紫云英对污染土壤上叶菜生长及其镉和铅含量的影响

唐明灯,艾绍英,李盟军,杨少海,罗英健,姚建武 (广东省农业科学院土壤肥料研究所,广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室,广东 广州 510640)

紫云英对污染土壤上叶菜生长及其镉和铅含量的影响

唐明灯,艾绍英*,李盟军,杨少海,罗英健,姚建武 (广东省农业科学院土壤肥料研究所,广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室,广东 广州 510640)

为降低城郊菜地土壤叶菜可食部分Cd、Pb含量,通过3茬盆栽试验研究了紫云英(Astragalus sinicus L.)绿肥对重金属污染菜地上的叶菜生长、叶菜镉铅含量及土壤Cd、Pb活性形态(土壤溶液中Cd、Pb浓度及DTPA浸提态)的影响.结果表明,与对照相比,紫云英显著提高了供试生菜和苋菜的地上部生物量;但对DTPA-Cd和DTPA-Pb没有显著影响,对土壤溶液Cd、Pb浓度影响较小,没有显著影响供试生菜和苋菜地上部Cd、Pb含量.因而紫云英可以施用到供试菜地土壤上以提高叶菜产量,且不会提高叶菜Cd、Pb的食物链风险.

紫云英；菜地；叶菜；镉；铅

研究发现,城郊一些地区生长的叶菜重金属超标率较高[1-3],其中重金属镉、铅具有致畸致癌等效应[4-5].土壤有机质可吸附或络合土壤重金属,能够影响重金属形态,降低重金属的生物有效性及作物重金属含量[5-7],因此,施用含有机质丰富的土壤改良剂能有效降低叶菜中Cd、Pb的含量[8].

紫云英(Astragalus sinicus L.)作为农田绿肥,在我国南方稻田广泛种植,该植物可否降低叶菜重金属 Cd、Pb含量,目前国内外相关报道很少.为此,本试验拟通过紫芸英绿肥处理重金属污染土壤的盆栽试验,以叶菜为指示植物,探索其可行性;同时通过土壤溶液中Cd、Pb的浓度及DTPA浸提的Cd、Pb含量等活性较强的形态来揭示其部分机制.

1 材料与方法

1.1 供试土壤

取自广州市近郊,系由沉积物发育而来的菜园土(vegetative soil).取 0～20cm,风干,过 1cm 筛,备用.土壤的部分性状如下:pH 5.70,有机质40.8g/kg,Cd全量1.34mg/kg、Pb全量106mg/kg、Cu全量 154mg/kg、Zn全量 359mg/kg,全 N 2.12g/kg、碱解N 172mg/kg、有效P 135mg/kg、速效K 362mg/kg.

1.2 供试绿肥

供试绿肥采自广州从化市,为开花初期的紫云英(Astragalus sinicus L.)的地上部分,用不锈钢菜刀切成约 3cm的小段备用.紫云英全 N 5.22g/kg、全 P 0.53g/kg、全 K 4.20g/kg;全 Cd 0.02mg/kg、全Pb 0.07mg/kg(均以鲜重计).

1.3 供试叶菜

供试叶菜品种为意大利全年耐抽苔生菜(Lactuca sativa L. var. ramosa Hort.)和优良花红苋菜(Amaranthus cruetus L.),其种子均购于广州增城市朱村种子站,前者全年可以在广州市菜地土壤种植,后者适于夏天高温时期种植.

1.4 试验设计及实施

未施加紫云英的土壤为对照(CK),设置土壤施加鲜紫云英水平分别为 13.3g/kg(T1)、26.7g/kg(T2)、40.0g/kg(T3)、53.3g/kg(T4),共 5个处理水平,3次重复.每盆装土壤 7.00kg,随机排列.

称取每处理的紫云英与土壤用量,混合成均匀基质,先在盆底装2.00kg基质,水平安装原位土壤溶液取样器(滤过孔径为 0.3µm),再补足基质.加水至土壤最大田间持水量的 60%左右,压青 2周.2009年3月31日直播生菜种子,4叶期定株6棵,生长45d(达上市期,下同)收获地上部;2009年5月29日播种苋菜,3叶期间苗至15棵,生长33d收获地上部.2009年8日1日散播生菜种子,4叶期定株5棵,生长50d收获.每茬叶菜收获时同步抽取10mL土壤溶液,收获第3茬后采集土壤样本.每茬叶菜生长期间追施2次尿素,每次0.5 g/盆.浇自来水,称重法保持土壤湿度为最大田间持水量的 70%左右.试验在广东省农业科学院土壤肥料研究所网室进行.

1.5 样品前处理及测定

土壤溶液加入1mL浓度为2mol/L的稀硝酸使之酸化,冷藏、待测其中 Cd、Pb浓度.记录生菜地上部鲜重、洗净、擦干蔬菜外表水分,用塑料打浆机匀浆制成鲜样,称取 10.00g于三角瓶中、加入10.0mL混酸(体积比HNO3: HClO4= 4 :1,优质纯试剂)消煮、定容到25mL,待测消解液中的Cd、Pb浓度,同时称取蔬菜标准样品进行质量监控.土壤样本自然风干,过 1mm 尼龙筛,用DTPA[0.005mol/L二乙基三胺五乙酸(DTPA) +0.01mol/L CaCl2+ 0.1mol/L三乙醇胺(TEA)]浸提土壤有效态Cd、Pb(土液比为1∶5),待测过滤液.火焰(石墨炉)原子吸收分光光度计(Hitachi-Z 5000)测定 Cd、Pb.

1.6 数据处理和统计

数据采用Excel2003处理,SPSS10.0统计.

2 结果与分析

2.1 叶菜地上部生物量

如表1所示,与CK相比,紫云英绿肥显著提高第 1、2茬叶菜地上部生物量(P＜0.05),紫云英的施用量与每茬叶菜生物量均显著正相关.其中第1、第2茬极显著正相关(第1、2、3茬叶菜的相关系数分别为 0.778,P＜0.01;0.794,P＜0.01;0.591,P＜0.05.n=15).第 1茬叶菜地上部生物量显著高于第2、3茬叶菜生物量(P＜0.01),这主要是因为第2、3茬叶菜生长时气温高、日夜温差小,叶菜呼吸作用加强,不利于叶菜碳水化合物的积累和生物量的增加.

表1 叶菜地上部鲜重Table 1 Aboveground biomass of leafy vegetable

2.2 叶菜地上部Cd、Pb含量

由图1可见,与对照相比,紫云英绿肥对各茬叶菜地上部 Cd、Pb含量都没有显著影响(P＞0.05);苋菜Cd、Pb含量显著高于生菜(P＜0.05),这是由于生菜和苋菜基因型差异造成的;另一方面,2茬生菜Cd、Pb含量没有显著差异(P＞0.05),表明气候因素及紫芸英的腐解度对生菜Cd、Pb含量没有显著影响.所有叶菜地上部Pb含量均低于食品中污染物 Pb限量标准(0.3mg/kg)[9],各处理叶菜地上部Cd含量平均值也低于食品中污染物Cd限量(0.2mg/kg)[9],但其中T2与T4处理中部分苋菜 Cd含量达 0.22mg/kg,由此可见,与 Pb相比,苋菜Cd的健康风险较大.

2.3 土壤Cd、Pb的活性形态

从表2可以看出,每茬叶菜的土壤溶液Cd浓度都有显著差异(P＜0.05),但第1、2茬中,紫云英用量与土壤溶液 Cd浓度没有显著相关性(P＞0.05);第 3茬时紫云英处理显著降低了土壤溶液Cd浓度且显著负相关(相关系数为-0.597、n = 15、P＜0.05);第1茬的土壤溶液Cd浓度显著大于第 2、3茬(P＜0.05),可能是紫云英初步分解产生的低分子有机物对土壤Cd具有一定的活化作用.不同处理土壤溶液中重金属Pb都没有显著差异(P＞0.05)),但第1茬土壤溶液Pb浓度显著低于第2、3茬(P＜0.05),其原因有待探明.对整个试验过程而言,土壤溶液Cd浓度与叶菜地上部Cd含量显著负相关(相关系数为-0.346、n = 45、P＜0.05),土壤溶液Pb浓度与叶菜地上部Pb含量显著正相关(相关系数为0.522、n = 45、P＜0.01).

