覆膜對伴礦景天生長和吸鎘動態(tài)影響研究

殷志遙，和君強，秦 華，劉代歡，*，鄧 林，常海偉，桂 娟，李 柱，周 通

（1.永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410330；2.農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室，南京 210008）

現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展以及人類對礦產(chǎn)資源的不合理開發(fā)利用，使得土壤重金屬污染成為當(dāng)今社會主要的環(huán)境問題之一，其中以鎘污染相對較為嚴(yán)重[1-3]。鎘是常見的重金屬“五毒”元素之一，在自然界中，土壤鎘污染具有分解周期長、移動性大、毒性高、難降解等特點，容易通過食物鏈在生物體內(nèi)富集，最終被人體吸收而危害健康[4]。

目前修復(fù)土壤重金屬污染的主要技術(shù)有物理、化學(xué)以及生物修復(fù)技術(shù)（主要包括植物修復(fù)、動物修復(fù)以及農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)等）。其中植物修復(fù)技術(shù)通過吸收、揮發(fā)、根濾、降解、穩(wěn)定等作用，可以有效降低土壤鎘污染環(huán)境風(fēng)險，是目前被社會上廣泛關(guān)注的綠色環(huán)保、無二次污染的熱點技術(shù)[5-6]。但目前植物修復(fù)技術(shù)在土壤重金屬修復(fù)治理過程中也存在一些問題，如有些重金屬的生物有效性低，部分超積累植物生長速度慢、生物量低、修復(fù)周期長等[7]。

相關(guān)研究表明，伴礦景天（Sedum plumbizincicola）是一種生物量大、生長速度快、富集效果好的鎘鋅超積累植物[8]。研究者對伴礦景天的重金屬耐性與積累性、農(nóng)藝措施和外界環(huán)境因素對其生長和重金屬吸收的調(diào)控作用及原理等方面作了系統(tǒng)的研究[9]。居述云等[10]研究表明，單作伴礦景天一年的土壤降鎘率能達(dá)到42%。李思亮等[11]發(fā)現(xiàn)伴礦景天新葉中鎘的濃度（69.9±10.5 mg·kg-1）是成熟葉中的（22.3±2.5 mg·kg-1）3.1倍。在伴礦景天的野外種植過程中，適當(dāng)增大種植密度可促進(jìn)伴礦景天的生長，顯著提高地上部生物量，但過分密植則效果不明顯[12]。在施肥處理上，增施氮肥是伴礦景天地上部干物質(zhì)生物量增加的主要原因，而增施鉀肥是增加地上部鎘濃度和吸收量的主要影響因素[13]。土壤水分特征方面，土壤的水分狀況對于伴礦景天吸取修復(fù)重金屬也起到重要作用，其中當(dāng)最大田間持水量在70%時，伴礦景天生長最好[14]。李娜等[15]研究表明，一定程度上降低光照強度并不會影響伴礦景天的生長和對鋅、鎘的吸收，但過度的庇蔭和減弱光強會使伴礦景天的干物質(zhì)生物量急劇降低。此外，在伴礦景天和經(jīng)濟作物間作對鋅、鎘吸收效果的影響等方面相關(guān)研究者也做了相應(yīng)研究[16-18]。

