鎘脅迫對(duì)三七土壤根際環(huán)境的影響

陳玉萍 齊媛 覃莉晨 農(nóng)葉彎 何曉詩 張繼紅 楊麗君 李素霞

摘? ?要? ?選擇廣西靖西市某三七園為試驗(yàn)地，以三年生三七為試驗(yàn)材料，通過研究不同濃度鎘脅迫（0， 5， 10， 20， 40， 50 mg·kg-1）對(duì)三七根際土壤環(huán)境的影響，揭示在不同鎘濃度處理下土壤根際環(huán)境的酸堿度、水解性氮、有機(jī)質(zhì)及有效態(tài)鎘含量變化情況。結(jié)果表明：靖西市三七產(chǎn)地的土壤呈強(qiáng)酸性（pH值為4.86），隨著鎘脅迫濃度升高，三七根際土壤的pH值總體呈下降趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)、水解性氮含量呈升高趨勢(shì);三七收獲后，土壤有效態(tài)鎘含量則顯著升高。

關(guān)鍵詞? ? 三七;鎘脅迫;土壤根際環(huán)境

中圖分類號(hào)：S567.23? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.31.014

三七[Panax notoginseng（Burk.） F. H. Chen]，五加科人參屬多年生直立草本植物，主要分布在北回歸線附近地區(qū)，云南文山、廣西靖西等地為主要種植區(qū)。近年來，貴州、四川、廣東等地也開始栽種[1-2]。三七的莖、葉、花均可入藥，全身都是寶。相關(guān)研究表明三七有止血、抗血栓、抗腫瘤、抗炎、保肝等藥理作用，可用于治療血液系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、腦血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)、免疫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生殖與泌尿系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等疾病[3]。Cd作為微量元素的一種，與人體健康息息相關(guān)，攝入不足或過剩都會(huì)不同程度地引起人體生理異?；蚣膊4]。由于人類生產(chǎn)活動(dòng)擴(kuò)大等諸多原因，土壤中的Cd含量不斷增加，出現(xiàn)了土壤Cd污染的現(xiàn)象。作為三七傳統(tǒng)種植區(qū)的云南、廣西等地，土壤也存在Cd超標(biāo)現(xiàn)象，易對(duì)三七的品質(zhì)和藥效造成影響。吳冠美等研究表明廣西靖西市三七種植區(qū)中土壤Cd超標(biāo)率為33.33%[5]。林龍勇等研究表明云南三七種植區(qū)的土壤樣品中Cd超標(biāo)率為75%[6]。土壤中Cd元素污染不易被水淋濾，不能為生物降解，相反卻能被植物吸收，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降，并通過食物鏈危害人類健康[7]。近年來，有關(guān)三七Cd含量超標(biāo)的報(bào)道時(shí)有出現(xiàn)，一定程度上打擊了三七行業(yè)的繁榮發(fā)展和損害中草藥在群眾心中的印象[8]。本文從不同Cd濃度脅迫下三七土壤根際環(huán)境的變化情況來揭示三七鎘吸收的影響因素及其機(jī)理，為廣西三七產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為三年生三七。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選在靖西市某農(nóng)戶的三七園，與當(dāng)?shù)厝叩淖o(hù)養(yǎng)管理相同。試驗(yàn)前，供試土壤的pH值為4.86，有機(jī)質(zhì)含量為43.30 g·kg-1，速效氮含量178.11 mg·kg-1，速效磷含量48.80 mg·kg-1，速效鉀含量203.70 mg·kg-1，全Cd含量為0.44 mg·kg-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)鎘脅迫濃度的不同，試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理：空白對(duì)照（0 mg·kg-1）、處理1（5 mg·kg-1）、處理2（10 mg·kg-1）、處理3（20 mg·kg-1）、處理4（40 mg·kg-1）、處理5（50 mg·kg-1）。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)種植3棵生長狀態(tài)相似的三七。土壤處理方式：取0～20 cm耕層土壤，曬干后過10目篩，根據(jù)對(duì)應(yīng)濃度配置相應(yīng)的CdCl2溶液，每份溶液噴施在10 kg干土中，充分混勻，填盆。土培處理時(shí)間為2018年7月9日至9月9日。所有處理的管理措施相同。

