劉藝蕓，徐應明*，黃青青，秦 旭，趙立杰

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所農(nóng)田重金屬污染修復創(chuàng)新團隊，天津 300191；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地環(huán)境污染防控重點實驗室，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技術是目前農(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、生物炭、含磷材料、有機物料，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，能夠通過特殊結構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]，但在實際應用中其修復效果會受到土壤水分管理的明顯影響[11-12]；同時，施用有機肥對海泡石鈍化修復效果同樣存在不同程度的影響[13-14]。但從現(xiàn)有文獻報道來看[15-17]，單一水分或施肥對土壤重金屬Cd污染鈍化修復效應影響研究較多，而有關水肥耦合共同作用對農(nóng)田重金屬Cd污染鈍化修復效果影響報道很少，導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效應的影響，對于Cd污染農(nóng)田鈍化修復下開展科學合理的水肥管理，降低不適當?shù)乃使芾砜赡軐е碌膶︹g化修復效果的不利影響具有重要意義。

本文通過油菜盆栽試驗研究了海泡石鈍化修復下，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、可溶性有機質（DOM）及微量元素有效態(tài)含量，分析水肥耦合對鈍化效應的影響機制，為菜地重金屬Cd污染鈍化修復中科學的水肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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，其基本理化性質為：pH 6.21，陽離子交換量25.3 cmol·kg-1，有機質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，商品有機肥為蚯蚓糞有機肥（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，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%。蚯蚓糞有機肥的基本性質見表1。

1.2 試驗設計

蚯蚓糞肥風干并過2 mm篩備用，準確稱取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。具體試驗設計見表2，共16個處理，每個處理重復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。試驗用盆采用隨機區(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，用稱重法補充水分，35 d后收獲。

表1 蚯蚓糞有機肥性質分析Table 1 Selected characteristics of wormcast

表2 試驗設計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量，精確到0.01 g。鮮樣裝入牛皮紙信封，放入鼓風烘箱，90℃殺青30 min，然后于70℃烘干至恒質量，取出后迅速稱取此時的質量，此為植株地上部及根部的干質量（g·株-1），用不銹鋼粉碎機粉碎備用。

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樣（GBW08514）和空白樣品進行全程質量控制。

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]。

土壤可溶性有機物（DOM）測定：土壤溶液中DOM濃度用水溶性有機碳含量（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

試驗結果用3次重復的平均值±標準誤（Mean±SE）來表示，采用Microsoft Excel和SAS 9.4進行統(tǒng)計分析，并用Origin 8.5.1制圖。油菜對Cd的轉移系數(shù)和根系Cd特異性吸收系數(shù)計算公式[19]如下：

轉移系數(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）×根部干質量（g）+地上部Cd含量（mg·kg-1）×地上部干質量（g）]/根部干質量（g）。

2 結果與分析

2.1 鈍化修復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；當土壤達到飽和持水量時，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）。當土壤達到飽和持水量時，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?。辉谕寥捞幱陲柡统炙壳沂┯?.0%蚯蚓糞條件下，水肥耦合則會降低海泡石的鈍化效應；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，水肥耦合則會強化海泡石的鈍化效應。

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的轉移系數(shù)無顯著影響；土壤達到飽和持水量時，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向地上部的轉移系數(shù)。

2.4 鈍化修復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%。土壤達到飽和持水量時，與單一海泡石處理比，鈍化修復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Cd濃度小于5 mg·kg-1時，能夠促進油菜生長，增大油菜生物量，當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升高增強土壤有機/無機膠體及土壤黏粒對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相關。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、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，形成“屏障效應”，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的影響與施用濃度有關。海泡石鈍化修復下施用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肥能夠通過絡合、吸收、沉淀等固定和結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，其主要原因是有機肥對Cd的吸附和絡合是主效應。當施用1.0%蚯蚓糞時，油菜根系對Cd的特異性吸收系數(shù)和轉移系數(shù)顯著增大，促進了Cd在油菜地上可食部位的累積[35]。此外，海泡石鈍化修復下施用蚯蚓糞會顯著提高土壤可溶性有機質含量（DOM），同時降低重金屬Cd向地上部的轉移系數(shù)，這與丁瓊[36]的試驗結果一致，即土壤有機質含量越高，Cd向地上部的轉移系數(shù)越低。

4 結論

（1）單一海泡石處理、單一蚯蚓糞處理以及在鈍化修復下增施蚯蚓糞條件下，提高土壤水分含量均能夠顯著促進油菜生長。兩種水分條件下，海泡石鈍化土壤中增施蚯蚓糞有機肥對油菜生物量的影響未達到顯著水平（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肥耦合效應取決于蚯蚓糞有機肥的施用濃度。當蚯蚓糞有機肥濃度為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；當蚯蚓糞有機肥濃度為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，增施蚯蚓糞有機肥一方面促進油菜生長，降低Cd由根部向地上部分的轉移系數(shù)，另一方面提高土壤DOM含量，促進海泡石吸附的Cd2+再活化；當施用濃度為0.5%或2.0%時，前者為主效應，后者為次效應，水肥耦合降低了油菜可食部分的Cd含量。