綠化廢棄物堆肥對鎘脅迫下小白菜種子萌發(fā)的影響

李 松，孫向陽，李素艷，馬其雪，周文潔

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京; 2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，212400，江蘇句容)

土壤重金屬污染加劇是全球關(guān)注的環(huán)境問題之一，鎘(Cd)主要來自人為活動，例如污水灌溉和施肥，對農(nóng)業(yè)土壤造成了嚴重污染[1]。在重金屬中，Cd被認為是劇毒且不可生物降解的污染物，很容易被植物根部吸收并轉(zhuǎn)移到其他部位[2]，從而通過食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)威脅人類健康安全[3]。由于鎘的高遷移率和對土壤膠體的低親和力，土壤中鎘的少量增加就可顯著提高農(nóng)作物中的鎘含量[4]。研究表明，重金屬在不同農(nóng)作物和蔬菜中積累能力是可變的，多葉蔬菜中累積重金屬含量較高[5]，因此最大限度地減少其向蔬菜可食用部分的轉(zhuǎn)移非常重要。

堆肥、生物炭、赤泥、沸石和石灰等材料是土壤原位重金屬鈍化劑，也是低成本、環(huán)保性較好的污染土壤修復(fù)的關(guān)鍵途徑[6-7]。有機無機類鈍化劑具有凈化土壤重金屬污染功能，是目前使用較多的重金屬鈍化材料[8]，其對消除廢水的重金屬污染也有相似的效果[9]。土壤重金屬鈍化劑的效應(yīng)是由多種機理共同起作用的，主要是通過吸附、沉淀、絡(luò)合和氧化還原反應(yīng)來鈍化重金屬，通過改變重金屬的相互作用機理來降低重金屬的遷移率和生物有效性[6,9-10]。2012年，北京市綠化廢棄物總量約為569萬t，且逐年增加，綠化廢棄物堆肥(green waste compost, GWC)已經(jīng)作為有機覆蓋物、植物生長介質(zhì)使用。針對目前土壤重金屬污染及GWC資源量大的問題，應(yīng)對GWC在修復(fù)重金屬污染方面開展研究，建立以“減量化”“資源化”“再利用”為目標(biāo)的綠化廢棄物循環(huán)利用機制。目前，重金屬對小白菜(Brassicachinenesis)種子萌發(fā)及幼苗生長影響的報道較多，但有關(guān)GWC對鎘脅迫下小白菜種子萌發(fā)及幼苗生長影響的研究鮮見報道。鑒于自然環(huán)境下種子在萌發(fā)期就受到污染脅迫，而且種子發(fā)芽和幼苗根的發(fā)育是植物生長周期的重要階段，也是植物對環(huán)境變化最敏感的階段[11]，因此，研究GWC對鎘脅迫下小白菜種子萌發(fā)的影響，以期為預(yù)防小白菜鎘早期傷害及鎘污染土壤的治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.2 試驗方法

1.2.1 發(fā)芽試驗 試驗于2019年7月10日至8月1日在北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院進行。設(shè)置和統(tǒng)計不同鎘質(zhì)量濃度梯度下小白菜種子萌發(fā)及幼苗生長。用pH 7下不同鎘質(zhì)量濃度溶液0、5、10、25、50、100和200 mg/L處理小白菜種子，分別標(biāo)記為Cd0、Cd5、Cd10、Cd25、Cd50、Cd100和Cd200。準(zhǔn)確稱取0.5 g GWC于250 mL的具塞錐形瓶中，分別加入一系列pH 7下50 mL質(zhì)量濃度為0、5、10、25、50、100和200 mg/L的鎘溶液，在25 ℃恒溫振蕩器中以180 r/min勻速振蕩24 h，結(jié)束后將樣品過0.45 μm水相濾膜收集，用美國PE公司ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，測定濾液中的Cd2+質(zhì)量濃度。不同質(zhì)量濃度鎘溶液(0、5、10、25、50、100和200 mg/L)經(jīng)GWC吸附處理后處理小白菜種子，分別標(biāo)記為：GWC0、GWC5、GWC10、GWC25、GWC50、GWC100和GWC200。

小白菜種子使用2 g/L高錳酸鉀溶液表面消毒30 min，然后用去離子水沖洗10 min，并在室溫(25.0 ℃)中用去離子水浸泡4 h，除去漂浮的劣質(zhì)種子，用濾紙吸干表面的水分，用于脅迫試驗。種子萌發(fā)試驗在實驗室人工氣候箱中進行。將處理后的種子整齊排列在雙層濾紙培養(yǎng)皿中，分別添加不同質(zhì)量濃度鎘溶液和堆肥處理的鎘溶液10 mL，每天在固定時刻觀察記錄發(fā)芽種子數(shù)，補充1～2 mL處理溶液。將培養(yǎng)皿放在氣候箱中：16 h/8 h光照/黑暗，光照強度1 000 Lx，溫度25 ℃/20 ℃和濕度80%。每個培養(yǎng)皿放置25粒種子，每個處理有6個重復(fù)。

