段明夢(mèng),王 帥,黃道友*,許 超,王 輝,李佰重,龍世方,朱奇宏
(1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410125;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025)
目前,我國(guó)土壤Cd污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重,2014年由原環(huán)境保護(hù)部和原國(guó)土資源部公布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[1]顯示,土壤Cd點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年生產(chǎn)的Cd超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品達(dá)150萬(wàn)t[2]。在造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí),農(nóng)產(chǎn)品和土壤中的Cd通過(guò)食物鏈的富集作用進(jìn)入動(dòng)物和人體,對(duì)人類和動(dòng)物的生命健康構(gòu)成巨大威脅,Cd污染土壤修復(fù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
植物修復(fù)由于治理成本低、對(duì)環(huán)境友好、兼具美學(xué)特點(diǎn),被認(rèn)為是具有廣泛應(yīng)用前景的修復(fù)技術(shù)[3]。其中,植物提取修復(fù)是植物修復(fù)的重要方法之一,而強(qiáng)化植物提取修復(fù)效率的關(guān)鍵在于提高植物生物量及植物中的Cd含量[4]。通過(guò)施加螯合劑可促使重金屬離子從土壤固相釋放到土壤溶液中,提高土壤中重金屬的活性,進(jìn)而增加植物對(duì)其吸收和富集[5-6]。目前應(yīng)用最為廣泛的螯合劑有兩類[7]:氨基多羧酸類螯合劑和低分子有機(jī)酸。氨基多羧酸類螯合劑(如乙二胺四乙酸、乙二胺二琥珀酸等)修復(fù)效率高,但也有降解難、毒性高、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大等弊端[8];低分子有機(jī)酸(如草酸、檸檬酸等)易降解、不易產(chǎn)生二次污染[9-10],是一種環(huán)境友好型的螯合劑。有機(jī)肥也被用于強(qiáng)化植物修復(fù)研究中。一方面,有機(jī)肥作為一種肥料,能促進(jìn)植物生長(zhǎng),提高植物生物量;另一方面,有機(jī)肥中的水溶性有機(jī)物(DOM)充當(dāng)了重金屬污染物的配位體,與土壤中重金屬離子形成水溶性絡(luò)合物,可提高土壤中重金屬的活性[11-13]。
低分子有機(jī)酸和有機(jī)肥中的可溶性成分易降解、不易產(chǎn)生二次污染,是環(huán)境友好型的活化材料。然而,其快速降解限制了去除重金屬的效果[14]。Wen等[15]研究發(fā)現(xiàn),檸檬酸 1~4 d降解 20%,20 d降解70%;王艮梅等[16]報(bào)道,污泥、豬糞、蠶豆綠肥施加到潮土和紅壤中,DOM在3周內(nèi)平均降解率為47%~84%。因此,改變易降解有機(jī)物的施加方式,延長(zhǎng)易降解有機(jī)物在土壤中的存留時(shí)間對(duì)提高植物修復(fù)效率具有重要作用。
高粱耐受性較強(qiáng)、生物量大,是一種能有效吸收重金屬的作物[17-18]。因此,本研究選取高粱和Cd污染土壤為研究對(duì)象,研究3種不同的易降解有機(jī)物及其施加方式對(duì)土壤Cd活性及高粱吸收土壤中Cd的影響,為Cd污染農(nóng)田修復(fù)治理提供理論依據(jù)。
供試植物為高粱“阿爾托2號(hào)”,種子由湖南隆平高科耕地修復(fù)技術(shù)有限公司提供。供試的草酸和檸檬酸(分析純AR)購(gòu)于長(zhǎng)沙隆和化玻實(shí)驗(yàn)用品有限公司。水溶性有機(jī)肥購(gòu)于湖南省長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)東湖路的農(nóng)資市場(chǎng),其基本性質(zhì)如下:有機(jī)質(zhì)≥43%,N+P2O5+K2O≥12%,Cd含量為0.14 mg·kg-1。供試土壤取自湖南省長(zhǎng)沙縣北山鎮(zhèn),為花崗巖發(fā)育的麻沙泥,其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
