牡蠣殼粉-腐植酸聯用對設施白菜吸收鎘的影響

王其選 陳海寧 孫玲麗 王巍翰 王心選 王鳳霞

收稿日期：2023-10-30；修回日期：2024-01-26

基金項目：山東省科技型中小企業創新能力提升工程（2023TSGC0829）；2021年山東省重點研發計劃（重大科技創新工程）（2021CXGC010602）

作者簡介：王其選，男，高級農藝師，主要從事新型肥料的研究和應用推廣工作。E-mail：wqxkjxn@163.com

通信作者：孫玲麗，女，高級農藝師，主要從事新型肥料的研究開發和應用推廣工作。E-mail：sllkjxn@163.com

DOI：10.16861/j.cnki.zggc.202423.0687

摘??? 要：重金屬鎘（Cd）是設施菜地的主要污染物之一。為探究不同有機與無機鈍化劑復配施用對設施土壤中重金屬Cd的鈍化效果，通過大棚試驗，研究外源單施牡蠣殼粉（0、0.23、0.45 kg·m-2）和復配牡蠣殼粉-腐植酸（0.23 kg·m-2+7.5 g·m-2）對土壤理化性質、白菜的生長及轉運Cd的影響。結果表明，與CK（常規施肥）相比，單施牡蠣殼粉能夠提高土壤pH 0.12～0.27，而牡蠣殼粉及其與腐植酸復配處理分別降低土壤有效態Cd （DTPA-Cd）含量31.34%～46.27%。單施牡蠣殼粉隨著施用濃度的增加對白菜的生長有一定的抑制作用，與CK相比，牡蠣殼粉與腐植酸復配能提高白菜地上部和地下部干質量，分別為11.46%和44.80%；單施牡蠣殼粉和牡蠣殼粉-腐植酸復配均能降低白菜地上部Cd吸收總量，且與腐植酸復配的效果最好，比CK降低51.4%。與CK相比，單施牡蠣殼粉和牡蠣殼粉-腐植酸復配均能顯著降低白菜的Cd轉運系數和富集系數。微量元素分析結果表明，與CK相比，僅單施牡蠣殼粉T2處理顯著增加白菜地上部和地下部鈣的吸收，同時促進白菜地下部鐵的吸收。

關鍵詞：白菜；牡蠣殼粉；腐植酸；鎘；轉運系數；富集系數

中圖分類號：S634????????????? 文獻標志碼：A??????????? 文章編號：1673-2871（2024）04-063-08

Effect of oyster shell-humic acid co-application on the uptake of cadmium in Chinese cabbage

WANG Qixuan1， CHEN Haining2， SUN Lingli1， WANG Weihan1， WANG Xinxuan1， WANG Fengxia1

（1. Zhongde Fertilizer （Yantai） Co.， Ltd， Yantai 264002， Shandong， China; 2. Yantai Academy of Agricultural Sciences， Yantai 265500， Shandong， China）

Abstract： The cadmium（Cd） in facility vegetable fields has become one of the main pollutants. In order to explore the passivation effects of different combinations of organic and inorganic passivators on heavy metal Cd in facility soil， a greenhouse experiment was conducted to study the effects of exogenous application of oyster shells（0， 0.23， 0.45 kg·m-2） and compound oyster shell-humic acid （0.23 kg·m-2+7.5 g·m-2） on soil physicochemical properties， the growth of Chinese cabbage and the transportation of Cd. The results showed that the single application of oyster shells significantly increased soil pH（0.12-0.27）. Both the single application of oyster shell and the combined application of oyster shell + humic acid reduced soil DTPA-Cd content by 31.34%-46.27%， respectively， compared to the CK treatment. The growth of Chinese cabbage was decreased in the single application of oyster shells（0.45 kg·m-2）treatment， while the compound with humic acid can significantly increase the dry mass of aboveground and underground parts of Chinese cabbage by 11.46% and 44.80%， respectively， compared to the CK treatment. The Cd content was decreased in the three treatments， and significantly decreased in the oyster shells+humic acid treatment by 51.4%， compared to CK treatment. The TF and BCF of Chinese cabbage were decreased in oyster shell treatment and the combined treatment of oyster shell + humic acids. The results of trace elements showed that the single application of oyster shell （T2） significantly increased the absorption of calcium in the aboveground and underground parts of Chinese cabbage， and also promoted the absorption of iron in the underground parts of Chinese cabbage.

