2024, Vol. 45
2. 桂林理工大学环境科学与工程学院, 岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心, 桂林 541004;
3. 广西旅游产业研究院, 桂林 541004;
4. 桂林理工大学旅游与风景园林学院, 桂林 541004
, GAO Bo3,4
, ZHANG Xing-feng1,2 , CHEN Min-ni1,2 , YU Qian-kui1,2 , HU Mao-sheng1,2 , CHEN Hong-xu1,2 , LIANG Ye-xi1,2 , YI Hai-feng1,2 , ZHANG Peng-wei1,2
2. Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area, School of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;
3. Institute of Guangxi Tourism Industry, Guilin 541004, China;
4. College of Tourism & Landscape Architecture, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China
气候变暖是人类面临的巨大挑战, 当前越来越多学者将减少温室气体排放作为研究的重点[1, 2].二氧化碳（CO2）和氧化亚氮（N2O）等温室气体排放是造成温室效应的原因之一[3], 有研究表明温室气体排放容易受环境影响, 土壤环境的轻微变化会影响温室气体排放量的改变[4].我国自8 000年前农耕时代以来一直都是农业大国, 拥有大量农田土地资源, 为了响应温室气体减排趋势, 当前我国正在加紧完成碳达峰与碳中和的目标, 为应对全球气候变暖贡献力量[5].
土壤重金属污染问题给我国粮食与经济造成了严重的损失, 矿产资源的不当开采, 农药化肥的滥用、金属废弃物的随意丢弃和工厂废水直接排放等人类活动都是导致土壤重金属污染的直接原因[6, 7].土壤中重金属元素难以在生物体内降解, 它们在食物链中传递与积累, 最终汇集于人体, 给身体造成危害[8, 9]. Sartorius等[10]在金属矿区旁边的农场中发现土壤、鸡蛋、鸡的羽毛、血液和骨头中重金属Pb均明显保持较高含量, 倘若经食物链进入人体会进一步加大人类健康风险. Irfan等[11]在比较类风湿性关节炎患者与健康人群血清重金属水平时发现Cd可能与类风湿性关节炎发病存在某种联系, 因此土壤重金属污染修复刻不容缓.
植物修复技术（phytoremediation）因其绿色简便现在成为许多学者选择的修复方案, 其原理是通过收割已经转化固定重金属污染物的修复植物, 从而达到去除土壤重金属污染物的目的[12].杂交狼尾草（Pennisetum americanum×Pennisetum purpureum）是禾本科多年生牧草, 原产于非洲, 在我国多地均有分布, 其植株高大, 根直且须根茂密, 适口性好, 可作为家禽的饲料, 因其生物量大, 对重金属耐受性高且富集量可观, 有学者将它作为修复植物[13].油葵（Helianthus annuus）原产美洲, 常用作油料作物, 油葵对土壤适应性好、耐盐耐旱且地上部与根部对重金属提取量大, 也具有修复的潜力[14].
外源物质的添加能够改变植物的生长特性, 对植物修复效率产生重要影响.植物生长调节剂（PGR）是一类与植物激素有着相似效应的物质, 能够调控植物生长发育过程和抗逆性, 因此在强化植物修复上具有潜力[15].Gruznova等[16]发现施加生长调节剂Ribav-Extra处理过的种子, 在播种之后体内过氧化氢酶活性会受到抑制, 植株的重金属耐受性得到提高.螯合剂是土壤重金属活化剂, 能够促使土壤重金属向生物有效态转化, 提高重金属有效态含量进而提高植物富集效率[17, 18]. Saeki等[19]向土壤中施加EDTA后发现土壤中Cu有效态含量增加, 同时土壤溶液中的Cu浓度也增加.施肥是农业生产普遍采用的增产措施, 有研究表明施肥可能通过影响植物生长或者影响重金属形态转化进而对植物修复效果产生影响, 同时施肥还是影响温室气体排放的重要因素[20, 21].吴清清等[22]发现施加有机肥会显著增加苋菜的生长情况, 并且苋菜Cd、Pb含量会因施肥显著增加.有研究表明施加有机肥后土壤透气性还会得到增加, 促进硝化反应进而增加土壤N2O排放[23].
目前关于施加外源物质对重金属污染土壤植物修复效果和温室气体排放的影响研究比较缺乏.本文以杂交狼尾草与油葵为对象, 研究施加外源物质钾肥（KCl）、螯合剂乙二胺二琥珀酸（EDDS）、叶面喷施植物生长调节剂赤霉素（GA3）和吲哚丁酸（IBA）对重金属污染土壤植物修复效果和温室气体排放的影响, 以期为土壤重金属污染治理和土壤温室气体排放提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验材料本试验用土：试验用土取自广西桂林市阳朔县思的村附近受铅锌矿污染的农田（24°58′59″N, 110°33′27″E）, 对采集风干土样相关理化性质及重金属含量进行测定, 测定结果如表 1所示.根据国家土壤环境质量标准《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）规定, 本试验用土Cd和Zn含量分别是筛选值的4.1倍和3.5倍；Pb含量是标准管控值的4.3倍, 说明该农用土壤污染风险高, 需施加措施以安全利用.
