环境科学  2025, Vol. 46 Issue (4): 2571-2579   PDF    
木醋液对镉污染农田禾本科作物富集转运Cd效应影响
多晶1, 叶佳润1, 杨东霞2, 刘宇昊1, 李一1, 刘世亮1, 介晓磊1, 刘芳1, 赵颖1     
1. 河南农业大学资源与环境学院, 农业农村部黄淮海平原耕地质量保育重点实验室, 郑州 450002;
2. 洛阳市场监管局产品质量检验检测中心化工室, 洛阳 471032
摘要: 为探究木醋液对镉(Cd)污染农田禾本科作物富集转运的影响, 采用田间小区试验, 设置9个处理, 测定植株与根际土壤Cd含量, 开展木醋液对禾本科作物(小麦、大麦和燕麦)生长和作物对Cd富集转运影响的研究. 结果表明, 施加木醋液可提高各作物生物量(小麦、大麦和燕麦分别为0~6.73%、14.45%~15.91%和19.48%~21.97%, P < 0.05)、秸秆Cd含量(小麦、大麦和燕麦分别为12.32%~45.74%、7.02%~42.11%和19.90%~25.00%, P < 0.05). 施加稀释400倍木醋液(T1)处理, 小麦和大麦根部Cd含量分别下降7.77%和29.26%, 燕麦提高28.74%;小麦和大麦TF根-秸秆分别提高58.30%和100.87%, TF秸秆-籽粒显著降低30.40%和32.20%, 燕麦TF根-秸秆降低3.14%, TF秸秆-籽粒降低21.02%. 收获期大麦和燕麦种植前后Cd含量差值均显著高于小麦各处理, 其中大麦D-T1和燕麦E-T2处理较种植前下降18.53%和19.59%. 综合分析小麦、大麦和燕麦各部位Cd积累量、转运系数和Cd含量指标, 大麦籽粒Cd含量风险系数最低, 适合中轻度Cd污染农田种植, 并可通过秸秆离田进行边生产边修复, 实现中轻度Cd污染农田的安全生产.
关键词: 土壤重金属      镉(Cd)污染      禾本科作物      富集转运      木醋液     
Effect of Wood Vinegar on Cadmium Enrichment and Transport of Gramineous Crops in Cd-contaminated Farmland
DUO Jing1 , YE Jia-run1 , YANG Dong-xia2 , LIU Yu-hao1 , LI Yi1 , LIU Shi-liang1 , JIE Xiao-lei1 , LIU Fang1 , ZHAO Ying1     
1. Key Laboratory of Cultivated Land Quality Conservation in the Huanghuaihai Plain, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;
2. Luoyang Market Supervision Bureau Product Quality Inspection and Testing Center Chemical Room, Luoyang 471032, China
Abstract: To explore the effect of wood vinegar on the enrichment and transport of heavy metal Cadmium (Cd) in gramineous crops (wheat, barley, and oat) in Cd-contaminated farmland, a field plot experiment was conducted involving nine treatments. The effects of wood vinegar on the growth of gramineous crops (wheat, barley, and oat) and the enrichment and transport of Cd in crops were studied by measuring the Cd content in plants and rhizosphere of the soil. The results showed that wood vinegar increased the biomass of crops (wheat, barley, and oats biomasses were 0-6.73%, 14.45%-15.91%, and 19.48%-21.97%, respectively, P < 0.05) and the Cd content of straw (those of wheat, barley, and oat were 12.32%-45.74%, 7.02%-42.11%, and 19.90%-25.00%, respectively, P < 0.05). On applying wood vinegar diluted 400 times, the Cd content in roots of wheat and barley decreased by 7.77% and 29.26%, respectively, and that of oats increased by 28.74%. The translocation factor (TF) root-straw of wheat and barley increased by 58.30% and 100.87%, whereas the TF straw-grain decreased significantly by 30.40% and 32.20%, respectively. The TF root-straw of oat decreased by 3.14%, whereas the TF straw-grain decreased by 21.02%. The difference in Cd content before and after planting of barley and oats was significantly higher than that of wheat at the harvest stage. Among them, the Cd content of barley D-T1 and oat E-T2 decreased by 18.53% and 19.59% compared with that before planting. Based on the comprehensive analysis of Cd accumulation, transport coefficient, and Cd content in different parts of wheat, barley, and oat, the risk coefficient of Cd content in barley grain was the lowest, which was suitable for planting in moderate and mild Cd-contaminated farmland and could be remediated during production by leaving the straw in the field to realize the safe cultivation of moderately and mildly Cd-contaminated farmland.
Key words: soil heavy metal      cadmium(Cd) pollution      gramineous crops      enrichment transport      wood vinegar     

