茵肥及泥炭土浸提液對(duì)植物提取土壤Cd的影響

關(guān)鍵詞：植物修復(fù)；菌肥；泥炭土浸提液；東南景天；水稻；鎘

隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加速，土壤重金屬污染成為威脅人體健康以及環(huán)境安全的因素，農(nóng)田Cd污染已經(jīng)成為突出的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題之一。常見的Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)有多種，包括植物提取、固化／穩(wěn)定化、土壤淋洗、電化學(xué)技術(shù)等，其中植物提取技術(shù)因其環(huán)境友好、能夠徹底去除土壤重金屬等特點(diǎn)，是有前途的修復(fù)方式之一，如何提高植物修復(fù)的效率成為突破局限的關(guān)鍵。已有相關(guān)學(xué)者采用施肥等農(nóng)藝手段，微生物強(qiáng)化，螯合劑、植物生長調(diào)節(jié)劑等，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收和積累，從而進(jìn)一步提高植物對(duì)重金屬的提取效率。

EDTA（乙二胺四乙酸）具有較強(qiáng)的絡(luò)合能力，是目前研究較多的螯合劑，但EDTA具有不易被生物降解、抑制植物生長的缺點(diǎn)。因此，有必要尋找環(huán)境友好的促進(jìn)植物提取重金屬的活化劑或材料。有研究表明利用植物的水提取物促進(jìn)了龍葵對(duì)土壤Cd的吸收提取，果皮果渣的水提取物被用于活化土壤中鉛以促進(jìn)植物提取，利用植物相關(guān)材料獲取綠色的活化劑是一種可行的選擇。泥炭土浸出液中含有溶解性有機(jī)碳和營養(yǎng)物質(zhì)，其中的小分子富里酸等可以活化重金屬，增加重金屬的溶出率，提高生物可利用性，本項(xiàng)目組前期研究發(fā)現(xiàn)泥炭土清洗與否，對(duì)植物吸收土壤Cd的影響不同。添加未清洗的泥炭土，其水稻Cd含量高于添加清洗后的泥炭土。因此，可以用泥炭土浸提液來促進(jìn)水稻的生長和對(duì)Cd的吸收。向土壤中施入菌肥可以改善土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)、提高作物抗性，從而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。將菌肥和泥炭土浸提液等應(yīng)用于污染農(nóng)田的植物修復(fù)，有望同時(shí)協(xié)同改善土壤環(huán)境。稻田落干排水會(huì)增加水稻對(duì)Cd的吸收，通過施用菌肥和泥炭土浸提液能否進(jìn)一步提高水稻對(duì)Cd的吸收，從而進(jìn)行植物修復(fù)值得研究。水稻是一種廣泛種植的作物，其生物量較大且有一套完整的耕作和收獲方法，易于種植，在植物提取方面已被證明具有潛力，可以拓展植物修復(fù)的應(yīng)用。

本研究通過溫室盆栽試驗(yàn)，研究菌肥和泥炭土浸提液能否在促進(jìn)東南景天生長的同時(shí)提高東南景天對(duì)土壤中Cd的吸收提取，并探討落干條件下對(duì)水稻生長和吸收Cd的影響。以期為植物修復(fù)效率的提高提供科學(xué)依據(jù)，為Cd污染農(nóng)田的植物修復(fù)提供新的思路。

1材料與方法

1.1供試材料

試驗(yàn)土壤采自韶關(guān)市某水稻農(nóng)田Cd污染土壤，pH為5.66，有機(jī)質(zhì)含量為35.96g·kg-1，總氮為1.49g·kg-1，總磷為0.88g·kg-1，總鉀為10.21g·kg-1，CEC為12.60cmol·kg-1，總Cd含量為2.45mg·kg-1，有效態(tài)Cd含量為1.73mg·kg-1。其中總Cd含量高達(dá)2.445mg·kg-1，超過了《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）中2.0mg·kg-1的Cd含量風(fēng)險(xiǎn)管制值。

試驗(yàn)菌肥為微生物菌劑——菌旺豐，是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的高品質(zhì)液體肥，有機(jī)質(zhì)含量≥40%，其中腐植酸鉀≥20%，內(nèi)含氨基酸、海藻酸等多種活性成分，可有效預(yù)防土傳病害的發(fā)生、促進(jìn)作物健康生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)。泥炭土為安秋農(nóng)資專營店購買的純泥炭土，為植物松針腐殖的泥炭土，有機(jī)質(zhì)含量≥60%，對(duì)泥炭土進(jìn)行浸提獲取植物源活化劑。試驗(yàn)所用菌肥溶液的制備：菌肥原液500倍稀釋液，溶液pH為4.53；泥炭土浸提液的制備：以水為浸提劑，泥炭土和水質(zhì)量比為1：10，浸提時(shí)間12h，浸提液pH為5.56。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