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表 1 试验用土理化性质与重金属含量 Table 1 Experimental soil physical and chemical properties and heavy metal content |
本试验种子：杂交狼尾草购于桂林市花鸟市场, 油葵种子购于德州市德蔬种业有限公司, 品种：美国矮大头RD667.种子播种前浸泡, 以提高发芽率.
1.2 试验设计本试验设计如表 2所示, 于桂林理工大学重金属污染植物修复试验基地开展盆栽试验, 植物种方式设置杂交狼尾草单种和油葵单种.试验处理方式设置：无添加处理（CK）、土施钾肥（KCl）、土施螯合剂乙二胺二琥珀酸（EDDS）、叶施赤霉素（GA3）和叶施吲哚丁酸（IBA）.同种植物与试验处理方式正交进行, 各处理4个重复, 试验共计40盆.各个处理浓度添加量为：KCl（分析纯, 按土重200 mg·kg-1）；EDDS（按土重2 mmol·kg-1）；GA3（10-5 mol·L-1, 10 mL·次-1）；IBA（10-5 mol·L-1, 10 mL·次-1）.
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表 2 试验设计 Table 2 Experimental design |
本试验每盆装土2.5 kg, KCl处理在装盆时加入土中, GA3和IBA处理在种植周期内喷施3次, 喷施时间分别为植物出芽生长15、25和35 d. EDDS处理施加时间为植物出芽生长15 d, 以溶液形式加入.植物出芽生长后进行间苗操作, 每盆剩余6株, 植物生长周期进行3次温室气体采集, 采气时间设置为植物出芽生长21、29和37 d.待植物出芽40 d时, 收获植物并测定相关指标.
1.3 样品分析植物生长指标：以卷尺量取植物最高植株高度作为株高, 然后洗净烘干并称取植物各部分生物量, 粉碎装入自封袋备用.植物生理指标：植物叶绿素含量采用乙醇提取法测定；植物超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性均采用南京建成生物工程研究所试剂盒进行测定.植物富集系数=植物地上部重金属含量/土壤重金属含量；植物转运系数=植物地上部重金属含量/根部重金属含量.植物重金属含量采用HNO3+H2O2的电热板消解法进行消解, 并采用电感耦合等离子体发射光谱仪进行测定, 具体步骤为：精确称取粉碎后的植物样品于锥形瓶中, 加入10 mL硝酸并在瓶口放置回流曲颈小漏斗, 然后将锥形瓶置于通风橱后静置12 h, 静置后将电热板升温至80 ℃过夜（12 h）, 按照120、160和180 ℃逐步升温直至无黄棕色烟冒出, 继续加热回流至锥形瓶中消解液剩余3 mL左右, 待锥形瓶完全冷却后小心添加5 mL的30% H2O2（GR）, 继续加热回流后待消解液剩余3 mL左右, 取下再次室温冷却, 重复第一次加H2O2的步骤, 待锥形瓶中消解液剩余1 mL, 冷却后用超纯水定容并润洗锥形瓶内壁, 定容到比色管刻度线, 取适量溶液稀释后上机测定.
土壤指标：土壤pH采用电位法测定, 土壤酶活性、土壤有机质和微生物生物量碳参考《土壤农业化学分析》以及相关标准进行测定[24], 其中土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶分别采用靛酚比色法、紫外分光光度法和3, 5-二硝基水杨酸比色法进行测定；土壤有机质采用水合热重铬酸钾氧化-比色法进行测定；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法进行测定.土壤有效态重金属含量采用生态环境部《土壤8种有效态元素的测定二乙烯三胺五乙酸浸提-电感耦合等离子体发射光谱法》（HJ 804-2016）进行测定.温室气体采用静态箱进行采集, 使用气相色谱仪进行检测（CO2用Agilent 6890N进行检测, N2O用Agilent 7890N进行检测）.
CO2排放通量[25]：
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(1) |
式中, F为温室气体排放通量[mg·（kg·h）-1]；ρ为标准状态下的气体密度（kg·m-3）；V为采样箱体积（m3）；M为土壤干重（kg）；dc/dt为气体浓度随时间的变化率（×106 h-1）；T为采气箱内实际温度（℃）；α分别为CO2换算到C（12/44）、N2O换算到N（28/44）的转换系数.
气体累计排放量[26]计算：
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(2) |
式中, M为温室气体累计排放量（mg·kg-1）；F为温室气体排放通量；i表示第i次进行气体采集；t为采样时间（d）.
1.4 数据处理与分析所有数据采用Excel 2015和SPSS 23.0对数据进行处理分析, 采用独立样本T检验、单因素ANOVA进行均值比较和差异显著性检验（P < 0.05）, 采用Origin 2021进行数据分析绘图, 采用Pearson相关分析法对试验数据进行相关性分析.