1.4 測(cè)定方法

土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用稀釋熱法，利用濃硫酸和重鉻酸鉀混合時(shí)所產(chǎn)生的熱來氧化有機(jī)質(zhì)中的碳，剩余的重鉻酸鉀（K2Cr2O7）用硫酸亞鐵（FeSO4）標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴，通過測(cè)定消耗的氧化劑的量來計(jì)算得出土壤有機(jī)質(zhì)含量;土壤pH值采用1∶2.5的土水比，用pH計(jì)測(cè)定;土壤水解性氮的測(cè)定采用硼酸吸收氨，再用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定，計(jì)算水解性氮含量;土壤有效Cd的測(cè)定采用DTPA浸提，原子分光光度計(jì)測(cè)定法;土壤全Cd的測(cè)定采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定（GB/T 17141）[9-12]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和DPS 7.5軟件進(jìn)行處理，以Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對(duì)三七根際土壤pH的影響

土壤酸堿性對(duì)作物的不良影響是間接的。土壤酸堿性能夠影響土壤生物活性及土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，決定著植物營養(yǎng)元素的有效性及污染物的活性[13]。土壤pH可改變土壤鎘的生物有效性[14]。土壤pH是土壤重金屬形態(tài)的重要影響因素之一，土壤酸性越強(qiáng)，可溶態(tài)重金屬的濃度越高，生物有效性就越高[15]。由表1可以看出，隨著Cd脅迫濃度升高，三七根際土壤的pH值總體呈減小趨勢(shì)，其中處理1與對(duì)照處理的差異不顯著，處理2、處理3、處理4、處理5的土壤pH值均顯著低于對(duì)照（P<0.05）。隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤pH值出現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)，這個(gè)結(jié)果與周蜜等[16]研究結(jié)果中濰坊菊芋、徐州菊芋的根際土壤pH值都隨著鎘脅迫濃度升高總體呈降低趨勢(shì)相一致。

2.2 Cd脅迫對(duì)三七根際土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是泛指土壤中來源于生命的物質(zhì)，是反映土壤養(yǎng)分貯量的標(biāo)志，也是決定土壤綜合肥力水平的基礎(chǔ)，屬于土壤系統(tǒng)的主要成分之一，決定土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的平衡性，能促進(jìn)植物的生長發(fā)育，改善土壤的物理性質(zhì)，促進(jìn)微生物和土壤生物的活動(dòng)，促進(jìn)土壤中營養(yǎng)元素的分解，提高土壤的保肥性和緩沖性。它與土壤的結(jié)構(gòu)性、通氣性、滲透性和吸附性、緩沖性有密切的關(guān)系，通常在其他條件相同或相近的情況下，在一定范圍內(nèi)，有機(jī)質(zhì)的含量與土壤肥力水平呈正相關(guān)[17]。由表1可知，隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤的有機(jī)質(zhì)含量總體呈遞增趨勢(shì)（除處理1外），處理2、處理3、處理4、處理5依次增加分別為0.82%、4.53%、4.76%、11.04%。這說明在鎘脅迫下，隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤環(huán)境中有機(jī)質(zhì)的分解受到不同程度的抑制。

