鈍化劑對鎘污染溫室黑土鎘生物有效性及白菜生長的影響

閆 雷，劉鳴一，武志民，張鈺瑩，孟慶堯，蘇 捷

（東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

隨著人類生產活動對環(huán)境干擾不斷加劇，我國耕地土壤重金屬污染問題十分嚴峻。與大田環(huán)境相比，溫室土壤中鎘累積情況更為嚴重[1-2]。葉菜類蔬菜對鎘累積能力較強，其可食用部分鎘含量超標風險更高[3]。白菜作為葉菜類蔬菜之一，廣泛種植于我國北方地區(qū)，是日常生活主要食用蔬菜之一[4]。因此，鈍化修復鎘污染土壤、減少蔬菜對鎘吸收，降低蔬菜可食用部分鎘含量超標風險成為亟待解決的問題。

在土壤重金屬污染眾多修復技術中，生物炭、有機肥和石灰等是常用土壤重金屬鈍化劑[5-6]。研究表明，生物炭可改善土壤結構，增強土壤養(yǎng)分保留和保水性能，同時刺激植物生長，阻控植物對重金屬積累[7]。炭基肥由生物質炭粉與有機、無機肥料配比制成，常作為土壤重金屬修復鈍化劑[8]。研究表明，施用炭基肥，土壤中可交換態(tài)鎘含量降低，植物對鎘吸收減少，鎘對植物的脅迫降低[9]。鈍化劑種類和蔬菜品種不同，均影響鈍化效果[10]。目前，生物炭和炭基肥均可降低植物對鎘吸收，但其對鎘污染黑土環(huán)境中鎘的鈍化效果及不同鎘積累能力白菜吸收鎘影響尚不明確。

基于上述分析，本研究前期利用盆栽試驗篩選對重金屬鎘具有不同積累能力的兩種白菜，通過田間試驗，研究菌糠生物炭和炭基肥2種鈍化劑對溫室中自然污染的土壤鎘生物有效性的影響，不同鎘積累品種白菜對2種鈍化劑鈍化效果的響應和生物學指標變化，以期為溫室土壤重金屬原位鈍化修復、安全生產提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗區(qū)位于黑龍江省哈爾濱市某溫室大棚（E104.240781°、N31.302627°）。供試溫室土壤pH 6.65，有機質 44.65 g·kg-1，全氮 2.23 g·kg-1，全磷 2.75 g·kg-1，堿解氮 56.00 mg·kg-1，速效磷64.50 mg·kg-1，速效鉀 114.49 mg·kg-1，全鎘 1.86 mg·kg-1。供試土壤全鎘含量超過污染風險篩選值[11]。

供試白菜為對重金屬鎘具有較高耐性的白菜品種：品種1——北辰CR-強頸（對鎘具有較高積累能力，標記為BC）；品種2——金峰（對鎘具有較低積累能力，標記為JF）[12]。上述品種為課題組前期篩選所得。

供試鈍化劑1 為潤勃炭基有機肥（蔬菜專用）（pH 8.1；有機質105.3 g·kg-1；全氮 18.13 g·kg-1；全磷 15.72 g·kg-1；全鉀3.61 g·kg-1），由秸稈生物炭和有機肥復合制作而成；供試鈍化劑2為菌糠生物炭（pH 8.9；有機質67.5 g·kg-1；全氮1.9 g·kg-1；全磷2.4 g·kg-1；全鉀7.7 g·kg-1），將粉碎、過篩后菌糠放入坩堝中，在馬弗爐中500 ℃炭化4 h，冷卻至室溫。

1.2 試驗設計

土壤原位修復試驗，于2020 年7 月12 日在供試溫室大棚進行。設置3 個處理組：①不施加鈍化劑溫室土壤（CK，0）；②施加炭基肥處理組（T，4 797 kg·hm-2）；③施加菌糠生物炭處理組（S，4 797 kg·hm-2），具體處理組名稱及縮寫見表1。每個處理設3個重復，每個小區(qū)面積為4 m2。田間施加相應N、P2O5、K2O，維持每個處理中氮磷鉀水平一致。于2020年10月20日采集土壤樣品。

