綠肥作物礦化分解對(duì)土壤鎘有效性的影響研究進(jìn)展

呂本春，付利波，湛方棟，楊志新*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205）

鎘（Cd）是植物體內(nèi)非必需金屬元素，具有很強(qiáng)的毒性。全球土壤中Cd的背景含量為0.01～2.00 mg·kg-1，中位數(shù)為0.35 mg·kg-1[1]。土壤Cd 向植物的轉(zhuǎn)移是土壤污染的主要暴露途徑，即使是極低濃度的Cd也會(huì)形成對(duì)植物、動(dòng)物和人類(lèi)有害的高生態(tài)毒性[2]。當(dāng)Cd 進(jìn)入植物體內(nèi)并積累至一定濃度時(shí)，會(huì)傷害植物的礦物營(yíng)養(yǎng)吸收系統(tǒng)，對(duì)Ca、Mg、Fe 等礦物代謝起拮抗作用，使植株矮小，葉片枯黃，產(chǎn)量降低，甚至?xí)?dǎo)致植物死亡[3]。土壤中Cd 的活性及其生物有效性不僅與Cd 總量有關(guān)，更大程度上取決于Cd 的有效態(tài)含量[4]。施加有機(jī)肥可以增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，但是土壤中有機(jī)質(zhì)的增加并不一定總是能夠降低土壤中重金屬的活性，這是由于土壤中重金屬的活性除了受到土壤中有機(jī)質(zhì)的影響外，還與土壤pH、交換性陽(yáng)離子、氧化還原電位和鐵錳氧化物等因素有關(guān)。

綠肥是最清潔的有機(jī)肥資源之一，無(wú)殘留危害。作為一種經(jīng)濟(jì)作物形成的肥料，主要用作后續(xù)作物的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，并作為一種微生物土壤改良劑，以提高作物質(zhì)量和產(chǎn)量[5]。綠肥一般可分為豆科綠肥和非豆科綠肥，豆科綠肥主要有紫云英、苜蓿、苕子等，而非豆科綠肥主要有油菜、黑麥草等。施加綠肥最常見(jiàn)的做法是在播種或種植后茬經(jīng)濟(jì)作物之前直接種植綠肥作物[6]，待綠肥植株成熟后就地翻壓，在土壤中礦化分解，形成一種豐富的生物有機(jī)肥料。由于其本體含有作物所需要的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可作為種植作物的基肥，用于培肥土壤，改善土壤理化性質(zhì)，并及時(shí)供應(yīng)作物生長(zhǎng)養(yǎng)分，促進(jìn)作物根系的發(fā)育[7]。

本文旨在歸納和評(píng)述綠肥作物在土壤中礦化分解對(duì)土壤Cd 有效性的影響及其作用機(jī)理，為相關(guān)的研究提供支撐。

1 綠肥對(duì)作物Cd吸收的影響

綠肥在土壤中的分解產(chǎn)物對(duì)土壤-植物系統(tǒng)中重金屬Cd 的影響非常復(fù)雜，其產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)吸附重金屬的能力受土壤條件的影響，包括pH、Eh、溶解性有機(jī)質(zhì)[8]，以及水稻根系等[9-10]，故需探究綠肥對(duì)作物Cd吸收的影響。

綠肥被認(rèn)為是固定和減少重金屬Cd在作物籽粒中遷移和積累的適宜措施[11-13]。如以紫云英作綠肥[14]，翻壓后使水稻土壤有效Cd 含量降低21.9%，稻草Cd 含量降低39.1%，稻谷Cd 含量降低43.5%。以油菜作綠肥[15]，翻壓后土壤中可溶態(tài)Cd 減少了5%～14%，水稻葉片、莖和殼中的Cd 濃度分別降低了20%、18%和34%。而Yang 等[16]發(fā)現(xiàn)油菜的施加在水稻種植后使土壤中Cd 活性增強(qiáng)，從而增加水稻對(duì)Cd的吸收，這可能歸因于水稻根系的作用。綜上，土壤中有效態(tài)Cd 含量的變化可直接影響作物對(duì)Cd 的吸收，且土壤中有效態(tài)Cd 含量與作物中Cd 的含量呈正相關(guān)。

但通過(guò)上述研究實(shí)例發(fā)現(xiàn)，土壤有效態(tài)Cd 降低的量與作物各部分Cd 降低的量存在一定的差距，故有學(xué)者認(rèn)為，綠肥對(duì)作物吸收Cd的影響，不僅與土壤中有效態(tài)Cd 含量有關(guān)，還可能與作物對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力密切相關(guān)。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)用于表征重金屬通過(guò)根部進(jìn)入地上部及地上部不同器官之間轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越大表明重金屬?gòu)母迪虻厣喜科鞴俎D(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)，或在器官之間的轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)[17]。王陽(yáng)等[18]研究表明紫云英還田對(duì)土壤中有效態(tài)Cd 含量無(wú)顯著影響，但可使水稻糙米中Cd 含量降低達(dá)80%。說(shuō)明綠肥施加可以降低Cd 在水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，從而降低水稻糙米中Cd 的含量。而范晶晶等[19]研究發(fā)現(xiàn)施加紫云英對(duì)土壤中DTPA-Cd 含量無(wú)顯著影響，但水稻根對(duì)Cd 的吸收量增加4.24%，水稻稻谷Cd 含量顯著增加33.45%。這說(shuō)明綠肥對(duì)水稻體內(nèi)Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)影響可能會(huì)受到其他因素的干擾，如土壤條件、水稻品種等，使得作物體內(nèi)Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)增加。正如江巧君等[20]發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥后Cd 在水稻植株內(nèi)的分配和轉(zhuǎn)運(yùn)因水稻品種差異而不同，Cd 由根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)既可能出現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)，也可能出現(xiàn)減弱的現(xiàn)象。而且Cd在水稻植株內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程受到土壤氧化還原條件、pH、養(yǎng)分供應(yīng)狀況以及水稻品種等多種因素的共同作用[21]。