土壤是生物和人类赖以生存的重要环境, 随着新型工业化、城镇化和农业现代化加速推进, 我国部分区域土壤环境质量不容乐观, 成为我国农业环境中最亟需解决的问题之一[1,2]. 镉(Cd)是环境中重金属毒性最强的“五毒”之一, 相较于其他有毒重金属, Cd具有较强的迁移性, 成为目前最为突出的土壤重金属污染物[3,4], 据统计Cd污染农田面积接近1.0×107 hm2, 被污染的农产品高达1.5×106 t[5], 其中对水稻和小麦的影响最为显著. 因此减少土壤重金属对农作物的影响, 保障国家粮食安全生产成为当前亟待解决的问题.

目前我国针对农田重金属污染的修复技术主要有:微生物修复[6]、作物低Cd积累品种筛选[7]、农艺调控措施[8,9]和联合修复[10,11]. 针对一些中度, 重度及严重污染的农田, 当结合各项措施无法保证农产品的安全时, 可采用替代种植的方式进行种植结构调整, 实现污染农田的高效利用[12,13]

替代种植技术多采用生物量较高的粮食作物或经济作物, 利用不同物种对Cd累积的差异性及Cd标准限值的差异性, 在修复的基础上产生一定的经济效益, 相比于其他农田安全利用技术, 具有成本低、环境效益好的优点. 张道微等[14]发现甘薯可在Cd重度污染稻田种植时高产稳产性较好, Cd含量未超过限量值, 可实现安全生产;曹柳等[15]研究结果表明单作冬油菜在华北地区典型大气沉降污染以及Cd污染农田可以安全利用. 通过种植经济作物如棉花[16]和苎麻[17]在Cd污染稻田区可以通过作物本身的性质在重度Cd污染稻田区高积累实现土壤修复, 有效利用污染土壤创造经济价值是可行的;目前, 替代种植[18 ~ 23]应用大多集中在水稻农田及菜田方面, 针对在小麦农田替代种植研究相对较少. 华北地区镉污染农田多为石灰性褐土和潮土, 盐基饱和度高, 有效态Cd含量低, 小麦籽粒Cd含量的超标率达到55%[24], 若仅靠农艺调控等措施, 难以保证小麦籽粒镉含量达到国家粮食安全标准.

木醋液是一种植物原料经干馏和炭化过程, 经过冷凝液化得到的红褐色液体, 具有大量官能团与营养物质, 可以促进种子萌发、植物生长、增强植物抗逆性、提高作物产量和品质, 以及改良土壤、防治病虫害等, 已广泛应用于农林和环保领域[25,26]. 本试验以小麦为常规作物, 大麦和燕麦为替代作物, 并施加不同浓度的木醋液微肥, 研究木醋液是否对3种作物在污染农田生长状况以及Cd含量造成一定的影响, 探究大麦和燕麦替代小麦在中轻度Cd污染农田替代种植的可行性, 以期为北方中度Cd污染麦田粮食作物替代种植及“边生产、边修复”提供新方向和新路径.

1 材料与方法 1.1 试验区概况与试验设计

本试验位于河南省某Cd污染农田, 土壤为砂质潮土, 土壤基础理化性质如下:pH为7.52、电导率(EC)为0.11 mS·cm-1ω(有机质)为9.96 g·kg-1ω(碱解氮)、ω(速效磷)和ω(速效钾)分别为9.75、23.45和254.67 mg·kg-1, ω(全Cd)为2.03~3.05 mg·kg-1, ω(有效态Cd)为1.5 mg·kg-1.

本试验采用二因素裂区设计, 作物处理为主区[小麦(C)、大麦(D)和燕麦(E)], 木醋液浓度处理为裂区[清水(T0)、稀释400倍(T1)、稀释200倍(T2)], 9个处理, 3个重复, 共计27个小区. 于2020年10月种植, 2021年6月收获, 小区面积为20 m2, 播种量为14 kg·a-1, 施肥量为50~60 kg·a-1, 返青期追肥量为25 kg·a-1采用复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15). 拔节期进行作物行间土壤喷施木醋液, 每5 d喷施1次, 共3次, 喷施时尽量紧贴地面, 施用量为6.75 L·m-2. 作物生产过程中, 田间管理按照当地惯例进行.

