不同光葉苕子用量對娃娃菜生長發育與吸收鎘砷的影響

摘要：以娃娃菜為試驗對象，通過盆栽試驗模擬鎘污染土壤環境，研究光葉苕子不同施用量7.5 t/hm2（G1）、15.0 t/hm2（G2）、22.5 t/hm2（G3）、30.0 t/hm2（G4）、45.0 t/hm2（G5）對Cd、As污染土壤中娃娃菜生長的影響。結果表明，不同光葉苕子用量顯著影響娃娃菜生長和Cd、As含量。與CK相比，污染土壤中添加光葉苕子促進了娃娃菜的生長，以22.5 t/hm2施用量效果最佳，可顯著增加娃娃菜產量、根系指標（根長、根尖數、根表面積、分支數、根體積）和光合指標（凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和葉綠素含量）。施用光葉苕子均對土壤有效Cd、As含量有不同程度的降低，其中當光葉苕子施用量為22.5 t/hm2時可降低土壤全Cd和有效Cd含量，而光葉苕子施用量為 30.0 t/hm2 時對降低土壤全As和有效As含量效率最高，但與22.5 t/hm2施用量相比無顯著差異。對娃娃菜Cd、As含量的影響，當光葉苕子施用量為22.5 t/hm2時對娃娃菜地上和地下部Cd、As降低效果最好。綜合研究表明，光葉苕子施入量為22.5 t/hm2時可以顯著提高娃娃菜可食用部位產量和物質積累，并提高根系和光合指標，有利于娃娃菜生長，且對降低土壤以及蔬菜中Cd和As含量的效果最佳，因此推薦在Cd和As復合污染土壤施用22.5 t/hm2光葉苕子來減少作物對重金屬的吸收。

關鍵詞：光葉苕子；娃娃菜；鎘；施用量；重金屬；富集系數；轉運系數

中圖分類號：X171.4；X53文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）11-0160-12

我國一直都持續關注農田土壤中的重金屬鎘（Cd）和砷（As）污染問題，如何降低土壤和農作物中重金屬Cd和As的含量是目前農業安全生產的一個重點和難點。土壤重金屬污染物首先會對土壤自身環境造成很大破壞，而且還會嚴重影響土壤理化性質、酶活性以及微生物群落豐度，降低土壤的供肥和保肥能力，進而影響作物生長［1］。相對于植物而言，當土壤中重金屬物質含量超過一定濃度范圍時，對植物正常生長產生較大的不利影響，可能會抑制植物的生長和降低地上部分生物量［2-3］，且重金屬的脅迫還會導致植物亞細胞水平上活性氧（ROS）的產生［2］，使得細胞膜受損以及生物分子和細胞器損壞。過量的Cd和As降低了植物光合色素和氣體交換特性［4］，使植物光合作用受到抑制。因此，修復農田土壤Cd、As污染刻不容緩。

土壤中存在的鎘等重金屬污染物修復方法包括物理、化學和農業修復等。其中農業修復是針對農田土壤提出的一種修復技術，其核心目標是通過科學的方法，改善土壤環境，提高農業生產效益。可以通過選擇合適的化肥、調整作物品種等方法減少農作物對土壤中有害重金屬元素的富集，具體措施有合理使用化肥，使用生物有機肥，秸稈和綠肥還田，改善種植制度及調整作物種類等［5］。目前有大量研究表明，當綠肥翻壓進入土壤可以有效降低土壤和作物Cd和As的生物有效性，土壤中的Cd、As具有不同的離子形態，Cd以陽離子形態為主，而As以陰離子形態為主，綠肥翻壓進入農田腐解可以產生大量的OH-或H+、可溶性有機質與Cd、As等有害重金屬絡合形成金屬-有機絡合物，從而影響金屬的結構和形態，并進一步控制鎘等重金屬在土壤環境中的轉化［6］，而且翻壓綠肥還會增加土壤微生物多樣性產生大量胞外聚合物（EPS）或代謝產物與金屬離子發生吸附或螯合作用，部分微生物還能利用菌絲的吸附作用，可以將重金屬吸附并穩定地固定在菌絲細胞之間降低其有效性［7-8］，且土壤還會在部分微生物作用下形成厭氧或還原環境，還原條件下會促進Fe3+消耗土壤中H+還原為Fe2+形成鐵斑“屏障”，減少作物中Cd的積累［9］，而土壤處于氧化環境的會進一步促進As在礦物表面的吸附，減少吸附砷的再釋放［10］，例如部分鐵基氧化物（Fe2O3、Fe3O4）表面含有豐富的羥基（—OH）位點，能以專性和非專性吸附的方式結合砷酸根、亞砷酸根離子形成配合物，減少有效As含量［11］。