東南景天試驗(yàn)采用盆栽，土壤自然風(fēng)干并過5mm篩，充分混勻土壤，采用尿素和KH2P04（均為分析純）作基肥與土壤混勻，用量分別為：氮100mg·kg-1，磷80mg·kg-1，鉀100mg·kg-1。每盆裝土1kg，每盆種植2株大小均勻的東南景天，共5個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)。

將種植過東南景天的盆栽土壤繼續(xù)種植水稻，具體處理見表1，每個(gè)處理4次重復(fù)，每盆土壤0.8kg，每盆移栽水稻3棵。水稻在移栽后分蘗期30d內(nèi)保持土壤表面水層1～2cm以保持水稻分蘗期所需，分蘗期后保持落干（水面無水層）。

東南景天盆栽試驗(yàn)于2022年3月19日將長勢(shì)均勻的東南景天種植在重金屬污染的土壤中，處理中每次液體肥的添加量為40mL，并在移栽后第50天于2022年5月8日進(jìn)行第一次處理液的添加，J-2、T和JT處理在間隔7d后于2022年5月15日進(jìn)行第二次處理液的添加，每次澆水總量保持一致，2022年6月30日收獲東南景天，種植周期為103d。水稻盆栽試驗(yàn)于2022年8月16日至2022年11月24日進(jìn)行，2022年8月19日返青期進(jìn)行第一次處理液的添加，2022年10月19日孕穗期進(jìn)行第二次處理液的添加，種植周期為100d。

1.3樣品的采集與分析

1.3.1樣品的預(yù)處理

東南景天植物樣品預(yù)處理：用剪刀剪取東南景天地上部分，收獲后的東南景天用自來水沖洗表面的雜質(zhì)，再用雙蒸水洗凈并擦干表面水分，將東南景天裝入信封，于95℃殺青1h，然后置于45℃的烘箱中烘干至質(zhì)量恒定，稱量后為每盆的東南景天的干質(zhì)量生物量，將烘干植物研磨成粉末狀，貯存于封口袋保存。

水稻糙米樣品預(yù)處理：將收獲的水稻籽粒進(jìn)行烘干脫殼，并稱其干質(zhì)量，用粉碎機(jī)研磨后置于封口袋保存。

土壤樣品預(yù)處理：將盆中的土壤敲碎混勻，用抖根法采集不同處理的根際土壤樣品，自然風(fēng)干，用研缽研磨后分別過20目和100目篩，分開保存于封口袋備用。

1.3.2樣品分析方法

土壤的基本理化性質(zhì)按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進(jìn)行；土壤pH值測(cè)定采用水土比為2.5：1的電位法；土壤重金屬有效態(tài)采用DPTA提取法；土壤重金屬全量使用HN03-HCI-HF微波消解；植物重金屬全量使用HN03-H202微波消解；用火焰原子吸收光譜儀測(cè)定重金屬Cd。

1.4數(shù)據(jù)分析與方法

所有數(shù)據(jù)用Excel進(jìn)行整理，用SPSS 26.0進(jìn)行單因素方差分析的差異顯著性檢驗(yàn)（a=0.05），用Origin2021繪圖。

土壤重金屬提取率（%）用植物吸收重金屬總量與土壤重金屬總量比值的百分?jǐn)?shù)表示，生物富集系數(shù)（BCF）用植物地上部分Cd含量與土壤全Cd含量比值來表示。東南景天對(duì)重金屬的提取量通過地上部生物量與重金屬含量的乘積來表示。

2結(jié)果與分析

2.1對(duì)東南景天生物量的影響

從圖1可以看出，與對(duì)照處理相比，施加菌肥和泥炭土浸提液顯著提高了東南景天地上部的生物量（Plt;0.05），液體肥促進(jìn)了東南景天的生長。施加兩次液體菌肥（J-2）對(duì)東南景天的生長促進(jìn)效果最明顯，生物量較對(duì)照提高了99.68%。施加一次液體菌肥（J-1）、泥炭土浸提液（T）以及菌肥和泥炭土的復(fù)合液（JT）對(duì)東南景天的生長均有促進(jìn)作用，其生物量比對(duì)照處理分別提高了63.16%、64.58%、59.77%。

