丁艷萍， 夏煥煥， 謝芳芳， 李 玲

(新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆烏魯木齊 830046)

多年來，土壤中重金屬污染問題備受關(guān)注，關(guān)于土壤中重金屬的防治及修復(fù)技術(shù)正成為研究的重點。鎘(Cd)是植物非必需元素，但許多植物均能從水中和土壤中攝取Cd并在體內(nèi)累積，累積量取決于環(huán)境中Cd的含量和形態(tài)[1-2]。土壤中過量的Cd，不僅能在植物體內(nèi)殘留，還會在土壤及植物中遷移轉(zhuǎn)化，在食物鏈中積累和放大，對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生明顯的危害并影響動植物的生存[3]。由于Cd對人體危害的風(fēng)險水平超過汞(Hg)和鉛(Pb)的3～4個數(shù)量級[4]，故Cd的存在在很大程度上對人類健康構(gòu)成威脅。鈦(Ti)是一種非必需元素，可以通過加強植物葉部光合作用及根部固氮作用而達(dá)到增產(chǎn)的目的[5]。我國城市近郊農(nóng)田土壤由于大氣沉降、污水灌溉、農(nóng)藥使用、固體廢棄物堆放等問題，很多農(nóng)田都受到了不同程度的重金屬污染[6]，然而土壤中重金屬的污染往往是多種金屬同時存在的[7]，而這種復(fù)合污染受很多因素的影響，在治理中通常存在較大的難度。周坤等研究發(fā)現(xiàn)，噴施鋅(Zn)能夠提高番茄產(chǎn)量，同時番茄根部及葉部Cd含量最高[8]。Chlopecka等發(fā)現(xiàn)，添加鐵(Fe)的氧化物能夠顯著降低玉米及大麥Cd的含量，說明某些金屬在促進(jìn)植物生長的同時抑制重金屬在植物中的累積[9]。Ti通過不同方式進(jìn)入土壤中，常以TiO2的形式存在[10]。張文通等提出，TiO2吸收光子后，價帶上產(chǎn)生空穴，其他重金屬離子可作為受體被氧化，從而大大降低重金屬的危害，同時也提出利用TiO2修復(fù)重金屬Pb、銅(Cu)等原位修復(fù)法降低污染土壤重金屬治理的修復(fù)劑[11-13]。西北很多地區(qū)土地為鹽堿性土壤，具有特殊的理化特性，土壤偏堿性，目前針對鹽堿化土壤中Ti對重金屬Cd累積規(guī)律的研究卻鮮有報道。同時，油葵具有較強的耐受性[14]，因此本試驗采用油葵為供試作物，采用室內(nèi)靜態(tài)土培盆栽的方法，研究不同劑量外源Ti及Cd配施對油葵生長，Cd吸收和轉(zhuǎn)運作用的影響，探究Ti對重金屬Cd的影響，旨在為土壤中重金屬Cd的修復(fù)及鈦肥的合理施入提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及材料

供試土壤采自新疆某石化企業(yè)污水庫周邊農(nóng)田0～20 cm 表層土壤，土壤的采集采取棋局采點取樣法，每點相距2 m，每點取土2 kg。將采集的土壤經(jīng)室內(nèi)自然晾干后，剔除雜物、磨碎，過2 mm篩，置于自封袋中備用。前期經(jīng)粉末衍射分析，發(fā)現(xiàn)該土壤主要的礦物組分為長石、石英、伊利石、閃腳石等[15]。試驗中Ti與Cd分別使用分析純草酸鈦鉀(C4K2O9Ti·2H2O)及氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)。

1.2 試驗方法

植物中重金屬總量及土壤殘渣態(tài)含量均采用H2SO4-HClO4-HCl電熱板法消解。土壤形態(tài)分析采取Tessier連續(xù)提取技術(shù)提取[16]。所有試驗均進(jìn)行3組平行樣處理，用火焰原子吸收儀測定待測液中Cd的質(zhì)量濃度。ICP-MS測定土壤中重金屬的背景值。