1.2.2 發(fā)芽指標(biāo)測定 發(fā)芽指標(biāo)測定參照李偉成等[12]方法。發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)：以種子胚根長度達到種子長度的一半作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。在2 d統(tǒng)計發(fā)芽勢，5 d統(tǒng)計發(fā)芽率，并測定萌發(fā)種子的根長、芽長，計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長抑制率和芽長抑制率等指標(biāo)。發(fā)芽率反映種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)。發(fā)芽勢指測試種子的發(fā)芽速度和整齊度。發(fā)芽指數(shù)指種子在失去發(fā)芽力之前已發(fā)生劣變的數(shù)量?；盍χ笖?shù)是種子發(fā)芽速率和芽苗生長量的綜合反映，在一定程度上體現(xiàn)芽苗的生長速度。

發(fā)芽率

Gr=∑(Gt/N)×100%；

(1)

發(fā)芽勢

Ge=T5/N；

(2)

發(fā)芽指數(shù)

Gi=∑(Gt/Dt)；

(3)

活力指數(shù)

Vi=l∑(Gt/Dt)；

(4)

根長抑制=(R0-R)/R0×100%；

(5)

芽長抑制率=(S0-S)/S0×100%。

(6)

式中：Gt為在t日時的發(fā)芽數(shù)；N為種子總數(shù)；T5為5 d內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)；l為幼苗長度，cm；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽時間，d；R0為空白組根長，cm;R為處理組根長，cm；S0為空白組芽長，cm;S為處理組芽長，cm。

1.2.3 堆肥吸附鎘離子前后表征及吸附效果 GWC吸附25 mg/L Cd2+前后表面形貌特征采用帶能譜的掃描電鏡(SEM-EDS)表征。

GWC吸附Cd2+的吸附量(q)及吸附效率(R)計算公式如下:

(7)

(8)

式中：V為Cd2+溶液體積，L；Co和Ce分別為Cd2+的初始質(zhì)量濃度和平衡質(zhì)量濃度，mg/L；m為GWC的質(zhì)量，g。

1.2.4 Cd含量測定 首先使用去離子水將根和芽沖洗干凈，然后將根和芽在70 ℃下烘干至恒質(zhì)量。進行研磨均勻后，將樣品在高氯酸-硝酸中(V/V，3∶1)進行消解，采用美國PE公司ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，測定重金屬含量。

轉(zhuǎn)移系數(shù)

TF=Cs/Cr。

(9)

式中Cs和Cr分別為地上部和根中的鎘質(zhì)量濃度， mg/L。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007做圖， SPSS21.0進行計算及相關(guān)性分析。圖表中數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)表示。采用單因子方差分析(One-way ANOVA)進行統(tǒng)計分析，用LSD 法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥的表征及吸附效果

圖1 GWC吸附Cd2+前后的(SEM-EDS)圖像Fig.1 SEM-EDS images before and after adsorption of Cd2+ by GWC

GWC吸附Cd2+前后的SEM- EDS圖譜如圖1所示。由圖1看出，GWC的表面凹凸不平，存在不規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，孔道上的存在一定量的介孔，有利于金屬離子的嵌入配位。通過EDS分析，GWC是由C、O、Ca、Si和Mg基本元素與少量的K和S營養(yǎng)元素構(gòu)成的。GWC中C的質(zhì)量分數(shù)為43.07%，O的質(zhì)量分數(shù)為36.35%，EDS分析未發(fā)現(xiàn)有Cd存在。GWC吸附Cd2+后，其C的質(zhì)量分數(shù)為55.05%，O的質(zhì)量分數(shù)為39.98%，同時EDS分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分數(shù)為0.17%的Cd，說明Cd吸附在GWC上。

表1為GWC吸附Cd2+的吸附效率和吸附量。GWC對不同質(zhì)量濃度的Cd2+有明顯吸附作用，吸附效率隨初始質(zhì)量濃度的增大無明顯變化，吸附效率在97.66%～98.91%之間。GWC對Cd2+的吸附量隨Cd2+平衡質(zhì)量濃度的增加而增加。在初始Cd2+質(zhì)量濃度為5～200 mg/L，即吸附平衡質(zhì)量濃度在0.066 3～4.681 mg/L范圍時，GWC吸附Cd2+的吸附量均隨Cd2+質(zhì)量濃度的增加呈直線快速增大，由0.49 mg/g增加到19.53 mg/g。

