2021, Vol. 42
2. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所, 合肥 230001
, YANG Qin1 , LI Hong-ying2 , XIONG Qi-zhong1 , XU Gang1 , SUN Rui-bo1 , TIAN Da1 , LI Jun-li1 , GAO Hong-jian1 , YE Xin-xin1
2. Institute of Soil and Fertilizer, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230001, China
植物修复技术是一种利用重金属超积累植物从污染土壤中提取有害金属的经济、环保和有效的方法[1].孔雀草(Tagetes patula L.)是一种观赏性花卉植物, 具有较好的景观恢复与环境生态效益, 适合于大面积推广[2], 并且孔雀草对土壤中Cd的提取具有较大潜力[3].孔雀草对土壤中Cd去除效率的提升是其规模化应用的关键.利用外源物质来强化孔雀草对土壤Cd的去除, 是推动孔雀草在植物修复技术中大规模应用的重要措施[4].
氮素是植物体内所必需的大量营养元素之一, 施用氮肥对增加超积累植物的生物量至关重要[5].铵态氮肥可以通过硝化作用使土壤酸化[6], 增加重金属的溶解度和生物有效性.Zaccheo等[7]的研究发现, 铵态氮肥的施用可以通过增加植物生物量和降低土壤pH值来提高土壤中Cd的去除效率.因此, 铵态氮肥的施用是提高超积累植物提取土壤中Cd的有效方法.
腐殖酸的添加对土壤重金属的形态转化和有效性具有重要影响[8].有研究表明, 腐殖酸中低分子量有机物质对重金属离子具有亲和力小和络合容量大等特点, 可以提高土壤重金属的有效性[9].腐殖酸也可以通过降低土壤pH, 酸化土壤从而增加重金属的活性[10].同时, 腐殖酸不仅能够抑制脲酶活性, 增强氮肥的缓释性能, 还能固定土壤中硝态氮和铵态氮, 减少土壤中的氮素损失, 提高氮肥利用率, 增加植物的生物量[11].
组合修复技术是通过优化组合各种修复技术和措施, 使之达到最佳效果和最低投入的一种综合环境污染修复方法.相对于单一修复方法而言, 组合修复技术能最大限度地提高土壤中重金属的修复效率, 具有周期短和效果好等优点, 因此越来越受到人们广泛的关注[12].当前, 关于铵态氮肥和腐殖酸联用来强化孔雀草去除土壤中Cd的相关研究较少.本文通过田间试验, 研究铵态氮肥与腐殖酸联合施用修复Cd污染土壤的效果以及强化孔雀草对土壤Cd去除的机制, 以期为Cd污染农田植物修复技术的应用和推广提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验区土壤理化性质本试验设置于安徽省合肥市肥东和长丰土壤重金属修复基地.肥东县桥头集镇仙垱村试验点, 土壤基本理化性质如下: pH 6.02, CEC 23.91 cmol·kg-1, ω(有机质)28.5 g·kg-1, ω(黏粒)29.2%(< 2 μm), 土壤ω(总Cd)0.686 mg·kg-1, 土壤中ω(有效态Cd)0.083 mg·kg-1.长丰县双墩镇尚岗村试验点, 土壤基本理化性质如下: pH 6.61, CEC 14.68 cmol·kg-1, ω(有机质)11.7 g·kg-1, ω(黏粒)24.1%(< 2 μm), 土壤ω(总Cd)0.662 mg·kg-1, 土壤ω(有效态Cd)为0.067 mg·kg-1.两个试验点土壤Cd总量都超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018)中风险筛选值(0.6 mg·kg-1).