1.2 试验材料

小麦、大麦和燕麦供试品种分别为百农207、大麦15和禾王(购自河南秋乐种业公司). 供试木醋液(购自石家庄宏森活性炭有限公司)为果壳提炼, 主要性质如下:pH为4.18, 电导率为3.50 mS·cm-1, ω(有机质)、ω(全氮)、ω(全磷)和ω(全钾)分别为57.75、2.690、0.810和0.090 g·kg-1.

1.3 样品采集与测定

基础土壤样品采集及测定:作物种植前, 按照“S”型五点混合采集土壤样品, 土壤样品经自然风干, 去除植株根茎、石块等杂物后过1 mm尼龙筛, 测定土壤的基础指标, pH用pH计测定, EC值用电导率仪测定, 碱解氮和有机质分别采用碱解扩散法和重铬酸钾外加热法测定, 速效磷和速效钾分别采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法和醋酸铵浸提-分光光度计法[18]测定. 土壤全Cd含量则采用三酸法(HF-HClO4-HNO3)消解处理, 土壤有效态Cd采用DTPA提取, 处理后, 皆使用石墨炉原子吸收分光光度计测定;

植株样品、根际土样采集与测定:于作物成熟期(次年6月), 每个小区内选取1 m2样方, 计算产量与秸秆生物量. 将植株的不同部位分离, 105 ℃杀青30 min后于75 ℃烘干至恒重, 测定干重, 粉碎后用于测定不同部位Cd的含量. 植株样品Cd含量采用HNO3-HClO4(5∶1)消解进行前处理, 采用石墨炉原子吸收分光光度计(PinAAcie900T, Perkin Elmer, 美国)测定Cd浓度. 土壤全Cd含量和有效态Cd含量测定方法同上.

1.4 数据处理

文中数据由Excel 2021、SPSS 26(二因素裂区试验分析、方差分析)、Origin 2022、AI 2023、R 4.3.1语言软件和联川云平台(https://www.omicstudio.cn/tool.)进行整理、分析、处理及作图, 多组数据利用LSD法进行差异比较. 计算公式为:

(1)
(2)
(3)
2 结果与分析 2.1 施加木醋液对作物生物量的影响

图 1所示, 燕麦籽粒和秸秆生物量最高, 与小麦和大麦差异显著(P < 0.05), 小麦与大麦无显著差异, 施加木醋液可显著提高3种作物的籽粒生物量和大麦、燕麦的秸秆生物量(P < 0.05), 但对小麦秸秆生物量无显著影响. 由图 1(a)可见, 小麦和大麦均于T2处理时籽粒生物量最高, 分别为8 986 kg·hm-2和9 288 kg·hm-2, 较未施加处理增加14.15%和14.74%. 燕麦处理中, E-T1处理时籽粒生物量最高, 为15 782 kg·hm-2, E-T1和E-T2处理较E-T0处理分别提高23.5%和21.88%. 由图 1(b)可知, 施加木醋液处理中小麦较T0无显著差异, 大麦D-T1和D-T2处理较D-T0处理秸秆生物量均不同程度显著提高(P < 0.05), 其中D-T1处理最为显著, 提高24.69%;燕麦E-T1和E-T2处理较E-T0处理分别提高16.70%、22.03%(P < 0.05).

不同大写字母表示不同作物相同施用浓度间显著差异性(P < 0.05), 不同小写字母表示同一作物处理间的显著差异性(P < 0.05);*表示(P < 0.05), **表示(P < 0.01) 图 1 不同处理对作物籽粒和秸秆的生物量的影响 Fig. 1 Effects of different treatments on the biomass of grain and straw

2.2 施加木醋液对作物各部位Cd含量的影响

图 2可知, 3种作物未施加木醋液处理间籽粒、根的Cd含量差异显著(P < 0.05), 大麦与小麦、燕麦秸秆Cd含量差异不显著, 小麦与燕麦差异显著(P < 0.05). 施加木醋液可显著提高各作物秸秆和根部的Cd含量, 但对籽粒Cd含量无显著影响(P < 0.05). 图 2(a)中施加木醋液同一作物不同浓度处理籽粒Cd含量差异不显著, 但作物间存在显著差异(P < 0.05), 籽粒Cd含量为:小麦 > 燕麦 > 大麦, 小麦籽粒ω(Cd)为0.145~0.152 mg·kg-1, 燕麦籽粒ω(Cd)为0.118~0.125 mg·kg-1, 大麦籽粒ω(Cd)为0.083~0.089 mg·kg-1低于我国食品安全标准限值(GB 2762-2022, 0.1 mg·kg-1).