1.3 形態(tài)分析和盆載試驗

分別稱取1.0 kg風(fēng)干土壤于16.5 cm(直徑)×12 cm(高)的塑料花盆中，以溶液的形式，按Cd單一脅迫[設(shè)0(對照)、5、10、20、30 mg/kg共5個處理]、Ti+Cd復(fù)合脅迫[設(shè) 0+0(對照)、500+5、1 000+10、2 000+20、3 000+30 mg/kg共5個處理]設(shè)置處理，并與土壤混合均勻，每個處理3次重復(fù)。為防止淋溶滲漏損失，花盆下方放置塑料托盤，若發(fā)生滲漏將滲漏液倒入花盆。平衡2個月后，于2015年4月在新疆大學(xué)5號樓511溫室內(nèi)進(jìn)行油葵的種植，培養(yǎng)期間用去離子水澆水，肥料均一次性施入作底肥，基肥中P(NH4NO3)、K(KH2PO4)的用量分別為250、109 mg/kg，N(NH4H2PO4和尿素)為 250 mg/kg。同時向盆中播入油葵籽，出苗后油葵每盆定苗3株。放置室內(nèi)培養(yǎng)，60 d后收獲。收獲時，用去離子水洗凈，并測定油葵地上、地下部分長度后，置于120 ℃下殺青30 min，然后85 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定其干質(zhì)量，再測定各部分的Cd含量。形態(tài)分布按照Tessier連續(xù)提取法將土壤中的Cd分成可交換態(tài)(EX)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(CARM)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(Fe-Mn)、有機質(zhì)結(jié)合態(tài)(OM)和殘渣態(tài)(RF)5個形態(tài)，其中有效態(tài)(或稱可利用態(tài))指前3個形態(tài)之和，因其活性高而能夠被植物吸收利用。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)的分析采用Excel 2010及SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件，對照和處理之間的總體差異性采用重復(fù)測量，并對數(shù)據(jù)采用Pearson相關(guān)性分析和LSD多重比較法進(jìn)行顯著性檢驗分析(P<0.05)。所有測定數(shù)據(jù)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表示，作圖采用Origin Pro 9.1軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)及各種金屬質(zhì)量比

土壤樣品的pH值7.97，呈弱堿性，有機質(zhì)含量非常低，為1.13 mg/g；陽離子交換量7.68 cmol/kg；堿化度為 41.66%，屬于堿性土；含水量低于2%，較干旱；其中速效磷含量86.30 mg/kg，速效鉀含量61.05 mg/kg，全氮含量165.14 mg/kg。從表1可知，土壤背景值全Ti含量為 2 011.4 mg/kg，含量較高；全Cd含量為0.50 mg/kg，未達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中的一般農(nóng)田Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(1.00 mg/kg)。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

2.2 Ti與Cd復(fù)合作用對油葵生長的影響

2.2.1 Ti與Cd復(fù)合作用對油葵株高和根長的影響 植物根系長度、株高等能夠很好地反映作物的生長狀況，根冠比(R/T)在植物的生長中有著很重要的意義[17-19]。當(dāng)植物根系吸收作用大于生長所需營養(yǎng)物質(zhì)及地上部消耗能力時，植物地上部分生長速度則大于根系生長速度；當(dāng)植物根系的吸收作用小于地上部所需營養(yǎng)物質(zhì)及蒸騰作用時，植物的地上部分生長速度將小于根系生長速度；根冠比低的植物，莖稈細(xì)小，葉片發(fā)育不良；根冠比適當(dāng)?shù)闹参?，莖稈粗壯，葉片生長較旺盛；而根冠比大的植物，植株矮壯，多花多果，抗逆性強。

