镉(Cd)作为一种有害的重金属元素, 易通过食物链传递从环境中富集到人体, 进而引起慢性中毒^[1].近年来, 我国农田Cd污染问题受到全社会广泛关注.文献[2]指出：影响农用地土壤环境质量的主要污染物是重金属, 其中Cd为首要污染物.当前对于重金属污染土壤修复治理技术主要有物理、化学和植物修复等, 其中植物修复技术是一种廉价高效且非破坏性的土壤修复方法, 主要利用植物把受污染土壤中的污染物(重金属和有机物等)移除、分解或围堵^[3], 如超富集植物东南景天、伴矿景天和龙葵等被广泛研究并应用于Cd污染土壤的修复治理.然而超富集植物具有生长速度慢、生物量小和修复周期长, 且修复过程中无法产生经济收益等缺陷^[4~8].因此, 选用大生物量高Cd富集的经济类替代作物成为植物修复研究的热点之一.

象草(Pennisetum purpureum Schumach.)是一种适应能力强、生物量大且生长迅速的多年生草本植物^[9].近年来已有一些利用象草修复重金属污染耕地的报道, 如刘影等^[10]在铅锌矿区重金属复合污染土壤中种植象草, 根据植株的生长状况、重金属含量、富集能力和转运能力, 认为象草可用于修复以Cd为主的重金属复合污染土壤.Yang等^[11]对比了3种象草对Cd的富集移除能力, 发现甜象草富集移除土壤Cd的能力强于矮象草和红象草.覃建军等^[12]的研究表明, 谷氨酸二乙酸四钠(GLDA)对强化象草修复中轻度Cd污染农田土壤具有较大潜力, 土壤Cd最大移除量为16.78 g·hm^-2.以上研究均表明象草在Cd污染土壤植物修复中有很好的应用前景^[13~15].

在植物修复研究中, 利用肥料调控可以提高植物生物量, 促进植物对重金属的累积量^[16~21].李贺^[22]的研究发现, 施有机肥可以有效提高遏蓝菜的生物量, 分别添加低量和高量有机肥处理, 遏蓝菜对Cd的总累积量分别达到了对照组的1.90倍和2.26倍.杨曾平等^[23]的试验表明, 基施氮、磷肥尤其是氮肥对桂牧一号有明显增产作用, 追施氮肥可以明显促进桂牧一号的再生.窦春英^[24]的研究发现, 在一定范围内施加氮肥能显著提高超积累植物东南景天的生物产量, 并且促进东南景天根部对Zn和Cd的吸收并转运至地上部.显然对于Cd污染农田, 单一肥料调控处理对提高植物修复效率具有一定的效果, 然而不同肥料联合及不同肥料施用方式对象草修复Cd污染农田效果的研究尚鲜见报道.因此, 本文以湖南省浏阳市某中重度Cd污染农田为研究对象, 探究有机肥和复合肥联合施用, 并结合追施氮肥对强化象草修复Cd污染农田的效果, 以期为中重度Cd污染农田开展替代种植和植物修复提供理论与技术支撑.

试验田选址于靠近七宝山硫铁矿的湘东某重度污染农田(113°55′99″ E, 28°19′33″ N).该矿山区域的主要活动是锌矿开采和电解铜生产, 因其生产所排放的废气、废水和废渣造成周边区域重金属污染.该地区位于亚热带季风湿润气候区, 年平均气温为18.6℃, 年降水量为1 550~1 650 mm, 无霜期约为270 d.试验田中土壤类型为红壤, 土壤基本理化性质见表 1.供试象草为桂闽引象草(Pennisetum purpureum Schumach cv. Guiminyin), 是一种高产量象草.象草购于新余市稻草人农业园, 有机肥购于宁夏伊品生物科技股份有限公司, 有机质含量≥45%, 总养分(N+P₂O₅+K₂O)≥10%; 复合肥购于湖南隆科肥业有限公司, 总养分(N+P₂O₅+K₂O)≥45%; 氮肥购于重庆建峰化工股份有限公司, 主要成分为尿素, 总氮≥46%, 以上肥料中Cd含量均未检出(检出限20 μg·kg^-1).

