閆 雷，劉鳴一，武志民，張鈺瑩，孟慶堯，蘇 捷

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)環(huán)境干擾不斷加劇，我國(guó)耕地土壤重金屬污染問(wèn)題十分嚴(yán)峻。與大田環(huán)境相比，溫室土壤中鎘累積情況更為嚴(yán)重[1-2]。葉菜類蔬菜對(duì)鎘累積能力較強(qiáng)，其可食用部分鎘含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)更高[3]。白菜作為葉菜類蔬菜之一，廣泛種植于我國(guó)北方地區(qū)，是日常生活主要食用蔬菜之一[4]。因此，鈍化修復(fù)鎘污染土壤、減少蔬菜對(duì)鎘吸收，降低蔬菜可食用部分鎘含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)成為亟待解決的問(wèn)題。

在土壤重金屬污染眾多修復(fù)技術(shù)中，生物炭、有機(jī)肥和石灰等是常用土壤重金屬鈍化劑[5-6]。研究表明，生物炭可改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分保留和保水性能，同時(shí)刺激植物生長(zhǎng)，阻控植物對(duì)重金屬積累[7]。炭基肥由生物質(zhì)炭粉與有機(jī)、無(wú)機(jī)肥料配比制成，常作為土壤重金屬修復(fù)鈍化劑[8]。研究表明，施用炭基肥，土壤中可交換態(tài)鎘含量降低，植物對(duì)鎘吸收減少，鎘對(duì)植物的脅迫降低[9]。鈍化劑種類和蔬菜品種不同，均影響鈍化效果[10]。目前，生物炭和炭基肥均可降低植物對(duì)鎘吸收，但其對(duì)鎘污染黑土環(huán)境中鎘的鈍化效果及不同鎘積累能力白菜吸收鎘影響尚不明確。

基于上述分析，本研究前期利用盆栽試驗(yàn)篩選對(duì)重金屬鎘具有不同積累能力的兩種白菜，通過(guò)田間試驗(yàn)，研究菌糠生物炭和炭基肥2種鈍化劑對(duì)溫室中自然污染的土壤鎘生物有效性的影響，不同鎘積累品種白菜對(duì)2種鈍化劑鈍化效果的響應(yīng)和生物學(xué)指標(biāo)變化，以期為溫室土壤重金屬原位鈍化修復(fù)、安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省哈爾濱市某溫室大棚（E104.240781°、N31.302627°）。供試溫室土壤pH 6.65，有機(jī)質(zhì) 44.65 g·kg-1，全氮 2.23 g·kg-1，全磷 2.75 g·kg-1，堿解氮 56.00 mg·kg-1，速效磷64.50 mg·kg-1，速效鉀 114.49 mg·kg-1，全鎘 1.86 mg·kg-1。供試土壤全鎘含量超過(guò)污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值[11]。

供試白菜為對(duì)重金屬鎘具有較高耐性的白菜品種：品種1——北辰CR-強(qiáng)頸（對(duì)鎘具有較高積累能力，標(biāo)記為BC）；品種2——金峰（對(duì)鎘具有較低積累能力，標(biāo)記為JF）[12]。上述品種為課題組前期篩選所得。

供試鈍化劑1 為潤(rùn)勃炭基有機(jī)肥（蔬菜專用）（pH 8.1；有機(jī)質(zhì)105.3 g·kg-1；全氮 18.13 g·kg-1；全磷 15.72 g·kg-1；全鉀3.61 g·kg-1），由秸稈生物炭和有機(jī)肥復(fù)合制作而成；供試鈍化劑2為菌糠生物炭（pH 8.9；有機(jī)質(zhì)67.5 g·kg-1；全氮1.9 g·kg-1；全磷2.4 g·kg-1；全鉀7.7 g·kg-1），將粉碎、過(guò)篩后菌糠放入坩堝中，在馬弗爐中500 ℃炭化4 h，冷卻至室溫。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤原位修復(fù)試驗(yàn)，于2020 年7 月12 日在供試溫室大棚進(jìn)行。設(shè)置3 個(gè)處理組：①不施加鈍化劑溫室土壤（CK，0）；②施加炭基肥處理組（T，4 797 kg·hm-2）；③施加菌糠生物炭處理組（S，4 797 kg·hm-2），具體處理組名稱及縮寫見(jiàn)表1。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為4 m2。田間施加相應(yīng)N、P2O5、K2O，維持每個(gè)處理中氮磷鉀水平一致。于2020年10月20日采集土壤樣品。

