不同鈍化材料對白及吸收累積鎘的影響

劉桂華，吳科堰，秦 松，柴冠群，吳正卓，范成五

(1.貴州省農業科學院土壤肥料研究所，貴陽 550006；2.貴州大學農學院， 貴陽 550025；3.貴州省環境監測中心站,貴陽 550001)

【研究意義】鎘(Cd)具有較強的生物毒性，通常是中藥材中日常監控的有害重金屬元素之一[1]，我國中藥材Cd的污染率高達26.35%[2]。Cd元素具有很強的生物蓄積性，當人體長期服用周期較長且具有一定量Cd的中藥材或保健類產品，易使得Cd在人體內積累難以排出，富集到一定濃度會呈現毒性作用[3]。因此，降低中藥材對Cd的吸收富集，減輕Cd對中藥材的毒害研究極為重要。白及(Bletillastriata)為蘭科白及屬多年生草本植物，主要藥用成分為白及多糖，具有收斂止血，消腫生肌等功效[4-6]。貴州很多地區如安龍縣、普安縣和湄潭縣具有多年采挖和種植白及的經驗，技術基礎好，是貴州道地珍稀藥材。白及的規模化種植豐富了貴州省特色產業的發展，同時助力了廣大群眾實現脫貧致富。近年來，有部分學者對白及受到重金屬污染的現象也有報道。如張家春等[7]通過對不同齡白及塊莖重金屬含量研究發現，Cd含量超過《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》(WM2—2001)中規定Cd≤0.3 mg/kg。朱迪等[8]通過檢測不同來源白及中的重金屬含量發現，野生白及樣品的重金屬污染程度高于栽培白及樣品。因此，控制中藥材白及中Cd含量的積累，對白及的安全生產與食用有重要意義。【前人研究進展】原位鈍化修復技術是向污染土壤中施入各種鈍化劑，利用沉淀、吸附、絡合和氧化還原等機制為特點，從而降低重金屬的生物有效性，使其轉化成植物難以吸收利用的成分，從而達到修復的技術。其關鍵技術在于鈍化劑的選擇，目前采用的鈍化劑主要分為無機鈍化劑(如石灰、無機硅肥、磷酸鹽)、有機鈍化劑(如秸稈、農家肥)和無機—有機混合鈍化劑(如污泥、堆肥)3種類型[9]。已有研究表明，生物質炭[10-11]和硅質礦物[12-13]等對重金屬污染土壤中作物吸收重金屬具有良好的抑制作用。【本研究切入點】目前，關于鈍化材料在土壤重金屬污染鈍化修復方面的研究作物主要集中在稻米及蔬菜方面[14-15]，對于中藥材的研究涉及較少，尤其是針對中藥材白及Cd 污染土壤修復的研究工作相對缺乏。【擬解決的關鍵問題】通過盆栽試驗，研究含磷物質、硅鈣肥、玉米秸稈生物炭、牛糞有機肥及其組合等不同鈍化材料對白及吸收重金屬Cd的影響，以期為Cd污染土壤種植的白及可食部分塊莖的質量安全提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤采自貴州省安順市西秀區劉官鄉，0～20 cm耕層，黃壤，pH 4.53，有機質29.8 g/kg，全氮0.142 g/kg，堿解氮193.6 mg/kg，全磷0.116 g/kg，有效磷10.1 mg/kg，全鉀0.84 g/kg，速效鉀349 mg/kg，Cd全量0.11 mg/kg，Cd有效態0.023 mg/kg。白及為紫花三叉白及，安龍欣蔓生物科技有限公司提供。無機鈍化材料包括含磷物質和硅鈣肥，購于貴州省開磷集團有限責任公司；有機鈍化材料為玉米秸稈生物炭和牛糞有機肥，玉米秸稈生物炭為貴州省土壤肥料研究所提供，牛糞有機肥購自貴州省地寶公司，各鈍化材料的Cd含量和pH見表1。其他試劑均為優級純或分析純。

