Cd胁迫下黄土施用污泥对小麦生长及Cd富集迁移的影响

李虎，赵一莎，刘冲，武文飞，王厚成，南忠仁

兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000

Cd胁迫下黄土施用污泥对小麦生长及Cd富集迁移的影响

李虎，赵一莎，刘冲，武文飞，王厚成，南忠仁*

兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000

为了能给污泥资源开发利用开辟新的途径，以黄土为供试土壤，小麦（Triticumaestivum L.）为供试作物。采用盆栽试验研究了泥在不同Cd胁迫黄土中对小麦生长的影响及其对小麦各部位Cd的富集迁移规律。试验设计2个污泥处理水平，每个塑料盆中加入8.0 kg供试土壤或污泥含量为4.0%的供试土壤，土壤中以Cd(NO3)2•4H2O溶液形式加入的Cd质量分数分别为0.5、1.0、2.5、5.0、10.0、25.0、50 mg·kg-1，对应各处理为TS1～TS7。各胁迫水平均设置3个平行，同时设置对照TS0。结果表明，黄土中低水平的Cd胁迫可促进小麦的生长，且在Cd污染水平5.0 mg·kg-1时施污泥和未施污泥土壤中小麦生物量均最大，而高水平的Cd胁迫抑制小麦的生长，且Cd胁迫水平越高，抑制作用越强烈；Cd胁迫下施用污泥可促进小麦的生长，尤其是茎叶和籽粒的生长；小麦各部位Cd的含量随土壤Cd处理水平的升高而增加且呈显著正相关（P＜0.05），各部位最大浓度分别可以达到：45.32、14.41、9.66 mg·kg-1，且根系＞茎叶＞籽粒，污泥的施用能促进小麦对Cd的吸收；小麦各部位对Cd的富集能力均随着土壤Cd胁迫水平的升高而先增加后减小，污泥的施用在一定程度上提高了小麦对Cd的富集能力，各部位富集系数最大分值分别为1.81、0.93、0.51，但对Cd进入小麦根系后向茎叶和籽粒的迁移影响不显著。

小麦；污泥；Cd；富集；迁移

城市污泥中含有植物生长所需要的N、P、K等营养元素、大量的有机质及微量元素（郭广慧等，2009；李艳霞等，2003），其资源化利用方式主要有土地利用、林业利用和城市绿化等（黄雅曦等，2006），其中土地利用是最为看好的城市污泥处置与资源化方式，受到世界各国重视（莫测辉等，2000）。污泥土地利用的主要问题是重金属的毒害问题（Ahumada等，2009），但科学合理的施用就会得到良好的经济效益和环境效益（蔡全英和莫测辉，2003）。如何科学合理的实现城市污泥的土地资源化利用，摸清城市污泥的土地资源化利用过程中植物对重金属的吸收效应，是亟待解决的问题（张朝升等，2008）。

污泥中的重金属进入土壤后经溶解、沉淀、凝聚、络合、吸附等过程表现出不同的环境效应（Gupta和Sinha ，2006；Karvelas等，2003）。Cd是城市污泥中最常见的重金属之一（史昕龙和陈绍伟，2001）。在这方面国外研究报道较多（Egiarte等，2008；Fuentes等，2004），国内也有一些报道（张玮和傅大放，2007；于瑞莲等，2011）。兰州地处黄土高原西部，境内大部分为海拔1450～2500 m的黄土覆盖的丘陵、河谷和盆地，其中丘陵所含的黄土熟化程度很低，植被覆盖率很小（李萍等，2013），Cd含量很低（晋王强等，2010）。近年来，随着城市的发展，绿化用土供需矛盾日益突出，黄土常被作为绿化土用于园林和荒漠化土地等（安登奎和王玉宏，2005），但黄土土粒板结、通透性差，缺乏有机养分，常导致植物生长不良而枯萎致死（王志和杨艺渊，2002）。用污泥能明显的改良生土并供给植物养分，且肥效持久、后效显著，优于化肥（薛澄泽和杜新科，2000）。