表 1 (Table 1)

表 1 试验田土壤基本理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of the tested farmland soil 土壤类型 pH 阳离子交换量/cmol·kg-1 ω(有机质) /g·kg-1 ω(碱解氮) /mg·kg-1 ω(有效磷) /mg·kg-1 ω(速效钾) /mg·kg-1 ω(总Cd) /mg·kg-1 ω(有效态Cd) /mg·kg-1 红壤 5.36 32.13 34.21 202.72 16.81 154.33 3.01 1.71

表 1 试验田土壤基本理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of the tested farmland soil

将复合肥、有机肥和氮肥这3种肥料进行不同联合处理, 本试验各处理设计见表 2.其中复合肥施用量设置为1 200 kg·hm^-2; 有机肥设置3个施用量, 分别为3 750、7 500和15 000 kg·hm^-2; 追施氮肥量设置为200 kg·hm^-2.每个样方面积为12 m²(3 m×4 m), 象草间距为0.5 m×0.5 m, 每个样方种植40株象草.本试验共7个处理, 每个处理3个重复, 共设置24个样方, 所有样方均以随机区组设计排列.象草种植前, 将有机肥和复合肥均匀施于各处理样方中, 并与土壤混合均匀.象草于2020年4月17日移栽于大田样方中, 生长60 d后在处理F1N、F2N和F3N中施加氮肥, 生长190 d后于2020年10月25日收获.

表 2 (Table 2)

表 2 试验设计 Table 2 Experimental design 编号 试验处理 CK 不施肥(对照) F0 基施1 200 kg·hm-2复合肥 F1 基施1 200 kg·hm-2复合肥+有机肥3 750 kg·hm-2 F2 基施1 200 kg·hm-2复合肥+有机肥7 500 kg·hm-2 F3 基施1 200 kg·hm-2复合肥+有机肥15 000 kg·hm-2 F1N 基施1 200 kg·hm-2复合肥+有机肥3 750 kg·hm-2+追施氮肥200 kg·hm-2 F2N 基施1 200 kg·hm-2复合肥+有机肥7 500 kg·hm-2+追施氮肥200 kg·hm-2 F3N 基施1 200 kg·hm-2复合肥+有机肥15 000 kg·hm-2+追施氮肥200 kg·hm-2

表 2 试验设计 Table 2 Experimental design

象草生长190 d后, 在每个样方中按对角线法采集5株象草, 随后将象草分为地上部和根部, 称量各处理象草各部位的鲜重.收获的象草样品依次用自来水冲洗去除表面灰尘和土壤颗粒, 然后用去离子水冲洗干净后, 在105℃的恒温干燥箱中杀青30 min, 然后在70℃下烘干至恒重.称量干重后, 将象草样品用粉碎机研磨过100目筛, 保存待测.土壤样品自然风干后, 研磨过10目和100目筛, 保存备用.

象草样品采用干灰化-硝酸提取法消解, 土壤Cd总量测定采用王水-高氯酸电热板加热消解, 消解液中的Cd含量采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP6300, Thermo Fisher)测定.所有土壤和植物样品分析过程以国家标准物质土壤[GBW(E)-070009]和生物成分标准物质(GBW-10010)进行质量控制分析, 同时做空白试验, Cd的回收率为97.0%~103.1%.土壤的pH、有机质含量和阳离子交换量等基本理化性质根据文献[25, 26]所述方法测定.

试验数据用Excel 2016和SPSS 22.0进行统计处理, 结果表示为平均值±标准偏差(n＝3).采用单因素ANOVA中Duncan多重比较法分析各处理间差异(P < 0.05), 图采用Origin Pro 2018软件绘制.

从图 1中不同肥料处理对象草生长的影响可知, 施用不同肥料处理显著提高了象草地上部位和根部生物量, 且随着肥料施用量的增加, 象草各部位生物量呈增加趋势.对于地上部位而言, CK生物量为18.73 t·hm^-2, F0(仅复合肥处理)为24.2 t·hm^-2, F1、F2和F3(有机肥+复合肥处理)的生物量为24.3~54.9 t·hm^-2, F1N、F2N和F3N(有机肥+复合肥+追施氮肥)的生物量为60.4~87.7 t·hm^-2.与CK相比, 各施肥处理对象草地上部生物量提高了29.2%~368.2%.对于根部而言, CK生物量为0.43 t·hm^-2, F0的生物量为0.59 t·hm^-2, F1、F2和F3的生物量为0.61~0.80 t·hm^-2, F1N、F2N和F3N的生物量为0.67~0.92 t·hm^-2; 各处理根部生物量与CK相比增加了37.2%~113.9%.各肥料处理提高象草地上部位和根部生物量均以F3N处理效果最高, 其次为F2N和F3处理.显然施肥处理能显著促进象草生长, 提高象草各部位生物量; 各种组配肥料对提高象草生物量的效果为：有机肥+复合肥+追施氮肥>有机肥+复合肥>单一复合肥.

