劉藝蕓，徐應(yīng)明*，黃青青，秦 旭，趙立杰

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所農(nóng)田重金屬污染修復(fù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，天津 300191；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地環(huán)境污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191）

近些年來，農(nóng)田土壤重金屬鎘（Cd）污染問題已經(jīng)引起了全社會的廣泛關(guān)注。重金屬Cd不是植物必需元素，但極易于被植物吸收和富集[1-2]。在所有農(nóng)作物中，蔬菜最易受到土壤重金屬Cd污染危害[3]，并通過食物鏈的富集作用危害人類健康。農(nóng)田土壤重金屬鈍化修復(fù)技術(shù)是目前農(nóng)田重金屬Cd污染治理最常用的方法之一[4]。常見的鈍化材料主要包括：黏土礦物、硅鈣物質(zhì)、生物炭、含磷材料、有機(jī)物料，金屬及其氧化物等[5-8]。海泡石是一種天然的纖維狀鎂硅酸鹽黏土礦物，兼具較高的吸附容量和離子交換能力，能夠通過特殊結(jié)構(gòu)和較大的比表面積吸收土壤中的重金屬。課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)海泡石能夠有效降低土壤中重金屬Cd的生物有效性及其在農(nóng)作物地上可食部位的吸收累積[9-10]，但在實(shí)際應(yīng)用中其修復(fù)效果會受到土壤水分管理的明顯影響[11-12]；同時，施用有機(jī)肥對海泡石鈍化修復(fù)效果同樣存在不同程度的影響[13-14]。但從現(xiàn)有文獻(xiàn)報道來看[15-17]，單一水分或施肥對土壤重金屬Cd污染鈍化修復(fù)效應(yīng)影響研究較多，而有關(guān)水肥耦合共同作用對農(nóng)田重金屬Cd污染鈍化修復(fù)效果影響報道很少，導(dǎo)致缺乏水肥耦合與單一水分或施肥管理間作用效果的對比。因此，研究水肥耦合對鈍化修復(fù)效應(yīng)的影響，對于Cd污染農(nóng)田鈍化修復(fù)下開展科學(xué)合理的水肥管理，降低不適當(dāng)?shù)乃使芾砜赡軐?dǎo)致的對鈍化修復(fù)效果的不利影響具有重要意義。

本文通過油菜盆栽試驗(yàn)研究了海泡石鈍化修復(fù)下，土壤處于飽和持水量的60%～65%和100%時，施用蚯蚓糞肥對油菜生長及其吸收累積土壤重金屬Cd行為的影響，并通過測定土壤pH值、可溶性有機(jī)質(zhì)（DOM）及微量元素有效態(tài)含量，分析水肥耦合對鈍化效應(yīng)的影響機(jī)制，為菜地重金屬Cd污染鈍化修復(fù)中科學(xué)的水肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試油菜（Brassica Chinensis L.）品種為四月慢；供試土壤采自湖南省郴州市，其基本理化性質(zhì)為：pH 6.21，陽離子交換量25.3 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)3.46%，全氮 42.98 mg·kg-1，有效磷 9.34 mg·kg-1，速效鉀 182.7 mg·kg-1，總 Cd 2.45 mg·kg-1，商品有機(jī)肥為蚯蚓糞有機(jī)肥（WOF）；供試海泡石（SP）為天然黏土礦物材料制備，含少量白云石和滑石等雜質(zhì)，pH值為10.1，CEC 18.0 cmol·kg-1，BET 比表面積為 22.3 m2·kg-1，孔徑為1.4 nm。X射線衍射分析表明其主要成分為Mg3Si2-（OH）4O58.0%，Si3O6·H2O 9.0%，CaMg-Si2O618.1%。蚯蚓糞有機(jī)肥的基本性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