由上述研究可知，綠肥在修復重金屬污染土壤和減少作物Cd和As積累具有很大的應用潛力，但仍然存在一定問題。相關研究表明，綠肥的添加比例與土壤中重金屬Cd和As的有效性密切相關，存在閾值效應。綠肥的適量添加可調節土壤生態環境，增加土壤有機質對重金屬的絡合，降低其生物有效性。然而，過度使用綠肥會導致土壤中有機質含量的增加，一旦超過該閾值，可能會提高Cd和As的有效性，產生相反的修復效果［12-15］，而且綠肥不合理的施加還會促進后茬作物產生過量的根系分泌物，增加可溶態重金屬的含量［13］。一般情況下，由于Cd和As在土壤中存在的離子形式不同，所以施用綠肥對Cd、As復合污染土壤的修復可能存在拮抗效應［14］，但也有研究認為，有機質的添加量與重金屬的有效性有關，也有可能存在一個合理的施用量可以同時滿足修復Cd、As復合污染土壤［9，12-13，16-17］。所以在利用綠肥來修復重金屬污染土壤時，綠肥的施用量成為是否能減少復合污染土壤活性Cd、As含量的一個關鍵因素。

豆科綠肥光葉紫花苕子（Vicia villosa Roth var.）在降低土壤和作物Cd和As含量方面具有很大的應用潛力［18-20］，但利用豆科綠肥光葉苕子來降低植物和土壤Cd和As含量的最佳綠肥施用量尚未見報道。娃娃菜是我國一種重要的葉菜作物，大量研究表明市售蔬菜中存在重金屬超標問題，主要是以Cd和As為主［21］，如何降低其中Cd和As含量近年來成為蔬菜行業研究的熱點問題之一。為針對以上問題，本試驗采用盆栽法，研究豆科綠肥光葉苕子的不同施用量對Cd和As復合污染土壤及娃娃菜重金屬含量的影響，探究一個最佳光葉苕子施用量可以同時滿足修復Cd、As復合污染土壤以及降低娃娃菜中Cd、As含量，為豆科綠肥光葉苕子的合理施用來修復Cd和As污染農田提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗于云南省昆明市嵩明基地（102°41′E，25°28′N）大棚內進行，該地區屬于低緯亞熱帶高原季風氣候，年平均氣溫11～22 ℃，年平均降水量899.8 mm。

盆栽土取自云南省昆明市東川區Cd、As污染農田（102°47′～103°18′E，25°57′～26°32′N），海拔1 000 m。土壤類型為沖積土，pH值為7.54，土壤養分：有效磷含量為15.2 mg/kg，速效鉀含量為 76.5 mg/kg，堿解氮含量為62.8 mg/kg，全磷含量為1.52 g/kg，全鉀含量為16.9 g/kg，全氮含量為 1.37 g/kg，有機質含量為10.71 g/kg。供試土壤Cd含量為1.56 mg/kg，As含量為31.6 mg/kg，未超過GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》的風險篩選值，所以該研究區域里的土壤屬于被輕度重金屬Cd、As污染的復合土壤。

供試蔬菜品種為高麗余娃娃菜（Brassica pekinensis），為當地廣泛種植的蔬菜作物。供試豆科綠肥作物為光葉苕子（Vicia villosa Roth var.），種子來源于國家綠肥產業技術體系昆明綜合試驗站。盆栽裝置盆體為PVC材質，高17.5 cm，內徑185 cm。

1.2 試驗設計

娃娃菜于2021年8月15日播種育苗，9月2日移栽。試驗設不添加綠肥（CK）、綠肥1（G1， 7.5 t/hm2）、綠肥2 （G2，15.0 t/hm2）、綠肥3（G3，22.5 t/hm2）、綠肥4（G4，30.0 t/hm2）、綠肥5（G5，45.0 t/hm2）共6個處理。每個處理5個重復，共計30個盆栽，將綠肥與土壤混合均勻（按照農田每公頃內表層土重2 250 t換算），轉移到花盆中，每盆土重4 kg，定量澆去離子水，控制土壤含水量約為田間持水量的60%。綠肥與土壤混合2周后，每盆移栽蔬菜幼苗1株，蔬菜生長期間根據需要澆水施肥。

采集蔬菜成熟期土樣和植物樣本，土樣風干混勻過2 mm尼龍篩備用；每株蔬菜分解為地上和地下2個部分，用自來水和去離子水清洗干凈，放入 105 ℃ 烘箱內殺青30 min，然后再75 ℃烘干至恒重，然后用不銹鋼粉碎機粉碎，過0.5 mm尼龍篩，裝袋保存、備用。

1.3 測試指標與方法

1.3.1 土壤理化性質及Cd、As含量的測定

參考鮑士旦《土壤農化分析》中的方法，測定土壤的pH值及有機質、總氮、總磷、總鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量［22］。土壤中全Cd含量的測定方法采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定［19］。土壤中全As含量的測定采用王水消解-原子熒光分光光度法進行測定［19］。使用0.01 mol/L氯化鈣溶液采用石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤中有效態Cd的含量［19］。土壤有效As含量的測定方法是通過使用0.5 mol/L NaHCO3進行浸提，然后使用原子熒光分光光度法進行測定［19］。