表1 GWC對Cd2+的吸附效率和吸附量Tab.1 Adsorption efficiency and capacity of Cd2+ by GWC

2.2 對種子發(fā)芽指標(biāo)的影響

由表2可知，通過數(shù)據(jù)分析說明鎘脅迫下小白菜種子發(fā)芽指標(biāo)表現(xiàn)出“低促高抑”的雙重性影響。低鎘處理(≤Cd25)時，小白菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)未出現(xiàn)顯著差異；超過此質(zhì)量濃度，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)出顯著的抑制性(P<0.05)。當(dāng)處理為Cd5、Cd10、Cd25、Cd50和Cd100時，種子的活力指數(shù)較對照分別降低29.1%、53.0%、66.2%、 85.7%和93.0%。高濃度鎘(Cd200)處理導(dǎo)致種子不能萌發(fā)，萌發(fā)破壞嚴重，因此無法進行相關(guān)的發(fā)芽數(shù)據(jù)分析。GWC降低培養(yǎng)液中Cd2+質(zhì)量濃度，使其處在較低鎘質(zhì)量濃度范圍反而促進小白菜種子萌發(fā)。發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均未出現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)；活力指數(shù)表現(xiàn)出顯著性的增加(P<0.05)，隨后降低。GWC處理可以顯著緩解鎘脅迫對種子萌發(fā)的抑制作用，并表現(xiàn)出一定的促進作用。

表2 鎘脅迫下對小白菜種子萌發(fā)的影響Tab.2 Effects of Cd2+ stress on the seed germination of pakchoi cabbage

2.3 對種子根、芽生長的影響

圖2 可知，小白菜種子根長隨鎘處理質(zhì)量濃度的增大顯著降低(P<0.05)；根長抑制率44%～100%。鎘脅迫對芽長表現(xiàn)出“低促高抑”的雙重性影響。低鎘處理(≤Cd10)對芽的生長有顯著的促進作用。當(dāng)鎘處理質(zhì)量濃度≥Cd25，芽長抑制率隨鎘處理質(zhì)量濃度增大而顯著上升(P<0.05)。由于根部直接接觸鎘，鎘對根的抑制明顯大于芽。由于GWC顯著降低培養(yǎng)液中Cd2+質(zhì)量濃度，根長和芽長對鎘脅迫顯示出更加明顯的“低促高抑”。小白菜根長先增大后減小，根長抑制率-6%～44%。芽長和芽長抑制率與鎘直接脅迫呈現(xiàn)完全不同的趨勢。堆肥處理顯著促進小白菜的芽長生長(P<0.05)，芽長抑制率均為負值，且與對照差異顯著(P<0.05)。說明堆肥處理可以顯著促進小白菜芽長的生長。

圖2 鎘脅迫對小白菜根、芽生長的影響Fig.2 Effects of Cd stress on the root and shoot growth of pakchoi cabbage

2.4 對小白菜重金屬吸收的影響

由表3可知，隨鎘處理質(zhì)量濃度的增加，根與地上部的鎘質(zhì)量分數(shù)增加。在Cd25處理下，幼苗根部鎘質(zhì)量分數(shù)最高可達71.93 mg/kg。在Cd50處理下，幼苗地上部鎘的最高質(zhì)量分數(shù)可達54.03 mg/kg。在同一鎘質(zhì)量濃度處理下，根的鎘質(zhì)量分數(shù)明顯高于地上部，且隨著鎘質(zhì)量濃度的增加其轉(zhuǎn)運能力降低，轉(zhuǎn)運系數(shù)從0.87降低到0.41。其原因可能是由于鎘離子的毒害作用，使小白菜以非正常生理代謝的方式被動吸收鎘，導(dǎo)致大量鎘累積于根部。由于GWC顯著降低培養(yǎng)液中的Cd2+，各處理根部和地上部鎘質(zhì)量分數(shù)明顯降低且未出現(xiàn)顯著性的差異(GWC200除外)。GWC200處理下的小白菜根和地上部的鎘質(zhì)量分數(shù)分別為13.87與11.37 mg/kg，低于Cd5處理下小白菜根和地上部的鎘質(zhì)量分數(shù)。堆肥處理后小白菜鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)范圍為0.82～1.00，鎘的轉(zhuǎn)運能力未出現(xiàn)顯著變化。