1.2 试验设计供试植物为Cd超富集植物孔雀草, 在温室内进行预培养.本试验设置4个处理, 分别为对照处理(CK, 不加氮肥和腐殖酸)、氮肥处理(N, 只添加氮肥)、腐殖酸处理(HA, 只添加腐殖酸)和氮肥+腐殖酸处理(NHA, 氮肥与腐殖酸联合施用), 每个处理重复4次, 每个小区面积为60 m2.分别采用尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O5 16%)和氯化钾(含K2O 62%)作为基肥全部施入土壤.基础施肥水平设定为90 kg·hm-2(以N计)、150 kg·hm-2(以P2O5计)和150 kg·hm-2(以K2O计).根据当地施肥水平设置不同施氮量[0、45、90、120和150 kg·hm-2(以N计, 硫酸铵)]对孔雀草修复Cd影响的试验结果, 从产量的结果确定90 kg·hm-2为本试验最佳施用量.通过文献[13]可知, 施加1%(质量分数)腐殖酸对植物修复土壤中Cd效果最好.铵态氮肥和腐殖酸处理分别以90 kg·hm-2(以N计, 硫酸铵)和1%(质量分数)腐殖酸均匀地混合在土壤中.本试验于2020年7月中旬开展, 10月中旬收获; 试验结束后分别采集各试验小区孔雀草样品以及土壤样品.采集孔雀草植株样品时, 使用铲子在孔雀草植株四周挖出25 cm×25 cm×20 cm的土块, 以挖掘和抖土的方式将孔雀草与土壤分离.装入网袋中带回实验室处理, 分为地上部和根系.地上部指的是植株与土壤接触面以上的所有部位包括茎、叶和花等, 根系指的是土壤接触面以下的所有部位.经自来水和蒸馏水冲洗干净, 所有根系装入样品袋.
1.3 土壤和植物样品分析土壤样品用混合酸(HNO3-HClO4-HF)方法进行消解, 采用电感耦合等离子体质谱仪分析Cd浓度.土壤有效态Cd采用CaCl2提取的方法, 具体可参考Ye等[14]的方法.用国家标准物质(GBW07455)来进行土壤消解过程和Cd测定的质量控制.
在孔雀草种植15、30、45、60和90 d后进行田间土壤采样.分别测定4个处理土壤有效Cd、pH和DOC.土壤中的DOC浓度根据Jones等[15]的方法进行分析.
植株生长90 d后收获, 清洗、烘干和粉碎后备用.称取植物样品使用混合酸(HNO3-H2O2)方法进行消解, 采用电感耦合等离子体质谱仪分析Cd浓度.采用国家标准物质(GBW07603)进行质量控制.土壤样品和植物样品测定结果显示Cd回收率在86%~105%范围内.
用EPSON全自动扫描仪扫描记录孔雀草的根系形态并获取根系图像, 然后采用Win RHIZO 2009根系扫描分析系统计算出孔雀草根系的总根长、根体积、平均直径、总表面积和根尖数等参数.
1.4 数据计算与分析利用以下公式计算孔雀草地上部和根部Cd积累量:
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式中, Cd积累量为地上部或根部Cd吸收量(g·plant-1), 孔雀草生物量(g·plant-1)为地上部或根部干重, Cd含量为地上部或根部的Cd含量(mg·kg-1).
土壤Cd去除率是指孔雀草对土壤中镉的去除效率, 包括了地上部和根系两部分对土壤中Cd的吸收.因此采用以下公式计算:
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式中, CdRM为土壤Cd去除率, CdBlank为未种植孔雀草土壤Cd总量, CdTreatment为经过不同处理后土壤总Cd量.
通过SPSS 21.0进行统计分析, 采用最小显著差数法进行差异显著性检验(P < 0.05), 利用Excel 2010软件进行作图.
2 结果与分析 2.1 孔雀草生物量氮肥与腐殖酸的施用对孔雀草生物量有显著影响(P < 0.05).在两种土壤中, 地上部生物量的大小排序依次为: NHA>N>HA≈CK[图 1(a)].与对照相比, NHA和N处理下孔雀草地上部生物量分别提高了2.49倍和1.52倍(肥东土壤), 在长丰土壤上分别提高了2.28倍和1.74倍.孔雀草根部生物量在NHA处理中最高, 其次是HA和N处理, CK处理最低.在肥东与长丰土壤中, 与CK处理相比, NHA处理下孔雀草根部生物量分别增加了3.27倍和1.88倍, HA处理下分别增加了2.34倍和1.42倍[图 1(b)].结果表明, 氮肥和腐殖酸联用可以显著增加孔雀草的生物量, 并且腐殖酸能显著促进孔雀草根系生长.