蚯蚓糞肥風(fēng)干并過2 mm篩備用，準(zhǔn)確稱取2.0 kg土壤，以大田作物施肥量的2倍施入基肥，氮素以尿素形式加入，磷、鉀以磷酸二氫鉀形式加入，N、P2O5和K2O用量分別為0.15、0.18 g·kg-1和0.12 g·kg-1土。具體試驗(yàn)設(shè)計見表2，共16個處理，每個處理重復(fù)3次。2017年4月7日，將材料與土壤混勻裝盆（直徑25 cm，深19 cm），用去離子水澆至75%的田間持水量平衡30 d。種子直接播種至盆中，在油菜4片真葉期間間苗至4株。試驗(yàn)用盆采用隨機(jī)區(qū)組排列，間歇性輪換以保證生長條件一致。

水分處理包括常規(guī)持水量（NM）和飽和持水量（WS），分別為飽和田間持水量的60%～65%、100%[飽和田間持水量（Φ）測定：稱取2.0 kg供試土壤，底部打孔并在大盆中靜置24 h，取出后頂部加蓋靜置24 h至不再有水滴出，稱重確定Φ]。油菜定苗后開始水分處理，用稱重法補(bǔ)充水分，35 d后收獲。

表1 蚯蚓糞有機(jī)肥性質(zhì)分析Table 1 Selected characteristics of wormcast

表2 試驗(yàn)設(shè)計Table 2 Experimental setup

1.3 樣品采集與分析

油菜收獲時將植物根系上附著的少量土壤抖落，作為根際土，自然風(fēng)干磨碎過1 mm篩備用。植株用自來水和去離子水洗凈擦干，稱量鮮質(zhì)量（g·株-1）。用不銹鋼剪刀在根莖連接處剪斷，接著用天平稱取地上部及根部鮮質(zhì)量，精確到0.01 g。鮮樣裝入牛皮紙信封，放入鼓風(fēng)烘箱，90℃殺青30 min，然后于70℃烘干至恒質(zhì)量，取出后迅速稱取此時的質(zhì)量，此為植株地上部及根部的干質(zhì)量（g·株-1），用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎備用。

油菜樣品中Cd含量測定：采用HNO3消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（iCAP Q，美國賽默飛世爾儀器公司）測定。在整個測定過程中植物樣品采用煙草標(biāo)樣（GBW08514）和空白樣品進(jìn)行全程質(zhì)量控制。

土壤pH值測定：采用水土比2.5∶1浸提后用pH計（PB-10，Sartorius，Germany）測定[18]。

土壤可溶性有機(jī)物（DOM）測定：土壤溶液中DOM濃度用水溶性有機(jī)碳含量（DOC）表征，采用水土比5∶1浸提8 h用TOC分析儀（Vario TOC，Elementar德國元素）直接測定。

土壤有效態(tài)Cd、Cu、Zn和Mn的提取和測定：采用DTPA浸提-火焰原子分光光度計（ZEEnit 700P，德國耶拿分析儀器有限公司）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果用3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（Mean±SE）來表示，采用Microsoft Excel和SAS 9.4進(jìn)行統(tǒng)計分析，并用Origin 8.5.1制圖。油菜對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)和根系Cd特異性吸收系數(shù)計算公式[19]如下：

轉(zhuǎn)移系數(shù)=油菜地上部Cd含量（mg·kg-1）/油菜根部Cd含量（mg·kg-1）

根系Cd特異性吸收系數(shù)（mg·kg-1）=[根部Cd含量（mg·kg-1）×根部干質(zhì)量（g）+地上部Cd含量（mg·kg-1）×地上部干質(zhì)量（g）]/根部干質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈍化修復(fù)下水肥耦合對油菜生物量的影響