表3 小白菜根與地上部鎘質(zhì)量分數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)的變化Tab.3 Changes of Cd content and translocation factorin pakchoi cabbage

3 討論

種子萌發(fā)與幼苗生長對重金屬尤為敏感，種子萌發(fā)時期又直接影響植物的生長和產(chǎn)量[13-14]，因此研究緩解鎘脅迫對小白菜種子萌發(fā)的抑制尤為重要。GWC對Cd2+具有明顯的吸附作用，吸附量隨Cd2+質(zhì)量濃度增大而提高，吸附效率97.66%～98.91%。原因是GWC顆粒上存在許多明顯的凹凸不平的不規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，孔道上的介孔數(shù)量較多，此種結(jié)構(gòu)可提供足夠的吸附點位，隨Cd2+起始質(zhì)量濃度的升高，Cd2+與GWC表面接觸的機會增加，更有利于吸附劑活性位點對Cd2+的吸附[15]。

鎘脅迫會降低小白菜種子的發(fā)芽指標(biāo)，對小白菜芽長生長存在較低質(zhì)量濃度下的刺激效應(yīng)和高質(zhì)量濃度下的抑制效應(yīng)，并且高濃度對芽根伸長抑制作用更為顯著，且對根伸長的抑制作用強于芽。鎘脅迫對根長的抑制作用往往大于對芽長的抑制作用[16-17]。在種子萌發(fā)和幼苗生長過程中，根是植物吸收水分的器官，一直完全與重金屬溶液接觸，故根系比莖葉響應(yīng)更為強烈[18]。鎘顯著抑制小白菜種子活力指數(shù)的質(zhì)量濃度低于其他種子萌發(fā)指標(biāo)，說明小白菜幼苗生長比種子萌發(fā)對鎘更加敏感[19]。高質(zhì)量濃度鎘脅迫下小白菜就出現(xiàn)“無根苗”，原因是鎘抑制了種子內(nèi)貯藏淀粉和蛋白質(zhì)的分解，導(dǎo)致缺少種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量[14]。由于GWC吸附作用顯著降低培養(yǎng)液中的Cd2+，明顯改善小白菜種子萌發(fā)環(huán)境。鎘對小白菜種子萌發(fā)具有“低促高抑”雙重性影響，較低質(zhì)量濃度下的刺激效應(yīng)可以提高種胚生理活性，提高小白菜種子的發(fā)芽指標(biāo)，促進小白菜根和芽的生長。一定濃度的腐植酸鈉提高了鉛、鎘脅迫下小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)，促進小麥幼苗芽和根的生長[20]。利用環(huán)境材料鈍化穩(wěn)定溶液中的重金屬，環(huán)境材料有較強的吸附、中和、絮凝等作用，有效降低培養(yǎng)液中鎘離子，使其處在較低濃度范圍而促進玉米幼苗芽、根生長[9]。

植物對鎘的吸收分配隨植物種類，品種及同一品種的不同部位而不同。研究發(fā)現(xiàn)鎘在小白菜體內(nèi)積累順序依次為根>莖>葉[21-22]。鎘的轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鎘質(zhì)量濃度的增大而降低，這是植物的自我保護機制，大部分鎘積累在根部，可以減輕鎘對地上部各器官的毒害作用。由于GWC有效降低培養(yǎng)液中Cd2+，明顯減少小白菜體內(nèi)鎘質(zhì)量分數(shù)及向可食用部分的轉(zhuǎn)移，這對小白菜產(chǎn)品安全方面會有不可忽視的影響。

4 結(jié)論

1)GWC顆粒上存在許多明顯凹凸不平不規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，對Cd2+有明顯的吸附作用，吸附質(zhì)量分數(shù)由0.49 mg/g 增加到19.53 mg/g，吸附效率97.66%～98.91%。

2)鎘脅迫會降低小白菜種子的發(fā)芽指標(biāo)，對小白菜芽長生長存在較低質(zhì)量濃度下的刺激效應(yīng)和高質(zhì)量濃度下的抑制效應(yīng)，并且高質(zhì)量濃度的抑制作用對芽、根伸長更為顯著，同時增加根和芽鎘質(zhì)量分數(shù)，降低鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)。由于GWC有效降低培養(yǎng)液中Cd2+，促進鎘對小白菜種子萌發(fā)的“低促高抑”雙重性影響，提高小白菜種子的發(fā)芽指標(biāo)，促進小白菜根和芽的生長，顯著降低小白菜體內(nèi)的鎘質(zhì)量分數(shù)，顯著緩解鎘對小白菜種子萌發(fā)及幼苗生長的破壞和抑制作用。