蔡永剛+郭志瑤+李夢雅+段智坤+張鴻宇+王小波
摘要:采用盆栽試驗研究蚯蚓糞、牛糞對鎘(Cd)、銅(Cu)復合污染土壤中白菜(Brassica campestris ssp. chinensis)生長及對鎘、銅積累的影響。結果表明:高濃度的Cd、Cu污染顯著抑制了第1茬白菜葉綠素含量、產量,Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理的葉綠素含量分別較Cd1+Cu50處理下降23.5%~47.1%、72.3%~79.9%,Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理白菜產量分別較對照處理下降61.5%、92.6%,各施肥處理間在Cd、Cu濃度相同時沒有顯著差異;隨著Cd、Cu濃度的提高,各施肥處理的第2茬白菜葉綠素含量并沒有顯著下降,而在高濃度污染處理中白菜產量較第1茬顯著提高,在低濃度的Cd、Cu污染下,牛糞的增產效果高于蚯蚓糞,而在高濃度的Cd、Cu污染下,蚯蚓糞增產效果好于牛糞;Cd在白菜體內的積累隨著土壤Cd、Cu濃度的升高而增加,在Cd50+Cu400處理下,不施肥處理植物體內Cd的積累量顯著高于施加牛糞(NF)處理,而施加牛糞處理又顯著高于施加蚯蚓糞(QY)處理,且第1茬白菜體內Cd的積累量均高于第2茬;Cu在植物體內的累積隨著土壤Cd、Cu濃度增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,在Cd10+Cu200處理中達到最高值,在Cd50+Cu400處理中則顯著下降;在Cd10+Cu200處理中,施加蚯蚓糞后Cu的累積量顯著低于NF處理,NF處理也顯著低于對照處理;隨著Cd、Cu濃度的升高,植物體內氮、磷、鉀含量降低,其中對氮的影響較小,對磷的影響為在不添加Cd、Cu時,QY、NF處理磷含量顯著高于對照處理,在Cd1+Cu50、Cd10+Cu200處理組合下,NF處理顯著高于對照處理;在Cd50+Cu400處理組合下,各施肥處理間差異不顯著;對鉀的影響方面,除Cd50+Cu400外,其他施肥處理植物體內鉀的含量都顯著高于對照處理,QY處理、NF處理間在Cd1+Cu50處理組合下差異顯著,其余處理間差異均不顯著。2茬種植結果顯示:在Cd、Cu復合污染的土壤中,蚯蚓糞對污染的修復效果優(yōu)于牛糞,牛糞優(yōu)于對照。
關鍵詞:蚯蚓糞;牛糞;白菜;鎘、銅復合污染;污染修復
中圖分類號: X53 文獻標志碼: A
文章編號:1002-1302(2016)09-0452-04
隨著我國經濟的快速發(fā)展以及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化等國家戰(zhàn)略的實施,我國耕地土壤面臨非常嚴峻的重金屬污染問題[1-3],不僅對農產品質量構成威脅,還損害民眾健康,影響社會穩(wěn)定[4]。國務院發(fā)布的《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》和《國務院辦公廳關于印發(fā)近期土壤環(huán)境保護和綜合治理工作安排的通知》(國辦發(fā)〔2013〕7 號)、《國務院關于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產業(yè)的意見》(國發(fā)〔2013〕30 號)中,都明確提出了土壤重金屬污染修復技術。目前土壤重金屬污染修復技術主要有物理工程法、化學法、生物法和農業(yè)調控技術等[5-10],其中利用有機物料對土壤重金屬污染進行修復,是一種經濟的、切實可行的方法[11-12]。有機物料不僅能夠減輕農作物對重金屬的吸收積累,還可以改善土壤結構,提供作物生長所需養(yǎng)分,減少化肥的使用。本研究分析蚯蚓糞和牛糞對鎘(Cd)、銅(Cu)復合污染土壤中白菜(Brassica campestris ssp. chinensis)生長及重金屬在植物體內累積的影響,以期為重金屬污染菜田土壤的修復、利用和管理提供科學依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
