，表現(xiàn)為植物根系的生長(zhǎng)受到影響，從而降低植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收;并且植物的呼吸作用和光合作用也會(huì)受到不利的影響，進(jìn)而引起植物內(nèi)新陳代謝失常，比如降低植物的葉綠素、蛋白質(zhì)和糖的合成以及降低光合強(qiáng)度、改變某些特定酶的活性，最終植物的產(chǎn)量、品質(zhì)和食品安全受到影響，進(jìn)而直接或者間接危害到人體的健康。所以，Cd污染不但會(huì)對(duì)環(huán)境經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失，還會(huì)對(duì)人體和作物產(chǎn)生危害。

土壤Cd污染植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)指利用植物固定、揮發(fā)以及吸收土壤當(dāng)中重金屬的能力，以降低土壤當(dāng)中重金屬的含量或有效態(tài)的含量，降低其生物有效性，減少其對(duì)生物的危害。植物吸收是指通過(guò)利用富集植物和超富集植物對(duì)重金屬的高積累能力，轉(zhuǎn)運(yùn)并富集土壤當(dāng)中的金屬元素到植物的地上部分，最后通過(guò)收獲植物的地上部分，從而使得土壤當(dāng)中重金屬的含量降低。植物揮發(fā)是指利用一些植物的特殊能力將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢該]發(fā)的形態(tài)，使得重金屬?gòu)耐寥喇?dāng)中和在植物的蒸騰過(guò)程當(dāng)中揮發(fā)，離開(kāi)土壤。植物固定是指植物根際的分泌物通過(guò)某些作用將土壤中的重金屬固定于土壤中使其降低移動(dòng)性，其機(jī)理是通過(guò)根際分泌物來(lái)改變植物的根際環(huán)境，改變重金屬的形態(tài)，最終使得其在植物的根際附近產(chǎn)生沉淀和積累。

肥料對(duì)土壤重金屬Cd形態(tài)的影響

眾所周知通過(guò)施肥能夠增加作物產(chǎn)量和提高作物質(zhì)量，化肥在增加作物產(chǎn)量、提高作物品質(zhì)和保證糧食安全方面起到了舉足輕重的作用，此外，化肥還影響作物對(duì)重金屬的吸收。前人的研究結(jié)果表明化肥能夠改變土壤的理化性質(zhì)比如pH、CEC等，還能夠改變重金屬的有效態(tài)，增加生物有效性，對(duì)于被重金屬污染的土壤，通過(guò)施加肥料能夠解吸和活化重金屬。向土壤中施入N、P、K肥，能夠改變土壤的pH和表面電荷數(shù)，并且能夠改變重金屬的形態(tài)，影響其有效性。有研究表明向土壤中施加NH₄⁺-N肥將會(huì)降低土壤的pH，曾清如等研究表明，NH₄Cl能夠顯著促進(jìn)Cd的溶出，這可能是因?yàn)镃l^-能夠與Cd發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。向土壤中施加P肥能夠增加土壤的負(fù)電荷和CEC，從而增加了土壤對(duì)重金屬離子的吸附。Xie和MacKenzie推測(cè)通過(guò)向土壤中施加P肥會(huì)增加金屬離子的專性吸附點(diǎn)位。

氮肥

有研究表明施用（NH₄）₂SO₄、NH₄NO₃和CO（NH₂）₂能增加弱酸性土壤當(dāng)中水溶交換態(tài)Cd的含量，是因?yàn)檫@3種肥料均使土壤的pH降低。有研究指出：NH₄NO₃施入土壤后NH₄⁺將發(fā)生硝化作用，短期內(nèi)能使土壤pH顯著的降低，從而增加Cd在土壤中的活性。宋麗華等研究表明連續(xù)五年定點(diǎn)施用NH₄Cl肥料，導(dǎo)致耕作層最高下降pH值1.2，說(shuō)明在表層土施加NH₄Cl會(huì)在一定程度上酸化土壤^[30-35]。

磷肥

向酸性土壤中施加KH₂PO₄ （80mgP/kg），能夠降低水溶性和可交換態(tài)Cd的含量，增加碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd的含量。曹仁林研究證明施加鈣鎂磷肥能夠降低土壤當(dāng)中交換態(tài)Cd含量，增加土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)Cd含量。Kaushik等研究結(jié)果表明，在堿性土壤中增加KH₂PO₄的施用量能夠降低晶形氧化鐵結(jié)合態(tài)、有機(jī)態(tài)以及碳酸鹽結(jié)合態(tài)的Cd含量，增加土壤中無(wú)定形氧化鐵結(jié)合態(tài)Cd含量及水溶態(tài)和交換態(tài)Cd的含量，殘留態(tài)Cd含量沒(méi)有變化。

鉀肥

向土壤中施加KCl，能夠增加土壤中水溶性Cd含量和可交換態(tài)Cd含量，并且能夠減少碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量，可能是因?yàn)镵和重金屬離子競(jìng)爭(zhēng)土壤表面的交換性而造成的。有研究表明施加KCl至稻田土壤中，能夠增加土壤當(dāng)中交換態(tài)Cd含量。從上述前人研究結(jié)果來(lái)看，通過(guò)施加KCl能夠增加土壤中有效態(tài)Cd的含量。