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CK: 仅种植孔雀草, N: 孔雀草+施氮肥, HA: 孔雀草+腐殖酸, NHA: 孔雀草+N肥+腐殖酸; 不同小写字母表示不同处理之间存在显著差异(P < 0.05), 下同 图 1 不同处理条件下孔雀草地上部和根部生物量 Fig. 1 Dry weights of shoots and roots in Tagetes patula L. under different treatments |
孔雀草地上部Cd含量排序为: NHA>N≈HA>CK.在肥东和长丰两种土壤中, NHA处理下孔雀草地上部Cd含量分别比CK提高了2.88倍和1.82倍; N处理略高于HA处理, 但两者间差异不显著[图 2(a)].孔雀草根部Cd含量以NHA处理最高, 其次是HA和N处理, CK处理最低.NHA和HA处理的孔雀草根部Cd含量分别比CK处理(肥东土壤)提高了2.17倍和1.44倍, 长丰土壤相应值为2.78倍和2.00倍[图 2(b)].结果表明, 添加氮肥和HA均能显著提高孔雀草体内Cd含量, 尤其是NHA处理.
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图 2 不同处理条件下孔雀草地上部和根部ω(Cd) Fig. 2 The ω(Cd)of shoots and roots in Tagetes patula L. under different treatments |
不同处理下孔雀草地上部分Cd累积量依次为: NHA>N>HA>CK[图 3(a)].与对照相比, NHA和N处理地上部Cd积累量(肥东土壤)分别增加了7.17倍和5.64倍, 长丰土壤增加了4.15倍和3.43倍. NHA处理孔雀草根部Cd累积量最高, HA与N处理次之, CK处理最低[图 3(b)].
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图 3 不同处理条件下孔雀草地上部、根部Cd累积量和土壤Cd去除率 Fig. 3 Cd accumulations of shoots and roots in Tagetes patula L. and the Cd removal rate in soils under different treatments |
4种处理土壤Cd去除率的变化趋势与孔雀草地上部Cd累积量相一致[图 3(a)和3(c)].NHA处理的土壤Cd去除率最高, 在肥东和长丰两种土壤上分别为17.06%和14.08%[图 3(c)].以上结果表明, NHA处理显著提高了孔雀草Cd的吸收量, 进而增加孔雀草对土壤Cd去除效率.
2.4 土壤中有效态Cd的变化通过测定孔雀草不同生长阶段土壤CaCl2-提取态Cd, 研究铵态氮肥和腐殖酸对土壤Cd有效性的影响(图 4).在两种土壤中, NHA处理CaCl2-提取态Cd含量最高, 其次是N和HA处理, CK处理最低.90 d后, 与CK处理相比较, NHA处理中ω(CaCl2-提取态Cd)在肥东土壤和长丰土壤中分别增加64.1%和53.1%(图 4).以上结果表明, NHA、N和HA处理均能提高土壤Cd有效性, NHA处理效果最好.
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图 4 孔雀草生长期间两种土壤CaCl2-Cd的动态变化 Fig. 4 CaCl2-extracted Cd in Feidong soil and Changfeng soil during the growth period of Tagetes patula L. |
在孔雀草生长期内, 不同处理下土壤pH值保持稳定, 土壤pH值顺序为: CK>HA≈N>NHA(图 5). 90 d后, 与对照处理相比较, NHA、N和HA处理土壤pH值在肥东土壤中分别降低了0.76、0.49和0.37个单位[图 5(a)], 在长丰土壤中分别降低了0.84、0.59和0.43个单位[图 5(b)].结果表明, 氮肥与腐殖酸的添加可以显著提高土壤酸度, NHA处理降低幅度最大.
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图 5 孔雀草生长期间两种土壤pH值的动态变化 Fig. 5 Soil pH values in Feidong soil and Changfeng soil during the growth period of Tagetes patula L. |
随着时间的推移, CK和N处理的土壤ω(DOC)保持稳定, 而添加HA处理土壤ω(DOC)逐渐下降(图 6).在孔雀草生长期间, 腐殖酸显著提高了肥东与长丰两种土壤ω(DOC), 而氮肥的施用对土壤ω(DOC)没有影响(图 6).