另設(shè)溫室栽培試驗(yàn)6 個(gè)處理：①不施加鈍化劑土壤中種植北辰（CK-BC，0）；②施加炭基肥土壤中種植北辰（TBC，4 797 kg·hm-2）；③施加菌糠生物炭土壤中種植北辰（SBC，4 797 kg·hm-2）；④不施加鈍化劑土壤中種植金峰（CK-JF，0）；⑤施加炭基肥土壤中種植金峰（TJF，4 797 kg·hm-2）；⑥施加菌糠生物炭土壤中種植金峰（SJF，4 797 kg·hm-2）。每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為11m2。于2020年7月12日向溫室土壤中施加鈍化劑，將鈍化劑和土壤均勻混合，耕作深度為20 cm，鈍化10 d后種植JF和BC 兩種白菜，各處理組名稱及縮寫如表1 所示，田間N、P2O5、K2O 施肥量與上述土壤修復(fù)試驗(yàn)相同。于8 月20 日間苗，拔除長(zhǎng)勢(shì)差幼苗，保留長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良且相似幼苗繼續(xù)生長(zhǎng)，栽種期間所有處理田間管理與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)管理模式一致，及時(shí)防治蟲害、病害。于10月20日采收白菜樣品。

表1 各處理組名稱及縮寫Table 1 Names and abbreviations of each treatment group

1.3 樣品采集及測(cè)定

收獲時(shí)，用去離子水將白菜植株洗凈、擦干，分為可食用部分（葉）和不可食用部分（根），置于-80 ℃冰箱中冷凍保存。采集0～20 cm 土層土壤，去除雜草和石塊等雜物后，在陰涼通風(fēng)處干燥，過(guò)2 mm 篩并收集篩下土壤，置于自封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1 白菜相關(guān)形態(tài)學(xué)指標(biāo)測(cè)定

白菜形態(tài)學(xué)指標(biāo)測(cè)定：用卷尺精確測(cè)量白菜株高、根長(zhǎng)。取樣時(shí)測(cè)定植物株高，為土壤表面至植物葉片最高點(diǎn)距離；實(shí)驗(yàn)室測(cè)定植物根長(zhǎng)，樣品取回后用去離子水沖洗，擦干后測(cè)量主根長(zhǎng)。用萬(wàn)分之一分析天平準(zhǔn)確稱量白菜鮮重。

1.3.2 白菜及土壤中鎘含量測(cè)定

白菜各部分鎘含量：參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測(cè)定》（GB 5009.15—2014）[13]。將各部分白菜樣品取0.5 g 于研缽中，加入適量液氮冷凍后研磨至勻漿狀，采用濕式消解法對(duì)樣品進(jìn)行消解，消解完成在容量瓶中用1%稀硝酸定容至25 mL，取10 mL 過(guò)濾液體利用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定鎘含量。土壤中鎘含量：測(cè)定參照《GB/T 17141—1997土壤質(zhì)量鉛、鎘的測(cè)定石墨爐原子吸收分光光度法》[14]。

1.3.3 遷移富集系數(shù)計(jì)算及不同形態(tài)鎘提取

鎘遷移系數(shù)及富集系數(shù)計(jì)算：白菜可食用部分（葉片）對(duì)鎘富集能力和鎘在植株體內(nèi)遷移分別由富集系數(shù)（BCFs）和遷移系數(shù)（TFs）表征，通過(guò)對(duì)比植株各部分與土壤中鎘含量研究高、低積累白菜鎘遷移富集能力差異。公式如下：

式中， W葉鎘為白菜葉片部分鎘含量（mg·kg-1）；W根鎘為白菜根部鎘含量（mg·kg-1）；W土鎘為土壤中鎘含量（mg·kg-1）。

土壤中不同形態(tài)鎘含量：采用Tessier五步法[15]提取土壤中可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖，用SPSS 23.0 ANOVA進(jìn)行數(shù)據(jù)單因素分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈍化劑對(duì)溫室土壤中有效態(tài)鎘含量和鎘形態(tài)變化的影響

施用炭基肥與菌糠生物炭條件下，土壤中不同形態(tài)鎘含量（見(jiàn)圖1）。由圖1可知，施加菌糠生物炭與炭基肥，土壤中可交換態(tài)鎘由16.45%分別降至14.73%和13.92%，碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘由20.27%分別降至17.69%和15.43%，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘由24.83%分別增至29.03%和28.98%，有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘由21.72%分別增至25.11%和26.45%。整體上，可交換態(tài)鎘含量在兩種鈍化劑處理后顯著降低，結(jié)合態(tài)鎘總量顯著增加。表明鈍化劑施加可顯著降低鎘的生物有效性，將有效態(tài)鎘轉(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)，降低鎘在土壤中遷移能力。

