有機(jī)肥緩解紅莧菜六價鉻毒害效應(yīng)研究

劉 葉，郭良珍，楊杰文，鐘來元

(1.廣東海洋大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，廣東湛江 524088； 2.廣東海洋大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東湛江 524088)

土壤鉻自然來源于成土母巖風(fēng)化，但近年來電鍍、皮革、火力發(fā)電、木材紙漿加工及礦石和石油煉制等人類工業(yè)活動所產(chǎn)生的廢棄物使環(huán)境中的重金屬鉻呈指數(shù)倍增長[1]?！度珖寥牢廴緺顩r調(diào)查公報》顯示，耕地點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%，鉻點(diǎn)位超標(biāo)率為1.1%[2]。環(huán)境中鉻主要以Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)兩種形式存在，Cr(Ⅵ)易遷移溶解和易在生物體內(nèi)積累的特性，對人體健康有較大危害，其毒性是Cr(Ⅲ)的數(shù)倍[3]。孟凡生[4]對國內(nèi)18個鉻渣場地污染狀況統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大部分場地土壤中Cr(Ⅵ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于500mg·kg-1。鄭施雯等[5]報道，種植在溫州制革區(qū)周邊的甘蔗地下部和地上部鉻累積量分別超出植物中鉻正常上限的147倍和42倍。鉻是一種毒性很強(qiáng)的重金屬，通過生物循環(huán)在植物中累積，再沿食物鏈進(jìn)入人體，若攝取量超過200mg·d-1則會威脅人類健康[6]。因此，迫切需要研究和構(gòu)建經(jīng)濟(jì)可行、高效的土壤重金屬鉻污染防治修復(fù)技術(shù)。

近年來，鉻污染土壤修復(fù)從挖掘填埋、客土法等傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)發(fā)展為生物修復(fù)、電動力修復(fù)、土壤淋洗、鈍化還原等多元化階段，并進(jìn)一步向以技術(shù)改進(jìn)和材料創(chuàng)新為導(dǎo)向的強(qiáng)化修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)技術(shù)方向發(fā)展，因地制宜的規(guī)模化應(yīng)用和環(huán)境友好型修復(fù)材料也成為關(guān)注焦點(diǎn)[7-8]。在不影響正常農(nóng)業(yè)活動前提下，從工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物中獲得的重金屬鈍化劑，如石灰性物質(zhì)、粘土礦物、炭材料、含磷材料、秸稈和有機(jī)肥，因能顯著降低土壤重金屬遷移性、環(huán)境毒性和生物有效性而備受關(guān)注[9-10]。有機(jī)肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用肥源，可通過吸附、離子交換、氧化還原、絡(luò)合和沉淀等一系列反應(yīng)[10]，將土壤吸附的Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)，降低土壤中Cr(Ⅵ)的遷移性和毒性[3]，緩解 Cr(Ⅵ)對植物的傷害。有機(jī)肥修復(fù)重金屬污染土壤速率快、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、操作簡單，同時還能為作物提供養(yǎng)分，維持土壤肥力[11]，因而成為目前土壤重金屬污染修復(fù)的常見材料。

目前，植物應(yīng)對重金屬脅迫的研究主要集中在鉛、鎘脅迫方面，對鉻的研究相對較少[1]。自然界有許多植物具有累積重金屬的能力，人類常食用的葉菜類、茄果類、蔥蒜類蔬菜具有較強(qiáng)的重金屬富集能力[12]。研究表明，紅莧菜對鉻有一定的富集能力[13]。因此，本研究選用紅莧菜作為試驗材料，研究施用有機(jī)肥對不同程度Cr(Ⅵ)污染下紅莧菜的生長狀況和鉻累積量的影響，探究土壤中鉻賦存形態(tài)、吸附還原過程特征，以期為作物安全生產(chǎn)提供一定技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤采自廣東海洋大學(xué)校內(nèi)甘蔗地(0～20 cm)，去除雜物后自然風(fēng)干，研磨后按測定指標(biāo)要求過篩，備用?；纠砘再|(zhì)為：pH 6.5，有機(jī)質(zhì)20.45 g·kg-1，堿解氮76.95 mg·kg-1，速效磷17.92 mg·kg-1，速效鉀197.18 mg·kg-1，總鉻約164 mg·kg-1。紅莧菜種子購自大地蔬菜種子有限公司。外源Cr(Ⅵ)以K2Cr2O7形式添加。有機(jī)肥(固體)購自泰沃生物科技(有機(jī)質(zhì)≥45%)。試驗所有試劑均為市售分析純。