由圖1可知，單施Cd及Ti與Cd復(fù)施均會抑制油葵株高及根長的增長，且隨著劑量的增大而顯著降低(P<0.05)。單施Cd及Ti與Cd復(fù)施對油葵株高及根長的影響與鎘鈦配施劑量有關(guān)，低添加量(5 mg/kg)單施Cd處理油葵的株高較空白對照組下降了11.0%，而高添加量(30mg/kg)處理油葵株高較空白組明顯下降了59.3%(P<0.05)。與株高相同，單施Cd抑制油葵根的生長，5、10、20、30 mg/kg鎘處理油葵根長分別較對照組明顯下降了39.4%、43.9%、46.5%、51.0%(P<0.05)。從表2可知，單施Cd時油葵根冠比隨Cd添加量的增大呈先增后降的趨勢，在Cd添加量為10 mg/kg時，根冠比達(dá)到最大值，此時土壤中Cd能夠在一定程度上促進(jìn)油葵地上部及根部生長，而當(dāng)Cd添加量>10 mg/kg時，油葵地上部分及根系的生長則逐漸受到抑制。

表2 Cd單施及Ti與Cd復(fù)合作用對油葵R/T的影響

Ti與Cd復(fù)合處理對油葵株高及根長影響均與施用添加量有關(guān)。低Cd低Ti(5、500 mg/kg)處理的株高顯著高于同等Cd添加量處理的低Cd組(5 mg/kg)；中添加量Cd、Ti對油葵株高有顯著影響(P<0.05)，可以看出，此時Ti的加入較單一Cd處理時Cd對油葵株高增長的抑制作用逐漸減弱；高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理的株高較對照組顯著下降了55.0%。與株高相似，低Cd低Ti(5、500 mg/kg)處理的根長高于同等Cd添加量處理的低Cd組(5 mg/kg)，Ti添加量>1 000 mg/kg時顯著抑制油葵根系的生長(P<0.05)。當(dāng)Cd添加量相同時，一定添加量(≤1 000 mg/kg)的外源Ti能夠促進(jìn)油葵的生長，表現(xiàn)為油葵根冠比增大(表2)，且中添加量Cd、Ti較單施Cd增加25.0%。但當(dāng)外源Ti添加量過大(>1 000 mg/kg)時反而會抑制油葵地上及根系的發(fā)育，根冠比均小于同添加量Cd單施。

2.2.2 Ti與Cd復(fù)合作用對油葵生物量的影響 由圖2可知，油葵地上部分的生物量大于地下部分，前者約為后者的10倍，單施Cd時，低添加量Cd促進(jìn)油葵地上部干物質(zhì)的積累，當(dāng)Cd添加量>10 mg/kg時，對油葵生物量的積累產(chǎn)生了一定的抑制作用，但未達(dá)顯著水平。同樣地，油葵地下部分干物質(zhì)累積量在低Cd處理時逐漸增大，隨著外源Cd的增加，整株油葵的生物量呈先增后降的趨勢，這與孫月美等的結(jié)論[14]基本一致。油葵總的生物量變化范圍為2.07～2.64 g。高Cd處理時，油葵的生長受到抑制，油葵的總生物量較對照降低了21.7%。

與單施Cd處理規(guī)律相同，Ti與Cd復(fù)合作用時，油葵地上部生物量隨外源Ti與Cd添加量的增加呈先增后降的趨勢，當(dāng)Ti與Cd達(dá)到1 000、10 mg/kg處理水平時，減緩了Cd對油葵地上部分的毒害作用，表現(xiàn)為地上部干物質(zhì)累積顯著增加(P<0.05)，達(dá)到最大值3.56 g，較對照組增加48.7%，同時顯著大于同等鎘處理(10 mg/kg)。而在高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理水平時，油葵的生長受到抑制，達(dá)到最小值1.15 g，并顯著小于對照(P<0.05)，較對照組下降51.6%。Ti與Cd復(fù)合對油葵地下部的生長與地上部規(guī)律相同，表現(xiàn)為油葵根部干物質(zhì)累積隨外源Ti與Cd添加量的增加呈先增后減趨勢。

