綠肥作物對云南旱地土壤鎘有效性的影響

王赟，付利波，梁海，章子含，楊偉，何正海，高嵩涓*，曹衛東

（1.南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095；2.云南省農業科學院農業環境資源研究所，昆明 650205；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081；4.昆明市農產品質量安全中心，昆明650118；5.富寧縣農業農村局，云南 富寧 663400）

鎘（Cd）是一種有強遷移性和生物毒性的重金屬污染物，較易從土壤轉移到富集系數較高的植物中[1?2]，進而影響植物的生理特征，并對作物的生長產生抑制作用[3]。目前，Cd 原位化學鈍化固定修復技術是降低Cd 向食物鏈的遷移污染風險、修復中輕度重金屬土壤污染的重要技術[4?6]，能夠降低土壤中Cd 的有效性，減少作物對Cd的吸收，實現作物安全生產和保護生態環境。

種植綠肥是一種傳統的培肥增產措施，在保障作物高產穩產和構建良好農業生態環境中發揮著不可替代的作用[7?9]。冬種綠肥能夠改善土壤肥力、減少化肥施用量，是農業清潔生產的重要手段[10?11]。應用綠肥可以減少Cd 在土壤中的積累，阻控Cd 向植物體內遷移，進而降低后茬作物中的 Cd 含量[12?14]，還可改變土壤中Cd 的賦存形態，通過降低土壤中Cd 生物有效態含量來減弱其生物有效性[15]。種植肥用油菜可使稻田土壤中Cd有效性降低5%~14%[16]，種植紫云英可以促進土壤中的酸可提取態Cd和可還原態Cd向殘渣態Cd轉化，增加土壤中Cd的穩定性，從而削弱土壤中Cd 向植物中的轉化能力[17]。MOHAMED 等[18]在研究中也得出了相同的結論，種植綠肥顯著降低了土壤中可溶性/交換性Cd 的含量，增加了土壤中有機結合態和無機沉淀態Cd的含量。可見通過種植綠肥降低土壤Cd向作物的遷移是一種經濟有效的措施。

云南省部分地區土壤重金屬污染較嚴重，農業生產環境脆弱[19]。種植綠肥是當地普遍采用的耕作措施，以蔬菜/玉米?綠肥輪作種植制度為主，但不同綠肥對土壤Cd 活性的影響尚不明確。本文選取4 種典型豆科綠肥（紫云英、毛葉苕子、箭筈豌豆、光葉苕子）、2 種典型十字花科綠肥（二月蘭、油菜）和1 種典型禾本科綠肥（黑麥草），通過盆栽試驗研究不同綠肥作物對云南旱地中度污染土壤中Cd 有效性，以及不同綠肥作物對Cd 吸收轉運的影響及其差異，探究土壤?綠肥互作體系中Cd的生物有效性，尋求提高土壤肥力和降低土壤Cd 活性的有效手段，篩選評價較適宜的綠肥作物，為基于綠肥的農業安全生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區及試驗材料

云南省昆明市東川區位于云貴高原北部邊緣（102°47′~103°18′E，25°57′~26°32′N），海拔695 m。土壤類型為沉積土，質地為砂土。土壤經風干、混勻、磨碎后過2 mm篩備用。

Cd 污染土壤采集自區內農田耕層（0~20 cm），Cd平均含量為1.12 mg·kg?1，根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），呈現中度污染等級。供試土壤理化性質為pH 8.35，有機質 9.89 g·kg?1，全氮 0.56 g·kg?1，有效磷 18.35 mg·kg?1，速效鉀 91 mg·kg?1，有效 Cd 0.01 mg·kg?1，全量Cd 1.21 mg·kg?1。

供試綠肥作物為紫云英（弋江籽）、毛葉苕子（皖苕）、箭筈豌豆（隴箭1 號）、光葉苕子（云光早苕）、二月蘭、綠肥油菜（中肥油1 號）和黑麥草，均為廣泛應用于田間實踐的主栽綠肥品種，種子來源于國家綠肥產業技術體系種質資源庫。

