摘要：為了探究鎘脅迫下富鐵有機(jī)肥對(duì)芒草生長(zhǎng)及鎘富集的影響，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，設(shè)置CK（不施肥）、ZCK（施加普通有機(jī)肥）和22、23（施加不同濃度富鐵有機(jī)肥）處理。結(jié)果表明：與CK相比，所有施肥處理均促進(jìn)了芒草生長(zhǎng)，改善了土壤理化性質(zhì)，抑制了芒草富集重金屬，且其中22、23比ZCK對(duì)芒草生長(zhǎng)的效果更好。相對(duì)于ZCK，23的芒草干質(zhì)量顯著增加了131.80％，22的芒草根長(zhǎng)顯著增加了54.22％。此外，22地上部的鎘含量相比于ZCK顯著降低了49.86％，23地下部的鎘含量相比于CK顯著降低了58.94％。研究表明，施加富鐵有機(jī)肥相對(duì)于普通有機(jī)肥更能有效促進(jìn)芒草生長(zhǎng)并抑制芒草對(duì)鎘的富集，該肥料具有對(duì)輕度鎘污染土壤進(jìn)行邊修復(fù)邊生產(chǎn)的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：硫酸亞鐵；富鐵有機(jī)肥；芒草；鎘脅迫

中圖分類號(hào)：X173；X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）02-0323-08 doi：10.11654/jaes.2023-0312

隨著礦區(qū)的不斷開(kāi)采，重金屬在土壤膠質(zhì)顆粒的吸附下不斷積累，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重威脅。據(jù)2014年公布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4％，鎘、砷、鉛等重金屬為主要污染物，湖南地區(qū)以鎘污染問(wèn)題最為突出。鎘是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中一種非必需元素，植物吸收鎘會(huì)影響抗氧化酶活性、改變細(xì)胞膜通透性、損傷細(xì)胞器、抑制生長(zhǎng)等。鎘也是一種高度致癌金屬，可通過(guò)食物鏈積累嚴(yán)重影響人類身體健康。因此，加強(qiáng)對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)迫在眉睫。目前，常見(jiàn)的土壤重金屬修復(fù)方法有植物修復(fù)法、生物還原法、電動(dòng)力學(xué)法、洗滌法等，但這些方法存在耗時(shí)長(zhǎng)或成本高的缺點(diǎn)。我國(guó)人均耕地少，農(nóng)田備用資源不足，因此不宜進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的土壤修復(fù)而不生產(chǎn)糧食，也不適宜廣泛使用價(jià)格昂貴的物理化學(xué)修復(fù)方法。近年來(lái)使用有機(jī)肥修復(fù)土壤重金屬的技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。

有機(jī)肥是一種以天然有機(jī)物質(zhì)為原料，通過(guò)堆肥、發(fā)酵或其他特定處理方式制成的肥料。與化肥相比，它具有增加土壤肥力、提高土壤質(zhì)量、減少環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)。有機(jī)肥中的有機(jī)酸和腐殖質(zhì)可以與重金屬形成絡(luò)合物，減少重金屬對(duì)植物的吸收和毒害作用。同時(shí)，有機(jī)肥可以通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤活性，從而減少重金屬的有效性。目前，有機(jī)肥的組成元素依然是以氮、磷、鉀為主，以其他微量元素為主的有機(jī)肥研究較少。但微量元素對(duì)作物及土壤理化性質(zhì)的影響也十分重要。例如鐵離子可以影響植物細(xì)胞的光合作用、呼吸作用和活性氧的清除。鐵元素可以與重金屬形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，減少重金屬的可溶性和生物有效性。富鐵有機(jī)肥在修復(fù)土壤重金屬污染方面或許具有巨大的應(yīng)用潛力，但目前相關(guān)的研究較少。

芒草是一類常見(jiàn)的多年生禾本科植物，通常具有高度的抗逆性，能夠在多種土壤類型下生長(zhǎng)。由于耐受性和適應(yīng)性，芒草現(xiàn)已被廣泛用作飼料植物、土壤保持植物和觀賞植物。此外，芒草還可以用作能源作物，可被作為生物質(zhì)原料用于生產(chǎn)生物燃料或生物質(zhì)顆粒，是近年來(lái)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中備受關(guān)注的植物之一。