目前，黄土中施用污泥及其重金属对作物生长影响的研究尚鲜见报道。本文即拟通过盆栽实验，探求污泥在不同Cd胁迫黄土中对小麦生长的影响及其对小麦各部位Cd的富集迁移规律，为污泥资源的开发利用开辟新的途径。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为黄土，采自兰州市榆中县郊区，采回后铺在塑料薄膜上于自然阴凉处风干，压碎，剔除石块等异物，过2 mm尼龙筛备用。其基本理化性质为：pH=8.85，有机质含量1.54%，EC＝895.5 μs·cm-1，Cd背景含量0.116 mg·kg-1；供试污泥采自兰州市七里河污水处理厂（A2O工艺），采回后铺在塑料薄膜上于自然阴凉处风干，压碎，过2 mm尼龙筛，备用。其基本理化性质为：pH=7.81，EC=3142 μs·cm-1，有机质含量24.50%，Cd背景含量为0.116 mg·kg-1。

供试作物为小麦（Triticumaestivum L.），购自甘肃省农业科学院。

1.2 试验设计

根据长期对黄土中Cd含量的调查，对出现的最大浓度作适当延伸，确定为试验设计的8个处理水平。同时根据研究区的施肥状况，确定为试验设计的2个污泥处理水平。每个塑料盆中加入8.0 kg供试土壤或污泥含量为 4.0%的供试土壤，土壤中以Cd(NO3)2•4H2O溶液形式一次性加入的Cd质量分数分别为0.5、1.0、2.5、5.0、10.0、25.0、50 mg·kg-1，对应各处理为TS1～TS7。各胁迫水平均设置3个平行，同时设置对照TS0。加去离子水使得土壤含水率为田间持水量的60%，保持3周后按农作制度播入小麦种子。幼苗生长7 d后间苗留取10棵，约120 d后收获测量小麦的主枝长度和平均根系长度以及麦穗长度，并测定小麦的根、茎叶、籽粒 Cd含量及生物量，并采集土壤样品和植物样品。土壤样品自然风干后过100目尼龙筛，以四分法取50 g待用。植物样品分为茎叶、根系和籽粒，用自来水冲洗干净后再用去离子水反复冲洗，经105 ℃杀青2 h，75 ℃烘干至恒重后粉碎，过60目尼龙筛待用。

1.3 分析测试

土壤理化指标用土壤农化常规分析方法测定（鲁如坤，2000）。土壤样品用HNO3-HF-HClO4三酸法消解（Tessier等，1979）。植物样品用 GB/T5009规定的HNO3-HClO4混合酸法消解。Cd含量用原子吸收光谱仪（Thermo Fishier，SOLAAR M6）测定。试验中均采用20%平行样、GSS-1标准土样和GSB-6标准菠菜样品进行质控，误差控制在5%以内。试剂均为优级纯，试验器皿在使用前均用10%硝酸浸泡24 h以上。

1.4 数据处理

所得数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0进行统计分析、作图等。

2 结果与讨论

2.1 不同处理对小麦生长的影响

生物量（干质量）的变化是在正常环境中生长的植物受到外界重金属影响时最直接的响应，可以表征重金属元素对植物的作用类型和程度（Liu等，2008）。不同Cd胁迫水平污泥施加与否情景下小麦各部位的干质量变化情况见表1。

