沸石對(duì)土壤和知母及益母草中鎘含量及 生長(zhǎng)特征的影響

李 棟，劉 霞，王勝愛

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000； 3.保定市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督管理站，河北 保定 071051）

知母（Anemarrhena asphodeloides）和益母草（Leonurus japonicus）作為傳統(tǒng)中藥材，在現(xiàn)代中藥中被廣泛應(yīng)用。有研究發(fā)現(xiàn)知母和益母草在生長(zhǎng)過程中對(duì)土壤中鎘（Cd）的富集系數(shù)較高，分別為1.14 和1.74［1-2］。外源Cd進(jìn)入土壤后只有有效態(tài)的Cd才能被植物吸收［3-4］，而老化作用會(huì)影響Cd 的有效態(tài)，老化作用是指重金屬進(jìn)入土壤后會(huì)經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，最終各種化學(xué)形態(tài)趨于穩(wěn)定［5-6］。 Cd 超標(biāo)影響藥材品質(zhì)危害人體健康［7］，從而制約著其進(jìn)一步的推廣使用，也成為了限制其國(guó)際化的一大壁壘。因此，減少其種植過程中Cd 的超標(biāo)問題至關(guān)重要。目前土壤Cd 污染修復(fù)的主流技術(shù)有5種［8］，其中向土壤投入改良劑，因原位上操作簡(jiǎn)便、技術(shù)成本低，成為了應(yīng)用較為廣泛的土壤重金屬修復(fù)方法。常用的改良劑有石灰、碳酸鈣、煤渣等，不同改良劑對(duì)Cd 的作用機(jī)理不同［9］。沸石具有特殊硅（鋁）氧四面體三維空間結(jié)構(gòu)，從而使其具備良好的過濾功能和離子交換性能，對(duì)Cd 具有較強(qiáng)的吸附能力，且沸石對(duì)Cd 的吸附能力要強(qiáng)于其他無機(jī)鈍化劑，如膨潤(rùn)土［10］。

本研究通過盆栽試驗(yàn)探討低Cd 污染下，不同濃度Cd 的老化時(shí)間對(duì)知母和益母草生長(zhǎng)特征的影響；添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的沸石，研究沸石對(duì)土壤和植物中Cd 含量以及對(duì)知母和益母草生長(zhǎng)特征的影響，為Cd 對(duì)知母和益母草影響機(jī)制提供理論依據(jù)，對(duì)知母和益母草的安全生產(chǎn)和提高中草藥質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)供試土壤于2018 年10 月采集于河北省滿城（東經(jīng)114°43′20″～115°32′00″，北緯38°43′20″～39°07′00″），為0 ～25 cm 耕層土壤，土壤類型為潮褐土。供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干后，除去植物殘?bào)w和石塊等較大雜物后，過2 mm篩備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)如表1。供試植物購(gòu)買于河北省安國(guó)市種子市場(chǎng)。

表1 供試土壤的理化性質(zhì) Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 老化試驗(yàn) 2018 年11 月30 日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)B 座光照培養(yǎng)室（室溫22 ～26 ℃）進(jìn)行，分別取供試土壤400 g 裝在高10 cm，直徑8 cm 的塑料桶中。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（試行）(GB15618—2018)中規(guī)定，土壤pH≥7.5 時(shí)，農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值為 0.6 mg/kg，管制值最高為4 mg/kg，設(shè)置0、0.5、1、5 mg/kg 4 個(gè)Cd 水平，以3CdSO4·H2O，溶液加入，將溶液與土壤充分混勻，每個(gè)處理6 次重復(fù)，共96 盆。設(shè)置10、20、30、40 d 共4 個(gè)老化時(shí)間，倒序安排加入外源Cd，老化時(shí)間完成后統(tǒng)一采集土壤樣品，測(cè)定土壤中Cd 的有效態(tài)含量。將經(jīng)過催芽的知母和益母草種子播種到土壤中，每個(gè)處理3 次重復(fù)。生長(zhǎng)一星期后間苗，每盆留3 株長(zhǎng)勢(shì)良好且一致的植株。每隔7 d 澆150 mL 去離子水，并測(cè)定植物株高和葉面積（知母葉為由基部叢生的細(xì)長(zhǎng)披針形，不易測(cè)量，因此只測(cè)定益母草葉面積）。土培8 周后，將植物取出，用去離子水將植物根系沖洗干凈，擦干后測(cè)量根長(zhǎng)。整個(gè)植株于烘箱105 ℃殺青 30 min，再65 ℃烘至恒重，測(cè)定植物干重。同時(shí)測(cè)定土壤中有效態(tài)Cd 含量。

