2022, Vol. 43
文献[1]显示我国Cd污染点位超标率高达7.0%. Cd在土壤中具有较高的移动性和生物有效性[2], 能通过土壤-根系界面进行积累, 直接或间接被摄入到人体内, 最终威胁到人类健康[3].因此, 需要对Cd污染土壤采取必要的措施进行修复以保障人类健康.
在多种Cd污染土壤修复方式中, 植物修复具有经济和环境友好等优点, 是最有吸引力的修复方法之一[4, 5].然而, 植物修复效率通常受到生物量小和抗逆性差等因素的制约.棉花是我国主要的经济作物之一, 具有易于种植、生物量大和抗逆性强等优点并且棉纤维没有进入食物链, 使棉花成为植物修复技术的理想植物材料之一[6].因此, 选取棉花作为植物材料用于修复Cd污染土壤可以兼顾生态效益及经济效益, 具有一定的应用潜力.
溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是一类包含不同分子量组分的水溶性有机复合物, 具有来源广泛(如秸秆、有机肥、垃圾等)和使用成本较低等优点[7, 8], 并且我国秸秆和有机肥资源丰富[9, 10], 使源于秸秆和有机肥DOM在污染土壤修复方面具有广泛的潜在应用价值.有研究表明, DOM富含多种不同分子量的有机组分以及丰富的负电荷官能团[11, 12].当DOM进入土壤后, 能够改变土壤对重金属的吸附、解吸和络合等行为状态[13], 影响Cd的生物有效性[14], 使植物体内的Cd含量和光合能力发生变化, 改变植物生长状况.此外, 不同来源DOM对土壤重金属的有效性的影响程度不同[15].Wang等[16]的研究表明, 秸秆DOM和农家肥DOM使土壤对Cd的吸附量降低, 从而提高了Cd的生物有效性, 其中秸秆DOM对小白菜Cd积累能力的促进作用强于农家肥DOM.
因此, 本文通过盆栽试验, 研究棉花秸秆DOM和农家肥DOM对棉花生物量、光合能力和Cd含量等指标的变化, 揭示两种DOM影响对棉花生长和Cd含量的作用机制并分析两种DOM的修复能力, 以期为Cd污染土壤的修复提供一种方法参考.
1 材料与方法 1.1 供试土壤及材料供试棉花品种为新陆早84号, 供试土壤样品取自石河子大学农学院试验田(0~20 cm耕层土壤).土壤经自然风干, 过5 mm筛后供盆栽试验使用.基础土样理化性质如下: pH为8.10, ω(有机质)为9.37 g·kg-1, ω(碱解氮)为55.88 mg·kg-1, ω(速效磷)为26.82 mg·kg-1, ω(速效钾)为165.41 mg·kg-1, ω(总Cd)为0.69 mg·kg-1.
1.2 试验设计本试验设置3个外源Cd添加梯度: 0(C0)、5(C5)和10(C10)mg·kg-1以及两种DOM来源: 棉花秸秆源(CM)和农家肥源(FM), 去离子水作为对照(CK), 共9个处理, 每个处理设置3个重复.于棉花长出4片真叶后开始定苗, 每盆保留3株长势相同的棉花幼苗.DOM处理根据DOC含量调节到250 mg·L-1后每次每盆施入120 mL, 10 d为一个施用周期, 整个生育期共计施用9次, 于棉花吐絮期收获植株样品.
本盆栽试验于石河子大学农学院试验田进行.本试验所用土壤都经过风干和过5 mm筛.按上述含量向土壤中添加CdCl2·2.5H2O(分析纯), 与土壤混匀并存放30 d后装入塑料盆中(直径为20 cm, 高为25 cm), 每盆装土6.0 kg并添加1.2 g的尿素、磷酸二铵和硫酸钾作为底肥.
1.3 DOM制备供试棉花秸秆取自石河子大学农学院试验站, 农家肥(羊粪)取自石河子大学动物科技学院.棉花秸秆经过粉碎, 农家肥腐熟后经研磨过筛后保存备用.将两种物料和去离子水按照1∶10的质量比混合, 经保鲜膜封口后, 置于200 r·min-1的振荡机上连续振荡16 h, 上清液在12 000 r·min-1条件下离心10 min后用真空泵通过孔径为0.45 μm水系滤膜抽气过滤, 滤液于4℃冰箱中保存备用, 滤液即为棉花秸秆DOM(CM)和农家肥DOM(FM), 并测定其性质.DOM性质如表 1所示.