圖1為不同處理下油菜地上部生物量。由圖1可見，當(dāng)土壤處于常規(guī)持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理對油菜生物量無顯著影響，與單一海泡石處理相比，鈍化修復(fù)下施用蚯蚓糞肥油菜生物量降低5.6%～24.7%，但與對照比并無顯著性差異；當(dāng)土壤達(dá)到飽和持水量時，與對照相比，單一蚯蚓糞處理使油菜生物量顯著增加，但與單一海泡石處理比，施用蚯蚓糞對油菜生物量同樣無顯著性影響。與常規(guī)持水量比，提高土壤持水量可以顯著增加油菜生物量（P＜0.05）。

2.2 鈍化修復(fù)下水肥耦合對油菜根部和可食部分Cd含量的影響

圖2是油菜根部和可食部分Cd含量。由圖2可知，當(dāng)土壤處于常規(guī)持水量時，與單一海泡石處理比，施用蚯蚓糞對油菜根部Cd含量無顯著影響（P＞0.05）。土壤達(dá)到飽和持水量時，與對照比，單施蚯蚓糞濃度為0.5%會顯著提高油菜根部Cd含量；施用蚯蚓糞濃度為1.0%或2.0%時對油菜根部Cd含量無顯著影響；但與單一海泡石處理比，施用蚯蚓糞會降低油菜根部Cd含量，施用劑量分別為0.5%、1.0%和2.0%時，油菜根部Cd含量分別降低19.8%、37.9%和11.9%。

由圖2可知，當(dāng)土壤保持常規(guī)持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理使油菜可食部位Cd含量降低8.3%～38.1%；而與單一海泡石處理比，施用蚯蚓糞對海泡石的鈍化處理并無顯著影響（P＞0.05）。當(dāng)土壤達(dá)到飽和持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理使油菜可食部位Cd含量降低17.0%～37.8%；而與單一海泡石處理比，在海泡石鈍化處理下施用1.0%的蚯蚓糞顯著增加了油菜可食部位Cd含量；而在海泡石鈍化處理下施用0.5%或2.0%蚯蚓糞，能夠降低油菜可食部位Cd含量，降低幅度可達(dá)55.9%和56.8%。與常規(guī)持水量比，提高土壤持水量可以顯著降低油菜可食部分Cd含量（P＜0.05）。由圖2還可見，土壤處于常規(guī)持水量狀態(tài)下，水肥耦合對海泡石鈍化處理影響較小；在土壤處于飽和持水量且施用1.0%蚯蚓糞條件下，水肥耦合則會降低海泡石的鈍化效應(yīng)；而在土壤處于飽和持水量且施用0.5%或2.0%蚯蚓糞條件下，水肥耦合則會強(qiáng)化海泡石的鈍化效應(yīng)。

圖1 油菜可食部分生物量Figure 1 Biomass of edible parts of Brassica Chinensis L.

圖2油菜根部和可食部分Cd含量Figure 2 Cd contents in root and shoot of Brassica Chinensis L.

2.3 油菜根系對Cd的特異性吸收系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

圖3 為油菜根系對重金屬的特異性吸收系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)。由圖3可見，土壤處于常規(guī)持水量時，與對照比，單施2.0%的蚯蚓糞，根系對Cd特異性吸收系數(shù)顯著降低（P＜0.05）；與單一海泡石處理比，鈍化修復(fù)下施用蚯蚓糞對根系特異性吸收系數(shù)無顯著影響。土壤達(dá)到飽和持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理使根系特異性吸收系數(shù)降低17.1%～39.0%；與單一海泡石處理比，鈍化修復(fù)下施用0.5%和2.0%的蚯蚓糞時，油菜根系特異性吸收系數(shù)分別降低56.5%和33.0%，而施用蚯蚓糞劑量為1.0%時會顯著增大根系特異性吸收系數(shù)。

由圖3還可見，土壤處于常規(guī)持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理使重金屬Cd向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)降低12.6%～29.9%，與單一海泡石處理比，施用蚯蚓糞對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)無顯著影響；土壤達(dá)到飽和持水量時，單一蚯蚓糞處理使重金屬Cd向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)降低13.8%～44.8%；與單一海泡石處理比，施用0.5%和2.0%蚯蚓糞使Cd向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別降低45.0%和51.0%，但是在施用蚯蚓糞濃度為1.0%時會顯著增加Cd向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