伴礦景天在鎘、鋅污染土壤的修復(fù)治理方面具有廣泛的應(yīng)用前景，但目前針對伴礦景天在田間不同生長時期其生物量及鎘吸收效果的動態(tài)變化研究比較少，實際工程應(yīng)用及各生育期的管理過程通常不容易把控。壟上覆膜是土壤保水、保墑以及雜草控制的一種重要農(nóng)藝措施[19]。Wang等[20]研究表明，相較于未覆膜，覆膜處理能顯著增加玉米的籽粒產(chǎn)量以及地上部生物量（增幅分別達(dá)到30%～107%和37%～69%）。對于超積累植物而言，生物量的增加對鎘吸收效果也會產(chǎn)生一定的影響。而有關(guān)覆膜對不同生育期伴礦景天生長及其鎘吸收效果的研究目前還相對較少。因此，本文以湖南省某休耕地作為試驗點，在覆膜和未覆膜兩種處理下，通過連續(xù)監(jiān)測伴礦景天在不同時間段內(nèi)的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、單株鎘濃度的變化，探討伴礦景天生長及鎘吸收效果的動態(tài)變化以及覆膜對其變化的影響，為伴礦景天在土壤鎘污染修復(fù)的實際應(yīng)用及管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本次試驗區(qū)域設(shè)在湖南省某休耕區(qū)，該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候。年均氣溫18℃左右，年平均無霜期288 d左右，年平均日照1500～1910 h，年平均降水量在1300～1600 mm之間，土壤類型屬于紫泥土。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)兩個小區(qū)，每個小區(qū)的面積為666.7 m2。小區(qū)A壟上覆黑膜（FM），小區(qū)B壟上不覆膜（NFM）。兩小區(qū)的土壤基本性質(zhì)如表1所示。伴礦景天于2017年10月中旬種植，種植方式為扦插繁殖，選取長勢一致的植株進(jìn)行移栽，苗源來自中國科學(xué)院南京土壤研究所農(nóng)田土壤污染控制與修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室，為同一批次刈割種苗。種植密度為15 cm×20 cm，即約30萬株·hm-2。保持田間水量充足，并定時施肥、除草。為保證伴礦景天安全度冬、度夏以及減小溫度對伴礦景天生長的影響，分別在2017年12月—2018年2月及2018年5—6月搭建溫室大棚和遮陽網(wǎng)。

表1 試驗小區(qū)土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of soil in test plot

2017年12月—2018年2月溫室大棚內(nèi)溫度及濕度采用溫濕度計測定，當(dāng)月的溫度及濕度取平均值，如表2所示。

1.3 取樣與分析

在移栽前測定刈割種苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和鎘濃度（隨機采集10株），并在種植后的第30、63、108、157、214 d（部分已開花）和240 d（已全面開花）采集各小區(qū)伴礦景天地上部植株以及土壤樣品。每個小區(qū)采用網(wǎng)格采樣法采集伴礦景天及0～20 cm土層土壤樣品各6個，其中所取土樣為非根際土壤。植物樣先去除表面泥土，稱量鮮質(zhì)量，然后用自來水和去離子水洗凈、殺青、烘干、稱質(zhì)量、粉碎。土壤樣品混合均勻后風(fēng)干、研磨、過篩（20目和100目）、混勻備用。

土壤樣品全鎘用HNO3-HClO4-HF消煮，有效態(tài)鎘用0.1 mol·L-1的CaCl2浸提，采用石墨爐測定。植物樣品鎘含量用HNO3-HClO4浸提，采用ICP-MS測定。測定過程中分別以國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)（土壤：GBW 07401；植物：GBW 07603）進(jìn)行質(zhì)量控制，所用試劑均為優(yōu)級純，標(biāo)準(zhǔn)樣品測定結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

每公頃凈吸鎘量=（單株鎘濃度×單株干質(zhì)量-移栽前單株鎘濃度×移栽前單株干質(zhì)量）×每公頃的株數(shù)。移栽前單株鎘濃度和干質(zhì)量分別為118±10.52 mg·kg-1和1.02±0.14 g。

對于已經(jīng)被化學(xué)腐蝕的樣品，其物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，應(yīng)盡量選取未被污染的部位進(jìn)行檢驗，否則會對實驗結(jié)果帶來一定的干擾。

某一時間段內(nèi)的凈吸鎘量（g·hm-2）=當(dāng)前時間段伴礦景天的總吸鎘量（g·hm-2）-上一個時間段的總吸鎘量（g·hm-2）

日平均吸鎘速率（g·hm-2·d-1）=某時間段內(nèi)的凈吸鎘量（g·hm-2）/此時間段內(nèi)的總天數(shù)（d）

生物量日平均增長量=此時間段內(nèi)的生物量增加量（g）/此時間段內(nèi)的總天數(shù)（d）

土壤降鎘率=[修復(fù)前土壤全鎘濃度（mg·kg-1）-修復(fù)后土壤全鎘濃度（mg·kg-1）]/修復(fù)前土壤全鎘濃度（mg·kg-1）×100%

