有機肥施用對不同濃度鎘脅迫下玉米中重金屬積累的影響

李 洋 吳 思 張 蕾

（沈陽師范大學生命科學學院，遼寧 沈陽 110034）

肥料的大量施用解決了人口壓力下的食品供給問題，但隨之帶來了土壤污染和食品安全問題。《中國統計年鑒—2020》顯示，我國化肥總用量隨著時間的推進迅速增加，從1980年到2015年增長了近4倍，雖然2016—2019年化肥用量有所下降，但化肥使用量仍居全球首位［1］。2019年開始實施的《中華人民共和國土壤污染防治法》指出，國務院農業農村主管部門應加強農藥、肥料登記，組織開展農藥、肥料對土壤環境影響的安全性評價。

肥料中含有一定量的重金屬元素，總體來說，有機肥中重金屬含量超標情況嚴重［2-4］，而普通化肥重金屬含量較低［5-6］。但是，同比與其他無機肥料，磷肥中重金屬含量較高［7］。肥料既是作物重金屬污染的來源，又可增強土壤中重金屬的有效性，提高作物富集重金屬的風險［4，7-9］。但另外一些研究表明，施肥也可能降低作物中重金屬的含量［10-14］。在不同的污染條件下，不同重金屬之間的積累效果相互影響，與有機肥之間的作用更為復雜，因此，研究肥料對中輕度污染農田上作物重金屬積累量的影響，對于研究肥料的生態性和健康風險十分必要。

玉米（Zea maysL.）是禾本科一年生草本植物，目前是我國播種面積最廣、產量最高的作物［1］。另外，重金屬污染地區往往將種植水稻的水田改為種植玉米的旱田。因此，筆者探究有機肥對不同濃度鎘（Cd）脅迫下玉米重金屬積累的影響，為中輕度污染土壤種植玉米提供理論基礎［15］。

1 材料與方法

1.1 玉米種子

玉米品種選用京科糯2000，由北京市農林科學院玉米研究中心選育，品牌為農科育，審定編號為國審2006063。

1.2 供試土壤

供試土壤樣品采自遼寧省沈陽市于洪區大青中朝友誼鄉余糧村（N41°44′24.30″，E123°17′30.15″），采樣深度為0～30 cm，土壤樣品經室溫風干后過2.00 mm 篩后每桶裝入4 kg 備用。經測定，土壤pH 值為5.78，有機質含量為18.5 g/kg，陽離子交換量為10.02 cmol/kg。

1.3 不同濃度Cd污染土壤配制

試驗設置3種不同土壤Cd濃度，分別為污灌區自然濃度和污灌區土壤分別添加Cd（CdCl2·2.5H2O）2、5 mg/kg。土壤拌入不同濃度Cd溶液后，自然風干老化30 d后使用。

1.4 有機肥及其施用方法

有機肥為商品雞糞，其和供試土壤的重金屬含量見表1。有機肥施用方法分為2 種：①玉米播種21 d 后，在玉米3 葉期施加；②玉米種植前在土壤中施入20 g/kg。施用有機肥標記為OF（Organic Fertilizer）組，不施用有機肥標記為對照組（CK）。

表1 供試土壤和有機肥中重金屬含量 mg/kg

1.5 玉米培養

將土壤添加于30 cm×50 cm 的方形花盆中，施用基肥（氮磷鉀比例為27∶15∶13），玉米出苗后每天澆水，保證含水率為其田間最大持水量的60%。施肥21 d 后收獲。收獲時，小心將各處理玉米根部從土壤中取出。也就是收獲時小玉米為3周，分別收獲根和葉；大玉米為6周，分別收獲根、莖、葉。本試驗共計12 個處理（見表2），每個處理設2個花盆，每個花盆中種植4株玉米，最終每盆取2株進行分析。

表2 各處理組的玉米培養情況

1.6 重金屬含量測定方法

植物樣品用研缽研磨后過0.15 mm 篩，用微波消解法消解，用電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP）測定Cd、As、Cr含量。

1.7 數據分析方法

數據采用SPSS 21 軟件進行分析，采用Duncan 檢驗方法分析不同品種玉米根部、葉片中的Cd 含量差異，采用OriginPro8.6軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 有機肥對玉米生物量的影響

由圖1可知，種植前施入有機肥，可顯著提高玉米幼苗的生物量。而播種后3 周再施加有機肥，對玉米幼苗生物量影響不大。隨著重金屬Cd脅迫越來越強，有機肥的施入對生物量增加的促進作用降低，說明高濃度Cd脅迫下可能會造成玉米減產。