另設溫室栽培試驗6 個處理：①不施加鈍化劑土壤中種植北辰（CK-BC，0）；②施加炭基肥土壤中種植北辰（TBC，4 797 kg·hm-2）；③施加菌糠生物炭土壤中種植北辰（SBC，4 797 kg·hm-2）；④不施加鈍化劑土壤中種植金峰（CK-JF，0）；⑤施加炭基肥土壤中種植金峰（TJF，4 797 kg·hm-2）；⑥施加菌糠生物炭土壤中種植金峰（SJF，4 797 kg·hm-2）。每個處理6個重復，每個小區(qū)面積為11m2。于2020年7月12日向溫室土壤中施加鈍化劑，將鈍化劑和土壤均勻混合，耕作深度為20 cm，鈍化10 d后種植JF和BC 兩種白菜，各處理組名稱及縮寫如表1 所示，田間N、P2O5、K2O 施肥量與上述土壤修復試驗相同。于8 月20 日間苗，拔除長勢差幼苗，保留長勢優(yōu)良且相似幼苗繼續(xù)生長，栽種期間所有處理田間管理與當?shù)貍鹘y(tǒng)管理模式一致，及時防治蟲害、病害。于10月20日采收白菜樣品。

表1 各處理組名稱及縮寫Table 1 Names and abbreviations of each treatment group

1.3 樣品采集及測定

收獲時，用去離子水將白菜植株洗凈、擦干，分為可食用部分（葉）和不可食用部分（根），置于-80 ℃冰箱中冷凍保存。采集0～20 cm 土層土壤，去除雜草和石塊等雜物后，在陰涼通風處干燥，過2 mm 篩并收集篩下土壤，置于自封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1 白菜相關形態(tài)學指標測定

白菜形態(tài)學指標測定：用卷尺精確測量白菜株高、根長。取樣時測定植物株高，為土壤表面至植物葉片最高點距離；實驗室測定植物根長，樣品取回后用去離子水沖洗，擦干后測量主根長。用萬分之一分析天平準確稱量白菜鮮重。

1.3.2 白菜及土壤中鎘含量測定

白菜各部分鎘含量：參照《食品安全國家標準食品中鎘的測定》（GB 5009.15—2014）[13]。將各部分白菜樣品取0.5 g 于研缽中，加入適量液氮冷凍后研磨至勻漿狀，采用濕式消解法對樣品進行消解，消解完成在容量瓶中用1%稀硝酸定容至25 mL，取10 mL 過濾液體利用原子吸收分光光度計測定鎘含量。土壤中鎘含量：測定參照《GB/T 17141—1997土壤質量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》[14]。

1.3.3 遷移富集系數(shù)計算及不同形態(tài)鎘提取

鎘遷移系數(shù)及富集系數(shù)計算：白菜可食用部分（葉片）對鎘富集能力和鎘在植株體內遷移分別由富集系數(shù)（BCFs）和遷移系數(shù)（TFs）表征，通過對比植株各部分與土壤中鎘含量研究高、低積累白菜鎘遷移富集能力差異。公式如下：

式中， W葉鎘為白菜葉片部分鎘含量（mg·kg-1）；W根鎘為白菜根部鎘含量（mg·kg-1）；W土鎘為土壤中鎘含量（mg·kg-1）。

土壤中不同形態(tài)鎘含量：采用Tessier五步法[15]提取土壤中可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)鎘含量。

1.4 統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理，用Origin 2021軟件進行繪圖，用SPSS 23.0 ANOVA進行數(shù)據(jù)單因素分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 鈍化劑對溫室土壤中有效態(tài)鎘含量和鎘形態(tài)變化的影響

