草酸對鎘污染土壤油葵生物量及土壤酶活性和鎘形態(tài)的影響

韓洋，喬冬梅，齊學(xué)斌，李中陽，胡超，陸紅飛，趙宇龍，白芳芳，龐穎

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng)453000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，河南 新鄉(xiāng)453000；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng)453000）

近年來，農(nóng)田土壤Cd污染嚴(yán)重威脅到食品安全、人畜健康及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展；Cd在土壤中遷移性差、毒害性大，對土壤物質(zhì)能量循環(huán)、作物生理及結(jié)構(gòu)等諸多方面均會構(gòu)成潛在威脅和顯性危害[1-2]。因此，為保障糧食安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展所必需的優(yōu)質(zhì)土地資源，對Cd污染土壤的修復(fù)研究意義重大。目前修復(fù)土壤Cd污染的方法主要有物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法、生物修復(fù)法、礦物材料修復(fù)法等；大部分修復(fù)手段局限性較強(qiáng)，如物理修復(fù)技術(shù)能耗大、成本高，無法實(shí)現(xiàn)大面積推廣；化學(xué)修復(fù)技術(shù)極易造成土壤二次污染；生物修復(fù)技術(shù)效果受外界環(huán)境影響較大且修復(fù)過程緩慢，效果不穩(wěn)定等[3-4]。相比傳統(tǒng)修復(fù)手段，利用重金屬富集植物修復(fù)土壤Cd污染具有可大面積推廣、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種相對安全、可靠的環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)。因此，在Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)當(dāng)中最具發(fā)展前景[5]。然而，傳統(tǒng)富集植物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出小，大多缺乏生產(chǎn)價(jià)值，因而生物量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的一系列富集植物在修復(fù)土壤重金屬污染的應(yīng)用中逐漸受到關(guān)注。在治理農(nóng)田土壤重金屬污染時(shí)，相比野外的超富集植物，選用一些生物量較大、符合當(dāng)?shù)胤N植條件、有較強(qiáng)重金屬耐受能力又可以富集重金屬的農(nóng)作物在實(shí)際生產(chǎn)和修復(fù)潛力上更具優(yōu)勢，在修復(fù)重金屬污染的同時(shí)又能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。油葵生長迅速、生物量大、適應(yīng)能力強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)附加值高，其根系對Cd的富集能力強(qiáng)，是植物修復(fù)Cd污染土壤的理想選擇[6]。

植物根系對Cd的吸收能力與土壤中Cd的生物可利用程度共同決定土壤Cd污染的修復(fù)效果，根系分泌的小分子有機(jī)酸可從多方面誘導(dǎo)土壤Cd修復(fù)機(jī)制，主要通過改變土壤中Cd的賦存形態(tài)，刺激根系對Cd的吸收，從而提高修復(fù)效率、加快修復(fù)進(jìn)程[7]。然而，植物根系分泌釋放的少量有機(jī)酸對重金屬污染土壤的修復(fù)過程仍十分緩慢。因此，引入外源有機(jī)酸是提升重金屬污染土壤修復(fù)效率的關(guān)鍵[8-9]。外源有機(jī)酸與富集植物聯(lián)合能充分利用定殖到植物體內(nèi)和土壤的有益微生物，增強(qiáng)植物對環(huán)境污染物和其他逆境的耐受性，從而有效增強(qiáng)共生體系對環(huán)境的修復(fù)能力，也能通過調(diào)節(jié)土壤pH值、螯合作用等途徑刺激土壤中Cd形態(tài)發(fā)生改變[10]，改變Cd在土壤環(huán)境中的生物有效性和毒性[11-12]，從而影響植物對Cd的吸收[13]。草酸作為典型的天然小分子有機(jī)酸，與重金屬離子結(jié)合能夠形成穩(wěn)定的螯合物[14]，改變重金屬活性，一定程度上可促進(jìn)植株地上部對重金屬離子的吸收[15]。在植物修復(fù)重金屬污染土壤的過程中施加草酸可極大增強(qiáng)修復(fù)效果。目前，針對有機(jī)酸結(jié)合植物修復(fù)重金屬污染土壤的相關(guān)研究大多集中于不同種類有機(jī)酸、不同品種超富集植物的修復(fù)效果對比及篩選，而將油葵作為富集植物，結(jié)合外源草酸不同施入時(shí)間節(jié)點(diǎn)和施加濃度條件下的土壤Cd污染修復(fù)效應(yīng)及土壤環(huán)境響應(yīng)機(jī)制的相關(guān)研究甚少。為此，本研究從土壤環(huán)境改變?nèi)胧?，探索外源草酸不同施入時(shí)間和施加濃度對土壤不同形態(tài)Cd含量及相關(guān)土壤化學(xué)指標(biāo)的影響，以期為重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試作物與土壤