1.2 試驗設計

盆栽試驗在南京農業大學溫室進行，采用直徑30.8 cm、高21 cm 的白色PVC 圓盆種植綠肥作物，每盆裝8 kg供試土壤。紫云英、光葉苕子、毛葉苕子、箭筈豌豆、二月蘭、油菜和黑麥草的播種量分別為0.56、0.84、1.10、2.24、0.14、0.42 g·盆?1和 0.42 g·盆?1，另設冬閑對照，每處理設 5 個重復。2019 年 11 月 26 日裝盆、播種，綠肥生長期以稱重法保持土壤含水量為田間持水量的60%。

1.3 樣品采集及指標測定

于綠肥盛花期及同期，即綠肥生物量最大的時期（2020 年4 月10 日）采集植株和土壤樣品。植株全盆收獲后分成地上部與地下部（根系），地下部植株清水沖洗干凈后再用去離子水沖洗，于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質量，稱量質量、粉碎后備用。植株樣品采集后，全盆土混勻采取土壤樣品，一部分4 ℃保存，一部分風干、磨碎后過2 mm 和0.149 mm 篩備用。紫云英、毛葉苕子、箭筈豌豆、光葉苕子、二月蘭、油菜和黑麥草在收獲時的生物量（鮮質量）分別為69.61、86.74、86.75、93.54、91.99、133.53 g·盆?1和123.00 g·盆?1。

土壤 pH 值采用 5∶1 水土比，電位法測定[20]；土壤有效磷（AP）采用0.5 mol·L?1碳酸氫鈉提取?鉬銻鈧比色法測定[20]；土壤速效鉀（AK）采用 1 mol·L?1醋酸銨浸提?原子吸收法測定[20]；無機氮（Nmin）采用 2 mol·L?1氯化鉀浸提，連續流動分析儀（SAN++，Skalar，荷蘭）測定；可溶性有機質（DOM）采用超純水浸提（水土比5∶1），振蕩、離心后上清液過0.45 μm 濾膜，所得濾液采用TOC 分析儀（TOC?L CPH，島津，日本）測定可溶性有機碳（DOC）和可溶性有機氮（DON）含量。

土壤有效態 Cd 采用 0.1 mol·L?1的 CaCl2浸提，振蕩、離心后上清液過 0.45 μm 濾膜，ICP?MS（NexlON 2000，PerkinElmer，美國）測定[21]；土壤全量Cd 采用硝酸、鹽酸、氫氟酸、高氯酸四酸消解，消解液過0.45μm濾膜后，ICP?MS 測定[22]；植株 Cd 用采用硝酸?過氧化氫（4∶1）微波消解后，過 0.45 μm 濾膜，ICP?MS 測定[23]。 土壤 Cd 測定過程中以國家標準物質GBW07404a（GSS?4a）控制樣品質量，植株Cd 測定過程中以國家標準物質GBW10045a（GSB?23a）控制樣品質量，回收率均控制在95%以上。

1.4 富集系數與轉運系數

富集系數表征植物對重金屬富集能力的強弱，轉運系數表征植株將重金屬從地下部向地上部運輸的能力大小，當轉運系數>1 時，表明重金屬多集中在植株的地上部，轉運系數<1 時，表明重金屬多集中在地下部。

富集系數（BCF）為植株地上部Cd 含量（mg·kg?1）與土壤中Cd 含量（mg·kg?1）的商；轉運系數（TF）為植株地上部 Cd 含量（mg·kg?1）與植株地下部 Cd 含量（mg·kg?1）的商。

1.5 數據統計與分析

采用SPSS 21.0 進行方差分析和相關性分析，采用Duncan法，在P<0.05水平下進行差異顯著性檢驗，Origin 8.5作圖。

2 結果與分析

2.1 不同綠肥作物對土壤基礎性狀的影響

不同綠肥作物對土壤pH、有機質和全氮含量無顯著影響（表1）。與冬閑相比，種植綠肥后土壤有效磷、速效鉀和無機氮均有不同程度下降，其中，種植黑麥草后有效養分降低最多，有效磷、速效鉀、無機氮分別降低14.8%、29.4%和96.0%。