圖1 有機肥對玉米各部分干質量的影響

2.2 有機肥對玉米幼苗根部、葉片中Cd含量的影響

隨著Cd濃度的增加，玉米幼苗根部、葉片中Cd含量增加（見圖2）。有機肥施用使處理組玉米Cd濃度的均值升高，但差異不顯著。施入有機肥不僅不能由于稀釋作用降低玉米幼苗根部、葉片中Cd 的含量，反而有升高趨勢。這可能與有機肥中Cd含量較高有關，也可能與有機肥增加了Cd 的生物有效性有關［16］。有機肥的施用增加了玉米地上部分Cd的含量，這一結果與高強的研究結果類似［9］。

2.3 有機肥對玉米幼苗根部、葉片中Cr含量的影響

對于6 周的玉米幼苗，加入Cd 會顯著提高玉米幼苗根部的Cr 含量，但會降低葉片Cr 含量（見圖3）。有機肥的施加會顯著降低3 周玉米幼苗葉片中Cr 的含量，但會增加6周玉米幼苗根部Cr的含量。

圖3 有機肥對玉米幼苗各部分Cr含量的影響

土壤Cd 濃度的增加會促進6 周玉米幼苗根部對Cr的吸收，而減少Cr 從根部到葉片的轉運，從而使葉片中Cr 濃度降低，即Cd 和Cr 對玉米幼苗的復合作用不會簡單表現為獨立作用或簡單相加作用，而表現出一定的協同或拮抗作用。Cd的添加會導致根部對Cr的吸收增強，這與杜天慶等對小麥的研究結果相似［17］。不同的是，在小麥葉片中，Cd與Cr的吸收也表現出協同作用。

施肥和收獲時間不同，有機肥對玉米幼苗對Cr的吸取影響也不同。有機肥中Cr含量高于土壤中，施用有機肥使土壤中的Cr含量升高，使3周玉米幼苗葉片的Cr濃度升高。而對于6 周玉米幼苗，有機肥的施用會降低根部Cr 濃度。劉葉等研究發現添加有機肥可使土壤中Cr有機物結合態增加，這有助于減少植物對Cr 的吸收［18］。因此，雖然有機肥中含有濃度較高的Cr，選擇合適的施肥時間也可以降低玉米幼苗中的Cr濃度。

2.4 有機肥對玉米幼苗根部、葉片中As含量的影響

外源添加Cd 也會影響玉米幼苗對As 的吸收和分布。對于3周玉米幼苗，高含量的Cd會顯著提高葉片As含量；對于6周玉米幼苗，高含量的Cd的添加會顯著降低根部As含量（見圖4）。有機肥的施用會顯著降低3周玉米幼苗根部和葉片的As 含量，也降低了6 周玉米幼苗根部的As 含量。對于播種3 周后施肥的6 周玉米幼苗，施用有機肥同時使根部生物量和根部中的As 含量降低。這說明施肥使玉米幼苗中As含量下降，可能不僅與植物生物量增大導致的稀釋作用有關，也與有機肥對As的排異作用有關，這一結果與嚴露等［16］的研究結論相似。他們的研究同時指出，有機肥在苗期會抑制作物對As的吸收，在成熟期可能導致稻米等對As的積累。

圖4 有機肥對玉米幼苗各部分As含量的影響

3 結論

玉米幼苗生物量及其重金屬含量受有機肥及其施用時間和重金屬污染的影響均較明顯：播種前施用有機肥和苗期施用有機肥對玉米的生物量和重金屬含量均影響較大；重金屬Cd 對玉米幼苗中重金屬As 和Cr 的積累和分布均有影響；有機肥的施用可降低玉米根部As和Cr的含量，以及玉米葉片As 的含量，但播種前施用有機肥會顯著提高玉米根部Cd 的含量和玉米葉片Cr 的含量。另外，土壤重金屬Cd 污染情況也會與施肥情況共同作用，對玉米對其他重金屬As和Cr的吸取和分布產生影響。

播種前施用有機肥會有效提高玉米生物量，也會顯著降低玉米幼苗中重金屬As 的含量，但同時會造成Cd和Cr的暴露風險。因此，可進一步研究施肥及施肥時間對作物重金屬積累與分布之間的關系，為有機肥的合理施用奠定理論基礎，促進有機農業發展。