2020, Vol. 41
有报告显示, 全国土壤污染总的点位超标率为16.1%, 污染类型以无机型为主, 镉(Cd)在无机污染物中占比最大, 其污染点位超标率达7%, 但其重度污染点位只占到总超标点位的0.5%, 多数点位仍处于中轻度污染状态[1].与全国土壤污染物总的点位超标率相比, 耕地土壤污染状况不容乐观, 其污染点位达19.4%.我国耕地资源有限且后备资源不足, 不仅在数量上呈现出刚性减少, 同时还存在质量型短缺, 中低等耕地占比超过70%[2], 因此, 对于中轻度污染农田的安全利用尤为必要和迫切.
在我国耕地资源紧张态势下, 相比于将重金属Cd活化淋洗移除土体的路径, 只采取钝化措施以降低其活性更易实现农田土壤“边修复边利用”的目的, 因而也受到更多的关注[3, 4].钝化技术的关键在于选择合适的钝化材料, 这些材料通过吸附、沉淀和离子交换等一系列物理化学作用降低土壤中镉的移动性及生物有效性[5~7].近些年, 生物质炭和一些含磷、钙及铁等的天然无机矿物类成为农田土壤Cd钝化的热点材料[7, 8].不同钝化剂的钝化效果及其作用机制各有差异, 无机矿物类钝化剂主要通过改变土壤pH、与重金属形成溶解度很小的金属复合物, 降低土壤中重金属的有效性[8]; 而生物质炭具有发达的孔隙结构和丰富的表面官能团, 能吸附固定重金属, 降低其有效性[9, 10].
鉴于土壤环境的复杂性, 单一钝化技术或许无法满足特殊条件下土壤重金属的有效钝化及其农产品安全生产.因此钝化技术与其它技术联用, 成为目前农业土壤重金属钝化研究的前沿热点[11].对重金属Cd而言, 在钝化作用基础上, 联合叶面生理阻控以及低镉积累作物品种筛选与种植可能是在耕地资源紧张态势下对中轻度Cd污染耕地土壤安全利用的重要途径之一.硒(Se)元素是一种人体必需的微量营养元素, 能与镉、汞和砷等重金属元素产生拮抗效应, 通过与重金属形成大分子复合物及促进重金属引起的自由基的清除, 缓解重金属对植物的毒害作用[12~14].目前将含Se制剂作为抑制作物吸收重金属Cd的生理阻控剂的研究主要集中于水稻、玉米及部分蔬菜水果上[15], 但研究结果不一, 二者的交互作用效果各异, Se制剂可降低玉米、黄瓜中镉含量[15, 16], 而叶面喷施高浓度的硒却促进了草莓中镉的累积[12].另有研究显示, 硒对水稻中镉累积的作用效果取决于硒和镉的量[17, 18], 可见硒对有些作物富集镉起阻抑作用, 有些则相反.
一些调查研究发现, 种植在重金属Cd污染土壤上的蔬菜类作物存在一定的健康风险[19, 20].如何降低蔬菜可食部位Cd含量至安全水平, 控制土壤中的Cd通过食物链向人体迁移成为了一个亟待解决的问题.红菜苔(Brassica campestris L. ssp. chinensis var. perperea Hort.)作为长江中下游地区多个省份菜篮子工程的主要蔬菜种之一, 对重金属Cd富集能力相对较弱, 本文以课题组前期筛选出的低镉累积品种(金秋红三号)和高镉累积品种(十月红)红菜苔为研究对象[21], 结合土壤钝化和叶面阻控, 探究不同品种红菜苔对土壤Cd吸收累积的差异以及土壤镉有效性的变化, 以期为中轻度重金属Cd污染农用地的安全利用提供理论和技术支撑.
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤：取自湖北省黄石市大冶市某水稻田.取样深度为0~20 cm.取回的土经自然风干后, 去除植物残体、石块等, 研磨过2 mm筛备用.供试土壤的基本理化性质见表 1.