綜上，綠肥對(duì)作物Cd 吸收的影響一方面是通過(guò)降低土壤Cd 有效性，另一方面主要是通過(guò)降低作物體內(nèi)Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，從而使作物籽粒中Cd 的含量降低。但其容易受到土壤條件、作物根系、作物品種等其他因素影響，故需對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析，進(jìn)而闡明綠肥對(duì)土壤中Cd有效性影響的機(jī)制。

2 綠肥的種類(lèi)對(duì)重金屬Cd有效性的影響

綠肥翻壓進(jìn)入土壤中會(huì)影響土壤中重金屬Cd有效性，然而不同種類(lèi)的綠肥對(duì)Cd 的有效性影響存在差異。大量的研究表明，綠肥進(jìn)入土壤后可以降低土壤中有效Cd的含量。Yong等[15]發(fā)現(xiàn)綠肥（油菜）的施入使Cd 形態(tài)在污染水稻土中重新分布，導(dǎo)致重金屬向更穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化，與N 肥處理相比，可溶態(tài)Cd 減少了5%～14%。說(shuō)明油菜的加入通常會(huì)降低可溶態(tài)Cd 含量，使其轉(zhuǎn)化為難溶態(tài)Cd，從而降低土壤中Cd有效性。Mohamed 等[22]發(fā)現(xiàn)施加綠肥（花生植株）顯著降低了土壤中可溶態(tài)/交換態(tài)Cd 的含量，增加了土壤中有機(jī)結(jié)合態(tài)和無(wú)機(jī)沉淀態(tài)Cd 的含量。吳浩杰等[23]研究表明施加紫云英能使福臨地區(qū)的試驗(yàn)田有效Cd 降低1.8%～12.1%，醴陵地區(qū)的試驗(yàn)田有效Cd降低1.5%～9.0%。

然而，也有研究認(rèn)為綠肥會(huì)增加土壤有效態(tài)Cd的含量，促進(jìn)后茬作物對(duì)Cd 的吸收。高山等[24]研究發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)90 d 后，紫云英處理下紅壤、潮土兩種土壤交換態(tài)Cd 含量分別從3.08、4.50 mg·kg-1增加至7.07、8.13 mg·kg-1。Wang 等[25]發(fā)現(xiàn)在0～20 cm 土層中，施加綠肥（蠶豆地上部分）后可溶性Cd 濃度為12.6 μg·L-1，比對(duì)照高8.75 μg·L-1。Yang 等[16]發(fā)現(xiàn)將油菜用作綠肥對(duì)土壤-水稻系統(tǒng)Cd 有效性的影響可分為兩個(gè)過(guò)程：第一個(gè)穩(wěn)定期，油菜的施用可能通過(guò)吸附和與腐殖質(zhì)形成穩(wěn)定的絡(luò)合物而降低Cd 在土壤中的生物有效性；第二個(gè)釋放期，水稻種植后，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)Cd 的吸收可能通過(guò)根系和微生物作用逐漸釋放。

相比于前文表述的綠肥施加可能會(huì)增加或者減少重金屬Cd 的有效性，一些學(xué)者認(rèn)為綠肥的施加對(duì)重金屬Cd有效性無(wú)明顯影響。以紫云英使海州香薷莖葉中Cd的含量提高57%為對(duì)比[26-27]，唐明燈等[28]研究發(fā)現(xiàn)紫云英的施加對(duì)供試生菜和莧菜地上部Cd含量沒(méi)有顯著影響。

綜上所述，不同的綠肥對(duì)土壤中有效態(tài)的Cd 作用效果不同，即使是相同的綠肥對(duì)土壤Cd 活性轉(zhuǎn)化也具有不同的影響，說(shuō)明綠肥對(duì)土壤Cd 有效性的影響，不僅受到綠肥種類(lèi)的影響，還與土壤條件、作物品種等密切相關(guān)。