不同大写字母表示不同作物相同施用浓度间显著差异性(P < 0.05), 不同小写字母表示同一作物处理间的显著差异性(P < 0.05);*表示(P < 0.05), **表示(P < 0.01) 图 2 不同处理对作物各部位Cd含量的影响 Fig. 2 Effects of different treatments on Cd content in different parts of crops

图 2(b)施加木醋液可提高各作物秸秆Cd含量(P < 0.05), 其中小麦与燕麦各处理间差异显著(P < 0.05), 3种作物均于T1处理时ω(秸秆Cd)最大, 分别为1.25、1.08、0.82 mg·kg-1. 图 2(c)中未施加木醋液处理各作物根部Cd含量为:小麦 > 大麦 > 燕麦, 作物间差异显著(P < 0.05). 施加木醋液后, 小麦和大麦各处理间差异显著(P < 0.05), T1处理较T0处理分别下降7.77%和29.26%, T2处理较T0处理分别增加20.73%和12.85%, 燕麦E-T1和E-T2处理分别较E-T0处理显著提高28.74%和29.97%(P < 0.05).

2.3 施加木醋液对作物各部位Cd积累量的影响

图 3知, 3种作物未施加木醋液处理间籽粒和根部Cd积累量差异显著(P < 0.05), 燕麦与小麦和大麦的秸秆Cd积累量差异显著(P < 0.05). 施加木醋液可提高3种作物籽粒、秸秆和根部Cd积累量. 由图 3(a)可知, 与T0相比, 小麦C-T2处理籽粒积累量提高19.38%燕麦增加幅度为19.53%~27.58%(P < 0.05), 大麦各处理无显著影响, 籽粒积累量为:燕麦 > 小麦 > 大麦.

不同大写字母表示不同作物相同施用浓度间显著差异性(P < 0.05), 不同小写字母表示同一作物处理间的显著差异性(P < 0.05);*表示(P < 0.05), **表示(P < 0.01) 图 3 不同处理对作物不同部位Cd积累量的影响 Fig. 3 Effects of different treatments on Cd accumulation in different parts of crops

图 3(b)中, 施加木醋液后, 小麦和大麦的秸秆Cd含量随木醋液浓度的增加呈现先增后降的趋势, 较T0处理分别提高13.57%~45.86%和22.27%~77.19%(P < 0.05), 在T1处理得到最大值, 分别为13.01 g·hm-2和14.93 g·hm-2. 燕麦的秸秆Cd含量随着木醋液浓度的增加而增加, 提高幅度为45.88%~46.31%(P < 0.05).

图 3(c)可知, 小麦和燕麦各处理根部Cd积累量随木醋液浓度的增加而增加, 较T0处理分别增加5.40%~39.90%和47.85%~60.43%, 其中E-T2处理根部Cd积累量最高, 为0.20 g·hm-2. 大麦各处理根部Cd积累量差异显著, D-T2处理较D-T0处理提高26.00%;D-T1处理根部Cd积累量最低, 较D-T0处理降低23.77%.

2.4 施加木醋液对作物各部位Cd富集转运的影响 2.4.1 对作物各部位Cd富集系数的影响

图 4可知, 3种作物间籽粒、根部Cd富集系数存在显著差异, 秸秆Cd富集系数作物间差异不显著, 施加木醋液对作物籽粒Cd富集系数无显著影响(P < 0.05), 对秸秆和根的Cd富集系数影响较为显著(P < 0.05). 图 4(a)籽粒Cd富集系数表现为:小麦 > 燕麦 > 大麦, 原因主要是作物间差异, 施加木醋液对3种作物的籽粒富集系数并无显著影响. 图 4(b)所示, 3种作物的秸秆富集系数随着木醋液浓度的增加, 呈现先增后减的趋势, 且均显著高于T0处理, 提高幅度分别为24.14%~56.25%(小麦)、13.65%~45.89%(大麦)和20.97%~23.54%(燕麦)(P < 0.05), 其中最高为0.51. 图 4(c)中, 小麦与大麦T1处理根部Cd富集系数较T0处理显著降低(P < 0.05), 分别为1.305(小麦)和0.967(大麦), T2处理达到最高, 分别为1.761和1.554, 较T0处理分别提高33.43%(小麦)和19.84%(大麦)(P < 0.05);燕麦各处理根部Cd富集系数与E-T0处理相比显著增加(P < 0.05), 其中E-T2处理富集系数最高, 为1.71, 提高幅度为27.23%~31.14%.

