李劍睿，徐應(yīng)明

(1.太原工業(yè)學(xué)院，山西太原 030008；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)人口數(shù)量的大幅增加，城郊農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全局中的地位日益凸顯。2020年，蔬菜種植面積超2 000萬hm，總產(chǎn)量超7億t，其中，山東省、河南省和江蘇省位列前三。全國范圍看，約20%的菜地土壤鎘含量超過環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(GBⅡ 15618—1995)限量值(0.60 mg/kg)。鎘是土壤中移動性和生物毒性最大的重金屬元素，易被農(nóng)作物根系吸收而在體內(nèi)可食部位累積超標(biāo)，最終造成人體鎘暴露的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

污染農(nóng)田修復(fù)技術(shù)包括植物提取、客土法、微生物修復(fù)等，然而，因其修復(fù)成本高、治理效率低、對環(huán)境有害，在大田修復(fù)示范推廣中受到不同程度的限制?；瘜W(xué)鈍化修復(fù)技術(shù)因低成本、易操作和高效率而受到廣泛關(guān)注。其中，黏土類礦物在自然中儲量豐富，是一些含鋁、鎂等為主的含水硅酸鹽礦物，其結(jié)構(gòu)層帶負(fù)電、比表面積和陽離子交換量較大，是理想的土壤重金屬陽離子鈍化劑。然而，重金屬污染菜地農(nóng)藝措施(如作物品種篩選)聯(lián)合黏土類礦物施加的修復(fù)報(bào)道較少，如何發(fā)揮農(nóng)藝措施對化學(xué)修復(fù)的協(xié)同強(qiáng)化作用、提高化學(xué)修復(fù)的效率是該研究關(guān)注的重點(diǎn)。

作為我國餐桌蔬菜消費(fèi)的主角，與根莖和豆科類相比，葉菜對鎘的吸收能力較強(qiáng)。筆者在盆栽不同油菜品種種植試驗(yàn)條件下，研究黏土類礦物蛭石施用對土壤有效鎘含量、油菜生物量和油菜體內(nèi)不同部位鎘含量，以及對土壤指示酶活性、油菜葉片抗氧化酶活性的影響，為鎘污染菜地修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

黏土類礦物蛭石購于河北省，用作土壤鎘的鈍化劑。蛭石形成過程中，Al在晶體結(jié)構(gòu)四面體位置取代Si，Mg和Fe在八面體位置取代Al，其氧化物組成為SiO、AlO、MgO和FeO。蛭石的pH和陽離子交換量(CEC)分別為9.03和421.8 mmol/kg，具體分析方法參照文獻(xiàn)[13]執(zhí)行。蛭石對鎘的鈍化主要通過結(jié)構(gòu)表面的負(fù)電荷離子與Cd的靜電吸附反應(yīng)和Al/Si-O與Cd的內(nèi)絡(luò)合物形成反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

供試土壤采自山西省城郊菜地，土壤污染主要由農(nóng)藥化肥施用和城鎮(zhèn)廢水灌溉引起。菜地土壤總鎘含量為1.83 mg/kg，高于土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)(GB Ⅲ 15618—1995)限量值(1.00 mg/kg)。供試土壤pH和CEC分別為7.22和122.1 mmol/kg。

供試作物油菜(L.)華駿2號和寒綠屬于葉菜類蔬菜，當(dāng)?shù)貧夂驐l件下的平均生育期為60 d。

盆栽試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組排列，供試土壤風(fēng)干后過2 mm篩后裝入塑料盆中(高15 cm，直徑20 cm)，每盆裝土1.5 kg。2021年4月，蛭石與盆內(nèi)土壤混合均勻，蛭石施用劑量設(shè)0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 6個水平，田間持水量下穩(wěn)定30 d。2021年5月，經(jīng)消毒、浸泡處理的油菜種子播種于盆內(nèi)，待幼苗4片真葉時(shí)每盆間苗2株。2021年7月收獲植物，65 ℃烘箱內(nèi)烘至恒重備用。植物樣品用不銹鋼研缽粉碎，土樣過2 mm篩后進(jìn)行化學(xué)提取態(tài)鎘的分析，土樣過0.15 mm篩后進(jìn)行全鎘的測定。

土壤、植物樣品全鎘含量分別采用HNO-HClO和HNO消解、原子吸收分光光度計(jì)(AA6880，日本島津)測定。土樣有效態(tài)鎘含量采用0.025 mol/L HCl提取法測定，即5.0 g土樣加25 mL提取劑，振蕩1 h后離心取上清液待測。

植物收獲后采集新鮮土樣用于土壤酶活性測定。脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定，磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸二鈉比色法測定。0.5 g新鮮植物葉片冰鎮(zhèn)條件下磷酸緩沖液粉碎處理、4 ℃離心處理后獲得上清液，作為抗氧化酶待測原液。超氧化物歧化酶(SOD)活性以抑制NBT光化學(xué)還原能力來計(jì)算，過氧化物酶(POD)活性以470 nm波長下吸光度的增加來評價(jià)。