1.2 盆栽試驗

每盆裝7 kg風(fēng)干土，試驗設(shè)置3個不同 Cr(Ⅵ)污染水平(50、100和150 mg·kg-1)，以不施加外源鉻為對照，重復(fù)3次。將一定量K2Cr2O7與試驗土壤混勻，加水平衡1個月。平衡結(jié)束后，每種污染水平分別按土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0%、2%、4%、8%加入有機(jī)肥并混勻。于2017-07-22播種紅莧菜種子。出苗1周后，每盆保留生長一致的幼苗約50株，于2017-09-26收獲并取土，用于植株體內(nèi)鉻累積量和土壤重金屬鉻形態(tài)測定。

1.3 測定項目及方法

土壤pH用雷磁pH計測定[14]；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-外加熱法；堿解氮用滴定法；速效磷用 0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效鉀用NH4Ac浸提，火焰光度法測定，具體步驟參考《土壤農(nóng)化分析》[15]；紅莧菜生物量用電子天平稱量，株高和根長采用直尺和游標(biāo)卡尺測量，富集系數(shù)=植物地上部某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/該元素在土壤中質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土樣中加入硝酸-硫酸-氫氟酸后經(jīng)微波消解，用火焰原子吸收分光光度法測定總鉻。

土壤重金屬鉻可交換態(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)和殘渣態(tài)提取方法用Tessier五步連續(xù)提取法[16]。植物收獲后經(jīng)自來水和超純水洗凈，將植株地上部和地下部分開，105 ℃殺青15 min，75 ℃烘干，研磨，待用。植物地上和地下部的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)微波消解，用石墨爐原子吸收光譜法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表繪制，統(tǒng)計分析用SPSS 17.0處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥對Cr(Ⅵ)脅迫下紅莧菜生物量、株高和根長的影響

試驗結(jié)果表明，未施加有機(jī)肥，50 mg·kg-1和100 mg·kg-1Cr(Ⅵ)處理下紅莧菜生物量分別為 2.01 g和2.09 g，生物量略多于對照，說明一定量的鉻具有促進(jìn)紅莧菜生長的作用，而在150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)處理下，紅莧菜已無法正常生長，乃至死亡(表1)。

在相同Cr(Ⅵ)添加量條件下，紅莧菜生物量、根長和株高隨有機(jī)肥施入量的增加而增加。在50、100和150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)污染水平下，紅莧菜生物量在8%有機(jī)肥施用量下比施用4%有機(jī)肥下分別增加14.29%、15.49%和 141.22%，即使Cr(Ⅵ)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150 mg·kg-1，施加有機(jī)肥后，紅莧菜也可正常存活。以上結(jié)果表明，施用有機(jī)肥可緩解Cr(Ⅵ)對紅莧菜毒害，促進(jìn)紅莧菜生長。在施用相同量有機(jī)肥條件下，紅莧菜生物量隨Cr(Ⅵ)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。當(dāng)Cr(Ⅵ)添加量為150 mg·kg-1時，施用有機(jī)肥可使紅莧菜成活，但其生物量明顯低于相同有機(jī)肥用量下其他Cr(Ⅵ)污染水平下的生物量。因此，有機(jī)肥施用在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)能緩解Cr(Ⅵ)對紅莧菜的毒害作用。

無外源Cr(Ⅵ)污染土壤中，紅莧菜生物量在無機(jī)肥施入下為1.99 g，與其他3種有機(jī)肥處理顯著差異，且各Cr(Ⅵ)處理之間均呈現(xiàn)極顯著差異；在50、100和150 mg·kg-13種Cr(Ⅵ)處理土壤中加入有機(jī)肥后，同等污染水平下，紅莧菜生物量在0%、2%、4%和8%有機(jī)肥處理下兩兩間均呈現(xiàn)顯著差異，說明在本研究中，無污染和污染土壤中施加有機(jī)肥越多，越有利于植物生長。

