不同鈍化材料對白及吸收累積鎘的影響

劉桂華，吳科堰，秦 松，柴冠群，吳正卓，范成五

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴陽 550006；2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 貴陽 550025；3.貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站,貴陽 550001)

【研究意義】鎘(Cd)具有較強(qiáng)的生物毒性，通常是中藥材中日常監(jiān)控的有害重金屬元素之一[1]，我國中藥材Cd的污染率高達(dá)26.35%[2]。Cd元素具有很強(qiáng)的生物蓄積性，當(dāng)人體長期服用周期較長且具有一定量Cd的中藥材或保健類產(chǎn)品，易使得Cd在人體內(nèi)積累難以排出，富集到一定濃度會呈現(xiàn)毒性作用[3]。因此，降低中藥材對Cd的吸收富集，減輕Cd對中藥材的毒害研究極為重要。白及(Bletillastriata)為蘭科白及屬多年生草本植物，主要藥用成分為白及多糖，具有收斂止血，消腫生肌等功效[4-6]。貴州很多地區(qū)如安龍縣、普安縣和湄潭縣具有多年采挖和種植白及的經(jīng)驗，技術(shù)基礎(chǔ)好，是貴州道地珍稀藥材。白及的規(guī)?；N植豐富了貴州省特色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時助力了廣大群眾實現(xiàn)脫貧致富。近年來，有部分學(xué)者對白及受到重金屬污染的現(xiàn)象也有報道。如張家春等[7]通過對不同齡白及塊莖重金屬含量研究發(fā)現(xiàn)，Cd含量超過《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(WM2—2001)中規(guī)定Cd≤0.3 mg/kg。朱迪等[8]通過檢測不同來源白及中的重金屬含量發(fā)現(xiàn)，野生白及樣品的重金屬污染程度高于栽培白及樣品。因此，控制中藥材白及中Cd含量的積累，對白及的安全生產(chǎn)與食用有重要意義。【前人研究進(jìn)展】原位鈍化修復(fù)技術(shù)是向污染土壤中施入各種鈍化劑，利用沉淀、吸附、絡(luò)合和氧化還原等機(jī)制為特點(diǎn)，從而降低重金屬的生物有效性，使其轉(zhuǎn)化成植物難以吸收利用的成分，從而達(dá)到修復(fù)的技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)在于鈍化劑的選擇，目前采用的鈍化劑主要分為無機(jī)鈍化劑(如石灰、無機(jī)硅肥、磷酸鹽)、有機(jī)鈍化劑(如秸稈、農(nóng)家肥)和無機(jī)—有機(jī)混合鈍化劑(如污泥、堆肥)3種類型[9]。已有研究表明，生物質(zhì)炭[10-11]和硅質(zhì)礦物[12-13]等對重金屬污染土壤中作物吸收重金屬具有良好的抑制作用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，關(guān)于鈍化材料在土壤重金屬污染鈍化修復(fù)方面的研究作物主要集中在稻米及蔬菜方面[14-15]，對于中藥材的研究涉及較少，尤其是針對中藥材白及Cd 污染土壤修復(fù)的研究工作相對缺乏?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過盆栽試驗，研究含磷物質(zhì)、硅鈣肥、玉米秸稈生物炭、牛糞有機(jī)肥及其組合等不同鈍化材料對白及吸收重金屬Cd的影響，以期為Cd污染土壤種植的白及可食部分塊莖的質(zhì)量安全提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤采自貴州省安順市西秀區(qū)劉官鄉(xiāng)，0～20 cm耕層，黃壤，pH 4.53，有機(jī)質(zhì)29.8 g/kg，全氮0.142 g/kg，堿解氮193.6 mg/kg，全磷0.116 g/kg，有效磷10.1 mg/kg，全鉀0.84 g/kg，速效鉀349 mg/kg，Cd全量0.11 mg/kg，Cd有效態(tài)0.023 mg/kg。白及為紫花三叉白及，安龍欣蔓生物科技有限公司提供。無機(jī)鈍化材料包括含磷物質(zhì)和硅鈣肥，購于貴州省開磷集團(tuán)有限責(zé)任公司；有機(jī)鈍化材料為玉米秸稈生物炭和牛糞有機(jī)肥，玉米秸稈生物炭為貴州省土壤肥料研究所提供，牛糞有機(jī)肥購自貴州省地寶公司，各鈍化材料的Cd含量和pH見表1。其他試劑均為優(yōu)級純或分析純。