試驗于2014年5—12月在天津農學院進行,供試土壤采自天津市武清區(qū)后幼莊農戶大棚,質地為沙壤,基本理化性質:硝態(tài)氮含量47 mg/kg,有效磷含量46 mg/kg,有效鉀含量276.8 mg/kg,有機質含量18.1 g/kg,全鹽含量0.34 g/kg,全鎘含量0.51 mg/kg,全銅含量22.8 mg/kg,pH值7.74。供試有機肥的基本性質見表1,有機肥、土壤過1 mm篩備用,供試白菜(Brassica campestris ssp. chinensis)品種為力豐五月慢。
1.2 試驗設計
設計3種濃度梯度的污染物組合,分別為Cd1+Cu50(1、50分別表示添加的Cd、Cu濃度分別為1、50 mg/kg,以此類推)、Cd10+Cu200、Cd50+Cu400;以不添加污染物為對照(CK)處理。Cd、Cu分別以CdCl2·2.5H2O、CuSO4 溶于水后噴至土壤混勻,每種污染濃度分別設施用蚯蚓糞(QY)、牛糞(NF)、不施有機肥(CK)3個處理,施用量為4%。每盆裝土4kg,每個處理重復3次,共36盆。試驗于2014年5月20日混土裝盆,次日種植,第1茬于7月6日收獲,第2茬于9月12日播種,10月27日收獲。
1.3 測定項目與方法
收獲時用葉綠素儀測定葉片的葉綠素含量,稱鮮質量,殺青烘干后,用硝酸-高氯酸消解,原子吸收法測定Cd、Cu含量[13],測定第2茬植物樣品的氮、磷、鉀含量[14]。
1.4 數(shù)據(jù)處理
試驗數(shù)據(jù)處理采用Excel2003、DPS7.05軟件完成。
2 結果與分析
2.1 不同處理對白菜葉綠素含量的影響
由圖1可見,在Cd、Cu低濃度處理(CK、Cd1+Cu50)下,第1茬白菜葉片的葉綠素SPAD值都顯著高于第2茬,而在Cd50+Cu400處理中第1茬的葉綠素SPAD值均顯著低于第2茬;在第1茬中CK、Cd1+Cu50處理白菜葉片葉綠素含量沒有顯著差異,而隨著Cd、Cu濃度的提高,葉綠素含量顯著下降,其中Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理分別較Cd1+Cu50處理下降了23.5%~47.1%、72.3%~79.9%;隨著Cd、Cu濃度的提高,第2茬白菜葉綠素含量并沒有顯著下降;在低濃度Cd、Cu處理(CK、Cd1+Cu50)下,施肥處理對同茬白菜葉片的葉綠素SPAD值沒有顯著影響,但在Cd10+Cu200處理下施肥處理均顯著高于CK處理;在Cd50+Cu400處理下,第1茬之間沒有顯著差異,而第2茬的施肥處理顯著高于CK處理;NF、QY處理間,除在不添加Cd、Cu時,NF顯著高于QY外,其他處理間都沒有顯著差異。
2.2 不同處理對白菜產量的影響
由圖2可見:在第1茬中CK、Cd1+Cu50處理沒有顯著差異,但Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理卻顯著下降,分別較CK處理平均下降61.5%、92.6%;不同的施肥處理在Cd、Cu濃度相同時,產量沒有顯著差異。第2茬中Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理分別較CK處理下降28.4%、54.7%,同種有機肥在不同濃度的污染處理中,QY處理只在Cd50+Cu400處理下產量顯著下降;NF、CK處理在Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理組合下都顯著下降;在相同的Cd、Cu濃度組合下,施肥處理的產量都顯著高于CK。除CK+NF外,其余處理第1茬在Cd、Cu低濃度時(CK,Cd1+Cu50)產量高于第2茬,而在高濃度時(Cd10+Cu200、Cd50+Cu400)第1茬產量則低于第2茬。
2.3 不同處理對鎘銅在植物體內積累的影響
由表2可見,Cd在白菜體內的積累量隨著土壤Cd、Cu濃度的升高而增加,在Cd濃度達到50 mg/kg時,其累積量顯著高于其他處理;Cd濃度為10 mg/kg時,其累積量也顯著高于1 mg/kg Cd、CK處理;Cd1+Cu50處理下,第1、第2茬植物體內Cd濃度平均值分別為CK處理的7.03、5.15倍。相同Cd濃度下,在低濃度時(CK、Cd1+Cu50)各施肥處理間的差異不顯著;在Cd10+Cu200處理下,不施肥處理植物體內Cd的累積量明顯高于QY處理;在Cd50+Cu400處理下,CK處理顯著高于NF處理,而第1茬NF處理又顯著高于QY,且第1茬白菜體內的累積量都高于第2茬。
