陳嵩岳，郭家園，冷 粟，王娟輝，張振斌，陳力可，劉 淼

（吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130021）

土壤是一個(gè)復(fù)雜的體系，一旦遭受重金屬污染將難以徹底清除，具有長期性和不可逆性.鎘是一種極具生物毒性的環(huán)境污染元素，其在土壤中的累積不僅影響土壤的生態(tài)功能，還可通過土壤－植物系統(tǒng)危害作物生長以及通過食物鏈途徑最終危害人類健康［1］.施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的一項(xiàng)增產(chǎn)措施，即使在污染土壤上亦是如此.肥料進(jìn)入土壤后可對(duì)土壤產(chǎn)生一系列影響，這些都會(huì)影響到植物對(duì)重金屬元素的吸收.施肥主要通過以下兩種途徑影響植物對(duì)土壤中重金屬的吸收：一是植物生長吸收肥料的過程；二是根系和地上部分的生理代謝過程，或是重金屬在植物體內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程進(jìn)而間接影響重金屬元素的吸收.因此，研究在污染農(nóng)田中施肥對(duì)植物重金屬吸收的影響具有重要的意義［2］.

鎘是毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，在自然界普遍存在［3］.土壤中鎘的來源分為天然來源和人為來源.前者主要來自于巖石和礦物的本底；后者主要來源于工業(yè)“三廢”和含鎘化肥的大量施用.在重金屬元素中，鎘的潛在毒性僅次于汞，但鎘的污染更易產(chǎn)生大的危害［3］.植物能夠吸收土壤中的可溶態(tài)鎘，當(dāng)鎘進(jìn)入植物體內(nèi)并且積累到一定程度時(shí)，植物便會(huì)出現(xiàn)毒害癥狀.鎘在土壤中一般在表層累積，而且一旦在土壤中累積就很難消除，成為持久性污染物.鎘的存在形態(tài)受土壤質(zhì)地、pH值等條件影響差異很大，水溶態(tài)鎘是植物吸收鎘的直接來源［4］.目前，如何有效清除污染土壤中的鎘已成為科學(xué)家共同關(guān)注的難題.植物修復(fù)技術(shù)以其潛在的高效、廉價(jià)及環(huán)境友好性越來越受到重視，近年來，植物對(duì)鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及解毒機(jī)制方面的研究取得了很大進(jìn)展，為植物修復(fù)鎘污染土壤奠定了基礎(chǔ)［5］.

本試驗(yàn)以小蘿卜為試材，通過盆栽試驗(yàn)的方法在土壤中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的金屬鎘，探討了在肥料的作用下，小蘿卜在鎘污染土壤中的生長情況及植株體內(nèi)鎘的累積效應(yīng).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤為質(zhì)地均勻的東北黑土.取風(fēng)干后的土壤過0.149mm細(xì)篩，稱取一定量的土壤進(jìn)行基本性狀的測定.有機(jī)質(zhì)含量測定采用K2CrO7氧化法；土壤pH采用電位法，在w水∶w土＝2.5∶1條件下用雷磁PHS－3B測定；全鎘含量采用HNO3－HClO4消解后原子吸收分光光度法測定；土壤有效鎘含量采用0.1mol／L HCl浸提后用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)測定［6］，結(jié)果見表1.

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

試驗(yàn)植物為小蘿卜，由吉林省蔬菜花卉科學(xué)研究所提供.肥料由廢舊報(bào)紙自制：用10%的HNO3溶液和10%的H3PO4溶液按照一定比例加入裝有40g報(bào)紙碎屑的燒杯中，浸泡1h后用KOH中和至pH＝8；加熱使酸性混合物由灰色變成棕褐色；在107℃干燥爐內(nèi)進(jìn)行干燥處理后進(jìn)行研磨，即得所需肥料.

