土壤中不同含量Cd2+對(duì)大麻、大豆幼苗生育的影響

高中超，孫 磊，王麗華，杜春影，張利國(guó)，張久明，王 偉，谷 維

（1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，哈爾濱 150086；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150086；3黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)農(nóng)業(yè)局，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

由于受到工業(yè)排放三廢、農(nóng)田施肥、農(nóng)藥使用、生活污水、養(yǎng)殖業(yè)排污等影響，環(huán)境土壤中重金屬含量逐漸增加。中國(guó)農(nóng)田土壤遭受重金屬污染的面積達(dá)90.72萬(wàn)hm2，被重金屬污染的糧食每年達(dá)到1200萬(wàn)t[1]。耕地土壤受到重金屬污染日益嚴(yán)重，重金屬污染物在土壤中移動(dòng)性差、滯留時(shí)間長(zhǎng)、不能被微生物降解，對(duì)土壤的危害是長(zhǎng)期的、緊迫的，急需修復(fù)，其修復(fù)難度非常大[2-4]。遏制土壤污染、維護(hù)土壤健康已成為當(dāng)前社會(huì)所關(guān)注的焦點(diǎn)[5]。重金屬污染的土壤，不但影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且影響糧食的品質(zhì)，如土壤中鎘濃度越高，稻米中粗蛋白、粗淀粉和賴氨酸含量越低[6]，鎘降低了稻米的食味品質(zhì)[7]，消減重金屬的污染是保證今后農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。土壤重金屬污染的修復(fù)通常采用物理、化學(xué)方法，如土壤置換法、稀釋法、淋洗法及電化學(xué)法等[8-10]，修復(fù)效果雖好，但成本高，代價(jià)大，易造成二次污染，更不適于農(nóng)業(yè)大面積生產(chǎn)。美國(guó)科學(xué)家Chaney提出了利用能夠富集重金屬的植物來(lái)清除土壤重金屬污染，重點(diǎn)在于找到合適的超富集植物，超積累重金屬植物與其他作物相比生長(zhǎng)速度緩慢且生物量小，實(shí)際吸收的重金屬絕對(duì)量少[11]，對(duì)重金屬具有強(qiáng)抗逆性、生物量又高且效益又好，而大麻恰恰被證實(shí)是能夠高效修復(fù)土壤重金屬污染的能源植物[12-15]，多數(shù)用于礦區(qū)重金屬污染土壤的治理，成本低，效果佳，但種植大麻修復(fù)污染土壤中Cd2+含量閾值上限在相關(guān)的文獻(xiàn)未見(jiàn)報(bào)道。筆者研究不同含量的Cd2+對(duì)大麻、大豆幼苗的生育影響，了解大麻在重金屬脅迫條件下的生長(zhǎng)極限值，明確黑土中鎘含量對(duì)大麻生長(zhǎng)的安全閾值，以期為修復(fù)重金屬污染土壤的環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

供試土壤為黑土，采自黑龍江省科技園區(qū)麥茬田土壤，取耕層0～20 cm的表層土，經(jīng)自然風(fēng)干后，混合均勻，過(guò)4 mm篩，室溫保存?zhèn)溆?。供試土壤全?.35 g/kg、全磷 1.69 g/kg、全鉀 19.34 g/kg、速效氮135.8 mg/kg、速效磷119.8 mg/kg、速效鉀236.9 mg/kg、有機(jī)質(zhì)34.5 g/kg、pH 6.5、鎘含量0.17 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

大麻‘龍大麻5號(hào)’、大豆‘黑農(nóng)84’。

1.3 試驗(yàn)方法

設(shè)置盆栽試驗(yàn)，所用重金屬為氯化鎘，在土壤中按重金屬的含量共設(shè)定5個(gè)梯度：T0，原始含量，對(duì)照；T1，鎘含量為土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值；T2，鎘含量為土壤風(fēng)險(xiǎn)管控值；T3，鎘含量為土壤風(fēng)險(xiǎn)管控值的10倍；T4，鎘含量為土壤風(fēng)險(xiǎn)管控值的50倍（表1）。

表1 農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)