本研究采用添加硫酸亞鐵的富鐵有機(jī)肥，以能源植物芒草為研究對(duì)象，探究富鐵有機(jī)肥對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，評(píng)估富鐵有機(jī)肥的肥效價(jià)值，同時(shí)探究富鐵有機(jī)肥對(duì)土壤鎘形態(tài)及芒草鎘富集的影響，研究其在土壤修復(fù)中的應(yīng)用價(jià)值。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試植物：芒草種子來(lái)自于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒草聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。

供試土樣：土樣采自湘西花垣縣鉛鋅礦區(qū)周邊廢棄的農(nóng)用耕地，根據(jù)GB 15618-2018測(cè)定土樣重金屬，發(fā)現(xiàn)鎘含量達(dá)到污染風(fēng)險(xiǎn)管制值。

供試有機(jī)肥：普通有機(jī)肥由豬糞和秸稈外堆置2個(gè)月完成，富鐵有機(jī)肥由豬糞和秸稈外加七水硫酸亞鐵堆置2個(gè)月完成。土壤樣品理化性質(zhì)如表1所示。

1.2盆栽試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)施肥處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行。CK為陰性對(duì)照組（不施肥）；ZCK為陽(yáng)性對(duì)照組（施加普通有機(jī)肥）；22、23為試驗(yàn)組（施加富鐵有機(jī)肥），分別外加1％和2％的七水硫酸亞鐵。有機(jī)肥的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

將風(fēng)干后的土樣與肥樣過(guò)100目篩后按比例（50：1）進(jìn)行均勻混合，每個(gè)盆中裝入800 g混合土樣。芒草種子經(jīng)過(guò)3d低溫春化后于溫室下（23℃）播種，每個(gè)盆中種植3株，每隔2d觀察其生長(zhǎng)狀況并定量澆水，在第90天收獲。

1.3指標(biāo)測(cè)定

1.3.1芒草生理指標(biāo)測(cè)定

芒草種植90 d后收獲，收獲前，用葉綠素儀（JC-YLS01）測(cè)定葉綠素含量。收獲后將芒草洗凈，吸干水分后用分析天平測(cè)定鮮質(zhì)量，用卷尺測(cè)定芒草的株高和根長(zhǎng)，再將芒草置于105℃烘箱殺青30 min后，調(diào)至60℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定芒草干質(zhì)量并計(jì)算含水量。

1.3.2芒草重金屬鎘含量測(cè)定

將烘干的芒草分為地上部和地下部，分別研磨后過(guò)100目篩。稱取0.2 g樣品采用王水-高氯酸消煮法進(jìn)行消煮，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICAP-7200，賽默飛，英國(guó)）分別測(cè)定芒草地上部和地下部的鎘含量。

1.3.3土壤理化指標(biāo)測(cè)定

取根際土壤樣品，于40℃持續(xù)烘干至恒質(zhì)量，隨后研磨過(guò)100目篩。土壤pH值的測(cè)定按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)HJ 962-2018。土壤全氮和水解性氮（堿解氮）的測(cè)定方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1228-2015。土壤全鉀和速效鉀的測(cè)定方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1234-2015。土壤全磷測(cè)定采用HClO4-H2SO4法。土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷的測(cè)定方法分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.6-2006和NY/T 1121.7-2014。

1.3.4土壤重金屬鎘總量及鎘形態(tài)測(cè)定

總量測(cè)定：取研磨后的土樣0.5 g，加入8 mL王水（HNO3：HCl=1：3），加彎頸漏斗于電熱板80℃加熱1h，再升溫至150℃加熱1h，降溫冷卻后加入2 mL高氯酸，升溫至190℃持續(xù)2h，再升溫至220℃，去漏斗，消解至白色粉末，上清液澄清透明，過(guò)濾定容后即可使用ICAP-7200進(jìn)行鎘含量測(cè)定。

鎘形態(tài)測(cè)定：取磨后的土樣1.0 g，采用BCR連續(xù)提取法提取土壤中的4種鎘形態(tài)，使用ICAP-7200進(jìn)行鎘含量測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)分析

生物富集系數(shù)（Biological concentration factor，BCF）和轉(zhuǎn)移系數(shù)（Transfer factor，TF）是衡量植物對(duì)重金屬的富集能力和植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬能力強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)。

生物富集系數(shù)為植物體內(nèi)重金屬含量與植物所在土壤環(huán)境的重金屬含量之比。

轉(zhuǎn)移系數(shù)為植物地上部重金屬含量與植物地下部重金屬含量之比。

原始數(shù)據(jù)處理和計(jì)算使用Excel完成，顯著性差異分析使用IBM SPSS Statistics 26和Minitab 16完成，相關(guān)性分析在網(wǎng)站（https：//www.cloudtutu.com）完成，繪圖由Graph prism pad 8.0和Origin 64完成。