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表 1 供试土壤的理化性质 Table 1 Basic properties of the experimental soil |
供试作物：红菜苔, 基于课题组前期的“城郊农业生态系统中弱吸收低积累重金属Cd茎菜类蔬菜品种的筛选”工作所获得的结果, 取其中2个品种：金秋红三号红菜苔(低镉积累基因型); 十月红红菜苔(高镉积累基因型).
供试钝化剂材料：400℃玉米秸秆生物质炭, 钙镁磷肥(购自湖北金明珠化工有限公司, P2O5含量1.97g ·kg-1).两种钝化剂的pH分别为8.03±0.06和8.02±0.03, 总镉含量均未检出.
供试叶面阻控剂:含硒叶面阻控剂, 由Na2SeO3(分析纯)溶于水配制而成, 其浓度为3 mg ·L-1.
1.2 试验设计试验采用模拟田间条件下的室外控制盆栽试验的方法, 试验中控制所有盆栽免受干湿沉降的影响.分别在种植两种供试作物的土壤上设置相同的6个处理：①对照(CK)、②添加3%(质量比)生物质炭(BC)、③添加0.17%钙镁磷肥(CMP)、④叶面喷施3 mg ·L-1 Na2SeO3的水溶液(Se)、⑤BC+Se和⑥CMP+Se.试验处理共计12个, 每个处理重复3次.
向盆钵中装土, 每盆装土4 kg.然后向盆中添加钝化剂(生物质炭、钙镁磷肥)和无机肥.无机肥添加种类及其量分别为：ω(N)=280 mg ·kg-1、ω(P2O5)=180 mg ·kg-1和ω(K2O)=560 mg ·kg-1, 氮磷钾肥分别以尿素、磷酸二氢钾和氯化钾的形式添加.将钝化剂和基肥同土壤混匀, 保持土壤含水量为田间持水量的65%左右.稳定7 d后, 每盆移栽定植4株长势相近的红菜苔幼苗(3叶期).移栽后第10 d, 向Se处理、BC+Se处理和CMP+Se处理的作物叶面处喷施含硒叶面阻控剂, 以后每隔1周喷一次, 至红菜苔植株收获前一周停止喷施.期间喷施含硒叶面阻控剂次数总计10次.
1.3 样品的采集与测定在红菜苔成熟期分别采集土壤样品和植物样品.土壤样品采集于植株根系周围0~2 cm内土壤, 对其进行风干, 研磨过筛后密封保存.收获植株地下部分和地上部分, 分别用自来水、超纯水冲洗干净, 并擦干植株上附着的水珠, 测量菜苔鲜重, 然后将样品放入烘箱杀青烘干至恒重, 研磨后过0.149 mm的尼龙网筛, 密封存放于自封袋, 用于植物样品总镉的测定.
土样基本理化性质的测定[22]; 土样总镉采用HF-HClO4-HNO3消解, 原子吸收分光光度法测定; 土样有效态镉采用二乙基三胺五乙酸(DTPA)提取[23]; 植物样总镉含量采用HNO3-HClO4消解[24].设置空白和国家标准物质进行分析质量控制, 提取液和消解液采用原子吸收分光光度计(日本HITACH, Z-2000)测定镉含量.
1.4 数据处理与分析采用Excel 2016和SPSS 23.0以及origin 8.5进行数据处理分析及相关图表的绘制.文中显示结果为平均值±标准偏差(n=3), 采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著差异法(LSD)进行显著性检验, 显著性水平设为P < 0.05.