表1 鈍化材料的Cd全量及pHTable 1 Full amount of Cd and pH of passivation materials

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 盆栽試驗于2018年4月至2019年5月在貴州省土壤肥料研究所大棚內(nèi)進(jìn)行。人工模擬Cd污染，污染水平設(shè)為1.5 mg/kg。鈍化材料共設(shè)9個處理，分別為不施鈍化材料(CK)，施5%硅鈣肥(Si)、5%牛糞有機(jī)肥(NF)、5%玉米秸稈生物炭(YM)、5%含磷物質(zhì)(P)、5%硅鈣肥+5%玉米秸稈生物炭(Si+YM)、5%含磷物質(zhì)+5%玉米秸稈生物炭(P+YM)、5%的牛糞有機(jī)肥+5%含磷物質(zhì)(NF+P)和5%牛糞有機(jī)肥+5%硅鈣肥(NF+Si)。

1.2.2 試驗過程 將配制好的氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)溶液噴施在過5 mm篩的土壤中，用塑料鏟多次混合均勻，平衡老化40 d(期間用稱重法保持土壤濕度為田間持水量的60%，測土壤中全量Cd濃度，將預(yù)設(shè)Cd濃度和實際測得Cd濃度進(jìn)行擬合，線性相關(guān)性達(dá)0.999，保證了試驗的準(zhǔn)確性)；將已老化土壤裝入直徑26.5 cm，高度17.6 cm的塑料盆中，每盆裝土3 kg；向已裝好老化土壤的盆缽施加不同處理鈍化材料，每個處理重復(fù)3次，9個處理共27盆，平衡穩(wěn)定2周；每盆施入基肥N 0.15 g/kg(尿素)、P2O50.10 g/kg(磷酸二氫鈉)和K2O 0.15 g/kg(硫酸鉀)，平行移栽大小中等，芽眼多，無病的馴化白及苗，每塊帶1～2個芽，保持每盆3株。每盆白及生長過程中用自來水灌溉，土壤濕度保持在田間持水量的60%～70%。防止污染，每次澆水定量，保持所有盆栽澆水量一致。白及生長發(fā)育期間，以水溶肥追肥4次，白及生長1年后收獲。

1.3 樣品采集與測定

白及樣品收獲后用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗數(shù)次，最后用吸水紙吸干表面水分。分為根系、地下塊莖以及葉3個部分，測其鮮重(FW)；在105 ℃下殺青30 min后在75 ℃下烘干至恒重，測其干重(DW)，將烘干樣品磨碎后過100目尼龍篩測定Cd含量。將每處理土壤倒在白色塑料盆內(nèi)，充分混合后用四分法取舍，剔除雜質(zhì)后在陰涼處自然風(fēng)干。將風(fēng)干后的土樣研磨，分別過10目和100目尼龍篩，置于自封袋中保存，用于測定土壤pH、有效態(tài)Cd及全Cd含量。

土壤pH采用電位測定法，水土比為2.5∶1.0，采用梅特勒托利多品牌型號為S220-K的pH計測定；土壤有效態(tài)Cd采用鹽酸(HCl)浸提法浸提，浸提液濃度為0.1 mol/L[16]；土壤樣品中總Cd采用1.0 mL HNO3和0.5 mL HF進(jìn)行消解；白及樣品采用壓力消解罐[v(HNO3)∶v(HCLO4)∶v(HF)=3∶3∶2]進(jìn)行消解，消解后的樣品定容至25 mL，采用美國電感耦合等離子體質(zhì)譜儀2代ICP-MS(型號：Thermo Fisher Scientific X2)測定Cd濃度。為確保方法的可靠性和數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個樣品設(shè)置3個重復(fù)，測定過程中添加平行樣、空白試驗和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[土樣采用GBW07405(GSS5)，植株樣采用GBW100348]控制試驗誤差。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，運(yùn)用IBM SPSS 20 Statistics(美國IBM公司)進(jìn)行分析，多重比較采用Duncan法，利用Origin 9.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈍化材料對白及農(nóng)藝性狀的影響

由表2看出，與對照相比，施加硅鈣肥(Si)、含磷物質(zhì)(P)、硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)、含磷物質(zhì)+玉米秸稈生物炭(P+YM)、牛糞有機(jī)肥+含磷物質(zhì)(NF+P)均一定程度上降低了白及塊莖和整株生物量，但差異性不顯著，而牛糞有機(jī)肥(NF)、玉米秸稈生物炭(YM)和牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)則均增加了白及塊莖和整株生物量，其中添加牛糞有機(jī)肥(NF)和玉米秸稈生物炭(YM)均使白及地下部塊莖生物量分別顯著增加62.87%和59.18%(P<0.05)，整株生物量分別顯著增加57.36%和46.07%(P<0.05)。添加不同鈍化材料對白及塊莖厚度無顯著影響。綜上，在Cd污染脅迫下，添加牛糞有機(jī)肥(NF)和玉米秸稈生物炭可顯著促進(jìn)白及的生長，以牛糞有機(jī)肥處理對白及生長的促進(jìn)效應(yīng)最佳。

