復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤中黃瓜品質(zhì)的影響

胡麗萍++周國興++劉光敏++王一茜++何洪巨

摘要：以黃瓜（Cucumis sativus L.）為試驗(yàn)材料，種植在人工配置的不同污染程度（2、4 mg/kg CdCl2·2.5H2O）的鎘污染盆栽土壤中，研究不同濃度土壤復(fù)合改良劑（0、600、900、1 200 mg/kg）對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、pH、微生物數(shù)量、黃瓜果實(shí)鎘含量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，2、4 mg/kg鎘處理土壤施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加了23.17%和32.89%，細(xì)菌數(shù)量分別增加了87.61%和96.02%，微生物總量分別增加了59.95%和55.81%；施用900 mg/kg復(fù)合改良劑對(duì)2、4 mg/kg鎘處理土壤真菌數(shù)量提升作用最明顯，增幅分別為137.50%和106.72%；但是施用復(fù)合改良劑對(duì)土壤pH無顯著影響。施用復(fù)合改良劑可明顯提高黃瓜果實(shí)安全性和營養(yǎng)品質(zhì)，2、4 mg/kg鎘處理土壤種植的黃瓜果實(shí)中鎘含量分別降低了31.40%和24.35%，維生素C含量分別增加了25.00%和91.42%，可溶性糖含量分別增加了37.03%和27.06%，可溶性固形物含量分別增加了14.29%和58.80%。說明復(fù)合改良劑能夠用于重金屬鎘污染土壤的原位修復(fù)，并可顯著提高黃瓜果實(shí)的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：黃瓜（Cucumis sativus L.）；鎘；重金屬；土壤改良劑；果實(shí)品質(zhì)

中圖分類號(hào)：S642.2∶X131.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）18-4711-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.022

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的發(fā)展，土壤生態(tài)環(huán)境日益惡化，重金屬污染問題越來越嚴(yán)重。由于各種途徑帶來的重金屬進(jìn)入土壤后可被農(nóng)作物吸收，進(jìn)而降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚氖澄铮卟耸苤亟饘傥廴竞?，?huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康?，F(xiàn)在鎘已經(jīng)成為蔬菜重金屬污染最為突出的元素之一[1-3]，它能導(dǎo)致人體骨質(zhì)疏松、變形和萎縮，并長期富集在腎和肝臟中，還是一種典型的致癌物[4，5]。目前，多種修復(fù)技術(shù)被應(yīng)用到土壤重金屬污染治理中來，如物理化學(xué)法、生物法等，它們均能有效降低重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)；但是這些技術(shù)通常耗費(fèi)大、成本高，還會(huì)破壞土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)[6]。原位化學(xué)修復(fù)法是一種通過增加重金屬的吸附、降低其在土壤中的溶解度和生物有效性、從而減少污染物從土壤進(jìn)入農(nóng)作物的方法；原位修復(fù)法成本低，對(duì)土壤的影響和破壞少[7，8]，適合大范圍操作，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，從而引起人們的廣泛關(guān)注和研究熱情。由原位修復(fù)法原理派生出來的土壤復(fù)合改良劑可以顯著降低重金屬污染土壤中水溶態(tài)鎘和鉛的含量[9]，但該改良劑對(duì)農(nóng)作物體內(nèi)重金屬含量和營養(yǎng)指標(biāo)的系統(tǒng)性影響尚未見報(bào)道。另外，目前國內(nèi)外有關(guān)土壤改良劑對(duì)重金屬污染修復(fù)的報(bào)道多集中在葉菜類[10，11]，而針對(duì)果菜類的研究較少。為此，試驗(yàn)通過盆栽試驗(yàn)，以代表性果菜黃瓜（Cucumis sativus L.）為試驗(yàn)對(duì)象，比較了不同濃度復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH、微生物數(shù)量、黃瓜果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)和鎘含量的影響，以期闡明復(fù)合改良劑緩解鎘毒害的機(jī)理，探求適宜的改良劑用量，為重金屬污染土壤改良技術(shù)制訂和黃瓜安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和材料