1.3.2 蔬菜生長指標及Cd、As含量的測定

蔬菜產量、生物量、葉長、葉寬、葉片數的測定按照常規測試方法進行。蔬菜葉綠素含量及光合指標的測定在作物收獲前，于每天08：30—11：30利用 SPAD-502 葉綠素儀和便攜式光合速率測定儀（LI-6400XT，美國）測定同一葉位（第3張展開葉）葉片的葉綠素含量及其他光合參數，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。為了分析蔬菜的地下部根系形態，使用EPSON PERFECTION V700掃描儀對每株蔬菜的根系進行掃描，然后利用根分析軟件WinRHIZO-Pro 2013（Regent Instruments Inc.）來分析根系的根長、根表面積、根體積、平均根系直徑、根尖數以及分支數。

蔬菜中Cd含量的測定使用HNO3-HClO4消化和石墨爐原子吸收分光光度法進行測量［19］。植物中As含量的測定采用HNO3-HClO4-H2SO4消解的方式，并利用原子熒光分光光度法進行測定［19］。

1.3.3 富集系數與轉運系數的測定

植物Cd/As累積特征用Cd/As富集系數、轉運系數表示，富集系數表征植物對重金屬富集能力的強弱，轉運系數是用來衡量植物將重金屬從地下運輸到地上部分的能力指標。

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

1.4 數據分析與統計

利用Excel 2021軟件，計算所有數據的平均值和標準差。然后，使用Duncan’s新復極差法來檢驗不同品種之間的數據差異是否顯著（α=0.05）。采用SPSS 26.0軟件進行相關性分析，并利用Origin 2021軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同綠肥用量對土壤理化性質的影響

由表1可知，不同的光葉苕子添加量會對土壤的理化性質產生不同的影響。隨著光葉苕子施用量增加，土壤全氮（G2、G3、G4、G5）、全磷（G1、G2、G3、G4）、堿解氮（G1、G2、G3、G4、G5）、有效磷（G1、G2、G4、G5）和速效鉀（G1、G2、G3、G4、G5）含量與CK相比均有不同程度增加，分別增加2.30%～2989%、17.07%～48.78%、11.96%～239.06%、4.42%～71.92%和14.43%～94.85%。土壤pH值均有不同程度減小，減小幅度為0.53%～371%。針對土壤有機質含量，除了G3（22.5 t/hm2）處理，其他光葉苕子用量均有不同程度的減小，減小幅度為4.62%～61.89%，而G3（22.5 t/hm2）處理土壤有機質含量增加74.87%。其中，G5（45.0 t/hm2）處理的土壤速效養分含量增幅最大，其土壤有機質含量降低幅度較大。

2.2 不同綠肥用量對蔬菜農藝性狀的影響

由表2可知，與空白對照相比，施加光葉苕子可以增加娃娃菜的產量、地上部和地下部干重，隨著光葉苕子施用量增加，娃娃菜產量、地上部和地下部干重均存在不同幅度的增加，增加幅度分別為14.55%～84.69%、2.93%～62.22%和 25.00%～95.83%，且不同光葉苕子用量對娃娃菜的增產效果依次為G5（45.0 t/hm2）gt;G3（22.5 t/hm2）gt;G2（15.0 t/hm2）gt;G1（7.5 t/hm2）gt;G4（30.0 t/hm2），綜合來看G5（45.0 t/hm2）與G3（22.5 t/hm2）處理對娃娃菜的產量、地上部和地下部干重貢獻較高，效果較好。

2.3 不同綠肥用量對蔬菜光合指標的影響

由圖1可知，與空白對照相比，光葉苕子不同用量對娃娃菜光合指標有不同的影響。當光葉苕子施用量為G3（22.5 t/hm2）時，娃娃菜的凈光合速率、氣孔導度和葉綠素含量分別顯著增加217.36%、28.06%和23.45%；而當施用量為G5（45.0 t/hm2）時，娃娃菜的氣孔導度和葉綠素含量分別顯著增加40.61%和22.13%；而當光葉苕子施用量為G4（30.0 t/hm2）時，對娃娃菜的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度的貢獻較小，分別降低了63.68%、2529%、12.98%、7.72%，胞間CO2濃度、氣孔導度存在顯著差異。綜上可知，與CK相比，光葉苕子施用量為G3（22.5 t/hm2）和G5（45.0 t/hm2）時可增加娃娃菜部分光合指標，利于光合產物的積累；而光葉苕子施用量為G4（30.0 t/hm2）時，不利于光合產物的積累。

2.4 不同綠肥用量對蔬菜根系形態的影響

由圖2可知，與空白對照相比，不同光葉苕子施用量對娃娃菜根系形態有不同的影響。當光葉苕子施用量為G1（7.5 t/hm2） 、G2（15.0 t/hm2）、G3（225 t/hm2）和G5（45.0 t/hm2）時，均能增加娃娃菜的根長、根尖數、根表面積、平均根系直徑、分支數和根體積；施用量為G4（30.0 t/hm2）時，除了平均根系直徑外，也能增加娃娃菜根系指標。而在所有光葉苕子處理中，當施用量為G3（22.5 t/hm2）時，可增加娃娃菜根尖數（22479%）、平均根系直徑（29.21%）、分支數（335.02%）和根體積（7408%），且高于其他處理；當施用量為G5（45.0 t/hm2）時，可增加娃娃菜根長（132.53%）和根表面積（114.19%）。由此可見，除G4（30.0 t/hm2）施用量降低了娃娃菜的平均根系直徑外，光葉苕子的施入均能促進娃娃菜根部的生長發育，其中以G3（22.5 t/hm2）施用量效果最優，最有利于植物地下根系生長發育，最終有利營養物質的吸收以及地上部可食用部分生物量積累。