施用炭基肥與菌糠生物炭條件下，土壤中不同形態(tài)鎘含量（見圖1）。由圖1可知，施加菌糠生物炭與炭基肥，土壤中可交換態(tài)鎘由16.45%分別降至14.73%和13.92%，碳酸鹽結合態(tài)鎘由20.27%分別降至17.69%和15.43%，鐵錳氧化物結合態(tài)鎘由24.83%分別增至29.03%和28.98%，有機結合態(tài)鎘由21.72%分別增至25.11%和26.45%。整體上，可交換態(tài)鎘含量在兩種鈍化劑處理后顯著降低，結合態(tài)鎘總量顯著增加。表明鈍化劑施加可顯著降低鎘的生物有效性，將有效態(tài)鎘轉化為結合態(tài)，降低鎘在土壤中遷移能力。

圖1 不同處理對土壤中形態(tài)鎘組分的影響Fig.1 Effects of different treatments on cadmium species in soil

2.2 鈍化劑對鎘脅迫下白菜生物量影響

由圖2 可知，在施加菌糠生物炭和炭基肥后，兩種白菜葉片鮮重均顯著增加。與CK-JF 相比，在施加菌糠生物炭后，SJF 生物量從631.2 g 增至777.2 g，增長23.13%；而施加炭基肥后，TJF生物量增至719.5 g，漲幅為13.99%。JF 處理組中施加菌糠生物炭優(yōu)于施加炭基肥白菜葉鮮重。SBC 與CK-BC 相比，其葉片鮮重增長37.73%；在施加炭基肥后，與CK-BC 相比（539.5 g），TBC 葉片鮮重增至752.4 g。對比可知，CK-BC 處理組中施加炭基肥顯著優(yōu)于施加菌糠生物炭白菜葉鮮重。

圖2 不同處理對白菜葉鮮重的影響Fig.2 Effects of different treatments on fresh weight of Chinese cabbage leaves

由圖3 可知，為不同處理對白菜根鮮重的影響?？梢?，與CK-JF相比，SJF根鮮重從10.33 g增至12.23 g，增長18.39%；而在施加炭基肥后，TJF根鮮重顯著增至14.27 g。與CK-BC 相比，SBC 根鮮重從9.73 g 增至13.1 2 g，增長34.84%；TBC 的根鮮重顯著增至16.97 g。表明施加炭基肥和菌糠生物炭均可顯著提高兩種白菜根鮮重，且施加菌糠生物炭效果明顯優(yōu)于炭基肥。

圖3 不同處理對白菜根鮮重的影響Fig.3 Effects of different treatments on the fresh weight of Chinese cabbage roots

添加同一種鈍化劑處理鎘高低積累白菜時，效果也存在差異?？瞻讓φ战M中，CK-JF 和CKBC 生物量差異顯著，但SJF 和SBC 葉片和根部分生物量無顯著差異，說明菌糠生物炭添加顯著促進白菜生長，尤其鎘高積累白菜北辰生長，但SJF葉片鮮重更大。此外，在施加炭基肥后，TJF 和TBC各部分鮮重差異顯著，且炭基肥提高白菜生物量效果更好，尤其提高鎘高積累北辰生長，其葉片和根部分鮮重顯著提高。

無論是對高鎘積累北辰，還是低鎘積累金峰，施加炭基肥和菌糠生物炭鈍化劑后，均對白菜葉鮮重和根鮮重增長具有促進作用，且炭基肥和菌糠生物炭之間促進效果也存在顯著差異。結果表明，對于鎘低積累品種金峰來說，菌糠生物炭促進效果優(yōu)于炭基肥；對于鎘高積累品種北辰，炭基肥促進效果更好。

2.3 鈍化劑對鎘脅迫下白菜株高和根長的影響

由圖4 可知，在施加炭基肥和菌糠生物炭后，兩種白菜株高均顯著增長。與CK-JF（株高26.53 cm）相比，SJF 和TJF 的株高分別為27.90 和30.27 cm，增長5.28%和14.23%。SBC和TBC的株高較于CKBC 株高 25.19 cm 而言，分別增至 27.47 和 32.90 cm，增長9.05%和30.61%。由圖5可知，施加炭基肥和菌糠鈍化劑后，JF 根長顯著增長。與CK-JF（根長14.73 cm）相比，施加炭基肥后根長增至18.90 cm，增長28.28%；施加菌糠生物炭后，SJF 根長增至19.77 cm，漲幅為34.16%，與CK-BC（根長14.23 cm）相比，分別施加炭基肥和菌糠生物炭后北辰根長增長到19.10 和22.90 cm。結果表明，添加炭基肥和菌糠生物炭均可促進白菜株高和根長生長，從而促進植物生長[16]。此外，炭基肥和菌糠生物炭在處理同一品種白菜時，白菜株高和根長均存在顯著差異。

