氮沉降對萵筍吸收地質高背景區土壤鎘的影響

摘 要 氮沉降作為我國重要的環境問題之一，直接影響土壤的酸堿度。我國西南喀斯特地區具有較高的鎘背景值，鎘在土壤中的遷移性和毒性與其形態密切相關，而土壤pH值是影響鎘形態的重要因素。因此，深入研究氮沉降對地質高背景區鎘的遷移轉化，不僅對環境保護至關重要，而且直接關系到人類健康。以萵筍為研究對象，采用盆栽試驗控制，在鎘污染土壤上噴施硝酸銨鈣模擬氮沉降，試驗設置了3個氮添加水平，低氮（N5，5 g·m-2·a-1）、中氮（N15，15 g·m-2·a-1）、高氮（N30，30 g·m-2·a-1），同時設置1組對照（N0，0 g·m-2·a-1）。施氮處理結束后，采集土壤和萵筍測定土壤pH值、鎘形態、土壤和萵筍中鎘含量等指標，研究氮沉降對萵筍吸收土壤鎘的影響。結果表明：1）不同氮添加水平對土壤pH值的影響不顯著。2）對照處理下，土壤可交換態鎘占比為40%，而氮沉降處理下其占比范圍為24%～27%，相比對照組，不同氮添加水平下可交換態鎘含量有明顯下降。3）不同氮添加水平處理下土壤鎘含量無明顯差異，而萵筍鎘含量均下降明顯。4）氮沉降通過降低土壤中可交換態鎘含量，減少萵筍對地質高背景區土壤鎘的吸收。

關鍵詞 氮沉降；地質高背景；土壤鎘含量；萵筍

中圖分類號：S152；X503.23 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.05.014

隨著工業和農業的發展，人類活動釋放大量活性氮，改變了全球和人類生活區域的氮循環與供應方式[1]。排放到大氣中的大量含氮化合物，經一系列的物理化學轉化遷移過程之后，會以干濕沉降的方式重新返回到水體和陸地當中，從而帶來了一系列環境問題。其中，氮沉降通過影響土壤pH值導致土壤酸化，是造成上述環境問題的重要因素之一。貴州省是中國西南喀斯特分布區的中心，碳酸鹽巖出露面積達到73%[2]，土壤Cd背景值可達0.659 mg·kg-1[3]，是全國Cd背景值的9.1倍[4]，具有較高的背景值特征。然而，研究表明，該地區土壤鎘含量整體上處于“高地質背景、低污染風險”的水平[5]。pH值作為土壤最重要的理化性質之一，其變化會導致重金屬的吸附點位、吸附表面的穩定性、存在形態及配位性能等發生改變，其中對形態的影響是導致其生物有效性發生變化的最直接原因[6]。因此，土壤pH值的改變必然影響重金屬的生物有效性。如劉賀永等研究揭示高氮沉降會顯著降低草地土壤pH值，進而導致土壤酸化，加速重金屬元素的釋放和遷移[7]。張煒華等認為土壤酸度的升高會影響絕大多數重金屬在土壤中的遷移能力和形態變化，給土壤環境帶來危害[8]。然而，氮沉降是否會影響地質高背景區的鎘遷移轉化尚不明確。

萵筍是貴州當地主要種植的蔬菜之一，不同種類蔬菜對鎘的積累存在較大差異，與辣椒、蘿卜、小白菜、黃瓜等蔬菜相比，萵筍對鎘的積累更為顯著[9]。當農作物吸收鎘含量超過其可承受范圍時，農產品的質量安全將面臨威脅。這些鎘可通過食物鏈進入人體，損傷免疫系統，進而引發多種疾病，對人體健康造成危害[10]。在鎘高背景值地區，氮沉降對萵筍吸收鎘有何影響是迫切需要回答的科學問題。基于此，本試驗以萵筍為研究對象，通過模擬氮沉降，探究其對萵筍吸收土壤鎘的影響，重點關注pH值、土壤鎘形態、土壤鎘和萵筍中鎘含量等指標方面的變化，探討氮沉降對萵筍在地質高背景區吸收鎘的潛在影響及原因。

1" 材料與方法

1.1" 研究區概況和供試材料

本試驗在貴州師范學院（26°57′N，106°71′E）進行，該區域平均海拔1 242 m，年平均氣溫14.6 ℃，年均降水量1 179.8～1 271.0 mm，全區氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候。

試驗選取高產綠肉萵筍春秋季蔬菜種子，將種子放入涼水中浸泡6～7 h后，用濕紙巾包裹，放在20～25 ℃的環境中催芽，直至種子露白率達80%。播種前晾曬2 d，清水浸泡之后備用。