選取“先瑞2號”作為供試油葵品種；試驗(yàn)用土于2011年采自某Cd污染區(qū)，后經(jīng)多次重金屬污染試驗(yàn)，土壤中Cd總量達(dá)到19.5 mg·kg-1。土壤總N量1.14 g·kg-1，總P量0.63 g·kg-1，K 86 mg·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.70%，土壤pH值為8.20。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站日光溫室中進(jìn)行。試驗(yàn)用土經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過5 mm篩分后充分混勻，裝入塑料花盆中。試驗(yàn)用花盆上緣直徑25 cm，高15 cm，底部直徑15 cm，每盆裝入風(fēng)干土3 kg。在2018年10月2日播種，10月6日出苗。分別在油葵出苗后的第20、30、40、50 d時(shí)施入外源草酸。草酸設(shè)6種濃度水平，分別為1、2、3、4、5、6 mmol·kg-1，以不加草酸為對照（CK），共計(jì)25個處理，每個處理重復(fù)3次，共計(jì)填裝花盆75盆。試驗(yàn)過程中，當(dāng)土壤含水率降低至田間持水量的70%時(shí)開始澆水。2019年1月9日收獲油葵，試驗(yàn)周期為100 d。收獲后將每盆土樣全部倒出，充分混勻后取部分土樣裝入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室用于測定土壤Cd總量、不同形態(tài)（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)）Cd含量、土壤pH值、土壤酶活性（過氧化氫酶活性、淀粉酶活性、蔗糖酶活性）。

1.3 指標(biāo)測定與分析方法

土壤Cd總量通過王水-高氯酸消解后，采用原子吸收分光光度計(jì)法測定；采用Tessier分級提取法提取不同形態(tài)Cd（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)），提取液中Cd采用TAS-986原子吸收分光光度計(jì)測定[16]。土壤Cd去除率為油葵種植前土壤Cd總量與油葵收獲后土壤Cd總量之差與油葵種植前土壤Cd總量之比。土壤采集后測定新鮮土樣酶活性，土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，土壤淀粉酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[16]。將油葵根和地上部用自來水充分沖洗干凈后，再用去離子水沖洗，在105℃條件下殺青30 min，然后在75℃下烘干直至質(zhì)量恒定，分別測定油葵根、地上部分干質(zhì)量。

應(yīng)用Excel 2010和SAS 9.2對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析；選取95%置信水平，應(yīng)用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行不同處理間的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 草酸濃度與施用時(shí)間對土壤pH值及酶活性的影響

不同處理土壤pH值及酶活性見表1。在油葵出苗后20、30、40 d及50 d 4個時(shí)間點(diǎn)施入不同濃度草酸后的土壤pH值與CK相比均無顯著差異（P＞0.05）?？梢姡菟釋ν寥纏H值影響不明顯。

油葵出苗后20 d時(shí)，不同濃度草酸施用條件下的土壤過氧化氫酶活性均高于CK，其中1、6 mmol·kg-1濃度下的過氧化氫酶活性提升顯著（P＜0.05），相比CK分別提高38.5%和48.4%。出苗后30 d，3、4、5 mmol·kg-1草酸施用濃度下的土壤過氧化氫酶活性顯著 高 于CK（P＜0.05），分 別 提 高44.3%、69.7%和63.1%。出苗后40 d時(shí)，1、2、3、4、5、6 mmol·kg-1草酸濃度水平下的土壤過氧化氫酶活性均顯著高于CK（P＜0.05），分別提高70.5%、47.5%、45.1%、57.4%、79.5%及84.4%。出苗后50 d時(shí)，1、2、3、4 mmol·kg-1草酸濃度水平下的土壤過氧化氫酶活性顯著高于CK（P＜0.05），分別提高43.4%、52.5%、45.1%和55.7%。綜上，草酸的施入一定程度上提高了土壤過氧化氫酶活性，有利于提升土壤的自凈與解毒能力。