3 綠肥對(duì)土壤中重金屬Cd有效性的影響機(jī)理

3.1 綠肥對(duì)土壤中可溶性有機(jī)質(zhì)（配體）的影響

可溶性有機(jī)質(zhì)（DOM）是土壤環(huán)境中最為活躍的化學(xué)成分之一。DOM 不僅可以影響污染物的遷移，其C、N、S、P 等營(yíng)養(yǎng)元素還是微生物生長(zhǎng)代謝、土壤有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程中重要影響因素[29]。DOM 能與金屬離子相互作用，形成金屬-有機(jī)絡(luò)合物，影響金屬的形態(tài)，從而控制重金屬在土壤環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化[30]。以往大多數(shù)的研究表明，具有親水性的低分子量DOM 不易被土壤顆粒吸附。這表明這些DOM組分具有較高的遷移率和形成重金屬絡(luò)合物的能力[31]。同時(shí)土壤中DOM 還會(huì)與重金屬離子競(jìng)爭(zhēng)土壤的吸附位點(diǎn)，從而減少土壤對(duì)重金屬Cd 離子的吸附[32-33]。綠肥作物就地翻壓進(jìn)入土壤，在土壤微生物的作用下分解產(chǎn)生大量的DOM，DOM 容易與土壤中Cd結(jié)合，提高Cd的生物有效性。同時(shí)隨著土壤DOM含量增加，土壤中Cd 的有效性也會(huì)隨之增加并促進(jìn)作物對(duì)Cd 的吸收。徐龍君等[34]研究表明外源DOM含量增加使藤菜對(duì)Cd 的吸收量增加，也證實(shí)了這一結(jié)論[34]。王艮梅等[35]研究發(fā)現(xiàn)綠肥（蠶豆苗期地上部分）施用后根際及土體土壤中交換態(tài)及有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd 含量顯著增加，是只施化肥處理的1.2～2.0 倍。Grüter等[36]發(fā)現(xiàn)綠肥（三葉草和芥菜）的施加增加了土壤中DGT 有效態(tài)Cd 濃度，可能是由于氨基酸和其他低分子有機(jī)酸等化合物隨著綠肥的分解而釋放，與重金屬Cd形成可溶性配合物[37]。Xie等[38]發(fā)現(xiàn)紫云英產(chǎn)生的DOM 促進(jìn)了Cd 的溶解，主要原因是DOM 分子的芳香性較低，且含有大量的類(lèi)蛋白成分。這些結(jié)果證實(shí)了鮮紫云英產(chǎn)生的DOM 具有很高的化學(xué)活性，因而在污染農(nóng)田施用鮮紫云英至少應(yīng)在下一季前10 d進(jìn)行。

然而，也有研究認(rèn)為DOM 可以促進(jìn)土壤對(duì)Cd 的吸附，從而降低Cd的有效性。一方面，綠肥的施加提高了土壤中DOM 的濃度，由于土壤對(duì)DOM 的吸附改變了土壤中重金屬的結(jié)合位點(diǎn)和黏土礦物表面的電荷，從而提高了土壤顆粒對(duì)重金屬Cd 離子的吸附能力[39]。另一方面，DOM 降低Cd 的有效性也與作物地上部分對(duì)其稀釋效應(yīng)有關(guān)[40]，綠肥增加了作物地上部分生物量，同時(shí)提高其對(duì)重金屬Cd毒性的耐受性，從而降低Cd的生物有效性。

綠肥植株在經(jīng)歷一段時(shí)間腐解后，其中的大部分易分解有機(jī)物已被分解，隨著處理時(shí)間的增加，土壤氧化還原電位降低、溶解氧減少，從而創(chuàng)造出厭氧環(huán)境使陰離子發(fā)生還原反應(yīng)（如硫酸鹽還原成硫），然后與重金屬Cd 形成沉淀，促進(jìn)可交換態(tài)Cd 向有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd 轉(zhuǎn)化，這也在一定程度上降低了Cd 有效性[41]。Wang 等[25]在水稻田中施加綠肥（蠶豆地上部分）后發(fā)現(xiàn)，綠肥施加在水稻生長(zhǎng)前期會(huì)產(chǎn)生大量可溶性有機(jī)碳（DOC），使得水稻土可溶性Cd 的含量升高，隨著水稻生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行，DOC含量逐漸降低，可溶性Cd的含量也隨之降低。王陽(yáng)等[18]研究表明，紫云英還田后在土壤中的分解具有明顯的階段性，前期紫云英礦化有機(jī)質(zhì)后產(chǎn)生水溶性有機(jī)質(zhì)、有機(jī)酸，致使重金屬的有效性提高；而在后期，由于易礦化的有機(jī)物礦化分解，再加上復(fù)雜的有機(jī)物對(duì)土壤重金屬的吸附固定，土壤重金屬的有效性下降。王陽(yáng)等[18]研究證實(shí)，適度施加綠肥后，隨著綠肥不斷分解，土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加，在一定范圍內(nèi)可使作物中重金屬含量降低。但過(guò)量使用綠肥會(huì)使有機(jī)質(zhì)含量過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致重金屬Cd有效性提高[42]。也就是說(shuō)土壤中重金屬Cd有效性與施加綠肥含量存在閾值效應(yīng)。如王陽(yáng)等[18]研究發(fā)現(xiàn)，紫云英還田量以30 000 kg·hm-2為最佳，超過(guò)該閾值，會(huì)對(duì)Cd修復(fù)產(chǎn)生相反效果[14，23]。