總之，油葵總的生物量較少，是由于鹽堿土中鹽分離子含量較高，且有機質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)含量較少，同時土壤堿化度高，在油葵生長過程中，土壤產(chǎn)生了不同程度的板結(jié)，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)較差，影響土壤水分的滲入，不利于油葵干物質(zhì)的累積[20]。本研究中，外源Cd的添加，在一定范圍內(nèi)對油葵生物量的積累產(chǎn)生抑制作用，而外源Ti與Cd共同作用時，當(dāng)Ti的添加量 <1 000 mg/kg 時，對油葵地上部生物量的累積產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用，因為Ti的施入能夠促進(jìn)植物的光合作用[21]，此時油葵外觀表現(xiàn)為植株根莖變粗，葉片大而綠。在植物生長的過程中，隨著外源Ti添加量的增加，油葵的外觀表現(xiàn)為：地上部分葉片發(fā)黃，植株整體變細(xì)，根系有發(fā)黑現(xiàn)象，這是由于Cd在根部主要集中在質(zhì)體外，尤其是細(xì)胞壁中，細(xì)胞壁中的負(fù)電荷使金屬離子在細(xì)胞膜外富集起來，從而增加了跨膜梯度，可推動金屬離子進(jìn)入細(xì)胞，使Cd富集在油葵的根系中[22]。Cd也會通過抑制植物的光合作用、呼吸作用及其對水分的吸收，而使植物減產(chǎn)，生物量降低[23]，同時高添加量的Ti對植物生長也產(chǎn)生了一定的抑制作用[10]。

2.3 Ti與Cd復(fù)合作用對油葵Cd吸收、富集、轉(zhuǎn)運及耐受性的影響

2.3.1 Ti對油葵中Cd吸收及轉(zhuǎn)運作用的影響 植物體內(nèi)元素含量能夠直觀地反映吸收元素的能力及強度。同時為了表明油葵吸收轉(zhuǎn)運Cd的能力，本研究引進(jìn)轉(zhuǎn)運系數(shù)公式(TFr-s=C地下部/C地上部)，其中C地下部、C地上部分別表示地上部Cd含量、地下部Cd含量，TFr-s用來表征油葵根部向地上部轉(zhuǎn)運Cd的能力，可以說明轉(zhuǎn)運系數(shù)越大，植物對重金屬的轉(zhuǎn)運能力越強[24]。由圖3可知，油葵地下部分Cd含量均大于地上部分。單施Cd時，隨著外源Cd添加量的增加，油葵地上及地下部分Cd含量也呈現(xiàn)出顯著遞增的趨勢(P<0.05)。不同添加量Cd單施處理油葵中Cd含量較空白對照分別增加19.1%、50.6%、99.7%、108.0%。由圖4可知，Ti與Cd復(fù)合處理時，油葵地上部Cd添加量隨Cd添加量的增加整體呈先增后減再增的趨勢，當(dāng)Cd、Ti添加量為10、1 000 mg/kg時，地上部Cd含量達(dá)到最小值4.69 mg/kg，較同等劑量Cd處理(10 mg/kg)下降15.7%。然而，高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理時，Ti的加入?yún)s促進(jìn)了油葵地上部對Cd的吸收，此時地上部Cd含量達(dá)到最大值 8.26 mg/kg，是空白對照的1.29倍，較同等添加量Cd單施處理(30 mg/kg)增加9.1%。與油葵地上部不同，當(dāng)Ti與Cd復(fù)合處理的Ti添加量<1 000 mg/kg時，會對油葵根部積累Cd產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用；當(dāng)外源Ti添加量超過這個范圍時，Ti的促進(jìn)作用受到抑制，說明存在一定的拮抗作用，表現(xiàn)為油葵根部Cd含量隨外源Cd、Ti添加量的增加呈先增后降的趨勢，并在Cd、Ti添加量為10、1 000 mg/kg時達(dá)到最大值16.67 mg/kg，是對照組的2.57倍，在高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理時，達(dá)到最小值1.76 mg/kg，較對照降低72.8%。