出苗后20、30、40 d時(shí)，草酸不同濃度水平下的土壤淀粉酶活性均顯著低于CK（P＜0.05）；而在出苗后50 d時(shí)施入草酸，各濃度下的土壤淀粉酶活性與CK相比均無明顯差異。前期施加草酸會降低土壤淀粉酶活性，一定程度上不利于根系與土壤環(huán)境間有機(jī)物質(zhì)交換；土壤淀粉酶活性隨著草酸施入時(shí)間的延緩呈先降低后升高趨勢；在油葵出苗后40 d時(shí)施用草酸，土壤淀粉酶活性最低。

出苗后20 d時(shí)，不同濃度草酸土壤蔗糖酶活性均高于CK，其中6 mmol·kg-1濃度下的蔗糖酶活性提高顯著（P＜0.05），相比CK提升34.0%。出苗后30 d時(shí)，施用2、3 mmol·kg-1濃度草酸，土壤蔗糖酶活性顯著高于CK，分別提高102.1%和74.5%。出苗后40 d時(shí)，1、2、3、4、5、6 mmol·kg-1濃度下的土壤蔗糖酶活性均高于CK，其中1、2、5、6 mmol·kg-1濃度水平下的蔗糖酶活性提高顯著（P＜0.05），相比CK分別提高147%、126%、123%及138%。出苗后50 d時(shí)，1、2、3 mmol·kg-1草酸濃度下的土壤蔗糖酶活性顯著高于CK（P＜0.05），分別提高82.9%、53.2%和38.3%。可見，施加草酸一定程度上能夠刺激土壤蔗糖酶活性的提升，對土壤碳循環(huán)轉(zhuǎn)化過程可起到積極的調(diào)節(jié)作用。

2.2 草酸濃度與施用時(shí)間對油葵地上部分及根干質(zhì)量的影響

不同處理油葵地上部分干質(zhì)量見圖1（a）。與CK相比，油葵出苗后20 d時(shí)施用3 mmol·kg-1濃度草酸，地上部分干質(zhì)量提高了122%，達(dá)顯著水平（P＜0.05）；其他草酸濃度下的油葵地上部分干質(zhì)量雖高于CK，但差異不顯著。出苗后30 d時(shí)，施用2、3、5、6 mmol·kg-1濃度草酸，油葵地上部分干質(zhì)量均顯著高于CK（P＜0.05），分別提高112%、126%、98.0%及96.4%。出苗后40 d時(shí)，施加1、2、3、4、5、6 mmol·kg-1濃度草酸，油葵地上部分干質(zhì)量均高于CK，其中2 mmol·kg-1濃度下的地上部分干質(zhì)量提高顯著（P＜0.05），相比CK處理提高117%。出苗后50 d時(shí)，3 mmol·kg-1濃度水平下的油葵地上部分干質(zhì)量顯著高于CK（P＜0.05），相比CK提高61.7%。綜上，施用草酸能夠提升油葵地上部分干質(zhì)量；地上部分干質(zhì)量均以3 mmol·kg-1草酸濃度處理為最高（40 d時(shí)除外）。此外，3、4、5、6 mmol·kg-1濃度下的油葵地上部分干質(zhì)量均以出苗后30 d時(shí)施用為最高，而1、2 mmol·kg-1濃度下的油葵地上部分干質(zhì)量則以出苗后40 d時(shí)施用為最高?？梢?，在油葵出苗后30～40 d時(shí)施用草酸最有利于提高油葵地上部分干質(zhì)量。

表1草酸不同濃度與施入時(shí)間下的土壤酶活性Table 1 pH and enzyme activity in root soil under different oxalic acid concentrations and application time