圖4 不同處理對白菜株高的影響Fig.4 Effects of different treatments on plant height of Chinese cabbage

圖5 不同處理對白菜根長的影響Fig.5 Effects of different treatments on root leghth of Chinese cabbage

綜上，兩種鈍化劑施加均可促進兩種白菜株高和根長生長，但炭基肥效果優(yōu)于菌糠生物炭。

2.4 鈍化劑對白菜各部分鎘積累量影響

施加菌糠生物炭和炭基肥后，白菜各部分吸收鎘含量及遷移和富集系數(shù)見表2。對JF 施加炭基肥后，葉和根兩部分鎘含量在施加炭基肥處理組中顯著降低。與不施加任何鈍化劑對照組相比，TJF 葉片部分鎘含量降低11.40%，根部分鎘含量降低10.21%。施加菌糠生物炭，SJF 處理組葉片和根部分鎘含量無顯著下降。表明炭基肥降低植株內鎘含量效果顯著優(yōu)于菌糠生物炭。BC 葉和根兩部分鎘含量在兩種鈍化劑處理下均顯著降低，SBC 和TBC 葉片部分鎘含量分別降低45.01%和70.21%；根部分鎘含量分別降低44.65%和69.45%。因此，施加炭基肥更有利于減少白菜各部分鎘含量富集。

表2 不同鈍化劑處理對白菜遷移富集系數(shù)的影響Table 2 Effects of different treatments on migration and enrichment coefficient of Chinese cabbage

由表2 中遷移系數(shù)（TF）及富集系數(shù)（BCFs）可知，在施加菌糠生物炭及炭基肥后，鎘在兩種白菜植株內富集顯著降低，但遷移并無顯著差異。施加炭基肥后，JF富集系數(shù)顯著降低。向BC施加炭基肥后，TBC 的 BCFs 由 0.328 降至 0.098，添加菌糠生物炭后降至0.181，降低44.82%。

在未添加鈍化劑條件下，北辰和金峰兩種白菜葉片和根部鎘含量差異顯著，表明植物對鎘吸收和轉運存在一定差異。炭基肥和菌糠生物炭添加，導致鎘在兩種白菜植株內富集發(fā)生不同程度變化。植物對鎘吸收主要與土壤中有效態(tài)鎘含量有關，炭基肥和菌糠生物炭添加可能降低土壤中有效態(tài)鎘含量[17-18]，從而減少白菜根部對鎘吸收，降低鎘富集系數(shù)。

試驗表明，在鎘污染水平較高溫室黑土中，施加炭基肥及菌糠生物炭均可有效降低鎘在植物內富集，使白菜葉片部分鎘含量明顯降低，對高積累白菜品種北辰，施用炭基肥后，葉片中鎘含量低于食品安全國家標準[13]（0.2 mg·kg-1），但對鎘在白菜植株內遷移影響不大。以上結果表明，在兩種白菜上施加炭基肥，降低鎘富集效果優(yōu)于菌糠生物炭。