所有處理重復(fù)3次，數(shù)據(jù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差采用Microsoft Office Excel 2010計(jì)算，采用SAS 9.1進(jìn)行方差分析。同一品種各指標(biāo)差異顯著性采用LSD(least significant difference)檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較分析，品種間各指標(biāo)差異顯著性采用檢驗(yàn)分析(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

從表1可看出，土壤未施加蛭石下，華駿2號、寒綠種植下的土壤有效鎘含量無顯著差異，有效態(tài)鎘含量占總鎘含量的比例約30.0%，遠(yuǎn)低于酸性土壤中近50%的可提取鎘比例。華駿2號種植下，蛭石施用可降低有效鎘4.8%～17.7%(<0.05)。土壤鈍化處理后，寒綠種植下的土壤有效鎘降低了5.9%～25.0%(<0.05)。

由表2可知，土壤未施加蛭石下，華駿2號、寒綠地上部生物量無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義差異。施加0.5%～1.5%蛭石下，華駿2號、寒綠地上部生物量分別增加了14.8%～33.3%和20.8%～45.8%(<0.05)。施用量超過2.0%時(shí)，地上部生物量受到抑制。顯然，適量的蛭石施用促進(jìn)了油菜地上部生長，鎘對植株生長的氧化脅迫效應(yīng)下降。土壤鈍化處理后，華駿2號、寒綠根系生物量最大增幅分別為83.3%和100.0%(<0.05)，根系生物量的增幅遠(yuǎn)高于地上部。蛭石處理土壤鎘的生物有效性顯著下降，減輕了鎘對油菜生長的毒害，生物量大幅增加。

表1 不同油菜品種土壤有效鎘含量

表2 油菜不同部位生物量

從圖1可以看出，油菜體內(nèi)鎘含量按根系、地上部次序遞減，華駿2號和寒綠地上部、根系鎘含量均差異顯著。土壤未施加蛭石下，華駿2號、寒綠地上部鎘分別為0.37和0.52 mg/kg，均超過國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2012)限量值(0.20 mg/kg)。蛭石施加顯著降低了油菜地上部鎘含量，華駿2號、寒綠地上部鎘分別降低了16.2%～56.8%和11.5%～48.1%(<0.05)。2.0%蛭石處理的華駿2號地上部鎘含量低于0.20 mg/kg，2.5%處理下的寒綠地上部鎘含量仍高于0.20 mg/kg。因此，單一的蛭石鈍化或品種篩選難以獲得油菜安全生產(chǎn)所需的修復(fù)效果，蛭石施加聯(lián)合華駿2號種植可以實(shí)現(xiàn)油菜的安全生產(chǎn)。此外，隨著蛭石施用量的增加，根系鎘含量逐步下降，華駿2號、寒綠的根系鎘含量分別降低了9.6%～39.4%和7.0%～39.2%(<0.05)。

鎘轉(zhuǎn)移因子為地上部和根系的鎘含量比值，是評價(jià)植物體內(nèi)鎘累積和轉(zhuǎn)運(yùn)效率的重要指標(biāo)。從表3可以看出，土壤未施加蛭石下，華駿2號和寒綠的轉(zhuǎn)移因子無顯著差異(>0.05)。土壤鈍化處理后，鎘轉(zhuǎn)移因子明顯下降；2.5%施用量下，華駿2號和寒綠的轉(zhuǎn)移因子分別為未施加蛭石處理的63.9%和87.9%(<0.05)。

注：不同小寫字母表示同一品種不同蛭石施用量間差異顯著(P<0.05，LSD檢驗(yàn))，不同大寫字母表示同一蛭石施用量不同品種間差異顯著(P<0.05，t檢驗(yàn))Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different vermiculite additions of the same variety(P<0.05，LSD test)，and different capital letters indicate significant differences among different varieties of the same vermiculite addition(P<0.05，t test)圖1 油菜不同部位鎘含量Fig.1 Cadmium content in different parts of rape

根系凈吸收鎘為植株地上部和根系鎘的總累積量與根系干重的比值，其控制著植株地上部鎘含量。由表3可知，土壤未鈍化處理下，華駿2號的根系凈吸收鎘僅為寒綠的66.8%，表明華駿2號根系對土壤鎘的吸收能力較弱。蛭石處理的根系凈吸收鎘明顯下降，華駿2號和寒翠的根系凈吸收鎘分別降低了18.1%～60.9%和12.3%～63.0%。