由表2可見,Cu在植物體內的累積量隨著土壤Cd、Cu濃度升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,在Cd10+Cu200處理下達到最高值,在Cd50+Cu400處理下則相對顯著下降,且加Cu處理植物體內的Cu累積量均顯著高于對照。各對照施肥處理對Cu的累積量沒有顯著影響,而在Cd1+Cu50組合條件下QY處理Cu的累積量顯著低于NF、CK處理;在Cd10+Cu200組合條件下,QY處理Cu的累積量顯著低于NF處理,NF處理也顯著低于CK處理。
2.4 不同處理對白菜氮磷鉀含量的影響
由表3可見,隨著Cd、Cu濃度的升高,植物體內氮磷鉀含量總體呈現(xiàn)降低趨勢,其中對氮的影響較小,只有Cd10+Cu200+NF處理與Cd50+Cu400+NF、Cd50+Cu400處理間的差異達顯著水平。對磷的影響表現(xiàn)為在不添加Cd、Cu時,QY、NF處理磷的含量顯著高于CK;在Cd1+Cu50、Cd10+Cu200處理組合下,NF處理顯著高于CK處理;在Cd50+Cu400處理下,各施肥處理間差異不顯著。對鉀的影響:各施肥處理下鉀含量均高于不施肥處理,QY和NF之間在Cd1+Cu50處理條件下差異顯著,其余處理間差異都不顯著。
3 討論與結論
光合作用是植物生長的重要物質基礎和能量來源,葉綠素作為植物進行光合作用的主要色素,其含量的高低對光合速率有直接影響[15-17]。葉綠素的合成受光照、溫度和營養(yǎng)元素的影響[18],高濃度的重金屬脅迫會抑制葉綠素的合成[19]。在本試驗中,低濃度的Cd、Cu(CK、Cd1+Cu50)處理下第1茬白菜葉綠素含量顯著高于高濃度的處理(Cd10+Cu200、Cd50+Cu400),原因可能是高濃度的Cd、Cu進入植物體與葉綠體中蛋白質的—SH發(fā)生結合或取代作用。其中的Fe2+、Mg2+等破壞了葉綠體結構和功能,使葉綠素分解。而第2茬時高低濃度處理間的差異減小,同時Cd50+Cu400處理下第2茬葉綠素含量較第1茬顯著提高,其原因可能為在第2茬時,土壤中高濃度的Cd、Cu由于受土壤和有機肥的固定,其有效態(tài)降低,減輕了對植物葉綠素合成的影響。在低濃度時,第1茬的葉綠素含量高于第2茬,可能與有機肥在第1茬時較第2茬能提供給植物較多養(yǎng)分有關。
白菜的產量與葉綠素含量的變化有大致相同的趨勢和原因。蚯蚓糞和牛糞對植物產量的影響在第1茬時表現(xiàn)均不明顯,可能的原因為土壤本身的肥力水平較高,因此在低濃度污染時各施肥處理間差異不顯著,而高濃度污染時因加入的Cd、Cu有效態(tài)較高,都抑制了作物生長。隨著處理時間的延長,在第2茬中因牛糞能比蚯蚓糞提供更多的養(yǎng)分,在低濃度的Cd、Cu處理下,牛糞處理的產量高于蚯蚓糞,而蚯蚓糞因其富含腐殖酸和大量活性物質[20-21],在高濃度的Cd、Cu處理下能促進作物的生長,使其產量明顯高于牛糞處理。
單一污染時植物體內Cd、Cu的累積量隨著土壤Cd、Cu濃度的提高而增加[22-24],復合污染時植物對Cd、Cu的吸收因作物種類、添加濃度不同而有差異[25-27]。本研究發(fā)現(xiàn),在鎘銅復合污染植物體內,Cd的累積量隨著土壤Cd、Cu濃度的增大而增加,而Cu的累積量表現(xiàn)為先增加后降低,在Cd、Cu濃度組合為Cd50+Cu400時抑制了白菜對Cu的吸收。在不加入外源Cd、Cu時,蚯蚓糞和牛糞的施用因其所含的Cd、Cu使植物體內Cd、Cu的累積量略有增加,但差異不顯著。在有外源Cd、Cu加入時,低濃度處理(Cd1+Cu50)對Cd的累積差異不顯著,而蚯蚓糞處理則降低了作物對Cu的累積量;當加入Cd10+Cu200處理組合時,蚯蚓糞降低作物對Cu的累積效果好于牛糞,同時牛糞好于對照,而對Cd的影響則不一致;當加入Cd50+Cu400處理組合時,蚯蚓糞降低作物對Cd的累積效果好于牛糞,同時牛糞好于對照,而此時高濃度的Cd、Cu抑制了作物對Cu的吸收累積。
綜上所述,可以得出以下結論:第1茬中高濃度的Cd、Cu污染顯著抑制了白菜葉綠素含量和產量,各施肥處理間也沒有顯著差異;第2茬中各施肥處理顯著提高了白菜產量,在低濃度的Cd、Cu污染時牛糞的增產效果高于蚯蚓糞,而在高濃度的Cd、Cu污染時蚯蚓糞增產效果好于牛糞;白菜體內Cd的累積量隨著土壤Cd、Cu濃度的增大而增加,而Cu的累積量表現(xiàn)為先增加后降低,Cd50+Cu400處理抑制了白菜對Cu的吸收,可見在有適當濃度外源Cd、Cu加入時,蚯蚓糞降低白菜對Cu吸收累積的效果好于牛糞,牛糞好于對照。
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