2 结果与分析 2.1 土壤pH与有机质及微生物量碳含量图 1（a）为各处理下土壤pH值情况.从中可知, 在杂交狼尾草组中, 各处理之间pH值差异不显著, 但相比CK处理, 施加外源物质之后pH值都有不同程度降低, 其中GA3与EDDS的施加使得土壤pH值显著减低, 仅无添加CK处理pH值高于背景原土B处理, 这说明只种植杂交狼尾草不添加外源物质一定程度上能够提高土壤pH值.在油葵组中, 与杂交狼尾草类似, 各处理之间pH值差异不显著, 但是与原土B处理相比外源物质的施加显著降低了土壤pH值.图 1（b）为各处理下土壤有机质含量情况.从中可知, 在杂交狼尾草组中不同处理对土壤有机质含量没有显著影响, 与杂交狼尾草不同的是在油葵组中, 外源物质的施加使得土壤有机质较原土B明显下降.图 1（c）为各处理下土壤微生物量碳（MBC）含量情况. 从中可知, 与无添加CK处理相比, 施加EDDS使均杂交狼尾草与油葵土壤微生物量碳含量明显提高, 除EDDS处理外, 其余外源物质的加入会使得土壤微生物量碳含量显著降低.
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不同小写字母表示处理之间差异显著（P < 0.05）, 图例B为不设盆栽, 表示背景原土, 下同 图 1 施加外源物质土壤pH、有机质含量和微生物量碳含量的影响 Fig. 1 Effects of exogenous substances on soil pH, organic matter content, and microbial carbon content |
图 2为各处理下土壤酶活性.如图 2（a）所示, 外源物质施加后杂交狼尾草与油葵土壤脲酶活性变化趋势具有一致性, 与CK处理相比, 施加KCl、GA3和IBA处理对脲酶没有显著影响, 但EDDS的施加均显著降低了土壤脲酶活性.如图 2（b）所示, 在杂交狼尾草组中, 施加外源物质后, 各处理土壤蔗糖酶活性会明显降低, 与杂交狼尾草不同的是, 施加外源物质对油葵组蔗糖酶活性没有显著影响.如图 2（c）所示, 在杂交狼尾草组中, 外源物质处理之间对土壤过氧化氢酶活性没有显著影响, 但相较CK处理, 施加外源物质后过氧化氢酶活性会有不同程度的提高, IBA处理下土壤酶活性达到最高值, 是CK处理的1.3倍.在油葵组中, 除KCl处理外, 其余外源物质的施加较CK处理不同程度提高土壤过氧化氢酶活性, 其中EDDS处理显著提高了过氧化氢酶活性.
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图 2 施加外源物质对土壤酶活性的影响 Fig. 2 Effects of exogenous substances on soil enzyme activities |
图 3为各处理下土壤重金属有效态含量.如图 3（a）所示, 在交狼尾草组, 施加外源物质对土壤Cd有效态含量没有显著影响, 但外源物质的施加处理后土壤Cd有效态含量均不同程度高于背景原土B的值, 这表明外源物质施加对土壤Cd有活化作用.在油葵组, 除GA3处理外, 外源物质施加均比背景原土B显著提高了土壤Cd有效态含量.总的来看, 无论是油葵还是杂交狼尾草, 施加KCl后Cd有效态含量最高, 活化了土壤Cd；油葵组施加外源物质后土壤Cd有效态含量均高于杂交狼尾草组, 这说明与油葵活化土壤中Cd能力比较杂交狼尾草更高.
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图 3 施加外源物质对土壤Cd、Pb和Zn有效态含量的影响 Fig. 3 Effects of exogenous substances on the contents of available Cd, Pb, and Zn in soil |
如图 3（b）所示, 不同外源物质处理下均改变了两种植物的土壤Pb有效态含量.在杂交狼尾草组, 施加外源物质后, 土壤重金属Pb有效态含量较背景原土B均显著提高, 这表明外源物质的施加能够活化土壤中Pb.与杂交狼尾草组类似, 施加外源物质均不同程度提高Pb有效态含量, 其中KCl处理下油葵土壤Pb有效态含量最高.如图 3（c）所示, 在杂交狼尾草组, 施加外源物质对土壤有效态Zn含量没有显著影响, 但外源物质的施加后土壤有效态Zn均较背景原土B处理的值显著下降, 表现出对有效态Zn的抑制作用.与杂交狼尾草相反, 外源物质处理后油葵Zn有效态含量均显著高于背景土壤值, 这表明种植油葵能够提高土壤Cd有效态含量, 同时外源物质提高了油葵Zn活化能力.各处理下油葵组Zn有效态含量明显高于杂交狼尾草, 这说明外源物质对油葵土壤Zn活化能力更高.