2.4 鈍化修復(fù)下水肥耦合對土壤中微量元素Cu、Zn和Mn的影響

表3為不同處理下土壤有效態(tài)Cu、Zn和Mn含量。由表3可見，與常規(guī)持水量比，提高土壤水分含量對土壤中有效態(tài)Cu和Zn含量無顯著性影響。在土壤處于常規(guī)持水量時，與單一海泡石處理比，鈍化修復(fù)下施用蚯蚓糞使土壤中有效態(tài)Cu和Zn含量分別增加10.3%～17.7%和26.3%～91.4%。土壤達(dá)到飽和持水量時，與單一海泡石處理比，鈍化修復(fù)下施用蚯蚓糞使土壤中有效態(tài)Cu和Zn含量分別增大3.7%～27.1%和6.0%～52.5%。

圖3 油菜根系對Cd的特異性吸收系數(shù)以及根向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)Figure 3 Specific cadmium uptake of Cd in root and translocation factor

與常規(guī)持水量比，提高土壤水分含量顯著降低土壤有效態(tài)Mn的含量。土壤處于常規(guī)持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理使土壤有效態(tài)Mn的含量增加57.0%～79.7%，與單一海泡石處理比，施用蚯蚓糞可使土壤有效態(tài)Mn的含量增加9.8%～124.7%；土壤達(dá)到飽和持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理使土壤有效態(tài)Mn的含量降低12.1%～21.4%，與單一海泡石處理比，施用0.5%或2.0%蚯蚓糞對土壤有效態(tài)Mn的含量無顯著性影響，但是施用1.0%蚯蚓糞會顯著降低土壤有效態(tài)Mn的含量。

單一海泡石處理對土壤中有效態(tài)Cu和Zn的含量無顯著影響，在不同土壤持水量條件下，施用蚯蚓糞均會增加土壤有效態(tài)Cu和Zn的含量。單一海泡石處理顯著降低土壤中有效態(tài)Mn的含量，土壤處于常規(guī)持水量時，水肥耦合增加土壤有效態(tài)Mn的含量，在土壤處于飽和持水量且施用0.5%或2.0%蚯蚓糞條件下，水肥耦合對土壤中有效態(tài)Mn的含量無顯著性影響。

表3 土壤中有效態(tài)Cu、Zn和Mn的含量（mg·kg-1）Table 3 Available content of Cu，Zn and Mn in soil（mg·kg-1）

2.5 鈍化修復(fù)下水肥耦合對土壤pH、DOM含量及有效態(tài)Cd含量的影響

圖4為不同處理下土壤DOM含量。由圖4可見，單一海泡石處理可顯著降低土壤DOM含量，單一蚯蚓糞處理可顯著增加土壤DOM含量。土壤處于常規(guī)持水量時，在鈍化修復(fù)下施用0.5%、1.0%和2.0%蚯蚓糞時，土壤DOM含量分別比單一海泡石處理提高1.00、1.03倍和2.20倍。土壤處于飽和持水量時，在鈍化修復(fù)下施用0.5%、1.0%和2.0%蚯蚓糞時，土壤DOM含量分別比單一海泡石處理提高0.12、0.15倍和1.01倍。由此可見，在海泡石鈍化修復(fù)下，水肥耦合會提高土壤DOM含量。

圖5為不同處理下土壤pH值。由圖5可見，與常規(guī)持水量比，增加土壤水分含量使土壤pH提高了0.06～0.30。與對照比，單一蚯蚓糞處理對土壤pH的影響不顯著。與單一海泡石處理比，在鈍化修復(fù)下施用蚯蚓糞對土壤pH的影響也不顯著。