基于前期試驗(yàn)結(jié)果,確定本試驗(yàn)中易降解有機(jī)物草酸(OA)和檸檬酸(CA)的施加濃度為2 mmol·kg-1,水溶性有機(jī)肥(DOF)1 g·kg-1。本研究采用盆栽試驗(yàn),共設(shè)13個(gè)處理,分別是:對(duì)照(CK),2 mmol·kg-1草酸(OA)、2 mmol·kg-1檸檬酸(CA)和1 g·kg-1水溶性有機(jī)肥(DOF)分別分1~4次施加。每個(gè)處理重復(fù)4次。試驗(yàn)所用塑料盆規(guī)格為上直徑35 cm、下直徑28 cm、高28 cm,盆底打有4個(gè)小孔,并放置托盤防止土壤溶液流失。土壤自然風(fēng)干后去除其中雜物,混合均勻。每盆稱取18 kg土壤,與基肥混合后裝盆并平衡2周。基肥為鈣鎂磷肥(1 g·kg-1)、氯化鉀(0.31 g·kg-1)和60%尿素(0.39 g·kg-1),剩余氮肥分別在高粱苗期和拔節(jié)期追施。
將高粱種子育苗,于3~5葉期選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的健壯苗株進(jìn)行移栽,每盆1株。高粱移栽2周后開(kāi)始施加易降解有機(jī)物,OA、CA和DOF均以溶液(500 mL)的形式分1、2、3、4次進(jìn)行施加,單次施加時(shí)間間隔為15 d,溶液pH分別為1.43、2.10和3.57。所有處理施加完畢后,繼續(xù)培養(yǎng)30 d。植物生長(zhǎng)期間,盆栽水分保持在土壤持水量的60%~70%,托盤中若有少量的滲濾液,用水將其轉(zhuǎn)移至原盆中。
高粱于移栽后90 d進(jìn)行收獲采樣。將其分為根、莖、葉、穗4個(gè)部位,先用自來(lái)水和超純水清洗并稍晾干,105℃殺青30 min,于65℃烘干至恒質(zhì)量,然后稱量地上部干質(zhì)量。高粱各部位樣品用粉碎機(jī)粉碎后保存待用。高粱收獲后,用取土器采集盆中0~25 cm的土壤樣品,每盆多次取樣混合為一個(gè)樣品,以保證土樣的代表性。土壤樣品風(fēng)干后研磨過(guò)20目及100目篩,保存?zhèn)溆谩?/p>
表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil
土壤pH值、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量等指標(biāo)測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》[19],土壤全Cd用王水-高氯酸消化,土壤DTPA-Cd用DTPA-TEACaCl2浸提[土水比 1∶2.5(W∶V)],植株中的 Cd 用HNO3-HClO4(體積比5∶1)進(jìn)行消解。消化液和浸提液中的Cd含量采用電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICPOES,Agilent 720ES)測(cè)定。樣品測(cè)試過(guò)程中,采取平行雙樣、兩個(gè)試劑空白以及隨機(jī)插入土壤(GBW 07405)和植物(GB 07602)標(biāo)準(zhǔn)樣品等措施進(jìn)行質(zhì)量控制。
植物地上部干質(zhì)量(g)=莖干質(zhì)量+葉干質(zhì)量+穗干質(zhì)量
植物地上部分Cd含量(mg·kg-1)=(莖Cd含量×莖干質(zhì)量+葉Cd含量×葉干質(zhì)量+穗Cd含量×穗干質(zhì)量)/植物地上部干質(zhì)量
地上部分Cd積累量(Bioaccumulation quantity in shoots,BCQ)=植物地上部Cd含量×植物地上部干質(zhì)量
富集系數(shù)(Bioaccumulation factor,BCF)=植物Cd含量/土壤Cd含量
轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(Translocation factor,TF)=植物地上部Cd含量/植物地下部Cd含量
利用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析,LSD多重比較法檢驗(yàn)差異的顯著性,并用Origin 8.5作圖。
CK處理的土壤pH值為5.03(圖1a),與CK相比,OA、CA和DOF處理土壤的pH值分別平均降低0.13、0.17和0.46個(gè)單位,其中以DOF處理降低更為顯著。OA和CA僅1次施加時(shí),土壤pH值無(wú)顯著變化;分多次施加后,土壤pH值顯著降低,分4次施加處理的pH值降幅最大,分別較CK下降0.18、0.28個(gè)單位;DOF所有施加方式均能顯著降低土壤pH值,且不同施加次數(shù)之間無(wú)顯著差異。結(jié)果表明,施加易降解有機(jī)物能顯著降低土壤pH值,其效果受易降解有機(jī)物類型及施加方式的影響。