2.4 植物的生长与生理指标图 4为各处理下植物的生长指标.植物株高如图 4（a）所示, 在杂交狼尾草组, 施加生长调节剂IBA、GA3对杂交狼尾草株高没有显著影响, 但螯合剂EDDS施加表现出对植物株高的显著抑制性, 相比CK处理株高下降了9.0%.在油葵组中, 与CK相比施加外源物质后油葵株高有不同程度提高, 其中生长调节剂GA3和IBA显著提高植物株高, 这表明生长调节剂施加提高了细胞分裂能力, 从而促进油葵生长.植物地上部生物量情况如图 4（b）所示, 在杂交狼尾草组, KCl处理明显提高杂交狼尾草地上部生物量.与CK处理相比, GA3处理对杂交狼尾草生长表现为抑制作用, 各处理下杂交狼尾草地上部生物量表现情况为：KCl > EDDS > IBA > CK > GA3.在油葵组, 外源物质的施加对油葵地上部生物量影响不大.植物根部生物量情况如图 4（c）所示, 在杂交狼尾草组中, 施加KCl、IBA明显提高了杂交狼尾草根生物量, 与CK组相比, 施加EDDS和GA3后杂交狼尾草根部生物量明显下降, 这说明EDDS和GA3处理明抑制杂狼尾草根部生长发育, 各处理下杂交狼尾草根部生物量表现情况为：KCl > IBA > CK > EDDS > GA3.总之外源物质的添加对油葵生物量影响不显著, EDDS施加对杂交狼尾草株高有着明显抑制作用, 但KCl处理下杂交狼尾草根部和地上部均较CK处理明显提高.
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图 4 施加外源物质对植物生长指标的影响 Fig. 4 Effects of exogenous substances on plant growth indices |
图 5为各处理下植物叶绿素含量情况. 从中可知, 杂交狼尾草与油葵叶绿素a/叶绿素b值均大于1, 这说明两种植物都是阳生植物.与CK处理相比, 施加KCl、IBA不同程度降低了杂交狼尾草与油葵叶绿素含量.螯合剂EDDS施加后, 杂交狼尾草与油葵叶绿素含量均明显提高, 这是由于螯合剂的加入活化了土壤中重金属元素, 植物在重金属胁迫下通过提高光合作用能力, 促进营养物质合成来缓解重金属对植物生长的不利影响[27, 28].
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图 5 施加外源物质对植物叶绿素含量的影响 Fig. 5 Effects of exogenous substances on plant chlorophyll content |
图 6为各处理下植物酶活性情况. SOD活性如图 6（a）所示, 与CK处理相比, 在杂交狼尾草组, 施加外源物质对植物SOD活性影响不大, 但KCl处理使得油葵抗氧化酶SOD活性明显增加. CAT活性如图 6（b）所示, 在杂交狼尾草组中, 施加外源物质后杂交狼尾草CAT活性较CK处理差异不明显, 但CAT活性均表现出一定程度下降趋势.在油葵组, 与CK处理相比, 土壤中施加KCl和EDDS后CAT活性分别提高了28.9%和20.9%, 油葵抗逆性表现提高, 但生长调节剂GA3和IBA施加后CAT活性分别下降了32.7%和32.2%, 这说明生长调节剂的加入缓解了重金属对油葵胁迫.总体上看, 外源物质的施加对杂交狼尾草的影响较小, 油葵对外源物质施加更具有敏感性. MDA含量如图 6（c）所示, 与CK处理相比, 生长调节剂IBA与GA3施加对杂交狼尾草MDA含量没有明显影响, EDDS处理降低了MDA含量；在油葵组, IBA和GA3施加会明显降低油葵MDA含量.
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图 6 施加外源物质对植物酶活性和MDA含量的影响 Fig. 6 Effects of exogenous substances on plant enzyme activity and MDA content |
图 7为各处理下在植物地上部重金属含量情况.如图 7（a）所示, 施加KCl均能显著提高杂交狼尾草与油葵地上部Cd含量, 较CK处理分别提高了49.6%和39.4%.施加EDDS、IBA和GA3对植物地上部Cd影响不大.与杂交狼尾草组相比, 从整体上看油葵组各处理下地上部Cd含量均明显更高, 这说明油葵地上部对Cd富集能力高于杂交狼尾草.地上部Pb含量如图 7（b）所示, 施加外源物质对杂交狼尾草地上部Pb含量没有显著影响, 但施加EDDS显著提高油葵地上部Pb含量, 其含量值是CK处理的21倍.地上部Zn含量如图 7（c）所示, 施加外源物质对杂交狼尾草地上部Zn含量影响不大.在油葵组中, 施加螯合剂EDDS后地上部Zn含量较CK处理提高了16.4%, 但施加GA3和IBA后油葵地上部Zn含量较CK处理分别降低了12.4%和14.8%.
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图 7 施加外源物质对植物地上部重金属含量的影响 Fig. 7 Effects of exogenous substances on heavy metal contents in plant shoots |
图 8为各处理下在植物根部重金属含量情况.如图 8（a）所示, 施加KCl均显著增加了杂交狼尾草与油葵根部Cd含量, 与CK组相比分别提高了84.4%和57.1%.除KCl处理外, 其余处理对杂交狼尾草根部Cd含量没有显著影响.在油葵组, 施加EDDS后根部Cd显著下降, 这可能是施加螯合剂后土壤Cd流动到花盆底部, 油葵根较短、对Cd吸收少所致.如图 8（b）所示, 除KCl处理外, 外源物质施加对两种植物根部Pb含量无显著影响, 施加KCl显著提高杂交狼尾草与油葵根部Pb含量, 与CK相比分别提高了34.1%和55.9%.如图 8（c）所示, 施加外源物质对油葵根部Zn含量影响不大, 但在杂交狼尾草组, 施加GA3后杂交狼尾草根部Zn含量显著提高, 与CK相比提高了39.0%.
