李松，孫向陽，李素艷，馬其雪，劉源鑫，周文潔

（北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京100083）

由于人類活動的干擾加劇，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，因此土壤修復(fù)迫在眉睫[1]?！度珖寥牢廴緺顩r調(diào)查公報(bào)（2014）》顯示，約2.0×107hm2耕地受到重金屬（主要是鎘和鉛）污染，占總耕地面積的19.4%，同時，鎘已被正式認(rèn)定為我國土壤中最突出的無機(jī)污染物[2-3]。蔬菜是人類食物的重要來源，與其他糧食作物相比，葉菜類蔬菜更易積累重金屬，食用受重金屬污染的葉菜是人類接觸重金屬的主要途徑之一[4-5]。人體內(nèi)70%的鎘積累來自葉菜類蔬菜[6]，因此解決蔬菜特別是葉菜類蔬菜中的重金屬超標(biāo)問題是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。

許多研究證明，園林綠化廢棄物堆肥、生物炭和腐植酸是環(huán)境友好且成本低的土壤改良劑。園林綠化廢棄物堆肥作為農(nóng)林業(yè)固體廢物穩(wěn)定化過程的主要產(chǎn)品，是改良土壤最廉價(jià)的材料之一[3]。生物炭呈堿性，具有很高的多孔結(jié)構(gòu)和陽離子交換能力，含有大量的羧基和羥基，可降低重金屬的生物利用度，從而降低植物吸收和食物鏈轉(zhuǎn)移[4]。腐植酸是有機(jī)質(zhì)的主要成分，它可以促進(jìn)礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和植物的生長[7]。有研究表明，生物炭和腐植酸在一定比例范圍內(nèi)復(fù)配可提高油菜的生物量，顯著降低油菜中鎘的累積量[8]。而將園林綠化廢棄物堆肥、生物炭和腐植酸三者復(fù)配作為改良劑修復(fù)土壤鎘的研究鮮有報(bào)道。

2012年，北京市園林垃圾總量約為5.69×106t，且逐年增加，一年的園林綠化廢棄物資源化處理量約為2.14×105t[3]。因此，本試驗(yàn)以園林綠化廢棄物堆肥為主要材料，復(fù)配生物炭和腐植酸，得到復(fù)合改良劑，改良鎘污染土壤，從而實(shí)現(xiàn)資源化再利用。本研究擬解決的關(guān)鍵問題：采用園林綠化廢棄物堆肥、生物炭和腐植酸復(fù)配的改良劑進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，分析改良劑對土壤性狀、小白菜鎘積累轉(zhuǎn)運(yùn)及生理特性的影響，為改良劑在鎘污染土壤中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采集自華北平原雄安新區(qū)老河頭鎮(zhèn)（115°42E，38°49′N）的鎘污染土壤。該土壤20世紀(jì)曾用河流污水灌溉，因此造成農(nóng)田土壤重金屬污染。采集0～20 cm的土壤，在25℃室溫下干燥4周，篩分至＜2 mm，并移除土壤中的動植物碎屑。土壤為潮土，pH值為7.92，EC值為331μS·cm-1，有機(jī)質(zhì)含量42.47 g·kg-1，鎘總含量4.19 mg·kg-1，超過了《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中的篩選值和管制值（土壤pH＞7.5時，鎘篩選值為0.6 mg·kg-1，管制值為4.0 mg·kg-1。

本研究采用園林綠化廢棄物堆肥、果木生物炭和腐植酸3種原料進(jìn)行復(fù)配得到復(fù)合改良劑。試驗(yàn)中使用的園林綠化廢棄物堆肥來自北京一家園林綠化廢棄物消納中心，原料主要是修剪殘?jiān)?，如刺槐、臭椿、黃櫨、槐、柳、雜草等植物的凋落物，原料經(jīng)粉碎、添加微生物制劑、一級和二級發(fā)酵，完全分解。生物炭為中國陜西怡鑫生物能源有限公司提供的果炭（在500℃高溫厭氧條件下熱解5 h）。腐植酸由中國山東德州化學(xué)制品有限公司提供。將園林綠化廢棄物堆肥和生物炭風(fēng)干，研磨，過2 mm篩，備用。

1.2 盆栽試驗(yàn)