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图 6 孔雀草生长期间肥东土壤和长丰土壤ω(DOC)的动态变化 Fig. 6 The ω(DOC) in Feidong soil and Changfeng soil during the growth period of Tagetes patula L. |
从图 7的根系扫描分析可以看出, NHA和HA处理下的孔雀草根系形态(总表面积、总根体积和根尖数)均高于其他处理, 添加HA能够显著促进孔雀草根系发育.与CK处理相比, NHA处理显著增加了总根长(68%)、总表面积(91%)、总根体积(106%)、平均根直径(111%)和根尖数(49%).NHA和HA处理能显著促进孔雀草根系生长发育.
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图 7 不同处理下孔雀草的根系形态特征 Fig. 7 Morphological characteristics of root in Tagetes patula L. under different treatments |
超累积植物生物量的大小是影响土壤重金属去除效率的重要因素.从图 1可以看出, 不同处理下孔雀草生物量存在显著差异, 其中NHA处理的孔雀草生物量最大, N和HA处理次之, CK处理最低.施肥能有效地提高植物生物量, 尤其是氮素营养, 氮素占植物总养分吸收量的比例可达到80%[16].腐殖酸是一种环境友好的生物化学活性物质, 可以作为保水剂和肥料增效剂, 提高土壤的保水能力以及氮肥的利用率[17].这主要是因为腐殖酸含有丰富的羧基、酚羟基和氨基等官能团, 对离子有较强的吸收能力, 可以减少土壤养分损失, 促进植物对土壤中养分的吸收[18].陈振德等[19]的研究发现腐殖酸与氮肥配合施用能明显提高玉米产量及氮素利用率.另外, 孔雀草的最适宜生长土壤pH范围是6.0~6.2, 本研究在土壤pH < 6.0的情况下孔雀草生长没有受到显著影响的原因是: ①土壤pH的降低是因为氮肥与腐殖酸的添加, 而氮肥与腐殖酸的施用均能够显著促进孔雀草生长, 进而消减了pH降低对孔雀草生长不利的影响; ②不同孔雀草品种对土壤pH适宜性有差异, 如Escuer等[20]的研究发现, 在土壤pH < 6.0(5.7)的情况下孔雀草的生长没有受到明显影响.因此, 铵态氮肥与腐殖酸联合施用能极大地提高孔雀草的生物量.
3.2 铵态氮肥和腐殖酸对土壤pH值、DOC含量和有效态Cd含量的影响已有研究表明, pH是影响土壤中Cd有效性的主要因素之一[21].与对照处理相比较, 施用铵态氮肥显著降低了两种土壤pH值(图 5).向土壤中施用铵态氮肥会因硝化作用而释放H+[22], 同时植物根系通过对NH4+的吸收也会诱导H+释放到土壤, 最终导致土壤的酸化[23].腐殖酸的添加也显著降低了两种土壤pH值(图 5).腐殖酸是有机酸的一种, 含有大量的羧基、酚羟基等酸性官能团, 可对土壤环境产生酸化的作用[24].王敏等[25]的研究发现腐殖酸可以强化盐碱土的改良效果, 显著降低土壤pH.总的来说, 土壤中有效态Cd的含量会随着土壤pH的降低而增加[26].
腐殖酸的施用增加了两种土壤的ω(DOC)(图 6), 这一结果与王相平等[27]的研究结果相一致.腐殖酸施入土壤分解后, 可产生大量的DOC, 进而促进了Cd的活化和迁移, 增加土壤中Cd的有效性[8, 28].已有研究表明, 有机物质(作物秸秆等)的分解可以产生大量的DOC, 促进了土壤Cd的活化和有效性的提升[29].
因此, 土壤中pH值降低和ω(DOC)增加是NHA处理提升土壤Cd有效性的主要原因.
3.3 铵态氮肥和腐殖酸对孔雀草根系形态特征的影响根系是植物吸收外界物质的重要器官, 其生长发育情况直接影响植物的生长、生物量及离子吸收量[30].根据图 7中孔雀草根系扫描结果可以看出, NHA和HA处理下孔雀草根系形态如总表面积、总根体积和根尖数均高于其他处理.这说明腐殖酸对孔雀草根系生长有明显的促进作用.这与周丽平等[31]的研究结果一致, 腐植酸可以显著提高玉米总根长、总根数量和根表面积等根系参数.
