有機(jī)肥施用對(duì)不同濃度鎘脅迫下玉米中重金屬積累的影響

李 洋 吳 思 張 蕾

（沈陽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

肥料的大量施用解決了人口壓力下的食品供給問題，但隨之帶來了土壤污染和食品安全問題?！吨袊y(tǒng)計(jì)年鑒—2020》顯示，我國化肥總用量隨著時(shí)間的推進(jìn)迅速增加，從1980年到2015年增長了近4倍，雖然2016—2019年化肥用量有所下降，但化肥使用量仍居全球首位［1］。2019年開始實(shí)施的《中華人民共和國土壤污染防治法》指出，國務(wù)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村主管部門應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)藥、肥料登記，組織開展農(nóng)藥、肥料對(duì)土壤環(huán)境影響的安全性評(píng)價(jià)。

肥料中含有一定量的重金屬元素，總體來說，有機(jī)肥中重金屬含量超標(biāo)情況嚴(yán)重［2-4］，而普通化肥重金屬含量較低［5-6］。但是，同比與其他無機(jī)肥料，磷肥中重金屬含量較高［7］。肥料既是作物重金屬污染的來源，又可增強(qiáng)土壤中重金屬的有效性，提高作物富集重金屬的風(fēng)險(xiǎn)［4，7-9］。但另外一些研究表明，施肥也可能降低作物中重金屬的含量［10-14］。在不同的污染條件下，不同重金屬之間的積累效果相互影響，與有機(jī)肥之間的作用更為復(fù)雜，因此，研究肥料對(duì)中輕度污染農(nóng)田上作物重金屬積累量的影響，對(duì)于研究肥料的生態(tài)性和健康風(fēng)險(xiǎn)十分必要。

玉米（Zea maysL.）是禾本科一年生草本植物，目前是我國播種面積最廣、產(chǎn)量最高的作物［1］。另外，重金屬污染地區(qū)往往將種植水稻的水田改為種植玉米的旱田。因此，筆者探究有機(jī)肥對(duì)不同濃度鎘（Cd）脅迫下玉米重金屬積累的影響，為中輕度污染土壤種植玉米提供理論基礎(chǔ)［15］。

1 材料與方法

1.1 玉米種子

玉米品種選用京科糯2000，由北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心選育，品牌為農(nóng)科育，審定編號(hào)為國審2006063。

1.2 供試土壤

供試土壤樣品采自遼寧省沈陽市于洪區(qū)大青中朝友誼鄉(xiāng)余糧村（N41°44′24.30″，E123°17′30.15″），采樣深度為0～30 cm，土壤樣品經(jīng)室溫風(fēng)干后過2.00 mm 篩后每桶裝入4 kg 備用。經(jīng)測(cè)定，土壤pH 值為5.78，有機(jī)質(zhì)含量為18.5 g/kg，陽離子交換量為10.02 cmol/kg。

1.3 不同濃度Cd污染土壤配制

試驗(yàn)設(shè)置3種不同土壤Cd濃度，分別為污灌區(qū)自然濃度和污灌區(qū)土壤分別添加Cd（CdCl2·2.5H2O）2、5 mg/kg。土壤拌入不同濃度Cd溶液后，自然風(fēng)干老化30 d后使用。

1.4 有機(jī)肥及其施用方法

有機(jī)肥為商品雞糞，其和供試土壤的重金屬含量見表1。有機(jī)肥施用方法分為2 種：①玉米播種21 d 后，在玉米3 葉期施加；②玉米種植前在土壤中施入20 g/kg。施用有機(jī)肥標(biāo)記為OF（Organic Fertilizer）組，不施用有機(jī)肥標(biāo)記為對(duì)照組（CK）。

表1 供試土壤和有機(jī)肥中重金屬含量 mg/kg

1.5 玉米培養(yǎng)

將土壤添加于30 cm×50 cm 的方形花盆中，施用基肥（氮磷鉀比例為27∶15∶13），玉米出苗后每天澆水，保證含水率為其田間最大持水量的60%。施肥21 d 后收獲。收獲時(shí)，小心將各處理玉米根部從土壤中取出。也就是收獲時(shí)小玉米為3周，分別收獲根和葉；大玉米為6周，分別收獲根、莖、葉。本試驗(yàn)共計(jì)12 個(gè)處理（見表2），每個(gè)處理設(shè)2個(gè)花盆，每個(gè)花盆中種植4株玉米，最終每盆取2株進(jìn)行分析。

表2 各處理組的玉米培養(yǎng)情況

1.6 重金屬含量測(cè)定方法

植物樣品用研缽研磨后過0.15 mm 篩，用微波消解法消解，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP）測(cè)定Cd、As、Cr含量。

1.7 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)采用SPSS 21 軟件進(jìn)行分析，采用Duncan 檢驗(yàn)方法分析不同品種玉米根部、葉片中的Cd 含量差異，采用OriginPro8.6軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥對(duì)玉米生物量的影響

由圖1可知，種植前施入有機(jī)肥，可顯著提高玉米幼苗的生物量。而播種后3 周再施加有機(jī)肥，對(duì)玉米幼苗生物量影響不大。隨著重金屬Cd脅迫越來越強(qiáng)，有機(jī)肥的施入對(duì)生物量增加的促進(jìn)作用降低，說明高濃度Cd脅迫下可能會(huì)造成玉米減產(chǎn)。