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表 1 DOM基本性质及紫外光谱特征 Table 1 Basic properties and UV-visible spectra properties of DOM |
1.4 测试指标及方法 1.4.1 紫外可见光光谱分析
采用紫外-可见光分光光度计测定DOM吸收光谱(纯水为空白), 用10 mm石英比色皿在波长200~700 nm范围内扫描, 间隔2 nm.根据计算和单位有机碳吸光度[17], 吸收系数公式:
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式中, λ为波长(nm), a(λ)为在波长λ下的吸收系数(m-1), l为光程路径(m), A(λ)为吸光度.单位有机碳吸光度SUVAλ计算公式为:
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式中, a(λ)是DOM的吸收系数, ρ(DOC)为DOC浓度(mg·L-1)
1.4.2 棉花生物量测定收获后的棉花分为根、茎、叶、铃壳、棉纤维和棉籽部分.将各部分于105℃下杀青30 min后, 于75℃烘至恒重, 使用百分之一天平称重.
1.4.3 叶片光合作用参数测定于10:00~12:00使用便携式光合速率测定仪(LI-6800, USA)测定棉花功能叶光合参数, 测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr).
1.4.4 Cd含量测定土壤有效态Cd含量采用DTPA浸提剂浸提; 植株Cd含量采用硝酸-盐酸-氢氟酸消解, 使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICAP 6300, Thermo Fisher, USA) 测定土壤溶液和植物消解液中Cd含量.设置空白对照并使用国家标准物质(植物标准物质为GBW 07604, 土壤标准物质为GSS-21, Cd标准物质为GBS-04-1721-2004) 进行质量控制, 测定样品回收率均在95%~105%之间.
1.5 数据处理与分析用Excel 2016、SPSS 21和Origin 2019进行数据处理和作图, 以Duncan检验法检验处理间差异显著性, P < 0.05为差异显著.
2 结果与分析 2.1 DOM对土壤有效态Cd含量的影响图 1为DOM对土壤有效态Cd的影响.在不添加外源Cd时, 与CK组相比, 添加CM和FM对土壤有效态Cd无显著影响.在Cd胁迫处理下(C5和C10), 与CK相比, 加入CM处理的土壤有效态Cd含量显著提高, 其中在C10胁迫下达到最大, 提高了30.9%; 但加入FM处理的土壤有效态Cd含量并未表现出显著差异.
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不同小写字母表示存在显著差异(P < 0.05) 图 1 DOM对土壤有效态Cd含量的影响 Fig. 1 Effects of DOM on available Cd content in soils |
由表 2可知, 随外源Cd添加量增大, 棉花生物量积累的抑制程度逐渐提高.CK处理下, 与C0相比, C5和C10处理分别使棉花总生物量降低5.04%和12.87%.不添加外源Cd时, 与CK处理相比, CM处理和FM处理使棉花总生物量增加3.14%和8.46%, 其中铃壳部分生物量增加显著高于CK; 存在外源Cd时, 与CK相比, 施用CM和FM对棉花生物量(除根系)总体呈现不同程度的抑制效果, 其中CM处理的总生物量最低, 并且在C10水平下表现得更为明显.
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表 2 DOM对Cd胁迫下棉花生物量的影响1)/g·pot-1 Table 2 Effects of DOM on the biomass of cotton under Cd stress/g·pot-1 |
2.3 DOM对棉花叶片光合作用影响
由表 3可知, 叶片Pn和Gs随Cd胁迫的增加而降低, Ci和Tr表现为相反趋势.在3种不同外源Cd添加水平(C0、C5和C10)下, 施加CM和FM能改变叶片光合作用能力.不添加外源Cd时, 与CK相比, CM处理对叶片Pn、Gs和Ci无显著差异, 但显著提高了叶片Tr; 外源Cd为C5水平时, 施用CM使叶片Gs、Ci和Tr提高6.90%、6.94%和52.97%; 外源Cd为C10水平时, 施用CM使叶片Gs、Ci和Tr分别增加了0.94%、7.80%和51.44%, 但Pn显著低于CK.施加FM则表现出相同趋势.