表1 鈍化材料的Cd全量及pHTable 1 Full amount of Cd and pH of passivation materials

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 盆栽試驗于2018年4月至2019年5月在貴州省土壤肥料研究所大棚內進行。人工模擬Cd污染，污染水平設為1.5 mg/kg。鈍化材料共設9個處理，分別為不施鈍化材料(CK)，施5%硅鈣肥(Si)、5%牛糞有機肥(NF)、5%玉米秸稈生物炭(YM)、5%含磷物質(P)、5%硅鈣肥+5%玉米秸稈生物炭(Si+YM)、5%含磷物質+5%玉米秸稈生物炭(P+YM)、5%的牛糞有機肥+5%含磷物質(NF+P)和5%牛糞有機肥+5%硅鈣肥(NF+Si)。

1.2.2 試驗過程 將配制好的氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)溶液噴施在過5 mm篩的土壤中，用塑料鏟多次混合均勻，平衡老化40 d(期間用稱重法保持土壤濕度為田間持水量的60%，測土壤中全量Cd濃度，將預設Cd濃度和實際測得Cd濃度進行擬合，線性相關性達0.999，保證了試驗的準確性)；將已老化土壤裝入直徑26.5 cm，高度17.6 cm的塑料盆中，每盆裝土3 kg；向已裝好老化土壤的盆缽施加不同處理鈍化材料，每個處理重復3次，9個處理共27盆，平衡穩定2周；每盆施入基肥N 0.15 g/kg(尿素)、P2O50.10 g/kg(磷酸二氫鈉)和K2O 0.15 g/kg(硫酸鉀)，平行移栽大小中等，芽眼多，無病的馴化白及苗，每塊帶1～2個芽，保持每盆3株。每盆白及生長過程中用自來水灌溉，土壤濕度保持在田間持水量的60%～70%。防止污染，每次澆水定量，保持所有盆栽澆水量一致。白及生長發育期間，以水溶肥追肥4次，白及生長1年后收獲。

1.3 樣品采集與測定

白及樣品收獲后用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗數次，最后用吸水紙吸干表面水分。分為根系、地下塊莖以及葉3個部分，測其鮮重(FW)；在105 ℃下殺青30 min后在75 ℃下烘干至恒重，測其干重(DW)，將烘干樣品磨碎后過100目尼龍篩測定Cd含量。將每處理土壤倒在白色塑料盆內，充分混合后用四分法取舍，剔除雜質后在陰涼處自然風干。將風干后的土樣研磨，分別過10目和100目尼龍篩，置于自封袋中保存，用于測定土壤pH、有效態Cd及全Cd含量。

土壤pH采用電位測定法，水土比為2.5∶1.0，采用梅特勒托利多品牌型號為S220-K的pH計測定；土壤有效態Cd采用鹽酸(HCl)浸提法浸提，浸提液濃度為0.1 mol/L[16]；土壤樣品中總Cd采用1.0 mL HNO3和0.5 mL HF進行消解；白及樣品采用壓力消解罐[v(HNO3)∶v(HCLO4)∶v(HF)=3∶3∶2]進行消解，消解后的樣品定容至25 mL，采用美國電感耦合等離子體質譜儀2代ICP-MS(型號：Thermo Fisher Scientific X2)測定Cd濃度。為確保方法的可靠性和數據結果的準確性，每個樣品設置3個重復，測定過程中添加平行樣、空白試驗和標準物質[土樣采用GBW07405(GSS5)，植株樣采用GBW100348]控制試驗誤差。

1.4 數據處理

數據統計采用Microsoft Excel 2010軟件進行統計分析，運用IBM SPSS 20 Statistics(美國IBM公司)進行分析，多重比較采用Duncan法，利用Origin 9.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 鈍化材料對白及農藝性狀的影響

由表2看出，與對照相比，施加硅鈣肥(Si)、含磷物質(P)、硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)、含磷物質+玉米秸稈生物炭(P+YM)、牛糞有機肥+含磷物質(NF+P)均一定程度上降低了白及塊莖和整株生物量，但差異性不顯著，而牛糞有機肥(NF)、玉米秸稈生物炭(YM)和牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)則均增加了白及塊莖和整株生物量，其中添加牛糞有機肥(NF)和玉米秸稈生物炭(YM)均使白及地下部塊莖生物量分別顯著增加62.87%和59.18%(P<0.05)，整株生物量分別顯著增加57.36%和46.07%(P<0.05)。添加不同鈍化材料對白及塊莖厚度無顯著影響。綜上，在Cd污染脅迫下，添加牛糞有機肥(NF)和玉米秸稈生物炭可顯著促進白及的生長，以牛糞有機肥處理對白及生長的促進效應最佳。