供試土壤采自貴州省畢節市威寧縣猴場鎮（26°71′N，104°70′E ），具有高鎘背景（鎘含量為7.16 mg·kg-1），海拔1 745 m ，采集表層（0～20 cm）土壤，去除植物殘枝等，置于實驗室陰涼處風干，磨碎過10目尼龍篩，混勻之后用于盆栽試驗。土壤基本理化性質：土壤pH值為7.57，有機質含量5.3 g·kg-1，全氮含量0.17 g·kg-1，鎘含量7.16 mg·kg-1，容重1.53 g·cm-3，砂粒18.6%，粉粒28.6%，黏粒5.8%。

1.2" 試驗設計

本項目選用18 cm×15 cm×22 cm加侖花盆進行盆栽試驗，花盆盆口面積為380 cm2。以貴州干濕氮沉降總和低于全國平均氮水平15 g·m-2·a-1為依據[11]，試驗設計4種處理，分別為空白（N0，0 g·m-2·a-1），低氮（N5，5 g·m-2·a-1），中氮（N15，15 g·m-2·a-1），高氮（N30，30 g·m-2·a-1），每種處理3個重復，共計12盆，每盆土壤干重為2.5 kg。試驗于2021年11月初開始，待萵筍苗長出5片以上真葉進行移栽，每盆定植1株，移栽后根據不同處理開始噴施氮肥，至2022年6月初結束。以硝酸銨鈣[5Ca（NO3）2·NH4NO3·10H2O]為氮源，按每個處理梯度稱取相應質量的硝酸銨鈣。每半月進行1次噴施，將氮肥溶解在250 mL的自來水中，然后用噴壺均勻地噴灑在土壤上，總共進行12次噴施。試驗過程正常澆水，為防止土壤鎘流失，每次澆水時應當避免水分滲漏。為避免肥料施加對本試驗的影響，在萵筍生長期間，未施加其他肥料。

1.3" 樣品采集和測試方法

試驗處理于2022年6月初結束，待萵筍成熟后（肉質莖形成，抽薹），根據4種不同處理分類收集莖桿，自來水清洗干凈后用去離子水潤洗，使用陶瓷刀剔除莖皮組織，破碎后放于105 ℃烘箱中殺青0.5 h，在80 ℃下烘干至恒質量，稱質量后，裝入密封袋中，待測。采集萵筍根際土壤自然風干后混勻，四分法取土壤樣品研磨，研磨后保存備用。

土壤pH值：參照鮑士旦的方法[12]，用pH計測定（水土比為2.5∶1）。

土壤鎘形態：借鑒 Tessier土壤金屬元素BCR連續提取法提取重金屬鎘的形態[13]，然后用原子吸收分光光度計測定其含量。

土壤全鎘含量：按《土壤質量鉛、鎘的測定》（GB/T 17141—1997）中的方法測定。

萵筍鎘含量：稱取固體干樣0.3～0.5 g（精確至0.1 mg）于瓷坩鍋中，小火炭化至無煙，移入馬弗爐500 ℃灰化6～8 h，冷卻。用硝酸溶液將灰分溶解，移入25 mL容量瓶中定容，用原子吸收分光光度計測定。

1.4" 數據處理

采用Excel 2016和SPSS 26.0軟件對數據進行統計分析。應用ANOVA分析比較不同氮添加水平對土壤pH值、鎘含量、鎘形態和萵筍鎘含量等指標的影響，并對各處理進行Post-Hoc檢驗。數據表示為平均值±標準差。

2" 結果與分析

2.1" 氮沉降對土壤pH值的影響

由圖1可知，N0、N5、N15和N30處理下土壤pH值分別為7.56、7.54、7.53和7.46。方差分析表明，和空白比，各處理下土壤pH值差異不顯著（p＞0.05）。

2.2" 氮沉降對土壤鎘形態的影響

圖2為不同氮添加水平下土壤中不同鎘形態含量占比。對照組土壤有機結合態鎘占比11%，而N5、N15、N30處理條件下，土壤有機態鎘含量分別為15%、12%、11%，與N0相比沒有明顯變化（p＞0.05）。N0條件下土壤可交換態鎘占比40%，N5、N15和N30可交換態鎘占比分別為24%、27%和25%，不同氮添加水平下可交換態鎘含量均有明顯下降（p＜0.05）。此外，與對照組相比，其他形態鎘的百分比均呈現不同程度的增加，其中殘渣態鎘上升了2%～7%，鐵錳氧化物結合態鎘上升了3%～6%，碳酸鹽結合態鎘上升了2%～5%。

2.3" 氮沉降對土壤鎘和萵筍鎘的影響

萵筍地上部莖肉和土壤中鎘含量的測定結果見圖3。在對照組中，土壤的鎘含量為5.33 mg·kg-1；N5、N15、N30處理條件下，土壤鎘含量分別為5.35 、5.53 、5.49 mg·kg-1。與對照組相比，土壤的鎘含量無明顯差異（p＞0.05）。不施加氮（N0）處理下，萵筍的鎘含量為2.8 mg·kg-1；N5、N15、N30處理條件下，萵筍鎘含量分別為2.1 、2.4 、1.5 mg·kg-1。與N0相比，不同氮添加水平下萵筍鎘含量均有明顯下降（p＜0.05）。