綜上，綠肥的施加可使土壤中DOM 增加，從而影響土壤中Cd 的有效性，DOM 易被土壤中微生物分解，最終可降低土壤中有效態(tài)Cd 含量。但綠肥施加量與土壤中重金屬Cd 有效性存在閾值效應(yīng)，應(yīng)該注重合理施用，過(guò)量施加綠肥會(huì)使土壤中DOM 分解時(shí)間大大增加，DOM 分解時(shí)間一旦超過(guò)作物的生長(zhǎng)周期，當(dāng)作物成熟時(shí)，綠肥所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)大部分仍為可溶性，這反而可能會(huì)增加重金屬Cd對(duì)作物的毒性。

3.2 綠肥對(duì)土壤pH和Eh（氧化還原電位）的影響

土壤pH 值對(duì)土壤表面電荷性質(zhì)、土壤固相中Cd的保留能力和金屬陽(yáng)離子的水解作用具有重要影響，其被認(rèn)為是控制Cd 在土壤-植物系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移的最關(guān)鍵因素之一[43]。在高pH 值下，金屬離子在土壤中的吸附和表面沉淀有助于降低土壤中重金屬的有效性[44]。與調(diào)控土壤pH 值相配合，添加含有高比例腐殖化有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)（如菜籽），可通過(guò)與腐殖物質(zhì)形成絡(luò)合物，來(lái)影響土壤中重金屬的生物有效性[45]。當(dāng)土壤中pH 值增加時(shí)，OH-可能將土壤中的Cd 轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定或易溶的形式。Mohamed 等[22]研究發(fā)現(xiàn)施加綠肥（花生植株）后土壤pH 從6.04 增加到6.91，使得可交換態(tài)Cd 從1.00 mg·kg-1減少至0.39～0.03 mg·kg-1。而Wang等[25]研究發(fā)現(xiàn)施加綠肥（蠶豆地上部分）后水稻根區(qū)土壤pH 高于非根區(qū)土壤，但水稻各部位重金屬Cd含量增加。這是由于綠肥的施加有利于水稻根系的生長(zhǎng)，促進(jìn)水稻分泌出更多根系分泌物，根系分泌物中DOC 與Cd 的絡(luò)合作用是提高可溶性Cd 濃度的主要過(guò)程，這一過(guò)程足以抵消Cd（OH）2結(jié)合在較高pH 值下降低可溶性Cd 濃度的影響，使得可溶態(tài)Cd增加。也有學(xué)者認(rèn)為植物中Cd 的含量與土壤pH 的正相關(guān)性與土壤的零點(diǎn)電荷（ZPC）有關(guān)。ZPC 是指土壤膠體不帶電（永久電荷和可變電荷相等，電荷密度為零）時(shí)的pH 值。當(dāng)pH＜ZPC 時(shí)，土壤膠體表面帶正電，土壤對(duì)陽(yáng)離子重金屬Cd 的吸附隨著正電荷增加而削弱；當(dāng)pH＞ZPC 時(shí)，土壤膠體表面帶負(fù)電，促進(jìn)土壤對(duì)重金屬Cd 的吸附從而降低Cd 有效性[46]。綠肥對(duì)土壤酸堿性的調(diào)節(jié)作用表現(xiàn)在綠肥還田后使土壤的pH 值趨于中性，有利于調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)pH值[47-48]。土壤pH 之所以升高，是由于土壤鐵氧化物還原溶解的作用和有機(jī)氮礦化釋放NH+4[49-50]。而有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生有機(jī)酸和CO2累積是土壤pH 降低的主要原因[32]。Zhang 等[51]通過(guò)開(kāi)展長(zhǎng)期的水稻-水稻-綠肥輪作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，種植并翻壓紫云英、油菜、黑麥草等綠肥相比于對(duì)照會(huì)使土壤中pH 值從5.98 上升至6.24～6.28。王艮梅等[35]研究表明施加蠶豆地上部分作為綠肥，使得土壤中pH值從7.35降至5.69。

綠肥還田可使土壤pH值趨于中性，一般來(lái)說(shuō)，土壤pH 值的增加，容易降低有效態(tài)Cd 的含量，但是由于綠肥的施加促進(jìn)后茬作物根系分泌物的分泌，同時(shí)作物對(duì)Cd 的吸收量還與ZPC 密切相關(guān)，這些因素易使Cd 的有效態(tài)含量增加。當(dāng)這些因素對(duì)Cd 有效態(tài)含量的影響超過(guò)土壤pH 值對(duì)其的影響時(shí)，往往會(huì)增加Cd對(duì)作物的毒性。故實(shí)際研究中需要根據(jù)不同情況進(jìn)行具體分析。