2.5 不同綠肥用量對土壤Cd、As含量的影響

由圖3可知，不同光葉苕子的施用量對土壤總Cd含量的影響差異均不顯著，除G5（45.0 t/hm2）處理外，其他處理總Cd含量均低于空白對照，以G3（22.5 t/hm2）施用量土壤總Cd含量最低，與空白對照相比，降低了7.95%；而對土壤有效態Cd含量的影響不同，對照土壤有效Cd含量為0.29 mg/kg，隨著光葉苕子施用量增加，土壤有效Cd含量均有不同幅度的降低，降低幅度為12.80%～18.63%，土壤有效Cd含量鈍化效果依次為G5（45.0 t/hm2）lt;G1（7.5 t/hm2）lt;G4（30.0 t/hm2）lt;G2（15.0 t/hm2）lt;G3（22.5 t/hm2），其中G3（22.5 t/hm2）對土壤有效態Cd的鈍化效率最高，為18.63%，且顯著低于空白處理，效果最好。

從圖4可以看出，不同光葉苕子的施用量對土壤總As和有效As含量的影響不同，當光葉苕子施用量為G3（22.5 t/hm2）時，土壤總As含量最高，鈍化效率最低，與空白對照相比，增加了1700%；當施用量為G5（45.0 t/hm2）時，土壤總As含量最低，鈍化效率最高，顯著低于G3處理，與空白對照相比降低了8.21%，但與其他處理差異不顯著。G4（300 t/hm2）處理下土壤有效As含量顯著低于其他處理，同空白對照相比，降低了50.00%，而G1、G2、G3、G5所有處理組均能降低土壤有效As的含量，分別降低10.00%、3.00%、17.00%和17.00%，說明光葉苕子的添加均在一定程度上降低了有效As含量。綜合表明，光葉苕子G4（30.0 t/hm2）處理對土壤有效As含量降低效果最佳，為最佳用量。

2.6 不同綠肥用量對蔬菜Cd、As含量的影響

由圖5可知，除G1（7.5 t/hm2）處理外，其他處理光葉苕子的施用可以降低娃娃菜地上部分和地下部分Cd含量。在娃娃菜地上部分Cd含量中，隨著光葉苕子用量的增加，娃娃菜地上部分Cd含量存在不同幅度的降低，降低幅度為1.47%～2229%，對地上部分Cd含量降低效果依次為G5（45.0 t/hm2）lt; G2（15.0 t/hm2）lt;G4（30.0 t/hm2）lt;G3（22.5 t/hm2），其中G3（22.5 t/hm2）和G4（30.0 t/hm2）處理與CK存在顯著差異，分別降低22.29%和8.50%。在娃娃菜地下部分Cd含量中，隨著綠肥用量的增加，娃娃菜地下部分Cd含量存在不同幅度的降低，降低幅度為4.21%～15.96%，地下部分Cd含量降低效果依次為G2（15.0 t/hm2）lt;G4（30.0 t/hm2）lt;G5（45.0 t/hm2）lt;G3（22.5 t/hm2），其中G3（22.5 t/hm2）處理與CK存在顯著差異，降低15.97%。

綜合表明，施用22.5 t/hm2光葉苕子對娃娃菜地上和地下Cd含量降低效果最佳，此用量為降低娃娃菜Cd含量的光葉苕子最佳用量。

由圖6可知，不同光葉苕子用量對娃娃菜地上部分和地下部分As含量的影響不同，與空白對照相比，隨著綠肥用量的增加，娃娃菜地上部分和地下部分As含量存在不同幅度的降低，地上部分降低幅度為0.64%～30.12%，地下部分降低幅度為884%～3670%，地上部分和地下部分As含量降低效果均依次為G1（7.5 t/hm2）lt;G4（30.0 t/hm2）lt;G5（45.0 t/hm2）lt;G2（15.0 t/hm2）lt;G3（22.5 t/hm2），其中G2（15.0 t/hm2）和G3（22.5 t/hm2）處理對降低娃娃菜地上和地下部分As含量效果最好，與空白對照相比，分別降低2985%、30.12%和32.61%、36.70%，且顯著低于空白對照。