供試土壤采自北京夏至農(nóng)業(yè)科技有限公司日光溫室，取地面0～20 cm表層土壤，風(fēng)干、棄去沙石和植物殘?bào)w后過20目篩；土壤理化性質(zhì)是有機(jī)質(zhì)含量11.70 g/kg、全氮0.69 g/kg、全鹽0.48 g/kg、堿解氮87.9 mg/kg、有效磷8.2 mg/kg、速效鉀105.0 mg/kg，土壤pH 8.12，土壤鎘含量0.15 mg/kg。

供試作物為黃瓜，種子購于北京京研益農(nóng)科技發(fā)展中心。復(fù)合改良劑由四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院提供，該改良劑由正銨、磷礦粉、腐殖酸、有機(jī)質(zhì)、微生物生長所需營養(yǎng)元素及參與重金屬離子反應(yīng)的多種活性金屬離子配制而成。

1.2 方法

采用盆栽法，在供試土壤里添加CdCl2·2.5H2O，設(shè)置2、4 mg/kg 2個(gè)鎘處理濃度，加水充分?jǐn)嚢杌靹?，平?周以上。待土壤平衡后，施入復(fù)合改良劑，施用量為0（CK）、600、900、1 200 mg/kg，與鎘污染土壤充分?jǐn)嚢杌靹颉Ｃ颗柚醒b入15 kg土壤，定植黃瓜幼苗。每個(gè)處理3次重復(fù)，常規(guī)栽培管理。

1.3 樣品采集及預(yù)處理

在黃瓜盛果期，采集符合商品要求的成熟黃瓜果實(shí)作為植株樣品。采集黃瓜果實(shí)后，用土鉆取盆內(nèi)0～20 cm表層土壤作為土壤樣品，一部分土樣裝入無菌紙袋，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，研磨過2 mm篩后于4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物分析；另一部分土樣風(fēng)干、粉碎、過篩后用于土壤化學(xué)成分分析。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

采用重鉻酸鉀法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用pH SJ-3F型酸度計(jì)電位法測(cè)定土壤pH[12]水平。

在土壤微生物數(shù)量分析方面，采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌，采用馬丁孟加拉紅-鏈霉素選擇性培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌，采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌，細(xì)菌、真菌和放線菌均采用稀釋平板計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)[13，14]。微生物總量指細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量之和。

黃瓜果實(shí)中鎘含量采用濕法消解-原子吸收石墨爐法測(cè)定，黃瓜果實(shí)維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測(cè)定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定，可滴定酸含量采用酸堿滴定法測(cè)定，粗纖維含量采用重量法測(cè)定，蛋白質(zhì)含量采用凱氏定氮法測(cè)定，可溶性固形物含量采用折光儀法測(cè)定[15]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003軟件處理，并用其制表和繪圖，運(yùn)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤中種植黃瓜后土壤里有機(jī)質(zhì)含量和pH的影響

復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤種植黃瓜后土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH的影響情況見圖1。從圖1-A可知，隨著復(fù)合改良劑施用量的增加，鎘污染的土壤有機(jī)質(zhì)含量均逐漸增加，且均在施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后達(dá)到最大值。與不施用復(fù)合改良劑的對(duì)照相比，2 mg/kg鎘污染的土壤中施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤有機(jī)質(zhì)含量比對(duì)照增加了23.17%，差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；4 mg/kg 鎘污染的土壤中施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤有機(jī)質(zhì)含量比對(duì)照增加了32.89%，差異也達(dá)到顯著水平（P<0.05）。從圖1-B可知，施用復(fù)合改良劑對(duì)2個(gè)鎘污染濃度處理的土壤pH無顯著影響（P>0.05）。