表2 Cd污染脅迫下不同鈍化材料處理白及的農(nóng)藝性狀Table 2 The agronomic traits of B. striata treated with different passivation materials under Cd stress

2.2 鈍化材料對土壤pH的影響

從圖1看出，除施加5%含磷物質(zhì)(P)土壤pH略低于對照外，其他幾種鈍化材料土壤pH(P<0.05)均顯著增加，增幅5.61%～97.96%，其中，對土壤pH增加效果較明顯的是牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)、硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)和硅鈣肥(Si)，較對照分別顯著提高3.84、3.70和3.67個單位，使土壤從強(qiáng)酸性變化到堿性；施加牛糞有機(jī)肥(NF)和牛糞有機(jī)肥+含磷物質(zhì)(NF+P)較對照分別顯著提高1.55和1.21個單位；施加玉米秸稈生物炭(YM)和含磷物質(zhì)+玉米秸稈生物炭(P+YM)較對照均提高0.22個單位，土壤仍為強(qiáng)酸性。綜上，在Cd污染強(qiáng)酸性土壤中施加5%硅鈣肥(Si)、5%硅鈣肥+5%玉米秸稈生物炭(Si+YM)及5%牛糞有機(jī)肥+5%硅鈣肥(NF+Si)后土壤呈堿性，施加5%牛糞有機(jī)肥(NF)、5%的牛糞有機(jī)肥+5%含磷物質(zhì)(NF+P)后土壤呈酸性。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level. The same as below圖1 不同鈍化材料處理土壤的pHFig.1 The pH of soil treated with different passivation materials

2.3 鈍化材料對土壤有效態(tài)Cd的影響

從圖2看出，施加不同鈍化材料均一定程度上降低了土壤有效Cd含量，降幅為7.14%～92.86%，其中，對土壤有效Cd降低效果最明顯的是硅鈣肥(Si)、牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)和硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)，較對照分別顯著降低92.86%、89.29%和87.50%(P<0.05)，其他幾種鈍化材料對土壤有效Cd無顯著影響。綜上， 施加硅鈣肥(Si)、牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)、硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)可顯著降低土壤有效Cd含量。

圖2 不同鈍化材料處理下土壤有效態(tài)Cd含量變化Fig.2 Variation of soil available Cd content under different passivation materials

2.4 鈍化材料對白及各部位Cd含量的影響

從圖3看出，不同鈍化材料處理后，白及各部位(根系、塊莖、葉片)Cd含量均有一定程度降低。其中，對于白及根系，降低幅度為25.71%～97.60%，除含磷物質(zhì)(P)處理外，其他均達(dá)顯著性差異水平(P<0.05)，以硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)和牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)處理的降幅最大，降幅分別為94.83%和97.60%；對于白及塊莖，除含磷物質(zhì)(P)處理一定程度上顯著增加其Cd含量外(P<0.05)，其他幾種鈍化材料均顯著降低其Cd含量(P<0.05)，降幅為41.49%～88.80%，以硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)和牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)處理的降幅最大，降幅分別為88.11%和88.80%；對于白及葉片，除含磷物質(zhì)(P)處理Cd含量較對照差異不顯著外，其余處理Cd含量均顯著降低，降幅為51.58%～95.29%，以硅鈣肥(Si)和牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)的降幅較大，降幅分別為90.22%和95.29%。綜上，除施加5%含磷物質(zhì)(P)對白及各部位Cd含量降低效果不顯著外，其他幾種鈍化材料均可顯著降低白及各部位Cd含量，且降低效果最好的為牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)處理。

圖3 不同鈍化材料處理白及各部位的Cd含量Fig.3 The Cd content in different parts of B. striata treated with different passivation materials