不同處理油葵根干質(zhì)量見圖1（b）。與CK相比，出苗后20 d時(shí)施用3 mmol·kg-1濃度草酸，油葵根干質(zhì)量顯著提高（P＜0.05），較CK提高138%。出苗后30 d時(shí)施用2 mmol·kg-1濃度草酸，油葵根干質(zhì)量顯著高于CK（P＜0.05），較CK提高117%。出苗后40、50 d時(shí)施加不同濃度草酸，油葵根干質(zhì)量與CK相比均無顯著差異?？傮w來看，在油葵出苗后20～30 d時(shí)施用草酸，根干質(zhì)量均高于CK，可見在出苗后20～30 d施用草酸有利于提高油葵根干質(zhì)量。相同草酸施入時(shí)間下，油葵根干質(zhì)量以2、3 mmol·kg-1濃度處理為最高；除3 mmol·kg-1濃度處理外，各濃度水平下的油葵根干質(zhì)量均隨著草酸施入時(shí)間的延緩呈先升高后降低的趨勢；出苗后30 d時(shí)施加草酸，油葵根干質(zhì)量達(dá)到最高。

2.3 草酸濃度與施用時(shí)間對土壤Cd賦存形態(tài)的影響

圖1草酸濃度與施用時(shí)間對油葵生物量的影響Figure 1 Dry mass of oil sunflower under different oxalic acid concentrations and application time

不同處理土壤可交換態(tài)Cd含量見圖2（a）。草酸各濃度水平與施入時(shí)間下的土壤可交換態(tài)Cd含量總體上均低于CK（20 d時(shí)2 mmol·kg-1濃度及50 d時(shí)1、6 mmol·kg-1濃度處理除外），可見施加草酸一定程度上可降低土壤可交換態(tài)Cd含量。出苗后20 d時(shí)，6 mmol·kg-1草酸濃度下的土壤可交換態(tài)Cd含量顯著低于CK（P＜0.05），較之降低19.4%；出苗后30 d時(shí)，施用1、2、3 mmol·kg-1濃度草酸，土壤可交換態(tài)Cd含量顯著低于CK（P＜0.05），較之降低30.2%～44.4%；出苗后40 d時(shí)，1、2、3、4、5、6 mmol·kg-1草酸濃度下的土壤可交換態(tài)Cd含量均顯著低于CK（P＜0.05），較之降低26.3%～35.1%；出苗后50 d時(shí)，1 mmol·kg-1草酸濃度下土壤可交換態(tài)Cd顯著高于CK，其他草酸濃度下的土壤可交換態(tài)Cd含量與CK相比均無顯著差異?？傮w來看，在油葵出苗后40 d時(shí)施用草酸，土壤可交換態(tài)Cd含量最低；相同施用時(shí)間下，可交換態(tài)Cd含量均以3 mmol·kg-1濃度水平為最低。在油葵出苗后40 d時(shí)施用3 mmol·kg-1濃度草酸，土壤可交換態(tài)Cd含量最低。

不同處理土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量見圖2（b）。草酸各濃度與施用時(shí)間下的土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量均高于CK（50 d時(shí)2 mmol·kg-1濃度處理除外）。出苗后20 d時(shí)，各濃度下的土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量相比CK提高6.4%～36.8%，其中4 mmol·kg-1濃度處理與CK相比差異顯著（P＜0.05）；出苗后30 d時(shí)，各草酸濃度下的土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量相比CK提升0.9%～45.0%，其中1、5 mmol·kg-1濃度處理顯著高于CK（P＜0.05）；出苗后40 d時(shí)，各草酸濃度下的土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量均顯著高于CK（P＜0.05），較之提高50.3%～152.2%；出苗后50 d時(shí)，除2 mmol·kg-1濃度處理外，其他草酸濃度下的碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量均高于CK，但差異不顯著?？傮w來看，草酸不同濃度水平下的土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量均在出苗后40 d時(shí)達(dá)到最高，此時(shí)4 mmol·kg-1濃度處理下的油葵土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量遠(yuǎn)高于CK及其他各濃度水平。

圖2草酸濃度與施用時(shí)間對土壤Cd賦存形態(tài)的影響Figure 2 Content of different forms of Cd in root soil under different oxalic acid concentrations and application time