1.2.2 添加沸石試驗(yàn) 確定老化時(shí)間后，為探明添加不同比例沸石對(duì)土壤和兩種藥用植物中Cd 含量的影響，于2019 年3 月22 日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)B 座光照培養(yǎng)室內(nèi)開始試驗(yàn)，分別取供試土壤2 kg 裝入塑料盆（高15 cm，直徑8 cm）中，Cd 濃度為2 mg/kg， 加入土壤后，老化40 d。試驗(yàn)沸石比例設(shè)置4 個(gè)處理，分別為土重的0%、2%、5%、10%，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，2 種植物，共24 個(gè)盆栽。外源Cd 的添加采用分析純?cè)噭?CdSO4·H2O 溶液。然后施加不同比例沸石，并混勻，同時(shí)施加底肥。將經(jīng)催芽的知母與益母草種子種植于土壤中。管理措施及測(cè)定項(xiàng)目同1.2.1。

1.3 測(cè)定方法

植物株高、根長(zhǎng)直接測(cè)量，葉面積采用坐標(biāo)紙格子計(jì)數(shù)法，干重采用烘干法，均取其平均值。土壤中有效態(tài)Cd 含量采用DTPA 浸提，火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 22.0 和Excel 2016 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。土壤中的有效態(tài)Cd 含量與老化時(shí)間的相關(guān)關(guān)系按照一階指數(shù)函數(shù)衰減模型利用origin8.0 進(jìn)行擬合，公式為［11］：

公式（1）中y 為不同老化時(shí)間土壤中有效態(tài)Cd 含量（mg/kg），y0為模型擬合土壤中有效態(tài)Cd平衡含量（mg/kg），A 為模型參數(shù)，x 為老化時(shí)間(d)，t 為一階指數(shù)函數(shù)擬合表觀速率常數(shù)（d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植前后老化時(shí)間對(duì)土壤中有效態(tài)Cd 含量的影響

在沒有種植植物的情況下，土壤中有效態(tài)Cd 含量隨老化時(shí)間的變化如圖1 所示。添加Cd 濃度為 0.5 mg/kg 和1 mg/kg 的處理，土壤中有效態(tài)Cd 含量在老化時(shí)間20 d 內(nèi)迅速降低，在老化時(shí)間20 到30 d 時(shí)降低緩慢，在老化時(shí)間30 d 時(shí)趨于平衡。添加5 mg/kg Cd 老化40 d 以內(nèi)，有效態(tài)Cd 含量都在迅速降低，可見此濃度下有效態(tài)含量趨于平衡的時(shí)間較長(zhǎng)。

圖1 土壤中有效態(tài)Cd 隨老化時(shí)間變化Fig.1 The change of available Cd content in soil with aging time

方差分析表明，在種植知母和益母草后，不同老化時(shí)間土壤中的有效態(tài)Cd 含量差異顯著（P＜0.05）（表3）。

阿東見此，長(zhǎng)嘆一口氣。是呀，吼他也無益。他什么也不懂。他連自己的可憐都不知道。阿東伸出手，拍了拍阿里的臉，說：“好好好，對(duì)不起，我再也不吼你了。”

表3 種植前后土壤中有效態(tài)Cd 含量Table 3 The available concentration of Cd in soils before and after planting

續(xù)表：

在種植知母后的土壤中有效態(tài)Cd 含量較種植前土壤中有效態(tài)Cd 含量大部分是降低的，但在添加Cd 濃度5 mg/kg 老化時(shí)間40 d 時(shí)，土壤有效態(tài)Cd含量較種植知母前，增加了185%。在種植益母草后的土壤中有效態(tài)Cd 較種植前土壤中有效態(tài)Cd 含量大部分是增加的，添加0.5 mg/kg Cd 老化40 d 時(shí)，增加了385%，添加Cd 濃度5 mg/kg 老化30 d 時(shí)，降低了67%，差異顯著。