Key words： Chinese cabbage; Oyster shell; Humic acids; Cadmium; Transfer coefficient; Bioconcentration coefficient

2023年5月24日發表的“2022年度中國生態環境公報（摘錄）”指出，近些年“環境保衛戰”的開展使得土壤污染總體得到治理，但是重金屬污染仍是影響農田環境質量的首要污染物，且隨著種植年限的增加而增加[1]。過度施用化肥、有機肥、農藥、頻繁灌溉和高復種指數是溫室土壤中重金屬鎘（Cd）濃度增加的主要原因[2]。不規范的施肥方式會導致溫室大棚的土壤在5～10 a（年）間的Cd含量超過0.3 mg·kg-1的污染紅線[3]。Cd是農業土壤中毒性最強的重金屬，不被微生物分解，很容易在葉類蔬菜的可食部分積累，并通過食物鏈對人類健康構成威脅，因此對設施蔬菜的安全生產構成嚴重的挑戰[4-5]。

設施土壤重金屬修復主要通過施用土壤鈍化劑[6]、微生物修復[7]、植物修復[8]和化學淋洗[9]等方法。大部分技術因成本較高、見效慢、可操作性不強等導致難以大面積推廣。施用土壤鈍化劑是通過改變土壤pH，提供更多的重金屬吸附位點，降低土壤中Cd生物有效性的方法。例如，無機鈍化劑模式是通過施用硅鈣鎂鉀肥、鈣鎂磷肥和石灰有效改良土壤酸化，降低稻米中Cd含量[10]。有機鈍化劑模式是施用液體有機菌肥容易吸附Pb、Cd和Zn，經修復后的土壤Cd和Zn的下降率分別為29.62%和23.94%[11]。此外，有機、無機鈍化劑復配模式，將鈣鎂磷肥、海泡石、石灰和草炭單施及復配顯著降低酸性土壤中Cd的有效性，提高土壤pH，降低白菜對Cd的吸收量[12]。然而，我國南北土壤pH和理化性質不同，導致很多土壤鈍化劑并沒有達到理想的修復效果。因此，通過施用土壤鈍化劑，配施生物刺激素，如腐植酸[13]、有機酸[14]、氨基酸[15]和脫落酸[16]等物質，達到既穩定土壤Cd離子，緩解Cd對作物的脅迫，又提高作物產量的目的。目前，在中堿性土壤中應用鈍化劑和配施生物刺激素的研究較少，這種協同效應基于不同的施用濃度和土壤條件而不同。因此，研發具有抑制作物吸收Cd和促進作物生長的鈍化劑-生物刺激素組合模式至關重要。

牡蠣殼主要成分為氧化鈣，無其他附加有害成分，是一種具有調節酸度和補充鈣元素的土壤調理劑產品[17]。大量研究已經證明其能通過提高土壤pH降低酸性土壤中Cd的生物有效性，并且可有效緩解酸性土壤鈣流失問題[18]。腐植酸含有大量的羥基、羧基、羰基、甲氧基等官能團，能與Cd離子進行螯合，將Cd向鐵錳氧化態和殘渣態轉化，降低其生物可利用性，它含有大量的活性物質能促進作物生長，提高產量[19]。此外，隨著pH的增加腐植酸能顯著增強對Cd離子的吸附作用[20]?；诙叩奶匦?，通過不同濃度的牡蠣殼調理劑與腐植酸復配施用，探究其對北方中堿性土壤Cd生物有效性的影響以及二者之間的協同效應以及對白菜吸收Cd和微量元素的影響。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與植物

