絲瓜與伴礦景天間作對土壤Cd形態(tài)及絲瓜Cd吸收的影響

王京文，蔡梅，鄭潔敏，李丹，王賢波，張奇春*

（1.杭州市植保土肥總站，杭州 310020；2.污染環(huán)境修復與生態(tài)健康教育部重點實驗室（浙江大學），杭州 310058；3.杭州市農業(yè)科學研究院，杭州 310024）

絲瓜與伴礦景天間作對土壤Cd形態(tài)及絲瓜Cd吸收的影響

王京文1，蔡梅2，鄭潔敏3，李丹1，王賢波3，張奇春2*

（1.杭州市植保土肥總站，杭州 310020；2.污染環(huán)境修復與生態(tài)健康教育部重點實驗室（浙江大學），杭州 310058；3.杭州市農業(yè)科學研究院，杭州 310024）

采用盆栽實驗將絲瓜和超積累植物伴礦景天間作于重金屬污染土壤中，并向土壤添加鈣鎂磷肥或向絲瓜根際添加固鎘菌劑，研究間作對土壤Cd的形態(tài)及絲瓜重金屬積累性的影響。結果表明，絲瓜與伴礦景天間作一定程度上減少了絲瓜的結果數量，同時存在增大絲瓜果實中Cd含量的風險；通過施加固鎘菌劑或鈣鎂磷肥增加了絲瓜的結果數，且絲瓜果實中Cd含量均未超過國家標準的限定值。同時，景天和絲瓜對土壤Cd具有移除能力，絲瓜主要表現在莖葉對Cd的吸收，其中重污染土壤中的景天和絲瓜對土壤Cd的移除能力大于低污染土壤種植的景天和絲瓜?？傮w來看，絲瓜與超積累植物伴礦景天間作可用于低污染土壤進行邊修復邊生產。但是，由于存在較高食品安全風險，在間作的同時可采取施固鎘菌劑或鈣鎂磷肥等措施來降低果實部分Cd含量。

伴礦景天；絲瓜；間作；土壤Cd形態(tài)

鎘（Cd）是一種常見的重金屬污染物，具有較強的移動性和生物富集性。據2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示Cd污染物點位超標率達到7.0%。土壤中Cd的形態(tài)有離子態(tài)、可交換態(tài)、吸附態(tài)、化學沉淀態(tài)和難溶絡合態(tài)等，它們隨環(huán)境條件的變動而互相轉化，對作物起危害作用的主要是水溶性和交換態(tài)Cd。Cd活性明顯受酸堿度影響，pH值越高活性越低[1]。土壤中可溶性Cd沿食物鏈逐級往上傳遞，不易隨水移動或生物體分解，在生物體內濃縮放大，最終產生毒性效應，且具有長期性、隱蔽性和不可逆性等特點[2－4]。土壤Cd污染的主要來源是采礦、冶煉、電鍍及基礎化工行業(yè)的廢水、廢渣和廢氣，同時施用含Cd的農藥、化肥以及污泥也是土壤Cd污染的重要來源[5]。

目前，土壤污染治理常用的方法有物理及物理化學法、化學法、生物治理法和農業(yè)治理法[6]。采用生物治理法，不僅成本低廉，也可邊生產邊修復，同時對于環(huán)境的破壞程度較小。伴礦景天（Sedum plumbizincicola）是已被證實的在我國境內生長的Zn和Cd的超富集植物[7]，已被應用到Cd污染土壤的植物修復中[8－10]。但當超積累植物與作物間作時，超積累植物根系分泌物是否會影響作物產量？其對土壤中Cd形態(tài)的影響如何？相關報道鮮見。研究已經表明瓜類為重金屬低積累型蔬菜[13]，如王鋼軍等[14]利用受不同重金屬污染的土壤栽培不同的蔬菜發(fā)現，葉菜類不適宜種植在重金屬污染的土壤上，瓜類相對安全?？墒巢糠諧d的富集能力是葉菜類＞茄果類＞瓜類，普通植物體內Cd分布順序為根＞葉＞莖[15－16]。因此，本文通過盆栽實驗進行絲瓜和超積累植物伴礦景天間作，并向土壤添加鈣鎂磷肥或向絲瓜根際添加固鎘菌劑，研究間作對土壤Cd的形態(tài)及絲瓜重金屬積累性的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自浙江省杭州市郊區(qū)某電鍍廠附近農田。該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.1℃，最熱月為7—8月，最冷月為1月，年均日照時數1 927.7 h，無霜期約231 d，年均降雨量1 441.9 mm。從污染點的農田到距離鍍鋅廠不同距離進行分別采樣作為供試土壤。采樣深度0～20 cm，采多點進行混合，土壤風干后去除草根，過2 mm篩，測定土壤的重金屬含量，結果見表1。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2015年在大棚中開展。選用70 cm× 40 cm×27 cm長形花盆，取T1（離電鍍廠較近點的土壤）和T2（離電鍍廠較遠點的土壤）不同污染程度的土壤分別設置表2各處理，重復三次。