肥料對(duì)植物吸收重金屬Cd的影響

氮肥

向土壤中施加銨態(tài)氮肥后，NH₄⁺會(huì)發(fā)生硝化/酸化作用降低土壤的pH，增加重金屬Cd的有效性，所以銨態(tài)氮比硝態(tài)氮更能增加Cd的活性。而且含N的鈣鹽比銨態(tài)氮更有助于增加Cd的有效性。Eriksson發(fā)現(xiàn)在總施氮量相同的條件下（NH₄）₂SO₄與NH₄NO₃相比（NH₄）₂SO₄處理下油菜籽粒當(dāng)中Cd的含量更高。Willaert等研究表明（NH₄）₂SO₄能夠增加菠菜中Cd的含量。Maier等人研究在Ca（NO₃）₂、NH₄NO₃、CO（NH₂）₂、（NH₄）₂SO₄四種N肥施加下對(duì)馬鈴薯中Cd含量的影響，結(jié)果表明Ca（NO₃）₂與（NH₄）₂SO₄相比，Ca（NO₃）₂處理下馬鈴薯塊莖中的Cd含量更高，與其他氮肥相比施加CO（NH₂）₂處理后，能夠明顯降低幼苗葉片當(dāng)中Cd的含量，這與Tu等人的報(bào)道相一致。Florijn等人在研究中也得出同樣的結(jié)論，銨態(tài)氮比硝態(tài)氮更能增加萵苣中的Cd含量，這是因?yàn)镹H₄⁺能夠降低土壤的pH^[44]。

磷肥

P是植物生長(zhǎng)和發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)保障作物生長(zhǎng)和保障產(chǎn)量有著重要作用，P影響重金屬的活性以及作物對(duì)重金屬的吸收和積累。有研究表明施加P肥能夠促進(jìn)油菜的生長(zhǎng)，提高油菜的生物量，還可以降低土壤中重金屬Cd有效態(tài)的含量。有研究表明馬鈴薯塊莖中吸收積累的Cd含量隨著P肥施加量的增加而增加，說(shuō)明在施P肥的處理下能夠增加馬鈴薯對(duì)Cd的吸收積累。

鉀肥

Bingham等人研究表明K肥中的伴陰離子Cl^-和SO₄^2-能夠增加瑞士甜菜中Cd的含量。依純真等人研究水稻在KCl、K₂SO₄、KNO₃處理下不同生育期中水稻中Cd的含量，結(jié)果表明，Cl^-能夠促進(jìn)水稻對(duì)Cd的吸收，不同作物和不同生育期中Cd的含量存在差異;但與Cl^-不同，SO₄^2-卻顯著降低糙米中Cd的含量并且使得水稻減少對(duì)Cd的吸收;NO₃^-則對(duì)水稻吸收Cd的影響不大。施用KCl肥對(duì)水稻吸收Cd的促進(jìn)作用高于小麥。Zhao等認(rèn)為，Cd在整個(gè)植株中的含量隨KCl、K₂SO₄施用量而極顯著的增高，而KNO₃只有最高量時(shí)對(duì)植物Cd含量有顯著影響。試驗(yàn)表明Cl^-和SO₄^2-增加了植物對(duì)Cd的吸收，這可以解釋為Cl^-和SO₄^2-容易與Cd²⁺形成配位體而增加了Cd的生物有效性。Sparrow等研究表明，與施用等量的K₂SO₄相比，施用KCl可增加馬鈴薯塊莖中Cd的濃度。Grant等認(rèn)為KCl增加了大麥子粒中Cd的濃度^[53]。Weggler等的研究證實(shí)了植物吸收的Cd與土壤溶液中CdCl⁺的活度存在很高的相關(guān)性。相反，McLaughlin等的田間試驗(yàn)表明，不同的K肥種類（KCl，K₂SO₄）對(duì)馬鈴薯塊莖中Cd的濃度沒(méi)有影響^[55]。

結(jié)語(yǔ)

面對(duì)大量Cd污染農(nóng)田，植物修復(fù)技術(shù)因其原位修復(fù)，對(duì)周圍環(huán)境影響較小，污染治理成本較低、污染治理效果持久，具備凈化和美化環(huán)境的生態(tài)價(jià)值，因而良好推廣應(yīng)用前景。通過(guò)施肥能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，增加植物地上部分生物量的積累，從而降低地上部分生物量所制約植物修復(fù)效率的影響。并且施加肥料可以增加土壤中Cd的生物有效性及植物對(duì)Cd的吸收量，因此在植物修復(fù)土壤重金屬Cd污染的研究或者應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)當(dāng)根據(jù)所選擇的富集植物的種類和土壤污染濃度選擇肥料及施肥濃度，從而達(dá)到更好的修復(fù)效果。

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