單施Cd會抑制Cd從油葵根部向地上部的轉(zhuǎn)運，且Cd在油葵中的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于無外源添加時，并隨外源Cd添加量的增加整體呈先降低的趨勢。這說明施Cd抑制油葵地下部向地上部的轉(zhuǎn)運，且隨Cd添加量的增加，抑制作用越強，這也說明Cd在土壤及油葵中有較強的移動性。而Ti與Cd復(fù)合處理時，油葵中Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)隨Cd添加量的增加呈先略降后急劇增的趨勢，并于高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理時達(dá)到最大值4.69，是空白對照的8.42倍(圖4)。說明土壤中外源Ti的加入，在一定范圍內(nèi)能夠顯著提高油葵中Cd由地下部向地上部轉(zhuǎn)運的能力。

2.3.2 Ti與Cd復(fù)合作用下油葵對土壤中Cd的富集作用 為了研究油葵不同部位對土壤中Cd的富集作用，本研究引進(jìn)地上部鎘富集系數(shù)公式(BCFCd-shoot=C地上部/C土壤)和地下部鎘富集系數(shù)公式(BCFCd-root=C地下部/C土壤)[24]，表征油葵不同部位富集鎘的能力，式中，C地上部、C地下部、C土壤分別指地上部鎘含量、地下部鎘含量與土壤中鎘含量。由圖5可以看出，單施Cd對油葵Cd富集有一定的抑制作用。油葵地下部分(主要指根部)對Cd的富集作用整體要大于地上部分對Cd的富集作用。相同添加量Cd處理下，油葵地上部Cd富集系數(shù)單施Cd與Ti、Cd復(fù)合處理變化趨勢相差不大，均隨處理添加量的增加呈顯著的先降低后緩慢增加的趨勢，且均在Cd添加量為10 mg/kg時，達(dá)到最小值。單施Cd處理時，油葵地下部(主要指根部)Cd富集量隨外源Cd添加量的增加呈先急劇下降后緩慢增加再急劇下降的趨勢，各處理組間差異顯著(P<0.05)，在未添加外源Cd時，根部Cd富集系數(shù)最大，為3.36；在高Cd(30 mg/kg)處理時，根部Cd富集系數(shù)最小，為0.22，較對照組降低93.5%。不同的是，Ti與Cd復(fù)合處理時，油葵根部Cd富集系數(shù)則隨Ti與Cd添加量的增加整體呈先降后增的趨勢，且各處理間有顯著差異(P<0.05)。當(dāng)土壤中添加外源Ti的添加量超過1 000 mg/kg時，油葵根部Cd的富集系數(shù)呈顯著增加的趨勢，并在高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理時，達(dá)到最大值4.12，較對照組顯著增加22.6%，此時油葵的外觀表現(xiàn)為根部發(fā)黑、生長受到明顯的抑制。

2.3.3 Ti與Cd復(fù)合作用對油葵耐受性的影響 耐性指數(shù)(tolerance index，TI)以地上部干質(zhì)量或根干質(zhì)量表示，其中TIshoot指油葵地上部干質(zhì)量與對照組的比值，TIroot指油葵地下部分干質(zhì)量與對照組的比值[25]。TI用來表征油葵對不同處理條件下的耐受性，當(dāng)TI>0.5時，表明這種植物對此重金屬在環(huán)境中生長情況較好，有較強的耐受性；當(dāng)TI<0.5時，則反之，同時也說明這種植物在該種土壤條件中很難生存。由圖6可以看出，添加外源Ti后，油葵地上部分和地下部分的耐性指數(shù)整體高于單施Cd時的耐性指數(shù)，且均大于0.5，說明油葵耐Cd的性能較強，同時施Cd對油葵地下部分的毒害作用更大。單施Cd時，油葵TIshoot隨Cd添加量的增加呈先增后減的趨勢；Ti與Cd復(fù)合作用時，油葵TIshoot呈先增后降趨勢，并在高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理時達(dá)到最小值0.61，較對照組下降66.2%，此時油葵地上部耐Cd脅迫的能力較弱。油葵根部的TI在單施Cd及Ti與Cd復(fù)合處理時均表現(xiàn)出相同規(guī)律，即呈先增加后下降的趨勢，其中Ti與Cd復(fù)合處理時各處理間差異顯著(P<0.05)，當(dāng)Ti添加量≤ 1 000 mg/kg 時，油葵TIroot隨Ti添加量的增加而增加并在Ti為1 000 mg/kg時達(dá)到最大值，此條件下Ti的施入提高了油葵在土壤中的抗逆性。高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理時油葵耐Cd能力不如相同劑量時單施Cd處理，也就是說高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)處理時油葵整體的耐性下降。雖然適量Ti能夠通過參與植物新陳代謝過程，提高植物對養(yǎng)分的吸收、利用和運轉(zhuǎn)能力，促進(jìn)植物生長，但一旦過量，則會對油葵產(chǎn)生一定的毒害作用，并影響其對Cd的耐受能力。