綜合表明，當光葉苕子施用量為G3（22.5 t/hm2）時對降低娃娃菜地上和地下部As含量效果最佳，為降低娃娃菜As含量的最佳用量。

2.7 不同綠肥用量對蔬菜Cd、As富集和轉運的影響

由表3可知，與對照相比，光葉苕子不同施用量對娃娃菜地上和地下Cd、As富集系數和轉運系數的影響不同。當光葉苕子施用量為G3（22.5 t/hm2）時，降低了娃娃菜地上和地下Cd富集系數與Cd轉運系數， 且在所有處理中最低，效果最好，分別降低5.32%、2.17%和772%；光葉苕子的施入均能降低娃娃菜對As的富集系數，當光葉苕子施用量為G3（22.5 t/hm2）時，娃娃菜地上和地下As富集系數分別降低39.19%、45.16%，且地下As富集系數顯著低于空白對照，光葉苕子的施入卻增加了As轉運系數，但差異均不顯著，而在光葉苕子處理下，G2（15.0 t/hm2）處理在所有光葉苕子處理下最小，與G3（22.5 t/hm2）相比減小了6.65%，且差異不顯著。

綜合表明，光葉苕子施用量為G3（22.5 t/hm2）時容易降低娃娃菜植株對Cd、As的吸收和轉運。

2.8 相關性和主成分分析

從圖7中可知，土壤有效Cd含量與植物生理因子和土壤因子具有一定的相關性，但都未呈顯著相關；娃娃菜地上部分的鎘（Cd）含量與pH值之間存在極顯著的正相關關系。而地下部分的鎘含量則與pH值以及地上部分的鎘含量呈現顯著或極顯著的正相關關系，同時與根部體積之間呈現顯著的負相關關系。此外，鎘的轉運系數與地上部分的鎘含量之間也呈現顯著的正相關關系。土壤有效As含量與植物生理因子具有一定的相關性，但都未呈顯著相關，只與土壤因子全氮含量呈顯著負相關；地上部分As含量與產量、根長、分支數和凈光合速率呈顯著負相關，地下部分的As含量與產量、根長和分支數之間呈現顯著的負相關關系，也就是說，地下部分的As含量越高，產量、根長和分支數越低。另一方面，地下部分的As含量與地上部分的As含量呈現顯著的正相關關系，即地下部分的As含量越高，地上部分的As含量也越高。此外，As轉運系數與土壤中的有效As含量之間呈現顯著的負相關關系，也就是說，As轉運系數越高，土壤中的有效As含量越低。

從圖8可知，利用主成分分析綜合評價了不同植物生理因子和土壤因子對土壤及娃娃菜Cd、As含量的影響效果。從植物生理因子的影響發現，第1主成分（PC1）和第2主成分（PC2）累計方差貢獻率達到81.3%，可涵蓋原始數據總量的81.3%。其中PC1方差貢獻率為63.8%，主要與分支數、根尖數、葉綠素含量、地下部干重、產量、地上部分As含量等的變化有關；PC2方差貢獻率為17.5%，分別與Cd/As轉運系數、有效態As含量等有關；從土壤因子的影響發現，第1主成分（PC1）和第2主成分（PC2）累計方差貢獻率達到73.6%，可涵蓋原始數據總量的73.6%。其中PC1方差貢獻率為46.8%，主要與地下部分Cd含量、有效態Cd含量、As轉運系數等的變化有關，PC2方差貢獻率為26.8%，與有效磷含量有關；在所有植物生理因子中，地上部分Cd/As含量、地下部分Cd/As含量、有效態Cd含量與平均根系直徑、地上部干重、地下部干重、根尖數、分支數、根表面積、根長、葉綠素含量、產量、根體積、凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度等均呈負相關，而植物根系生理因子和光合生理因子的增加都有利于促進植物光合作用和根系生長，最終提高產量和降低植物和土壤中Cd、As濃度。在所有土壤因子中，地上部分Cd/As含量、地下部分Cd/As含量、有效態Cd/As含量與堿解氮、速效鉀、全氮、土壤有機質、全磷、As轉運系數均呈負相關，與酸堿度、全鉀、Cd轉運系數呈正相關，表明光葉苕子的施入可以增加土壤養分含量，土壤養分含量的提高最終促進植物生理因子的光合作用和根系生長，而且土壤有機質還具有螯合重金屬作用，最終降低植物和土壤中Cd、As濃度。從各處理數據點的主成分得分情況分析，G3處理明顯趨向于植物生理因子和土壤因子，距離近，顯示出較強的相關性；相對而言，5個處理數據得分點距離較遠，差異性強。綜合評價G3（22.5 t/hm2）施用量對土壤及娃娃菜Cd、As抗性和光合、產量等的影響，可推測其效果要優于其他處理。