表3 根系凈吸收鎘和轉(zhuǎn)移因子

土壤中金屬污染物與酶的活性基團(tuán)結(jié)合形成不溶性絡(luò)合物或破壞氫鍵而使酶失活，土壤重金屬的鈍化促進(jìn)了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)，土壤生物活性、肥力指標(biāo)顯著改善。從圖2可以看出，施用蛭石后，脲酶活性隨施用量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，華駿2號種植下，2.0%蛭石處理的脲酶活性最大，增幅達(dá)23.7%；寒綠種植下，2.5%處理的脲酶活性最高，增加了30.2%(<0.05)。此外，磷酸酶活性隨施用量的增加而逐漸升高，與未鈍化處理相比，華駿2號、寒綠種植下的磷酸酶活性分別增加了15.2%～66.7%和16.0%～80.0%(<0.05)。

植物在重金屬脅迫下會產(chǎn)生破壞細(xì)胞膜的氧自由基(O)。SOD能催化O生成HO來降低氧自由基濃度，POD能催化HO水解生成HO和O。蛭石施用對土壤鎘的生物有效性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致植物生理指標(biāo)發(fā)生變化。由圖3可知，蛭石處理使華駿2號、寒綠葉片SOD活性分別提高了17.1%～50.4%和16.8%～54.0%。0.5%～1.5%低蛭石施用量下，油菜葉片POD活性明顯增強(qiáng)，華駿2號、寒綠葉片POD活性分別增加了3.8%～26.6%和5.6%～27.9%。

3 討論

不同基因型葉菜的鎘累積能力差異明顯。土壤未施加蛭石下，華駿2號地上部鎘含量低于寒綠，由于華駿2號和寒綠地上部生物量和轉(zhuǎn)移因子無差異，因此，根系凈吸收鎘是影響油菜地上部鎘含量的主導(dǎo)因素。植物體鎘累積主要受與根系鎘吸收相關(guān)的載體蛋白表達(dá)、與土壤鎘生物有效性有關(guān)的根系分泌物和根系形態(tài)等因素控制。

蛭石是鈍化土壤鎘的理想材料，蛭石施用降低了油菜根系、地上部鎘含量，且華駿2號地上部鎘含量的降幅高于寒綠，表明華駿2號體內(nèi)鎘累積對土壤有效鎘含量的變化較敏感。研究發(fā)現(xiàn)，蛭石處理土壤中生菜、菠菜體內(nèi)鎘含量低于對照組，當(dāng)蛭石施用量為10%時(shí)，植株地上部鎘含量降幅均超60%。試驗(yàn)表明，土壤黏土類礦物施加量為3%～9%時(shí)，葉菜地上部鎘含量降低了8.6%～27.9%，根系鎘含量下降了7.1%～13.4%，重金屬鎘的環(huán)境潛在風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。

注：不同小寫字母表示同一品種不同蛭石施用量間差異顯著(P<0.05，LSD檢驗(yàn))Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different vermiculite additions of the same variety(P<0.05，LSD test)圖2 不同蛭石施用量下土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activities under different vermiculite addition

圖3 華駿2號(A)和寒綠(B)葉片抗氧化酶活性Fig.3 The activities of antioxidant enzymes in leaves of Huajun-2(A) and Hanlü(B)

土壤鎘生物有效性的降低導(dǎo)致土壤酶活性的變化。研究表明，黏土類礦物施加改善了土壤環(huán)境質(zhì)量，過氧化氫酶、脲酶活性以及細(xì)菌和放線菌數(shù)量顯著增加，蔗糖酶活性、真菌數(shù)目較對照組無顯著變化，土壤指示酶活性、微生物種群和植物營養(yǎng)元素有效性等都有改善，污染農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)功能逐步恢復(fù)。此外，蛭石處理的土壤中，油菜對重金屬鎘脅迫抗性顯著提高。田間示范修復(fù)發(fā)現(xiàn)，重金屬污染土壤1.0～3.0 kg/m的黏土礦物施用緩解了鎘對植物生長的氧化脅迫，因其提高了根和葉片抗氧化酶的活性和巰基化合物的含量，鎘誘導(dǎo)產(chǎn)生的氧自由基對植物細(xì)胞的損傷作用明顯減輕。顯然，鈍化處理后顯著增加的油菜生物量是土壤-作物系統(tǒng)功能向好的重要指標(biāo)。

4 結(jié)論

土壤蛭石施加聯(lián)合華駿2號種植技術(shù)使油菜地上部鎘含量低于我國食品中污染物標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2012)限量值(0.20 mg/kg)，其為推薦的鎘污染菜地土壤修復(fù)技術(shù)。土壤鈍化處理后，華駿2號地上部鎘含量的降幅高于寒綠，蛭石鈍化土壤鎘的修復(fù)效果較好。施加蛭石后，土壤指示酶活性、油菜葉片抗氧化酶活性整體升高，土壤作物系統(tǒng)功能逐步恢復(fù)。