試驗(yàn)于2019年5月7日在北京林業(yè)大學(xué)溫室中進(jìn)行，小白菜種子為“京綠1號”，來自京研益農(nóng)（北京）種業(yè)科技有限公司。為了研究園林綠化廢棄物堆肥、生物炭和腐植酸復(fù)配改良劑對鎘污染土壤中小白菜生理特性和鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，將改良劑[園林綠化廢棄物堆肥∶生物炭∶腐植酸=8∶1∶1（m/m）]按不同添加量與鎘污染土壤充分混合，設(shè)置不同質(zhì)量比的4個處理：CK（0%）、T1（1%）、T2（2%）、T5（5%），每個處理3次重復(fù)，每盆土壤3 kg，共12盆。將小白菜種子種植在鎘污染土壤中，當(dāng)小白菜生長到10 cm時，每盆保留3株生長均勻的幼苗。定期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理，每周澆水3次，保持土壤持水量60%（m/m），并在20～30℃的溫室條件下生長至收獲。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

40 d后收獲小白菜，將小白菜先用蒸餾水沖洗，再用20 mm Na2EDTA浸泡15～20 min，以去除根表面的鎘，最后用蒸餾水清洗干凈。用紙巾吸凈表面水分，進(jìn)行小白菜質(zhì)量的測定。用pH計(jì)在土水比1∶5（m/V）的去離子水中測定pH值，用EC計(jì)在土水比1∶10（m/V）的去離子水中測定EC值。采用CaCl2萃取，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）對土壤樣品中的有效態(tài)鎘進(jìn)行分析。

收獲時，對從小白菜第1片展開葉向下數(shù)的第4片成熟功能葉進(jìn)行葉綠素含量測定[9]。小白菜葉中的游離脯氨酸含量、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化物酶（POD）活性的測定，依據(jù)植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)完成[9]。根和葉中的總鎘含量采用微波消解法，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測定。同時計(jì)算小白菜的生物富集系數(shù)（BAF）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖。采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件包（21.0版）進(jìn)行方差分析（ANOVA），差異顯著性分析采用LSD法（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 園林綠化廢棄物堆肥的表征

圖1是園林綠化廢棄物堆肥的掃描電鏡圖。從圖1可以看出，園林綠化廢棄物堆肥表面多孔，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙長度為5～20μm；表面凹凸不平，存在不規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，孔道上存在一定量的介孔。

2.2 改良劑對土壤pH值、EC值、有機(jī)質(zhì)含量和有效態(tài)鎘含量的影響

圖2為施用改良劑后土壤pH值、EC值、有機(jī)質(zhì)含量及土壤有效態(tài)鎘含量的變化。由圖2A可知，與CK土壤相比，改良劑的施用可以顯著提高土壤的pH值，T1、T2、T5處理分別提高了0.18、0.26、0.24個pH單位。園林廢棄物堆肥是堿性添加物，因此引起土壤pH值的增加。圖2B顯示，改良劑的施用顯著提高了土壤的EC值，不同處理較CK分別提高了3%、7%和14%，同時EC值的增加不會造成土壤的鹽堿環(huán)境。與CK相比，改良劑的添加使土壤有機(jī)質(zhì)顯著增加（圖2C），T1、T2、T5處理較CK分別增加了5%、7%和19%，這是由于改良劑中加入了腐植酸，而腐植酸是有機(jī)質(zhì)的主要成分。改良劑的施用顯著降低了土壤有效態(tài)鎘的含量（圖2D），T1、T2、T5處理與CK相比，分別降低了30%、32%和42%。

2.3 改良劑對鎘污染土壤中小白菜生物量的影響

從圖3中可以看出，改良劑的施用顯著增加了鎘污染土壤中小白菜根和葉的生物量。與CK相比，T1、T2、T5處理分別提高了46%、53%和50%的根生物量；同時分別提高了30%、42%和64%的葉生物量。不同處理之間根生物量增加沒有顯著差異，但葉生物量增加有顯著差異?？傮w而言，改良劑的施用顯著促進(jìn)了小白菜的生長。

2.4 改良劑對鎘污染土壤中小白菜鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

表1為施用改良劑后小白菜根和葉的鎘含量、富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的變化情況。改良劑的添加顯著降低了鎘污染土壤中根和葉的鎘含量。與CK相比，T1、T2、T5處理分別降低了13%、18%和33%的根部鎘含量，同時分別降低了34%、43%和51%的葉中鎘含量。改良劑可以顯著降低根和葉中鎘的富集系數(shù)，根和葉的富集系數(shù)分別較CK降低了12%～30%和34%～49%。隨著改良劑施用量的增加，葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但都顯著低于CK，且均大于1，說明鎘容易從根部向葉中轉(zhuǎn)移。