試驗所用白菜品種為京研快菜F1，類型為結球白菜，生育期為28～30 d，葉色深綠，抗熱、抗濕、抗病，品質佳，適宜密植，種子購買自京研益農（北京）種業有限公司。試驗地點位于北京昌平，取溫室大棚0～20 cm表層土壤，采用五點隨機取樣法，先在各小區隨機取點采土，然后將土樣混合均勻后取足夠的供試土壤，每個小區最后共取3份土樣，帶回試驗室內自然風干，挑出土壤中雜物，用研缽研磨并過2 mm尼龍篩備用，其中選取部分土壤過0.15 mm尼龍篩用于測定土壤總Cd。土壤基礎理化性質見表1。

1.2 供試土壤調理劑和腐植酸

土壤鈍化調理劑為牡蠣殼粉，購于山東眾德公司的產品藍海半島牡蠣殼粉，成分為：CaO含量（w，后同）≥35.0%、MgO含量≥5.0%、S含量≥5.0%、Zn含量≥0.05%、B含量≥0.03%，施用方式為拌土撒施，均勻施用于土壤表面再覆土。供試的生物刺激素為腐植酸，購于黑龍江佳禾腐植酸有限公司：腐植酸含量≥60%、黃腐酸含量≥15%、K2O含量≥8%、水溶性物質含量≥99%，施用方式為灌根。

1.3 試驗設計

白菜種植時間從2021年9月7日到10月29日。大棚全長51 m，分為3個大區，每個大區長15 m，寬6 m，每個大區分為4個小區，每個小區長6 m，寬3.5 m。處理分為：常規施肥（CK）、T1（施用牡蠣殼土壤調理劑0.23 kg·m-2）、T2（施用牡蠣殼土壤調理劑0.45 kg·m-2）和T3（施用牡蠣殼土壤調理劑0.23 kg·m-2＋追施腐植酸5 kg·667 m-2），T1、T2、T3均在常規施肥基礎上進行。栽培模式為高平畦，行株距為25 cm×20 cm。常規施肥方式為：氮肥（N）20～25 kg·667 m-2，磷肥（P2O5）4～6 kg·667 m-2，鉀肥（K2O）22～28 kg·667 m-2。收獲的白菜105 ℃殺青，之后75 ℃烘干至恒質量，測定其干質量，再磨細用于測定可食用部位Cd含量；土壤樣品經風干過2 mm篩后，分析土壤各項理化指標。每個小區隨機重復取樣3次，共36個樣。

1.4 土壤理化指標測定方法

土壤pH、EC值采用水土比（1∶5 V/m）經過30 min180 r·min-1搖勻，使用pH計（PHS-3E，Leici，China）和電導率計（DDS-11A，Leici，China）測定[21]。有效鉀含量采用乙酸銨（1 mol?L-1 NH4OAc，pH 7.0）萃取，火焰分光光度儀（AP1200，上海奧普，中國）測定；土壤有效磷含量采用含有乙酸和醋酸錳的萃取液測定，溶液過濾后，用滴定法測定磷酸鹽含量（UV-5100，上海梅塔什儀器有限公司，中國）；采用火焰分光光度計（AP1200，上海奧普，中國）測定全氮含量[22]。土壤有效態Cd（DTPA-Cd）含量的測定：在燒杯中依次加入14.92 g三醇胺，1.967 g二烯三胺五乙酸，1.470 g二水合化氯化鈣，加入水并攪拌使其完全溶解，繼續加水稀釋至約800 mL，用鹽酸溶液調整pH值為7.3 ± 0.2，轉移至1 L容量瓶中定容，制得浸提液。稱取10 g土壤，加入20 mL浸提液，振蕩2 h，4500 r·min-1轉速下離心10 min，上清液使用0.22 μm濾膜過濾，電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，PerkinElmer，AvipTM200，USA）測定Cd、Ca、Mn、Fe、Zn和Mg含量。總Cd吸收量、轉運系數（TF）和富集系數（BCF）的計算公式如下：