3 討論

3.1 不同光葉苕子施用量對土壤養分及娃娃菜生長的影響

研究表明，綠肥的合理添加對作物有一定的增產作用，還能提高土壤養分含量［23］。張濟世等通過在水稻田中種植并翻壓紫云英顯著增加了水稻穗干物質積累量和氮素積累量，同時增加了水稻對氮肥的吸收效率和稻田土壤中的氮素含量，有助于促進水稻在關鍵生長階段對氮素的吸收和積累，進而增加了干物質的積累和轉運［24］。高菊生等通過30年的綠肥和水稻輪作發現綠肥還田能顯著增加水稻產量，并且在增加農作物產量的同時，其穩定性也較好。另外，農田種植紫云英可以顯著提高土壤中可溶性有機質含量，并且提高土壤中的全氮和堿解氮含量，加速土壤礦化，提高水稻對磷和鉀等營養元素的吸收能力［25］。潘福霞等通過模擬試驗研究了旱地翻壓綠肥可以使土壤pH值均呈現出先升高后降低最后趨于平緩的趨勢，提高土壤中有機碳、無機氮、速效磷和速效鉀的含量［26］。在本研究中，光葉苕子的添加均能使土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀整體有不同程度增加，土壤pH值均有不同程度減小，這與高菊生等的結果［25-26］相類似，光葉苕子進入土壤中腐解后養分釋放，導致土壤養分和作物根系分泌物增加，土壤pH值減?。?7］。而針對土壤有機質，除了G3（22.5 t/hm2）處理，其他光葉苕子處理有機質用量均有不同程度減小，其中以最高光葉苕子施用量G5（45.0 t/hm2）處理的土壤有機質含量最低，可能的原因是由于光葉苕子C/N較低，過量施入增加了土壤中微生物豐度，激發其分解原有土壤中的有機質，進而降低了土壤中總有機質含量，而合理用量的綠肥施入土壤中可以提高土壤中微生物的豐度和活性，促進光葉苕子在土壤中分解產生大量的有機質，進而增加土壤有機質含量［28-29］，且本研究中G5（45.0 t/hm2）施用量對土壤速效養分含量增幅最大，可能的原因是大量的綠肥進入土壤后，通過微生物完全腐解后進而增加土壤速效養分含量［26］。綜合分析土壤綠肥還田要適量，過量還田對作物生長和土壤養分積累不利，還田量較少，起不到改良土壤的效果［30］。葉協鋒等研究認為，綠肥翻壓量在22.5～30.0 t/hm2之間時可以明顯增加煙草種植土壤中酶的活性并提高土壤的肥力水平［31-32］。李宏圖等研究認為，綠肥翻壓量為22.5 t/hm2較好［33］，這與本研究中的G3（22.5 t/hm2）施用量對土壤的影響效果相同。

光合作用是植物物質積累的一個關鍵因素。葉片的光合作用強弱與葉綠素含量、蒸騰速率和氣孔大小緊密相關。大量研究表明，綠肥還田可以提高作物光合指標，從而提高物質的轉運能力，促進物質積累［34］，而植物的根系具有固定植株、吸收營養物質、輸導物質交換等諸多功能，通過合理的綠肥施用可以明顯改善作物根系生長環境，調整作物的根系特性對于提高作物的水分利用效率具有極其重要的意義［35］。在本項研究中發現，通過還田光葉苕子可以增加娃娃菜的葉綠素含量、植物胞間CO2濃度、氣孔導度、光合速率和蒸騰速率，且光葉苕子的添加均增加了娃娃菜的產量、地上部和地下部干重，與空白對照相比，G3（22.5 t/hm2）施用量的增產效果最好，顯著高于對照；對娃娃菜的根系指標和光合指標分析發現，光葉苕子的添加對娃娃菜的根系指標和光合指標影響不同，同樣G3（22.5 t/hm2）施用量對娃娃菜的根系指標和光合指標促進效果最好，G3施用量對土壤養分提高效果最好，同樣也表現為綠肥還田量對作物生長有很大影響，合理綠肥還田對改善土壤耕層結構有顯著效果，增強了土壤的肥力，導致作物在生長后期的光合參數如光輻射量、葉面積指數、葉綠素相對含量、凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等都得到提高，改善作物光合特性，因而有利于提高作物產量和物質積累［30］，同樣合理的綠肥還田對娃娃菜根系性狀影響顯著，綠肥以G3（22.5 t/hm2）還田處理有利于娃娃菜根尖數、平均根系直徑、分支數和根體積的增加，其主要原因在于：（1）合理施用綠肥有利于提升土壤肥力，同時，合理添加綠肥可以有效疏松土壤，創造良好的孔隙度條件，為其作物根系的生長提供良好的土壤環境［30，36］；（2）合理施用豆科綠肥可以提高土壤的有機質含量和活性，提供良好的養分環境，促進作物根系的生長［37］；（3）綠肥的合理施用可以維持作物生長的土壤溫度，還可以減少土壤水分的蒸發，增加水分的滲透，促進土壤水分的重新分布［30］；（4） 相關性分析發現娃娃菜的根系指標和光合指標具有顯著的正相關性，豆科綠肥合理還田可有效提高娃娃菜光合指標，進而增加根系指標。綜合說明合理綠肥還田可以提升土壤肥力，改善作物根系生長發育，提高作物光合指標，創造有利的營養吸收條件，增加作物產量和物質積累，這表明在Cd污染農田可以考慮施用G3（22.5 t/hm2）用量的豆科綠肥光葉苕子來提高娃娃菜的產量。