不同處理土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量見圖2（c）。草酸各濃度與施用時(shí)間下的土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量均低于CK（50 d時(shí)1 mmol·kg-1濃度處理除外）。出苗后20 d時(shí)，各草酸濃度下的土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量相比CK降低32.4%～57.4%，其中2、3、4、6 mmol·kg-1濃度處理與CK相比差異顯著（P＜0.05）；出苗后30 d時(shí)，各草酸濃度下的土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量相比CK降低8.6%～61.0%，其中1、2、3、6 mmol·kg-1濃度處理與CK相比差異顯著（P＜0.05）；出苗后40 d時(shí)，各草酸濃度下的土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量均顯著低于CK（5 mmol·kg-1濃度處理除外），相比CK降低22.8%～45.1%；出苗后50 d時(shí)，除1 mmol·kg-1濃度處理外，其他草酸濃度下的土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量均低于CK，但差異不顯著。總體來看，草酸各濃度水平下的土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量均在出苗后30 d時(shí)達(dá)到最低（4、5 mmol·kg-1濃度除外），40 d時(shí)次之。相同施入時(shí)間下，土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量以2、3 mmol·kg-1濃度水平為最低。在油葵出苗后30 d時(shí)施加3 mmol·kg-1濃度草酸，土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量最低。

不同處理土壤有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量見圖2（d）。草酸各濃度與施用時(shí)間下的土壤有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量均低于CK（50 d除外）。出苗后20 d時(shí)，各草酸濃度下的土壤有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量相比CK降低18.8%～43.8%，除5、6 mmol·kg-1濃度處理外，其他濃度均顯著低于CK（P＜0.05）；出苗后30 d時(shí)，各草酸濃度下的土壤有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量相比CK降低8.0%～31.3%，其中6 mmol·kg-1濃度處理與CK相比差異顯著（P＜0.05）；出苗后40 d時(shí)，各草酸濃度下的土壤有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量相比CK降低23.5%～30.9%，除5 mmol·kg-1濃度處理外，各濃度均顯著低于CK（P＜0.05）；出苗后50 d時(shí)，各處理間均無顯著差異?？傮w來看，各草酸濃度下的土壤有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量均在出苗后40 d時(shí)達(dá)到最低；相同施入時(shí)間下，土壤有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量以2～3 mmol·kg-1濃度水平為最低。在油葵出苗后40 d時(shí)施用3 mmol·kg-1濃度草酸，土壤有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量最低。

表2不同處理每盆土壤Cd去除率（%）Table 2 Cd removal rate in soil under different treatments（%）

2.4 草酸濃度與施用時(shí)間對土壤Cd去除率的影響

草酸各濃度與施用時(shí)間下每盆土壤Cd去除率見表2。在油葵出苗后4個時(shí)間點(diǎn)施用不同濃度草酸，土壤Cd去除率均高于CK（50 d時(shí)1、6 mmol·kg-1濃度處理除外），可見施加草酸可有效提高土壤Cd去除率。出苗后20、30 d時(shí)，各草酸濃度處理下的土壤Cd去除率均顯著高于CK，相比CK提升29.0%～51.8%和39.0%～89.2%；出苗后40 d時(shí)施入2、4 mmol·kg-1濃度草酸，土壤Cd去除率顯著高于CK，相比CK提升49.3%和53.9%。綜合分析，在油葵出苗后30 d時(shí)施入4 mmol·kg-1濃度草酸，土壤Cd去除率最高，相比CK提升89.2%。

2.5 油葵干重、土壤酶活性與Cd去除率相關(guān)性分析

土壤Cd去除率與油葵干質(zhì)量和土壤酶活性之間的相關(guān)性見表3。土壤Cd去除率與油葵地上部分干質(zhì)量、根干質(zhì)量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與土壤過氧化氫酶活性、淀粉酶活性、蔗糖酶活性均無顯著相關(guān)性（P＞0.05），可見土壤Cd去除率越高越有利于油葵地上部分干質(zhì)量及根干質(zhì)量的提升。