Eh 在作物吸收Cd 的主要形態(tài)（Cd2+）方面具有重要作用。當(dāng)土壤Eh 為負(fù)時(shí)，土壤有效態(tài)Cd 含量與土壤Eh 值呈正相關(guān)；土壤Eh 為正時(shí)，土壤有效態(tài)Cd 含量與土壤Eh 值呈負(fù)相關(guān)[52]。在還原性土壤環(huán)境下，Eh 值為負(fù)值時(shí)，植物對(duì)Cd 的吸收受到抑制[53]。綠肥進(jìn)入土壤增加土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)，由于有機(jī)質(zhì)被氧化，土壤成分由于厭氧微生物呼吸作用而減少，所以還原強(qiáng)度更高。這可能是有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤中Eh值較低且為負(fù)值造成的[54]。楊賓等[55]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧氣被有機(jī)物降解消耗時(shí)，Eh 值下降，土壤中有效Cd 含量降低。這是由于土壤中SO2-4被還原成S2-，S2-與重金屬Cd 結(jié)合生成金屬CdS 沉淀[56]。硫化物通常被認(rèn)為是穩(wěn)定的形態(tài)而不易溶出，這是重金屬Cd 有效性下降的原因之一[32]。金鑫等[57]發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料還田可使土壤Eh值降低3.6%～22.4%。在還原性土壤中，Eh降低，Cd 的有效性降低。然而高山等[24]研究表明，當(dāng)土壤Eh 值降低時(shí)，土壤有效Cd 含量也可能增加，其研究發(fā)現(xiàn)向稻作土壤施加紫云英會(huì)使土壤中交換態(tài)Cd增加，氧化鐵結(jié)合態(tài)的Cd 減少。這是由于當(dāng)Eh 降低時(shí)，土壤氧化鐵結(jié)合態(tài)的Cd被還原，結(jié)合在土壤氧化鐵上的Cd 被重新釋放到土壤中，同時(shí)在水稻根區(qū)土壤中，水稻根系會(huì)釋放氧氣，抑制CdS的形成，使得被釋放的Cd向交換態(tài)轉(zhuǎn)移，土壤有效態(tài)Cd增加。

綠肥在非根區(qū)土壤分解消耗土壤中氧氣，土壤Eh 值降低，使土壤中有效態(tài)Cd 的含量降低。當(dāng)重金屬Cd 到達(dá)作物根區(qū)土壤時(shí)，作物根系釋放氧氣使根區(qū)土壤Eh值增加，若后者影響超過(guò)前者時(shí)，在非根區(qū)土壤中被還原釋放的Cd 向交換態(tài)轉(zhuǎn)移，容易使Cd 的有效性增加。

一般來(lái)說(shuō)，土壤溶液的pH 值與Eh值的變化密切相關(guān)。在土壤溶液中，Eh 的降低通常伴隨著pH 的升高[58]。土壤pH 值和Eh 值的改變導(dǎo)致鐵錳氧化物和有機(jī)質(zhì)的溶解[59]，增強(qiáng)土壤對(duì)Cd 的吸附能力。隨著土壤pH 值的升高，F(xiàn)e-Mn 氧化物結(jié)合態(tài)變得更加穩(wěn)定。然而，當(dāng)Eh 值降低時(shí)，其變得不穩(wěn)定。說(shuō)明Eh的影響相對(duì)大于pH 的影響[60]。綠肥的施加通常會(huì)使土壤pH 值升高、Eh 值降低。范美蓉等[14]研究表明翻壓紫云英使土壤中pH 值升高、Eh 值降低，從而使土壤中有效態(tài)Cd 含量顯著降低，減少了水稻在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)Cd的累積。

綜上，Eh 值影響大于pH 值，在非根區(qū)土壤中綠肥的施加可以使土壤中pH 值升高、Eh 值降低，從而降低土壤中Cd有效性。然而在根區(qū)土壤中由于作物根系的作用，土壤中Eh 值增加，可能會(huì)提高土壤中Cd有效性，從而抑制后茬作物的生長(zhǎng)。

3.3 綠肥對(duì)土壤中鐵還原的影響

Fe3+還原主要發(fā)生在缺氧土壤和沉積物中[61]。作為鐵還原的主要產(chǎn)物，F(xiàn)e2+的積累可以反映還原能力[62]。綠肥翻壓進(jìn)入土壤后在好氧微生物的分解下會(huì)大量消耗土壤中氧氣，容易形成厭氧還原環(huán)境，從而增加土壤中還原性物質(zhì)，促進(jìn)Fe3+還原。Fe3+的還原溶解在消耗土壤中H+的同時(shí)也使土壤可溶Fe2+濃度增加。土壤Fe 形態(tài)的變化影響鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd 的變化，從而控制Cd 的活性。由前文可知，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd 還原后受土壤Eh 值的影響，當(dāng)Eh值減少時(shí)，被還原的Cd 向難溶態(tài)Cd 轉(zhuǎn)移。反之，則向可溶態(tài)Cd 轉(zhuǎn)移。Muehe 等[63]發(fā)現(xiàn)Fe3+的還原伴隨著土壤pH 值的升高、溶解無(wú)機(jī)碳的增加和Cd遷移率的降低。當(dāng)?shù)咎锿寥捞幱陂L(zhǎng)期淹水環(huán)境時(shí)，Eh 值會(huì)進(jìn)一步降低，F(xiàn)e2+離子可能會(huì)沉淀為FeCO3或FeS化合物。這是由于當(dāng)土壤處于極度還原狀態(tài)并提供足夠的電子時(shí)，SO2-4可能會(huì)還原為HS-，而Fe 可能首先以FeS 的形式沉淀[64]。陳莉娜等[65]研究表明，Cd 的形態(tài)受Fe 形態(tài)轉(zhuǎn)化的制約，F(xiàn)e 形態(tài)的再分配決定了Cd 形態(tài)的再分配，其研究淹水還原作用對(duì)紅壤Cd 生物有效性的影響，發(fā)現(xiàn)水溶性Fe2+濃度在淹水前期增大而后期減小，Cd 的生物有效性在淹水初期高于后期。因?yàn)镕e2+與S2-生成FeS 沉淀，使得水溶性Fe2+轉(zhuǎn)變成難溶性的Fe2+，Cd與Fe2+共沉淀，從而降低Cd有效性。當(dāng)Fe2+到達(dá)根區(qū)土壤時(shí)，作物根系會(huì)分泌出氧氣，容易在根系表面形成鐵斑。