表1 離電鍍廠不同距離土壤的重金屬全量（mg·kg－1）Table 1 Content of heavy metals in soils at different distances from electroplating factory

表2 試驗處理設計Table 2 Different treatments in the experiment

具體做法為：在花盆內裝50 kg風干土并以1 g· kg－1土的量施入三元復合肥（15－15－15）混勻作為基肥。供試蔬菜選擇管理較為粗放、重金屬低積累型的絲瓜（杭州農家品種）。超積累植物伴礦景天采自富陽基地，由中科院與富陽土肥站共同種植，與絲瓜幼苗同時進行移栽。本實驗室在前期已分離獲得固Cd能力達33%的K1菌（Micrococcineae Arthrobacter）[17]作為固鎘菌，將K1菌制成菌懸液（cfu≥108個·mL－1）。在絲瓜營養(yǎng)繁殖期，固鎘菌以菌液的形式直接施加于絲瓜根際土壤表面，每次每株作物施加量為300 mL，每周一次，一共施用8次；鈣鎂磷肥的添加量為4 g· kg－1土，以基肥的形式施入。在生長期間根據需要澆水、搭架子，前期對因病蟲害而死亡的苗及時補苗，中后期發(fā)生病害及時用藥。整個生長期不追肥。在絲瓜開花結果期間進行定期采摘、記錄，試驗結束后，對絲瓜莖葉部和景天地上部的生物量進行收獲，測定各種植物中Cd含量，同時取土分析土壤重金屬含量及形態(tài)。

1.3 測定方法

土壤中重金屬Cd的不同存在形態(tài)（即水溶態(tài)、可交換態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機態(tài)、殘渣態(tài)）采用改進的Tessier多級連續(xù)提取法[18－19]測定；土壤有效態(tài)Cd采用DTPA浸提火焰原子吸收分光光度法。植株重金屬測定：經105℃殺青并于80℃烘干至恒重，經HClO4∶HNO3（優(yōu)級純，V∶V=13∶87）消煮后用ICP－MS測重金屬離子濃度，絲瓜果實Cd濃度分別以鮮重和干重進行計算。Varian 820－MS電感耦合等離子體質譜儀（美國瓦里安公司），配置碰撞/反應接口及ICPMSExpert工作站。選擇土壤標樣作為樣品制備的質量控制標樣，用相同的制備方法處理標樣。每測10個樣品檢測質控樣，以檢驗儀器是否正常，誤差是否在允許范圍內。如果系統(tǒng)誤差在控制范圍之外，儀器須重新標準化，以保證分析數據的可靠與準確。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤中Cd濃度和形態(tài)的影響

從圖1可以看出，試驗前T1土壤的有效態(tài)Cd的含量明顯高于T2土壤，但T1土壤有效態(tài)Cd含量變異較大。通過不同的絲瓜間作處理之后，土壤中的有效態(tài)Cd含量有不同程度的降低，土壤中Cd有效態(tài)減少率范圍在20%～80%之間（圖2）。從圖2可以看出，各個處理對土壤有效態(tài)Cd的減少率T1土壤明顯高于T2土壤，說明污染較嚴重的土壤中Cd有效態(tài)減少率相對更高。從各處理來看，不管是T1還是T2土壤，絲瓜單作（S處理）對Cd有效態(tài)減少率最低；T1土壤添加固鎘菌的絲瓜和景天間作處理（SJ+ B）的土壤Cd有效態(tài)減少率高達80%以上，說明工程菌通過對土壤有效態(tài)Cd進行吸附并鈍化，減少了土壤中有效態(tài)Cd的含量。相比SJ處理，SJ+F處理土壤中Cd有效態(tài)減少率增加了50%。

圖1 處理前供試土壤中Cd有效態(tài)含量Figure 1 Available content of Cd in soil before

圖2 處理后土壤中Cd有效態(tài)的減少率Figure 2 Decrease rate of available Cd in soil after different treatments

表3 處理后土壤中各Cd形態(tài)占總Cd量（%）Table 3 Total cadmium content in different Cd forms in soil after different treatments

