Cd 污染土壤不同鈍化處理對木麻黃幼苗生理響應研究

洪 婷 ，張曉勉，吳才華，謝長明，岳春雷，李賀鵬，王 珺，黃旭波，李 俊

（1.臺州市自然資源和規(guī)劃局路橋分局，浙江 臺州 318050；2.浙江省林業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310023；3.臺州市路橋區(qū)農業(yè)農村和水利局，浙江 臺州 318050；4.臺州市路橋區(qū)農業(yè)信息化服務中心，浙江 臺州 318050；5.溫嶺市自然資源和規(guī)劃局，浙江 溫嶺 317500）

土壤中的重金屬污染不僅會對生態(tài)環(huán)境造成危害，也會影響植物對土壤養(yǎng)分的吸收，威脅植物生長，還會通過食物鏈危害人體健康[1-2]。上世紀，浙東沿海部分地區(qū)興起的電子廢物拆解回收產業(yè)帶來了豐厚的利潤，但由于部分企業(yè)電子廢物處理方式不合理，導致Cd，Cu，Pb 等重金屬進入環(huán)境，對人類的身體健康和自然環(huán)境造成嚴重危害[3-6]。植物修復技術作為一種綠色環(huán)保的土壤重金屬污染修復技術，是目前修復重金屬污染土壤行之有效的辦法。木本綠化植物具有生物量大、重金屬耐性強、不進入食物鏈危害人類健康、兼具生態(tài)修復和景觀美化功能等特點，在修復土壤重金屬污染方面具有廣闊的應用前景[3-6]。以植物修復技術為核心，輔以化學、微生物及農業(yè)生態(tài)措施，形成聯合修復體系，可明顯提高植物修復重金屬污染土壤的效率，成為當今植物修復土壤重金屬污染的熱點[7-8]。

木麻黃Casuarina equisetifolia具有耐干旱、抗風沙和耐鹽堿的特性，自引進后一直是我國東南沿海地區(qū)重要的沿海綠化樹種，在海岸帶生態(tài)系統(tǒng)保護、恢復等方面發(fā)揮了巨大作用[9]。目前，關于木麻黃耐重金屬脅迫的研究已有部分報道[6,9-11]，但利用木麻黃作為綠化植物修復沿海因電子廢物污染土壤的研究鮮有報道。本文以木麻黃作為修復主體，結合施用鈍化劑，研究在Cd 污染土壤條件下木麻黃幼苗的生長及生理響應，以期為木麻黃在浙東沿海電子廢物污染土壤修復中的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

臺州市路橋區(qū)（121°17′25″～ 121°40′10″E，28°26′46″～ 28°38′32″N），位于溫黃平原東南側，背山面海，屬亞熱帶季風氣候，冬、夏盛行風向分別為西北風和東南風，光照適宜，年平均氣溫為16.1℃，雨水充足，年降水量為1 441.9 mm。路橋區(qū)峰江街道再生金屬園曾是我國最大的電子廢物拆解基地，于20 世紀70 年代建廠，2015 年前后關閉，存在將近50 年的歷史，園區(qū)總占地面積107 hm2，包括園區(qū)周邊小手工作坊，總占地面積達到10 km2。由于粗放的拆解工藝和小作坊的手工操作，使得電子廢物中Cd，Cu，Pb，Zn 等重金屬污染物及化學污染物得不到有效處理，拆解電子垃圾產生的殘渣、污水經過污灌、渣堆等途徑進入周圍的農田和水域，造成嚴重污染[6]。

1.2 材料及方法

污染土壤來源于臺州市路橋區(qū)峰江街道路西村實驗地，距原峰江街道再生金屬園1 km。在實驗地四角及中心位置各設置8 m×8 m 的取土區(qū)，取土深度為0～ 20 cm，2019 年6 月取土，并對所取土壤進行混合、室溫風干，去除肉眼可見的植物根、枯落物等，研磨，過4 mm 篩，備用。供試土壤理化性質見表1，其中，Cd 含量達到2.52 mg·kg-1，超過國家《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618-2018）[12]農用地Cd 污染風險篩選值（0.3 mg·kg-1，pH＜6.5）8.39 倍，已達到中度以上污染水平[6,13-15]。

表1 供試土壤和鈍化劑理化性質Table 1 Physio-chemical properties of tested soil and pasivators

試驗采用污染土盆栽室內控制試驗，根據相關研究[16-18]及預實驗結果，共設計4 種處理情況：純污染土不添加任何鈍化劑（CK）、污染土+秸稈生物炭（處理A）、污染土+泥炭（處理B）、污染土+凹凸棒土（處理C）。污染土壤風干后按試驗設計分別稱量裝入花盆中，每盆裝入原狀土5 kg，并加入3.0 mg·kg-1挪威進口復合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）作為底肥，混勻后，澆水，保持田間最大持水量的50%。其中，CK 為純污染土，處理A、處理B 和處理C 每盆按土壤質量的5%拌入相應的鈍化劑，混勻，裝盆[19-21]。秸稈生物炭、泥炭、凹凸棒土由浙江省農業(yè)科學院提供，其理化性質見表1，每種鈍化劑處理土壤10 盆，共計40 盆，平衡兩周后開展木麻黃種植試驗。