CK處理的土壤DTPA-Cd含量為0.50 mg·kg-1(圖1b),相比CK,施加3種易降解有機(jī)物后,土壤中DTPA-Cd含量分別增加了-5%~11%、2%~30%和-3%~29%。在OA和CA處理下,土壤DTPA-Cd含量隨著添加次數(shù)的增加而增加,分4次添加時(shí),其DTPA-Cd含量最高,分別為0.55 mg·kg-1和0.64 mg·kg-1;DOF 1次施加時(shí),其DTPA-Cd含量顯著高于CK,但分多次施加時(shí),與CK無(wú)顯著差異。結(jié)果表明,施加易降解有機(jī)物活化了土壤中的Cd,其活化效果受施加方式的影響,OA和CA分4次施加對(duì)土壤中Cd的活化效果最優(yōu),DOF則1次施加效果最優(yōu)。
圖1 添加易降解有機(jī)物對(duì)土壤pH值和DTPA-Cd含量的影響Figure 1 Effects of application of biodegradable organic materials on pH and concentration of DTPA extractable Cd
CK處理的高粱地上部分干質(zhì)量為128.20 g·pot-1(圖2),與CK相比,OA、CA和DOF處理的高粱生物量分別平均降低了13%、15%和18%。OA、CA和DOF 1次添加時(shí),高粱地上部分干質(zhì)量無(wú)顯著變化;分2次添加時(shí),均顯著低于CK,其中DOF處理的高粱地上部干質(zhì)量降幅最大,達(dá)38%。上述結(jié)果表明,土壤中添加OA、CA和DOF降低了高粱生物量,分多次添加顯著抑制了高粱生長(zhǎng);在3種易降解有機(jī)物處理中,DOF對(duì)高粱的生長(zhǎng)影響最大。
圖2 添加易降解有機(jī)物對(duì)高粱地上部分生物量的影響Figure 2 Effect of application of biodegradable organic materials on biomass of sorghum in shoots
如表2所示,相比CK,OA、CA和DOF處理的高粱根部及地上部Cd含量、富集系數(shù)均有不同程度上升,且三者間無(wú)顯著差異(P<0.05)。其中,根部Cd含量分別平均增加了20%、22%和28%,地上部Cd含量分別平均增加了37%、41%和44%,富集系數(shù)分別平均增加了23%、26%和29%,轉(zhuǎn)移系數(shù)分別平均增加了5%、15%和16%。
OA處理在1次施加時(shí),高粱根部、地上部Cd含量及富集系數(shù)與CK無(wú)顯著差異;分2次添加時(shí),高粱根部Cd含量最高,較CK增加了32%;分3次施加時(shí),高粱地上部Cd含量和富集系數(shù)均比CK顯著增加35%;然而OA所有處理的轉(zhuǎn)移系數(shù)均無(wú)顯著變化。
CA分1~4次施加時(shí)均不同程度地增加了高粱根部、地上部中的Cd含量和富集系數(shù),分3次施加時(shí),三者均達(dá)到最大值,分別比CK顯著增加31%、38%和38%;CA僅分2次施加時(shí),高粱Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著高于CK,而其他處理與CK無(wú)顯著差異。
DOF分1~4次施加時(shí)均不同程度地增加了高粱根部、地上部Cd含量和富集系數(shù),當(dāng)DOF分2次施加時(shí),三者均達(dá)到最大值,分別較CK顯著增加45%、51%和51%;而DOF所有處理的高粱Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)與CK均無(wú)顯著差異。
表2 添加易降解有機(jī)物對(duì)高粱Cd含量、富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響Table 2 Effects of application of biodegradable organic materials on Cd concentration,BCF and TF of sorghum
上述結(jié)果表明,整體而言,適度增加OA、CA和DOF的施用次數(shù)可顯著促進(jìn)高粱對(duì)Cd的吸收和富集,但沒(méi)有顯著促進(jìn)Cd從根部向地上部轉(zhuǎn)移。
CK處理的高粱地上部分Cd積累量為0.48 mg·pot-1(圖3),與CK相比,土壤中施加OA、CA和DOF后,高粱地上部分Cd積累量分別增加了6%~17%、15%~30%和9%~31%。隨著OA和CA施加次數(shù)的增多,高粱地上部分Cd積累量先增加后降低,分3次施加時(shí)均達(dá)到最大值,分別為0.56 mg·pot-1和0.62 mg·pot-1;DOF在1次施加和分3次施加時(shí),高粱地上部分Cd積累量均為0.63 mg·pot-1,顯著高于CK。上述結(jié)果表明,高粱地上部分Cd的積累量受易降解有機(jī)物類型和施加方式的影響,CA和DOF處理的高粱地上部分Cd積累量顯著高于OA處理,且OA和CA分多次施加優(yōu)于1次施加,而DOF 1次施加優(yōu)于分多次施加。