2.2對(duì)東南景天重金屬含量和富集系數(shù)的影響

施用液體菌肥和泥炭土浸提液提高了東南景天地上部Cd含量（表2）。T處理的東南景天Cd含量最高，達(dá)到260.45mg·kg-1，是對(duì)照處理的1.8倍。J-1和J-2處理的東南景天Cd含量分別是對(duì)照處理的1.1倍和1.6倍，說明隨著液體菌肥施用次數(shù)的增加，東南景天Cd含量得到進(jìn)一步提高。菌肥和泥炭土浸提液聯(lián)合施用情況下，東南景天Cd含量的提高幅度為53.2%。施加菌肥和泥炭土浸提液均提高了東南景天的Cd生物富集系數(shù)，其中T處理Cd生物富集系數(shù)達(dá)到106.52，遠(yuǎn)大于1。

2.3對(duì)東南景天提取重金屬的影響

由表3可以看出，施加液體肥提高了東南景天對(duì)Cd的提取量，具體表現(xiàn)為：J-2gt;Tgt;JTgt;J-1gt;CK。施用兩次液體菌肥（J-2）的效果最好，東南景天對(duì)Cd提取量為0.34mg·pot-1，是對(duì)照處理的3.1倍；泥炭土浸提液處理（T）的東南景天Cd提取量為0.32mg·pot-1，是對(duì)照的2.9倍。J-2和T處理的東南景天對(duì)Cd的提取率分別達(dá)到了14.98%和12.92%。菌肥和泥炭土浸提液復(fù)合處理的東南景天對(duì)Cd的提取效率稍低于單一添加菌肥和單一添加泥炭土浸提液處理，其提取效率為11.47%。菌肥和泥炭土浸提液都可通過提高東南景天生物量和東南景天Cd含量來強(qiáng)化東南景天對(duì)土壤Cd的提取。

2.4對(duì)土壤理化性質(zhì)和重金屬含量的影響

不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響見表4。與對(duì)照處理相比，施加菌肥和泥炭土浸提液對(duì)土壤的pH值、有效養(yǎng)分含量的影響不顯著。土壤pH值變化不明顯，可能是添加物的量較少，土壤本身的緩沖能力強(qiáng)的原因。菌肥和泥炭土浸提液聯(lián)合施用（JT處理）顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，與對(duì)照處理相比提高了4.81%；而單獨(dú)施用泥炭土浸提液降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量。

不同處理的土壤重金屬含量見表5。種植東南景天后，不同處理的土壤全Cd含量比起始值低。卜2、T和JT處理的土壤全Cd含量均顯著低于對(duì)照處理，其中J-2處理的土壤Cd含量最低，其次是T處理。與對(duì)照處理相比，J-2處理的土壤Cd全量降低幅度為20.41%，T處理的土壤Cd全量降低幅度為17.55%。東南景天處理后，土壤有效態(tài)Cd含量比土壤有效態(tài)本底值低，液體肥強(qiáng)化東南景天植物提取后，土壤有效態(tài)Cd含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，J-2處理土壤有效態(tài)Cd含量最低。菌肥和泥炭土浸提液兩種液體肥強(qiáng)化了東南景天對(duì)土壤中Cd的提取，從而降低了土壤中的重金屬含量。

2.5對(duì)水稻的影響

不同處理的水稻稻米和莖葉部分的生物量、Cd含量和Cd提取量見表6。落干條件下水稻對(duì)Cd的吸收會(huì)增加，經(jīng)過一季東南景天修復(fù)后進(jìn)行水稻種植，并在分蘗期后進(jìn)行落干（土面沒有水層），添加液體肥顯著促進(jìn)水稻對(duì)Cd的吸收和提取。不同液體肥處理提高了稻米和莖葉的生物量，提高了稻米和莖葉Cd含量，生物量和地上部Cd含量的提高增加了水稻對(duì)土壤Cd的提取。與對(duì)照處理相比，不同液體肥處理均提高了稻米和莖葉的Cd提取量，增幅范圍分別為30.31%～396.24%和12.36%～257.65%。不同處理的水稻地上部對(duì)土壤Cd的總提取率范圍為0.7%-3.15%，其中T處理和JT處理達(dá)到了2.39%和3.15%，菌肥和泥炭土浸提液強(qiáng)化了落干條件下水稻對(duì)土壤中Cd的提取。此外，不同處理的水稻莖葉Cd含量高于稻米，莖葉Cd含量是稻米的1.35～1.76倍。