2.2 外源Cd 老化時(shí)間對(duì)知母和益母草生長(zhǎng)特征的影響

2.2.1 外源Cd 老化時(shí)間對(duì)株高的影響 知母的株高在添加Cd 濃度為0.5 mg/kg，老化10 d 的處理中，以及添加Cd 濃度為1 mg/kg、5 mg/kg 且老化40 d的處理中，與對(duì)照相比差異顯著（P＜0.05），分別增加了35%，36%和51%；而在添加5 mg/kg Cd 老化10 d 和20 d 時(shí)，知母的株高略低于對(duì)照，分別降低了15%和9%。與對(duì)照相比，各處理下益母草的株高均增長(zhǎng)顯著（P＜0.05），添加Cd 濃度為5 mg/kg 老化10 d 時(shí)，益母草的株高增幅最多，增加了118%（圖2）。低濃度Cd 促進(jìn)知母和益母草株高，這可能是因?yàn)镃d 刺激了知母和益母草的某些酶活性，促進(jìn)了自身對(duì)Cd 的代謝，而當(dāng)Cd 濃度超過知母和益母草耐受程度時(shí)，表現(xiàn)出抑制作 用［12］。

圖 2 不同濃度Cd 老化時(shí)間對(duì)知母和益母草株高的影響Fig.2 Effects of the aging time of different concentrations of Cd on the height of Anemarrhena asphodeloides and Leonurus japonicas

2.2.2 外源鎘老化時(shí)間對(duì)根長(zhǎng)的影響 不同濃度Cd的老化時(shí)間對(duì)知母和益母草根長(zhǎng)的影響如圖3所示。在不同Cd 濃度和老化時(shí)間下，知母和益母草的根長(zhǎng)與對(duì)照相比均有所增加。添加Cd 濃度5 mg/kg 老化時(shí)間20 d 時(shí)知母根長(zhǎng)增幅最大，為168%。添加Cd濃度1 mg/kg 老化時(shí)間20 d 時(shí)益母草根長(zhǎng)增幅最大，為193%。但總體趨勢(shì)是，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種植物的根長(zhǎng)均有先升后降的趨勢(shì)。在本研究中知母和益母草根系并未出現(xiàn)毒害作用，這可能是所設(shè)置的Cd 濃度并未超過知母和益母草根系的耐受程度。

圖3 不同濃度Cd 的老化時(shí)間對(duì)知母和益母草根長(zhǎng)的影響Fig.3 Effects of the aging time of different concentrations of Cd on the root length of Anemarrhena asphodeloides and Leonurus japonicas

2.2.3 外源Cd 老化時(shí)間對(duì)益母草葉面積的影響

由圖4 可知，與對(duì)照相比，不同濃度Cd 的4個(gè)老化時(shí)間的處理中，益母草葉面積均顯著增加（P＜0.05）。 添 加1 mg/kg 、0.5 mg/kg Cd 時(shí)，益母草葉面積增加均值分別為147.8%、129.8%；添加5 mg/kg Cd 時(shí)，增幅最?。?7.8%）。高濃度Cd 會(huì)影響植物葉片中葉綠素b 合成，一定程度上抑制植物的光能收集，使植物光合作用下降，能量?jī)?chǔ)存不足，最終導(dǎo)致葉片發(fā)育不良，脫落減少［13］。但本研究中益母草葉面積并未出現(xiàn)上述現(xiàn)象，這可能是所設(shè)置的Cd 濃度并未對(duì)益母草葉片產(chǎn)生毒害作用。

圖4 不同濃度Cd 的老化時(shí)間對(duì)益母草葉面積的影響Fig.4 Effects of the aging time of different concentrations of Cd on the leaf area of Leonurus japonicas

2.2.4 外源Cd 老化時(shí)間對(duì)植物干重的影響 由圖5 可知，與對(duì)照相比，在添加0.5 mg/kg 和1 mg/kg Cd 時(shí)，40 d 的老化時(shí)間內(nèi)，知母干重先升后降，而益母草的干重呈增加的趨勢(shì)，且增加顯著（P＜0.05）。在添加5 mg/kg Cd 時(shí)出現(xiàn)了先降后升的趨勢(shì)，老化時(shí)間30 d 知母和益母草的干重下降，老化10 d 時(shí)最低，降幅分別為36%和44%，但在老化40 d 時(shí)顯著增加，分別增加了116%和42%。