鐵斑是作物根系釋放氧氣與可溶性Fe2+氧化反應(yīng)共同作用下在根表面形成的一種光滑、規(guī)則的紅色沉淀物或不規(guī)則的斑塊涂層[66-68]。目前，人們普遍認(rèn)為鐵斑可以在根表面隔離有毒金屬Cd 等，從而影響作物對(duì)金屬的吸收和耐受性[69-70]。Dong 等[71]研究發(fā)現(xiàn)，在根表面形成鐵斑塊可以顯著抑制Cd 向水稻地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)，并且鐵斑塊中累積的Cd 超過(guò)30%。Xu等[72]發(fā)現(xiàn)鐵斑量的增加促進(jìn)了金屬在根表面的沉積，從而限制了Cd 在水稻組織中的吸收和轉(zhuǎn)移。Sebastian 等[73]研究發(fā)現(xiàn)，在硫酸亞鐵（FeSO4）施用過(guò)程中，水稻根部表面誘導(dǎo)產(chǎn)生了鐵斑，并且隨著鐵斑形成量的增加，水稻中的Cd含量降低。Chen等[74]發(fā)現(xiàn)，水稻吸收Cd的減少可以通過(guò)從根部滲出的低分子量有機(jī)酸增加和鐵斑形成量增加來(lái)解釋。一些研究發(fā)現(xiàn)，綠肥的施用可以通過(guò)改善水稻根系的通氣組織，提高土壤微生物活性，促進(jìn)水稻根系的生長(zhǎng)，從而促進(jìn)水稻幼苗根部表面鐵斑的形成[75-76]。這種施用導(dǎo)致更多的重金屬吸附在鐵斑上，并顯著降低了水稻根部和地上部分的重金屬濃度[77]。Yang 等[78]研究發(fā)現(xiàn)油菜的應(yīng)用有助于誘導(dǎo)鐵斑的形成，鐵斑塊的“屏障”作用導(dǎo)致水稻不同組織中Cd的積累量減少。

土壤系統(tǒng)中鐵的水平對(duì)鐵斑形成量具有重要的影響，相同水稻基因型在高鐵含量的水稻土上種植可能比在低鐵含量的水稻土上種植形成更多的鐵斑塊[79]。一般來(lái)說(shuō)，作物根系鐵斑形成量越高，土壤中Cd 的有效態(tài)含量越低，更有助于降低作物對(duì)Cd 的吸收。這也間接說(shuō)明了外源添加含有鐵的改良劑對(duì)土壤中Cd 的修復(fù)具有積極的意義[80-81]。但若土壤中鐵的含量過(guò)高，可能會(huì)相應(yīng)地使作物根系鐵斑形成量過(guò)高，高密度的鐵斑可能會(huì)限制O2向根際擴(kuò)散，而與作物生長(zhǎng)和健康促進(jìn)有關(guān)的根際微生物可能受到不利影響，鐵的沉淀也可能進(jìn)一步阻礙作物根部吸收養(yǎng)分，對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[82]。綠肥的施加雖然有助于誘導(dǎo)鐵斑的形成，但若在含有高濃度鐵的土壤中施加綠肥可能會(huì)影響作物的生長(zhǎng)。因此在綠肥與含鐵改良劑配施時(shí)應(yīng)注意后者的施加量，從而防止其對(duì)后茬作物產(chǎn)生負(fù)面效果。

綜上所述，綠肥進(jìn)入土壤后，容易降低土壤中的Eh 值，增加土壤中可溶Fe2+濃度，使土壤中有效態(tài)Cd含量降低，但綠肥對(duì)Eh值影響有限，這是由于綠肥一般在旱耕時(shí)翻壓，只有在長(zhǎng)期淹水土壤環(huán)境下，才可能進(jìn)一步降低Eh 值，使土壤中Fe3+大量還原，得到FeS沉淀并使Cd與其共沉淀，降低土壤Cd的有效性。但在長(zhǎng)期淹水環(huán)境下，可能會(huì)不利于作物的生長(zhǎng)。當(dāng)剩余可溶Fe2+到達(dá)根區(qū)土壤時(shí)，會(huì)在作物根系表面形成鐵斑，使重金屬Cd吸附在鐵斑上，阻止其進(jìn)入作物的根系中，降低作物中Cd含量，然而在土壤鐵含量過(guò)高時(shí)配施綠肥也可能會(huì)抑制作物的生長(zhǎng)，因此應(yīng)控制外源施加含鐵改良劑的含量，防止其對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)作用。

