李 通 魏玉蓮 陳士更 丁方軍，4*

(1 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所 沈陽 110016 2 中國科學院大學 北京 100049 3 山東農大肥業(yè)科技有限公司 泰安 271000 4 山東農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 泰安 271018)

含腐植酸風化煤對鎘污染土壤理化性質及小白菜生理指標的研究

李 通1，2魏玉蓮1陳士更3丁方軍3，4*

(1 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所 沈陽 110016 2 中國科學院大學 北京 100049 3 山東農大肥業(yè)科技有限公司 泰安 271000 4 山東農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 泰安 271018)

采用盆栽試驗，研究含腐植酸風化煤對鎘(Cd)污染土壤蔬菜系統(tǒng)，土壤理化性質以及小白菜生理指標的影響。結果顯示，含腐植酸風化煤對Cd污染土壤中全氮含量影響不明顯；但可以增加速效磷含量和根系陽離子交換量?；罨暮菜犸L化煤可以增加速效鉀含量；更有利于增大SPAD值。因此含腐植酸風化煤能改善Cd污染土壤理化性質，促進植株健康生長，以活化含腐植酸風化煤為佳。關鍵詞：腐植酸 風化煤 小白菜 土壤理化性質 鎘

鎘(Cd)是一種非必需且生物毒性最強的重金屬元素，是土壤環(huán)境中的重要污染物，Cd污染所引發(fā)的土壤生態(tài)功能破壞和農產品安全等問題日益受到各界人士的高度關注。Cd不僅直接毒害土壤微生物和植物，破壞土壤生態(tài)結構，還可以通過食物鏈遷移轉化，危害人類身體健康[1]。蔬菜是人們日常生活中不可缺少的食物來源，也是十分重要的經濟作物。蔬菜對重金屬具有一定的富集能力，其體內累積的重金屬通過食物鏈進入人體以后，會給人類身體健康帶來潛在的危害。而含腐植酸風化煤可以促進植物正常生長發(fā)育，抑制重金屬在植株體內的遷移富集，增強植物的抗逆性[2]，同時具有改良土壤、保護土壤生態(tài)環(huán)境等功能[3]。

本研究采用小白菜盆栽試驗，探討了不同濃度Cd污染條件下活化和未活化的含腐植酸風化煤對土壤理化性質及小白菜生理指標的研究，測定并分析兩種含腐植酸風化煤對土壤全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量變化以及對小白菜根系陽離子交換量、游離脯氨酸、SPAD值的影響，旨在為含腐植酸風化煤在肥料領域和無公害蔬菜生產應用上提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為山東常見的棕壤，采自山東肥城農業(yè)科技試驗田，取0～20 cm表層土壤，將新鮮土壤去除動植物殘體、礫石，自然風干，過2 mm篩，置于聚乙烯袋中，放于干燥陰暗處備用。供試土壤基本理化性質見表1。由于不同地區(qū)所處地質背景不同，導致一些地區(qū)土壤中Cd背景濃度明顯高于正常背景值，一般石灰土中Cd含量最高平均0.332 mg/kg，再因受大量施用含有重金屬的農藥和農肥，造成大面積良田受到重金屬Cd的污染。

1.2 供試含腐植酸風化煤

HA1由未經活化的含腐植酸風化煤進行人工處理制得，即采用氫氧化鉀和熔融尿素的活化及絡合工藝，對風化煤中的惰性腐植酸進行脲堿雙效活化；HA2為未經活化的含腐植酸風化煤(由新疆雙龍腐植酸有限公司提供)。兩種含腐植酸風化煤基本理化性質見表2。

表1 供試土壤的基本理化性質Tab.1 Basic physicochemical property of test soil

表2 供試含腐植酸風化煤的基本理化性質Tab.2 Basic physicochemical property of tasted weathered coal including humic acid

1.3 供試作物

供試作物為白菜[Brassica campestris L. ssp.chinensis (L.) Makino. var. communis Tsen et Lee]，品種名為“四季小白菜”。

1.4 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，設外源性Cd污染為主處理，施加含腐植酸風化煤為副處理。參照任學軍等[6]的不同濃度腐植酸對小麥生長效應的研究，共設置了3、10 mg/kg 2個Cd濃度水平(Cd污染土壤采用人工模擬外源施加的方法制備：以3CdSO4·8H2O作為外源Cd，將其配成所需的2個濃度水平，向每盆供試土壤中澆入200 mL含Cd的水溶液，自然淋溶混合)，人工Cd污染土壤于自然條件下放置15天，老化后備用。施用活化的含腐植酸風化煤(HA1)和未活化的含腐植酸風化煤(HA2)2類，各設2、4 g/kg 2個不同添加量水平。試驗共設置了10個處理，每個處理4次重復，共計40個。具體試驗方案見表3、表4。