圖5 不同濃度Cd 的老化時(shí)間對(duì)知母和益母草干重的影響 Fig.5 Effects of aging time of different concentrations Cd on dry weight of Anemarrhena asphodeloides and Leonurus japonicas

2.2.5 有效態(tài)Cd 含量與植物生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性

由表4 和表5 可知，外源Cd 進(jìn)入土壤老化過程中，有效態(tài)Cd 含量的增加顯著抑制知母株高以及知母和益母草的干重（P＜0.05），其相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值分別為0.569、0.553、0.599；而知母根長(zhǎng)隨土壤中有效態(tài)Cd 含量的增加而增加，兩者呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），其相關(guān)系數(shù)的為0.736。

表4 有效態(tài)Cd 含量與植物生長(zhǎng)指標(biāo)的回歸方程Table 4 Regression equation of available Cd content and plant growth index

表5 有效態(tài)Cd 含量與植物生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性Table 5 Correlation between available Cd concentration and plant growth index

2.3 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)沸石對(duì)土壤和植物中Cd 含量的影響

在2 mg/kg 外源Cd 污染的土壤中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的沸石后，土壤中的有效態(tài)Cd 含量隨著沸石添加量的增加而顯著降低（P＜0.05）。添加2%、5%、10%沸石的處理，種植知母和益母草后，土壤中的有效態(tài)Cd 含量較對(duì)照分別降低了47.6%、49.5%；57.5%、59.8%；62.0%、61.7%，表明兩種植物對(duì)土壤中有效態(tài)Cd 含量的影響差異不大。此外，2%的處理和其他兩個(gè)比例間差異顯著（P＜0.05），但5%和10% 的處理間差異不顯著（圖6）。

圖6 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)沸石對(duì)土壤有效態(tài)Cd 含量的影響Fig.6 Effect of adding zeolite with different mass fractions on the concentration of available Cd in soil

添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)沸石對(duì)植物中Cd 含量的影響如圖8 所示。添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)沸石后，知母體內(nèi)的Cd 含量與對(duì)照相比顯著降低（P＜0.05），降低范圍為16.6%～34.6%，而益母草中的Cd 含量與對(duì)照相比顯著降低（P＜0.05），降低范圍為17.3%～31.7%（圖7）。

圖7 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)沸石對(duì)植物中Cd 含量的影響Fig.7 Effect of different mass fractions of zeolite on Cd content in plants

2.4 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)沸石對(duì)植物生長(zhǎng)特征的影響

由表6 可知，在2 mg/kg 外源Cd 污染的土壤中添加10%的沸石時(shí)，知母株高較對(duì)照增加顯著（P＜0.05），增幅為32.40%。添加沸石比例為5%和10%時(shí)，顯著提升了知母根長(zhǎng)（P＜0.05），增幅分別為53.57%和45.54%。與對(duì)照相比，添加沸石比例為5%時(shí)，益母草株高顯著增加（P＜0.05），增幅為19.78%。添加沸石比例為10%時(shí)益母草根長(zhǎng)和葉面積均顯著增加（P＜0.05），增幅分別為70.21%、60.86%。

表6 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)沸石對(duì)植物生長(zhǎng)的影響Table 6 Effects of adding different mass fractions of zeolites on plant growth characteristics

不同沸石施用量與植物生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性分析表明，在添加2 mg/kg 外源Cd 的土壤中的沸石施用量對(duì)知母的各生長(zhǎng)指標(biāo)影響不顯著，與益母草的株高、根長(zhǎng)和葉面積影響顯著。沸石施用量與益母草的株高和葉面積呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），其相關(guān)系數(shù)分別為0.593 和0.695；與益母草根長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.720，回歸方程見表7。

表7 不同沸石施用量與植物生長(zhǎng)指標(biāo)的回歸方程Table 7 Regression equations of different zeolite dosages and plant growth index