3.4 綠肥對(duì)土壤中微生物群落的影響

土壤生物多樣性，特別是土壤微生物多樣性已成為近年來(lái)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。微生物含有胞外聚合物（EPS），它是微生物為了適應(yīng)外界條件變化而分泌的物質(zhì)，重金屬Cd 脅迫會(huì)刺激EPS 的產(chǎn)生[83]。EPS 中存在著大量陰離子基團(tuán)（羧基、羥基及氨基等），對(duì)不同類(lèi)型金屬離子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的親和性[84]，可以和金屬離子發(fā)生吸附或螯合作用，從而有效地去除土壤溶液中含有的金屬或重金屬離子[85-86]。綠肥作物進(jìn)入土壤中被土壤中的微生物分解產(chǎn)生有機(jī)酸，有機(jī)酸促進(jìn)土壤中一些腐殖質(zhì)的形成，在增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)也增加土壤微生物的活性，從而影響土壤中Cd 有效性。Yang 等[78]發(fā)現(xiàn)施加油菜后，土壤中有機(jī)質(zhì)和微生物生物量碳、氮的含量增加，微生物活性增強(qiáng)，使得可溶態(tài)的Cd 轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶態(tài)Cd，有效減輕Cd 在土壤中的毒性（圖1）。Stark 等[87]發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)初期，綠肥的添加顯著提高了土壤微生物生物量和活性，改變了土壤微生物群落?；诳膳囵B(yǎng)菌落計(jì)數(shù)法，通過(guò)6 年的豆科綠肥休耕和谷物種植，土壤微生物種群得到了改善[88]。施綠肥后土壤還原條件有利于厭氧型微生物的生長(zhǎng)，如硫酸鹽還原菌（SRB）和鐵還原菌（IRB）等[89]。

圖1 綠肥對(duì)根區(qū)土壤和非根區(qū)土壤Cd有效性相關(guān)影響[78]Figure 1 Related effects of green manure on soil Cd availability in root soil and non-root soil[78]

SRB 是指一類(lèi)能把硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等硫氧化物及元素硫還原成硫化氫的細(xì)菌統(tǒng)稱(chēng)[90]。SRB 在厭氧條件下利用有機(jī)物作為電子供體還原硫酸根產(chǎn)生硫化氫，硫化氫與金屬Cd 反應(yīng)生成金屬CdS 沉淀，從而實(shí)現(xiàn)Cd 的去除[91]。董凈等[90]研究發(fā)現(xiàn)SRB對(duì)初始濃度為10、20、30、40 mg·L-1的Cd2+去除率分別為95%、94%、83.4%、75%。當(dāng)Cd2+濃度為40 mg·L-1時(shí)，菌株仍能去除30 mg·L-1Cd2+，充分表明SRB 對(duì)Cd2+具有較高的去除能力。范文宏等[89]研究表明土壤中Cd 在硫酸鹽還原菌的作用下，使不穩(wěn)定的可交換態(tài)Cd 轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd，可交換態(tài)Cd 的去除率可達(dá)60%～80%。綠肥施入土壤后可在作物的整個(gè)生育期發(fā)揮作用。當(dāng)土壤處于淹水環(huán)境時(shí)，SRB 的活性增強(qiáng)，可將綠肥分解產(chǎn)物作為電子供體，有效實(shí)現(xiàn)土壤中Cd的去除。

IRB 在厭氧生長(zhǎng)環(huán)境下能結(jié)合并氧化有機(jī)物以其作為電子供體，同時(shí)將Fe3+還原成Fe2+，在Fe 還原過(guò)程中降低Cd 有效性。在IRB 培養(yǎng)前期，同屬發(fā)酵型的梭菌和芽孢桿菌豐度上升，對(duì)鐵還原的貢獻(xiàn)較大；在培養(yǎng)后期，地桿菌和厭氧黏細(xì)菌成為Fe2+濃度持續(xù)增長(zhǎng)的重要因素[32]。因此，鐵還原菌通過(guò)影響Fe的還原進(jìn)而影響對(duì)Cd 的吸附。Zhang 等[92]研究表明，綠肥的施加可提高IRB 的活性，進(jìn)而影響土壤中Cd的有效性，其研究發(fā)現(xiàn)施加有機(jī)物料能為土壤中的微生物提供可有效利用的碳源，能夠提高微生物的活性，尤其是參與鐵氧化還原的功能微生物（如鐵的異化還原菌）活性的提高會(huì)促進(jìn)根表鐵斑的形成，而鐵斑形成則會(huì)阻止植物吸收過(guò)多的Cd。

由于IRB 與SRB 同屬于土壤還原菌，兩者表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)，綠肥的施加增強(qiáng)了IRB 和SRB 的活性，從而促進(jìn)鐵氧化物還原成Fe2+和硫酸鹽還原成S2-。在淹水土壤環(huán)境下，F(xiàn)e2+和S2-反應(yīng)生成鐵硫化物，在消除硫化氫對(duì)SRB 的毒害的同時(shí)促進(jìn)SRB 還原。金鑫等[93]研究表明，鐵氧化物的存在促使反應(yīng)過(guò)程中pH值逐步升高，有利于體系中溶解的鈣離子和產(chǎn)物CO2發(fā)生沉淀反應(yīng)生成CaCO3，有利于硫酸鹽還原反應(yīng)的進(jìn)行。故IRB 和SRB 這兩種還原菌對(duì)降低Cd 有效性起到了重要的作用。

