鈍化劑對(duì)卷丹百合鎘含量及生理特性的影響

雷星宇，胡 瑤，鄧鋼橋，李宏告，張躍龍，胡 蝶，李麗輝

（湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所，長(zhǎng)沙 430125）

0 引言

鎘(Cd)是一種重金屬元素，對(duì)人體腎臟、生殖器官、大腦等多種臟器都特別有害，目前仍然缺乏能夠抵消鎘毒性的治療方法。食物攝入是人接觸鎘的主要來源之一[1]。卷丹百合(Lilium lancifolium)是多年生草本球根植物[2]，不僅是餐桌上常見的美味佳肴，還是治療慢性氣管炎及肺結(jié)核等肺部疾病的良藥[3]。但是卷丹百合通過無性繁殖加上過量施用農(nóng)藥化肥，以及環(huán)境污染，生產(chǎn)出的種球出現(xiàn)了重金屬鎘超標(biāo)的現(xiàn)象，如不加以控制，鎘通過食物鏈最終將嚴(yán)重危及人類健康[4]。因此，加強(qiáng)卷丹百合鎘含量的相關(guān)研究尤為重要。

土壤重金屬修復(fù)可分為物理、化學(xué)或生物方法、隔離法、土壤原位鈍化修復(fù)法等。物理、化學(xué)或生物的方法成本高，隔離法工程技術(shù)要求高，原位鈍化修復(fù)法是采用各種鈍化材料，通過對(duì)重金屬的吸附沉淀、絡(luò)合等作用，將重金屬固定在土壤中，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性，是投入較低、操作簡(jiǎn)便、環(huán)境友好土壤修復(fù)方法[6-8]。鈍化劑種類眾多，大致可分為無機(jī)類和有機(jī)類[9]。生物炭、生石灰、蛇紋石是3種不同特性的鈍化材料，生物質(zhì)炭是目前使用最廣泛的有機(jī)鈍化劑[10]，由生物質(zhì)經(jīng)高溫限氧熱裂解而成的多孔狀炭化物，在吸附土壤鎘、減少土壤鎘含量、緩解作物鎘脅迫等方面有良好的效果[11-12]。生石灰屬于無機(jī)鈍化劑，又稱云石，氧化鈣是其主要成分，可顯著提升土壤pH，緩解重金屬鎘對(duì)作物的危害，同時(shí)能增加土壤鈣營(yíng)養(yǎng)，提高作物品質(zhì)。但堿性過強(qiáng)，易施用過量，破壞土壤理化性質(zhì)，對(duì)土壤和作物都產(chǎn)生不良影響[13]。蛇紋石是一種含水的富鎂硅酸鹽礦物類鈍化劑，不僅對(duì)土壤鎘具有拮抗作用，還能提高植物光合速率和干物質(zhì)的積累，改善植物體內(nèi)水分代謝，提高水分利用率等[14-16]。

目前，重金屬鈍化劑對(duì)作物的影響研究多集中在水稻、玉米、小麥、蔬菜等領(lǐng)域，對(duì)藥食兩用植物領(lǐng)域研究較少[11-17]，對(duì)其機(jī)理研究更是少之又少。

筆者對(duì)比上述3種不同類型的鈍化劑對(duì)降低土壤鎘污染和卷丹百合植株各器官鎘含量及生理特性的影響，并比較3種鈍化劑的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為卷丹百合安全生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤 采自湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院內(nèi)園林種植土，0～20 cm耕層，質(zhì)地為黃潮土。土壤除去石子等雜物后風(fēng)干過篩后，噴灑CdCl2至土壤鎘含量為5.0 mg/kg，裝入盆中（口徑28 cm,高30 cm)，放入大棚中腐熟20天。測(cè)得土壤pH 7.43、有機(jī)質(zhì)22.0 g/kg、總氮0.84 g/kg、總鎘含量4.20 mg/kg、有效態(tài)鎘1.88 mg/kg、陽(yáng)離子交換量12 cmol/mg。