2結(jié)果與分析

2.1富鐵有機(jī)肥對(duì)芒草生長(zhǎng)的影響

第90天，各處理中的芒草生長(zhǎng)情況如圖1所示。與CK相比，各施肥處理組的芒草生長(zhǎng)情況較好，eg施肥處理之間差異不大（圖la）。通過(guò)對(duì)芒草生長(zhǎng)指標(biāo)的進(jìn)一步測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施加富鐵有機(jī)肥可以顯著提升芒草的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量。CK的鮮質(zhì)量為1.06 g·株-1，而ZCK、22、23分別為2.32、2.71、2.97 g·株-1，相對(duì)于CK分別顯著提升了118.87％、155.66％、180.19％（圖1b）。CK和ZCK的干質(zhì)量分別為0.21 g·株-1和0.52 g·株-1，而23的干質(zhì)量達(dá)到1.02 g·株-1，相對(duì)于CK和ZCK顯著提升了385.72％和96.15％（圖1c）。對(duì)于芒草生物量的提升，23效果最好。23的含水率僅為68.87％，顯著低于CK的81.53％和ZCK的79.53％（圖1d），有利于降低其蒸騰作用并提高其抗逆性。對(duì)于芒草株高和根長(zhǎng)的提升，22效果最佳，其株高和根長(zhǎng)分別為89.75、24.04 cm，相比于CK（48.87、14.28 cm）分別顯著提升了83.65％、68.35％（圖1e、圖1f）。對(duì)于葉綠素，22和23相比于CK均顯著提高，分別達(dá)到了11.05、11.77 spad（圖lg），有利于促進(jìn)芒草生長(zhǎng)。

2.2富鐵有機(jī)肥對(duì)芒草富集重金屬鎘的影響

芒草的鎘含量如圖2所示。其中，4個(gè)處理中芒草總鎘富集量無(wú)顯著差異，分別為0.003 2、0.003 0、0.0024、0.003 0 mg·株-1。與CK（3.73 mg·kg-1）和ZCK（3.67 mg·kg-1）相比，22地上部的鎘含量為1.84 mg·kg-1，顯著降低了50.67％和49.86％。與CK（32.93 mg·kg-1）和ZCK（19.25 mg·kg-1）相比，23地下部的鎘含量為7.90 mg·kg-1，顯著降低了76.00％和58.94％。與ZCK相比，22主要抑制芒草地上部富集鎘，23主要抑制芒草地下部富集鎘。

2.3富鐵有機(jī)肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

芒草收獲時(shí)的土壤理化性質(zhì)如圖3所示，與CK相比，施肥處理的全氮、全磷、堿解氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)都有所增加。與ZCK相比，22的全氮和堿解氮分別達(dá)到3.63 g·kg-1和76.96 mg·kg-1，顯著提升了111.04％、29.61％。Z3的堿解氮達(dá)到90.73 mg·kg-1，顯著提升了52.80％。與ZCK相比，Z2的速效鉀，Z2、Z3的pH都顯著降低，而全鉀各處理間則無(wú)顯著差異。結(jié)果表明，富鐵有機(jī)肥進(jìn)一步提升了氮和有機(jī)質(zhì)含量，降低了pH。

2.4富鐵有機(jī)肥對(duì)土壤鎘及其形態(tài)的影響

如圖4a所示，與CK相比，施肥處理土壤總鎘含量無(wú)顯著差異。土壤鎘形態(tài)的變化主要集中在酸可提取態(tài)與可氧化態(tài)（圖4b）。與CK相比，ZCK的酸可提取態(tài)占比降低，22、23的占比增加。各施肥處理的可氧化態(tài)占比均增加。與ZCK相比，富鐵有機(jī)肥主要增加了酸可提取態(tài)和可氧化態(tài)的占比。

2.5富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)分析

芒草的BCF與TF如表2所示。與CK相比，ZCK、22、23的BCF下降了39.26％、46.69％、63.53％，其中23降幅達(dá)到了顯著水平。芒草的TF在4個(gè)處理間無(wú)顯著差異。由此推測(cè)，有機(jī)肥可能主要通過(guò)抑制芒草對(duì)鎘的富集降低芒草體內(nèi)的鎘含量，而非改變其對(duì)鎘的轉(zhuǎn)移能力。