由表3可見，不同處理后土壤中Cd的存在形態(tài)明顯不同。各處理土壤重金屬Cd各形態(tài)大多表現為鐵錳氧化物結合態(tài)＞殘渣態(tài)＞可交換態(tài)＞有機態(tài)＞水溶態(tài)。T1中S和J的土壤中Cd可交換態(tài)含量僅低于鐵錳氧化物結合態(tài)，在絲瓜與景天間作、添加固鎘菌和鈣鎂磷肥后，土壤中Cd殘渣態(tài)含量增加，可交換態(tài)含量降低；T2中SJ+B和SJ+F的土壤中殘渣態(tài)Cd含量分別為2.70%和8.55%，低于同組的S、J，但鐵錳氧化物結合態(tài)Cd含量很高。不管是T1還是T2土壤，相比SJ，經過添加菌液或鈣鎂磷肥的絲瓜與伴礦景天間作后，發(fā)現土壤中Cd鐵錳氧化物結合態(tài)比例增加，而有機態(tài)明顯減少，說明菌液和鈣鎂磷肥一樣可使土壤中有效態(tài)Cd向難溶態(tài)Cd轉化。這可能就是引起土壤Cd有效態(tài)去除的主要原因。

2.2 不同處理對絲瓜結果率的影響

各處理的絲瓜果實數見圖3，不同處理對絲瓜的果實數量影響十分明顯。在T1、T2的S處理中，T1的絲瓜果實數量明顯小于T2，說明土壤嚴重Cd污染會影響絲瓜的果實數量。T1土壤中，與S相比，其他處理絲瓜的果實數量均有增加，其中絲瓜植株土壤表面施加固鎘菌液后絲瓜果實數量增加最多，與S和SJ處理達到極顯著性差異（P<0.01）；T2土壤中，與其他處理相比，SJ不同程度地降低了絲瓜的果實數量。無論T1、T2，添加鈣鎂磷肥使絲瓜果實數量增多，但在Cd污染程度低的土壤中絲瓜果實數增加的更多。

圖3 不同處理的絲瓜果實數Figure 3 The number of Luffa cylindrica in different treatments

2.3 不同處理對絲瓜吸收Cd的影響

不同處理后絲瓜果實中Cd含量列于表4和表5。在T2土壤中種植的絲瓜果實中，Cd含量平均值為0.146 mg·kg-1，最高值為0.227 mg·kg-1，最低值為0.051 mg·kg-1；T1土壤中種植的絲瓜果實中，Cd含量平均值為0.277 mg·kg-1，最高值為0.411 mg·kg-1，最低值為0.087 mg·kg-1。根據試驗測定，絲瓜果實的平均含水量為93.2%，因此T2和T1的絲瓜果實中Cd平均含量分別為0.009 92 mg·kg-1FW和0.018 89 mg·kg-1FW。土壤Cd污染較嚴重的土壤，施加固鎘菌和鈣鎂磷肥可降低絲瓜果實中Cd含量，在Cd污染較輕的土壤中，施加固鎘菌和鈣鎂磷肥反而具有增加瓜果實中Cd含量的風險。

表4 T1和T2土壤中絲瓜果實Cd濃度（mg·kg-1）Table 4 The concentration of Cd in Luffa cylindrical fruits

表5 各處理絲瓜果實Cd濃度Table 5 The concentration of Cd in Luffa cylindrical fruits in different treatments

為了解絲瓜植株對土壤中Cd的去除能力，分別對CK、T1和T2土壤中的絲瓜單作處理的所有植株地上部分進行混合，測定地上部莖葉Cd濃度。絲瓜地上部Cd濃度及其對土壤中Cd去除能力見表6。絲瓜地上部（包括莖葉）Cd濃度與土壤中有效態(tài)Cd濃度相關，在T1土壤中生長的絲瓜地上部Cd含量是T2土壤中絲瓜的近4倍。相對于表4，絲瓜莖葉中Cd濃度高于其果實。本試驗中，絲瓜地上部對土壤T2和T1中Cd去除量分別為0.181、0.528 mg·株-1。

表6 絲瓜地上部Cd濃度及其對土壤中Cd的去除能力Table 6 The Cd concentration in Luffa cylindrical shoot and its Cd decrease rate from soil