2.2 復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤中種植黃瓜后土壤里微生物的影響

復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤種植黃瓜后土壤里微生物的影響情況見圖2和表1。從圖2和表1可以看出，施用復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染后種植黃瓜的土壤里微生物數(shù)量和組成產(chǎn)生了一定的影響。從種群數(shù)量來看，2個(gè)鎘污染處理的種植黃瓜土壤里微生物數(shù)量均為細(xì)菌>放線菌>真菌，微生物總數(shù)主要受細(xì)菌數(shù)量的影響，它所占的比例最大，而受真菌數(shù)量的影響最小，這與楊濟(jì)龍等[16]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

從圖2還可見，施用復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤種植黃瓜后土壤里細(xì)菌數(shù)量、真菌數(shù)量和微生物總量具有明顯的提升作用（圖2-A、圖2-C、圖2-D），且在施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后細(xì)菌和微生物總量達(dá)到最大值。與不施用復(fù)合改良劑的對(duì)照相比，2 mg/kg鎘污染的土壤在施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤中的細(xì)菌數(shù)量比對(duì)照增加了87.61%，差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；4 mg/kg鎘污染的土壤在施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤中的細(xì)菌數(shù)量比對(duì)照增加了96.02%，差異也達(dá)到顯著水平（P<0.05）。而土壤真菌數(shù)量在施用900 mg/kg復(fù)合改良劑時(shí)達(dá)到最大值（圖2-C），與不施復(fù)合改良劑的對(duì)照相比，在2、4 mg/kg鎘污染的土壤里真菌數(shù)量分別增加了137.50%和106.72%，差異都達(dá)到了顯著水平（P<0.05）。繼續(xù)增加復(fù)合改良劑施用量為1 200 mg/kg后，其真菌數(shù)量反而有所降低。施用復(fù)合改良劑對(duì)2個(gè)鎘污染處理后種植黃瓜的土壤里微生物總量的影響（圖2-D）與細(xì)菌數(shù)量（圖2-A）相似，這是因?yàn)槲⑸锟偭恐饕Q于細(xì)菌數(shù)量的緣故；與不施用復(fù)合改良劑的對(duì)照相比，2 mg/kg鎘污染的土壤中施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤微生物總量增加了59.95%，差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；4 mg/kg鎘污染的土壤中施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤微生物總量增加了55.81%，差異也達(dá)到顯著水平（P<0.05）。與細(xì)菌和真菌不同，施用復(fù)合改良劑可降低2、4 mg/kg鎘污染處理的土壤放線菌數(shù)量（圖2-B），并在施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后土壤放線菌數(shù)量降到最低值，與對(duì)照相比，分別降低了21.76%和30.95%。

2.3 復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤中種植黃瓜的果實(shí)鎘含量影響

復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)鎘含量影響情況見圖3。從圖3可見，黃瓜果實(shí)鎘含量隨著土壤鎘濃度的增加出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，這與劉恩玲等[17]的研究結(jié)果相符。隨著復(fù)合改良劑施用量的增加，2個(gè)鎘污染濃度處理的土壤種植的黃瓜果實(shí)中鎘含量逐漸降低，且均在復(fù)合改良劑施用量為1 200 mg/kg時(shí)降到最低值。與不施用復(fù)合改良劑的對(duì)照相比，2 mg/kg鎘污染的黃瓜果實(shí)中鎘含量降低了31.40%，差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；4 mg/kg鎘污染的黃瓜果實(shí)中鎘含量降低了24.35%，差異也達(dá)到顯著水平（P<0.05）。

2.4 復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤中種植黃瓜的果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)影響

