楊聰　陳勝倫　劉豫　金卓君　張春來　徐衛(wèi)紅

摘要：采用大田試驗研究了Cd污染土壤施加納米氫氧化鎂（nMg）、套種黑麥草和接種叢枝茵根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）對蘿卜和黑麥草Cd含量，土壤Cd形態(tài)及含量、土壤微生物數(shù)量的影響。結(jié)果表明：與對照處理相比，“nMg”、“nMg +AMF”、“nMg+黑麥草”和“nMg +AMF+黑麥草”4個處理，均不同程度降低了蘿卜根和地上部Cd含量，降低幅度分別為32.5%—41.4%和13.7%—17.4%。與對照相比，各處理土壤全Cd含量明顯降低，降幅為7.3%～17.1%。土壤中Cd形態(tài)含量多少順序為殘渣態(tài)（RES-Cd》鐵錳氧化態(tài)（FeMn-Cd》碳酸鹽態(tài)（CAB-Cd》有機態(tài)（OM-Cd》可交換態(tài)（EX-Cd），接種叢枝菌根真菌降低了土壤中的EX-Cd含量。種植黑麥草和接種叢枝菌根真菌后土壤細菌數(shù)量顯著增多，放線菌數(shù)量無顯著變化。和對照相比，“nMg”、“nMg +AMF”、“nMg+黑麥草”和“nMg +AMF+黑麥草”4個處理土壤的pH值和CEC均顯著升高，增幅為7.0%～l¨%和66.7%—76.9%。綜合來看，原位鈍化一植物一微生物聯(lián)合修復技術(shù)比單一或兩者聯(lián)合修復技術(shù)效果更好。

關(guān)鍵詞：納米氫氧化鎂;叢枝茵根真菌;黑麥草;蘿卜;鎘含量;土壤鎘形態(tài);土壤微生物數(shù)量

中圖分類號：X53

文獻標志碼：A

論文編號：cjas18030011

0 引言

鎘（cadmium，Cd）是植物生長發(fā)育的非必需元素，極小濃度即可產(chǎn)生較大危害。調(diào)查研究顯示，中國19.4%的農(nóng)田土壤重金屬含量超標，其中Cd的點位超標率達7.0%，污染最為嚴重。Cd具有很強的生物富集性和遷移性，能通過食物鏈嚴重威脅食品安全和人體健康。因此，如何進行農(nóng)田安全種植、降低土壤Cd毒性顯得尤為重要，而選擇經(jīng)濟有效且不會產(chǎn)生二次污染的治理和修復技術(shù)是解決上述問題的關(guān)鍵。

在重金屬污染土壤的防治研究中，尋求環(huán)境友好型的高效重金屬鈍化（絡合）劑成為近年來國內(nèi)外研究的熱點之一。目前，施加鈍化劑的原位修復技術(shù)和植物修復技術(shù)研究較多，如以改性生物炭、納米沸石和納米羥基磷灰石等作為原位鈍化修復材料的修復技術(shù)。納米修復劑由于具有大量的微界面及微孔性，可以強化各種界面反應，如對重金屬離子的表面吸附及專性吸附反應。納米氫氧化鎂是白色微細粉末，具有無毒、無味、無腐蝕、難溶于水的特征，是一種粒徑介于1—100 nm的新型氫氧化鎂，不僅可以增加肥料的吸附，減少肥料的流失和固定，還可以增加植物必需元素鎂的輸入。此外，對重金屬也有較大的吸附能力，是一種綠色安全的水處理劑。盡管納米氫氧化鎂在環(huán)保和肥料領(lǐng)域已有報道，但在國內(nèi)外，將納米氫氧化鎂作為土壤重金屬鈍化修復劑的研究還未見報道。