3 討論

土壤酸堿度的改變對土壤養(yǎng)分循環(huán)和作物生理過程均會造成顯著影響，土壤酶活性與微生物活性受土壤酸堿度的誘導(dǎo)效應(yīng)明顯[17]。土壤微生物在適度的酸性介質(zhì)環(huán)境下分泌酶的種類最廣，產(chǎn)酶速率最高[18]；施加有機(jī)酸會降低土壤pH，而土壤pH的降低在一定范圍內(nèi)能夠提升土壤養(yǎng)分有效性、降低土壤毒性[19]。本研究中，草酸的施入促進(jìn)了土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性的提升；在不同時(shí)間點(diǎn)施加不同濃度草酸雖略微降低了土壤pH值，但差異不顯著，與以往研究結(jié)果存在一定差異。原因可能是本研究中外源草酸施入時(shí)間較早，土壤環(huán)境在草酸施入后與油葵收獲前經(jīng)歷了較長時(shí)間的演變，加上土壤自身具有較強(qiáng)的酸堿度緩沖性能及油葵根系吸收作用[20]，使得土壤pH值在收獲期并未發(fā)生顯著改變。而以往研究大多為短期培養(yǎng)試驗(yàn)或依據(jù)作物不同生育期施加有機(jī)酸，土壤缺乏充分的緩沖時(shí)間，從而導(dǎo)致pH值顯著降低[21-23]。此外，草酸施入后土壤中過氧化氫酶和蔗糖酶活性均得到了顯著提升，表明草酸明顯提升了土壤環(huán)境的自凈與解毒能力及碳循環(huán)轉(zhuǎn)化效率，而酶活性誘導(dǎo)土壤養(yǎng)分水平及自凈能力的提升也可能是增強(qiáng)土壤酸堿度緩沖性能、規(guī)避土壤酸化的重要機(jī)制。土壤pH值的降低雖在一定程度上可提升土壤中礦物元素的活化程度及植物根系吸收能力，但過度或長期的土壤酸化反而不利于植物正常生長甚至降低土壤緩沖性能。本研究在油葵苗期施加草酸并未引起收獲期土壤pH發(fā)生大幅度改變，且在一定程度上提高了土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性，提升了土壤自凈、解毒能力及碳循環(huán)轉(zhuǎn)化效率，可見在苗期施加有機(jī)酸更有利于促進(jìn)土壤環(huán)境的長期穩(wěn)定發(fā)展。

表3油葵干質(zhì)量、土壤酶活性與Cd去除率相關(guān)矩陣Table 3 Correlation matrix of oil sunflower dry weight，soil enzyme activity and Cd removal rate

Cd會抑制植物根系對土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，擾亂植物及土壤微生物的生化代謝過程，從而抑制植物生長和降低植物生物量[24]；而在Cd污染土壤中添加外源有機(jī)酸有助于緩解Cd對植物根系生長的抑制作用，提升植物生物量[25-26]。本研究中，草酸提升了油葵地上部及根干質(zhì)量，且施用2、3 mmol·kg-1濃度草酸最有利于提升油葵地上部分及根干質(zhì)量。研究表明，低分子量有機(jī)酸能夠有效促進(jìn)植物根系對土壤中養(yǎng)分的吸收，但當(dāng)外源有機(jī)酸施入超過一定量時(shí)，植物生物量則會顯著下降[27]；此外，草酸濃度水平偏低時(shí)植物生物量較低且對土壤中Cd的活化作用較差[28]，與本研究結(jié)果相似。原因可能是低濃度有機(jī)酸在土壤中極易被土壤有機(jī)質(zhì)及團(tuán)聚體吸附，而當(dāng)有機(jī)酸輸入濃度過高時(shí)，又會提高土壤中有機(jī)酸根陰離子濃度和質(zhì)子強(qiáng)度，增加植物根系受酸性介質(zhì)的脅迫程度，加上與土壤中Cd離子結(jié)合所引起的復(fù)合效應(yīng)，不利于植物根系對養(yǎng)分的吸收，表現(xiàn)為生物量下降[29]。本研究中，在油葵出苗后30～40 d時(shí)施用草酸最有利于提高油葵地上部分及根干質(zhì)量。苗期是植物各生育階段中最脆弱的時(shí)期，也是決定植物在Cd脅迫條件下能否維持后續(xù)正常生長發(fā)育的重要時(shí)期；植物苗期的生長狀況很大程度上決定其生物量，而在該時(shí)期植物對重金屬的耐受性最差。早期施入草酸，油葵根系尚不發(fā)達(dá)，對外界環(huán)境較為敏感；而較晚施入草酸，油葵在Cd脅迫條件下經(jīng)過一段時(shí)間的生長后，根系活力和生理功能已明顯衰退，因此在出苗后30 d施加草酸最有利于促進(jìn)油葵根系在Cd脅迫條件下對土壤中養(yǎng)分的吸收，提高其生物量。