表3 3 mg/kg Cd外源污染水平下處理組Tab.3 The treatment group under 3 mg/kg Cd external pollution level

表4 10 mg/kg Cd外源污染水平下處理組Tab.4 The treatment group under 10 mg/kg Cd external pollution level

該盆栽試驗于2015年4月份在山東農大肥業(yè)科技有限公司試驗田大環(huán)境中進行(使得生長條件更接近于大田的自然生長狀態(tài))，選擇直徑12 cm，高20 cm的塑料花盆，按含腐植酸風化煤不同添加量分別與2.5 kg人工污染土壤摻混均勻，將前期用育苗缽培育的小白菜幼苗移栽在盆中央，不再外源施加任何肥料。每盆移栽2棵幼苗，用16 g左右土加以覆蓋。生長周期為35～37天，整個周期以自來水澆灌，保持田間持水量為75%左右[7]。

整個試驗過程共計下雨4次，降雨量約為32～35 mm，每個處理的澆水量為150毫升/(次·盆)，澆水共計7次。

1.5 測定指標與方法

1.5.1 植物樣品采集

于小白菜收獲(生長37天)時，采集地上部和地下部，用自來水和去離子水清洗干凈葉片和根部后，備用。

1.5.2 土壤樣品采集與測定

根據小白菜的生長周期，分別于試驗第0、17、37天，每盆按多點法采集盆中0～10 cm的土壤，相同處理的土壤樣品混合后，作為1個土壤樣品，風干，研磨，分別過1 mm和0.15 mm篩，留存?zhèn)溆谩?/p>

1.5.3 土壤性質的測定

土壤全氮、速效磷、速效鉀以及土壤CEC均采用農化常規(guī)分析方法進行測定[4]。

1.5.4 小白菜生理指標的測定

小白菜體內游離脯氨酸含量采用植物生理指導手冊試驗方法[8]、根系陽離子交換量、根系活力采用農化分析常規(guī)方法[4]，葉綠素相對含量(SPAD)讀值采用手持式葉綠素儀(SPAD-502 PLUS葉綠素計)。

1.5.5 數據處理分析

采用SPSS 19.0中文版和Excel 2003對記錄的試驗數據進行處理與t檢驗，并做顯著性差異性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤性質

2.1.1 全氮

土壤中的全氮含量代表著土壤氮素的總貯量和供氮潛力，是土壤肥力的主要指標之一，對土壤供給植株所需的養(yǎng)分有重要作用[9]。對在Cd脅迫條件下的土壤施加不同含量活化的含腐植酸風化煤和未活化的含腐植酸風化煤，對土壤中的全氮含量影響不明顯，在3 mg/kg的Cd脅迫水平下，在2HA1+3Cd處理第17天較CK1+3Cd處理對氮素吸收較為顯著。與4HA1+3Cd處理相比可知，2HA1+3Cd處理下氮素可以供植株在3 mg/kg Cd脅迫水平下的正常生長。而在10 mg/kg Cd脅迫水平下，4HA1+10Cd處理較2HA1+10Cd處理差異顯著，土壤全氮含量減少2.62%，表明在10 mg/kg的Cd脅迫下需要增加腐植酸含量才能保證土壤正常全氮含量。而其他各處理全氮含量變化不大，未經活化的含腐植酸風化煤較活化的含腐植酸風化煤對Cd脅迫下的土壤全氮含量變化差異顯著性不明顯。見圖1。

圖1 不同生長時期土壤全氮含量Fig.1 Soil total nitrogen content in different growth periods

2.1.2 土壤速效磷

土壤速效磷是土壤有效磷貯庫中對作物最為有效的部分，能直接供作物吸收利用，因此是評價土壤供磷能力的重要指標[10]，在3 mg/kg Cd和10 mg/kgCd脅迫水平下，含腐植酸風化煤第17天檢測對速效磷含量幾乎沒有影響。在10 mg/kgCd脅迫水平下，第37天2HA1+10Cd處理，2HA2+10Cd處理，4HA1+10Cd處理，4HA2+10Cd處理較CK2+10Cd處理，速效磷含量分別增加8.27%、6.51%、12.5%、8.19%。由于植物的中后期會吸收大量營養(yǎng)物質，從而說明含腐植酸風化煤對磷的釋放增加有重要作用，在Cd脅迫條件下，活化的含腐植酸風化煤較未活化的含腐植酸風化煤有較好的解磷作用。見圖2。