近年來，對植物修復技術(shù)的研究越來越深入。研究發(fā)現(xiàn)，Cd超富集植物東南景天、龍葵和印度芥菜等，能通過改變植物根系分泌物質(zhì)的組成或含量來耐受或超富集重金屬Cd，從而達到修復土壤中重金屬污染的作用。叢枝菌根（arbuscular mycorrhizal，AM）真菌是一種能與陸生植物廣泛共生的有益微生物，其根外菌絲的擴展增加了根系吸收養(yǎng)分的有效表面積，因而，AM真菌能促進植物的生長，影響植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運，提高植物對重金屬的富集能力，降低重金屬對宿主植物的毒害作用，在重金屬污染土壤的修復中具有非常重要的應用價值。

目前，關(guān)于植物一微生物聯(lián)合修復、原位鈍化一植物聯(lián)合修復及原位鈍化一微生物聯(lián)合修復等聯(lián)合修復土壤重金屬污染的技術(shù)已有相關(guān)報道，且研究表明聯(lián)合修復技術(shù)的修復效果好于單一修復技術(shù)。如陳永勤等的研究表明套種黑麥草和接種AM真菌的植物一微生物聯(lián)合修復技術(shù)使植株各部位Cd含量比單一修復技術(shù)植株各部位Cd含量低，說明植物一微生物聯(lián)合修復技術(shù)比單一修復技術(shù)有更好的修復效果;Madejon等研究在重金屬污染土地上采用原位化學固定和植物修復相結(jié)合的修復方式，促進了該地區(qū)植被的恢復;孫約兵等的研究發(fā)現(xiàn)施加海泡石鈍化修復重金屬污染土壤的同時，土壤中細菌和放線菌的數(shù)量也有所增加。但關(guān)于原位鈍化一植物一微生物三者聯(lián)合修復技術(shù)的報道較少。蘿卜為十字花科蘿卜屬重要的根菜類作物，具有較高的營養(yǎng)和藥用價值，在國內(nèi)種植面積位居蔬菜前3位。

本研究在田間，以蘿卜為試材，通過研究蘿卜的生長、植株中Cd含量、土壤中Cd的形態(tài)和含量、土壤pH值和CEC以及土壤微生物數(shù)量的變化，探究以納米氫氧化鎂為鈍化劑的原位修復一黑麥草植物修復一接種AMF微生物聯(lián)合修復重金屬污染土壤的效果，為Cd污染土壤的修復技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試作物為蘿卜（Raphanus sativus L.），品種為‘抗病博士’。黑麥草（Lolium multiflorum L.）品種為‘邦德’。供試叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）菌種分別為摩西斗管囊霉（Funneormis mosseae）、幼套近明球囊霉（Claroideoglomus etunicatum），由北京市農(nóng)林科學院營養(yǎng)與資源研究所提供。供試納米氫氧化鎂（nMg）粒徑范圍為82—127 nm，由鄭州大學提供。供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 7.95，有機質(zhì)7.55 g/kg，陽離子交換量9.74 cmol/kg，全氮0.70 g/kg，堿解氮34.25 mg/kg，有效磷30.87 mg/kg，速效鉀92.78 mg/kg，全Cd l.61 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗于2016年9月27日-12月5日在重慶市潼南區(qū)桂林街道小舟村蔬菜基地進行。試驗共設置5個處理，分別為“對照”、“納米氫氧化鎂”（nMg，撒施，0.3 g/m2）、“納米氫氧化鎂+黑麥草”（nMg+ Ryegrass，套種于2株蘿卜中間，每穴移栽50株）、“納米氫氧化鎂+叢枝菌根真菌”（nMg+AMF，2種叢枝菌根真菌各0.5 g，混施于黑麥草根下方）、“納米氫氧化鎂+叢枝菌根真菌+黑麥草”（nMg+AMF+Ryegrass），每個處理3個重復，每個小區(qū)面積為8m2（1.6 mX5 m），共15個小區(qū)，隨機排列。將納米氫氧化鎂與基肥混勻后均勻撒施在翻耕好的農(nóng)田上，5天后播種蘿卜種子，每小區(qū)定植100株，30天后移栽黑麥草并接種叢枝菌根真菌，其他按大田常規(guī)進行管理。蘿卜種子播種后70天收獲，對蘿卜進行分區(qū)測產(chǎn)，各小區(qū)隨機取長勢均勻的蘿卜和黑麥草樣品，帶回實驗室用自來水洗凈再用去離子水潤洗3次，將蘿卜的根和地上部、黑麥草地上部和地下部分開，在105℃下殺青15min，60℃烘干至恒重，用于測定植株Cd含量。按五點取樣法采集土壤樣品，一部分測土壤微生物數(shù)量，另一部分風干后用于測定土壤pH值、CEC、全Cd含量和Cd形態(tài)。