图 4 不同处理对作物不同部位Cd富集系数的影响 Fig. 4 Effects of different treatments on Cd enrichment coefficients in different parts of crops

2.4.2 对作物各部位Cd转运系数的影响

图 5所示, 未施加木醋液条件下, 3种作物TF根-秸秆处理间无显著差异, 小麦和燕麦秸秆到籽粒转运能力高于大麦(P < 0.05). 施加木醋液后, 小麦和大麦TF根-秸秆T1处理较T0处理分别提高58.03%和100.89%(P < 0.05), T2处理与T0处理无显著差异. 小麦和大麦TF秸秆-籽粒T1、T2处理较T0处理显著下降, 分别为5.88%~30.45%和各处理TF根-秸秆无显著差异, TF秸秆-籽粒随着木醋液浓度增加而降低.

图 5 不同处理对作物Cd转运系数的影响 Fig. 5 Influence of different treatments on Cd transport coefficient of crops

2.5 施加木醋液对根际土壤pH、Cd含量的影响

图 6(a)所示, 施加木醋液对各处理土壤pH无显著影响, 其原因是木醋液原液pH为4.18, 稀释后的木醋液pH在6.00左右, 试验在小麦拔节期施用量为6.75 L·m-2, 且试验农田为石灰性土壤, 加入一定浓度酸性物质, 土壤pH略有增加, 但由于其盐基饱和度高, 含有大量的游离碳酸钙, 与根系分泌的H+反应形成HCO3-, 使根际土中H+含量降低, 从而使土壤pH值没有发生明显变化.

(a)中不同大写字母表示不同作物相同施用含量间显著差异性(P < 0.05), 不同小写字母表示同一作物处理间的显著差异性;(b)中不同小写字母表示3种作物下全部处理间的差异显著(P < 0.05) 图 6 不同处理对土壤pH及Cd含量变化的影响 Fig. 6 Effects of different treatments on soil pH and Cd contents

图6(b)6(c)可知, 种植前各处理根际土ω(Cd)为2.12~2.57 mg·kg-1, 种植后各处理根际土壤ω(Cd)较种植前均下降, 为1.735~2.28 mg·kg-1;大麦T1处理与燕麦施加木醋液处理种植前后根际土壤Cd含量差值显著高于小麦处理. 未施加木醋液各处理根际土壤Cd含量较种植前下降0~12.60%, 大麦D-T0处理和燕麦E-T0处理种植前后Cd含量差值均显著高于小麦C-T0. 施加木醋液各较种植前下降6.56%~19.59%, 其中小麦和大麦T1处理Cd含量差值最高, 较种植前分别下降11.18%和18.63%, 燕麦E-T2处理种植前后根际土壤Cd含量差值最高, 较种植前下降19.59%. 另外, 各作物根部含有的Cd无法通过作物收获及秸秆离田的方式将其从土壤中移除, 经过腐解作用根部的Cd仍会释放到土壤中.

2.6 各指标相关性分析

图 7所示, 3种作物与各项指标之间的相关性存在显著差异. 3种作物的籽粒、秸秆、根部Cd的含量分别与相对应部位的Cd积累量以及富集系数呈现正相关. 3种作物存在的差异性主要体现在3种作物同一指标对于各项指标的相关性不一致, 其中小麦与燕麦的吻合度较高, 大麦与之差异较大, 主要体现在不同作物在同一指标情况下与TF根~秸秆、TF秸秆~籽粒、籽粒、秸秆和根部Cd积累量、籽粒及秸秆生物量的相关性不一致.