復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)影響情況見圖4。從圖4可見，黃瓜果實(shí)在不施用復(fù)合改良劑的情況下，4 mg/kg鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)中VC、可溶性糖和可溶性固形物含量明顯低于2 mg/kg鎘污染土壤種植的黃瓜（圖4-A、圖4-B、圖4-F）。隨著復(fù)合改良劑施用量的增加，2個(gè)鎘污染濃度處理的土壤種植的黃瓜果實(shí)中VC、可溶性糖和可溶固形物含量均逐漸增加，且均在施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后達(dá)到最大值，與不施用復(fù)合改良劑的對(duì)照相比，2、4 mg/kg鎘污染濃度處理的土壤中種植的黃瓜果實(shí)VC含量分別增加了25.00%和91.42%（圖4-A）、可溶性糖含量分別增加了37.03%和27.06%（圖4-B）、可溶性固形物含量分別增加了14.29%和58.80%（圖4-F），并且都差異顯著（P<0.05）。從圖4-C可見，施用復(fù)合改良劑對(duì)2 mg/kg鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)可滴定酸含量無顯著影響（P>0.05）；但當(dāng)復(fù)合改良劑施用量為1 200 mg/kg后，可顯著提高4 mg/kg鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)可滴定酸含量（P<0.05）。從圖4-D可見，4 mg/kg鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)粗纖維含量明顯高于2 mg/kg鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)；黃瓜果實(shí)粗纖維含量過高，將導(dǎo)致食用口感硬且粗糙，品質(zhì)變差。施用復(fù)合改良劑可以降低2、4 mg/kg鎘污染土壤中種植的黃瓜果實(shí)粗纖維含量，但對(duì)2 mg/kg鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)粗纖維含量降低幅度不顯著（P>0.05）。與不施用復(fù)合改良劑的對(duì)照相比，4 mg/kg鎘污染土壤中施用900 mg/kg改良劑可使黃瓜果實(shí)粗纖維含量降幅最大，降低了21.54%，與對(duì)照差異顯著（P<0.05）。從圖4-E可知，與不施用復(fù)合改良劑的對(duì)照相比，施用復(fù)合改良劑對(duì)2個(gè)鎘污染土壤中種植的黃瓜果實(shí)蛋白質(zhì)含量無顯著影響（P>0.05）。

3 小結(jié)與討論

蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚氖澄铮亟饘傥廴緦?dǎo)致的蔬菜重金屬含量超標(biāo)問題越來越受到人們的關(guān)注。中國土地資源稀缺，不可能將中輕度重金屬污染的土地廢棄，因此在這類土地上應(yīng)盡可能種植可食用部分重金屬積累量較少的蔬菜種類，同時(shí)采取能有效降低土壤重金屬有效性的技術(shù)措施，以保證中輕度重金屬污染土壤生產(chǎn)出的蔬菜具有食用安全性。已有的研究表明，瓜果類蔬菜可食用部分重金屬含量與葉菜、根莖類蔬菜相比相對(duì)較低[1，2，18]。鑒于農(nóng)作物只吸收土壤中的有效態(tài)重金屬而非重金屬全量[19]，而重金屬有效性主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH水平的影響[7，20]，因此目前的重金屬原位化學(xué)修復(fù)法主要是圍繞調(diào)節(jié)重金屬污染土壤的有機(jī)質(zhì)含量和pH而展開的。增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量可以顯著降低鎘、鉛、汞、砷等重金屬的有效性[21-24]，這可能是因?yàn)樵黾拥耐寥烙袡C(jī)質(zhì)可絡(luò)合Pb2+、Cd2+等重金屬離子，增大了其從土壤遷移到作物體內(nèi)的難度[22，24]，從而減少了農(nóng)作物對(duì)其的吸收。本試驗(yàn)結(jié)果表明，2、4 mg/kg鎘污染濃度處理的土壤中施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加了23.17%和32.89%。

影響重金屬有效性的另一個(gè)關(guān)鍵因子是土壤pH。提高土壤pH可促使土壤中的鎘、鉛等重金屬形成氫氧化物或碳酸鹽結(jié)合態(tài)沉淀，降低重金屬遷移性和有效性，降低植物對(duì)重金屬的吸收[7，25]。與之相反，降低土壤pH可導(dǎo)致氫氧化物或碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬的溶解、釋放，并且可增加吸附態(tài)重金屬的釋放，從而會(huì)使植物增加對(duì)重金屬的吸收[26]?？梢?，提高土壤pH有助于降低植物中鎘、鉛等重金屬的含量[5，11]。但本試驗(yàn)土壤為堿性（土壤pH 8.12），進(jìn)一步顯著提升土壤pH將不利于黃瓜的生長，所以結(jié)果中施用復(fù)合改良劑對(duì)2個(gè)鎘污染濃度處理的土壤pH無顯著影響。