供試木麻黃來源于臨海市保障苗圃，2019 年6 月，選用1 年生、地徑和高度基本一致的扦插容器苗，去掉容器苗根部基質后定植到相應的土壤處理中，每盆1 株，澆透水，每個處理10 株，共計40 株。定植后的木麻黃在大棚中進行培養(yǎng)，每2 d 澆1 次水。定植10 d 后，每個處理隨機取5 株測定株高、地徑，作為生長效率比較的初始值。5 個月后每個處理隨機取5 株統(tǒng)計株高、地徑并采集葉片進行MDA（丙二醛）、可溶性糖、可溶性蛋白質等指標測定。

1.3 測定方法及數據處理

MDA 測定采用硫代巴比妥酸法[22-23]，可溶性糖測定采用蒽酮法，可溶性蛋白質測定采用考馬斯亮藍法[24-26]。株高使用鋼圈尺（三圈牌173 鋼卷尺）測定，地徑使用游標卡尺（晶思達數顯游標卡尺）測定。

采用Excel 軟件對數據進行基本統(tǒng)計和分析作圖。采用SPSS17.0 進行方差分析、多重比較和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對木麻黃生長的影響

從圖1 和圖2 中可以看出，添加不同鈍化劑處理對木麻黃幼苗地徑和高生長都具有一定的促進效果：處理A、處理B 和處理C 的苗高生長量分別為CK 的1.25 倍、1.02 倍和1.26 倍，地徑生長量分別為CK 的1.47 倍、1.05 倍和1.28 倍。從生長效率來分析，種植5 個月后4 種鈍化劑處理土壤條件下（CK、處理A、處理B 和處理C）木麻黃苗高生長量分別是種植時初始值的2.53 倍、3.11 倍、2.63 倍、3.18 倍，地徑生長量分別是種植時初始值的14.01 倍、21.41 倍、14.67 倍、17.96 倍。綜合生長情況可以看出，處理A 和處理C 可以明顯提高木麻黃幼苗的地徑和高生長。

圖1 不同處理5 個月后木麻黃地徑生長量的比較Figure 1 Comparison on ground diameter growth of seedlings treated 5 months later

圖2 不同處理5 個月后木麻黃高生長量的比較Figure 2 Comparison on height growth of seedlings treated 5 months later

2.2 不同處理對木麻黃葉片MDA 含量的影響

由圖3 可以看出，與CK 相比，添加鈍化劑的各處理木麻黃葉片的MDA 含量較低，分別為CK 的39.3%，84.1%和94.3%。說明添加秸稈生物炭、泥炭、凹凸棒土后木麻黃幼苗膜質過氧化反應較小，膜系統(tǒng)受損程度較輕，植物受到Cd 脅迫傷害程度較小。不同處理木麻黃葉片的MDA 含量排序為：CK＞處理C＞處理B＞處理A，其中，處理A 木麻黃葉片的MDA 含量為CK 的39.3%，為處理B 的46.8%，為處理C 的41.7%，說明添加秸稈生物炭比添加泥炭和凹凸棒土在緩解重金屬污染、保障植物正常生長方面具有較好效果。

2.3 不同處理對木麻黃葉片可溶性蛋白質、可溶性糖含量的影響

從圖4 可以看出，與CK 相比，處理A、處理B 和處理C 木麻黃葉片的可溶性蛋白質含量較低，分別為CK的81.7%，96.4%和80.2%，各處理可溶性蛋白質含量排序為：CK＞處理B＞處理A＞處理C。處理A、處理B和處理C 木麻黃葉片的可溶性糖含量分別為CK 的82.2%，80.0%和92.6%，各處理的可溶性糖含量排序為：CK＞處理C＞處理A＞處理B。

圖3 不同處理木麻黃葉片的MDA 含量Figure 3 MDA content in seedlings with different treatments

圖4 不同處理木麻黃葉片的可溶性蛋白質、可溶性糖含量Figure 4 Content of soluble protein and soluble sugar in seedlings with different treatments