4 結(jié)論與展望

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，綠肥的施加不僅可以減少農(nóng)作物化肥的使用，還可以通過(guò)影響土壤性質(zhì)來(lái)改變根區(qū)土壤和非根區(qū)土壤Cd 的有效性，但綠肥影響Cd 有效性的過(guò)程可能受到其他因素的干擾，如綠肥的用量、作物品種、土壤理化性狀等。通過(guò)分析綠肥對(duì)土壤性質(zhì)的影響和其他因素對(duì)綠肥的干擾發(fā)現(xiàn)：

（1）綠肥翻壓進(jìn)入土壤后可在短時(shí)間增加土壤中可溶性有機(jī)質(zhì)，可溶性有機(jī)質(zhì)在被微生物分解后期轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性有機(jī)質(zhì)并與Cd 結(jié)合，可以有效將Cd固定在土壤中，但應(yīng)控制綠肥使用量，防止產(chǎn)生負(fù)面的效果。

（2）綠肥還田后容易使土壤中pH 值升高、Eh 值降低。一般來(lái)說(shuō)，土壤pH 值升高、Eh 值降低會(huì)使有效態(tài)Cd 含量降低。但由于土壤中pH 值與Eh 值受到作物根系的影響，同時(shí)土壤Eh值影響大于pH 值。故在根區(qū)土壤中，作物根系釋放的氧氣易使在非根區(qū)土壤中被還原釋放的Cd 向可溶態(tài)轉(zhuǎn)化，從而使土壤中有效態(tài)Cd的含量增加。

（3）綠肥的施加可降低土壤中Eh 值進(jìn)而促進(jìn)土壤中Fe3+還原，F(xiàn)e3+還原后可增加土壤中可溶態(tài)Fe2+含量，還原過(guò)程中會(huì)消耗土壤中H+，使得土壤中pH 值增加，有效態(tài)Cd含量降低。若土壤處于淹水環(huán)境下，土壤中Eh值還可進(jìn)一步降低，產(chǎn)生FeS沉淀，同時(shí)Cd與其共沉淀，有效降低Cd 有效性。但作物長(zhǎng)期處于淹水環(huán)境下，可能會(huì)不利于其生長(zhǎng)。當(dāng)剩余可溶態(tài)Fe2+到達(dá)根區(qū)土壤時(shí)，會(huì)在作物根系表面形成鐵斑，使重金屬Cd 吸附在鐵斑上，阻止其進(jìn)入作物的根系中，降低作物中Cd含量，同時(shí)也間接說(shuō)明了外源施加鐵改良劑有助于增加鐵斑的含量，從而有效降低土壤中Cd的有效性，但應(yīng)控制其施加量，防止與綠肥配施不利于作物的生長(zhǎng)。

（4）綠肥進(jìn)入土壤中可增加土壤中微生物的活性。土壤中微生物在促進(jìn)可溶性有機(jī)質(zhì)分解的同時(shí)，還可以直接或者間接影響土壤中Cd 的有效性，而硫酸鹽還原菌和鐵還原菌對(duì)降低土壤中Cd有效性起到了重要的作用。

綠肥作為一種外源有機(jī)質(zhì)不僅對(duì)后茬作物的生長(zhǎng)有促進(jìn)的作用，還對(duì)土壤中重金屬Cd 的修復(fù)十分重要。這是由于綠肥不僅可以通過(guò)影響土壤中Cd有效性來(lái)對(duì)作物Cd 吸收產(chǎn)生影響，還可以通過(guò)影響作物對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而影響作物可食部分Cd 含量。未來(lái)對(duì)綠肥的研究仍需在以下3個(gè)方面進(jìn)一步加強(qiáng)。

（1）綠肥對(duì)Cd 的修復(fù)效果及機(jī)理。大多數(shù)綠肥對(duì)Cd 的修復(fù)效果不顯著，且由于受到其他因素的影響，往往容易產(chǎn)生負(fù)面的效果，故需對(duì)綠肥進(jìn)行篩選或添加一些輔助材料，提升綠肥對(duì)Cd的修復(fù)效果，消除外在因素的干擾，盡可能發(fā)揮綠肥的優(yōu)勢(shì)，使后茬作物生長(zhǎng)良好同時(shí)免受Cd的毒害。

（2）綠肥的適宜施加量。綠肥的施用量并不是越多越好，綠肥的施用量過(guò)多，可能使可溶性有機(jī)質(zhì)分解時(shí)間超過(guò)后茬作物的生長(zhǎng)周期，增加Cd 對(duì)作物的毒性。故需采用一種合理的計(jì)算方法，計(jì)算出綠肥的最佳施用量，才能有效降低作物中Cd的積累。

（3）綠肥對(duì)農(nóng)田土壤的二次污染。綠肥作物在種植的過(guò)程中，其發(fā)達(dá)的根系在將深層土壤養(yǎng)分帶到表層土壤的同時(shí)，也容易將深層土壤的重金屬帶到表層土壤，增加表層土壤重金屬的含量，產(chǎn)生二次污染。但由于綠肥作物根系在受Cd脅迫下，會(huì)產(chǎn)生根系分泌物并與Cd 產(chǎn)生螯合作用，對(duì)Cd 的修復(fù)具有正向作用，故需進(jìn)一步探究綠肥對(duì)農(nóng)田Cd有效性的正負(fù)效應(yīng)。