地上部總Cd吸收量=地上部Cd濃度×地上部干質量；?????????????????????????????????????????????? ????????????????（1）

地下部總Cd吸收量=地下部Cd濃度×地下部干質量；?????????????????????????????????????????????????????????????? （2）

轉運系數（TF） = 地上部Cd濃度 / 地下部Cd濃度；?????????????????????????????????????????????????????????????????? （3）

富集系數（BCF） = 地上部Cd濃度 / 土壤Cd濃度。?? ??????????????????????????????????????????????????????????????（4）

1.5 數據統計分析

試驗數據采用SPSS Statistics 25進行統計，采用最小顯著性差異法（LSD）對數據進行多重比較分析。采用Excel軟件進行繪圖。相關性分析利用Pearson進行統計分析，并通過Origin 2021進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 單施和復配牡蠣殼與腐植酸對白菜生長的影響

由圖1可知，在溫室大棚土壤中添加不同濃度的牡蠣殼粉以及復配腐植酸對白菜的生長有一定的影響，隨著牡蠣殼粉施用濃度的增加，白菜地上部干質量先增加后下降，在T2處理時最低。與CK相比，T1處理下白菜地上部干質量增加8.44%，白菜地上部干質量在T2處理中卻下降11.31%，追施腐植酸能增加11.46%，這說明牡蠣殼粉的施用對白菜地上部的影響隨著施用濃度增加而呈負效應，而腐植酸（T3）的添加能增強對白菜的促生效果。白菜根部也有同樣的趨勢，隨著牡蠣殼粉的施用量增大，T1促進白菜地下部干質量增加25.78%，T2降低白菜地下部干質量13.67%，而追施腐植酸（T3）能增加44.80%，與CK處理相比，各處理白菜地下部干質量總體表現為T3 > T1 > CK > T2。此外，對各小區白菜進行測產，施用牡蠣殼粉和追施腐植酸有一定的增產效果，但是與CK差異不顯著。

2.2 單施和復配牡蠣殼與腐植酸對白菜吸收和轉運鎘的影響

牡蠣殼粉及其與腐植酸復配對白菜吸收和轉運Cd的影響如圖2所示，隨著牡蠣殼粉的添加，白菜地上部Cd含量呈顯著下降的趨勢，且與腐植酸復配的處理白菜地上部Cd含量最低，總體表現為CK > T1 > T2 > T3。與CK處理相比，T1、T2、T3處理Cd含量分別顯著降低21.8%、25.6%和52.4%。這說明牡蠣殼粉和腐植酸之間存在協同效應，且比單施牡蠣殼粉抑制白菜轉運Cd的效果更好。然而，不同處理之間對白菜根部Cd含量的影響差異不顯著，這說明牡蠣殼粉及其與腐植酸復配主要影響白菜對Cd的轉運。與CK相比，T2和T3處理白菜地上部總Cd吸收量分別顯著降低42.1%和51.4%，這說明通過牡蠣殼與腐植酸復配能顯著降低白菜地上部總Cd吸收量。轉運系數（TF）表示白菜體內Cd從根往葉轉運的能力，圖2-E表明，與CK相比，T1、T2和T3處理均能顯著降低白菜的轉運系數0.3～0.7，總體表現為CK > T1 > T2 > T3。富集系數（BCF）被認為是評價植物從土壤中積累重金屬能力的最關鍵因子之一。與CK相比，T1、T2和T3處理均能顯著降低白菜的富集系數達1.7～4.8，總體表現為CK > T1 > T2 > T3。