圖1 有機(jī)肥對(duì)玉米各部分干質(zhì)量的影響

2.2 有機(jī)肥對(duì)玉米幼苗根部、葉片中Cd含量的影響

隨著Cd濃度的增加，玉米幼苗根部、葉片中Cd含量增加（見圖2）。有機(jī)肥施用使處理組玉米Cd濃度的均值升高，但差異不顯著。施入有機(jī)肥不僅不能由于稀釋作用降低玉米幼苗根部、葉片中Cd 的含量，反而有升高趨勢(shì)。這可能與有機(jī)肥中Cd含量較高有關(guān)，也可能與有機(jī)肥增加了Cd 的生物有效性有關(guān)［16］。有機(jī)肥的施用增加了玉米地上部分Cd的含量，這一結(jié)果與高強(qiáng)的研究結(jié)果類似［9］。

2.3 有機(jī)肥對(duì)玉米幼苗根部、葉片中Cr含量的影響

對(duì)于6 周的玉米幼苗，加入Cd 會(huì)顯著提高玉米幼苗根部的Cr 含量，但會(huì)降低葉片Cr 含量（見圖3）。有機(jī)肥的施加會(huì)顯著降低3 周玉米幼苗葉片中Cr 的含量，但會(huì)增加6周玉米幼苗根部Cr的含量。

圖3 有機(jī)肥對(duì)玉米幼苗各部分Cr含量的影響

土壤Cd 濃度的增加會(huì)促進(jìn)6 周玉米幼苗根部對(duì)Cr的吸收，而減少Cr 從根部到葉片的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而使葉片中Cr 濃度降低，即Cd 和Cr 對(duì)玉米幼苗的復(fù)合作用不會(huì)簡單表現(xiàn)為獨(dú)立作用或簡單相加作用，而表現(xiàn)出一定的協(xié)同或拮抗作用。Cd的添加會(huì)導(dǎo)致根部對(duì)Cr的吸收增強(qiáng)，這與杜天慶等對(duì)小麥的研究結(jié)果相似［17］。不同的是，在小麥葉片中，Cd與Cr的吸收也表現(xiàn)出協(xié)同作用。

施肥和收獲時(shí)間不同，有機(jī)肥對(duì)玉米幼苗對(duì)Cr的吸取影響也不同。有機(jī)肥中Cr含量高于土壤中，施用有機(jī)肥使土壤中的Cr含量升高，使3周玉米幼苗葉片的Cr濃度升高。而對(duì)于6 周玉米幼苗，有機(jī)肥的施用會(huì)降低根部Cr 濃度。劉葉等研究發(fā)現(xiàn)添加有機(jī)肥可使土壤中Cr有機(jī)物結(jié)合態(tài)增加，這有助于減少植物對(duì)Cr 的吸收［18］。因此，雖然有機(jī)肥中含有濃度較高的Cr，選擇合適的施肥時(shí)間也可以降低玉米幼苗中的Cr濃度。

2.4 有機(jī)肥對(duì)玉米幼苗根部、葉片中As含量的影響

外源添加Cd 也會(huì)影響玉米幼苗對(duì)As 的吸收和分布。對(duì)于3周玉米幼苗，高含量的Cd會(huì)顯著提高葉片As含量；對(duì)于6周玉米幼苗，高含量的Cd的添加會(huì)顯著降低根部As含量（見圖4）。有機(jī)肥的施用會(huì)顯著降低3周玉米幼苗根部和葉片的As 含量，也降低了6 周玉米幼苗根部的As 含量。對(duì)于播種3 周后施肥的6 周玉米幼苗，施用有機(jī)肥同時(shí)使根部生物量和根部中的As 含量降低。這說明施肥使玉米幼苗中As含量下降，可能不僅與植物生物量增大導(dǎo)致的稀釋作用有關(guān)，也與有機(jī)肥對(duì)As的排異作用有關(guān)，這一結(jié)果與嚴(yán)露等［16］的研究結(jié)論相似。他們的研究同時(shí)指出，有機(jī)肥在苗期會(huì)抑制作物對(duì)As的吸收，在成熟期可能導(dǎo)致稻米等對(duì)As的積累。

圖4 有機(jī)肥對(duì)玉米幼苗各部分As含量的影響

3 結(jié)論

玉米幼苗生物量及其重金屬含量受有機(jī)肥及其施用時(shí)間和重金屬污染的影響均較明顯：播種前施用有機(jī)肥和苗期施用有機(jī)肥對(duì)玉米的生物量和重金屬含量均影響較大；重金屬Cd 對(duì)玉米幼苗中重金屬As 和Cr 的積累和分布均有影響；有機(jī)肥的施用可降低玉米根部As和Cr的含量，以及玉米葉片As 的含量，但播種前施用有機(jī)肥會(huì)顯著提高玉米根部Cd 的含量和玉米葉片Cr 的含量。另外，土壤重金屬Cd 污染情況也會(huì)與施肥情況共同作用，對(duì)玉米對(duì)其他重金屬As和Cr的吸取和分布產(chǎn)生影響。

播種前施用有機(jī)肥會(huì)有效提高玉米生物量，也會(huì)顯著降低玉米幼苗中重金屬As 的含量，但同時(shí)會(huì)造成Cd和Cr的暴露風(fēng)險(xiǎn)。因此，可進(jìn)一步研究施肥及施肥時(shí)間對(duì)作物重金屬積累與分布之間的關(guān)系，為有機(jī)肥的合理施用奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展。