表2 Cd污染脅迫下不同鈍化材料處理白及的農藝性狀Table 2 The agronomic traits of B. striata treated with different passivation materials under Cd stress

2.2 鈍化材料對土壤pH的影響

從圖1看出，除施加5%含磷物質(P)土壤pH略低于對照外，其他幾種鈍化材料土壤pH(P<0.05)均顯著增加，增幅5.61%～97.96%，其中，對土壤pH增加效果較明顯的是牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)、硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)和硅鈣肥(Si)，較對照分別顯著提高3.84、3.70和3.67個單位，使土壤從強酸性變化到堿性；施加牛糞有機肥(NF)和牛糞有機肥+含磷物質(NF+P)較對照分別顯著提高1.55和1.21個單位；施加玉米秸稈生物炭(YM)和含磷物質+玉米秸稈生物炭(P+YM)較對照均提高0.22個單位，土壤仍為強酸性。綜上，在Cd污染強酸性土壤中施加5%硅鈣肥(Si)、5%硅鈣肥+5%玉米秸稈生物炭(Si+YM)及5%牛糞有機肥+5%硅鈣肥(NF+Si)后土壤呈堿性，施加5%牛糞有機肥(NF)、5%的牛糞有機肥+5%含磷物質(NF+P)后土壤呈酸性。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level. The same as below圖1 不同鈍化材料處理土壤的pHFig.1 The pH of soil treated with different passivation materials

2.3 鈍化材料對土壤有效態Cd的影響

從圖2看出，施加不同鈍化材料均一定程度上降低了土壤有效Cd含量，降幅為7.14%～92.86%，其中，對土壤有效Cd降低效果最明顯的是硅鈣肥(Si)、牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)和硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)，較對照分別顯著降低92.86%、89.29%和87.50%(P<0.05)，其他幾種鈍化材料對土壤有效Cd無顯著影響。綜上， 施加硅鈣肥(Si)、牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)、硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)可顯著降低土壤有效Cd含量。

圖2 不同鈍化材料處理下土壤有效態Cd含量變化Fig.2 Variation of soil available Cd content under different passivation materials

2.4 鈍化材料對白及各部位Cd含量的影響

從圖3看出，不同鈍化材料處理后，白及各部位(根系、塊莖、葉片)Cd含量均有一定程度降低。其中，對于白及根系，降低幅度為25.71%～97.60%，除含磷物質(P)處理外，其他均達顯著性差異水平(P<0.05)，以硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)和牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)處理的降幅最大，降幅分別為94.83%和97.60%；對于白及塊莖，除含磷物質(P)處理一定程度上顯著增加其Cd含量外(P<0.05)，其他幾種鈍化材料均顯著降低其Cd含量(P<0.05)，降幅為41.49%～88.80%，以硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)和牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)處理的降幅最大，降幅分別為88.11%和88.80%；對于白及葉片，除含磷物質(P)處理Cd含量較對照差異不顯著外，其余處理Cd含量均顯著降低，降幅為51.58%～95.29%，以硅鈣肥(Si)和牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)的降幅較大，降幅分別為90.22%和95.29%。綜上，除施加5%含磷物質(P)對白及各部位Cd含量降低效果不顯著外，其他幾種鈍化材料均可顯著降低白及各部位Cd含量，且降低效果最好的為牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)處理。

圖3 不同鈍化材料處理白及各部位的Cd含量Fig.3 The Cd content in different parts of B. striata treated with different passivation materials