表1改良劑對小白菜鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Table 1 Effects of amendmentson cadmium uptake and transport in pakchoi cabbage

2.5 改良劑對鎘污染土壤中小白菜葉片色素含量的影響

表2為小白菜葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素的變化情況。改良劑的施用顯著提高了葉綠素a的含量，與CK相比，T1、T2、T5處理分別提高了20%、22%和28%。改良劑的施用提高了葉綠素b的含量，但與CK相比并沒有顯著差異。葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素含量的變化趨勢與葉綠素a相同，都隨著改良劑施用量增加而顯著提高，不同處理與CK相比，葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素含量分別提高了16%～23%和17%～26%。

表2改良劑對小白菜葉片色素含量的影響（mg·g-1）Table 2 Effects of improvers on pigment content in leaves of pakchoicabbage（mg·g-1）

2.6 改良劑對鎘污染土壤中小白菜生理特性的影響

圖4為改良劑對鎘污染土壤中小白菜的MDA含量、SOD活性、POD活性和脯氨酸含量的影響情況。從圖4A可以看出，小白菜的MDA含量隨改良劑施用量的增加呈顯著下降的趨勢，與CK相比，T1、T2、T5處理小白菜的MDA含量分別降低了61%、65%和71%。從圖4B可以看出，小白菜的SOD活性隨改良劑施用量的增加呈下降的趨勢，其中T1、T2和T5處理的SOD活性分別下降至114、110、107 U·g-1FW，比CK下降11%、14%和16%，且與CK差異顯著。從圖4C可以看出，小白菜的POD活性隨改良劑施用量的增加呈下降趨勢，其中T1處理的POD活性比CK下降30 U·g-1FW（4%），與CK差異不顯著；T2和T5處理的POD活性下降16%和26%，與CK差異顯著。從圖4D可以看出，小白菜的脯氨酸含量隨改良劑施用量的增加呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，但均顯著低于CK，T2處理脯氨酸活性降低幅度最大，下降了34%。

3 討論

土壤改良劑會改變土壤的理化性質(zhì)，從而改變土壤重金屬有效態(tài)含量，進(jìn)而影響其遷移性和植物特性[3，10-11]。本研究結(jié)果表明，添加園林綠化廢棄物堆肥、生物炭和腐植酸的復(fù)合改良劑可以顯著提高土壤pH值、EC值和有機(jī)質(zhì)含量，同時顯著降低土壤有效態(tài)鎘含量（CaCl2），改良劑的添加提高了土壤EC值，但不會引起土壤鹽堿化。堆肥和生物炭呈堿性，腐植酸呈酸性，由于堆肥添加比例大于腐植酸，因此導(dǎo)致土壤pH值增加。土壤pH值升高，導(dǎo)致重金屬的有效態(tài)轉(zhuǎn)化為氫氧化物和碳酸鹽沉淀，降低了重金屬在土壤中的遷移率和生物毒性效應(yīng)[12-14]。由圖2可知，改良劑的添加導(dǎo)致pH值升高了0.18～0.24個單位，同時顯著降低了土壤有效態(tài)鎘含量30%～42%，說明土壤pH值升高可以顯著降低可提取態(tài)鎘（CaCl2）含量[15]。圖1中園林綠化廢棄物堆肥的表面是多孔的，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，其孔隙長度為5～20μm，這種構(gòu)造有利于金屬離子的嵌入配位[3]。生物炭也具有多孔結(jié)構(gòu)，含有大量的羧基和羥基，可降低重金屬的生物利用度[4]。腐植酸是有機(jī)質(zhì)的主要成分，堆肥和生物炭中也含有大量的有機(jī)質(zhì)，因此土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加，提高土壤肥力的同時又增強(qiáng)了改良劑對重金屬和有機(jī)污染物的吸附[3，16-17]。在鎘污染土壤中添加復(fù)合改良劑可以顯著提高小白菜根和葉的生物量，這是由于園林綠化廢棄物堆肥可以提高土壤養(yǎng)分含量[3]；生物炭增加了離子交換點(diǎn)，利于固定重金屬[4]；腐植酸含有大量的有機(jī)質(zhì)，提高了土壤的固氮、固鉀和磷分解能力，有利于植物的生長[7]。在盆栽試驗(yàn)中，復(fù)合改良劑的添加在降低土壤有效態(tài)鎘含量的同時也促進(jìn)了小白菜的生長。