1.1.2 供試卷丹百合 采自龍山龍雨百合農(nóng)民專業(yè)合作社，測(cè)得鎘0.226 mg/kg，生物質(zhì)量21.014 g，球莖4.01 cm。

1.1.3 供試鈍化劑 生物炭購(gòu)自平頂山市綠之原活性炭有限公司，果炭，細(xì)度325目，碘值500～1200 mg/g。生石灰購(gòu)自江蘇南京中尚日化，鈣含量達(dá)95%以上。蛇紋石由課題組自制，將蛇紋石用蒸餾水洗凈，風(fēng)干，破碎粉磨過100目，成分含量有MgO(43.6%)、SiO2(43.6%)。

1.2 研究方法

試驗(yàn)于2020年1月20日在湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所苗圃內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，分別為空白對(duì)照+常規(guī)施肥(CK)、生物炭2%+常規(guī)施肥(T1)、生石灰2%+常規(guī)施肥(T2)、蛇紋石2%+常規(guī)施肥(T3)，每個(gè)處理4次重復(fù)。將卷丹百合種球經(jīng)多菌靈浸泡后1 h后，選取大小相近的種球64顆植入盆中，每盆種植卷丹百合4顆，于百合花期（種植后152天）每個(gè)處理取長(zhǎng)勢(shì)一致的百合3株做樣品測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

農(nóng)藝指標(biāo)包括百合葉片數(shù)、株芽數(shù)、莖粗、磷莖直徑、葉面積、株高。每株取頂端嫩葉7～8片，放入-70℃冰箱保存，檢測(cè)SOD、POD、CAT、MDA、Pro酶活含量。將根、鱗莖、地上莖、葉、花器官分開，烘干，粉碎，封袋干燥保存，檢測(cè)卷丹百合各器官鎘含量。采用多點(diǎn)取樣法獲取盆栽土壤，混勻，陰干，粉磨，檢測(cè)添加鈍化劑后土壤重金屬鎘含量。

1.3.1 土壤全鎘的測(cè)定方法 采用濕法消解法，稱取過100目土樣(0.5000±0.0002)g于消煮管中，加入5 mL王水(HCl:HNO3=3:1)，蓋上彎頸漏斗，浸泡過夜。將消煮管放在消解爐上80℃加熱1 h，調(diào)至150℃加熱1 h，取下彎頸漏斗，加入2 mL的HClO4再蓋上漏斗，升溫至190℃加熱2 h，升溫至220℃消解至近干或白色粉末狀，取下漏斗，趕酸，冷卻后倒入25 mL容量瓶定容，用ICP-MAS進(jìn)行鎘含量測(cè)定。

1.3.2 土壤有效鎘的提取方法（DTPA提取法）稱取1.967 g二乙稀三胺五乙酸(ETPA)，溶于13.3 mL三乙醇胺(TEA)和少量去離子水，再將1.11 g氯化鈣溶于去離子水，一并轉(zhuǎn)入1000 mL容量瓶，加入去離子水至950 mL，用6 mol/L鹽酸溶液調(diào)至pH 7.3，存儲(chǔ)于塑料瓶中，準(zhǔn)確稱取過100目土樣(2.0000±0.0002)g至離心管中，加入25 mL配制好的DTPA提取劑，蓋緊瓶蓋，在32.7℃、180 r/min搖床中震蕩30 min，再移入離心機(jī)中，4000 r/min離心3 min，用移液槍小心吸取上清液移入小管中，放入冰箱待測(cè)。

1.3.3 植株中全鎘的測(cè)定 稱取烘干粉碎的植物樣品(0.500±0.002)g于消解管中，加混酸(HNO3:HClO4=4:1)10 mL，蓋上小漏斗，靜置6 h以上，在消解爐上95℃加熱微沸15 min，再熱20 min至120℃，使回流清洗管壁，繼續(xù)加熱90 min至170℃，至液體透明，再加熱至190℃苷酸，至剩下1～2 mL液體于管底，然后取下冷卻，加超純水定容至25 mL容量瓶中，用ICP-MAS進(jìn)行鎘含量測(cè)定。