2.5 鈍化材料對白及富集Cd的影響

生物富集系數(BCF)是植物體內重金屬含量與相應的土壤重金屬含量之比，可用來評價植株各部位對重金屬吸收累積能力，且也能較清楚地描述重金屬在白及不同部位的累積趨勢，當BCF<0.1時表示強烈貧化，0.11.5時相對富集，BCF>3時強烈富集[17]。由表3可知，施用不同鈍化材料白及根系、塊莖和葉片的富集系數分別在0.85～28.89、0.72～10.11和0.25～7.63，以根系的富集系數較高，說明白及植株中的Cd主要在富集在根系中。不同鈍化材料處理后，根系富集系數(BCFG/S)均顯著低于對照，以含磷物質(P)處理的最高，為28.89，牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)處理的最低，為0.85；塊莖富集系數(BCFJ/S)除含磷物質(P)處理顯著高于對照外，其余處理均顯著低于對照，以硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)和牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)處理最低，分別為0.72和0.74；除含磷物質(P)處理葉片的富集系數(BCFY/S)略高于對照，為7.63，差異不顯著，其余處理均顯著低于對照，以NF+Si、Si和Si+YM處理較低，分別為0.25、0.54和0.65。總體看，白及根系、塊莖以及葉片對土壤Cd具有強烈的富集特性，除含磷物質(P)處理外，其他鈍化材料均可顯著降低了白及各部位Cd的富集系數，以牛糞有機肥+硅鈣肥(NF+Si)處理降低效果最佳。

表3 Cd污染脅迫下不同鈍化材料處理白及各部位Cd的富集系數Table 3 Enrichment coefficient of Cd in parts of B. striata treated with different passivation materials under Cd stress

3 討 論

研究表明，施用鈍化材料不僅能提高土壤pH，還能降低土壤有效態Cd含量，提高白及整株及可食部分塊莖生物量，降低白及根系、塊莖、葉中的Cd含量。植物對重金屬的吸收受土壤pH、土壤重金屬有效態及離子間的作用等影響。土壤pH是影響土壤中重金屬有效態和植物吸收的最為主要的原因[18]，pH的升高可降低土壤Cd的有效性，這是由于土壤自身帶負電荷，其表面顆粒物可以吸附固定Cd2+，這些顆粒物中的羧基基團和鐵的氧化物都可以吸附Cd，從而降低Cd在土壤中的生物有效性和遷移能力，降低植物對Cd的吸收累積[19-20]。研究所用鈍化材料主要是硅鈣肥、牛糞、玉米秸稈等堿性物質，施用后提高了土壤的pH，但不同鈍化材料間對土壤pH提高存在差異；土壤pH升高幅度最大時，白及塊莖Cd含量降低量也最大，土壤pH的增高幅度與白及塊莖Cd含量呈顯著負相關。各材料中，牛糞有機肥+硅鈣肥處理下土壤pH提高最大，達3.84，同時白及各部位Cd的生物有效性也有效降低。

不同鈍化材料對白及塊莖和整株生物量增產作用不同。添加5%牛糞有機肥和5%玉米秸稈生物炭均能顯著增加白及塊莖和整株生物量，這與陳昱等[21]研究的結果基本一致即牛糞生物炭或秸稈生物炭在5%添加量時，對Cd污染土壤具有顯著的修復效果。原因可能是添加生物炭和有機肥會促進土壤中可利用態Cd向難利用態Cd轉化[22-24]，并且會降低土壤中Cd的有效性，一方面可能是由于牛糞有機肥和玉米秸稈生物炭中含有大量有機質能夠提高土壤酶活性，增加土壤氮素、碳素以及土壤微生物的生長底物，提高土壤肥力，促進白及對N、P、K等元素的吸收；另一方面可能是生物炭具有多孔結構和較強的表面吸附能力[25]，能夠吸附土壤中Cd，從而影響Cd的遷移，降低Cd的生物有效性，減輕了Cd對白及的毒害作用，進而間接達到增產效果。

研究表明，硅對鎘的拮抗作用好于磷，硅(Si)元素可降低植株對Cd的吸收，抑制Cd對植株生理生化代謝的毒害作用[26-27]，其可能在一定程度上抑制了植物對Cd2+的吸收，也可能是Si對Cd的拮抗效應[28]；而含磷物質未表現良好的鈍化效果，這可能是由于添加該物質未能使土壤的pH升高，磷酸鹽對Cd的鈍化作用主要受pH影響，而幾乎不受磷酸鹽的種類影響，其可通過改變土壤pH、化學反應等使土壤溶液中的重金屬離子形成磷酸鹽類重金屬沉淀，從而降低土壤有效態Cd含量[29]。

4 結 論

土壤中添加5%牛糞有機肥對白及塊莖具有增產效果，添加5%牛糞有機肥+5%硅鈣肥對白及在重度Cd污染土壤上的阻控效果最佳。可在實際生產中推廣應用。