2.2 有機(jī)肥對紅莧菜鉻累積量的影響

從表2可以看出，在未施加有機(jī)肥的情況下，Cr(Ⅵ)添加量越高，紅莧菜植株地上部和地下部鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，而施用有機(jī)肥后，上述指標(biāo)隨有機(jī)肥的增加而減少。在100 mg·kg-1Cr(Ⅵ)處理下，與未施有機(jī)肥處理相比，施加8%有機(jī)肥處理可使紅莧菜地上部和地下部鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低約84.50%和94.16%。150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)處理下，施用8%有機(jī)肥后，紅莧菜地下部鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍較高，為16.12 mg·kg-1。此外，植株富集系數(shù)也隨有機(jī)肥施用量增加而遞減，這說明有機(jī)肥能降低紅莧菜對鉻的富集。本研究中，在對照和添加外源Cr(Ⅵ)的土壤中均表現(xiàn)為：加入8%有機(jī)肥使紅莧菜地上部分和地下部分鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，且與其他3種有機(jī)肥比例呈極顯著差異，紅莧菜植株的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤中有機(jī)肥量的增多而逐漸減少。

表1 有機(jī)肥對Cr(Ⅵ)脅迫下紅莧菜生長的影響Table 1 Effect of organic fertilizer on growth of red amaranth under Cr(Ⅵ) stress

注：大寫字母代表差異極顯著(P<0.01)，小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；“-”代表植株死亡無數(shù)據(jù)。下同。

Note:Capital letter represents extremely significant different(P<0.01),and small letter represents significant different(P<0.05);“-” stands for no data.The smae below.

表2 有機(jī)肥對紅莧菜累積Cr的影響Table 2 Effect of organic fertilizer on Cr accumulation of red amaranth

2.3 有機(jī)肥對土壤中鉻賦存形態(tài)的影響

相同有機(jī)肥施用量條件下，土壤鉻賦存形態(tài)中，可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)比例隨著Cr(Ⅵ)添加量的增加而增加，而殘渣態(tài)的比例減少。相同Cr(Ⅵ)添加量條件下，可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)比例隨有機(jī)肥施用量的增加均有所減少，有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)則增加。在各 Cr(Ⅵ)污染水平下，未施有機(jī)肥處理植物易吸收的可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于施有機(jī)肥處理。如：150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)處理盆栽試驗中，未施用有機(jī)肥時可交換態(tài)鉻比例為2.83%(圖1)，而施入8%有機(jī)肥后，其比例降為1.21%(圖2)，因此，施用有機(jī)肥可使土壤中植物易吸收利用的可交換態(tài)鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，降低其對植物的毒害作用。此外，150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)污染水平下，添加8%有機(jī)肥后，有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)的比例分別從14.23%、50.74%增至17.59%、52.22%(圖3)。同樣表明，有機(jī)肥可通過絡(luò)合重金屬鉻離子，降低其對植物的毒害。由于無法得到Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品，上述試驗回收率采用在實(shí)際土壤樣品中的總鉻加上外源 Cr(Ⅵ)添加量進(jìn)行測定，回收率在99.04%～102.72%，試驗結(jié)果準(zhǔn)確度可接受(表3)。

Ⅰ.可交換態(tài) Exchangeable fraction；Ⅱ.碳酸鹽結(jié)合態(tài) Carbonate bound fraction；Ⅲ.鐵錳氧化物結(jié)合態(tài) Fe- Mn oxides bound fraction；Ⅳ.有機(jī)結(jié)合態(tài) Organic matter bound fraction；Ⅴ.殘渣態(tài) Residue；下同 The same below

圖1 未施用有機(jī)肥土壤鉻賦存形態(tài)
Fig.1 Chemical species of Cr in the soil withoutapplication of organic fertilizer

3 討 論

Cr(Ⅵ)在土壤中易遷移，易被植物吸收產(chǎn)生毒害反應(yīng)；而少量Cr(Ⅲ)則對于作物的生長具有刺激作用，能增強(qiáng)光合作用并提高其產(chǎn)量[12,17]，但鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會抑制植物的根、莖、葉的生長甚至導(dǎo)致死亡[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，在施用一定量有機(jī)肥后，50 mg·kg-1Cr(Ⅵ)處理下紅莧菜生物量高于對照。150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)不施用有機(jī)肥，可導(dǎo)致紅莧菜死亡。柳玲[19]在研究芹菜對 Cr(Ⅵ)的吸收和積累規(guī)律中發(fā)現(xiàn)，芹菜生物量隨 Cr(Ⅵ)處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cr(Ⅵ)對芹菜生長并未產(chǎn)生抑制作用，中、高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cr(Ⅵ)對其生長具有顯著影響。喬維川等[20]研究也表明隨著Cr(Ⅵ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，蔬菜生物量和株高會顯著降低。鉻對植物生長促進(jìn)作用，可能與鉻在精胺結(jié)合到DNA上時的競爭抑制作用、鉻與核酸間的互作、植物生長激素水平，或者鉻促進(jìn)多精胺水平的提高等有關(guān)[21]。