2.3 單施和復配牡蠣殼與腐植酸對土壤pH、EC和DTPA-Cd含量的影響

土壤pH值對土壤中金屬的固定和溶解有顯著影響。當土壤pH值升高時，金屬的溶解度和遷移率降低。高土壤pH值降低了土壤中的可溶性Cd含量，從而降低了植物對Cd的利用率和吸收率。由圖3可知，隨著牡蠣殼粉施用量的增加，土壤pH呈上升趨勢，而牡蠣殼粉和腐植酸復配對土壤pH的影響與CK差異不顯著。土壤EC值結果表明，隨著牡蠣殼濃度的增加，土壤EC值呈下降趨勢，而追施腐植酸對土壤EC值影響與CK無顯著差異。土壤DTPA-Cd含量結果表明，與CK相比，牡蠣殼粉能顯著降低土壤Cd的生物有效性，而腐植酸與牡蠣殼的協同效應與單施牡蠣殼粉對土壤DTPA-Cd的作用差異不顯著。

2.4 單施和復配牡蠣殼與腐植酸對白菜微量元素吸收的影響

由表2可知，T2處理顯著增加白菜地上部鈣含量20.80%。此外，牡蠣殼和腐植酸處理降低白菜地上部鐵含量，與CK相比，T1、T2和T3處理白菜地上部鐵含量顯著降低50.00%、40.91%、63.64%，總體表現為CK > T2 > T1 > T3。與CK相比，T3處理顯著降低白菜地上部鋅含量（w，后同）降低0.4 g·kg-1，其他處理與CK無顯著變化，這說明牡蠣殼和腐植酸協同處理能影響白菜地上部營養元素的吸收。根部微量元素的研究結果表明，與CK相比，單施牡蠣殼粉處理顯著影響根部鈣的吸收，T1、T2處理顯著增加根部鈣的吸收達17.25%和25.25%，與CK相比，白菜根部鈣含量總體表現為T2 > T1 > T3 > CK。與CK相比，T2處理顯著增加白菜根部鐵含量40.00%，白菜根部鐵含量總體趨勢為T2 > T1 > CK > T3。各處理白菜根部其他元素含量沒有顯著性差異。

2.5 相關性分析

采用Pearson相關性分析對土壤理化指標和白菜Cd含量以及相關微量元素指標進行相關性分析。由圖4可知，地上部Cd含量主要與DTPA-Cd含量呈顯著正相關，牡蠣殼的施用顯著影響土壤pH和植物鈣的吸收量。相關性結果表明，土壤pH與地上部和地下部生物量呈顯著負相關，與根部鈣濃度和地上部鈣濃度呈顯著正相關。根部鈣的吸收量與土壤EC值和DTPA-Cd含量呈顯著負相關，說明牡蠣殼粉和腐植酸影響根系鈣的吸收可能與土壤EC和土壤Cd的活性變化有關。地上部Cd含量與土壤DTPA-Cd含量呈顯著正相關，因此牡蠣殼粉可能通過改變土壤pH顯著降低土壤DTPA-Cd含量從而降低白菜地上部Cd吸收量。

3 討論與結論

牡蠣殼的促生效應已經被驗證，在田間試驗中施用0.65 kg·m-2的牡蠣殼可以增加土壤有機質、堿解氮和交換性鈣含量，提高土壤pH，進而提高韭菜的產量和品質[23]。有研究表明，施用外源腐植酸能顯著提高豌豆的株高、花數、葉綠素含量和干質量[24]。葉面噴施腐植酸能夠增強光合作用，增加葉綠素含量和促進生長，降低Cd脅迫導致的脂質過氧化[25]。本研究結果表明，與CK相比，施用0.23 kg·m-2牡蠣殼粉能促進白菜生長，且共同施用牡蠣殼粉和腐植酸能顯著提高白菜根部的干質量。嚴建輝[26]通過施用2250和1500 kg·km-2不同量的牡蠣殼粉使花生分別增產16.8%和10.1%，顯著提高酸性土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀以及交換性鈣含量。