2.1.3 土壤速效鉀

土壤速效鉀是指易被作物吸收利用的鉀，其中90%以交換性鉀形態(tài)吸收在土壤膠體表面，約10%為水溶性鉀，存在于土壤溶液中[11]。鉀是植物生長發(fā)育所需的大量元素，速效鉀對植物的鉀素營養(yǎng)狀況有直接影響，其含量高低是判斷土壤鉀素豐缺的重要指標。在3 mg/kgCd脅迫條件下，2HA1+3Cd處理和4HA1+3Cd較2HA2+3Cd和4HA1+3Cd與CK1+3Cd處理的第37天速效鉀含量相比明顯增加，含腐植酸風化煤對在重金屬Cd脅迫下的土壤速效鉀含量雖然前中期無顯著變化，但后期明顯增強，活化的含腐植酸風化煤較未活化的含腐植酸風化煤增加作用更加明顯。見圖3。在10 mg/kg Cd脅迫條件下，4HA1+10Cd處理、2HA1+10Cd處理與4HA2+10Cd處理、2HA1+10Cd處理分別較CK2+10Cd處理第17天速效鉀含量增加，隨生長時間的推進，由于重金屬Cd的脅迫作用，未活化腐植酸并未起到解鉀的作用，但活化風化煤腐植酸可以增加速效鉀含量，與先前報道一致[12，13]。

圖2 不同生長時期土壤速效磷含量Fig.2 Available phosphorus content of soil in different growth periods

圖3 不同生長時期土壤速鉀含量Fig.3 Soil available potassium content in different growth periods

2.2 小白菜生理指標

2.2.1 根系陽離子交換量

根系陽離子交換量是指100 g干根所吸收的陽離子的毫克量當量數。試驗表明，在3 mg/kg Cd脅迫條件下，空白處理較10 mg/kg Cd脅迫條件下的空白處理差異顯著，說明Cd脅迫影響根系陽離子交換量，對于3 mg/kg Cd脅迫條件的處理，4HA1+3Cd處理和4HA2+3Cd對其處理的結果一致性較大，在2HA1+3Cd處理下較CK1+3Cd處理增加146.3%。對于10 mg/kg Cd的處理條件下，2HA1+10Cd處理和4HA1+10Cd處理較2HA2+10Cd處理和4 HA2+10Cd處理根系陽離子交換量都明顯呈現(xiàn)增加趨勢。2種濃度Cd脅迫條件下，4HA1+3Cd處理，4HA1+10Cd處理分別較4HA2+3Cd處理，4HA2+10Cd處理都有較明顯的增加效應。見圖4。

圖4 不同處理小白菜根系陽離子交換量Fig.4 CEC contents of Chinese cabbage root in different treatments

2.2.2 游離脯氨酸

在逆境條件下(旱、鹽堿、熱、冷、凍、重金屬脅迫)，植物體內脯氨酸的含量顯著增加。植物體內脯氨酸含量在一定程度上反映了植物的抗逆性，抗旱性強的品種往往積累較多的脯氨酸[14]。因此，測定脯氨酸含量可以作為抗重金屬鹽害的生理指標。在重金屬鹽脅迫條件下，脅迫越嚴重，植物組織中脯氨酸含量增加越快。脯氨酸需維持一定水平，否則會影響作物的正常生長能力。試驗表明，在3 mg/kg Cd脅迫條件下，4HA1+3Cd處理和4HA2+3Cd處理下脯氨酸含量最低，表明4HA1+3Cd處理和4HA2+3Cd處理效果相當，而2HA1+3Cd處理較2HA2+3Cd處理顯著。在10 mg/kg Cd脅迫下，4HA1+10Cd處理較4HA2+10Cd處理差異性顯著，表明4HA1+10Cd處理較4HA2+10Cd處理對重金屬鹽脅迫有抑制作用，且42HA1+10Cd處理較2HA1+10Cd處理的差異性顯著。見圖5。