稱取根尖樣品0.2 g，放入含有5 mL磷酸緩沖液的試管中，加入0.4%TTC溶液5 mL，把根充分浸泡在溶液內(nèi)，在37℃下暗保溫1～3 h，然后加入1 mol/L硫酸2 mL以停止反應(yīng)（與此同時(shí)做一空白試驗(yàn)，先加硫酸，再加根樣品，其他操作同上）。把根取出，吸干水分后與乙酸乙酯3～4 mL和少量石英砂一起在研缽內(nèi)磨碎，以提取甲月替。紅色提取液移入試管，并用少量乙酸乙酯把殘?jiān)礈?～3次，皆移入試管，最后加乙酸乙酯使總量為10 mL，用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)485 nm下比色，以空白試驗(yàn)作參比測(cè)出吸光度，查標(biāo)準(zhǔn)曲線，即可求出四氮唑還原量[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2017作圖、DPS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中不同含量Cd2+對(duì)作物出苗率的影響

發(fā)芽率是指作物拱出土后，2片子葉完全展開(kāi)時(shí)種子出土數(shù)量。差異系數(shù)代表2種作物耐重金屬的能力，其值越大，差異越明顯。土壤中不同含量的Cd2+對(duì)大麻、大豆出苗率影響如圖1所示，低含量Cd2+對(duì)作物的出苗率略有促進(jìn)，但差異不顯著（表2）；隨著重金屬Cd2+的含量加大，作物生長(zhǎng)受到不同程度的抑制，當(dāng)土壤中Cd2+的濃度≥2.0 mg/kg，出苗率降低明顯，差異顯著；T2處理的大麻出苗率為83.3%，比T0（對(duì)照）降低5.6個(gè)百分點(diǎn)，差異顯著；T3處理的大麻出苗率為35.6%，與其他各處理差異達(dá)到極顯著；T4處理出苗率為零，此時(shí)土壤中Cd2+的含量完全抑制大麻生長(zhǎng)。土壤中的Cd2+對(duì)大豆出苗抑制比大麻更為明顯，T2處理大豆出苗率為66.7%，與T0對(duì)照相比，出苗率降低18.3個(gè)百分點(diǎn)，差異達(dá)到極顯著水平。相同條件下，出苗差異系數(shù)反映2種作物對(duì)重金屬Cd2+耐受能力，當(dāng)Cd2+≤0.6 mg/kg大豆與大麻出苗率比值接近于1，差異不明顯；當(dāng)Cd2+≥20 mg/kg時(shí)差異系數(shù)接接于1.3，表明大麻幼苗耐重金屬的能力強(qiáng)于大豆。從出苗率差異角度，土壤中重金屬的濃度低于2.0 mg/kg為大麻和大豆出苗的安全臨界值。

圖1 不同含量Cd2+對(duì)大麻和大豆出苗率的影響

表2 不同含量Cd2+對(duì)作物出苗率的影響差異顯著分析（LSD法）

2.2 土壤中不同含量Cd2+對(duì)作物株高的影響

土壤中重金屬不但影響作物的出苗率，還影響大麻、大豆的生長(zhǎng)，對(duì)株高的影響如表3所示。株高抑制指數(shù)越小，說(shuō)明對(duì)作物的株高抑制率越大，受抑制越明顯。T1處理土壤中的Cd2+對(duì)大麻有輕微促進(jìn)作用，隨著濃度的增加，株高生長(zhǎng)愈加緩慢，大豆表現(xiàn)更為明顯；T3處理的Cd2+含量已影響到作物的株高生長(zhǎng)，與對(duì)照相比，差異達(dá)到極顯著；T4處理株高抑制指數(shù)為零，此時(shí)土壤中Cd2+的含量超過(guò)種子的耐受極限，不能種植大麻或大豆。

表3 不同Cd2+含量的處理對(duì)作物株高影響

2.3 土壤中不同含量Cd2+對(duì)作物根系活力的影響

根系是作物吸收水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的主要器官，促進(jìn)地上部分干物質(zhì)的積累，對(duì)植株的生長(zhǎng)發(fā)育有極其重要的作用[11]。土壤中不同含量的氯化鎘對(duì)作物根系活力的影響如圖2所示，作物的根系活力隨著土壤中Cd2+含量增加而減弱，當(dāng)土壤中Cd2+含量超過(guò)農(nóng)業(yè)土壤風(fēng)險(xiǎn)管控值時(shí)，根系活力急劇下降，其中大豆根系活力較大麻根系活力下降更為劇烈。T2處理大麻、大豆的根系活力分別為 31.8、30.75 mg/(g·h)，比 T0降低5.8%、8.9%；T4處理時(shí)Cd2+含量為100 mg/kg，此時(shí)的大豆根系活力為0，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而導(dǎo)致種子發(fā)霉，而大麻根系具有微弱的活力，其值為7.5 mg/(g·h)，比T0（大麻）降低77.8%，其動(dòng)力不足以支持大麻子葉拱出土層（圖3）。