1.3 分析測定方法

土壤pH值采用土水比為1：2.5的測定方法，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法的測定方法，土壤CEC的采用氯化銨一乙酸銨的測定方法，土壤全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀采用魯如坤等測定方法;植株Cd采用HN03：HCl04 =4：1的混合酸消煮，土壤Cd含量測定采用王水：HCl04=10：3消煮，土壤Cd形態(tài)分級采用Tessier等提出的五步連續(xù)提取法，消煮或提取得到的Cd2+溶液采用原子吸收分光光度法測定（Perkin Elmer SIMMA 6000，Norwalk，USA）。土壤細菌數(shù)量采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、放線菌數(shù)量采用高氏一號培養(yǎng)基、真菌數(shù)量采用孟加拉紅培養(yǎng)基，通過平板計數(shù)法計算微生物數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和作圖，SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)間的顯著差異性檢驗用單因素方差分析中LSD和Duncan方法，顯著差異水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘿卜和黑麥草Cd含量

蘿卜根中的Cd含量明顯低于地上部中的Cd含量（圖1）。與對照相比，各處理蘿卜根和地上部中的Cd含量均顯著降低，降低幅度分別為32.5%—41.4%和13.7%—17.4%，蘿卜根中的Cd含量以“nMg +AMF+黑麥草”處理降幅最大。

黑麥草地下部的Cd含量低于地上部的Cd含量（圖2）。與“nMg+黑麥草”處理相比，“nMg +AMF+黑麥草”處理的黑麥草地上部和地下部Cd含量顯著增加，Cd含量增加幅度分別195.6%和144.3%，黑麥草地上部Cd含量的增加幅度大于地下部。

2.2 土壤中全Cd含量及Cd形態(tài)

與對照相比，各處理的土壤全Cd含量均有一定程度的降低，其降幅為7.3%～l7.1%，且“nMg +AMF”和“nMg +AMF+黑麥草”處理達到顯著水平（P<0.05），以“nMg +AMF+黑麥草”處理降幅最大（圖3）。

土壤中Cd形態(tài)含量多少順序為殘渣態(tài)（RES-Cd》鐵錳氧化態(tài)（FeMn-Cd》碳酸鹽態(tài)（CAB-Cd》有機態(tài)（OM-Cd》可交換態(tài)（EX-Cd）（表l，圖4）。與對照相比，各處理土壤中總Cd含量（各形態(tài)Cd含量之和）均有降低，其中“nMg+黑麥草”和“nMg +AMF+黑麥草”處理達到顯著水平（p<0.05），其降幅分別為5.8%和20.8%，以“nMg +AMF+黑麥草”處理降幅最大。與蘿卜套種黑麥草的處理增加了土壤中CAB-Cd和OM-Cd含量，降低了FeMn- Cd和RES-Cd含量;“nMg+AMF”處理增加了土壤中OM-Cd和RES-Cd含量，降低了EX-Cd、CAB-Cd和FeMn- Cd含量。和“nMg”處理相比，“nMg +AMF”和“nMg +AMF+黑麥草”處理降低了土壤中EX-Cd含量和RES-Cd含量。