鎘在植物體內(nèi)的積累隨土壤性質(zhì)、改良劑類型、植物種類的不同而不同[18]。植物中重金屬的含量與土壤中有效態(tài)重金屬含量呈正相關(guān)[19]。因此施用改良劑后，土壤pH值升高，土壤有效態(tài)鎘含量降低，這是小白菜根和葉中重金屬含量減少的主要原因。植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)是評價(jià)重金屬對植物生長危害性的主要指標(biāo)[20]。BCF被認(rèn)為是評價(jià)重金屬在土壤-植物系統(tǒng)中遷移難易程度和描述重金屬在植物體內(nèi)積累趨勢的重要指標(biāo)。TF表征植物根系將重金屬離子從地下輸送到地上的能力。改良劑施用后小白菜的BCF和TF值均降低，說明小白菜-鎘系統(tǒng)中鎘的遷移能力降低，鎘離子通過根系從地下轉(zhuǎn)運(yùn)到地上的能力下降。這主要是由于改良劑改變了土壤性質(zhì)（pH值升高、有機(jī)質(zhì)含量升高、有效態(tài)鎘含量降低），導(dǎo)致鎘的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低，從而降低了小白菜對重金屬的生物利用度。葉菜類蔬菜對重金屬遷移率高[21]，改良劑可以有效抑制小白菜對鎘的吸收，從而減少了人體攝入量，降低健康風(fēng)險(xiǎn)。小白菜的鎘含量雖然降低效果明顯，但并未降低到食品安全限量標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，下一步需要調(diào)整3種原材料的配比或加大施用比例，進(jìn)一步降低小白菜的鎘含量，使其符合食品安全限量標(biāo)準(zhǔn)。

鎘離子可以抑制植物葉綠素的合成，降低植物光合作用并抑制植物生長[22]。改良劑的施用提高了小白菜葉的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素含量，這表明改良劑有助于提高小白菜葉綠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保護(hù)葉片色素，提高光合作用，促進(jìn)小白菜的生長。植物受到鎘脅迫會產(chǎn)生活性氧自由基，為了緩解自由基并減少鎘脅迫引起的氧化損害，植物會釋放多種酶和非酶防御機(jī)制。鎘促使脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致MDA含量不必要的增加，同時鎘脅迫下植物的游離脯氨酸含量也會增加[23]。添加生物炭可以顯著降低鎘處理土壤中的脯氨酸和MDA水平[10]。本試驗(yàn)中，改良劑的施用顯著降低了MDA和脯氨酸含量，緩解了鎘對小白菜葉片的毒害作用，對細(xì)胞器膜完整性有積極作用。MDA和脯氨酸含量的顯著降低可能是由于鎘吸收量和土壤中有效態(tài)鎘含量的降低。SOD和POD是植物抗氧化系統(tǒng)中的酶，植物體內(nèi)鎘積累會導(dǎo)致SOD和酶編碼基因的活性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致抗氧化酶的升高[11]，POD可作為多種植物鎘金屬毒性的生物標(biāo)志物[24]。SOD將O2-解毒為H2O2，而POD在過氧化氫的催化作用中起著至關(guān)重要的作用[25]。Mehmood等[26]證明了鎘毒性對SOD和POD活性的上調(diào)作用，以及生物炭改良劑對其活性的下調(diào)作用。生物炭的添加顯著降低了植物葉片和嫩枝中的POD活性，這是由于SOD分解了更多的超氧化物而產(chǎn)生的更高的氧化應(yīng)激活性氧和過氧化氫[27]。施用改良劑降低了小白菜根和葉中鎘的積累轉(zhuǎn)運(yùn)能力，增強(qiáng)了小白菜對鎘毒性的自我調(diào)節(jié)，這可能是導(dǎo)致SOD和POD活性降低的主要原因。

4 結(jié)論

（1）在鎘污染土壤中添加復(fù)合改良劑，可以提高土壤pH值和EC值，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤有效態(tài)鎘含量，提高土壤質(zhì)量。

（2）施用復(fù)合改良劑，顯著提高了鎘污染土壤中小白菜根和葉的生物量，提高葉片色素含量，顯著降低小白菜根和葉中鎘的積累轉(zhuǎn)運(yùn)。

（3）施用復(fù)合改良劑，顯著緩解了鎘對小白菜的毒害作用，小白菜葉中的MDA含量、SOD活性、POD活性和脯氨酸含量等抗逆性指標(biāo)明顯降低。