3" 討論和結論

3.1" 討論

3.1.1" 氮沉降對土壤 pH值的影響

pH值作為土壤最重要的理化性質之一，其變化會導致重金屬的吸附點位、吸附表面的穩定性、存在形態及配位性能等發生改變，其中，對形態的影響是導致其生物有效性發生變化的最直接原因[6]。本研究中，N0、N5、N15和N30處理下土壤pH值分別為7.56、7.54、7.53和7.46。方差分析表明，不同氮添加水平對土壤pH值的影響不顯著（p＞0.05）。氮沉降對土壤pH值的影響并沒有明確的結論，如氮沉降既能導致土壤酸化[14-16]，也能促進土壤pH值的升高[17]。在本研究中，隨著氮添加水平的提高，土壤pH值整體呈下降趨勢，但差異并不顯著。可能的原因在于植物吸收NH4+，其體內的 H+ 會釋放到土壤中，導致土壤pH值下降[18-19]；然而在堿性土壤中，高pH值使NH4+轉化為NH3揮發到大氣中，無法被植物吸收。此外，本研究中氮主要以NO3-的形式添加，施加硝態氮肥可促進植物體內OH-的釋放，以維持土壤酸堿度的平衡[20-21]。

3.1.2" 氮沉降對土壤鎘形態的影響

重金屬鎘在土壤中的存在形態較多，包括殘渣態和非殘渣態，非殘渣態包含可交換態、鐵錳氧化物結合態、碳酸鹽結合態和有機結合態，其中，有機結合態鎘和可交換態鎘是作物吸收鎘的主要形式。本研究中，相比對照組，土壤可交換態鎘下降趨勢明顯，對有機結合態鎘影響不明顯，而其他各種形態鎘均有所增加。土壤 pH值對鎘形態有重要的影響，不同pH值條件下，不同形態鎘含量占比有所不同，導致其生物有效性、遷移性及毒性發生變化，特別在土壤-作物體系中，直接影響著鎘的遷移轉化能力[22-23]，如可交換態鎘隨著土壤pH值的增高而下降[24-26]。盡管本研究中氮沉降對土壤pH值未產生明顯影響，但可交換態鎘含量卻顯著下降，可能是因為供試土壤為堿性，且氮主要以NO3-的形式加入。施加硝態氮肥可促進植物體內OH-的釋放[20-21]，在堿性環境中，使土壤中可交換態鎘增加了與OH-結合生成Cd（OH）2沉淀的機會，進而導致土壤中可交換態鎘的濃度降低，具體的原因有待進一步研究。

3.1.3" 氮沉降對萵筍吸收土壤鎘的影響

貴州省是中國西南喀斯特分布區的中心，具有較高的鎘背景值特征。氮沉降對土壤酸堿度產生直接影響，有可能改變土壤中重金屬形態，使其從穩定的殘渣態轉變為非殘渣態，更有利于作物的吸收。但本研究中，與對照組相比，經N5、N15和N30處理后土壤鎘含量分別為5.35 、5.53 、5.49 mg·kg-1，差異不顯著（p＞0.05），表明土壤中鎘的含量水平在短期內相對穩定且難以受到影響[27]。然而，與土壤中的鎘情況不同的是，不同氮添加水平下萵筍鎘含量均下降明顯。蔬菜對鎘的吸收、轉運和積累受土壤中鎘的質量分數和有效性影響，但重金屬在環境中的毒性、遷移性和生物有效性主要取決于化學形態/價態及其轉化過程而非其總濃度。綜合前文所述，本研究中萵筍鎘含量下降的原因可能是，在堿性土壤環境中，施加硝態氮可促進植物體內OH-的釋放，使土壤中可交換態鎘增加了與OH-結合生成Cd（OH）2沉淀的機會，進而導致土壤中可交換態鎘的含量降低。在同為堿性土壤的研究中發現，硝態氮肥更有利于維持土壤 pH值和低的有效態鎘水平，可緩解鎘誘導的光合抑制和氧化脅迫，減輕鎘對小白菜的生長脅迫，并有利于降低作物體內鎘的含量[20]。值得注意的是，本研究模擬氮沉降以硝態氮為主，與上述的研究結果類似。

3.2" 結論

1）不同氮添加水平對土壤pH值的影響不顯著。

2）對照組處理下，土壤可交換態鎘占比為40%，而氮沉降處理下其占比范圍為24%～27%，相比對照組，不同氮添加水平下可交換態鎘含量有明顯下降。

3）不同氮添加水平處理下土壤鎘含量無明顯差異，而萵筍鎘含量均下降明顯。

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（責任編輯：易" 婧）

收稿日期：2024-10-08

基金項目：國家自然科學基金項目（42071142）；貴州師范學院2021年度校級科學研究基金博士項目（2021BS023）。

作者簡介：呂文強（1982—），博士，副教授，主要從事環境地球化學研究。 E-mail： lvbuwei123@126.com。