2.2.3 SPAD值

SPAD值是指葉綠素的相對含量，SPAD值跟植物葉綠素含量是相關的，所以只要測量植物葉片的SPAD值變化，就能知道葉綠素含量的變化趨勢。在Cd脅迫條件下植物的生長會受到抑制，葉綠素含量也會受到影響。通過試驗表明，施加HA1和HA2對葉綠素含量都有顯著效果，但在3 mg/kg Cd脅迫條件下，4HA2+3Cd處理較2HA2+3Cd處理對葉片的SPAD值無顯著變化，表明葉片在3 mg/kg Cd脅迫條件下，在2 g/kg HA2處理與4 g/kg HA2處理的生長效應相近，葉綠素含量也相近，其中4HA1+3Cd處理SPAD值為42.5，而在10 mg/kg Cd脅迫條件下，4HA1+10Cd處理SPAD值為39，較CK1與CK2的SPAD值顯著增加，說明隨Cd濃度的增加，SPAD值隨之降低；但HA1和HA2的施入卻可以增加SPAD值，促進葉綠素含量的增加，但關于含腐植酸風化煤對Cd脅迫的最佳處理施入量還需要進一步試驗探討。見圖6。

圖5 不同處理小白菜體內游離脯氨酸含量Fig.5 Free proline content of Chinese cabbage in different treatments

圖6 不同處理小白菜SPAD值Fig.6 SPAD value of Chinese cabbage in different treatments

2.2.4 根系活力

根際是重金屬進入植物體內主要的通道和屏障，有效調控重金屬在土壤—植物系統(tǒng)中的遷移，對提高重金屬污染土壤的改良和保障農產品質量安全至關重要。根際土壤環(huán)境是土壤、植物根系和微生物的復合體系[15]，重金屬在植物根際土壤中的傳輸受該系統(tǒng)中多層次微界面的控制，主要包括土壤固液界面，土壤—微生物界面以及土壤—植物根系界面等。由于界面反應的復雜性，無論在理論上還是方法上都有許多問題需要另外進行探討。根的生長情況和活力水平直接影響植物個體的生長情況，營養(yǎng)狀況和產量水平。植物的根與地上部的生長具有相關性，一方面二者相互依賴，即根負責從土壤中吸收水分，礦物質，有機質以及合成少量的有機物，細胞分裂素等供地上部所用，而地上部則供給根生長所必需的糖類、維生素等[13]。一般而言，根系發(fā)達，地上部分生長良好。另一方面二者相互制約，主要表現(xiàn)在對水分，營養(yǎng)等的爭奪上，并從根冠比的變化上反映出來。試驗表明，在3 mg/kg Cd脅迫條件下，2HA1+3Cd處理和4HA1+3Cd處理無顯著性差異，說明2 mg/kg HA1和4 mg/kg HA1處理效果一致，根系活力相當，但與CK1+3Cd處理差異性顯著，進而說明2 g/kg HA1或者更低濃度就可以保持3 mg/kg的Cd脅迫條件下根系正常營養(yǎng)的吸收；而10 mg/kg的Cd脅迫條件下，施加HA1和HA2也能提高和改善根系活力，但是4HA1+10Cd處理和4HA2+10Cd處理間差異不顯著，與CK2+10Cd處理差異性顯著，因此在3 mg/kg Cd脅迫條件下施加活化的腐植酸可有效提高根系活力，增加在Cd脅迫下營養(yǎng)元素的正常吸收有重要作用，但在10 mg/kgCd脅迫條件下，腐植酸對于根系活力改善的最適宜濃度有待進一步試驗驗證。見圖7。

圖7 不同處理小白菜根系活力Fig.7 Root activity of Chinese cabbage in different treatments

3 結論與討論

(1) 未活化含腐植酸風化煤對Cd脅迫下的土壤全氮含量變化差異顯著性不明顯?；罨暮菜犸L化煤較未活化含腐植酸風化煤有較好的解磷作用。含腐植酸風化煤對在重金屬Cd脅迫下處理比空白處理中的速效鉀有明顯的增加作用，雖然前中期無顯著變化，但后期明顯增強。