1. 籽粒Cd含量, 2. 秸秆Cd含量, 3. 根部Cd含量, 4. 籽粒Cd积累量, 5. 秸秆Cd积累量, 6. 根部Cd积累量, 7. 籽粒Cd富集系数, 8. 秸秆Cd富集系数, 9. 根部Cd富集系数, 10. 秸秆到籽粒Cd转运系数, 11. 根部到秸秆Cd转运系数, 12. 籽粒生物量, 13. 秸秆生物量, 14. 土壤Cd含量, 15 土壤pH 图 7 土壤Cd含量及pH与地上部生物量、各部位Cd含量、Cd富集转运系数的双相关性分析 Fig. 7 Double correlation analysis of soil Cd content and pH with above-ground biomass, Cd content in each part, and Cd enrichment and transport coefficient

其中小麦、燕麦籽粒Cd含量皆与根部Cd含量及积累量、富集系数、籽粒生物量呈现正相关, 大麦则与之呈现负相关;燕麦与大麦籽粒Cd含量同时与秸秆Cd含量及积累量、TF根~秸秆呈现正相关, 小麦则相反, 小麦与大麦籽粒Cd含量与TF秸秆~籽粒呈现正相关, 燕麦则呈现负相关. 小麦与燕麦的秸秆Cd含量同时与籽粒生物量呈正相关, 大麦与之相反;小麦与大麦的秸秆Cd含量与根部Cd含量及积累量、富集系数相关性一致, 均呈现负相关, 燕麦与之呈现正相关;燕麦与大麦的秸秆Cd含量与TF秸秆~籽粒、籽粒Cd积累量相关性一致, 呈正相关, 且皆与TF根~秸秆呈负相关, 小麦则均与之相反. 小麦与燕麦的TF秸秆~籽粒与秸秆生物量呈负相关, 大麦与之相反;小麦与大麦的TF秸秆~籽粒与籽粒生物量呈负相关, 燕麦相反. 3种作物的TF根~秸秆与籽粒生物量呈负相关;燕麦与大麦的TF根~秸秆与秸秆生物量呈正相关. 3种作物的TF根~秸秆、TF秸秆~籽粒与其他指标相关性的不同, 可能是造成3种作物籽粒Cd含量差异的原因之一.

小麦的土壤Cd含量与秸秆Cd积累量、秸秆Cd富集系数、TF根~秸秆和TF根~秸秆呈现显著正相关, 大麦土壤Cd含量与籽粒生物量呈显著正相关, 燕麦的土壤Cd含量与根部Cd含量及积累量、富集系数、籽粒Cd积累量、秸秆生物量秸秆Cd积累量、秸秆Cd富集系数、TF根~秸秆、TF根~秸秆、籽粒生物量呈显著正相关, 3种作物与其他相关指标相关性均不显著. 3种作物中土壤Cd、pH与其地上部的各项指标相关性有差异性, 说明3种作物对土壤Cd含量的影响有所不同, 这种差异可能也是造成作物各指标间差异的主要原因.

3 讨论 3.1 施加木醋液对不同作物生物量、积累及富集转运Cd的影响

高生物量是植物从土壤中提取重金属的根本保障, 是重金属修复效率提高的关键因素[27]. 曾婕等[28]研究表明, 木醋液能改善土壤理化性质, 增加土壤养分含量, 提高土壤酶活性, 可作为土壤改良剂. 同时木醋液含有的酸类物质可以调控作物的生长发育、激发植物内的细胞活性, 促进细胞增殖, 缓解Cd对植物的毒害, 促进植物生长和改善农产品品质. 土壤中微生物可利用木醋液中多种元素, 大量繁殖, 使土壤有机质上升, 提高植物生物量[29 ~ 31]. 李佩等[32]研究发现, 木醋液对土壤产生的酸化作用可促进土壤中营养物质的释放, 提高有机碳含量为作物提供一定的养分, 增加植物对重金属积累量. 本试验结果表明, 施加木醋液提高了3种作物的生物量、各部位Cd积累量, 这与叶佳润[33]和刘坤[34]研究的结果一致.