2 结果与分析 2.1 土壤钝化和叶面阻控对红菜苔根部土壤镉含量的影响由图 1可知, 不同处理对两种红菜苔根部土壤有效态镉含量的影响有所差异.BC和CMP处理条件下, 金秋红三号红菜苔根部土壤有效态镉含量较CK处理分别显著降低了17.3%和5.8%(P < 0.05), 但两种钝化剂对十月红红菜苔根部土壤中的镉无钝化效果, 使得添加生物质炭和钙镁磷肥两种钝化剂后两品种红菜苔根部土壤有效态镉含量的差异幅度达到最大值, 金秋红三号红菜苔根部土壤有效态镉含量显著低于十月红.无论是单独施Se还是将叶面施Se分别与两种土壤钝化剂联用, 土壤中有效态Cd含量均与CK处理相差无几, 甚至还略有增加, 这种变化在两个品种间表现相似.可见, 两种钝化剂联合叶面阻控剂硒对降低两种红菜苔根部土壤中有效态镉含量均未表现出协同效应.叶面施硒可能更多地表现为阻止重金属元素在植株地上部分不同器官间的迁移[25, 26].
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图例中“ J”代表种植金秋红三号红菜苔的所有处理, “ S”代表种植十月红红菜苔的所有处理; 图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05), 相同字母表示不显著, 下同 图 1 不同处理条件下土壤有效态Cd含量 Fig. 1 Available Cd content in soil under different treatment conditions |
不同处理下两种红菜苔镉富集转移系数见表 2.BC和CMP两种钝化剂均可显著降低金秋红三号红菜苔根部镉富集系数, 较CK处理, 降幅分别为13.6%和22.5%(P < 0.05).同时, 在钝化处理条件下, 低镉累积品种金秋红三号红菜苔镉转移系数不同程度降低, 这可能是添加BC和CMP两种钝化剂后金秋红三号红菜苔可食部位镉富集系数显著低于CK处理的原因所在.对于十月红红菜苔, BC和CMP两种钝化剂也可显著降低其根部镉的富集系数, 降幅分别为10.7%和13.6%(P < 0.05), 但却对十月红红菜苔镉转移系数无降低效果.
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表 2 不同处理条件下两种红菜苔Cd的富集和转移系数 Table 2 Enrichment and transportation factor of Cd in two types of Tsai-tai under different treatment conditions |
叶面施Se即Se、BC+Se和CMP+Se处理条件下, 两种红菜苔根部镉富集系数较CK处理均不同程度降低, 十月红红菜苔降低幅度更大, 这种差异性可能与转移系数有关, Se、BC+Se和CMP+Se处理下, 十月红红菜苔镉转移系数较CK处理分别显著提升了37.5%、46.3%和57.9%, 叶面施硒对十月红转移系数的提升幅度大于金秋红三号.以上数据表明, 叶面施Se可促进镉由两种红菜苔根部向可食部位转移, 但低镉累积品种金秋红三号红菜苔对这种促进作用的响应程度更低.
就品种间差异而言, 低镉累积品种金秋红三号红菜苔对镉的富集转移特征与十月红红菜苔表现不同.相同处理条件下, 金秋红三号红菜苔根部镉富集系数均高于十月红红菜苔, 而镉由根部至可食部位的转移系数却均显著低于十月红, 低出范围为24.4% ~43.3%(表 2).由2.1节可知, 相同处理下, 金秋红三号红菜苔根部土壤有效态镉含量均显著低于十月红红菜苔根部土壤.可见, 金秋红三号红菜苔根系较十月红对镉有更强的富集能力, 且其富集的镉倾向于囤积在根部, 不易向地上部转移, 这可能是导致金秋红三号红菜苔可食部位低镉累积的重要原因.
2.3 土壤钝化和叶面阻控对红菜苔生物量及可食部位镉含量的影响 2.3.1 土壤钝化和叶面阻控对红菜苔生物量的影响两种钝化剂及叶面阻控剂对两种红菜苔可食部位生物量的影响如表 3所示.两种红菜苔不同处理间的差异趋同, 与CK处理相比, 其他5个处理均可显著提高两种红菜苔可食部位生物量, 其中, BC+Se和CMP+Se处理对金秋红三号和十月红两种红菜苔可食部位生物量提升效果最为显著, 较CK处理分别显著增加了114.6%、73.6%和129.4%、185.3%.