土壤微生物是土壤中的活性膠體來源，它們比表面大，帶電荷，代謝活動(dòng)旺盛，可通過生物吸附、絡(luò)合、沉淀、氧化還原等多種方式降低重金屬在土壤中的活性和有效性[16，27]；因此，對(duì)重金屬污染土壤中微生物的研究日益受到關(guān)注，已有研究表明，利用一些微生物特性在重金屬污染土壤中可以擔(dān)當(dāng)指示作用[28]；所以研究復(fù)合改良劑對(duì)土壤微生物數(shù)量和組成的影響，對(duì)于研究該改良劑對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)機(jī)理具有重要意義。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在2、4 mg/kg 鎘污染濃度處理土壤中施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤細(xì)菌數(shù)量分別增加了87.61%和96.02%、微生物總量分別增加了59.95%和55.81%；施用900 mg/kg復(fù)合改良劑后，土壤真菌數(shù)量分別增加了137.50%和106.72%。施用復(fù)合改良劑后，鎘污染土壤的有機(jī)質(zhì)含量增加，這可能是導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量和組成產(chǎn)生變化的重要原因之一[22]。另外，復(fù)合改良劑中所含的微生物生長所需營養(yǎng)也對(duì)鎘污染土壤中的微生物數(shù)量和組成具有調(diào)節(jié)作用。以上結(jié)果說明，試驗(yàn)所采用的復(fù)合改良劑主要是通過提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物數(shù)量來降低土壤鎘的有效性的。另外，復(fù)合改良劑中所含的磷礦粉（氟磷酸鈣）釋放出的磷酸根與Cd2+離子可生成更穩(wěn)定的磷酸鹽重金屬沉淀，這也有助于降低土壤中Cd2+的有效性。試驗(yàn)中，2、4 mg/kg鎘污染濃度處理的土壤中施用1 200 mg/kg復(fù)合改良劑后，黃瓜果實(shí)的鎘含量分別降低了31.40%和24.35%，降幅顯著。

鎘脅迫下，黃瓜根系生長受到抑制[29]、葉綠素含量降低[30]、光合速率下降[30，31]，并會(huì)誘導(dǎo)大量活性氧的產(chǎn)生[32，33]，使黃瓜植株的代謝發(fā)生紊亂、生長受抑，導(dǎo)致其體內(nèi)維生素、糖分和其他物質(zhì)含量都相應(yīng)發(fā)生變化，從而影響黃瓜果實(shí)的品質(zhì)[1]。因此，在重金屬污染改良治理中，土壤改良劑對(duì)植物體內(nèi)營養(yǎng)品質(zhì)的影響也是非常重要的研究?jī)?nèi)容。在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中添加鎘濃度的增加，黃瓜果實(shí)的維生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量降低。而施用復(fù)合改良劑對(duì)鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)具有一定的提升作用，2、4 mg/kg鎘污染濃度處理土壤中施用1 200 mg/kg改良劑后，黃瓜果實(shí)的維生素C含量分別增加了25.00%和91.42%，可溶性糖含量分別增加了37.03%和27.06%，可溶性固形物含量分別增加了14.29%和58.80%。

綜上所述，土壤復(fù)合改良劑可通過提高鎘污染土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物數(shù)量來降低土壤中鎘離子的有效性，從而顯著降低黃瓜果實(shí)對(duì)鎘的積累，并可明顯增加黃瓜果實(shí)的維生素C、可溶性糖、可溶性固形物含量，提升鎘污染土壤種植的黃瓜果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)。因此，土壤復(fù)合改良劑能夠用于重金屬鎘污染土壤的原位修復(fù)。

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