有機(jī)酸作為植物根系分泌的天然重金屬配位體，能夠通過與土壤中重金屬離子結(jié)合形成可溶性絡(luò)合物，提高重金屬的活性和可移動性，降低重金屬的毒害效應(yīng)。有機(jī)酸能夠有效活化吸附在土壤顆粒表面的固相重金屬，提高其液相離子濃度，使固相重金屬轉(zhuǎn)化為易被植物根系吸收的有效形態(tài)，從而提升重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)效率和擴(kuò)散能力[30]。本試驗(yàn)條件下，施入草酸提高了油葵修復(fù)Cd污染土壤能力，這與以往研究結(jié)果相似[31]。原因可能是草酸的施入活化了土壤中的固相Cd，提高了土壤中液相Cd離子濃度，促進(jìn)了土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd向可交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增強(qiáng)了油葵根系對土壤中Cd的去除率[32-33]。此外，有機(jī)酸對于生物細(xì)胞質(zhì)膜上ATP酶的分泌和激活具有誘導(dǎo)效應(yīng)，可改變Cd離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道，進(jìn)而促進(jìn)油葵根系對Cd離子的吸收和富集[34]，從而提高油葵根系對土壤Cd的去除率。外源有機(jī)酸對土壤中重金屬的影響具有雙重性，這主要取決于有機(jī)酸的濃度和種類、重金屬形態(tài)、土壤質(zhì)量及作用環(huán)境[35]。本試驗(yàn)條件下，油葵出苗后30 d時(shí)施入4 mmol·kg-1濃度草酸，土壤Cd的去除率最高。從草酸濃度角度分析，低濃度草酸（1、2、3 mmol·kg-1）易被土壤中團(tuán)聚體及有機(jī)質(zhì)等吸附，對土壤中Cd的活化效果較差；而高濃度草酸（5、6 mmol·kg-1）對油葵根系的刺激性較強(qiáng)，反而會抑制根系對Cd離子的吸收；因此適中濃度的草酸最有利于提升土壤中Cd的活性和生物有效性，促進(jìn)油葵對Cd的吸收，進(jìn)而提升土壤Cd去除率。從草酸施加時(shí)間角度分析，在出苗后適中時(shí)間（30 d）時(shí)施入草酸，油葵根系活力和吸收能力最強(qiáng)，對土壤中Cd離子及其絡(luò)合物的富集能力最強(qiáng)，因此在該時(shí)間施入草酸，土壤Cd的去除率最高。另一方面，本試驗(yàn)采用的花盆內(nèi)徑和高度尺度較小，而油葵根系十分密集，根系在有限的空間內(nèi)對土壤Cd的去除率較高；但野外試驗(yàn)尺度往往較大，且存在降雨、氣候等不確定性因素，因此下一步應(yīng)重點(diǎn)研究田間尺度下的Cd污染土壤修復(fù)效果。

4 結(jié)論

（1）草酸提高了土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性，對土壤pH值無顯著影響。

（2）草酸提高了油葵地上部及根干質(zhì)量。施用2、3 mmol·kg-1濃度草酸，地上部和根干質(zhì)量較高。出苗后30～40 d時(shí)施入草酸，地上部和根干質(zhì)量較高。

（3）草酸降低了土壤可交換態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)及有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量。施用2、3 mmol·kg-1濃度草酸，土壤可交換態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)及有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量較低，在油葵出苗后30～40 d時(shí)施入草酸，土壤可交換態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)及有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量較低。

（4）施入草酸提高了土壤Cd去除效率；在出苗后30 d時(shí)施入4 mmol·kg-1濃度草酸，土壤Cd去除率最高，相比CK提升89.2%。