图 1

Fig. 1

生物量以象草干重计; 不同小写字母表示p < 0.05水平上差异显著, 下同 图 1 不同处理下象草的生物量 Fig. 1 Biomass of Pennisetum purpureum Schumach in different treatments

图 2为不同肥料处理对象草各部位Cd含量的影响.对于象草地上部位, CK的ω(Cd)为1.96 mg·kg^-1, 除F0和F1以外, 其余肥料处理(F2~F3N)地上部Cd含量均低于CK, 降幅达到9.2%~26.0%, 其中F3和F3N处理降幅最大, 且均与CK之间差异性显著(P < 0.05).然而与CK相比较, 各肥料处理均提升了根部Cd含量, CK根部ω(Cd)为2.48 mg·kg^-1, F0处理使象草根部Cd含量增加了68.1%, F1、F2和F3处理象草根部Cd含量增加了63.3%~29.4%, F1N、F2N和F3N处理增加了35.5%~23.8%, 各处理均与CK之间存在显著差异性(P < 0.05).显然, 各肥料处理可显著提高象草根部对Cd的吸收.

图 2

Fig. 2

图 2 不同处理下象草各部位Cd含量 Fig. 2 Cd concentrations in different parts of Pennisetum purpureum Schumach in different treatments

图 3为各肥料处理对象草Cd累积量的影响.从中可以看出, 各肥料处理均不同程度地提高了象草对土壤中Cd的累积量, 且随着肥料施用量的增加, 象草Cd累积量呈逐渐增加趋势.所有处理象草根部与地上部的Cd累积量分别占整株累积量的1.4%~3.1%和96.9%~98.6%, 表明象草地上部Cd累积量远高于根部.CK处理地上部位和根部Cd累积量分别为36.70 g·hm^-2和1.19 g·hm^-2.与CK处理相比, F0处理使象草地上部和根部Cd累积量分别增加了38.3%和22.7%, F1、F2和F3处理使象草地上部和根部Cd累积量分别增加了139.5%~179.8%和28.6%~64.7%, F1N、F2N和F3N处理使象草地上部和根部Cd累积量分别增加了223.2%~290.7%和38.7%~92.4%.相比于CK, 各处理象草Cd总累积量为52.23~145.48 g·hm^-2, 增加了37.8%~283.9%, 其中F3N的处理象草Cd总累积量最大, 其次为F2N和F1N处理.

图 3

Fig. 3

图 3 不同处理下象草各部位Cd累积量 Fig. 3 Cd accumulation in different parts of Pennisetum purpureum Schumach in different treatments

通过不同肥料处理之间的比较可计算复合肥、有机肥和追施氮肥分别提升象草Cd累积量.与CK相比, 单一复合肥(F0)提高象草Cd总累积量37.8%;与F0处理相比, 有机肥+复合肥联合处理中(F1~F3), 3 750~15 000 kg·hm^-2的有机肥提高象草Cd总累积量71.2%~100.3%;与F1~F3处理相比, 有机肥+复合肥+追施氮肥处理中(F1N~F3N), 追施氮肥提高象草Cd总累积量34.5%~39.0%.显然, 不同肥料联合对提高象草Cd累积量的效果为：有机肥+复合肥+追施氮肥>有机肥+复合肥>单一复合肥; 各单一施肥措施提高象草Cd累积量的效果为：有机肥>追施氮肥>复合肥.

在利用象草进行Cd污染农田修复中, 施加肥料促进了象草对根际土壤Cd的吸收, 降低了根际土壤总Cd含量、有效态Cd含量和pH值(表 3).与种植前土壤相比[ω(总Cd)为3.01 mg·kg^-1, ω(HCl-Cd)为1.71 mg·kg^-1)], CK及各肥料处理下象草根际土壤总Cd和HCl-Cd含量分别降低了8.3%~23.3%和5.3%~38.0%, 其中F3N处理效果最好.这表明, 施用有机肥、复合肥和氮肥对象草修复中重度Cd污染农田具有强化效果, F3N处理根际土壤ω(Cd)降为2.31 mg·kg^-1, 但仍远高于农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018)中筛选值[ω(Cd)为0.3 mg·kg^-1].