表1 不同處理下的土壤基礎性狀Table 1 Soil basic properties in different green manure crops

2.2 不同綠肥作物對土壤DOC和DON含量的影響

與冬閑相比，種植紫云英和黑麥草顯著增加土壤DOC 含量（圖1），分別增加了29.3%和33.7%；種植毛葉苕子、箭筈豌豆和光葉苕子也不同程度的增加了土壤DOC 含量，增幅分別為7.1%、17.5%和2.8%。與冬閑相比，種植7 種綠肥均顯著降低了土壤DON 含量，其中種植黑麥草和油菜后降幅最高，分別降低了78.4%和77.4%（圖1）。

2.3 不同綠肥作物對土壤Cd有效性的影響

由圖2 可知，冬閑處理的土壤有效Cd 含量為0.010 6 mg·kg?1，相對冬閑處理，種植不同綠肥作物均顯著降低了土壤有效Cd 的含量，下降幅度為12.3%~33.0%。其中，箭筈豌豆、光葉苕子和黑麥草降低土壤有效Cd 的能力最強，3 個處理的土壤有效Cd 含量分別為0.007 2、0.007 5 mg·kg?1和 0.007 1 mg·kg?1，相比冬閑分別顯著下降了32.1%、29.2%和33.0%。

不同綠肥作物均能顯著降低土壤全量Cd（圖3），冬閑土壤全量 Cd 含量為 1.19 mg·kg?1，種植紫云英土壤全量 Cd（0.65 mg·kg?1）下降范圍最大，降幅達45.4%；種植毛葉苕子、箭筈豌豆和光葉苕子土壤全量Cd分別下降34.9%、34.5%和33.2%；種植二月蘭、黑麥草和油菜分別下降 0.35、0.36 mg·kg?1和 0.30 mg·kg?1。

2.4 不同綠肥作物地上部與地下部Cd含量

不同綠肥作物地上部與地下部Cd含量有較大差異，總體表現為地下部遠高于地上部（圖4）。4 種豆科綠肥（紫云英、毛葉苕子、箭筈豌豆和光葉苕子）的地上部Cd 含量顯著低于另外3 種非豆科綠肥（二月蘭、黑麥草和油菜）。紫云英地上部Cd 含量最低，為0.05 mg·kg?1；二月蘭最高，達 0.59 mg·kg?1，是紫云英處理的11.8 倍。地下部則表現出相反的趨勢，紫云英、毛葉苕子、箭筈豌豆和光葉苕子的地下部Cd含量顯著高于二月蘭、黑麥草和油菜，其中，油菜地下部Cd 含量最低，為 0.83 mg·kg?1，紫云英地下部 Cd 含量最高，為油菜處理 7.1 倍，達 5.91 mg·kg?1。植物中Cd的積累量能夠更好地反映植物對Cd的吸收能力。紫云英、毛葉苕子、箭筈豌豆和光葉苕子等4 種豆科作物地上部對 Cd 的積累量分別為 0.77、2.54、5.71 μg·盆?1和2.26 μg·盆?1，二月蘭、油菜和黑麥草地上部的Cd 累積量分別為 15.15、24.10 μg·盆?1和 17.43 μg·盆?1，禾本科綠肥和十字花科綠肥地上部Cd積累量顯著高于豆科綠肥。

2.5 不同綠肥作物的富集系數和轉運系數

不同綠肥作物富集系數和轉運系數存在較大的差異（表2）。非豆科綠肥（二月蘭、黑麥草和油菜）的富集系數和轉運系數均高于豆科綠肥（紫云英、箭筈豌豆、毛葉苕子和光葉苕子）。紫云英的富集系數最低，為0.074；二月蘭的富集系數最高，為0.813，是紫云英的11.0倍。油菜的轉運系數最高，為0.772；紫云英轉運系數最低，僅為0.008。說明二月蘭、油菜和黑麥草的富集與轉運能力顯著高于其他4 種豆科綠肥。

表2 不同綠肥作物的富集系數和轉運系數Table 2 Bioconcentration and translocation factors of different green manure crops