牡蠣殼粉主要通過化學沉淀機制固定Cd離子[27]。筆者的研究結果表明，與CK相比，外源施用牡蠣殼粉顯著降低白菜地上部Cd含量，且與腐植酸共同施用的降低幅度最大。外源施用牡蠣殼粉可以顯著抑制蘿卜對Cd的吸收[28]。轉運系數表示植物將根部Cd向地上部轉運的能力。本研究結果表明，與CK相比，牡蠣殼和腐植酸共同施用能顯著降低白菜的轉運系數。富集系數表示植物將土壤中Cd向植物地上部富集的能力。與CK相比，同樣外源共同施用牡蠣殼粉和腐植酸能顯著降低白菜的富集系數。曾秀君等[29]研究表明，石灰和腐植酸共同施用顯著提高土壤pH，降低土壤鉛和Cd的生物有效性，且共同施用石灰和腐植酸降低黑麥草對Cd的吸收效果顯著強于單獨施用石灰、腐植酸，這與本研究結果牡蠣殼粉和腐植酸的協同效應要大于單獨施用的牡蠣殼粉一致。

本試驗中的土壤pH值為7.25，呈中堿性，外源牡蠣殼對土壤pH的影響隨牡蠣殼粉施用量的增加逐漸上升，而牡蠣殼粉與腐植酸共同施用的pH值與CK相比無顯著差異。王妍等[30]的研究表明，多年施用外源牡蠣殼粉能顯著升高強酸性土壤pH達2.47。含鈣物質的溶解將Ca2+離子釋放到土壤中，可能在提高土壤pH中發揮作用[31]。此外，與CK相比，施用牡蠣殼粉和腐植酸顯著降低土壤DTPA-Cd含量。這可能是由于牡蠣殼粉的施用可以通過沉淀和化學吸附形成類似CaCO3的晶體將Cd離子固定在土壤中[27]。曹英蘭等[32]的研究表明，外源施用5%的牡蠣殼后，土壤有效Cd含量從1.66 mg·kg-1降低至0.80 mg·kg-1，且可溶態、可還原態和可氧化態Cd向殘渣態Cd轉變。此外，外源牡蠣殼粉和腐植酸能影響白菜吸收微量元素鈣、鋅和鐵。冷茂林等[33]研究表明，外源施用腐植酸能顯著促進玉米幼苗根系鐵的吸收達39.79%。顏墩煒等[34]研究表明，增施牡蠣殼調理劑促進小白菜鈣的吸收達19.2%。因此，合理地施用鈍化劑需要保證蔬菜的品質和正常的營養吸收。

筆者通過施用不同濃度的牡蠣殼粉及組合施用牡蠣殼粉和腐植酸，探究其對白菜吸收和轉運Cd、微量元素吸收、生物量，土壤pH、EC以及土壤Cd活性的影響。主要結論如下：

（1）與CK相比，外源牡蠣殼粉在0.23 kg·m-2施用量時能提高白菜地上部和地下部干質量，但是隨著施用量達0.45 kg·m-2時，白菜的生長受到抑制，追施腐植酸具有促生作用但與單施牡蠣殼粉（T1）處理相比差異并不顯著；

（2）隨著外源牡蠣殼粉施用量的增加，能夠提高土壤pH，降低土壤DTPA-Cd含量；追施腐植酸能夠抑制牡蠣殼粉帶來的土壤pH；

（3）外源牡蠣殼粉能夠降低白菜地上部Cd含量，降低Cd的轉運系數和富集系數，與腐植酸復配能夠增強該效應；

（4）外源牡蠣殼粉能夠影響白菜鈣和鐵的吸收。

基于以上試驗結果，建議在中堿性土壤中進行土壤修復時，需要確定鈍化劑的合適用量，使其在降低土壤Cd含量的同時，促進蔬菜的生長。此外，外源無機鈍化劑通過與生物刺激素復配，在有利于其對土壤Cd的固定，同時促進蔬菜的生長，達到營養強化的目的，然而這種模式還需要在不同土壤中探究其最適施用量，以期為我國北方中堿性設施土壤重金屬Cd修復提供有效的復配修復模式。

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