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图 8 施加外源物质对植物根部重金属含量的影响 Fig. 8 Effects of exogenous substances on content of heavy metals in plant roots |
图 9为各处理下植物地上部重金属累计量情况.如图 9（a）所示, 相较无添加CK处理, 施加KCl后均显著提高了杂交狼尾草与油葵地上部Cd累计量, 其中杂交狼尾草和油葵地上部Cd累计量分别提高了71.2%和39.9%.除KCl处理外, 其余处理之间对植物地上部Cd累计量显著性差异不大.如图 9（b）所示, 施加外源物质对杂交狼尾草地上部Pb累计量影响不大, 但在油葵组中, 施加EDDS显著提高了地上部Pb累计量, 累计量值是CK处理的24倍.除施加EDDS处理外, 其余处理之间Pb累计量均没有显著性差异.如图 9（c）所示, 与CK处理相比, 施加外源物质对杂交狼尾草地上部Zn累计量影响不大.在油葵组中, 除施加EDDS处理外, 其余处理累计量均没有显著性差异, EDDS处理较CK处理地上部Pb累计量显著提高了23.8%.
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图 9 施加外源物质对植物地上部重金属累计量的影响 Fig. 9 Effects of exogenous substances on heavy metal accumulation in plant shoots |
图 10为各处理下在植物根部重金属累计量情况.如图 10（a）所示, KCl处理下杂交狼尾草与油葵根部Cd累计量在各处理中均为最高值, 这说明KCl处理促进植物根部对Cd的富集, 其中在杂交狼尾草组中, 施加KCl显著提高根部Cd累计量, 是CK处理的2.2倍, 而在油葵组中, 施加外源物质对根部Cd累计量影响不大.如图 10（b）所示, 施加KCl显著提高了杂交狼尾草根部Pb累计量, 与CK处理相比提高了52.5%, 施加GA3后根部Pb累计量显著下降, 与CK相比下降了21.3%.施加EDDS、IBA对杂交狼尾草根部Pb的累计量影响不大, 但是有一定的升高趋势.在油葵组中, EDDS处理显著提高了根Pb累计量, 与CK处理相比提高了77.9%, 其余处理下油葵根部Pb累计量没有显著变化.如图 10（c）所示, 土壤施加KCl显著提高了杂交狼尾草根部Zn的累计量, 与CK处理相比提高了55.8%, 其余处理对杂交狼尾草根部Zn累计量影响不大, 但累计量值均大于CK处理.在油葵组, 与CK处理相比, 施加外源物质对油葵根部Zn提取量没有显著影响.
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图 10 施加外源物质对植物根部重金属累计量影响 Fig. 10 Effects of exogenous substances on heavy metal accumulation in plant roots |
如表 3所示, 在杂交狼尾草组中, Cd的富集系数均大于1, 这说明杂交狼尾草对Cd富集能力较好.与CK处理相比, 除施加KCl处理外, 各其余处理对杂交狼尾草Cd富集能力没有显著影响, 施加KCl显著提高了Cd富集能力, 相比提高了49.6%, 但施加外源物质对Pb、Zn富集能力没有显著影响.在油葵组, Cd、Zn富集系数均大于1, 这说明油葵对土壤中Cd和Zn富集能力较好, 与杂交狼尾草类似, 施加KCl显著提高了Cd富集能力, 与CK处理相比提高了51.2%.与CK处理相比, 施加EDDS显著提高Pb、Zn的富集能力, 分别是CK处理的21.1倍和1.16倍.
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表 3 施加外源物质对BCF和TF系数影响1） Table 3 Effects of exogenous substances on BCF and TF coefficients |
在表 3中杂交狼尾草转运系数均小于1, 施加KCl显著降低了杂交狼尾草Pb和Zn转运能力.施加外源物质对油葵转运能力没有显著影响, 但是IBA处理下油葵Cd、Pb和Zn系数均大于1且大于其余处理, 表明IBA的添加提高了油葵将Cd、Pb和Zn转运到地上部的能力.
2.6 土壤温室气体排放特征图 11（a）为杂交狼尾草土壤CO2的排放情况.从中可知, 在第21 d时施加外源物质对土壤温室气体排放通量没有显著影响.随着时间推移到了第29 d时, 与CK处理相比, EDDS和GA3处理均显著增加土壤CO2排放通量, 施加IBA虽然对土壤CO2排放通量有增加, 但是提升并不显著.到第37 d时, 与CK处理相比, 施加KCl、EDDS与IBA的土壤CO2排放通量显著下降, 施加GA3处理对土壤CO2排放通量影响不大.总体来说与CK处理相比, 土壤施加KCl与EDDS后杂交狼尾草种植土壤CO2排放呈现先升高再降低的趋势, 施加GA3后土壤CO2排放通量维持上升趋势, 施加IBA后土壤CO2排放通量波动幅度不大, 呈现先降低再略微回升趋势.