2.6 不同綠肥作物Cd含量的影響因素

偏最小二乘法路徑模型（PLS?PM）結果（圖5）顯示，不同綠肥作物對土壤養分、DOC、DON、植株地上部Cd含量有顯著負影響，路徑系數分別為?0.60、?0.59、?0.25 和?0.48；對土壤全量 Cd 和植株地下部 Cd 含量有顯著正影響。土壤養分對土壤有效Cd有顯著正影響。DOC 對地下部Cd 含量有顯著負影響，路徑系數為?0.31，而土壤有效Cd 對植株地下部Cd 含量則有顯著正影響。DON和植株地下部Cd含量均會對植株地上部Cd 含量產生負影響，路徑系數分別為?0.82和?0.41，其中DON 對地上部Cd 含量的影響更大，說明土壤DOC 和DON 含量的變化會影響地上部植株Cd含量。

3 討論

3.1 不同綠肥對土壤性狀及Cd有效性的影響

綠肥已在我國華北、西北和西南地區廣泛種植，構建了確保作物高產穩產的綠肥生產利用體系和以綠肥為基礎的農作物清潔生產及養分管理技術體系，并取得了顯著的社會效益和經濟效益[8]。不同綠肥作物由于其自身特點不同，對土壤性狀的影響有一定差異。豆科綠肥具有生物固氮作用，與十字花科和禾本科綠肥相比培育土壤氮庫能力更強[24]；十字花科綠肥能夠活化土壤中的緩效態磷素、鉀素，富磷、富鉀效果顯著[25]；禾本科綠肥具有生物量大和生產快速的特點，能夠有效地積累土壤養分[26]。

綠肥生長過程中，根系與土壤互作產生的根系分泌物會促使土壤中難溶的磷、鉀轉化為作物可以吸收利用的有效磷和速效鉀，提高土壤磷鉀的有效性[27?29]。豆科綠肥因其生物固氮能力和較高的生物量，在培肥地力、改良土壤結構等方面具有重要的作用[30]。光葉苕子具有較強的耐旱和耐貧瘠能力，是云南旱地常用的一種豆科綠肥，在煙草及農作物的輪作中應用較多。種植光葉苕子可以降低土壤容重，提升土壤肥力和土壤酶活性，提高土壤養分利用率，增強土壤供氮能力[31?32]，為農作物的生長發育創造良好的土壤環境。

植株對Cd 的吸收主要取決于土壤中有效Cd 含量的大小，有效Cd 含量與土壤理化性質緊密相關[33?34]。種植綠肥可改變Cd 交換態組分在土壤中的遷移和轉化過程，降低土壤中可溶性/交換性Cd 的含量，增加土壤中有機結合態和無機沉淀態Cd 的含量[35?36]。有研究指出，pH 和有機質是影響土壤 Cd 有效性的關鍵因素[17，36]，在 0~30 cm 的土層中，Cd 含量與速效鉀、無機氮含量呈正相關，與有效磷含量呈負相關，說明速效鉀和無機氮會促進Cd 的積累并抑制作物對Cd 的吸收，從而導致土壤中Cd 含量升高，而有效磷會促進作物對Cd 的吸收，導致土壤Cd 含量下降[37]。本研究中種植綠肥主要通過改變土壤理化性質和DOC含量來降低土壤Cd活性。

在這些因素中，土壤DOM 對土壤中Cd 含量的影響最大。DOM 是土壤中最活躍的活性養分，能有效影響重金屬物質的遷移與活性，對土壤肥力和Cd 遷移具有十分重要的作用[38?39]。土壤中的DOM 主要通過形成金屬?有機絡合物來改變土壤中重金屬的賦存形態，影響其在土壤中的遷移轉化，使得重金屬植物毒性降低，控制其在土壤環境中的溶解與遷移[40?42]。本研究中，種植4 種豆科綠肥（紫云英、毛葉苕子、箭筈豌豆、光葉苕子）和禾本科綠肥黑麥草均在一定程度上提高了土壤DOC 含量、降低了土壤有效Cd 含量，驗證了DOC 在降低有效Cd 中的作用。前人研究表明，當土壤DOM 的分子量較高、芳香性較強時，能降低Cd 的遷移性[43]，種植綠肥可以增加土壤DOM 的芳香性、疏水性、腐殖化程度和平均分子量，使其更趨于穩定[44?46]，綠肥對 DOM 性狀的影響，可能是其降低Cd 生物有效性的作用機制。土壤DOM 與植株地上部和地下部Cd 存在極顯著負相關關系，這可能是由于綠肥生長過程中根系產生的DOM 與土壤中游離的重金屬離子相互作用，改變Cd 在土壤顆粒中的吸附過程，并通過螯合、絡合等化學作用形成有機質?重金屬配合體，抑制土壤對 Cd 的吸附[47?48]。DOM 增加有助于促進重金屬向更穩定的殘渣態的轉化，改變土壤中重金屬的活性，降低重金屬在土壤中的遷移率、溶解度和生物利用度，進而減少植物對重金屬的吸收[49?50]。