富集系数是用来评价植物富集重金属能力的重要标准[35]. 本试验结果表明, 施加木醋液可提高作物各部位Cd富集系数, 但稀释200倍木醋液处理富集系数显著低于稀释400倍处理. 李丹洋等[36]研究发现, 施加糟糠木醋液可促进玉米根部生长, 增加根表面积, 从而加大玉米根部对Cr的富集. 木醋液中含有的有机酸具有一个或多个羟基、氨基等活性官能团, 可在根系与土界面与金属离子产生络合-解离作用、参与土壤基质的阴离子置换, 改变植物根际环境, 影响土壤重金属形态的转化, 增加土壤重金属的有效性和可移动性, 促进作物根部对重金属的吸收, 从而达到提高植物对重金属富集的目的[37 ~ 39]. 有研究发现, 在有机酸影响下, 土壤中微生物为应对重金属胁迫自身代谢过程的影响, 促进改变重金属形态或价态向更易被植物吸收转化[40]. 叶佳润[33]研究发现, 在某酸性镉污染农田进行小麦玉米秸秆离田措施, 小麦籽粒ω(Cd)从0.27~0.32 mg·kg-1下降到0.20~0.25 mg·kg-1, 土壤中Cd有效态含量相比还田处理显著下降, 从而使作物减少对Cd吸收, 降低籽粒超标风险. 秸秆离田措施需要长期进行, 通过秸秆逐年带走土壤中易被吸收的镉, 降低土壤重金属污染风险, 实现粮食安全.

转运系数是用来评价将重金属从地下向地上的运输能力, 转运系数越大, 则植物运输重金属从地下到地上的能力越强. 结果显示, 在施加木醋液400倍条件下, 小麦和大麦TF根~秸秆显著提高, TF秸秆~籽粒显著降低, 这与王晓娟等[41]和常建宁[42]的结果类似. 原因主要是木醋液可以促进植物根部吸收Cd, 还可以提高植物的蒸腾作用, 从而增加Cd从根部到地上各部位转运. 同时, 在木质部运输过程中会与植物体内有机物和无机配体结合, 使向籽粒运输的Cd含量逐级减少, 因此对籽粒影响最小. 本试验中, 3种作物中小麦秸秆富集能力最强, 大麦次之, 但大麦从根部向茎秆转运能力最强, 但茎秆到籽粒转运能力最弱, 其原因可能是大麦秸秆中Cd向籽粒运输部位不同于小麦、燕麦, 是通过在木质部向大麦穗部运输, 并辅以韧皮部, 小麦、燕麦则是主要取决于韧皮部向籽粒运输能力[43]. 因此在Cd污染农田种植大麦既能保证作物籽粒不超标, 还可保证地上部带走量, 从而达到降低土壤中Cd含量的目的.

3.2 不同处理对3种作物下根际土壤Cd含量的影响

本试验结果表明, 3种作物各处理根际土壤Cd含量较种植前显著下降6.56%~20.29%(P < 0.05), 其中燕麦土壤Cd含量下降显著, 其原因可能是燕麦地上部生物量高, 作物积累量多. 土壤Cd下降原因主要是, 施加木醋液增加了土壤根际中的有机酸, 其中的羧基及羟基能够络合重金属, 并且有机酸中含有的有机配体可能会与土壤中的基团产生架桥键合作用, 从而增强重金属的吸附[44,45];另外, 根系中有机酸还可与大多数吸附在土壤胶体上的矿物质竞争并取代, 对一些重金属离子有很好的解吸能力, 引起金属离子在土壤固-液两相中向液相移动, 从而增加植物对金属离子的吸收[46]. 马欢欢等[47]研究发现有机酸可能通过降低根际土壤的pH值而活化Cd2+, 或影响根际微生物群落的活动, 从而促进金银花生长, 最终增强金银花对Cd的吸收, 降低土壤中Cd含量, 这与本试验的结果一致.

4 结论

(1)镉污染农田施加木醋液可显著增加作物生物量, 提高秸秆和根部Cd含量、富集能力, 小麦的TF根-秸秆增加, TF秸秆~籽粒降低, 燕麦TF根-秸秆和TF秸秆~籽粒均降低, 大麦在T1处理TF根-秸秆取得最大值, TF秸秆~籽粒取得最小值. 作物籽粒Cd含量差异主要为作物间差异, 大麦各处理的籽粒ω(Cd)均低于0.1 mg·kg-1, 符合国家粮食安全标准.

(2)3种作物各处理根际土壤Cd含量较种植前均显著下降(P < 0.05), 施加木醋液后各作物处理根际土壤Cd含量较种植前下降6.56%~20.29%, 且大麦和燕麦种植前后Cd含量差值均显著高于小麦各处理.

(3)综上, 在中轻度Cd污染农田种植大麦可实现粮食安全生产, 施加木醋液有助于Cd污染农田从土壤向作物秸秆转运, 同时不增加籽粒风险, 可通过秸秆离田这一措施将Cd从农田土壤逐步移除, 这为北方地区弱碱性Cd污染农田的“边生产、边修复”提供了理论依据.

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