2.5 鈍化材料對白及富集Cd的影響

生物富集系數(shù)(BCF)是植物體內(nèi)重金屬含量與相應(yīng)的土壤重金屬含量之比，可用來評價植株各部位對重金屬吸收累積能力，且也能較清楚地描述重金屬在白及不同部位的累積趨勢，當(dāng)BCF<0.1時表示強(qiáng)烈貧化，0.11.5時相對富集，BCF>3時強(qiáng)烈富集[17]。由表3可知，施用不同鈍化材料白及根系、塊莖和葉片的富集系數(shù)分別在0.85～28.89、0.72～10.11和0.25～7.63，以根系的富集系數(shù)較高，說明白及植株中的Cd主要在富集在根系中。不同鈍化材料處理后，根系富集系數(shù)(BCFG/S)均顯著低于對照，以含磷物質(zhì)(P)處理的最高，為28.89，牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)處理的最低，為0.85；塊莖富集系數(shù)(BCFJ/S)除含磷物質(zhì)(P)處理顯著高于對照外，其余處理均顯著低于對照，以硅鈣肥+玉米秸稈生物炭(Si+YM)和牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)處理最低，分別為0.72和0.74；除含磷物質(zhì)(P)處理葉片的富集系數(shù)(BCFY/S)略高于對照，為7.63，差異不顯著，其余處理均顯著低于對照，以NF+Si、Si和Si+YM處理較低，分別為0.25、0.54和0.65?？傮w看，白及根系、塊莖以及葉片對土壤Cd具有強(qiáng)烈的富集特性，除含磷物質(zhì)(P)處理外，其他鈍化材料均可顯著降低了白及各部位Cd的富集系數(shù)，以牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥(NF+Si)處理降低效果最佳。

表3 Cd污染脅迫下不同鈍化材料處理白及各部位Cd的富集系數(shù)Table 3 Enrichment coefficient of Cd in parts of B. striata treated with different passivation materials under Cd stress

3 討 論

研究表明，施用鈍化材料不僅能提高土壤pH，還能降低土壤有效態(tài)Cd含量，提高白及整株及可食部分塊莖生物量，降低白及根系、塊莖、葉中的Cd含量。植物對重金屬的吸收受土壤pH、土壤重金屬有效態(tài)及離子間的作用等影響。土壤pH是影響土壤中重金屬有效態(tài)和植物吸收的最為主要的原因[18]，pH的升高可降低土壤Cd的有效性，這是由于土壤自身帶負(fù)電荷，其表面顆粒物可以吸附固定Cd2+，這些顆粒物中的羧基基團(tuán)和鐵的氧化物都可以吸附Cd，從而降低Cd在土壤中的生物有效性和遷移能力，降低植物對Cd的吸收累積[19-20]。研究所用鈍化材料主要是硅鈣肥、牛糞、玉米秸稈等堿性物質(zhì)，施用后提高了土壤的pH，但不同鈍化材料間對土壤pH提高存在差異；土壤pH升高幅度最大時，白及塊莖Cd含量降低量也最大，土壤pH的增高幅度與白及塊莖Cd含量呈顯著負(fù)相關(guān)。各材料中，牛糞有機(jī)肥+硅鈣肥處理下土壤pH提高最大，達(dá)3.84，同時白及各部位Cd的生物有效性也有效降低。

不同鈍化材料對白及塊莖和整株生物量增產(chǎn)作用不同。添加5%牛糞有機(jī)肥和5%玉米秸稈生物炭均能顯著增加白及塊莖和整株生物量，這與陳昱等[21]研究的結(jié)果基本一致即牛糞生物炭或秸稈生物炭在5%添加量時，對Cd污染土壤具有顯著的修復(fù)效果。原因可能是添加生物炭和有機(jī)肥會促進(jìn)土壤中可利用態(tài)Cd向難利用態(tài)Cd轉(zhuǎn)化[22-24]，并且會降低土壤中Cd的有效性，一方面可能是由于牛糞有機(jī)肥和玉米秸稈生物炭中含有大量有機(jī)質(zhì)能夠提高土壤酶活性，增加土壤氮素、碳素以及土壤微生物的生長底物，提高土壤肥力，促進(jìn)白及對N、P、K等元素的吸收；另一方面可能是生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的表面吸附能力[25]，能夠吸附土壤中Cd，從而影響Cd的遷移，降低Cd的生物有效性，減輕了Cd對白及的毒害作用，進(jìn)而間接達(dá)到增產(chǎn)效果。

研究表明，硅對鎘的拮抗作用好于磷，硅(Si)元素可降低植株對Cd的吸收，抑制Cd對植株生理生化代謝的毒害作用[26-27]，其可能在一定程度上抑制了植物對Cd2+的吸收，也可能是Si對Cd的拮抗效應(yīng)[28]；而含磷物質(zhì)未表現(xiàn)良好的鈍化效果，這可能是由于添加該物質(zhì)未能使土壤的pH升高，磷酸鹽對Cd的鈍化作用主要受pH影響，而幾乎不受磷酸鹽的種類影響，其可通過改變土壤pH、化學(xué)反應(yīng)等使土壤溶液中的重金屬離子形成磷酸鹽類重金屬沉淀，從而降低土壤有效態(tài)Cd含量[29]。

4 結(jié) 論

土壤中添加5%牛糞有機(jī)肥對白及塊莖具有增產(chǎn)效果，添加5%牛糞有機(jī)肥+5%硅鈣肥對白及在重度Cd污染土壤上的阻控效果最佳?？稍趯嶋H生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。