3討論

3.1茵肥和泥炭土浸提液對(duì)東南景天的影響

植物對(duì)土壤重金屬的提取量是由其生物量和地上部重金屬含量來決定的。施用菌肥可以促進(jìn)農(nóng)作物健康生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)，在重金屬超富集植物東南景天上應(yīng)用也獲得了相同的效果。添加菌肥提高了東南景天地上部的生物量和Cd含量（圖1和表2），這與菌肥含的腐植酸鉀、氨基酸．海藻酸等多種活性成分能提高植物對(duì)重金屬的吸收有關(guān)，施加2次菌肥的效果優(yōu)于施加1次。施加有機(jī)物料能提高東南景天的修復(fù)效果，本實(shí)驗(yàn)施加泥炭土浸提液后，東南景天對(duì)Cd提取效率較對(duì)照處理提高了1.8倍，這是因?yàn)槟嗵客两嵋褐泻杏袡C(jī)酸、腐植酸等，有研究表明腐植酸可以提高東南景天修復(fù)土壤Cd的效率，溶解性有機(jī)質(zhì)可以提高植物對(duì)重金屬的吸收。兩種液體肥均提高了東南景天地上部Cd含量，最高達(dá)到260mg·kg-1以上，遠(yuǎn)高于的超富集植物Cd為100mg·kg-1的臨界標(biāo)準(zhǔn)，這更有利于超富集植物的后續(xù)處理。

3.2落干條件下水稻對(duì)Cd的吸收及修復(fù)污染土壤的潛力

在排水或者氧化土壤條件下，水稻對(duì)土壤中的Cd吸收量會(huì)增加，采取措施進(jìn)一步提高水稻對(duì)Cd的吸收有望通過移除秸稈降低土壤中Cd含量。施加菌肥和泥炭土浸提液后，提高了水稻的產(chǎn)量，這些與在東南景天的效果（圖1）和前人的研究結(jié)果是一致的。土壤落干條件下，菌肥和泥炭土浸提液聯(lián)合施用大幅度提高稻米和秸稈Cd含量，對(duì)土壤Cd的總提取率達(dá)到了3.15%，與單獨(dú)種植東南景天對(duì)Cd的提取率4.47%稍低（表3），提取能力與東南景天相當(dāng)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)照處理的水稻莖葉的Cd含量為0.94mg·kg-1，低于報(bào)道的相對(duì)高積累Cd水稻Cho-ko-koku品種，后期可以篩選和采用高累積Cd水稻品種，利用菌肥、泥炭土浸提液等提高水稻的植物修復(fù)效率，使水稻成為可以推廣應(yīng)用的修復(fù)植物。

種植東南景天沒有降低后茬水稻稻米Cd含量，其后茬稻米Cd含量為0.53mg·kg-1（表6），高于在未種植過東南景天的相同土壤上稻米Cd含量（0.39mg·kg-1，數(shù)據(jù)未列），東南景天在土壤中的殘茬會(huì)使得下一季作物重金屬吸收積累增加。此外種植一季東南景天后，土壤全量Cd和有效態(tài)Cd含量依然較高（表5），還不宜進(jìn)行水稻安全生產(chǎn)。土壤施加菌肥和泥炭土浸提液提高稻米Cd含量，稻米Cd含量均超過了國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)0.2mg·kg-1，需要防范食品安全風(fēng)險(xiǎn)。從水稻用于植物修復(fù)移除土壤Cd的角度，水稻無需到成熟季收獲，可以考慮在灌漿期收獲植株并加以回收集中處理，可避免稻谷進(jìn)入食物鏈。

4結(jié)論

（1）添加菌肥和泥炭土浸提液兩種液體肥可以促進(jìn)東南景天的生長，提高東南景天對(duì)Cd的提取，施用兩次菌肥和泥炭土浸提液處理的東南景天的Cd含量分別為232.65mg·kg-1和260.45mg·kg-1，提取量分別為0.34mg·pot-1和0.32mg`pot-1，兩者對(duì)土壤Cd的提取率可達(dá)13%～15%，顯著促進(jìn)東南景天吸收土壤中的Cd，降低土壤Cd含量。

（2）施加液體肥種植水稻，并在分蘗期后進(jìn)行落干，促進(jìn)了水稻的生長和對(duì)Cd的吸收提取，其中菌肥及泥炭土浸提液聯(lián)合處理下水稻對(duì)Cd的吸收量最大，稻米和莖葉的Cd含量分別為2.14mg·kg-1和2.88mg·kg-1，水稻地上部對(duì)Cd提取率達(dá)到3.15%，與東南景天提取能力相當(dāng)。落干條件下栽培水稻并施加液體肥來促進(jìn)植物提取Cd，具有一定的應(yīng)用前景。