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表 3 DOM对Cd胁迫下叶片光合作用的影响 Table 3 Effects of DOM on leaf photosynthesis under Cd stress |
2.4 DOM棉花各部位Cd含量的影响
由表 4可知, 随着外源Cd添加水平(C0、C5和C10)的增加, 棉花各部位Cd含量总体呈上升趋势, 在外源Cd添加水平为10 mg·kg-1时达到较高水平.在C0水平下, 各处理根系Cd含量最高, 其次是茎和叶, 铃壳、棉纤维和棉籽Cd含量保持在较低水平.在C5和C10水平下, 各处理不同部位Cd含量高低表现为: 根系>叶片>棉籽>铃壳>茎>棉纤维.
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表 4 DOM对Cd胁迫下棉花各部位Cd含量的影响/mg·kg-1 Table 4 Effects of DOM on Cd content in different parts of cotton under Cd stress/mg·kg-1 |
不添加外源Cd时, 与CK相比, CM和FM处理除根系和茎Cd含量有显著差异外, 其余部位Cd含量无显著差异; 外源Cd为C5水平时, 与CK相比, CM和FM棉纤维Cd含量分别降低32.26%和19.35%, 而其余部位Cd含量有不同程度地提高; 外源Cd为C10水平时, 与CK相比, CM各部位Cd含量达到显著差异, 但FM除根系Cd含量显著高于CK外, 其余部分Cd含量未达到显著差异.
2.5 DOM对棉花Cd积累量的影响如图 2可知, 棉花Cd积累量随Cd胁迫梯度的增加呈现出升高趋势.在相同Cd胁迫梯度下(C0、C5和C10), 与CK相比, 施加CM和FM均能提高棉花Cd积累总量, Cd积累总量增幅范围分别为27.76%~113.05%和17.77%~93.79%.此外, 施加CM对棉花地上部和地下部均有提高作用, 但施加FM主要体现在增加根系Cd积累量, 因此CM处理对棉花Cd积累总量的提升能力强于FM.
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地上部和地下部Cd积累量用不同小写字母表示存在显著差异(P < 0.05); 总Cd积累量用大写字母表示存在显著差异(P < 0.05) 图 2 DOM对棉花Cd积累量的影响 Fig. 2 Effects of DOM on Cd accumulation in cotton |
土壤中的有效态Cd能够直接被植物吸收[18].有研究表明, DOM可以促进土壤(矿区附近)颗粒吸附态Cd向土壤溶液中释放并提高了Cd的有效性[19]; Zhang等[20]的研究也发现DOM使土壤[ω(总Cd)为17.14 mg·kg-1)]中的ω(活性Cd)从16.2%提高到28.7%.在本研究中, 施用DOM提高了土壤有效态Cd含量(图 1).其原因一方面可能是DOM中存在大量活性官能团组分, 可以通过氢键、配体交换和络合作用等途径与Cd2+直接作用[21], 改变土壤对Cd的吸附和解吸能力[22], 提高土壤有效态Cd的含量; 另一方面, 植物分泌的根系分泌物同样对重金属有效性有直接影响.有研究表明, 根系分泌物能增加重金属活性并促进黑麦草对重金属的吸收和积累[23], 根系生物量越大通常越有助于根系分泌物的合成和分泌[24].在本研究中, CM和FM的根系生物量均高于CK(表 2), 这可能会导致土壤有效态Cd含量的增加.
不同来源DOM对土壤有效态Cd含量存在差异.DOM中的低分子量亲水化合物容易与重金属形成络合物, 使重金属更容易溶解[25, 26].芳香性也是影响土壤Cd有效性的重要因素, 低芳香性的DOM更容易促进Cd向土壤中释放[19].紫外可见光光谱分析中SUVA254、SUVA260和SUVA280用来表征DOM芳香性、疏水性和相对分子质量, 其值与芳香化程度、疏水组分和相对分子质量大小成正比[27, 28].在本试验中, 紫外可见光光谱表明CM具有更多低分子量、低芳香性亲水化合物(表 1), 这可能是CM处理中土壤有效态Cd含量高于FM的原因.