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图 11 施加外源物质对杂交狼尾草种植土壤温室气体排放通量的影响 Fig. 11 Effects of exogenous substances on greenhouse gas emission fluxes in P. americanum×P. purpureum planting soils |
图 11（b）为杂交狼尾草土壤N2O的排放情况.从中可知, 随着外源物质的施加, 到第21 d时土壤N2O排放通量均有不同程度增加但差异不显著.随着时间推移到第29 d时, 与CK相比, 施加外源物质土壤中N2O排放通量仍明显更高, 其中施加EDDS和IBA显著提升了土壤N2O排放通量.到第37 d时, 与CK处理相比, 施加IBA处理显著降低土壤N2O排放通量, 其余各处理对土壤N2O排放通量影响不大.总体来说施加外源物质后土壤N2O排放通量会较无添加CK处理明显升高, 随着种植时间推移增加幅度逐渐降低.
图 12（a）为油葵土壤CO2的排放情况.从中可知, 油葵生长到第21 d时, 随着KCl和EDDS的施加, 土壤CO2排放通量明显降低, 施加生长调节剂后土壤CO2排放通量有了不同程度的提高, 施加IBA显著提高了土壤CO2排放通量, 而施加GA3提升不大.第29 d时, 各处理下土壤CO2排放通量较CK处理均有不同程度增加, 其中施加KCl和GA3都对土壤CO2排放通量有显著影响.第37 d时外源物质的施加均显著降低土壤CO2排放通量.总之随着土壤中施加KCl和EDDS的时间推移, 土壤CO2排放通量呈现先上升再下降的趋势, 最终都显著小于CK处理.
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图 12 外源物质对油葵种植土壤温室气体排放通量影响 Fig. 12 Effects of exogenous substances on greenhouse gas emission fluxes in H. annuus planting soils |
图 12（b）为油葵土壤N2O的排放情况.从中可知, 到第21 d时, 随着外源物质的施加, 各处理下土壤N2O通量与CK相比均有降低, 其中施加KCl和GA3显著降低了N2O排放通量.在29 d时, 外源物质施加相较21 d时N2O排放通量增加, 但总体与CK处理相比没有显著差异.到第37 d时与CK处理相比, 外源物质的施用对土壤N2O排放通量没有显著影响.总体来说施加外源物质后油葵土壤N2O排放通量会显著下降然后逐渐上升, 最终与CK差异不大.
图 13（a）为各处理下杂交狼尾草种植土壤CO2的累计排放通量情况.从中可知, 与CK处理相比, 施加KCl和EDDS降低了土壤CO2累计排放量, 分别降低了20.4%和5.0%.施加IBA明显增加了土壤CO2累计排放量, 与CK处理相比增加了18.2%.图 13（b）为各处理下杂交狼尾草种植土壤N2O的累计排放通量情况. 从中可知, 与CK处理相比, 施加外源物质均明显增加了土壤N2O累计排放通量, 其中KCl、EDDS、GA3和IBA处理与CK处理相比分别增加了68.9%、117.9%、100.0%和97.3%.
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（a）和（b）为杂交狼尾草组, （c）和（d）为油葵组 图 13 外源物质对土壤温室气体累计排放量的影响 Fig. 13 Effects of exogenous substances on cumulative greenhouse gas emissions from soil |
图 13（c）为各处理下油葵种植土壤CO2的累计排放通量情况.从中可知施加KCl和EDDS后土壤CO2累计排放量有了明显降低, 与CK处理相比分别降低了15.8%和45.9%, 施加GA3和IBA不同程度提高了土壤CO2累计排放量, 施加GA3与施加IBA后土壤CO2累计排放量较CK处理分别增加了33.7%和88.2%.图 13（d）为各处理下油葵种植土壤N2O的累计排放通量情况. 从中可知, 施加外源物质能不同程度降低土壤N2O累计排放量.与CK处理相比, 施加KCl和GA3后N2O累计排放量分别显著降低了40.5%和43.5%, 施加EDDS和IBA后N2O累计排放量分别降低了20.1%和28.4%.
2.7 相关性分析图 14（a）为杂交狼尾草组相关性分析, 从中可知, 杂交狼尾草地上部Pb提取量（累计量）与pH极显著正相关, 说明杂交狼尾草地上部Pb的提取量受土壤pH影响, pH升高有助于杂交狼尾草地上部对Pb的富集.种植狼尾草后N2O累计排放量与土壤pH值、有机质呈极显著负相关, 这表明土壤pH和有机质含量是影响土壤N2O排放的重要因素.叶绿素含量与微生物量碳呈极显著正相关关系, 与土壤脲酶呈极显著负相关关系, 这说明外源物质施加会通过影响杂交狼尾草叶绿素含量来改变脲酶活性, 进而影响N2O排放.图 14（b）为油葵组相关性分析, 从中可知, 油葵地上部Cd和Pb提取量（累计量）与土壤pH显著负相关, 说明pH是油葵在修复土壤的重要影响因素, pH值降低有助于油葵对土壤重金属的富集. CO2累计排放量与土壤有机质和MBC呈显著负相关, 这验证前文EDDS施加后叶绿素含量增加, 促进营养物质向下传输, 光合作用增强而呼吸作用减弱的现象（图 5）.