3 討 論

3.1 鈍化劑對鎘的生物有效性和植物吸收的影響

重金屬鎘毒害性與鎘總量和遷移性鎘有關，還與環(huán)境中生物可利用性鎘密切相關[19]。鎘賦存形態(tài)可直接反映生物可利用性鎘有效性，有效性越高，對環(huán)境及生物危害程度越大[20]。直接影響土壤中可被植物所吸收鎘含量，從而影響植物體內鎘含量和植物生長發(fā)育[21]。土壤中重金屬形態(tài)主要包括可交換態(tài)（有效態(tài)）、結合態(tài)（碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)）和殘渣態(tài)。研究表明，土壤重金屬鈍化劑可通過物理和化學吸附、離子交換、絡合和沉淀等方式改變重金屬形態(tài)[22-23]，將可交換態(tài)轉化為結合態(tài)和殘渣態(tài)，降低重金屬有效性[24]，降低鎘生物有效性。因不同土壤鈍化劑其鈍化機理存在差異，本研究中施加炭基肥和菌糠生物炭對鎘鈍化機理可能存在差異。研究表明，生物炭鈍化特性良好，在土壤中施用生物炭可改善土壤理化性質及土壤中鎘的化學形態(tài)，有效鈍化土壤中鎘[25-26]。炭基肥具有優(yōu)良控釋吸附能力，可有效增加對土壤養(yǎng)分的固持。生物炭基肥表面富含活性官能團（硅氧基、烷氧基、氨基、胺基、羧基等）可與Cd發(fā)生絡合反應，使生物炭基肥對土壤中Cd發(fā)揮穩(wěn)定化作用[27]。

本研究中炭基肥和菌糠生物炭施用，顯著降低兩種白菜葉片鎘含量，減少土壤中可結合態(tài)鎘含量，增加結合態(tài)鎘含量。高譯丹等研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中施加生物炭可顯著降低可交換態(tài)鎘比例，增加碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)鎘比例[28]，與本研究結果一致。本研究中兩種鈍化劑均顯著降低鎘在白菜葉片中的富集，尤其顯著降低高積累白菜品種北辰中鎘的富集。在未施加任何鈍化劑處理前，北辰白菜可食用葉片部分鎘含量較高，高于食品安全國家標準（0.2 mg·kg-1）；施加鈍化劑處理后，炭基肥顯著降低北辰葉片部分鎘含量（＜0.2 mg·kg-1），有效降低其食用風險，可實現(xiàn)安全生產。金峰會少量吸收土壤中鎘，長期施用造成人體緩慢累積；施用炭基肥也能顯著降低金峰各部分對鎘的吸收，減輕其對人體健康危害。但本試驗中，兩種鈍化劑施加并未對白菜中鎘遷移能力產生顯著影響，可能是因鈍化劑添加后，植株本身對鎘的遷移能力并未發(fā)生變化[29]。

3.2 鈍化劑對鎘脅迫下白菜生長發(fā)育的影響

在鎘污染溫室黑土環(huán)境中，炭基肥和菌糠生物炭兩種鈍化劑處理均促進白菜生長發(fā)育，對兩種白菜生物量、株高和根長表現(xiàn)促進作用。相比菌糠生物炭，炭基肥促進植株生長效果更好，這可能由于菌糠生物炭雖表現(xiàn)良好鈍化結構，如活性官能團、高pH 和豐富空隙結構等[30]，但固定在生物炭上鎘可能會隨環(huán)境改變產生變化，如土壤酸堿度、陽離子交換量和有機質含量等[31]。而炭基肥可能由于其物理化學特性及組成，在降低根際土中可交換態(tài)鎘的同時，可為白菜提供大量有機質及各種微量元素，促進生長[17]。

本研究中，菌糠生物炭和炭基肥均可在不同程度上促進鎘高、低積累白菜生長發(fā)育，提高生物量，降低鎘高積累白菜葉片和根部鎘含量；炭基肥在有效降低高積累白菜可食用部分鎘含量方面效果更顯著。在中輕度鎘污染土壤中，更推薦使用炭基肥作為鈍化劑。

4 結 論

通過添加炭基肥和菌糠生物炭，可不同程度提高北辰和金峰兩種白菜生物量、株高和根長，降低白菜對重金屬鎘的富集，減少鎘對植株脅迫。兩種鈍化劑均可降低土壤中鎘的生物有效性，使土壤中可交換態(tài)鎘轉化為活性較低結合態(tài)鎘。

此外，在中輕度鎘污染溫室黑土環(huán)境中，施加炭基肥可有效降低鎘較高積累品種——北辰葉片部分鎘含量（＜0.2 mg·kg-1），實現(xiàn)安全生產。