腐殖酸作用于植物后, 植物根系可表现出类似外源生长素的刺激反应, 这种刺激作用与根系中蔗糖代谢、细胞支架蛋白质、ATP酶等相关基因差异性表达有关, 其中H+-ATP酶基因的差异性对根系生长影响最大[32].H+-ATP酶的活性增加使电化学质子梯度增加, 促进了植物质子跨膜运输, 改善了植物吸收, 增加侧根发生位点数量和根长, 刺激植物根系生长[33].同时, 腐殖酸含有多种具有生物活性的官能团, 如羧基和酚羟基等, 具有酸性、络合作用和阳离子交换等能力, 促进植物根系对养分的吸收利用, 能够改善植物根系形态[34].
根系形态的改善提高了孔雀草对土壤中Cd的吸收能力.根系长度和表面积是决定根系在土壤中扩展程度和根系吸收养分范围的重要参数[35].大量研究发现, 植物对Cd吸收状况与其根系形态之间存在显著的相关性.有研究表明, 东南景天地上部Cd含量与根长、根表面积和根体积均呈正相关[36].Berkelaar等[37]的研究表明, 根系表面积和根尖数量较高的小麦品种, 地上部Cd的累积量就大.
因此, NHA处理显著促进根系组织的发育, 增加了植物对土壤中Cd的吸收, 提高了地上部的Cd浓度.
3.4 铵态氮肥和腐殖酸对土壤Cd去除率的影响本研究中, NHA处理下土壤Cd去除率最高, 在肥东和长丰两种土壤中分别为17.06%和14.08%.氮肥与腐殖酸联合施用显著提高了孔雀草对Cd的吸收累积, 增强了土壤Cd去除率.氮肥和腐殖酸联用强化孔雀草对土壤Cd的去除效果最主要的原因是: ①氮肥能促进孔雀草生长, 而腐殖酸能够提高氮肥的利用效率, 二者之间的协同效应使孔雀草生物量最大化; ②铵态氮肥和腐殖酸均可通过降低土壤pH活化土壤Cd, 而添加腐殖酸释放大量DOC也可以促进土壤Cd的溶解, 提升土壤Cd的有效性; ③腐殖酸能够对植物产生类似生物刺激素的效应.它能够刺激根系H+-ATP酶基因表达、增加侧根生长点、促进植物根伸长, 从而增加植物根系与土壤的接触面积, 增强植物对Cd2+的吸收能力.因此, 铵态氮肥和腐殖酸联用是通过增加孔雀草地上部生物量、土壤有效态Cd浓度以及促进根系对Cd吸收来提高土壤中Cd的去除效率.
4 结论田间试验条件下, 添加氮肥和HA均能显著提高孔雀草对土壤Cd的去除率, 尤其是NHA处理.铵态氮肥和腐殖酸会降低土壤pH, 腐殖酸可增加土壤DOC含量, 进而提高Cd的生物有效性, 且复合添加处理效果明显高于单一处理.氮肥和腐殖酸联用可以显著增加孔雀草的生物量, 并且腐殖酸能显著促进孔雀草根系生长, 增强孔雀草对Cd的吸收能力.因此, 铵态氮肥和腐殖酸联用对孔雀草生长的促进作用以及Cd吸收能力的增强是其强化土壤Cd去除效率的主要因素.另外, 肥东土壤中孔雀草的Cd累积量比长丰高, 原因有两个方面: 一方面肥东土壤的肥力[ω(有机质)28.5 g·kg-1]比长丰高[ω(有机质)11.7 g·kg-1], 肥东土壤种植的孔雀草生物量高于长丰; 另一方面肥东土壤的pH比长丰土壤低, 导致长丰土壤Cd有效性比肥东土壤高, 有利于肥东土壤中的孔雀草对土壤中的Cd吸收较高.因此, 肥东土壤中孔雀草的Cd的累积量比长丰的高.
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