2.6相關(guān)性分析

根據(jù)相關(guān)性分析（圖5）可知，土壤全磷含量與芒草的根長(zhǎng)、葉綠素、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量顯著正相關(guān)。土壤全氮、速效磷、速效鉀與芒草的BCF顯著負(fù)相關(guān)，土壤pH與芒草的TF顯著正相關(guān)。株高與土壤理化性質(zhì)則不存在顯著相關(guān)性。

3討論

3.1富鐵有機(jī)肥對(duì)芒草生長(zhǎng)和鎘富集的影響

本試驗(yàn)中，施加富鐵有機(jī)肥促進(jìn)了芒草葉綠素的合成，有利于芒草更好地進(jìn)行光合作用，增加其生物量。亞鐵離子在植物根系表面氧化形成的三價(jià)鐵會(huì)在根表面沉積形成根表鐵膜，阻止植物對(duì)重金屬的吸收。以此推測(cè)，23主要抑制芒草地下部富集鎘可能是形成了較厚的根表鐵膜。相關(guān)性分析表明速效磷與芒草的BCF顯著負(fù)相關(guān)，且重金屬離子與磷形成的金屬磷酸鹽可降低植物體內(nèi)金屬離子的運(yùn)輸。22有機(jī)肥中速效磷含量相對(duì)較高，這可能是22主要抑制芒草地上部富集鎘的原因。芒草總鎘富集量沒(méi)有顯著差異，可能是生物量增加產(chǎn)生的結(jié)果。

3.2富鐵有機(jī)肥對(duì)土壤理化性質(zhì)和鎘形態(tài)的影響

本試驗(yàn)中，施加富鐵有機(jī)肥提升了全氮和有機(jī)質(zhì)含量，降低了pH。這是因?yàn)橥庠磋F會(huì)改變微生物群落結(jié)構(gòu)，而維持鐵穩(wěn)態(tài)對(duì)根瘤菌和豆科植物共生是至關(guān)重要的。本試驗(yàn)研究中富鐵有機(jī)肥可能通過(guò)增加固氮微生物的豐度，從而提升土壤養(yǎng)分。土壤中重金屬的生物活性和毒性取決于重金屬的形態(tài)，酸可提取態(tài)與可還原態(tài)鎘在酸性條件或氧化作用下容易以離子形態(tài)存在于土壤中，遷移性較強(qiáng)，易被植物吸收。而可氧化態(tài)與殘?jiān)鼞B(tài)鎘通常以穩(wěn)定的化合物存在，遷移性弱，不易被植物吸收。在本試驗(yàn)中，富鐵有機(jī)肥主要增加了酸可提取態(tài)和可氧化態(tài)的占比。對(duì)于酸可提取態(tài)的增加，一方面，可能是因?yàn)榱蛩岣x子發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生氫離子使土壤pH降低，導(dǎo)致酸可提取態(tài)鎘含量增加。另一方面，可能是施肥處理抑制了對(duì)酸可提取態(tài)鎘的吸收，而CK處理則富集了較多酸可提取態(tài)鎘。對(duì)于可氧化態(tài)的增加，可能是三價(jià)鐵離子水解形成的多核絡(luò)合物與土壤溶液中的重金屬聚沉、凝絮生成沉淀。此外，一部分亞鐵可形成納米硫酸鐵氧化物，其對(duì)重金屬具有比較強(qiáng)的專屬化學(xué)吸附作用。雖然pH的降低可能提高鎘在土壤中的有效性，但鐵離子參與的系列反應(yīng)或許能夠降低其遷移率和毒性。

近年來(lái)，有研究發(fā)現(xiàn)在土壤修復(fù)過(guò)程中通常會(huì)形成有機(jī)質(zhì)-鐵氧化物-重金屬的三相體系，三者之間的相互作用相當(dāng)復(fù)雜，并非單一的促進(jìn)或抑制作用，對(duì)土壤重金屬的遷移和形態(tài)轉(zhuǎn)化有重要影響。而鐵如何通過(guò)與土壤重金屬以及土壤多相（有機(jī)物、無(wú)機(jī)物及微生物等）的相互作用來(lái)影響土壤重金屬的轉(zhuǎn)化遷移還有待進(jìn)一步研究。

4結(jié)論

（1）鎘脅迫下富鐵有機(jī)肥能夠促進(jìn)芒草生長(zhǎng)，增加芒草的生物量和葉綠素含量。

（2）鎘脅迫下富鐵有機(jī)肥能夠抑制芒草對(duì)鎘的富集。

（3）鎘脅迫下富鐵有機(jī)肥能夠增加土壤的全氮和有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤pH。