鎘脅迫下富鐵有機肥對芒草生長及鎘富集的影響

摘要：為了探究鎘脅迫下富鐵有機肥對芒草生長及鎘富集的影響，通過盆栽試驗，設置CK（不施肥）、ZCK（施加普通有機肥）和22、23（施加不同濃度富鐵有機肥）處理。結果表明：與CK相比，所有施肥處理均促進了芒草生長，改善了土壤理化性質，抑制了芒草富集重金屬，且其中22、23比ZCK對芒草生長的效果更好。相對于ZCK，23的芒草干質量顯著增加了131.80％，22的芒草根長顯著增加了54.22％。此外，22地上部的鎘含量相比于ZCK顯著降低了49.86％，23地下部的鎘含量相比于CK顯著降低了58.94％。研究表明，施加富鐵有機肥相對于普通有機肥更能有效促進芒草生長并抑制芒草對鎘的富集，該肥料具有對輕度鎘污染土壤進行邊修復邊生產的應用潛力。

關鍵詞：硫酸亞鐵；富鐵有機肥；芒草；鎘脅迫

中圖分類號：X173；X53 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）02-0323-08 doi：10.11654/jaes.2023-0312

隨著礦區(qū)的不斷開采，重金屬在土壤膠質顆粒的吸附下不斷積累，農業(yè)生態(tài)環(huán)境受到了嚴重威脅。據(jù)2014年公布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國耕地土壤點位超標率為19.4％，鎘、砷、鉛等重金屬為主要污染物，湖南地區(qū)以鎘污染問題最為突出。鎘是植物生長發(fā)育過程中一種非必需元素，植物吸收鎘會影響抗氧化酶活性、改變細胞膜通透性、損傷細胞器、抑制生長等。鎘也是一種高度致癌金屬，可通過食物鏈積累嚴重影響人類身體健康。因此，加強對重金屬污染土壤的修復迫在眉睫。目前，常見的土壤重金屬修復方法有植物修復法、生物還原法、電動力學法、洗滌法等，但這些方法存在耗時長或成本高的缺點。我國人均耕地少，農田備用資源不足，因此不宜進行長時間的土壤修復而不生產糧食，也不適宜廣泛使用價格昂貴的物理化學修復方法。近年來使用有機肥修復土壤重金屬的技術逐漸成為研究熱點。

有機肥是一種以天然有機物質為原料，通過堆肥、發(fā)酵或其他特定處理方式制成的肥料。與化肥相比，它具有增加土壤肥力、提高土壤質量、減少環(huán)境污染等優(yōu)勢。有機肥中的有機酸和腐殖質可以與重金屬形成絡合物，減少重金屬對植物的吸收和毒害作用。同時，有機肥可以通過改善土壤結構和提高土壤活性，從而減少重金屬的有效性。目前，有機肥的組成元素依然是以氮、磷、鉀為主，以其他微量元素為主的有機肥研究較少。但微量元素對作物及土壤理化性質的影響也十分重要。例如鐵離子可以影響植物細胞的光合作用、呼吸作用和活性氧的清除。鐵元素可以與重金屬形成穩(wěn)定的絡合物，減少重金屬的可溶性和生物有效性。富鐵有機肥在修復土壤重金屬污染方面或許具有巨大的應用潛力，但目前相關的研究較少。

芒草是一類常見的多年生禾本科植物，通常具有高度的抗逆性，能夠在多種土壤類型下生長。由于耐受性和適應性，芒草現(xiàn)已被廣泛用作飼料植物、土壤保持植物和觀賞植物。此外，芒草還可以用作能源作物，可被作為生物質原料用于生產生物燃料或生物質顆粒，是近年來農業(yè)領域中備受關注的植物之一。

本研究采用添加硫酸亞鐵的富鐵有機肥，以能源植物芒草為研究對象，探究富鐵有機肥對植物生長的影響，評估富鐵有機肥的肥效價值，同時探究富鐵有機肥對土壤鎘形態(tài)及芒草鎘富集的影響，研究其在土壤修復中的應用價值。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試植物：芒草種子來自于湖南農業(yè)大學芒草聯(lián)合實驗室。

供試土樣：土樣采自湘西花垣縣鉛鋅礦區(qū)周邊廢棄的農用耕地，根據(jù)GB 15618-2018測定土樣重金屬，發(fā)現(xiàn)鎘含量達到污染風險管制值。

供試有機肥：普通有機肥由豬糞和秸稈外堆置2個月完成，富鐵有機肥由豬糞和秸稈外加七水硫酸亞鐵堆置2個月完成。土壤樣品理化性質如表1所示。

1.2盆栽試驗

試驗設置4個施肥處理，每個處理設置3個平行。CK為陰性對照組（不施肥）；ZCK為陽性對照組（施加普通有機肥）；22、23為試驗組（施加富鐵有機肥），分別外加1％和2％的七水硫酸亞鐵。有機肥的理化性質見表1。

將風干后的土樣與肥樣過100目篩后按比例（50：1）進行均勻混合，每個盆中裝入800 g混合土樣。芒草種子經過3d低溫春化后于溫室下（23℃）播種，每個盆中種植3株，每隔2d觀察其生長狀況并定量澆水，在第90天收獲。

1.3指標測定

1.3.1芒草生理指標測定

芒草種植90 d后收獲，收獲前，用葉綠素儀（JC-YLS01）測定葉綠素含量。收獲后將芒草洗凈，吸干水分后用分析天平測定鮮質量，用卷尺測定芒草的株高和根長，再將芒草置于105℃烘箱殺青30 min后，調至60℃烘干至恒質量，測定芒草干質量并計算含水量。

1.3.2芒草重金屬鎘含量測定

將烘干的芒草分為地上部和地下部，分別研磨后過100目篩。稱取0.2 g樣品采用王水-高氯酸消煮法進行消煮，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICAP-7200，賽默飛，英國）分別測定芒草地上部和地下部的鎘含量。

1.3.3土壤理化指標測定

取根際土壤樣品，于40℃持續(xù)烘干至恒質量，隨后研磨過100目篩。土壤pH值的測定按照國家標準HJ 962-2018。土壤全氮和水解性氮（堿解氮）的測定方法按照國家標準LY/T 1228-2015。土壤全鉀和速效鉀的測定方法按照國家標準LY/T 1234-2015。土壤全磷測定采用HClO4-H2SO4法。土壤有機質、速效磷的測定方法分別按照國家標準NY/T 1121.6-2006和NY/T 1121.7-2014。

1.3.4土壤重金屬鎘總量及鎘形態(tài)測定

總量測定：取研磨后的土樣0.5 g，加入8 mL王水（HNO3：HCl=1：3），加彎頸漏斗于電熱板80℃加熱1h，再升溫至150℃加熱1h，降溫冷卻后加入2 mL高氯酸，升溫至190℃持續(xù)2h，再升溫至220℃，去漏斗，消解至白色粉末，上清液澄清透明，過濾定容后即可使用ICAP-7200進行鎘含量測定。

鎘形態(tài)測定：取磨后的土樣1.0 g，采用BCR連續(xù)提取法提取土壤中的4種鎘形態(tài)，使用ICAP-7200進行鎘含量測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

生物富集系數(shù)（Biological concentration factor，BCF）和轉移系數(shù)（Transfer factor，TF）是衡量植物對重金屬的富集能力和植物體內轉運重金屬能力強弱的標準。

生物富集系數(shù)為植物體內重金屬含量與植物所在土壤環(huán)境的重金屬含量之比。

轉移系數(shù)為植物地上部重金屬含量與植物地下部重金屬含量之比。

原始數(shù)據(jù)處理和計算使用Excel完成，顯著性差異分析使用IBM SPSS Statistics 26和Minitab 16完成，相關性分析在網站（https：//www.cloudtutu.com）完成，繪圖由Graph prism pad 8.0和Origin 64完成。

2結果與分析

2.1富鐵有機肥對芒草生長的影響

第90天，各處理中的芒草生長情況如圖1所示。與CK相比，各施肥處理組的芒草生長情況較好，eg施肥處理之間差異不大（圖la）。通過對芒草生長指標的進一步測定，結果發(fā)現(xiàn)施加富鐵有機肥可以顯著提升芒草的鮮質量和干質量。CK的鮮質量為1.06 g·株-1，而ZCK、22、23分別為2.32、2.71、2.97 g·株-1，相對于CK分別顯著提升了118.87％、155.66％、180.19％（圖1b）。CK和ZCK的干質量分別為0.21 g·株-1和0.52 g·株-1，而23的干質量達到1.02 g·株-1，相對于CK和ZCK顯著提升了385.72％和96.15％（圖1c）。對于芒草生物量的提升，23效果最好。23的含水率僅為68.87％，顯著低于CK的81.53％和ZCK的79.53％（圖1d），有利于降低其蒸騰作用并提高其抗逆性。對于芒草株高和根長的提升，22效果最佳，其株高和根長分別為89.75、24.04 cm，相比于CK（48.87、14.28 cm）分別顯著提升了83.65％、68.35％（圖1e、圖1f）。對于葉綠素，22和23相比于CK均顯著提高，分別達到了11.05、11.77 spad（圖lg），有利于促進芒草生長。

2.2富鐵有機肥對芒草富集重金屬鎘的影響

芒草的鎘含量如圖2所示。其中，4個處理中芒草總鎘富集量無顯著差異，分別為0.003 2、0.003 0、0.0024、0.003 0 mg·株-1。與CK（3.73 mg·kg-1）和ZCK（3.67 mg·kg-1）相比，22地上部的鎘含量為1.84 mg·kg-1，顯著降低了50.67％和49.86％。與CK（32.93 mg·kg-1）和ZCK（19.25 mg·kg-1）相比，23地下部的鎘含量為7.90 mg·kg-1，顯著降低了76.00％和58.94％。與ZCK相比，22主要抑制芒草地上部富集鎘，23主要抑制芒草地下部富集鎘。

2.3富鐵有機肥對土壤理化性質的影響

芒草收獲時的土壤理化性質如圖3所示，與CK相比，施肥處理的全氮、全磷、堿解氮、速效鉀和有機質都有所增加。與ZCK相比，22的全氮和堿解氮分別達到3.63 g·kg-1和76.96 mg·kg-1，顯著提升了111.04％、29.61％。Z3的堿解氮達到90.73 mg·kg-1，顯著提升了52.80％。與ZCK相比，Z2的速效鉀，Z2、Z3的pH都顯著降低，而全鉀各處理間則無顯著差異。結果表明，富鐵有機肥進一步提升了氮和有機質含量，降低了pH。

2.4富鐵有機肥對土壤鎘及其形態(tài)的影響

如圖4a所示，與CK相比，施肥處理土壤總鎘含量無顯著差異。土壤鎘形態(tài)的變化主要集中在酸可提取態(tài)與可氧化態(tài)（圖4b）。與CK相比，ZCK的酸可提取態(tài)占比降低，22、23的占比增加。各施肥處理的可氧化態(tài)占比均增加。與ZCK相比，富鐵有機肥主要增加了酸可提取態(tài)和可氧化態(tài)的占比。

2.5富集系數(shù)與轉移系數(shù)分析

芒草的BCF與TF如表2所示。與CK相比，ZCK、22、23的BCF下降了39.26％、46.69％、63.53％，其中23降幅達到了顯著水平。芒草的TF在4個處理間無顯著差異。由此推測，有機肥可能主要通過抑制芒草對鎘的富集降低芒草體內的鎘含量，而非改變其對鎘的轉移能力。

2.6相關性分析

根據(jù)相關性分析（圖5）可知，土壤全磷含量與芒草的根長、葉綠素、鮮質量、干質量顯著正相關。土壤全氮、速效磷、速效鉀與芒草的BCF顯著負相關，土壤pH與芒草的TF顯著正相關。株高與土壤理化性質則不存在顯著相關性。

3討論

3.1富鐵有機肥對芒草生長和鎘富集的影響

本試驗中，施加富鐵有機肥促進了芒草葉綠素的合成，有利于芒草更好地進行光合作用，增加其生物量。亞鐵離子在植物根系表面氧化形成的三價鐵會在根表面沉積形成根表鐵膜，阻止植物對重金屬的吸收。以此推測，23主要抑制芒草地下部富集鎘可能是形成了較厚的根表鐵膜。相關性分析表明速效磷與芒草的BCF顯著負相關，且重金屬離子與磷形成的金屬磷酸鹽可降低植物體內金屬離子的運輸。22有機肥中速效磷含量相對較高，這可能是22主要抑制芒草地上部富集鎘的原因。芒草總鎘富集量沒有顯著差異，可能是生物量增加產生的結果。

3.2富鐵有機肥對土壤理化性質和鎘形態(tài)的影響

本試驗中，施加富鐵有機肥提升了全氮和有機質含量，降低了pH。這是因為外源鐵會改變微生物群落結構，而維持鐵穩(wěn)態(tài)對根瘤菌和豆科植物共生是至關重要的。本試驗研究中富鐵有機肥可能通過增加固氮微生物的豐度，從而提升土壤養(yǎng)分。土壤中重金屬的生物活性和毒性取決于重金屬的形態(tài)，酸可提取態(tài)與可還原態(tài)鎘在酸性條件或氧化作用下容易以離子形態(tài)存在于土壤中，遷移性較強，易被植物吸收。而可氧化態(tài)與殘渣態(tài)鎘通常以穩(wěn)定的化合物存在，遷移性弱，不易被植物吸收。在本試驗中，富鐵有機肥主要增加了酸可提取態(tài)和可氧化態(tài)的占比。對于酸可提取態(tài)的增加，一方面，可能是因為硫酸根離子發(fā)生水解反應產生氫離子使土壤pH降低，導致酸可提取態(tài)鎘含量增加。另一方面，可能是施肥處理抑制了對酸可提取態(tài)鎘的吸收，而CK處理則富集了較多酸可提取態(tài)鎘。對于可氧化態(tài)的增加，可能是三價鐵離子水解形成的多核絡合物與土壤溶液中的重金屬聚沉、凝絮生成沉淀。此外，一部分亞鐵可形成納米硫酸鐵氧化物，其對重金屬具有比較強的專屬化學吸附作用。雖然pH的降低可能提高鎘在土壤中的有效性，但鐵離子參與的系列反應或許能夠降低其遷移率和毒性。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)在土壤修復過程中通常會形成有機質-鐵氧化物-重金屬的三相體系，三者之間的相互作用相當復雜，并非單一的促進或抑制作用，對土壤重金屬的遷移和形態(tài)轉化有重要影響。而鐵如何通過與土壤重金屬以及土壤多相（有機物、無機物及微生物等）的相互作用來影響土壤重金屬的轉化遷移還有待進一步研究。

4結論

（1）鎘脅迫下富鐵有機肥能夠促進芒草生長，增加芒草的生物量和葉綠素含量。

（2）鎘脅迫下富鐵有機肥能夠抑制芒草對鎘的富集。

（3）鎘脅迫下富鐵有機肥能夠增加土壤的全氮和有機質含量，降低土壤pH。