(2) 2種濃度Cd脅迫條件下，4HA1+3Cd處理，4HA1+10Cd處理分別較4HA2+3Cd處理，4HA2+10Cd處理小白菜根系陽離子交換量都有較明顯的增加效應。對于小白菜體內游離脯氨酸含量，在2HA1+3Cd處理較CK1+3Cd處理增加146.3%。4HA1+10Cd處理較4HA2+10Cd處理更能抑制重金屬鹽脅迫，且4HA1+10Cd處理較2HA1+10Cd處理的差異性顯著，若要提高作物在10 mg/kg Cd脅迫條件下的生長力則還需進一步試驗探討合適的腐植酸濃度。同濃度條件下，活化腐植酸較未活化腐植酸更有利于增大SPAD值，促進葉綠素含量的增加、光合能力的提高。

(3) 在3 mg/kg Cd脅迫條件下施加活化的腐植酸可有效提高根系活力，對增加在Cd脅迫下營養(yǎng)元素的正常吸收有重要作用，但在10 mg/kg Cd脅迫條件下，腐植酸對于根系活力的改善的最適宜濃度有待進一步試驗驗證。

試驗表明，在Cd脅迫條件下，活化的含腐植酸風化煤較未活化的含腐植酸風化煤有較好的解磷作用，活化的含腐植酸風化煤可以增加速效鉀含量，可以有效增加小白菜體內游離脯氨酸的含量，并能增加其根系活力和根系陽離子交換量。因此，在Cd污染脅迫條件下，活化的含腐植酸風化煤對改善土壤理化性質和促進小白菜生長具有重要作用。

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會員需求是協(xié)會服務的著力處

2017年9月10日，山東創(chuàng)新腐植酸科技股份有限公司孫明廣董事長一行2人專程到訪協(xié)會，與協(xié)會法定代表人、名譽會長曾憲成針對該公司腐植酸醫(yī)藥下一段工作方向進行了座談。

會談中，雙方就以下5個方面的問題進行了深入交流：(1) 締造腐植酸提質增效中醫(yī)藥工程；(2) 通過腐植酸醫(yī)藥應用研究，破解中西醫(yī)理論交鋒的困局；(3) 創(chuàng)立腐植酸食品保健品提質工程；(4) 深度開發(fā)腐植酸日用護膚品系列產品；(5) 抓緊研發(fā)腐植酸抗腫瘤、抗癌藥物。

曾會長針對孫董事長現(xiàn)場提出需要協(xié)會提供腐植酸醫(yī)藥文獻的要求，即時安排《腐植酸》雜志編輯部，迅速匯集整理相關的資料并集錄成冊，及時方便會員單位使用。2017年是協(xié)會“增值服務年”，協(xié)會將本著想會員所想、急會員所急的宗旨，以會員需求為第一出發(fā)點和著力處，全面提升協(xié)會服務能力，加快推進腐植酸醫(yī)藥產業(yè)快速發(fā)展。

(中腐協(xié)秘書處 供稿)

Study on Physicochemical Properties of Cadmium Contaminated Soil and Physiological Indexes of Chinese Cabbage by the Weathered Coal Including Humic Acid

Li Tong1,2, Wei Yulian1, Chen Shigeng3, Ding Fangjun3,4*
(1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, 110016 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049 3 Shandong Agricultural University Fertilizer Science Technology Co. Ltd., Taian, 271000 4 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian, 271018)

Pot experiment was conducted to study the effects of the weathered coal including humic acid on the soil physicochemical properties and the physiological indexes of Chinese cabbage under cadmium (Cd) pollution in soil-vegetable system. The results showed that，under Cd stress, the weathered coal including humic acid had not obvious effect for the total nitrogen content, but could increase the available hosphorus content, and improve the cation exchange capacity of the root. Activation of the weathered coal including humic could increase the available potassium content, and be more conducive to the increase of SPAD. Therefor the weathered coal including humic acid could improve soil physicochemical properties of the Cd contaminated, promote the growth of plant health, and the activated weathering coal including humic acid was preferred.

humic acid; weathered coal; Chinese cabbage; soil physicochemical properties; cadmium

TQ314.1，S634.3

1671-9212(2017)05-0026-09

A

10.19451/j.cnki.issn1671-9212.2017.05.006

國家自然科學基金項目(項目編號31370514)；山東省重點研發(fā)計劃“新型土壤調理劑關鍵技術研發(fā)與應用”(項目編號2015GGH310001)；山東省自主創(chuàng)新專項“新型多功能微生物肥料研制”(項目編號2014ZZCX07302)。

2016-10-24

李通，男，1992年生，在讀碩士研究生，主要從事生物多樣性方面的研究。*通訊作者：丁方軍，男，教授，E-mail：dfj403@163.com。