試驗(yàn)中土壤的各種理化性質(zhì)均采用常規(guī)分析方法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，pH采用土水比1:2.5用pH計(jì)測(cè)定。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、過氧化物 酶 (peroxidase，POD)、丙 二 醛 (malondialdehyde，MDA)、脯氨酸(proline，Pro)均用比色法進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖。

1.5 質(zhì)量保證與控制

土壤的消煮采用GBW07401進(jìn)行質(zhì)控，回收率為96%～102%，植物的質(zhì)控采用GBW07603進(jìn)行質(zhì)控，回收率為93.2%～97.9%，試驗(yàn)用水均為蒸餾水，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定分析用的濃硝酸、濃鹽酸、濃硫酸均為優(yōu)級(jí)純，所用消煮管均經(jīng)過10%～15%的硝酸溶液浸泡24 h后用清洗劑刷洗，并用自來水沖洗2遍烘干備用。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈍化劑對(duì)卷丹百合農(nóng)藝性狀影響

由表1可知，施用3種鈍化劑對(duì)葉片數(shù)變化較顯著。T1處理葉片數(shù)量增加了8.4%，T2處理增加了27.3%，T3增加了37.3%，其中T2和T3處理相比差異不大。而3種鈍化劑對(duì)株芽數(shù)、莖粗、葉面積、鱗莖直徑、株高與對(duì)照相比均無顯著差異。

表1 3種鈍化劑對(duì)卷丹百合農(nóng)藝性狀的影響

2.2 鈍化劑對(duì)土壤pH、總鎘含量和有效態(tài)鎘含量的影響

由圖1A可知，鈍化劑的施用顯著提高了土壤pH，T1、T2、T3處理較CK分別提高了0.32、0.48、0.43。其中T2處理對(duì)土壤pH的提高最顯著，而T1處理的效果最弱。由圖1B可知，鈍化劑的施用降低了土壤總鎘含量，其中T2處理的效果最顯著，使土壤總鎘含量降低33%；T3處理效果次之，與CK相比降低了17%；而T1處理只降低了11%。由圖1C可知，施用鈍化劑能有效降低土壤有效態(tài)鎘含量，且變化趨勢(shì)和總鎘含量變化趨勢(shì)一致。與CK相比，T2處理效果最顯著，使土壤鎘有效態(tài)含量降低了26%；T1和T3處理效果相似，施用后有效態(tài)都降低了13%。

圖1 3種鈍化劑對(duì)土壤pH、總鎘、有效態(tài)鎘含量的影響

2.3 鈍化劑對(duì)卷丹百合鎘含量影響

由圖2可知，施用3種鈍化劑都能降低卷丹百合各器官的鎘含量，但是不同處理對(duì)降鎘的顯著程度不同。由圖2A可知，與CK相比，根的鎘含量在T2和T3處理下降低程度最顯著，分別降低了25%、19%，而T1處理只降低了8%；由圖2B可知，與CK相較，鱗莖的鎘含量在T2處理下效果最顯著，降低了30%，T1和T3處理次之，分別降低了22%、26%；由圖2C可知，與CK相比，地上莖的鎘含量在T2處理下最顯著，下降了29%，T1和T3處理次之，分別降低了15%、16%；根據(jù)圖2D，與CK相比，葉的鎘含量在3個(gè)處理下降低程度都十分顯著，分別降低了24%、34%、32%；由圖2E可知，花的鎘含量在T2和T3處理下變化顯著，與CK相比，分別降低了22%、26%，而T1處理只降低了2%。

圖2 3種鈍化劑對(duì)卷丹百合鎘含量的影響

2.4 鈍化劑對(duì)卷丹百合生理特性影響

2.4.1 3種鈍化劑對(duì)卷丹百合Pro和MDA含量的影響由圖3A～B可知，施入3種不同鈍化劑后，Pro和MDA含量都有不同程度降低。MDA含量較Pro降低程度大，與CK相比，T2處理降低程度最顯著，降低了51.20%，T1、T3處理次之，分別降低了32.60%、34.09%；Pro含量降低程度較弱，與CK相比，T2處理降低程度顯著，降低了16.76%；T1和T3處理與CK相比變化不顯著。