表 3 (Table 3)

表 3 不同肥料处理对象草根际土壤Cd含量、pH和有机质的影响1) Table 3 Effects of different fertilizer treatments on Cd concentrations, pH values, and the organic matter contents in rhizosphere soil 处理 修复后根际土壤ω(总Cd)/mg·kg-1 根际土壤总Cd含量降低率/% ω(HCl-Cd) /mg·kg-1 ω(有机质) /g·kg-1 pH CK 2.76±0.12a 8.3±4.0c 1.62±0.13a 47.75±1.82d 5.85±0.04a F0 2.62±0.12ab 12.9±4.0bc 1.43±0.13ab 51.78±0.99cd 5.44±0.06b F1 2.51±0.12abc 16.6±3.5abc 1.22±0.15cd 56.29±0.99bc 5.08±0.06c F2 2.48±0.18bc 17.6±5.9abc 1.19±0.09d 59.96±4.33ab 5.04±0.02c F3 2.43±0.17bc 19.2±5.6ab 1.09±0.05d 62.72±2.38a 4.75±0.02c F1N 2.44±0.24bc 18.9±8.0ab 1.39±0.15bc 52.23±0.46cd 5.04±0.02d F2N 2.40±0.12bc 20.3±3.6ab 1.18±0.08d 61.13±3.91ab 4.95±0.03e F3N 2.31±0.09c 23.3±2.9a 1.06±0.05d 58.12±3.35ab 4.74±0.03e 1)同列不同小写字母表示P < 0.05水平上差异显著

表 3 不同肥料处理对象草根际土壤Cd含量、pH和有机质的影响1) Table 3 Effects of different fertilizer treatments on Cd concentrations, pH values, and the organic matter contents in rhizosphere soil

各肥料处理降低了土壤pH值, 提升了土壤有机质.与CK相比, 单一复合肥F0处理下土壤pH显著降低了0.41个单位, 有机肥+复合肥处理下, 土壤pH下降了0.77~1.10个单位, 有机肥+复合肥+追施氮肥处理下, 土壤pH下降了0.81~1.11个单位, 尤其是F3N处理下土壤pH最低.不同肥料处理均能提高土壤有机质, F0处理下土壤有机质含量较CK处理增加了8.4%, F1、F2和F3处理下土壤有机质含量增加了17.9%~31.3%, F1N、F2N和F3N处理下土壤有机质增加了9.3%~28.0%.

象草地上部生物量和Cd含量是影响其修复效率的关键因素, 通过强化措施来提高象草地上部生物量和Cd含量均有利于提高象草修复Cd土壤的效率.本研究中, 不同肥料(有机肥、复合肥和追施氮肥)联合施用均能提高象草生物量(图 1).原因可能是肥料的施入不同程度提高了土壤有机质(表 3)和土壤N、P和K含量, 进而促进了象草的生长.张佳等^[27]的研究表明, 施用有机肥能显著提高土壤有机质含量; 邓月强等^[28]的研究发现, 有机物料处理不同程度地提高了土壤速效养分含量, 尤其是土壤碱解氮和速效钾含量达显著性提高, 进而促进了伴矿景天生长.然而, 不同肥料(有机肥、复合肥和追施氮肥)联合施用处理下象草地上部Cd含量随施加量的增加而略有降低(图 2), 其原因可能是肥料施用水平的提高显著促进了象草的生长, 象草生物量的增加引起了稀释效应, 导致其Cd含量有所下降^{[29, 30]}, 但随着肥料施用量的增加, 象草地上部和根系对Cd累积量呈逐渐增加趋势(图 3).

土壤中有效态Cd含量是影响植物根系吸收Cd的重要因素, 肥料调控可通过改变土壤Cd的生物有效性来影响植物对土壤Cd的吸收^[31].本研究中, 施用复合肥、有机肥与追施氮肥处理下土壤pH值和有效态Cd含量均有所下降(表 3), 这与已有研究中pH值降低提高土壤有效Cd的结果不一致^[32].其原因可能是各处理施用的有机肥中含有丰富的有机质, 显著提高了土壤有机质含量(表 3), 有机质的官能团, 如羧基、醇羟基和烯醇羟基以及不同类型的羰基结构等, 都可以通过吸附、螯合和络合等多种作用方式影响到Cd在土壤中的迁移转化^[33].同时, 有机肥进入土壤后可分解产生大分子腐殖酸, 腐殖酸可通过吸附、螯合等作用固定重金属, 还可与Cd²⁺形成稳定性较高的络合物, 进而降低了土壤有效态Cd含量^[34~38].显然本研究中各肥料处理降低土壤pH, 促进根际土壤有效Cd增加的效能低于有机质固定Cd的效能.此外, 象草根系对土壤Cd的吸收也会影响根际土壤总Cd和有效Cd含量, 随肥料施用量增加象草根系和地上部对Cd的吸收累积逐渐增大(图 3), 说明象草根系对根际土壤中有效态Cd含量的吸收逐渐增强, 从而也可能导致根际土壤有效态Cd含量降低.