1.2 實(shí)驗(yàn)處理及培養(yǎng)方法

設(shè)置鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，10，20，40mg／kg，相當(dāng)于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）的0，10，20，40倍［7］.將Cd（NO3）2·4H2O配成溶液后與土壤混合.肥料的用量為0，1，3，5g／kg.采用盆栽試驗(yàn)，每盆裝土1kg，共16組，每組4盆平行樣.平衡一周后播種，待生長5周后收獲.

1.3 測定方法

（1）生物量的測定.在種植的第5周收割小蘿卜，用自來水將各組小蘿卜洗凈后，再用蒸餾水洗滌，擦干表面水分.每組共取16株樣品，用電子天平稱量每株苗的鮮重，用直尺測量植株的根長、株高、葉寬，取平均值作為指標(biāo)值.

（2）小蘿卜中鎘的測定.樣品預(yù)處理：準(zhǔn)確稱取5.0g鮮樣，剪碎后倒于50mL錐形瓶中，加入5mL濃HNO3、3mL濃H2O2，55℃～65℃恒溫水浴加熱，3.5h后樣品完全溶解，取出冷卻20h后過濾，移入25mL容量瓶中，定容.每組取3個(gè)平行樣，同時(shí)做試劑空白對(duì)照［8］.將處理后樣品于PerkinElmer A600型石墨爐原子吸收分光光度計(jì)上進(jìn)行分析，測定樣品的鎘含量.

（3）土壤的消解.樣品預(yù)處理：分別在距離土壤表面3，6，9cm處取上、中、下3層土壤，待土壤風(fēng)干后，過0.149mm細(xì)篩；準(zhǔn)確稱取1g土壤倒于50mL錐形瓶中，加水濕潤，加12mL濃HNO3、3mL濃HClO4置于電熱板上加熱，3.5h后樣品完全溶解，土壤呈灰白色或淡黃色；加適量蒸餾水，冷卻20h后過濾；移入到25mL容量瓶中，定容，搖勻［8－10］.將處理后樣品于PerkinElmer火焰原子吸收分光光度計(jì)上進(jìn)行分析，測定樣品鎘含量.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎘污染與肥料處理對(duì)小蘿卜生物量的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎘污染與肥料處理下小蘿卜根長、株高、葉寬和鮮重的測定結(jié)果見表2.

由表2可以看出，肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10mg／kg時(shí)，根長指標(biāo)與空白對(duì)照相比提高了20.1%；鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20mg／kg和40mg／kg時(shí)，根長指標(biāo)與空白對(duì)照相比分別降低了11.6%和13.7%，抑制了小蘿卜根的生長.當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1g／kg、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)，小蘿卜根長指標(biāo)與空白對(duì)照相比提高了14.0%；金屬鎘加入時(shí)，肥料的施加抑制了小蘿卜根的生長，隨著鎘污染濃度的增加，抑制趨勢顯著.當(dāng)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40mg／kg時(shí)，根長與空白對(duì)照相比降低了13.7%.但隨著肥料濃度的增加，鎘對(duì)小蘿卜根生長的抑制作用沒有顯著變化.原因是肥料的施加促進(jìn)了根對(duì)土壤中各種物質(zhì)的吸收，當(dāng)植物根部對(duì)重金屬吸收時(shí)，根細(xì)胞壁中存在大量交換位點(diǎn)，能將重金屬離子交換吸收或者固定.有研究表明，金屬鎘大部分集中在植物的根部，肥料的施加雖然促進(jìn)了植物對(duì)所需物質(zhì)的吸收，同時(shí)也促進(jìn)了小蘿卜對(duì)金屬鎘的吸收，導(dǎo)致鎘在小蘿卜根部積累，而鎘抑制其根部生長的效應(yīng)顯著大于肥料對(duì)其根部生長的促進(jìn)作用，抑制了根的進(jìn)一步生長［11］.說明鎘污染對(duì)小蘿卜根的生長有顯著的抑制作用，肥料的施加使這種抑制作用更為顯著.