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（a）杂交狼尾草组, （b）油葵组；**为P < 0.01, *为P < 0.05, 色柱与圆表示相关性系数, 系数绝对值越高圆面积越大, 系数大于0为正相关且趋向红色, 系数小于0为负相关且趋于紫色；1.pH, 2.有机质, 3.MBC, 4、5与6分别为土壤过氧化氢酶、脲酶与蔗糖酶, 7、8与9分别为地上部Cd、Pb与Zn累计量, 10.叶绿素（a+b）, 11与12分别为CO2与N2O累计排放量 图 14 重金属提取量及土壤温室气体排放与土壤性质的相关性分析 Fig. 14 Correlation analysis of heavy metal extraction and soil greenhouse gas emissions with soil properties |
土壤pH是土壤理化性质的重要指标, 能够影响植物生长以及土壤中重金属含量[29, 30].外源物质的施加对不同植物影响不同, 施加外源物质对杂交狼尾草土壤中pH值影响不大, 但油葵组中土壤pH都有不同程度的下降, 这和史飞飞等[31]的结果类似.pH值对植物重金属的富集影响因植物不同具有差异, 相关分析中显示杂交狼尾中土壤pH值与地上部Pb累计量、土壤有机质含量成极显著正相关性, 这与张晋瑞等[32]的结果类似, 油葵土壤pH值与地上部Cd和Zn提取量显著负相关, 这可能是因为pH的降低使土壤胶体表面负电荷减少, 致使重金属生物性增强, 这与周青等[33]的研究结果类似.土壤有机质是土壤养分含量反映[34].本试验中发现施加外源物质对土壤有机质没有显著影响, 这可能是因为土壤有机质含量还受根系结构、微生物多样性和土壤环境的稳定等多种因素共同调控, 外源物质的施加没有达到土壤有机质改变的阈值[35], 在本研究中油葵组各处理后有机质含量均不同程度小于杂交狼尾草组, 说明与油葵比起来相同种植条件下杂交狼尾草土壤环境更为稳定.微生物量碳是土壤有机碳库的组成部分, 直接参与了土壤养分循环[36], 本研究中均表现为螯合剂施加提高了土壤微生物量碳含量, 其余外源物质的施加降低了土壤微生物量碳含量, 这可能是因为螯合剂施加能够活化土壤中的重金属, 促进特异性微生物的生长和代谢过程, 进而增加微生物量碳含量[37].总之, 在施加外源物质后, 杂交狼尾草组中土壤有机质含量与土壤微生物量碳含量均不同程度地高于油葵组, 这说明相比较油葵, 种植杂交狼尾草能够维持土壤中稳定的根系和微生物生长环境.
土壤酶活性反映了土壤生物循环并影响土壤微生物的生命代谢活动[38].施加外源物质对土壤酶活性均产生了不同的影响, EDDS显著抑制植物根系细胞或微生物细胞脲酶释放.本研究中IBA、GA3处理均明显提高了过氧化氢酶活性, 这与冯煜[39]的研究结果类似.施加外源物质后, 与油葵组相比, 杂交狼尾草组土壤脲酶、蔗糖酶活性均有不同程度提高, 这表明杂交狼尾草根部土壤环境微生物活动较油葵更为频繁, 土壤肥力水平也有一定增加[40].重金属有效态是指能够被土壤中生物利用的重金属形态, 其值会对植物修复效果产生影响[41].种植不同植物对土壤有效态重金属含量影响不同, 在施加外源物质后, 油葵对重金属Cd和Zn活化能力高于杂交狼尾草.KCl处理下油葵对土壤Cd、Pb和Zn有效态显著提高, 且也显著提高杂交狼尾草土壤Cd和Pb有效态含量, 有研究发现钾元素作为植物生长必备元素, 土中施加适宜剂量钾肥能够显著提高土壤重金属有效态含量[42], 此外在两种植物中均出现施加螯合剂EDDS后土壤重金属有效态含量均明显高于无添加CK处理, 这是因为螯合剂能够与土壤金属离子形成配合物, 使得重金属由不溶态向可溶态转变, 导致重金属有效态提高[43].本试验中发现施加外源物质后（包含CK处理在内）, 杂交狼尾草组Zn有效态含量均显著低于背景土壤, 可能的原因是杂交狼尾草本身对土壤Zn活化能力不强, 外源物质施加不能引起杂交狼尾土壤Zn有效态含量显著变化[44].
植物生长指标反映植物生长状态, 适宜的生长环境是促进植物生长的必要条件[45, 46].本研究中外源物质的施加不同程度影响了杂交狼尾草与油葵的生长状况, 与油葵相比, 外源物质对杂交狼尾草表现为更加明显, 这可能是不同植物生长对外界环境有不同响应表现的原因, 杂交狼尾草的生长对外源物质的施加更具有敏感性.土壤中施加KCl后杂交狼尾草地上部、根部生物量均有不同程度提高, 但是GA3表现均为负影响, 这表明钾肥的施加提高杂交狼尾草生长, 而施加GA3抑制杂交狼尾草生长, 外源物质的施加对两种植物MDA含量影响不大.KCl处理明显提高了油葵抗氧化酶（SOD、CAT）活性, 表现出油葵抗逆性增强, 这与袁婷等[47]结果类似.施加GA3明显降低了油葵SOD与CAT活性, 这可能是因为生长调节剂的施加缓解了油葵受到重金属的胁迫从而降低了抗氧化酶活性所致[48].