圖6為不同處理下土壤中DTPA提取態(tài)Cd含量。由圖6可見，土壤處于常規(guī)持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理可顯著降低土壤DTPA-Cd含量，與單一海泡石處理比，在鈍化修復(fù)下施用0.5%、1.0%和2.0%的蚯蚓糞，土壤DTPA-Cd含量分別增加171.5%、172.3%和124.1%。土壤達(dá)到飽和持水量時，與對照比，單一蚯蚓糞處理顯著增加土壤DTPA-Cd含量，與單一海泡石處理比，在鈍化修復(fù)下施用0.5%、1.0%和2.0%的蚯蚓糞，土壤DTPA-Cd含量分別增大11.1%、17.1%和26.4%。與常規(guī)持水量比，提高土壤持水量可顯著降低DTPA-Cd含量。由此可見，土壤處于常規(guī)持水量或飽和持水量時，水肥耦合均顯著提高土壤DTPA-Cd含量。

圖4 不同處理對土壤DOM含量的影響Figure 4 Effect of different treatments on DOM contents of soil

圖5 不同處理對土壤pH的影響Figure 5 Effect of different treatments on soil pH

3 討論

土壤Cd污染對油菜生長的影響存在如下規(guī)律，當(dāng)Cd濃度小于5 mg·kg-1時，能夠促進(jìn)油菜生長，增大油菜生物量，當(dāng)Cd濃度大于5 mg·kg-1時，阻礙油菜生長，油菜生物量顯著降低[20-22]。史新杰等[23]研究了土壤水分含量對油菜生長的影響，土壤水分含量由50%增加至80%，油菜產(chǎn)量逐漸增大。并且發(fā)現(xiàn)油菜對Cd具有極強(qiáng)的耐受能力，30 mg·kg-1的Cd濃度下生物量及光合作用幾乎不受影響。本文供試土壤Cd濃度遠(yuǎn)低于Cd毒害作用的臨界值，兩種水分含量條件下，土壤水分含量為100%時油菜生物量更高。

土壤水分通過調(diào)控土壤Eh、pH等土壤性質(zhì)影響Cd的溶解性和有效性。提高土壤持水量會增加各處理土壤pH。狄廣娟[24]研究水分管理對水芹吸收累積Cd的影響，發(fā)現(xiàn)淹水處理的土壤pH高于間歇淹水和濕潤處理。土壤pH升高增強(qiáng)土壤有機(jī)/無機(jī)膠體及土壤黏粒對Cd的吸附能力。唐琳[25]研究發(fā)現(xiàn)淹水引起土壤pH升高，降低了根際土壤中Cd的生物有效性，進(jìn)而降低了空心菜Cd含量。本文中未施用海泡石或者蚯蚓糞的對照處理中，提高土壤水分含量會降低土壤中DTPA-Cd的含量，降低油菜根部及可食部分Cd含量。唐明燈等[26]發(fā)現(xiàn)生菜根地上部分Cd含量與土壤持水量呈負(fù)相關(guān)。此外，水稻籽粒、空心菜、小麥、伴礦景天的Cd濃度在淹水條件下均降低[27-30]。原因是土壤水分變化影響土壤的氧化還原電位和膠體性質(zhì)、鐵錳氧化物的沉淀溶解、金屬硫化物的沉淀作用。Kashem等[31]通過土壤淹水培養(yǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鐵錳氧化物的新生表面對Cd的吸持可能是導(dǎo)致Cd活性下降的主要原因。單一蚯蚓糞處理中，提高土壤水分含量會增大DTPA提取態(tài)Cd含量，油菜根部和地上部Cd含量均降低，但是海泡石鈍化修復(fù)下施用蚯蚓糞，土壤水分與不同濃度蚯蚓糞耦合對油菜Cd濃度的影響差異較大。常規(guī)持水量與蚯蚓糞耦合對油菜吸收Cd的影響較小，飽和持水量與1.0%蚯蚓糞耦合會顯著增大油菜可食部分Cd含量。