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎘污染與肥料處理對(duì)小蘿卜生物量的影響

株高的影響分析表明，無論是否加入肥料，當(dāng)鎘污染的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10mg／kg和20mg／kg時(shí)對(duì)小蘿卜株高的影響均不顯著.當(dāng)鎘污染的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40mg／kg時(shí)，在不添加肥料的情況下，金屬鎘對(duì)小蘿卜株高的生長沒有顯著影響；在施加肥料的情況下，鎘污染對(duì)小蘿卜株高的生長有抑制作用.無論是否加入金屬鎘，肥料的施加對(duì)小蘿卜株高都有不同程度的促進(jìn)作用；當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3g／kg時(shí)，這種促進(jìn)作用最為顯著.鎘污染對(duì)小蘿卜葉寬和鮮重的影響并不顯著，肥料的施加促進(jìn)了小蘿卜葉的生長.李德明等的研究表明，鎘在植物不同器官的分布量依次為根部、葉片、葉柄［12］，這與表2中鎘污染明顯抑制了小蘿卜根的生長而對(duì)株高和葉寬影響不顯著的結(jié)論一致.

2.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎘污染與肥料處理對(duì)小蘿卜根系耐性指數(shù)（RTI）的影響

根系耐性指數(shù)（RTI）是各處理組根系長度與對(duì)照根系長度的比值，能夠較好地反映植物對(duì)重金屬污染的耐性情況.由圖1可見，施加肥料且無鎘污染的3組小蘿卜根系耐性指數(shù)均大于1.0；加入鎘污染的各處理組中，僅鎘污染的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10mg／kg，且不加肥料組的根系耐性系數(shù)大于1.0，其余都小于1.0，小蘿卜根部生長均受阻.鎘污染的各處理組中，不施加肥料的處理組根系耐性系數(shù)普遍高于加入肥料的處理組.在鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40mg／kg、肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5g／kg時(shí)，根系耐性系數(shù)最低；從植物生長狀態(tài)看，在此濃度下小蘿卜根部短小、葉邊緣卷曲，有明顯的失綠癥狀.由此可見，高濃度的鎘污染使鎘離子在根部大量積累，降低了鎘離子向地上部位運(yùn)輸?shù)男剩绊懥烁可L.

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎘污染與肥料處理下小蘿卜根系耐性指數(shù)

2.3 鎘在小蘿卜地上和地下部分的含量與分布

由圖2可見，當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，且加入鎘污染時(shí)，小蘿卜地上部分鎘含量高于加入肥料的各處理組，且隨著土壤鎘污染水平的增大，小蘿卜地上部分鎘含量也相應(yīng)增高.加入肥料后，地上部分鎘含量明顯降低，并且當(dāng)鎘污染水平較高時(shí)，加入的肥料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，地上部分鎘含量越低.無肥料處理組中，小蘿卜地下部分鎘含量隨著土壤鎘污染水平的增大而增加；加入肥料的各處理組地下部分鎘含量都有不同程度的增加，并且當(dāng)土壤鎘污染水平較高時(shí)，加入的肥料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，地下部分鎘含量越高.施加肥料后地下部分鎘含量明顯高于地上部分，并且肥料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，差距越顯著.當(dāng)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40mg／kg、肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5g／kg時(shí)，小蘿卜根對(duì)鎘的吸收高于其他各組，吸收量與鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40mg／kg、肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)相比增加了209.6%.

圖2 小蘿卜地上與地下部分鎘含量比較

2.4 鎘在小蘿卜中的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）

轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）是植物地上部重金屬含量與其根部重金屬含量的比值［9］.由圖3可知，無肥料組的TF值隨著鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增高，當(dāng)鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40mg／kg時(shí)，TF值＞1，說明在不添加肥料的情況下，地下部分的鎘含量隨著鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大.同時(shí)，小蘿卜根部積累的鎘通過植物的蒸騰作用向植物的莖葉等地上部分轉(zhuǎn)移［13］.肥料的加入促進(jìn)了植物根部的吸收，大量的鎘被富集在根部，且隨著鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高，根部對(duì)鎘的吸收也增強(qiáng).由圖3可知，加入肥料后，TF值隨著鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而降低，且TF值最低為0.20.說明根部向莖葉部分轉(zhuǎn)移鎘的能力顯著低于根部吸收鎘的能力，在鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20mg／kg和40mg／kg時(shí)，小蘿卜的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.36和0.32，表明小蘿卜吸收的鎘大部分集中在根部，鎘污染抑制了小蘿卜根部生長，說明根系是小蘿卜積累鎘的重要器官.