圖1 不同處理對(duì)土壤中形態(tài)鎘組分的影響Fig.1 Effects of different treatments on cadmium species in soil

2.2 鈍化劑對(duì)鎘脅迫下白菜生物量影響

由圖2 可知，在施加菌糠生物炭和炭基肥后，兩種白菜葉片鮮重均顯著增加。與CK-JF 相比，在施加菌糠生物炭后，SJF 生物量從631.2 g 增至777.2 g，增長(zhǎng)23.13%；而施加炭基肥后，TJF生物量增至719.5 g，漲幅為13.99%。JF 處理組中施加菌糠生物炭?jī)?yōu)于施加炭基肥白菜葉鮮重。SBC 與CK-BC 相比，其葉片鮮重增長(zhǎng)37.73%；在施加炭基肥后，與CK-BC 相比（539.5 g），TBC 葉片鮮重增至752.4 g。對(duì)比可知，CK-BC 處理組中施加炭基肥顯著優(yōu)于施加菌糠生物炭白菜葉鮮重。

圖2 不同處理對(duì)白菜葉鮮重的影響Fig.2 Effects of different treatments on fresh weight of Chinese cabbage leaves

由圖3 可知，為不同處理對(duì)白菜根鮮重的影響。可見(jiàn)，與CK-JF相比，SJF根鮮重從10.33 g增至12.23 g，增長(zhǎng)18.39%；而在施加炭基肥后，TJF根鮮重顯著增至14.27 g。與CK-BC 相比，SBC 根鮮重從9.73 g 增至13.1 2 g，增長(zhǎng)34.84%；TBC 的根鮮重顯著增至16.97 g。表明施加炭基肥和菌糠生物炭均可顯著提高兩種白菜根鮮重，且施加菌糠生物炭效果明顯優(yōu)于炭基肥。

圖3 不同處理對(duì)白菜根鮮重的影響Fig.3 Effects of different treatments on the fresh weight of Chinese cabbage roots

添加同一種鈍化劑處理鎘高低積累白菜時(shí)，效果也存在差異。空白對(duì)照組中，CK-JF 和CKBC 生物量差異顯著，但SJF 和SBC 葉片和根部分生物量無(wú)顯著差異，說(shuō)明菌糠生物炭添加顯著促進(jìn)白菜生長(zhǎng)，尤其鎘高積累白菜北辰生長(zhǎng)，但SJF葉片鮮重更大。此外，在施加炭基肥后，TJF 和TBC各部分鮮重差異顯著，且炭基肥提高白菜生物量效果更好，尤其提高鎘高積累北辰生長(zhǎng)，其葉片和根部分鮮重顯著提高。

無(wú)論是對(duì)高鎘積累北辰，還是低鎘積累金峰，施加炭基肥和菌糠生物炭鈍化劑后，均對(duì)白菜葉鮮重和根鮮重增長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，且炭基肥和菌糠生物炭之間促進(jìn)效果也存在顯著差異。結(jié)果表明，對(duì)于鎘低積累品種金峰來(lái)說(shuō)，菌糠生物炭促進(jìn)效果優(yōu)于炭基肥；對(duì)于鎘高積累品種北辰，炭基肥促進(jìn)效果更好。

2.3 鈍化劑對(duì)鎘脅迫下白菜株高和根長(zhǎng)的影響

由圖4 可知，在施加炭基肥和菌糠生物炭后，兩種白菜株高均顯著增長(zhǎng)。與CK-JF（株高26.53 cm）相比，SJF 和TJF 的株高分別為27.90 和30.27 cm，增長(zhǎng)5.28%和14.23%。SBC和TBC的株高較于CKBC 株高 25.19 cm 而言，分別增至 27.47 和 32.90 cm，增長(zhǎng)9.05%和30.61%。由圖5可知，施加炭基肥和菌糠鈍化劑后，JF 根長(zhǎng)顯著增長(zhǎng)。與CK-JF（根長(zhǎng)14.73 cm）相比，施加炭基肥后根長(zhǎng)增至18.90 cm，增長(zhǎng)28.28%；施加菌糠生物炭后，SJF 根長(zhǎng)增至19.77 cm，漲幅為34.16%，與CK-BC（根長(zhǎng)14.23 cm）相比，分別施加炭基肥和菌糠生物炭后北辰根長(zhǎng)增長(zhǎng)到19.10 和22.90 cm。結(jié)果表明，添加炭基肥和菌糠生物炭均可促進(jìn)白菜株高和根長(zhǎng)生長(zhǎng)，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[16]。此外，炭基肥和菌糠生物炭在處理同一品種白菜時(shí)，白菜株高和根長(zhǎng)均存在顯著差異。