3.2 不同光葉苕子施用量對土壤及娃娃菜Cd和As有效性的影響

有機材料的施用是實現農田安全種植并降低土壤中Cd和As污染的重要方式之一。它通過調節土壤的物理和化學性質與Cd、As發生吸附、沉淀、絡合和氧化還原等各種反應從而降低Cd和As的生物活性。秸稈、綠肥等有機材料中含有活性官能團如羧基、羥基、巰基等，它們形成配合物降低其生物有效性。同時還可以通過增加土壤的電離能力和穩定土壤結構的方式間接固定重金屬［38］。適量翻壓綠肥進入土壤后，土壤中的微生物會分解并產生許多可溶性有機質（DOM），DOM易與重金屬離子結合，降低其有效性。DOM不僅可以降低重金屬向植物的富集，還可以使微生物的生長代謝、土壤有機質分解和轉化過程受到重要影響。此外，DOM中的C、N、S、P等營養元素也對這些過程起著關鍵作用［15，39］。DOM能夠與金屬離子絡合形成金屬-有機絡合物，進而影響重金屬的遷移和轉化［38，40-41］。土壤中的可溶性有機質和重金屬離子會競爭土壤的吸附位置，進而減少土壤對重金屬離子的固定效果［42-43］。也有研究表明，當綠肥植物經過一段時間的分解后，大部分易分解的有機物質已經分解殆盡，土壤氧化還原電位下降，溶解氧減少，從而形成厭氧環境。在這種環境下，陰離子會發生還原反應，例如硫酸鹽還原成硫。這進一步導致重金屬Cd與硫形成沉淀，促使可交換態的鎘（Cd）轉化為有機結合態。這一轉化反應在一定程度上降低了鎘的生物有效性［44］。然而，Wang等在水稻田中添加豆科綠肥會導致水稻不同生長階段土壤中可溶性有機碳（DOC）含量發生變化，進而增加或減少鎘（Cd）的生物有效性［16］。王陽等研究發現，還田后的紫云英在土壤中的分解可分為不同階段。初期，紫云英分解產生水溶性有機物和有機酸，提高Cd、As有效性。然而，在后期，易于分解的有機物逐漸降解，產生大量復雜的有機物結合、固定重金屬，降低土壤重金屬活性［9］。根據王陽等的研究，適當的綠肥還田后，隨著綠肥的腐解會使土壤中的可溶性有機物含量增加，這有助于降低作物中的重金屬含量，在一定程度上起到改善效果［9］。然而，如果過量使用綠肥，有機物含量可能會超過正常范圍，或許可以增強土壤中重金屬Cd的有效性［45］。換言之，土壤中的重金屬鎘的有效性與添加綠肥的含量之間會出現一個臨界點效應。王陽等研究發現，紫云英的最佳還田量為30.0 t/hm2［9］。超過這個臨界點后，對于鎘的修復效果將產生相反的影響［12-13］。本試驗研究表明，土壤中加入 22.5 t/hm2 豆科綠肥光葉苕子后對土壤中有效態Cd含量以及娃娃菜地上和地下Cd含量、富集系數與轉運系數降低效果最佳，為施加豆科綠肥光葉苕子含量的最佳閾值，這可能是由于G3（22.5 t/hm2）用量的光葉苕子可以有效調節土壤中有機質達到一個最佳鈍化重金屬Cd的含量，與空白對照相比土壤有機質含量增加74.87%，最終致使重金屬的有效性降低。但在本研究中光葉苕子的施用對土壤總Cd含量的影響差異均不顯著，可能原因是光葉苕子的添加只改變了重金屬Cd的形態，雖然有效態Cd含量降低，但其他形態的Cd含量不變，仍然存在于土壤中，導致土壤總Cd含量差異不顯著。柳開樓等的研究表明，土壤中As的有效性與土壤中有機質的土壤施用量和含量有很強的相關性，不合理的添加可能會增加作物中As積累；已有研究結果顯示，堿性物質和有機物質能夠與重金屬形成沉淀以降低其有效性［14-15］。在本研究中，發現加入光葉苕子能夠在一定程度上降低土壤中As的有效性，以G4（30.0 t/hm2）用量的光葉苕子最低，這可能與有機物料的添加量有關，而不同用量的光葉苕子有機物料處理對土壤有效態As含量影響不同，光葉苕子的施用量對處理土壤中的重金屬有效態有不同的影響，只有適宜的施用量才能有效減少土壤中有效As的含量［46］。本研究相關性分析結果表明，土壤全氮與土壤有效 As含量呈顯著負相關，這與呂本春等的研究結果［19］相同，這可能是由于光葉苕子的合理添加增加了土壤氮含量［47］，氮的氨化作用可以促進NH+4的形成，同時NH+4會增加土壤表面正電荷，并與土壤中的As產生離子交換，從而增加對帶負電荷As的吸收，使得土壤中有效As含量降低［19］，光葉苕子合理添加可通過增加土壤氮含量和NH+4來降低土壤有效As含量。