圖2 施用8%有機(jī)肥處理土壤鉻賦存形態(tài)Fig.2 Chemical species of Cr in the soil with addition of 8% of organic fertilizer

圖3 有機(jī)肥對外源性Cr(Ⅵ)在土壤中鉻賦存形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響(添加量為150 mg·kg-1)Fig.3 Effect of organic matter on transformation of chemical species of Cr introduced to the soil (the amounts of Cr(Ⅵ) addition:150 mg·kg-1)

重金屬鉻通過影響植株根系，從而抑制植物生長，導(dǎo)致植株生物量降低。植物通過根系從土壤中獲得營養(yǎng)元素，與此同時也吸收土壤中的重金屬，這些重金屬易積累在根系中，導(dǎo)致植株地下部重金屬含量高于地上部。本研究中，在100 mg·kg-1Cr(Ⅵ) 處理下，0%、2%、4%和8%有機(jī)肥處理，地下部分鉻累積分別占總鉻累積量的 91.55%、93.10%、87.09%、80.34%。許多學(xué)者研究也證實(shí)了植物中各器官鉻含量一般根部最高，其次是莖和葉，種子或果實(shí)中的含量很低甚至為零[22-23]。某些植物能限制重金屬離子向地上部輸送，將其大量累積在地下部，從而減輕對植株的傷害，一定程度提高植物耐受性。還有研究表明，紅菜苔鉻累積量與土壤中鉻含量呈顯著正相關(guān)[24]。本試驗在無有機(jī)肥施入的對照中，植株地下部鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤中Cr(Ⅵ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，與上述觀點(diǎn)一致。

表3 有機(jī)肥添加量對土壤中鉻賦存形態(tài)的影響Table 3 Influence of organic matter addition amounts on transformation of chemical species of Cr to the soil

Tessier等[25]在1979年提出可將土壤或沉積物中的金屬形態(tài)劃分為5種：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)和殘渣態(tài)。可交換態(tài)是交換吸附在土壤黏土礦物表面的那一部分離子，雖占總量的比例不大，但易被植物吸收利用，對植物營養(yǎng)或毒害影響最為關(guān)鍵；可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)穩(wěn)定性差，生物可利用性高，含量與植物累積量呈顯著正相關(guān)[26]。本研究中，相同有機(jī)肥施用比例下，試驗土壤中前3種賦存形態(tài)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨Cr(Ⅵ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，紅莧菜地上部和地下部的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化也是隨之遞增。其他形態(tài)只有通過轉(zhuǎn)化為交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)才能被植物利用[27]，因此，應(yīng)采取措施避免重金屬形態(tài)向可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化。150 mg·kg-1處理下，按8%比例添加有機(jī)肥后，與對照相比，可交換態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.83%降至1.21%，碳酸鹽結(jié)合態(tài)從2.24%降至1.35%。而有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)穩(wěn)定性較強(qiáng)，殘渣態(tài)較難被植物吸收利用，毒害作用最小[28]。有機(jī)物結(jié)合態(tài)是指重金屬離子與有機(jī)質(zhì)活性基團(tuán)發(fā)生螯合作用，形成螯合態(tài)鹽類；或與硫離子生成難溶于水的物質(zhì)。本研究結(jié)果表明，添加有機(jī)肥可使土壤中鉻有機(jī)物結(jié)合態(tài)增加，在150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)處理下，施用有機(jī)肥可使有機(jī)物結(jié)合態(tài)比例從14.23%增至17.59%，這有助于減少植物對Cr的吸收。

4 結(jié) 論

施用有機(jī)肥能有效緩解土壤中Cr(Ⅵ)對紅莧菜的毒害，主要表現(xiàn)為施用有機(jī)肥能提高紅莧菜生物量，促進(jìn)株高和根的生長，同時還能明顯降低其地上部和地下部的鉻累積量。有機(jī)肥可改變土壤中鉻賦存形態(tài)，可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨有機(jī)肥施用量增加而減少，有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨之增加。