2.3 土壤微生物數(shù)量

如圖5所示，土壤中微生物數(shù)量為細菌>放線菌>真菌。與對照相比，各處理的細菌數(shù)量都有一定程度的增多，其增幅為17.4%—77.3%，以“nMg +AMF+黑麥草”處理增幅最大，“nMg”處理增幅最小。除“nMg”處理外，其他處理都達到了顯著水平（P<0.05）。與對照相比，“nMg”處理的真菌數(shù)量顯著增加，增幅最大，其他處理的真菌數(shù)量相比對照增加了19.0%—31.9%。放線菌數(shù)量的變化也不顯著，“nMg”處理相比對照略有增加，其他處理則有不同程度的減少（圖5）。

2.4 土壤pH值和CEC

如圖6所示，與對照相比，“nMg”、“nMg +AMF”、“nMg+黑麥草”和“nMg +AMF+黑麥草”4個處理的pH值和CEC都顯著增加，其增幅為7.0%～l1.1%和66.7%—76.9%。但這4個處理之間沒有顯著變化，土壤pH值以“nMg +AMF+黑麥草”處理最大，“nMg+黑麥草”處理最小;土壤CEC以“nMg”處理最大，“nMg+AMF”處理最?。▓D6）。

3 討論與討論

本試驗中，通過在Cd污染菜園土壤上施加納米氫氧化鎂、套種黑麥草和接種叢枝菌根真菌，都使蘿卜根和地上部中的Cd含量相比對照有一定程度的減少。原因可能是無機納米修復劑的巨大微界面，對土壤中的重金屬離子具有極強吸附作用，可以顯著提高Cd污染土壤上植株Cd脅迫的耐受指數(shù)，從而降低植株中Cd含量;黑麥草根部與蘿卜根部競爭吸收運輸重金屬Cd可能降低了Cd離子在蘿卜體內(nèi)的濃度，叢枝菌根真菌中具有半胱氨酸配位體，從而對過量的Cd起螯合作用，叢枝菌根的形成可以改變根系分泌物數(shù)量和組成，從而降低重金屬有效性，減少植物對重金屬的吸收。相比“nMg+黑麥草”處理，“nMg +AMF+黑麥草”處理中黑麥草地上部和地下部Cd含量都顯著增高（P<0.05），且地上部Cd含量的增加幅度大于地下部。該結(jié)果與羅鵬程等研究結(jié)果類似。原因可能是在Cd污染土壤上，叢枝菌根在一定程度上緩解了黑麥草生長的抑制，即使在根系受損情況下，叢枝菌根可能仍具有促進植物吸收Cd的潛力。

與對照相比，“nMg +AMF”和“nMg +AMF+黑麥草”處理土壤中的Cd含量顯著降低，且以“nMg+AMF+黑麥草”處理降低最大。這與江玲研究結(jié)果類似。原因可能是叢枝菌根真菌侵染植物后，能夠形成數(shù)微米直徑的根外菌絲，吸附或吸收累積菌根際土壤中的重金屬并轉(zhuǎn)運到宿主植物，使重金屬富集植物黑麥草吸收了部分土壤中的Cd，從而減少了土壤中的Cd含量。

已有研究表明，叢枝菌根分泌物可以直接與重金屬作用，也可以通過改變根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及土壤物理化學性質(zhì)影響重金屬的化學形態(tài)，改變其生物有效性。土壤中Cd形態(tài)含量多少順序為殘渣態(tài)（RES-Cd）>鐵錳氧化態(tài)（FeMn- Cd）>碳酸鹽態(tài)（CAB-Cd》有機態(tài)（OM-Cd》可交換態(tài)（EX-Cd）。這與王友寶等“在土壤Cd含量小于50 mg/kg時，土壤中Cd形態(tài)含量多少為RES-Cd> EX-Cd> FeMn-Cd> CAB-Cd>OM-Cd”的結(jié)果不完全一致。原因可能是在本試驗條件下，施加納米氫氧化鎂和叢枝菌根的形成改變了根際土壤微生物的數(shù)量，促進了作物對土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化吸收和根系生長，從而改變了土壤中Cd形態(tài)，也可能是重金屬富集植物黑麥草吸收了部分EX-Cd，使土壤中的Cd減少向植株中轉(zhuǎn)移，從而減少土壤中的Cd進入食物鏈影響人體健康。本試驗還發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌的處理，土壤中生物有效性最低的RES-Cd含量增加，生物有效性較高的EX-Cd含量降低，這可能與土壤微生物環(huán)境、pH值和CEC的變化有關(guān)，也與植株中Cd含量降低相符合。