在土壤環境中，鎘（Cd）以金屬陽離子的形式存在于孔隙水中，而砷（As）以水合陰離子的形式存在于孔隙水中。土壤的pH值對土壤表面電荷性質、鎘和砷在土壤固相中的滯留以及金屬陽離子的水解有重要影響［19］。將有機材料（如菜籽）添加到土壤中，可以調控土壤pH值變化和增加土壤的腐殖質含量，進而與重金屬形成絡合物［24］。當土壤中的pH值增加時，氫氧化物（OH-）有可能會將土壤中的鎘（Cd）轉化為更加穩定或易溶解的形式，而低pH值則有利于土壤對As的吸附［14］，本研究結果顯示，施用綠肥均降低了土壤的pH值，以G3（22.5 t/hm2）用量降低最為明顯，但土壤pH值與土壤中的Cd和As的有效性之間沒有明顯的相關性。這可能是因為施用綠肥后，作物根系分泌的有機酸對土壤pH值的影響有限。同時，本研究發現土壤是微堿性土壤，高pH值環境下，Cd的活性較低，而As的活性較高，從而沒有表現出相關性［19］。另外本試驗結果表明，與空白對照相比，土壤中加入光葉苕子后，總體土壤pH值呈現出下降趨勢，酸性變強，這可能是因為光葉苕子施加對作物的根系生長有益，促進根系分泌出更多酸性分泌物［16］，也有可能是光葉苕子的腐解會釋放有機酸物質和CO2，從而導致土壤的pH值下降［42］。通常情況下，土壤的酸堿度（即pH值）下降，將會導致土壤中可溶性鎘（即有效Cd）的含量增加，但本研究的土壤中和G3（22.5 t/hm2）光葉苕子施用量的娃娃菜中有效Cd含量卻顯著降低，主要原因可能是光葉苕子的施加雖然導致土壤酸性變強，有效態Cd風險升高，但是適量光葉苕子的施入會顯著增加土壤有機質含量，有機質與Cd絡合降低其有效性，可以抵消低pH值的影響，從而使可溶態Cd的含量減少。此外，相關性分析結果表明，娃娃菜地上部分和地下部分的Cd含量與土壤pH值呈顯著正相關，由于本研究中土壤pH值下降，并且蔬菜中的Cd含量與土壤pH值呈正相關，因此綜合Cd的含量有所降低。而對娃娃菜As含量的分析發現，G3（22.5 t/hm2）處理對降低娃娃菜地上和地下部分As含量效果同樣最好，相關性分析發現，娃娃菜地上部分As含量與產量、根長、分支數和凈光合速率呈顯著負相關，地下部分As含量與產量、根長和分支數同樣呈顯著負相關，可能光葉苕子G3（22.5 t/hm2）施用量顯著促進了娃娃菜根系的生長發育，促進根系分泌出更多酸性分泌物與以陰離子形式存在的As結合，進而減少了娃娃菜對As的吸收，但對降低土壤有效As效果最好的為G4（30.0 t/hm2）用量，但G4與G3用量無顯著差異，綜合來看仍然推薦G3（22.5 t/hm2）施用量。此外，適當使用綠肥可以明顯增加土壤中的生物多樣性，部分降Cd微生物能夠產生胞外聚合物（EPS），以適應外部環境的變化并吸附重金屬。同時，重金屬脅迫也能夠促進EPS的產生。EPS含有許多功能基團，它們能夠與各種金屬離子之間會產生很強的親和力，吸附或絡合活性重金屬離子［48-50］。綠肥作物靠土壤微生物分解產生有機酸。有機酸的生成會刺激土壤中某些有機物質的形成，這不僅可以增加土壤有機質含量，還可以提高土壤微生物的活躍程度。這些變化會對土壤中As的有效性產生影響。另外，本研究中光葉苕子的施入卻增加了娃娃菜中As轉運系數，轉運量系數越大，地下部向地上部遷移的重金屬越多［51］。光葉苕子的施入卻增加了娃娃菜中As轉運系數，通過增加娃娃菜的生理功能，將As從土壤中吸收并運輸到植物的地上部分。有研究表明，植物對As轉運與土壤原有的重金屬濃度有很大的相關性，不同程度重金屬污染土壤會產生不同的效果，而本研究中的土壤As濃度可能過高，因此造成了娃娃菜As轉運系數的增加［52-53］，相關性分析結果表明，As轉運系數與土壤中有效As的含量呈現顯著的負相關關系，光葉苕子的施入總體上降低了土壤有效As含量，改善作物根系生長發育，而根系生長發育也會在一定程度上增加與重金屬的接觸面積，最終導致土壤中僅存的活性As由根系吸收運送到地上部，導致娃娃菜As轉運系數增加。

4 結論

本研究結果表明，土壤中光葉苕子施入量為 22.5 t/hm2 時可以顯著提高娃娃菜可食用部位產量和物質積累，并提高根系和光合指標，有利于娃娃菜生長，且綜合分析對降低土壤以及蔬菜Cd和As含量效果最佳，可以同時在一定程度上修復Cd、As復合污染土壤，因此推薦在Cd和As復合污染土壤中施用22.5 t/hm2光葉苕子來減少作物對重金屬的吸收。

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