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對伴礦景天生長的影響

從圖1可以看出，在整個試驗周期內(nèi)（0～240 d），伴礦景天的單株鮮質(zhì)量與干質(zhì)量的變化趨勢相似。在0～108 d范圍內(nèi)FM和NFM兩種處理的單株鮮質(zhì)量分別增加了720.19%和730.77%，干質(zhì)量分別增加了662.75%和664.71%，但兩種處理間的差異不顯著。而在157～240 d范圍內(nèi)，F(xiàn)M處理伴礦景天的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量要顯著高于NFM處理。截止到240 d時，F(xiàn)M處理下伴礦景天的單株干質(zhì)量為26.32 g，地上部干物質(zhì)生物量約7.90 t·hm-2；而NFM處理的單株干質(zhì)量為21.01 g，地上部干物質(zhì)生物量約6.30 t·hm-2。說明相較于NFM處理，F(xiàn)M處理能顯著提高伴礦景天地上部干物質(zhì)生物量（增幅為25.40%）。

在0～108 d范圍內(nèi)，生物量整體呈一定的線性增長（R2=0.969 6～0.993 5），其中FM和NFM處理下的單株鮮質(zhì)量日均增長量分別為0.70 g·d-1和0.69 g·d-1，干質(zhì)量日均增長量均為0.06 g·d-1。在108～240 d范圍內(nèi)生物量則呈S型曲線增長，其中在157～214 d范圍內(nèi)的增長速度最快（此時間段FM和NFM處理的單株鮮質(zhì)量日均增長量分別為3.92 g·d-1和3.25 g·d-1，干質(zhì)量日均增長量分別為0.23 g·d-1和0.17 g·d-1），遠(yuǎn)高于其他時期（圖2）。此外，伴礦景天的含水率在FM（90.2%～93.2%，均 值 91.6%）和 NFM（90.2%～93.6%，均值91.9%）處理下均呈先增加（0～30 d）后降低再增加的變化趨勢，且在240 d時含水率達(dá)到最高，分別為93.2%和93.6%。

表2 冬季溫室大棚內(nèi)平均溫度及濕度Table 2 Average temperature and humidity in greenhouses in winter

2.2 覆膜對伴礦景天吸鎘的影響

在整個試驗周期內(nèi)（0～240 d），伴礦景天的吸鎘量隨著時間的延長整體呈逐步增加的趨勢，其中吸鎘量最多的時間段主要集中于30～63 d（FM和NFM處理凈吸鎘量分別為 119.58 g和 102.31 g），63～108 d（FM和NFM分別為95.11 g和96.65 g）以及157～214 d（FM和NFM分別為142.87 g和114.89 g），而108～157 d范圍內(nèi)的吸鎘量相較于這3個時間段較低（圖3）。單株伴礦景天的地上部鎘濃度呈現(xiàn)先降低后升高再降低的變化趨勢（圖3）。在0～30 d范圍內(nèi)，兩種處理下的伴礦景天單株鎘濃度均有一定程度的降低，其中FM處理降低了41.80%，NFM處理降低了49.32%。而在30～63 d范圍內(nèi)，F(xiàn)M和NFM兩種處理下的單株鎘濃度相較于0～30 d分別增加了93.75%和109.33%。63～240 d范圍內(nèi)的單株景天鎘濃度則逐漸降低。造成這種變化的差異可能是因為除了30～63 d時間段內(nèi)吸鎘量的增長幅度（FM和NFM處理分別為440.52%和1 334.68%）遠(yuǎn)高于生物量的增長幅度（FM和NFM分別為59.43%和40.19%）外，其他時間段內(nèi)的鎘吸收量增長幅度均小于生物量的增長幅度（表3）。

圖1 伴礦景天單株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的動態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of fresh weight and dry weight by per Sedum plumbizincicola

圖2 不同時期單株伴礦景天生物量的日均增長量Figure 2 Average daily growth of biomass in different periods by per Sedum plumbizincicola