如表3所示,易降解有機(jī)物類型對(duì)土壤pH值、DTPA-Cd含量和地上部Cd積累量有顯著影響,易降解有機(jī)物施加方式對(duì)土壤pH值及高粱根部Cd含量有顯著影響,且易降解有機(jī)物和施加方式交互作用對(duì)土壤DTPA-Cd含量、高粱根部及地上部Cd含量影響顯著,表明土壤Cd的活性和高粱對(duì)Cd的吸收受易降解有機(jī)物類型及施加方式共同影響,且易降解有機(jī)物對(duì)土壤中Cd的活性及高粱吸收Cd的影響因其施加方式不同而異。
從圖4可以看出,高粱地上部分Cd積累量與土壤中DTPA-Cd含量正相關(guān)(R2=0.31,P<0.01),表明土壤中有效態(tài)Cd含量的增加促進(jìn)了高粱地上部對(duì)Cd的積累。土壤pH值與DTPA-Cd含量無(wú)顯著的相關(guān)關(guān)系(R2=0.03,P>0.10),表明土壤中有效態(tài)Cd含量的增加可能主要與易降解有機(jī)物中的有機(jī)配位體和Cd2+的絡(luò)合作用有關(guān)。
圖3 添加易降解有機(jī)物對(duì)高粱地上部分Cd積累量的影響Figure 3 Effect of application of biodegradable organic materials on Cd bioaccumulation in sorghum shoots
圖4 pH、地上部分Cd積累量與DTPA-Cd含量之間的關(guān)系Figure 4 Relation between pH,BCQ and concentration of DTPA-Cd
表3 多因素方差分析中F值的顯著性Table 3 Significance of F value in two-way ANOVA analysis of variance
本研究中,向土壤中施加OA、CA和DOF 3種易降解有機(jī)物增加了土壤中DTPA-Cd含量,這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[20-21]。易降解有機(jī)物主要是通過(guò)降低土壤pH值和有機(jī)配體的絡(luò)合作用增加土壤中Cd的活性[22-23]:一方面,施加易降解有機(jī)物導(dǎo)致土壤中pH值降低,增加重金屬的溶解性[24];另一方面,有機(jī)物中的有機(jī)配位體(如羥基、羧基等)與重金屬離子形成可溶性絡(luò)合物,促進(jìn)土壤固相中重金屬的釋放[25]。Ettler等[26]報(bào)道,pH可能是控制土壤中重金屬釋放的主要因素,然而在本研究中,土壤DTPA-Cd含量與pH并無(wú)顯著的相關(guān)關(guān)系,表明可能是3種易降解有機(jī)物中的有機(jī)配位體與Cd2+的絡(luò)合作用對(duì)土壤中DTPA-Cd含量增加起主要作用,這與Qin等[27]研究的有機(jī)配體在解吸重金屬中起主導(dǎo)作用的結(jié)論一致。有研究顯示,土壤中施加有機(jī)肥可增加或抑制土壤中Cd的活性[28-29],在本研究中,施用有機(jī)肥導(dǎo)致DTPA-Cd含量增加,這可能與DOM有關(guān),本試驗(yàn)所用的可溶性有機(jī)肥所含DOM比普通有機(jī)肥更高,可與土壤中的Cd2+形成更多的可溶性絡(luò)合物,進(jìn)而增加Cd的活性。
高粱對(duì)Cd有較高的耐受性。Jia等[30]研究了96個(gè)高粱品種,高粱根中的Cd含量最高可達(dá)898.3 mg·kg-1,地上部Cd含量最高能達(dá)到202.4 mg·kg-1。有報(bào)道顯示[31],低濃度的Cd脅迫(5 mg·kg-1)對(duì)高粱生長(zhǎng)無(wú)顯著影響,且陳立等[32]、唐宇庭等[33]的盆栽試驗(yàn)結(jié)果也表明低濃度的檸檬酸(0~2.5 mmol·kg-1)可增加作物的生物量。但在本研究中,OA、CA和DOF處理均不同程度地降低了高粱生物量,這可能與施加易降解有機(jī)物后,土壤pH值降低有關(guān)。前期土壤培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示(數(shù)據(jù)未給出),OA、CA和DOF處理的土壤培養(yǎng)0 d時(shí),土壤pH值下降0.1~0.4個(gè)單位,在本試驗(yàn)中,施加易降解有機(jī)物后,土壤pH值降低到4.5~5.0之間,而高粱適宜種植的土壤pH為5.5~8.5[34],因此,添加易降解有機(jī)物后,土壤pH值未達(dá)到高粱適宜的生長(zhǎng)條件可能是導(dǎo)致其生物量下降的重要原因。