表2 土壤溶液中Cd、Pb浓度Table 2 Cd, Pb concentration in soil pore water

表3 土壤Cd、Pb的DTPA浸提态含量Table 3 Soil DTPA-Cd and-Pb concentrations

与对照相比,紫云英处理没有显著影响土壤DTPA-Cd含量(P＞0.05);同时紫云英处理对土壤DTPA-Pb含量也没有显著影响(P＞0.05),但 T4处理DTPA-Pb含量显著降低,有待进一步研究其原因(表3).

3 讨论

3.1 紫云英的施用及肥效

紫云英是我国最主要的绿肥作物,每 hm2稻田产紫云英绿肥 30000～90000kg,稻田施用量一般为 30000kg/hm2[10],本试验盆栽菜地土壤紫云英的最低设计用量与此吻合(每 hm2土壤以2250000kg计),如果按盆栽施用量为大田施用量的 3倍,T3紫云英施用量与此相同.汤海燕等[11]和龙安华等[12]在田间小区的施用量为12500kg/hm2,按盆栽用量为大田的 3倍计算,该用量在本试验T1和T2处理之间.紫云英的利用方式一般是田间种植,原位翻压,但汤海燕等[11]和龙安华等[12]的试验设计为田间小区离位施用,且取得较好的试验效果,所以本文设计与此一致.另一方面,该设计也考虑到城郊菜地耕作强度大、难以休耕的现状,紫云英等绿肥刚压青时容易产生硫化氢等有害物质毒害植物根系,稻田紫云英原位利用一般压青 2周左右才扦插水稻秧苗,故本文紫云英压青2周.

紫云英具有提高土壤pH值、有机质,并抑制养分流失等改良和培肥土壤的作用[13-14],对水稻而言,曾庆利等[15]报道 30000kg/hm2紫云英用量相当于40%化肥的效应[16].紫云英不仅显著提高水稻产量和生物量,而且显著提高海州香薷(Elsholtzia splendens)的生物量[11-12,17].本试验当中,紫云英对叶菜生物量的影响效果与此一致.杨俊岗等[10]认为紫云英分解快、供肥及时、肥效稳定而持久,本文与此类似;而且,通过第3茬对照的生物量与紫云英处理已没有显著差异,还可以初步推测其肥效大约为4个月左右.另外,菜地土壤积累了较丰富的氮、磷、钾,本试验菜地土壤有效磷、速效钾分别大于 90mg/kg、240mg/kg,属偏高级别[18],且肥料的使用也影响叶菜对Cd、Pb的吸收[19-20],为减少其他因素对紫云英绿肥处理效果的影响,故本试验仅追施尿素.

3.2 紫云英对土壤及作物重金属含量的影响

长期大田试验监测到紫云英提高土壤Cd含量[21].这是因为紫云英具有一定的富集 Cd、Pb的能力[22-23],尤其是接种具有富镉基因的根瘤菌后其 Cd富集能力大大加强[24].因此,在紫云英离位施用于菜地之前,有必要检测其重金属含量.田间小区试验中,紫云英显著提高海州香薷茎叶当中的Cd、Pb、Cu、Zn含量,与对照相比,提高幅度分别达57%、63%、31%、18%[11-12],本试验盆栽紫云英对叶菜地上部Cd、Pb含量的影响与此有别,可能与供试土壤理化性状及指示植物不同有关.汤海燕等[11]认为紫云英的效果与柠檬酸、草酸等类似[12],表明紫云英腐烂分解主要产生低分子量的有机酸,但官会林等[14]报道紫云英提高土壤中高分子量有机酸组分;从本试验收获第 1茬时土壤溶液 Cd浓度显著高于对照推测,数据支持文献[11-12]的观点.另外,紫云英翻埋深度对海州香薷茎叶当中Cd、Pb、Cu、Zn含量没有显著影响[11],绿肥即使覆盖在土壤表面也没有显著影响[25],则紫云英与土壤混合均匀的试验设计不会显著影响叶菜地上部Cd、Pb含量.