3.2 DOM对Cd胁迫下棉花生长的影响生物量是反映植物抗逆性和修复能力的重要指标[29].在本研究中, DOM的应用对棉花总生物量的影响取决于土壤Cd含量, 这表现为: 不添加外源Cd时, 施加CM和FM能显著提高棉花生物量; 在外源Cd添加下, 棉花总生物量表现为低于同水平CK.原因可能是: DOM作为有机质的一类可以直接或间接为棉花提供养分[30], 促进棉花生物量积累; 但在Cd污染情况下, DOM由于其结构特点会提高土壤Cd的生物有效性[31, 32], 促进了棉花对Cd的吸收(表 4), 使棉花总生物量表现出降低趋势.并且CM具有更多的低分子量和低芳香性的亲水有机物组分(表 1), 导致在C5或C10水平中CM处理使Cd对棉花生物量积累的抑制作用均强于FM.
光合作用是植物生物量积累的重要生理过程, 但Cd胁迫能通过干扰叶绿素合成和引起叶绿体降解等途径抑制植物光合作用[33, 34].在本研究中, 在C0水平下加入DOM能提高叶片光合能力, 其原因可能是: 施入CM和FM能提高根系对养分的吸收能力、提高养分的运输能力从而使光合作用强度提高[35]; 但在C5和C10水平下, DOM施用在提高根系与土壤养分接触面积的同时也增加了根系与土壤Cd的接触面积.与此同时, DOM施用让土壤Cd的有效性提高(图 1), 使CM和FM处理下棉花在同一Cd水平下的胁迫程度提高, 导致叶绿素合成受阻, 净光合速率降低.此外, Cd胁迫条件下细胞产生的活性氧(ROS)还可能使细胞中的叶绿体和线粒体等细胞器受到氧化损伤导致其无法发挥正常功能[36~38], 从而光合作用受到抑制.因此, 同一Cd水平(C5和C10)下施加CM和FM表现出净光合速率比CK更低.
3.3 DOM对Cd污染下棉花Cd吸收和积累的影响植物体内Cd含量决定了Cd污染土壤的植物修复效率[39].徐轶群等[40]的研究发现, DOM提高了土壤重金属的活性, 促进了生菜对重金属的吸收和积累.在本试验中, CM和FM的施入总体上提高了棉花各部位的Cd含量(除棉纤维)并提高了棉花的Cd积累总量, 原因可能在于: 其一, 施入CM和FM提高了土壤Cd的有效性(图 1), 使根系暴露在Cd有效性更高的土壤中; 其二, 施用CM和FM提高了根系生物量(表 2), 增加了根系与土壤的接触面积从而提高了根系对Cd的吸收量; 其三, 根系中Cd经木质部通过蒸腾作用向上运输并在其他器官实现再分配[41], CM和FM的施用显著提高了叶片的蒸腾速率(表 3), 使更多的Cd向地上部运输和积累.
棉纤维中的Cd含量影响到棉花的安全利用.在本研究中, 各处理下棉纤维Cd含量符合国家标准[42]中总Cd含量的限量要求.此外, DOM施入对棉纤维的Cd含量表现为降低或无显著差异, 这可能是由于DOM的施入能促进植物产生GSH合成酶, 提高叶片GSH活性[43], 使GSH与Cd螯合后被拦截在叶片的液泡中[44], 限制了其向棉纤维中的转移.但DOM的应用对棉纤维的生物量存在一定程度的降低作用.因此, 在具体应用过程中需采取合理的田间管理措施来提高生物量和产量[45, 46], 以保障经济效益.
4 结论施加棉花秸秆DOM和农家肥DOM均能提高土壤Cd的生物有效性, 且在外源添加量为0~10 mg·kg-1的条件下, 均为秸秆DOM高于农家肥DOM.DOM施入对棉花总生物量和净光合速率的影响取决于土壤中的Cd含量, 无外源Cd添加时表现为促进作用, 随着外源ω(Cd)的增加(5~10 mg·kg-1)逐渐表现为抑制作用.在3种Cd水平下, 棉花秸秆DOM和农家肥DOM施加对棉纤维的安全利用无影响, 并且均使棉花Cd积累总量显著提高, 其中, 秸秆DOM处理对棉花Cd积累总量均高于农家肥DOM.因此, 推荐施用棉花秸秆DOM来修复Cd污染土壤.
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