相較于NFM處理，F(xiàn)M處理顯著增加了伴礦景天的吸鎘量，截止到240 d時，顯著增加了35.53%，且日平均吸鎘速率也顯著增長了38.52%（圖4）。其中伴礦景天在NFM處理修復(fù)157 d及240 d后，其累積吸鎘量分別為208.51 g·hm-2和329.85 g·hm-2，而FM處理達(dá)到此效果分別僅需80～90 d和170～180 d。說明壟上覆膜對于伴礦景天的吸鎘效果有一定程度的促進(jìn)作用。單株伴礦景天的鎘濃度除了第30、108、157 d時表現(xiàn)為FM處理顯著高于NFM處理外，其余均無顯著差異。

從圖4可以看出，30～63 d的日平均吸鎘量最高，F(xiàn)M和NFM處理分別為3.62 g·hm-2·d-1和3.10 g·hm-2·d-1，表明此時間段吸鎘效果相對最好。最低則主要集中于0～30 d（FM和NFM處理凈吸鎘量分別為27.15 g和7.67 g，日平均吸鎘量分別為0.90 g·hm-2·d-1和0.26 g·hm-2·d-1）和214～240 d（FM和NFM處理凈吸鎘量分別為5.10 g和6.45 g，日平均吸鎘量分別為0.20 g·hm-2·d-1和0.25 g·hm-2·d-1）范圍內(nèi)。

2.3 土壤鎘含量的變化

如圖5所示，土壤全鎘含量整體呈逐漸降低的趨勢，其中30～63 d（FM和NFM處理的全鎘含量分別降低了 0.05 mg·kg-1和 0.02 mg·kg-1）以及 157～240 d范圍內(nèi)（全鎘含量均降低了0.07 mg·kg-1）的土壤降鎘效果相對較好。在0～30 d和63～157 d范圍內(nèi)，兩種處理的土壤全鎘含量降低效果不明顯。經(jīng)過240 d的植物修復(fù)后，F(xiàn)M處理的土壤降鎘率為16.18%，顯著高于（P＜0.05）NFM處理（12.16%）。說明覆膜能顯著提高伴礦景天的鎘修復(fù)效果。

表3 不同時間段內(nèi)Cd吸收及干質(zhì)量增長幅度（%）Table 3 Growth range of Cd uptake and dry weight in different time periods（%）

圖4 不同時期伴礦景天的日平均吸鎘量Figure 4 Daily average cadmium absorption at different time periods by Sedum plumbizincicola

土壤有效鎘的變化趨勢與全鎘有較大差異。在0～63 d范圍內(nèi)，土壤有效鎘顯著降低（P＜0.05），其中FM和NFM處理的降幅分別為10.71%和8.47%，而在63～240 d范圍內(nèi)的變化兩種處理有一定的差異。反映出土壤中有效鎘含量處于一種被吸收以及活化的動態(tài)過程。截止到240 d，F(xiàn)M和NFM處理的土壤速效鎘含量分別降低了55.36%和49.15%。

圖3 伴礦景天吸鎘量及單株鎘濃度的動態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of cadmium uptake and cadmium concentration by per Sedum plumbizincicola

圖5 土壤鎘含量的動態(tài)變化Figure 5 Dynamic changes in soil cadmium content

此外，有效鎘占全鎘的比例變化與有效鎘含量相似，也是呈現(xiàn)先降低后升高再降低的波動（FM處理的變化范圍為43.75%～82.35%，NFM處理為38.36%～79.73%）。240 d時，F(xiàn)M和NFM處理的土壤速效鎘占全鎘的比例分別為43.86%和46.15%，相較于第0 d（FM和NFM處理分別為82.35%和79.73%）分別降低了46.74%和42.11%。