3.3 土壤Cd、Pb活性形态与叶菜地上部Cd、Pb的关系

Clemente等[26]报道牛粪对土壤重金属DTPA浸提态及植物地上部重金属含量没有显著影响,本试验与此类似.土壤溶液中重金属浓度和植物地上部重金属含量之间正相关,与土壤重金属其他形态相比,其相关性最好[27];本试验土壤溶液Pb浓度-叶菜地上部Pb含量之间的关系与文献[27]一致,且优于DTPA-Pb含量.但本试验土壤溶液Cd浓度-叶菜地上部Cd含量之间与此有别,除了土壤溶液Cd浓度影响苋菜地上部Cd含量外,同时植物通过根系分泌物影响土壤溶液中重金属浓度[25].在水培条件下,田生科等[28]发现1.6mg/L和3.2mg/L(ppm级)对海州香薷地上部Cu含量已没有显著影响, 本试验推测供试叶菜对土壤溶液中 Cd的响应浓度较高(灵敏度为10µg/L 左右),即叶菜对较低(≤10µg/L)的土壤溶液 Cd浓度不敏感,因此,虽然不同紫云英施用量间的土壤溶液在 ppb级水平有显著差异,但叶菜地上部 Cd含量没有显著差异.另外,王果等[29]认为,研究紫云英等有机物料的改土效果,要综合有机物料、土壤、作物、栽培以及产品性质等因素,因此,紫云英对土壤的改良效果值得继续研究.

4 结论

4.1 与对照相比,紫云英绿肥具有改良和培肥土壤的作用,显著提高生菜和苋菜地上部生物量.4.2 紫云英没有显著影响土壤 DTPA-Cd和DTPA-Pb的含量,没有显著影响土壤溶液中的Pb浓度,对土壤溶液Cd浓度的影响程度也较小,因此没有显著提高供试生菜和苋菜地上部Cd、Pb含量.

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Effect of Astragalus sinicus on the growth, Cd and Pb concentration of leafy vegetables

TANG Ming-deng, AI Shao-ying*, LI Meng-jun, YANG Shao-hai, LUO Ying-jian, YAO Jian-wu (Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation, Institute of Soil and Fertilizer, Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Guangzhou 510640, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：461～465

In an effort to reduce Cd and Pb concentration in leafy vegetables grown in suburban soils, three rounds of pot experiments were conducted to study the effect of Astragalus sinicus L. on the growth, Cd and Pb concentration in leafy vegetables, and available heavy metals in the soil (e.g. Cd and Pb in soil solution, DTPA extractable metals). The results showed that compared with the control, A. sinicus significantly increased the aboveground biomass of Lactuca sativa and Amaranthus cruetus but there was no significant effect on Cd and Pb concentration in DTPA extractable fraction, in soil solution or in the vegetables. Therefore, A. sinicus can be applied to increase the biomass of leafy vegetables in the test soil without increasing the risk of food chain contamination.

Astragalus sinicus；vegetative field；leafy vegetable；Cd；Pb

X53

A

1000-6923(2011)03-0461-05

2010-07-30

广东省科技厅重大专项(2007A032303001,2008A030202002);广东省农业领域重点专项项目(2009A0201005)

* 责任作者, 研究员, shaoyingai@21cn.com

唐明灯(1968-),男,湖南武冈人,助理研究员,博士,主要从事土壤重金属污染及其调控研究.发表论文10余篇.