3 討論

外源Cd 進(jìn)入土壤后，有效態(tài)含量迅速降低，隨后趨于平衡，但是較高濃度的Cd（5 mg/kg）向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程比低濃度的外源Cd（0.5 和1 mg/kg）更加漫長(zhǎng)。這一點(diǎn)與李傳飛等人在外源Cd 在農(nóng)耕土壤中的穩(wěn)定化的研究結(jié)果相一致［14］。外源Cd 進(jìn)入土壤初期有效態(tài)含量迅速降低是因?yàn)橥寥廊芤汉屯寥滥z體顆粒表面離子產(chǎn)生了濃度差，當(dāng)濃度差消失時(shí)，土壤中的有效態(tài)Cd 含量趨于平衡［15］。

種植知母和益母草后土壤中的有效態(tài)Cd 含量較種植之前大部分是降低的，被知母和益母草吸收富集到體內(nèi)。但是也有一部分是升高的，這是因?yàn)樵谥参锷L(zhǎng)過程中，植物根系會(huì)分泌一系列的可溶性物質(zhì)，某些物質(zhì)可以將土壤中穩(wěn)定態(tài)的Cd 轉(zhuǎn)化為有效態(tài)態(tài)的Cd［16］，如毛竹根系可以明顯的活化難溶態(tài)的重金屬，促進(jìn)碳酸鹽形態(tài)的重金屬向可溶態(tài)的轉(zhuǎn)變［17］。知母和益母草根系分泌物是如何影響Cd形態(tài)的轉(zhuǎn)化還有待進(jìn)一步研究。

Cd 影響植物的生長(zhǎng)可能是由于Cd 抑制細(xì)胞的分裂，使細(xì)胞分裂出現(xiàn)障礙或不正常分裂，使細(xì)胞分裂周期延長(zhǎng)，染色體斷裂、畸變和液化［18］。有研究表明Cd 對(duì)植物影響為“低促高抑”［19-20］，在本研究中，知母的株高和干重與上述現(xiàn)象相符，但知母、益母草的根長(zhǎng)和益母草的葉面積在所有處理中均沒有出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樗O(shè)置的最高Cd 濃度還沒有對(duì)知母和益母草的根系和益母草葉片產(chǎn)生毒害作用。有研究表明，CdCl2濃度(0.2 ～ 0.8 mmol/L)與株高、葉長(zhǎng)和葉面積呈正相關(guān)［13］。本研究結(jié)果與其相似。

添加沸石降低了土壤和植物中的Cd 含量［21-22］，并促進(jìn)了知母和益母草的生長(zhǎng)。這是因?yàn)榉惺旧砭哂屑軤罱Y(jié)構(gòu)，可以對(duì)Cd2+進(jìn)行吸附；并且沸石能夠提高土壤pH，pH 提高會(huì)使土壤中的負(fù)電荷增加，增強(qiáng)對(duì)Cd2+的吸附能力，H+濃度減小也會(huì)增加Cd2+的吸附位點(diǎn)［23-24］。Fard 等［25］研究發(fā)現(xiàn)施加沸石可以降低Cd 在土壤中的活性，同時(shí)也有效降低了向日葵對(duì)Cd 的吸收，并提高了向日葵生物量。此外，沸石施入土壤中還可促進(jìn)可交換態(tài)Cd 向活性更低的碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cd 轉(zhuǎn)化［26］。

4 結(jié)論

外源Cd 濃度小于5 mg/kg 時(shí)，土壤中有效態(tài)Cd 趨于穩(wěn)定的時(shí)間為30 d。低于5 mg/kg 的外源Cd 對(duì)知母和益母草的根長(zhǎng)、益母草的株高和葉面積產(chǎn)生促進(jìn)作用。低于1 mg/kg 的外源Cd，不同老化時(shí)間下，對(duì)知母和益母草的干重均有促進(jìn)作用，但5 mg/kg 外源Cd 老化30 d 壤中有效態(tài)Cd 含量以及兩種藥用植物體中Cd 含量較對(duì)照降低顯著（P＜0.05），但兩者間差異不顯著。同時(shí)，沸石的添加可促進(jìn)知母和益母草的生長(zhǎng)。建議在低濃度Cd（≦2 mg/kg）污染的土壤中，施加5%的沸石可有效減少知母和益母草對(duì)Cd 的吸收，提高其中藥材質(zhì)量。在本試驗(yàn)中添加5%比例沸石能夠較2%比例沸石更有效地降低土壤、知母和益母草中的Cd，但并沒有大幅度地降低，施加量反而多了2.5 倍，因此從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮建議施用2%比例沸石。