圖4 不同處理對(duì)白菜株高的影響Fig.4 Effects of different treatments on plant height of Chinese cabbage

圖5 不同處理對(duì)白菜根長(zhǎng)的影響Fig.5 Effects of different treatments on root leghth of Chinese cabbage

綜上，兩種鈍化劑施加均可促進(jìn)兩種白菜株高和根長(zhǎng)生長(zhǎng)，但炭基肥效果優(yōu)于菌糠生物炭。

2.4 鈍化劑對(duì)白菜各部分鎘積累量影響

施加菌糠生物炭和炭基肥后，白菜各部分吸收鎘含量及遷移和富集系數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)JF 施加炭基肥后，葉和根兩部分鎘含量在施加炭基肥處理組中顯著降低。與不施加任何鈍化劑對(duì)照組相比，TJF 葉片部分鎘含量降低11.40%，根部分鎘含量降低10.21%。施加菌糠生物炭，SJF 處理組葉片和根部分鎘含量無(wú)顯著下降。表明炭基肥降低植株內(nèi)鎘含量效果顯著優(yōu)于菌糠生物炭。BC 葉和根兩部分鎘含量在兩種鈍化劑處理下均顯著降低，SBC 和TBC 葉片部分鎘含量分別降低45.01%和70.21%；根部分鎘含量分別降低44.65%和69.45%。因此，施加炭基肥更有利于減少白菜各部分鎘含量富集。

表2 不同鈍化劑處理對(duì)白菜遷移富集系數(shù)的影響Table 2 Effects of different treatments on migration and enrichment coefficient of Chinese cabbage

由表2 中遷移系數(shù)（TF）及富集系數(shù)（BCFs）可知，在施加菌糠生物炭及炭基肥后，鎘在兩種白菜植株內(nèi)富集顯著降低，但遷移并無(wú)顯著差異。施加炭基肥后，JF富集系數(shù)顯著降低。向BC施加炭基肥后，TBC 的 BCFs 由 0.328 降至 0.098，添加菌糠生物炭后降至0.181，降低44.82%。

在未添加鈍化劑條件下，北辰和金峰兩種白菜葉片和根部鎘含量差異顯著，表明植物對(duì)鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)存在一定差異。炭基肥和菌糠生物炭添加，導(dǎo)致鎘在兩種白菜植株內(nèi)富集發(fā)生不同程度變化。植物對(duì)鎘吸收主要與土壤中有效態(tài)鎘含量有關(guān)，炭基肥和菌糠生物炭添加可能降低土壤中有效態(tài)鎘含量[17-18]，從而減少白菜根部對(duì)鎘吸收，降低鎘富集系數(shù)。

試驗(yàn)表明，在鎘污染水平較高溫室黑土中，施加炭基肥及菌糠生物炭均可有效降低鎘在植物內(nèi)富集，使白菜葉片部分鎘含量明顯降低，對(duì)高積累白菜品種北辰，施用炭基肥后，葉片中鎘含量低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[13]（0.2 mg·kg-1），但對(duì)鎘在白菜植株內(nèi)遷移影響不大。以上結(jié)果表明，在兩種白菜上施加炭基肥，降低鎘富集效果優(yōu)于菌糠生物炭。