土壤微生物還是評價土壤肥力的重要指標之一。土壤環(huán)境包含復雜的微生物群落，通過評估微生物群落的活動和組成，可以揭示出重金屬對土壤系統(tǒng)的影響。在本試驗條件下，施加納米氫氧化鎂后對土壤中的微生物數(shù)量無明顯影響，套種黑麥草或接種AM真菌顯著增加了土壤中細菌的數(shù)量，放線菌數(shù)量雖有增加，但差異不顯著。該結(jié)果與廖繼佩等與張曉波和趙艷研究結(jié)果類似，表明根際土壤由“真菌主導型”向“細菌主導型”轉(zhuǎn)化。但與李少朋等“接種叢枝菌根組細菌、放線菌和真菌數(shù)量都明顯高于對照組”的結(jié)果不完全一致。原因可能與接種叢枝菌根真菌數(shù)量的多少、土壤性質(zhì)以及作物種類不同有關(guān)。有研究報道，AM真菌能增加養(yǎng)分吸收，從而增強植物的活力，使其能夠抵抗病原體感染。菌根的形成引起微生物種群的變化，可能會引起某些土著微生物與叢枝菌根真菌的協(xié)同與拮抗作用，從而導致土壤微生物數(shù)量變化。滕少娜的研究顯示，黑麥草根系活動產(chǎn)生的分泌物為土壤微生物提供養(yǎng)分，有利于土壤微生物的定植，使土壤微生物的數(shù)量增多，細菌在土壤微生物中的數(shù)量最多，約占土壤微生物總數(shù)的70%—90%，真菌對根系產(chǎn)生的分泌物比較敏感，而放線菌是異養(yǎng)型微生物，對環(huán)境的適應性較強。土壤中細菌和放線菌的增加說明黑麥草和叢枝菌根能在一定程度上降低Cd對土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，減輕對土壤肥力的破壞程度。因此，黑麥草、叢枝菌根和根際微生物群落的相互作用在增強植物生長中起著重要的作用，植物一微生物聯(lián)合修復在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中具有潛在的應用前景。

氫氧化鎂是一種中強堿，飽和水溶液的pH l0.4。納米材料的表面能很高，具有極強的吸附性能。Shan等的研究表明土壤pH值增高時，土壤中重金屬的生物有效性降低，原因可能是土壤pH值的增高會降低表面電位和質(zhì)子競爭，從而有利于金屬結(jié)合。陳保冬研究顯示，菌根真菌侵染改變了根系的吸附特性，相對于根系，菌根CEC較高，對Cd的吸附能力較強，接種AM明顯提高了菌絲室土壤pH值。陳永勤等研究顯示，接種叢枝菌根均不同程度地提高了根際土壤的pH值。在本試驗條件下，不管單獨施加納米氫氧化鎂，還是在納米氫氧化鎂的基礎(chǔ)上種植黑麥草或接種叢枝菌根真菌都顯著增加土壤中的pH值和CEC，但種植黑麥草或接種叢枝菌根真菌的處理對土壤的pH值和CEC影響不大。該結(jié)果與Muthukumar等和陳保冬研究結(jié)果相似。

綜上所述，植物一微生物修復相比單一修復技術(shù)效果更好，施加納米氫氧化鎂鈍化劑后又增加了土壤中的pH值和CEC。本試驗中，相比其他處理，“nMg+AMF+黑麥草”處理的蘿卜產(chǎn)量最高，蘿卜根中的Cd含量最低，黑麥草中的Cd含量最高，土壤中的EX-Cd含量最低，因此以納米氫氧化鎂為鈍化劑的原位修復一套種黑麥草的植物修復一接種叢枝菌根真菌的微生物聯(lián)合修復效果比單一或兩者聯(lián)合修復效果更好。