圖3 鎘在小蘿卜中的轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.5 不同土壤層次的含鎘量

圖4是盆栽結(jié)束后不同層次土壤的鎘含量測定結(jié)果.由圖4可見，與種植前相比，土壤中鎘含量均有所下降，分析原因可能是小蘿卜種植期間每次澆水時(shí)部分金屬鎘會(huì)以離子形式隨著水溶液由花盆底部的透風(fēng)空隙滲透出來，造成鎘的流失；另一個(gè)可能的原因是由于小蘿卜根系的吸收和代謝作用將土壤中的鎘通過根部吸收到其體內(nèi)，并將部分鎘向地上部分運(yùn)輸.當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1g／kg和3g／kg時(shí)，鎘含量在土壤下層（距離土壤表面9cm處）降低顯著，分析原因?yàn)楦浚ǜL約5cm）吸收距離土壤表面5cm左右的鎘，深處的鎘由于土壤中的濃度差向上遷移，導(dǎo)致下層含量降低.各污染濃度下，土壤各層含鎘量所呈現(xiàn)的規(guī)律大體相同，分別為中層含量大于上層和下層，分析原因?yàn)楦恐饕谥袑訉?duì)鎘進(jìn)行吸收，由于濃度差導(dǎo)致其上層和下層的鎘向中層遷移.當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5g／kg時(shí)，小蘿卜根部吸收范圍主要在土壤表層下3cm左右（此濃度下根長約為2.5cm），由于各層鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異，導(dǎo)致輕度鎘污染的土壤上層含鎘量降低，下層和中層的鎘向上遷移，整體呈現(xiàn)鎘含量中層＞上層＞下層的趨勢.中度污染土壤的鎘含量為中層＞下層＞上層，分析原因是污染濃度較高，導(dǎo)致鎘在下層向上層的遷移效果不顯著.重度污染的土壤呈現(xiàn)鎘含量上層＞中層＞下層的規(guī)律，分析原因?yàn)殒k濃度的差異使大量的鎘向上遷移，最終累積到根部.［14－19］

圖4 各層土壤中鎘含量

3 結(jié)論

（1）鎘污染對(duì)小蘿卜根的生長有顯著的抑制作用，肥料的施加使這種抑制作用更為顯著.

（2）無論是否加入金屬鎘，肥料的施加對(duì)小蘿卜株高都有不同程度的促進(jìn)作用，當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3g／kg時(shí)，這種促進(jìn)作用最為顯著.在施加肥料的情況下高濃度鎘對(duì)小蘿卜的株高有抑制作用.鎘污染對(duì)小蘿卜葉寬和鮮重的影響并不顯著，肥料的施加促進(jìn)了小蘿卜的生長.

（3）鎘污染的各處理組中，不施加肥料的各處理組根系耐性系數(shù)普遍高于加入肥料的處理組，說明肥料的加入提高了根部對(duì)鎘的吸收能力，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的肥料阻止了鎘離子進(jìn)一步向地上部分運(yùn)輸，從而在根部積累，影響根部生長.根部向莖葉部分轉(zhuǎn)移鎘的能力顯著低于根部吸收鎘的能力，表明植物吸收的鎘大部分集中在根部；鎘污染抑制植物根部生長，說明根系是小蘿卜積累鎘的重要器官.

（4）小蘿卜通過根部對(duì)鎘進(jìn)行富集，根的長度和吸收位置影響土壤中鎘的分布.

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