已有研究表明，植物中Cd含量與土壤中有效態(tài)重金屬相關[20-21]。由于供試土壤取自污染點的土壤，其中Cd含量各異，為了便于比較，將“果實中Cd含量與土壤中Cd有效態(tài)含量的比例”定義為絲瓜果實對土壤中有效態(tài)Cd的轉移率，以此來比較各種處理對絲瓜果實中Cd吸收量的影響（圖4）。在土壤有效態(tài)Cd較低（T2）時，相對于絲瓜單作，間作、間作施加微生物或鈣鎂磷肥處理中絲瓜果實中的Cd轉移率差別不大；但是在土壤有效態(tài)Cd含量較高（T1）時，絲瓜與景天間作大幅增加了絲瓜對Cd的轉移率，轉移率達到40.5%。有研究表明土壤中活性態(tài)Cd含量越高，植物吸收量越大[21-22]，可見受污染土壤Cd的賦存形態(tài)與生物有效性密切相關。本研究表明絲瓜與伴礦景天間作存在增加絲瓜果實Cd含量的風險，說明在污染土壤中應用超富集植物和農作物間作的方法進行邊修復邊生產存在較高食品安全風險，必須在間作的同時，采取相應措施降低農作物中Cd濃度。

圖4 不同處理絲瓜果實吸收土壤中有效態(tài)Cd的對比Figure 4 Effect of available Cd in soil of different treatments on the absorption of Luffa cylindrica

2.4 不同處理對伴礦景天吸收Cd的影響

不同處理后伴礦景天地上部Cd含量列于表7。伴礦景天地上部對Cd具有較強的吸收能力，T1中J處理其地上部Cd含量最高，平均值達到64.4 mg·kg-1DW，遠超過絲瓜果實中含量最高值0.41 mg·kg-1DW和絲瓜地上部含量最高值1.93 mg·kg-1DW。間作會減少伴礦景天地上部Cd含量，施加鈣鎂磷肥后伴礦景天地上部Cd含量最高減少了44.0 mg·kg-1。土壤中有效態(tài)Cd含量對伴礦景天地上部吸收Cd影響很大，如T2土壤中Cd有效態(tài)為0.69 mg·kg-1時，J伴礦景天地上部Cd含量為8.08 mg·kg-1；而當T1土壤中Cd有效態(tài)為1.74 mg·kg-1時，J伴礦景天地上部Cd含量上升為64.4 mg·kg-1，兩種土壤其他處理呈現相同的現象，表明伴礦景天對土壤中Cd具有主動富集的能力。

表7 景天地上部Cd濃度及其對土壤中Cd的去除能力Table 7 The Cd concentration in Sedum plumbizincicola shoot and its Cd removal rate from soil

3 討論

本研究表明，絲瓜-伴礦景天間作與單作相比明顯增加了絲瓜對Cd的轉移率，同時增大了絲瓜果實中Cd含量風險，雖然經測試所收獲的絲瓜果實中Cd的含量均未超過國標的限定值，但是應引起重視。已有研究表明，超積累植物根系分泌的脂肪酸在根際環(huán)境中的積累，尤其是在還原條件下的積累會造成局部土壤酸性環(huán)境，可以將土壤中重金屬從難溶態(tài)轉化為有效態(tài)[11-12]。因此，本項中絲瓜果實中Cd含量風險的增加，很有可能是因為超積累植物與作物間作時超積累植物根系分泌物造成的酸性環(huán)境形成的。

目前，重金屬的修復方法主要有化學修復、生物修復和動物修復[23]。微生物特別是細菌，數量眾多、比表面積大、帶電、代謝活動旺盛，耐Cd微生物在修復被重金屬污染的土壤方面具有獨特的作用，可以通過吸附和累積重金屬降低土壤中重金屬的毒性，并以此來凈化有毒金屬污染或回收有經濟價值的金屬[24]。隨著肥料在重金屬污染土壤上的應用，鈣鎂磷肥已成為重要的土壤改良劑。陳曉婷等[25]對重金屬污染土壤上生長的小白菜研究發(fā)現，在重金屬脅迫下，施用鈣鎂磷肥可降低重金屬對小白菜的毒害作用，使小白菜生長發(fā)育增加，并且顯著抑制了重金屬Cd和Pb等元素向地上葉片部分的遷移。本研究中添加固鎘菌的絲瓜和伴礦景天間作處理土壤有效態(tài)Cd降低率高達80%以上，說明本研究應用的工程菌對土壤有效態(tài)Cd進行了吸附并鈍化，減少了土壤中有效態(tài)Cd濃度；添加鈣鎂磷肥處理使土壤中有效態(tài)Cd減少率增加了50%，說明鈣鎂磷肥在一定程度上也降低了土壤中有效態(tài)Cd[26-28]。雖然本研究發(fā)現伴礦景天間作可增加絲瓜Cd含量風險，但卻增加了絲瓜的結果數量，這可能是超積累植物根系分泌的氨基酸等有機物被土壤微生物利用后活性增加從而促進土壤養(yǎng)分轉化、進而增加作物產量引起的。同時本研究表明，菌劑和鈣鎂磷肥的添加進一步促進了絲瓜結果的數量[29]。