3 討論

重金屬要被植物吸收，首先要與根細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)合，然后通過質(zhì)外體或者共質(zhì)體等途徑向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，在移栽初期的0～30 d內(nèi)，伴礦景天的吸鎘效果較差（FM和NFM處理的日均吸鎘量分別為 0.90 g·hm-2·d-1和 0.26 g·hm-2·d-1），且地上部的鎘濃度相較于移栽前有顯著降低，主要是由于伴礦景天在0～30 d內(nèi)處于生根階段，此階段的根系對鎘的吸收與轉(zhuǎn)運能力相對較弱，使得伴礦景天地上部鎘濃度一定程度被稀釋。杜菡影[22]通過超積累型東南景天與非耐受型東南景天相互嫁接的研究表明，根對超積累型東南景天耐受與富集鎘具有主導(dǎo)作用，而地上部分對鎘的高效轉(zhuǎn)運也是東南景天超富集鎘的一個重要因素。生根過程完成后，隨著生物量的增長，伴礦景天的吸鎘量逐漸增加。唐希望等[23]研究表明，植株地上部鎘濃度的變化與地上部生物量的變化高度相關(guān)。鎘被植物根系吸收向地上部轉(zhuǎn)移時，會在各組織器官間分配轉(zhuǎn)移，因此伴礦景天在生長過程中分枝數(shù)量及生物量的增加對于地上部鎘濃度有顯著影響[24]。生育后期伴礦景天開花后，其生物量以及吸鎘量的增加速度逐漸降低，一方面可能是由于伴礦景天在開花后各方面的生理機能有一定程度下降，另一方面則可能是由于夏天的高溫氣候?qū)Π榈V景天的生長及鎘的吸收有一定負(fù)面的影響。

植物的生長發(fā)育及產(chǎn)量的形成不是某單一因素影響的結(jié)果，而是受各生態(tài)因素綜合作用的影響[25]。本研究表明，相對于NFM處理，F(xiàn)M處理能顯著提高伴礦景天地上部干物質(zhì)生物量、吸鎘量以及土壤降鎘率。這可能是由于覆膜阻擋了水分的垂直蒸發(fā)，阻斷了近地面層與大氣之間的氣流交換，增大了光熱交換阻力，使膜內(nèi)土壤溫、光、水、肥、氣等條件發(fā)生了變化，從而影響了伴礦景天的生長及鎘吸收[26]。韓秀鋒等[27]研究表明，相對于NFM處理，壟上覆黑膜能顯著增加土壤含水量（增幅為46.04%），適當(dāng)增溫（增加了1.2℃），有效抑制雜草生長（雜草數(shù)量降低了63.46%），顯著增加作物的株高、主莖數(shù)及產(chǎn)量（增產(chǎn)23.46%）。陳登峰等[28]研究也表明，薄膜覆蓋增加了0～25 cm土層的土壤溫度（日均地溫最大可提高5.33℃，空氣溫度最大可提高0.34℃），降低空氣濕度（最低可低2.35%），增加土壤含水率（最大增幅可達(dá)46.65%），且土壤溫度越高，根系呼吸速率越大，這有利于改善植物的生長和光合作用，從而使得植株的鮮質(zhì)量以及干質(zhì)量增加。在本研究中，F(xiàn)M處理下雜草多集中于種植穴附近或地膜破損裸露處等，數(shù)量顯著低于NFM處理（雜草數(shù)量降低了80%～90%）。壟上覆膜阻礙了膜下雜草進(jìn)行光合作用，使其長期處于養(yǎng)分缺乏狀態(tài)，抑制了雜草的生長，從而降低了與伴礦景天之間的競爭[29]。也有研究表明，土壤理化性質(zhì)的改變對土壤鎘的生物有效性、植物根系的生長以及對鎘的吸收會產(chǎn)生一定的影響[30-31]。綜合來看，壟上覆膜對于伴礦景天的生長以及鎘修復(fù)效果均有一定的積極意義。

4 結(jié)論

（1）伴礦景天的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量在10月移栽后的第4～7個月之間增長速度最快，移栽初期和生育后期相對較慢。

（2）伴礦景天在10月移栽后的2～7個月之間是主要的吸鎘時期，其中第2～4個月的吸鎘效果最好。最差為移栽后的第一個月內(nèi)和臨近開花前后。

（3）相對于NFM處理，F(xiàn)M能顯著提高伴礦景天地上部干物質(zhì)生物量（增幅為25.40%），吸鎘量（增幅為35.52%），以及土壤降鎘率（增幅為33.06%）。