2.4 不同鈍化劑處理對木麻黃幼苗生長效果比較分析

為研究不同鈍化劑處理在Cd 脅迫條件下對木麻黃幼苗生長的促進效果，采用單因變量多因素方差分析進行多重比較，結果見表2。由表2 表明，在4 種處理土壤條件下，木麻黃幼苗的MDA 含量、可溶性總糖含量、可溶性蛋白質含量、地徑、苗高5 個指標之間存在差異，其中，處理A 的5 個指標與CK 間的差異均達到極顯著水平（P＜0.01），并且其MDA 含量與處理B、處理C 之間的差異達到極顯著水平（P＜0.01）；處理B 的MDA含量、可溶性總糖含量與CK 之間差異達到極顯著水平（P＜0.01）；處理C 的可溶性蛋白質含量、苗高與CK之間的差異達到極顯著水平（P＜0.01）。

表2 不同鈍化劑處理木麻黃相關指標多重比較Table 2 Multiple comparison on different index of seedlings with different treatments

為了對不同鈍化劑施用效果進行更直觀的分析歸類，以4 種處理土壤條件下木麻黃幼苗的MDA 含量、可溶性總糖含量、可溶性蛋白質含量、地徑、苗高5 個指標為自變量，運用SPSS 軟件對4 種處理的綜合效果進行聚類分析，聚類結果見圖5。由圖5 可以看出，綜合分析不同鈍化劑處理條件下木麻黃的MDA 含量、可溶性總糖含量、可溶性蛋白質含量、地徑、苗高5 個指標，總體認為分為3 大類更為符合實際。其中，處理A 為一類，總體效果最好；處理C 為一類，總體效果較好；處理B 和CK 屬于一類，總體效果一般。本研究采用的3 種鈍化劑綜合效果排序為：秸稈生物炭＞凹凸棒土＞泥炭。

圖5 不同鈍化劑處理聚類圖Figure 5 Clustergram of different treatments

3 結論與討論

3.1 結論

本研究結果顯示，在中度以上Cd（2.52 mg·kg-1）污染土壤條件下，木麻黃幼苗未出現中毒枯黃現象，地徑和高生長沒有受到抑制，整體維持正常的生長狀態(tài)，表現出木麻黃對Cd 污染較強的適應能力；在中度以上Cd污染土壤中，單獨添加質量比5%的秸稈生物炭、凹凸棒土可以明顯提高木麻黃幼苗的地徑和高生長。

添加秸稈生物炭、泥炭和凹凸棒土可有效改善Cd 污染土壤環(huán)境，降低木麻黃幼苗葉片的MDA 含量，減輕木麻黃膜質過氧化程度，為木麻黃幼苗生長提供較好的生長環(huán)境，使木麻黃葉片中滲透調節(jié)物質的含量維持在較低水平。通過多重比較和聚類分析認為單獨添加5%的秸稈生物炭綜合效果最好。

3.2 討論

3 種鈍化劑處理條件下，木麻黃幼苗葉片的MDA 含量、可溶性蛋白質和可溶性糖含量3 個指標都較未添加鈍化劑處理低，且在各處理下這3 個指標含量排序規(guī)律大體一致，說明由于鈍化劑對土壤中Cd 的物理、化學等作用，為植物生長提供了相對較好的土壤環(huán)境，減輕了重金屬對植物生長的毒性作用[16,27-29]，使木麻黃幼苗葉片膜系統(tǒng)受損程度較輕，可溶性蛋白質和可溶性糖等滲透調節(jié)物質未充分發(fā)揮作用；而未添加鈍化劑的土壤處理中這3 個指標均較高，這也從側面反映出在未添加鈍化劑的純污染土壤環(huán)境下木麻黃自身的滲透調節(jié)功能發(fā)揮了作用，木麻黃通過提高可溶性蛋白質和可溶性糖的積累量來降低細胞所受傷害，維持細胞正常的生理代謝，這是木麻黃耐Cd 毒害的一種解毒機制。

本研究主要通過對Cd 污染土壤脅迫條件下木麻黃幼苗葉片MDA、可溶性蛋白質、可溶性糖的分析來對木麻黃耐Cd 脅迫機理進行初步研究，由于研究時間較短（不到一個水文年），木麻黃對Cd 脅迫的解毒機制復雜，滲透調節(jié)物質含量、抗氧化酶活性等綜合調節(jié)機制今后還需深入研究[30-32]。秸稈生物炭、泥炭、凹凸棒土作為鈍化劑對減輕Cd 對木麻黃毒性效果明顯，但效果各有優(yōu)劣，復合配置多種鈍化劑構成復配調理劑可以揚長避短實現多種鈍化劑功能的相互補充。木麻黃作為浙江省沿海地區(qū)造林綠化的重要樹種，在耐鹽及耐寒等抗逆性研究方面已有部分突破，對木麻黃耐鹽、耐寒及耐重金屬等抗逆能力進行綜合研究，將對木麻黃在浙江省沿海地區(qū)的廣泛應用具有巨大作用。