施加KCl显著增加杂交狼尾草与油葵根部Cd和Pb的含量, 说明KCl的施加会促进植物根部对重金属的吸收, 从而提高植物对Cd、Pb吸收能力.施加EDDS显著降低油葵根Cd和Zn含量但提高了相应地上部Cd和Zn含量, 这说明EDDS的施加促进油葵Cd和Zn向地上部转移[49].与杂交狼尾草相比, 施加KCl显著提高杂交狼尾草地上部Cd累计量, 这与KCl提高植物地上部Cd含量有关.施加外源物质后杂交狼尾草地上部Pb和Zn与CK相比差异不显著, 这表明不同调节措施对植物地上部重金属的富集特征影响不相同.由于油葵生物量较小, 虽然研究中油葵地上部Cd、Zn含量明显高于杂交狼尾草, 但是最终杂交狼尾草地上部Cd、Pb和Zn累计量均明显高于油葵.外源物质的施加对植物的根部重金属累计量作用效果不同, 相比较CK处理, 施加KCl处理显著提高杂交狼尾草根部Cd、Pb和Zn累计量, 这与前文中施加KCl提高植物根部Cd含量有关.施加EDDS显著提高油葵根Pb累计量, 这表明施加EDDS活化了土壤中Pb, 促进油葵根部对Pb的吸收, 从而提高根部Pb的累计.
在杂交狼尾草土壤中施加EDDS与KCl均明显减少了土壤CO2累计排放量, 这可能是因为施加EDDS后植物受重金属胁迫导致叶绿素含量增加和光合作用增强[50], 施加KCl促进植物生长, 土壤有机质减少生物固碳增强所致.施加IBA均提高了两种植物土壤中CO2累计排放量, 这可能是因为施加IBA后叶绿素含量增加, 光合作用增强所致[51].施用外源物质后杂交狼尾草土壤中N2O累计排放量明显增加, 但总体上达不到显著性水平.与杂交狼尾草相反, 外源物质施用后油葵土壤N2O均有不同程度减少.施加KCl和GA3均显著减少了土壤N2O累计排放量, 这是因为脲酶会参与土壤氮素的转化而影响土壤N2O的排放[52, 53], KCl与GA3施加后土壤脲酶活性降低, 导致累计排放量降低[54].
本试验中发现KCl、EDDS处理后植物修复效率的提高与温室气体的减排具有一致性.有学者发现土壤中微生物的呼吸产物可作为植物光合作用的源影响土壤温室气体的排放[55, 56], 郭俊娒等[57]发现钾肥的施加会通过提高八宝景天的生物量来提高Cd的修复效率.本试验中KCl处理给植物生长提供了营养元素, 缓解了重金属的毒害并提高生物量, 从而提高了植物重金属含量与累计量；同时生物量提高本质上是植物吸收固定土壤有机物质（固碳作用）的增强和土壤碳库的减少, 进而减少了CO2累计排放量[58].EDDS处理通过活化土壤中的重金属元素, 提高植物修复效率, 但植物为抵御重金属胁迫作用, 会通过提高光合作用能力, 促进营养物质合成来缓解重金属对植物生长不利影响, 进而使得土壤温室气体累计排放量有所减少.
4 结论（1）KCl的施加不同程度增加了杂交狼尾草与油葵生物量, 促进植物的生长.油葵抗氧化酶活性变化较杂交狼尾草更具敏感性, KCl使得油葵抗氧化酶SOD与CAT活性均明显增加, 抗逆性增强；生长调节剂GA3、IBA均降低了油葵SOD、CAT活性与MDA含量, 缓解了油葵受重金属的胁迫.
（2）KCl处理影响了植物对Cd的富集, 与CK处理相比, 施加KCl杂交狼尾草和油葵地上部Cd累计量分别提高了71.2%和39.9%；同时杂交狼尾草根部Cd累计量值是CK处理的2.2倍.除KCl处理外, 其余外源物质对杂交狼尾草重金属富集特性影响不大；EDDS处理影响油葵Pb的富集, 施加EDDS后油葵地上部Pb累计量是CK处理的24倍, 根Pb累计量较CK处理提高了77.9%.
（3）不同外源物质的施加影响了土壤CO2排放, 施加KCl与EDDS均会降低土壤CO2的累计排放量, 在杂交狼尾草种植土壤中分别降低了20.4%和5.0%, 在油葵种植土壤中分别降低了15.8%和45.9%.施加IBA明显增加了CO2累计排放量, 在杂交狼尾草种植土壤中增加了18.2%, 在油葵土种植壤中增加了88.2%.
（4）不同外源物质的施加影响了土壤N2O排放, 施加外源物质均增加了杂交狼尾草种植土壤N2O累计排放通量, 但不同程度降低了油葵种植土壤N2O累计排放量, 其中施加KCl和GA3油葵土壤N2O累计排放量较CK处理分别显著降低了40.5%和43.5%, 施加EDDS和IBA较CK处理分别降低了20.1%和28.4%.
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