土壤中施加OA、CA和DOF促進(jìn)了高粱對(duì)Cd的吸收,這與Pinto等[35]的研究結(jié)果一致,其溶液培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示,向Cd濃度為0.1~10 mg·L-1的培養(yǎng)液中添加有機(jī)質(zhì)(C含量為32 mg·L-1),高粱根及地上部中的Cd含量均顯著增加。土壤中DTPA-Cd含量與地上部Cd積累量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明易降解有機(jī)物增加了土壤中Cd的活性,進(jìn)而促進(jìn)了高粱對(duì)Cd的吸收。在3種易降解有機(jī)物處理中,DOF處理的高粱根部及地上部中的Cd含量最高,但是,由于生物量降幅最大,導(dǎo)致高粱地上部分Cd積累量與CA處理相比無(wú)顯著優(yōu)勢(shì),因此可考慮將水溶性有機(jī)肥改良或者與其他肥料配施,以減小其對(duì)高粱生物量的影響,從而增加高粱對(duì)Cd的積累量。據(jù)報(bào)道,Cd主要積累在高粱根部[36],因此,增加高粱根中Cd向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)可能是提升高粱修復(fù)效率的關(guān)鍵。本試驗(yàn)中,OA、CA和DOF均不同程度提高了Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),但整體未達(dá)到顯著水平,可考慮將易降解有機(jī)物在高粱特定的生長(zhǎng)時(shí)期添加,以提升其吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力。
易降解有機(jī)物的施加方式可影響高粱對(duì)Cd的吸收。本研究中,OA、CA分多次施加促進(jìn)高粱吸收Cd的效果優(yōu)于1次施加,這與Shen等[37]和Wenzel[38]等的研究結(jié)果類似。Shen等[37]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了1.5 mmol·kg-1EDTA分1~3次施加對(duì)白菜吸收鉛(Pb)的影響,結(jié)果表明,白菜地上部Pb的含量隨施加次數(shù)的增加而增加。然而,也有研究結(jié)果顯示,分次施加螯合劑對(duì)植物修復(fù)效率的提升無(wú)顯著效果,如Freitas等[39]報(bào)道,分2次(玉米生長(zhǎng)第30 d和第34 d)施加0~80 mmol·kg-1的檸檬酸未顯著增加玉米對(duì)Pb的提取效率,出現(xiàn)這種不同的結(jié)果可能與試驗(yàn)條件差異有關(guān)。Neugschwandtner等[40]的田間試驗(yàn)結(jié)果表明,分次施加EDTA可以限制重金屬的滲濾,降低二次污染風(fēng)險(xiǎn)。因此,分次施加易降解有機(jī)物能在提升高粱Cd吸收能力的同時(shí)降低二次污染風(fēng)險(xiǎn)。然而,易降解有機(jī)物并非施加次數(shù)越多越好,本試驗(yàn)中,易降解有機(jī)物分次施加的濃度隨著施加次數(shù)增多而降低,可能會(huì)影響高粱對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效率。
Zhuang等[41]、Soudek等[36]研究表明,土壤中施加EDTA抑制了高粱生長(zhǎng),對(duì)高粱吸收Cd無(wú)顯著影響。本研究中,在3種易降解有機(jī)物處理下,高粱地上部分Cd積累量最高比CK顯著增加了31%。因此,與EDTA相比,施加易降解有機(jī)物是提升高粱修復(fù)效率更為環(huán)保且有效的方法。
(1)向土壤中施加草酸、檸檬酸和水溶性有機(jī)肥均降低了土壤pH值,增加了土壤中Cd的活性,且檸檬酸和水溶性有機(jī)肥活化土壤中Cd的效果優(yōu)于草酸。
(2)草酸、檸檬酸和水溶性有機(jī)肥1次施加對(duì)高粱生物量無(wú)顯著影響,分2次施加顯著降低高粱生物量,其中水溶性有機(jī)肥降低最為顯著。
(3)檸檬酸和水溶性有機(jī)肥顯著增加了高粱地上部Cd積累量,且檸檬酸分3次施加效果最優(yōu),水溶性有機(jī)肥1次施加效果最優(yōu)。
(4)高粱對(duì)Cd的吸收效果因易降解有機(jī)物的種類和施加方式而異。綜合而言,檸檬酸分3次施加對(duì)土壤中Cd的吸收效果最佳,表明改變易降解有機(jī)物的施加方式對(duì)提升高粱修復(fù)效率有積極的意義,在施加總量相同時(shí),適當(dāng)增加施用次數(shù)能有效提升高粱修復(fù)Cd污染土壤的效率。