2.4.2 3種鈍化劑對(duì)卷丹百合抗氧化物酶系統(tǒng)活性的影響 由圖3C～E可知，施入3種鈍化劑均能顯著增加卷丹百合抗氧化物酶活性，不同酶活增加的幅度不同。與CK相比，T2處理下SOD活性變化顯著，增加了38.76%；T1、T3對(duì)SOD活性影響不顯著，分別只增加了17.37%、18.97%。3種處理CAT活性變化與CK相比處于同等顯著水平，T1、T2、T3處理分別增加了9.83%、18.12%、10.76%。3種處理對(duì)POD酶活影響各不相同，與CK相比，T2處理對(duì)POD酶活影響最顯著，增加了23.62%；T3處理顯著性次之，增加了10.68%；T1處理下顯著水平最低，只增加了9.42%。

圖3 3種鈍化劑對(duì)卷丹百合生理特性的影響

3 結(jié)論

3種鈍化劑處理均在不同程度上降低了土壤和植株中的鎘含量，并且均能有效緩解鎘對(duì)卷丹百合的毒害作用。（1）生石灰對(duì)土壤和植株的降鎘效果最明顯，緩解鎘毒害作用最強(qiáng)，但是容易破壞土壤理化結(jié)構(gòu)，適合在高度鎘污染的土壤中運(yùn)用。（2）生物炭和蛇紋石的降鎘效果較弱，緩解鎘毒害作用較弱，但其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞小，其材料特性對(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，更適合在低鎘土壤中運(yùn)用。此外，蛇紋石對(duì)花器官鎘富集系數(shù)降低能力最顯著，更適合在食花、食果的作物上運(yùn)用。（3）卷丹百合食用部分為鱗莖，生石灰對(duì)鱗莖的降鎘能力最顯著，因此生石灰是更適合百合植株降鎘的材料。但生石灰施用過量會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生不良影響[18]，因此，控制生石灰用量，在生石灰中配合加入其他的鈍化材料將是今后研究的方向。

4 討論

4.1 3種鈍化劑通過提高土壤pH影響鎘的有效性

3種不同材質(zhì)鈍化劑均可提高土壤pH，從而降低土壤鎘含量和鎘有效性[19]。生石灰堿性最強(qiáng)，提高土壤pH的能力最顯著，降低鎘有效性能力最強(qiáng)[17]；隨著pH升高，一部分鎘水解成易被土壤膠體所吸附的Cd(OH)2，另一部分氧化鎘或碳酸鎘易發(fā)生共沉淀反應(yīng)，鎘的有效性降低[20]。生物炭相較于蛇紋石鈍化劑pH較低，但兩者降低土壤有效態(tài)鎘的能力相近，其原因可能是2種鈍化劑有不同的性質(zhì)。生物炭比表面積較大，能提供較多的陽(yáng)離子吸附點(diǎn)來吸附交換態(tài)鎘，并且，生物炭含有大量的羧基和羥基，可降低重金屬的生物利用度，從而降低鎘效性的能力增強(qiáng)[12]。蛇紋石屬無機(jī)礦物鈍化劑，富含多種有效吸附鎘的硅、鎂離子，Mg2+能夠置換土壤膠體上的H+生成Mg(OH)2，對(duì)Cd2+有較強(qiáng)的單分子層吸附作用。謝武雙等[21]研究也證明了Mg2+易抑制鎘的活性，并降低作物對(duì)鎘的吸收。硅能與鎘發(fā)生化合沉淀反應(yīng)，降低重金屬的活性[22]，但蛇紋石屬硅鎂化合物，硅、鎂離子在材料中有效成分可能相對(duì)含量較低，因此在同一環(huán)境中相較于生物炭的鎘吸附和鈍化能力弱。