以GB 2762—2012《食品中污染物限量》的規(guī)定，新鮮蔬菜中Cd的限量為0.05 mg·kg-1FW。根據試驗測定，絲瓜果實的平均含水量為93.2%，因此T2和T1的絲瓜果實中Cd平均含量分別為0.010 mg·kg-1FW和0.019 mg·kg-1FW，所收獲的絲瓜果實Cd濃度均未超過國標限定值。這一結論與所報道的絲瓜是一種Cd低積累蔬菜相吻合[30]，即使污染點的土壤已經超過國家土壤環(huán)境質量標準，但在絲瓜果實中所含有的Cd仍未超過國標食品中污染物限值。分析其中的原因，可能由于植物本能地盡可能少地將有毒物質運送到果實和種子，以保證繁殖，這種現象已有諸多報道[31-32]。

4 結論

本研究表明絲瓜與伴礦景天間作系統(tǒng)存在增加絲瓜果實Cd濃度的風險，但通過向絲瓜根際添加固鎘菌或施加鈣鎂磷肥并進行間作可使土壤Cd有效態(tài)含量降低，而且添加固鎘菌和施加鈣鎂磷肥可顯著增加絲瓜結實數量，因此絲瓜與超積累植物伴礦景天間作可用于低污染土壤進行邊修復邊生產。但鑒于存在較高食品安全風險，在間作的同時可采取施固鎘菌劑或鈣鎂磷肥等措施來降低果實部分Cd含量。

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Investigating the intercropping effects of Sedum plumbizincicola and Luffa cylindrical on soil cadmium fractions and cadmium uptake by Luffa cylindrical

WANG Jing-wen1,CAI Mei2,ZHENG Jie-min3,LI Dan1,WANG Xian-bo3,ZHANG Qi-chun2*
（1.Plant Protection Station of Hangzhou city,Hangzhou 310020,China;2.Key Laboratory of Environment Remediation and Ecological Health（Zhejiang University）,Ministry of Education,Hangzhou 310058,China;3.Academy of Agricultural Sciences in Hangzhou,Hangzhou 310024, China）

Natural occurring processes particularly human activities contribute to release heavy metals in the environment.Cadmium（Cd）is a widespread heavy metal now,released into the environment through various activities.Cadmium uptake by crops is a serious concern because of its potential toxicity to humans.A pot experiment was conducted to investigate the effects of Luffa cylindrica intercropped with zinc/ cadmium hyperaccumulator Sedum plumbizincicola,calcium magnesium phosphate was added,and immobilized cadmium bacteria were inoculated,the soil Cd fractions and Luffa cylindrica′s heavy metal accumulation in polluted soil were studied.The results showed that the fruit number was reduced and Cd concentration was increased in the treatment of Luffa cylindrica and Sedum plumbizincicola intercropping, while the fruit number was increased by inoculation with cadmium stabilizing bacteria or addition of calcium magnesium phosphate,more over the Cd concentrations in fruit of Luffa cylindrica didn′t exceed the national standard.Furthermore,Sedum plumbizincicola and Luffa were found to have strong extraction ability of Cd.In heavily polluted soil,Luffa had higher ability of Cd removal than in the lightly polluted soil.Therefore,Luffa cylindrica and hyperaccumulator Sedum plumbizincicola intercropping assisted by immobilized cadmium bacteria or calcium magnesium can be used for remediation and production in lightly contaminated soil to reduce Cd contents in edible part of crops.

Sedum plumbizincicola;Luffa cylindrical;intercropping;soil cadmium fractions

X153

A

1672-2043（2016）12-2292-07

10.11654/jaes.2016-0825

王京文，蔡梅，鄭潔敏，等.絲瓜與伴礦景天間作對土壤Cd形態(tài)及絲瓜Cd吸收的影響[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2016,35（12）：2292-2298.

WANG Jing-wen,CAI Mei,ZHENG Jie-min,et al.Investigating the intercropping effects of Sedum plumbizincicola and Luffa cylindrical on soil cadmium fractions and cadmium uptake by Luffa cylindrical[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（12）:2292-2298.

2016－06－20

杭州市科技項目（20140533B03，20140533B10）；國家重點研發(fā)項目（2016YFD0801100）；國家自然科學基金項目（41401266）

王京文（1974—），女，山東淄博人，碩士研究生，從事土壤污染生態(tài)研究。E－mail：wjingwen＠hz．cn

*通信作者：張奇春E－mail：qczhang＠zju．edu．cn