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表 3 不同处理条件下两种红菜苔可食部位生物量 Table 3 Biomass in edible parts of two types of Tsai-tai under different treatment conditions |
相同处理条件下, 金秋红三号可食部位生物量均显著高于十月红(P < 0.05), 其高出的范围为120.1% ~314.3%, 金秋红三号红菜苔具有明显的生物量优势.
2.3.2 土壤钝化和叶面阻控对红菜苔可食部位镉含量的影响不同处理对两种红菜苔根部土壤有效态镉含量及其Cd富集转移能力的影响最终会导致其可食部位镉含量的变化.不同处理对两种红菜苔可食部位镉含量的影响存在一定差异(图 2). BC和CMP处理下, 金秋红三号红菜苔可食部位镉含量分别为0.093 mg ·kg-1和0.094 mg ·kg-1, 低于GB 2762-2017标准中镉限量值(0.10 mg ·kg-1), BC和CMP处理可显著降低金秋红三号红菜苔可食部位镉含量, 较CK处理降幅分别为27.5%和27.2%(P < 0.05), 可食部位镉含量的降低可能与BC和CMP处理降低了金秋红三号根部土壤有效态镉含量及其根部镉富集转移系数有关.但BC和CMP处理下, 十月红可食部位镉含量未达到安全标准, 且此条件下两种红菜苔可食部位镉含量差异达到最大, 金秋红三号红菜苔可食部位镉含量显著低于十月红, 低出幅度分别为36.4%和21.2%(P < 0.05).无论是单独施硒还是将硒与两种钝化剂联用, 两种红菜苔可食部位镉含量较CK处理均有不同程度地降低, 这可能与可食部位生物量的显著提高有关(表 3), 对两种红菜苔可食部位的镉具有一定的稀释作用.
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虚线表示GB 2762-2017中茎类蔬菜生产镉安全线 图 2 不同处理条件下两种红菜苔可食部位Cd含量 Fig. 2 Cd content in edible parts of two types of Tsai-tai under different treatment conditions |
本研究中, CK处理条件下, 金秋红三号红菜苔可食部位镉含量显著低于十月红红菜苔相应部位的镉含量(P < 0.05), 这进一步验证了本课题组前期的研究结果[21], 金秋红三号红菜苔具有低镉累积特征, 十月红红菜苔具有高镉累积特征.金秋红三号低镉累积的特性一方面可能与其根部土壤有效态镉含量低有关, 在受到镉胁迫时, 金秋红三号红菜苔可能反馈性地分泌一些物质, 降低了其根部周围有效态镉的含量, 以规避镉在其体内富集[27].另一方面可能与金秋红三号红菜苔根部镉囤积机制有关, 本研究结果表明, 金秋红三号红菜苔根部富集的镉倾向于囤积在根部, 而不向其可食部位转移, 金秋红三号红菜苔的这种富集转移特征与其耐性作用机制相互佐证[27].不同基因型植物对镉富集转移能力不同[28, 29], 转移系数低是导致植物低镉富集的重要原因, 如低镉累积大豆品种内发现能与镉形成螯合物的蛋白质和氨基酸, 减少了镉向地上部位的迁移[30].金秋红三号红菜苔镉转移系数低可能与其体内蛋白质、核酸及多糖类物质有关, 有研究表明重金属进入植物后会与上述物质结合[31], 可能形成了某些如螯合物质, 抑制重金属向地上部转移[30].
BC和CMP处理可显著降低金秋红三号红菜苔根部土壤有效态镉含量及其镉转移系数.生物质炭表面有许多如羧基、羟基等含氧官能团及负电荷, 能够吸附固定重金属, 降低其移动性[9, 10, 32, 33].含磷材料主要通过系列化学作用将重金属固定在土壤中, 从而降低重金属在土壤中的迁移性和生物有效性[34].而对十月红红菜苔, BC和CMP两种钝化剂不能降低其根部土壤有效态镉含量及转移系数, 此结果与众多文献资料相悖, 这可能与其根系分泌物及其所导致的根际微域环境有关.有研究发现高镉积累小麦品种根际土壤中有机酸含量明显高于低镉累积小麦品种, 植物根系分泌物可能与其体内镉累积量存在一定的联系[35].根系环境如根际pH和Eh也会影响根部土壤中重金属的有效性, 不同植物根际pH和Eh存在较大差异[36].