圖2 土壤中不同含量Cd2+對(duì)作物根系的影響

2.4 土壤中不同含量Cd2+對(duì)作物干物質(zhì)積累的影響

土壤中不同含量的氯化鎘對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的影響，最終影響到大麻、大豆干物質(zhì)的積累。從表4得出，隨著重金屬含量的增加，大麻干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為先升高后降低，T3處理的鎘含量為20 mg/kg，土壤中的Cd2+抑制大麻的生育，不利于干物質(zhì)的積累，與T0相比差異顯著。大豆隨著Cd2+濃度的增加，干物質(zhì)積累受到抑制更為明顯，T2處理的Cd2+含量對(duì)大豆生長(zhǎng)抑制與T0相比差異顯著；當(dāng)鎘含量達(dá)到10倍管控值時(shí)，與T0相比差異達(dá)到極顯著；T4處理下2種作物的地上干物質(zhì)的積累為零，地下部分有一定的生命力，大麻蜷縮在土壤里，有部分根系，但其供給能量達(dá)不到拱出土層的能力（圖3），而大豆未能發(fā)芽，根系接近于零，不出苗。

圖3 土壤中不同含量的氯化鎘對(duì)大麻生長(zhǎng)的影響

表4 不同濃度的氯化鎘對(duì)作物苗期干物質(zhì)積累的影響

3 結(jié)論

耕地土壤中重金屬含量超過(guò)GB 15618—2018，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，為了更精準(zhǔn)撐握大麻、大豆對(duì)污染土壤中重金屬Cd2+的耐受能力，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，設(shè)置不同含量的氯化鎘，研究土壤中鎘離子不同濃度對(duì)作物幼苗生長(zhǎng)的影響，明確大麻在黑土上種植，土壤中Cd2+的安全閾值。土壤中Cd2+濃度≤0.6 mg/kg，對(duì)大麻生長(zhǎng)有利，其株高、根系活力及干物質(zhì)積累都有所增加，但差異不顯著；當(dāng)土壤中Cd2+含量達(dá)到土壤風(fēng)險(xiǎn)管控值即2 mg/kg時(shí)，對(duì)大麻出苗率、株高及干物質(zhì)的積累影響較小，差異不明顯，但對(duì)大豆影響較大，各項(xiàng)指標(biāo)差異達(dá)顯著；Cd2+≥2 mg/kg大麻根系活力下降明顯，相同含量的Cd2+對(duì)大豆的影響更大；當(dāng)土壤中重金屬濃度達(dá)到20 mg/kg，對(duì)大麻、大豆影響較大，生育指標(biāo)變劣，差異顯著，而對(duì)大豆各項(xiàng)指標(biāo)影響差異達(dá)到極顯著；土壤中Cd2+濃度達(dá)到100 mg/kg不能種植大麻、大豆。

4 討論

本研究主要從作物苗期表觀形態(tài)特征上進(jìn)行淺顯的判斷，要想真正了解重金屬對(duì)大麻的影響，還要從植株的生育、生理及品質(zhì)等指標(biāo)上差異分析。雖然低含量的重金屬對(duì)大麻長(zhǎng)勢(shì)或產(chǎn)量無(wú)影響，但是否影響到作物品質(zhì)，還要通過(guò)定量分析進(jìn)一步求證。大麻修復(fù)重金屬污染的治理過(guò)程具有原位性，治理成本低廉，但缺乏對(duì)富集金屬植物的回收利用技術(shù)。大麻是藥材、食品加工和化妝品原料等，具有較好的效益，種植者眼前更注重大麻的市場(chǎng)價(jià)值，忽視它對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，特別是大麻光合呼吸產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的影響，今后應(yīng)更加深入的研究。大麻對(duì)重金屬有較強(qiáng)的抗性和富集能力，一定要注意植株體內(nèi)重金屬安全閾值，考慮會(huì)不會(huì)因?yàn)楦患亟饘龠^(guò)多影響到動(dòng)植物健康。重金屬對(duì)大麻影響機(jī)理、機(jī)制的研究仍需進(jìn)一步深入。