3.2 不同綠肥作物對Cd吸收和轉運的影響

不同綠肥作物均能在一定程度上降低土壤有效Cd 和全量Cd 含量。與冬閑相比，箭筈豌豆、光葉苕子和黑麥草對土壤有效Cd 降低效果最好。7 種綠肥作物對土壤全量Cd 的影響有較大的差異，產生此結果的原因可能是不同綠肥作物根系對土壤中Cd的吸收能力不同，且根系分泌的有機酸能夠通過改變土壤環境進而影響土壤中Cd 的生物有效性[51]，并且植物根系分泌的低分子量有機酸能與Cd結合形成低分子絡合物，從而增加土壤中Cd 的溶解，與土壤中的Cd2+形成硫化鎘，從而降低Cd 的活性。有研究指出[52]，豆科綠肥和黑麥草具有較強的降低土壤Cd有效性的能力，與本文研究結果一致。

植物的種類、生物量和發育階段等均會影響Cd在植物體內的積累，從而導致富集系數和轉運系數的差異。例如，紫云英通過改變土壤性質和微生物群落降低土壤Cd 生物有效性[17]；箭筈豌豆和苕子地面覆蓋度高，且吸收的Cd主要集中在地下部，從而阻止過多的Cd 集中在生物量較大的地上部；油菜可維持重金屬污染水稻土的有機質含量，改善土壤理化性質，降低重金屬的植物有效性[16]；二月蘭對Cd 脅迫具有較強的耐受能力[53]；黑麥草由于其有較大的生物量，可以從土壤中吸收較多的Cd。

本研究中7 種綠肥作物的轉運系數均<1，即Cd都集中在地下部，地上部Cd 含量較低。且禾本科與十字花科綠肥作物的轉運系數顯著高于豆科綠肥，從土壤中吸附的Cd 主要富集在地上部，與前人研究結果一致[54]。兩種十字花科綠肥（油菜和二月蘭）以及禾本科綠肥黑麥草的富集系數和轉運系數顯著高于另外4 種豆科綠肥，且十字花科綠肥富集和轉運能力最強，可能是因為其種植后增加了土壤微生物群落，優勢菌群相對豐富，土壤微生物的多樣性提高，從而增強了對Cd 的富集和轉運能力[16]。豆科綠肥的Cd積累規律主要表現為地下部>地上部，而十字花科和禾本科綠肥主要表現為地上部>地下部，由于地上部生物量大于地下部，因此需要選擇富集系數和轉運系數較低的豆科綠肥，既達到提高土壤肥力的目的，又能在一定程度上降低土壤Cd 含量，避免在翻壓后綠肥腐解，土壤中Cd 活化帶來的后茬作物Cd 含量過高的風險。

本研究針對云南省東川區的種植制度，選擇了7種適宜當地種植的綠肥作物進行篩選評價，雖然盆栽試驗能夠在控制條件下精細管理，但與田間實際仍有差異，其結果有一定的局限性，將在今后的研究中開展進一步的田間驗證試驗，以明確田間狀況下不同綠肥作物對土壤中重金屬的影響。

4 結論

（1）在云南旱地種植綠肥作物，特別是豆科綠肥能減少土壤有效態Cd 和全量Cd 含量，有效降低土壤Cd生物有效性。

（2）豆科綠肥的富集系數和轉運系數較低，Cd 積累規律主要表現為地下部>地上部，Cd 累積在生物量較小的地下部。

（3）土壤可溶性有機質對Cd有效性有較大影響，可溶性有機質的升高可以降低地上部植株Cd含量。

（4）結合當地的種植制度，種植豆科綠肥紫云英、毛葉苕子、箭筈豌豆、光葉苕子是實現Cd中度污染土壤作物安全生產的重要措施。