3.2 叶面阻控对红菜苔镉累积特征的影响作为人和动物必须的微量元素, 有研究表明, 硒能与多种重金属元素产生拮抗效应, 可与重金属形成难溶复合物, 清除重金属引起的自由基及改变细胞膜的透性来影响植物对重金属的吸收转运[12~14, 37].但是本研究结果显示, 无论单独叶面施硒还是与土壤钝化剂联合使用, 两种红菜苔根部土壤有效态镉的含量均与对照无显著差异甚至还略有增加, 同时显著促进镉由两种红菜苔根部向地上部分转移, 但两种红菜苔可食部位镉含量并未升高, 这可能与Se处理下两种红菜苔可食部位生物量的显著提高有关, 对富集在其可食部位的镉产生了一定的稀释效应, 这种稀释效应部分掩盖了镉在红菜苔体内的累积特征.
本研究条件下, 叶面施硒未能对Cd向红菜苔植株可食部位转移形成有效阻控, 反而不同程度地提升了两种红菜苔镉转移系数, 其中, 对低镉累积品种金秋红三号红菜苔的提升幅度小于十月红红菜苔, 金秋红三号红菜苔的响应度更低, 这可能与作物种类及硒施加量有关.不同植物对硒敏感程度不同, 张海英[38]的研究发现, 草莓和枣最佳施硒浓度为2.5~5 mg ·L-1, 而桃最佳施硒浓度为10 mg ·L-1, 在上述浓度范围内相应植物体内的镉、铅与Se产生拮抗作用, 降低果实中镉铅的含量.不同的硒施加量也会影响其与重金属的作用效果, 当硒浓度小于5 mg ·L-1时, 可有效降低草莓中镉含量, 而当硒浓度为10 mg ·L-1时, 在草莓生长后期会促进草莓中镉的累积[12].硒对水稻累积重金属也有相似的影响趋势, 有研究表明, 硒对水稻吸收镉及缓解毒害作用均具有两重性, 叶面喷施低浓度的硒会减少水稻中丙二醛含量, 抑制镉的累积, 促进水稻生长, 当硒含量高于0.8 mg ·L-1时会增加水稻中丙二醛的量, 促进镉向水稻籽粒中迁移, 抑制水稻生长[18, 25].同时, Se元素可能通过增产稀释作用维持了红菜苔植株正常的根压和蒸腾流, 在促进植株生长的同时, 也可能激活了镉的转运蛋白, 使得Cd借助根压和蒸腾流向上运输[39].有关叶面施Se对红菜苔等茎菜类作物及其它作物对镉等重金属的吸收累积及其相互作用机制还待进一步的研究.
4 结论(1) 叶面施硒与土壤钝化处理均可显著提高两种红菜苔的生物量, 且金秋红三号红菜苔较十月红红菜苔具有更为显著的生物量优势.
(2) 相同处理下, 金秋红三号根部土壤有效态镉含量及其镉转移系数均低于十月红, 根部镉富集系数却显著高于十月红, 金秋红三号根系较十月红对镉有更强的富集能力, 且其富集的镉倾向于囤积在根部, 不易向地上部转移.
(3) 生物质炭和钙镁磷肥两种钝化剂可降低金秋红三号根部土壤有效态镉含量、植株各部位镉富集系数及转移系数, 促使金秋红三号可食部位镉含量降低至GB 2762-2017中镉限量值(0.10 mg ·kg-1)以下.
(4) 本研究表明, 对中轻度Cd污染农田土壤, 借助生物质炭、钙镁磷肥等绿色钝化剂的作用, 同时种植低Cd积累作物种或品种, 可以实现受Cd污染农田的安全利用.
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