圖7 WOF-DOM促進(jìn)海泡石吸附的Cd2+再活化示意圖Figure 7 Schematic diagram of reducement of cadmium adsorption on clay minerals by the presence of WOF-DOM

圖6 DTPA提取態(tài)Cd含量Figure 6 DTPA extractable Cd contents

海泡石通過增大土壤pH和吸附Cd來降低土壤中Cd的生物有效性，減少重金屬Cd在油菜中的累積[32]。土壤處于常規(guī)持水量時，雖然單一海泡石以及單一蚯蚓糞處理均能顯著降低土壤中有效態(tài)Cd的含量，但是在鈍化修復(fù)下施用蚯蚓糞會增大土壤中有效態(tài)Cd的含量，原理如圖7，即蚯蚓糞分解釋放大量的DOM，這些DOM會占據(jù)海泡石內(nèi)表面及顆粒表面的活性位點(diǎn)，形成“屏障效應(yīng)”，另一方面DOM會將已經(jīng)固化在黏土顆粒表面的Cd解吸下來，形成絡(luò)合物增大其移動性[33]。土壤處于飽和持水量時，蚯蚓糞處理對海泡石鈍化效應(yīng)的影響與施用濃度有關(guān)。海泡石鈍化修復(fù)下施用1.0%蚯蚓糞，增大了油菜可食部分Cd濃度。但是也有報道稱有機(jī)肥能夠通過絡(luò)合、吸收、沉淀等固定和結(jié)合土壤中的重金屬離子[34]。施用0.5%或2.0%蚯蚓糞時，油菜可食部位Cd含量顯著降低，其主要原因是有機(jī)肥對Cd的吸附和絡(luò)合是主效應(yīng)。當(dāng)施用1.0%蚯蚓糞時，油菜根系對Cd的特異性吸收系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著增大，促進(jìn)了Cd在油菜地上可食部位的累積[35]。此外，海泡石鈍化修復(fù)下施用蚯蚓糞會顯著提高土壤可溶性有機(jī)質(zhì)含量（DOM），同時降低重金屬Cd向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)，這與丁瓊[36]的試驗(yàn)結(jié)果一致，即土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，Cd向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)越低。

4 結(jié)論

（1）單一海泡石處理、單一蚯蚓糞處理以及在鈍化修復(fù)下增施蚯蚓糞條件下，提高土壤水分含量均能夠顯著促進(jìn)油菜生長。兩種水分條件下，海泡石鈍化土壤中增施蚯蚓糞有機(jī)肥對油菜生物量的影響未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。

（2）海泡石鈍化土壤中，常規(guī)持水量與蚯蚓糞有機(jī)肥耦合對油菜可食部分及根部Cd含量無顯著影響（P＞0.05）。飽和持水量與蚯蚓糞有機(jī)肥耦合效應(yīng)取決于蚯蚓糞有機(jī)肥的施用濃度。當(dāng)蚯蚓糞有機(jī)肥濃度為0.5%或2.0%時，水肥耦合對油菜可食部分及根部Cd含量無顯著影響；當(dāng)蚯蚓糞有機(jī)肥濃度為0.5%或2.0%時，水肥耦合顯著增大油菜可食部分Cd含量，降低根部Cd含量（P＜0.05）。

（3）海泡石鈍化土壤中，土壤處于飽和持水狀態(tài)時，增施蚯蚓糞有機(jī)肥一方面促進(jìn)油菜生長，降低Cd由根部向地上部分的轉(zhuǎn)移系數(shù)，另一方面提高土壤DOM含量，促進(jìn)海泡石吸附的Cd2+再活化；當(dāng)施用濃度為0.5%或2.0%時，前者為主效應(yīng)，后者為次效應(yīng)，水肥耦合降低了油菜可食部分的Cd含量。