象草是一种优良的经济作物, 生长迅速、生物量大且耐旱耐涝, 各类土壤均可栽培, 是当地农民普遍可以接受的重度Cd污染耕地的经济类替代作物^[39~41].本研究中有机肥与复合肥联合施用处理可以显著提高象草的Cd累积量, 同时追施200 kg·hm^-2氮肥(F1N、F2N和F3N)可进一步提高象草的Cd累积量(图 3).因此, 有机肥+复合肥+追施氮肥联合处理可通过提高象草的生物量, 促进象草根系Cd吸收, 提高各部位对Cd累积量, 为Cd污染农田土壤的修复和治理提供良好的前提条件.本研究中, 在重度Cd污染土壤种植象草, 象草Cd总累积量为37.89 g·hm^-2(CK处理), 明显低于已报道的景天类超富集植物.张云霞等^[42]在Cd重度污染土壤中[土壤ω(总Cd)为4.04 mg·kg^-1]田间种植八宝景天, 地上部Cd总累积量为70.20 g·hm^-2.曹雪莹等^[43]在轻度污染土壤中[土壤ω(总Cd)为0.83 mg·kg^-1]田间种植伴矿景天, 对污染土壤中Cd的总累积量为81.3 g·hm^-2, 且田间管理十分复杂.而本研究中, F3N处理象草生物量达87.7 t·hm^-2, Cd总累积量可达145.48 g·hm^-2[土壤ω(总Cd)为3.01 mg·kg^-1], 明显高于景天类超富集植物.显然, 肥料调控强化象草进行植物修复具有一定的优势.此外, 象草作为一种草本作物, 可通过刈割等农艺措施进一步提高其生物量.王郝为等^[44]的研究表明, 多次刈割可以增加象草的生物量.梁志霞等^[45]在研究刈割对桂牧1号杂交象草产量和品质中发现, 象草刈割3次, 产量最高达96.8 t·hm^-2.由此可见, 在利用象草对Cd污染农田替代种植过程中, 可通过结合肥料调控、刈割等农艺措施促进生物量的增长, 大幅提升土壤Cd的移除量, 缩短修复年限.

本研究中F3N的处理象草Cd总累积量最大(145.48 g·hm^-2), 其肥料成本达到3.38万元·hm^-2, 而F1N(120.27 g·hm^-2)和F2N(132.59 g·hm^-2)处理象草Cd总累积量略低于F3N, 但其肥料成本明显低于F3N, 仅为1.13万元·hm^-2和1.88万元·hm^-2.同时过多的肥料施入可能导致土壤持续酸化(表 3), 甚至造成N、P和K流失等面源污染的风险.因此在利用肥料强化象草对Cd污染土壤植物修复过程中, 施用“有机肥(3 750 kg·hm^-2)+复合肥(1 200 kg·hm^-2)+追施氮肥(200 kg·hm^-2)”是一种经济可行的措施.当前移除的秸秆等处置与资源化利用已经成为植物修复技术应用的瓶颈.象草生物量巨大, 对于重金属含量满足饲料卫生标准[(GB 13078-2017, ω(Cd)<1.0 mg·kg^-1)]的象草可作为牛、羊等动物饲草原料^[46].近年来还有研究表明, 象草含有丰富的木质素, 可作为能源植物生产纤维乙醇^[47].因此利用象草修复重度Cd污染农田具有巨大的潜力以及经济与生态环境效益.

(1) 在重度Cd污染农田土壤, 不同肥料(有机肥、复合肥和追施氮肥)联合施用使象草根际土壤pH值显著降低, 有机质含量显著增加, 土壤有效态Cd含量降低11.7%~34.6%.

(2) 不同肥料(有机肥、复合肥和追施氮肥)联合施用促进了象草生长和Cd积累, 与CK相比各施肥处理地上部和根系生物量分别提高了29.2%~368.2%和37.2%~113.9%, 同时, 象草Cd总累积量增加了37.8%~283.9%, 其中有机肥+复合肥+追施氮肥处理(F3N)的象草Cd总累积量达到了145.48 g·hm^-2.

(3) 不同肥料联合对提高象草Cd累积量的效果为：有机肥+复合肥+追施氮肥>有机肥+复合肥>单一复合肥; 各单一施肥措施提高象草Cd累积量的效果为：有机肥>追施氮肥>复合肥.肥料调控是一种提升Cd污染土壤植物修复效率行之有效的措施.