3 討 論

3.1 鈍化劑對(duì)鎘的生物有效性和植物吸收的影響

重金屬鎘毒害性與鎘總量和遷移性鎘有關(guān)，還與環(huán)境中生物可利用性鎘密切相關(guān)[19]。鎘賦存形態(tài)可直接反映生物可利用性鎘有效性，有效性越高，對(duì)環(huán)境及生物危害程度越大[20]。直接影響土壤中可被植物所吸收鎘含量，從而影響植物體內(nèi)鎘含量和植物生長(zhǎng)發(fā)育[21]。土壤中重金屬形態(tài)主要包括可交換態(tài)（有效態(tài)）、結(jié)合態(tài)（碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)）和殘?jiān)鼞B(tài)。研究表明，土壤重金屬鈍化劑可通過(guò)物理和化學(xué)吸附、離子交換、絡(luò)合和沉淀等方式改變重金屬形態(tài)[22-23]，將可交換態(tài)轉(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，降低重金屬有效性[24]，降低鎘生物有效性。因不同土壤鈍化劑其鈍化機(jī)理存在差異，本研究中施加炭基肥和菌糠生物炭對(duì)鎘鈍化機(jī)理可能存在差異。研究表明，生物炭鈍化特性良好，在土壤中施用生物炭可改善土壤理化性質(zhì)及土壤中鎘的化學(xué)形態(tài)，有效鈍化土壤中鎘[25-26]。炭基肥具有優(yōu)良控釋吸附能力，可有效增加對(duì)土壤養(yǎng)分的固持。生物炭基肥表面富含活性官能團(tuán)（硅氧基、烷氧基、氨基、胺基、羧基等）可與Cd發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，使生物炭基肥對(duì)土壤中Cd發(fā)揮穩(wěn)定化作用[27]。

本研究中炭基肥和菌糠生物炭施用，顯著降低兩種白菜葉片鎘含量，減少土壤中可結(jié)合態(tài)鎘含量，增加結(jié)合態(tài)鎘含量。高譯丹等研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中施加生物炭可顯著降低可交換態(tài)鎘比例，增加碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘比例[28]，與本研究結(jié)果一致。本研究中兩種鈍化劑均顯著降低鎘在白菜葉片中的富集，尤其顯著降低高積累白菜品種北辰中鎘的富集。在未施加任何鈍化劑處理前，北辰白菜可食用葉片部分鎘含量較高，高于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg·kg-1）；施加鈍化劑處理后，炭基肥顯著降低北辰葉片部分鎘含量（＜0.2 mg·kg-1），有效降低其食用風(fēng)險(xiǎn)，可實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。金峰會(huì)少量吸收土壤中鎘，長(zhǎng)期施用造成人體緩慢累積；施用炭基肥也能顯著降低金峰各部分對(duì)鎘的吸收，減輕其對(duì)人體健康危害。但本試驗(yàn)中，兩種鈍化劑施加并未對(duì)白菜中鎘遷移能力產(chǎn)生顯著影響，可能是因鈍化劑添加后，植株本身對(duì)鎘的遷移能力并未發(fā)生變化[29]。

3.2 鈍化劑對(duì)鎘脅迫下白菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響

在鎘污染溫室黑土環(huán)境中，炭基肥和菌糠生物炭?jī)煞N鈍化劑處理均促進(jìn)白菜生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)兩種白菜生物量、株高和根長(zhǎng)表現(xiàn)促進(jìn)作用。相比菌糠生物炭，炭基肥促進(jìn)植株生長(zhǎng)效果更好，這可能由于菌糠生物炭雖表現(xiàn)良好鈍化結(jié)構(gòu)，如活性官能團(tuán)、高pH 和豐富空隙結(jié)構(gòu)等[30]，但固定在生物炭上鎘可能會(huì)隨環(huán)境改變產(chǎn)生變化，如土壤酸堿度、陽(yáng)離子交換量和有機(jī)質(zhì)含量等[31]。而炭基肥可能由于其物理化學(xué)特性及組成，在降低根際土中可交換態(tài)鎘的同時(shí)，可為白菜提供大量有機(jī)質(zhì)及各種微量元素，促進(jìn)生長(zhǎng)[17]。

本研究中，菌糠生物炭和炭基肥均可在不同程度上促進(jìn)鎘高、低積累白菜生長(zhǎng)發(fā)育，提高生物量，降低鎘高積累白菜葉片和根部鎘含量；炭基肥在有效降低高積累白菜可食用部分鎘含量方面效果更顯著。在中輕度鎘污染土壤中，更推薦使用炭基肥作為鈍化劑。

4 結(jié) 論

通過(guò)添加炭基肥和菌糠生物炭，可不同程度提高北辰和金峰兩種白菜生物量、株高和根長(zhǎng)，降低白菜對(duì)重金屬鎘的富集，減少鎘對(duì)植株脅迫。兩種鈍化劑均可降低土壤中鎘的生物有效性，使土壤中可交換態(tài)鎘轉(zhuǎn)化為活性較低結(jié)合態(tài)鎘。

此外，在中輕度鎘污染溫室黑土環(huán)境中，施加炭基肥可有效降低鎘較高積累品種——北辰葉片部分鎘含量（＜0.2 mg·kg-1），實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。