2.3 Cd脅迫對(duì)三七根際土壤水解性氮的影響

土壤中的水解性氮是作物當(dāng)季能夠吸收利用的氮素，較能反映近期土壤的氮素供應(yīng)狀況，它包括無機(jī)態(tài)氮和部分易分解的有機(jī)態(tài)氮，可直接被植物根系吸收，在土壤肥力中起著相當(dāng)重要的作用[18]。測(cè)試分析土壤中水解性氮含量對(duì)了解土壤的供氮能力、指導(dǎo)合理施肥具有一定意義。由表1可知，隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤的水解性氮含量呈增加趨勢(shì)，與對(duì)照相比，處理1、處理2、處理3、處理4、處理5的根際土壤的水解性氮含量增加了12.75%、16.91%、35.15%、52.21%、60.29%，且處理間差異顯著（P<0.05）。這表明鎘污染對(duì)三七吸收氮營養(yǎng)有顯著的抑制作用，并且隨著鎘濃度增加，抑制作用越強(qiáng)，該試驗(yàn)結(jié)果與周蜜等人[16]的結(jié)論一致。原因分析：1）土壤酶活性與土壤有效氮含量呈負(fù)相關(guān)[19]。當(dāng)土壤中Cd含量增加，土壤中酶活性降低，造成水解性氮含量的增加。2）土壤中堿解氮極易分解成硝態(tài)氮，硝態(tài)氮與土壤中的Cd2+都能被植物根系吸收，兩者形成競爭關(guān)系，再加上鎘離子的置換作用，使土壤水溶態(tài)NH4+含量增加，所以鎘濃度增加后，土壤堿解氮含量升高[20]。

2.4 三七根際土壤有效鎘轉(zhuǎn)化分析

由表1可知，土壤有效態(tài)鎘含量隨著鎘濃度升高呈顯著增大趨勢(shì)（P<0.05）。三七收獲后，采集土壤樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)土壤有效鎘含量分別為0.07， 3.34， 4.59， 6.41， 11.17， 17.48 mg·kg-1。與處理值擬合，得到方程y=0.304 1x+0.841 4（R2=0.960 2）。

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果表明，在鎘脅迫下，隨著鎘濃度增加，三七根際土壤的pH值總體呈下降趨勢(shì);土壤有機(jī)質(zhì)、水解性氮含量呈升高趨勢(shì);土壤有效鎘含量則顯著提高。

3.2 討論

植物-土壤生態(tài)系統(tǒng)中，根際環(huán)境是植物生長的基礎(chǔ)保障，植物所需的各種養(yǎng)分尤其是礦質(zhì)營養(yǎng)均來自于根際土壤的供給。根際土壤理化性質(zhì)也是影響重金屬生物有效性的重要因素。有研究表明，土壤鎘的有效態(tài)與其他理化性質(zhì)相關(guān)性不明顯，只與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，其原因可能是隨著土壤pH值的降低，不僅增加了CdCO3和CdS的可溶性，使水溶態(tài)的鎘含量增加，還能促進(jìn)土壤膠體所交換吸附的鎘解吸出來[12，21]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著鎘濃度的增加，土壤pH值總體呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樵诟哝k濃度處理下，酸性土壤中（該試驗(yàn)地土壤本底pH值為4.86）的Cd2+濃度增加，Cd2+和H+具有相同的競爭位點(diǎn)，結(jié)合態(tài)的鎘因與大量 H+發(fā)生交換而被釋放，導(dǎo)致土壤pH值降低[22]。本試驗(yàn)開展時(shí)間為7—9月，正值高溫，土壤有機(jī)質(zhì)在礦化過程中會(huì)釋放大量的有機(jī)酸類物質(zhì)，也會(huì)增加土壤酸度。小分子物質(zhì)也能與鎘形成難溶的絡(luò)合物，這和三七根際土壤有機(jī)質(zhì)含量同鎘濃度總體呈正相關(guān)趨勢(shì)結(jié)果相符，與周密等[16]隨著鎘濃度增加，菊芋土壤根際有機(jī)質(zhì)含量對(duì)應(yīng)增加的研究結(jié)果一致。同時(shí)，隨著鎘濃度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，也可能是鎘污染影響了土壤微生物群落，抑制土壤生物（例如細(xì)菌、真菌、放線菌等）參與土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，從而使有機(jī)質(zhì)的分解受到抑制[13]，進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)在土壤中積累。

本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤的水解性氮含量也隨之增加，原因主要在于水解性氮在土壤中易轉(zhuǎn)化為NO3-[23]，它與Cd2+的吸收部位相同，形成競爭關(guān)系，再加上鎘離子的置換作用，使土壤水溶態(tài)NH4+含量增加[24]，因此，隨著鎘濃度的增加，土壤水解性氮含量升高，進(jìn)一步揭示了土壤 pH值與堿解氮含量的負(fù)相關(guān)性[25-26]。

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（責(zé)任編輯：易? 婧）