2.4 油葵種植前后土壤中Cd的有效態(tài)變化情況

由表3可知，鎘元素在種植油葵前的土壤中的有效態(tài)含量與全量呈一定關(guān)系的正相關(guān)，鎘元素在土壤中的含量呈遞增趨勢，且高Cd(30 mg/kg)處理時達(dá)到最大值16.68 mg/kg。這一結(jié)果與孫月美等的研究結(jié)果[14]較為一致，而Ti與Cd復(fù)合作用時，有效態(tài)Cd含量隨Cd添加量增加沒有表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

種植油葵后的土壤中Cd有效態(tài)含量隨Cd添加量的增加呈顯著遞增趨勢(P<0.05)，與種植前呈現(xiàn)出相同規(guī)律，但整體小于種植前。此時，未添加外源Cd的對照土中有效態(tài)Cd含量較種植油葵前降低了94.8%。低(5 mg/kg)Cd處理時，種植油葵后的土壤中有效態(tài)Cd含量為最小值1.32 mg/kg，較種植油葵后土壤降低 74.4%；高Cd(30 mg/kg)處理時，達(dá)到最大值6.96 mg/kg，較種植前降低了58.3%。另外，回歸方程的相關(guān)系數(shù)表明，種植油葵后土壤中有效態(tài)Cd含量與全量有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.90以上。土壤中有效態(tài)Cd含量隨各處理添加量的增加呈遞增關(guān)系，結(jié)合油葵對Cd的作用可知，Ti、Cd復(fù)合處理的Ti添加量>1 000 mg/kg時，油葵的耐性減小，富集能力減弱，剩余未吸收部分則殘留在土壤中。

3 結(jié)論

施Cd對油葵生長的影響與Cd在油葵中存在的部位有關(guān)，低添加量(10 mg/kg)Cd時，促進(jìn)油葵地上部及根部生長，高添加量(≥10 mg/kg)Cd時卻抑制其生長。

施入低添加量(<1 000 mg/kg)Ti能夠減緩Cd對油葵的脅迫，表現(xiàn)為油葵地上部干物質(zhì)的生物量隨Ti添加量的增加呈遞增趨勢。高添加量(≥2 000 mg/kg)Ti時，抑制油葵的生長，表現(xiàn)為油葵地上部及根部干物質(zhì)的生物量隨Ti劑量的增加呈降低趨勢。

種植油葵后土壤中的Cd有效態(tài)含量遠(yuǎn)低于種植油葵前， 說明油葵對Cd的富集效果較好。綜合油葵的株高，干質(zhì)量、對土壤中Cd富集作用等指標(biāo)，本研究推薦污染嚴(yán)重地區(qū)種植油葵時，根據(jù)Ti ∶Cd(質(zhì)量比)≤100 ∶1時，Ti添加量≤1 000 mg/kg 作為修復(fù)Cd污染土壤的最佳添加量。

表3 油葵修復(fù)前后土壤中Cd的有效態(tài)變化