4.2 3種鈍化劑添加對(duì)卷丹百合各器官鎘含量的影響

3種鈍化劑添加能不同程度上減少卷丹百合各器官含量。生石灰施用顯著降低了百合大部分器官鎘含量，其首要原因是生石灰pH高，施入土壤后土壤有效態(tài)鎘含量顯著降低，從而降低了百合鎘各器官的鎘吸收[19]，其次，生石灰中的Ca2+能與植株根系搶占Cd2+結(jié)合位點(diǎn)，從而減少鎘向植株的輸送[23-24]；生物炭pH較低，但可通過陽(yáng)離子吸附重金屬降低土壤鎘向植物的遷移率，還能提高土壤肥力，減輕鎘對(duì)植株的毒害[25-26]，蛇紋石有較高的pH，其硅、鎂離子一方面能搶占吸收位點(diǎn)，另一方面還能增加細(xì)胞壁的厚度，并將鎘離子驅(qū)隔于細(xì)胞壁中，降低細(xì)胞質(zhì)中的鎘含量，導(dǎo)致被輸送到地上部分的鎘含量逐漸減少[27]，植株地上部各器官鎘含量也相應(yīng)降低。因此，在蛇紋石影響下，鎘通過自下而上的運(yùn)輸，鎘離子被大量地固定在莖、葉部，故花器官鎘含量降低程度最顯著[28-29]。生物炭對(duì)根系鎘含量影響系數(shù)不顯著，其原因可能與生物碳吸附量達(dá)到飽和后，重金屬容易被重新釋放，根尖細(xì)胞鎘吸收增加相關(guān)。

4.3 3種鈍化劑對(duì)卷丹百合生理特性的影響不同

生石灰處理下，MDA、Pro含量降低程度最強(qiáng)，同時(shí)激發(fā)SOD、CAT和POD抗氧化酶活性能力也最強(qiáng)：生物炭與蛇紋石對(duì)MDA、Pro含量降低程度較弱，抗氧化酶活性能力也較弱。MDA、Pro是細(xì)胞膜脂過氧化的產(chǎn)物，被用作衡量膜脂過氧化程度的指標(biāo)，一般來說，隨著鎘脅迫強(qiáng)度的增大，植物體膜質(zhì)損傷增加，MDA和Pro含量隨之增加[30]。SOD、CAT和POD是植物適應(yīng)逆境脅迫時(shí)重要的抗氧化酶，SOD、CAT和POD酶的協(xié)同作用可以清除活性氧或其他過氧化物自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的損害，其活性的變化能反映植物抗逆性的強(qiáng)弱，其中POD是多種植物鎘金屬毒性的重要標(biāo)志物[31]。本研究結(jié)果顯示，SOD、CAT和POD酶在3種鈍化劑處理下活性增加，而MDA、Pro在3種鈍化劑的處理下含量降低，說明3種鈍化劑不同層度上降低了植株的鎘脅迫，促使SOD催化O2-轉(zhuǎn)化為H2O2的能力增強(qiáng)，同時(shí)POD和CAT將H2O2分解為水，從而清除了植株體內(nèi)的活性氧自由基，緩解了膜系統(tǒng)在鎘脅迫環(huán)境下的傷害，MDA、Pro的含量隨之降低[32]。SOD、CAT和POD酶隨鎘含量降低，活性升高，這可能與4.20 mg/kg鎘含量背景下酶系統(tǒng)功能受損、抗氧化酶活性下降相關(guān)，3種鈍化劑處理均降低了鎘含量，減輕了細(xì)胞的迫害程度，酶系統(tǒng)逐漸恢復(fù)，抗氧化酶活性增強(qiáng)。這與朱紅霞[33]研究發(fā)現(xiàn)馬齒莧SOD、CAT和POD含量在≥1 mg/L的Cd脅迫后，SOD、POD和CAT活性隨著Cd濃度升高而降低的規(guī)律一致。