由表1可知，随着土壤Cd胁迫水平的升高，无论污泥施加与否，小麦各部位干质量均呈先增加后减小的趋势。与对照TS0相较，未施加污泥情景下， TS4和TS5Cd胁迫水平下的小麦根系干质量显著高于其他胁迫水平，且TS4（0.33±0.07 g）显著高于 TS5（0.20±0.08 g）（P＜0.05），TS2～TS6胁迫水平下茎叶干质量显著高于其他胁迫水平（P＜0.05），TS2～TS5胁迫水平下籽粒干质量显著高于其他胁迫水平（P＜0.05）；施加污泥情景下，TS4和 TS5Cd胁迫水平下的小麦根系干质量显著高于其他胁迫水平，且TS4（0.41±0.02 g）显著高于TS5（0.30±0.02 g）（P＜0.05），TS2～TS5胁迫水平下茎叶干质量显著高于其他胁迫水平（P＜0.05），TS2～TS4胁迫水平下籽粒干质量显著高于其他胁迫水平（P＜0.05）。该结果表明，无论污泥施加与否，一定范围内较低浓度的Cd胁迫均能促进小麦生长，较高浓度的Cd胁迫则抑制小麦生长，小麦对Cd胁迫的耐受作用存在临界浓度，与已有的相关研究结果（Liu和 Zhang，2007；贾夏，2011）相同。这可能是较低的Cd浓度能使提高作物体内酸性磷酸酶和过氧化氢酶等的活性或加快生物体内某些生化反应，从而促进其生长，而当Cd浓度超过作物生长极限值时，作物的生理生化、生长环境和营养状况均不同程度的受到伤害，作物的生长发育就开始受到不同程度的抑制（Bonten，2008）。因此，高浓度的Cd会严重抑制作物的生长发育和新陈代谢，从而使得生物量显著降低（Xia等，2000）。实验观察亦发现，Cd对小麦毒害达到一定程度后，植株就会表现出生长迟缓、植株矮小、褪绿等中毒症状，严重影响其产量，这与黎佳佳等人（黎佳佳等，2006）的观测结果一致。

表1 不同Cd胁迫水平添加与不添加污泥情景下小麦各部位的干质量Table 1 The dry weight of wheat on different levels of Cd stress and sewage sludge amendment rates

表2 不同Cd胁迫水平添加与不添加污泥情景下小麦各部位的Cd含量Table 2 The Cd content of various parts of wheat on different levels of Cd stress and sewage sludge amendment rates

施加污泥与未施加污泥情景相较，同一Cd胁迫水平施加污泥情景下小麦各部位的干质量较大，仅在TS5和TS6Cd胁迫水平下，小麦根系干质量在两种处理间差异显著（P＜0.05），仅在 TS0和TS1Cd胁迫水平下，小麦茎叶干质量在两种处理间差异显著（P＜0.05），在Cd所有胁迫水平下，小麦籽粒干质量在两种处理间差异显著著（P＜0.05）。该结果表明，在Cd胁迫下，施用污泥有利于促进小麦生长，尤其是茎叶和籽粒的生长，可能是由于一定水平内的Cd对小麦的毒害作用小于污泥中丰富的N、P、K和有机质等营养元素对小麦的促进作用，污泥在一定程度上能显著提高小麦茎叶和籽粒的生物量（康少杰等，2011a）。可见，小麦在单一Cd胁迫下无论施加污泥与否，其各部位的生物量较之对照均有一定程度的增加，且高浓度Cd胁迫下仍能较好的生长，各部位的干质量并未显著小于对照TS0，说明小麦对Cd具有较高的耐性。

2.2 小麦对Cd的吸收和分布

不同Cd胁迫水平污泥施加与否情景下小麦各部位的Cd含量变化情况见表2。

由表2可知，无论污泥施加与否，小麦各部位的Cd含量均随着Cd胁迫浓度的升高而持续增加。在试验设计的浓度范围内，尽管小麦的生物量已受到一定程度的抑制，但其不同部位对Cd的吸收并未达到峰值。与对照TS0相较，未施加污泥情景下，TS3～TS7Cd胁迫水平下的小麦根系和籽粒Cd含量显著高于其他胁迫水平（P＜0.05），在所有Cd胁迫水平下茎叶 Cd含量显著高于都差异性显著（P＜0.05）；施加污泥情景下，自TS3 Cd胁迫水平开始小麦各部位 Cd含量显著高于其他胁迫水平（P＜0.05）。各部位的Cd含量相较，根系最高，茎叶次之，籽粒最低，此结果与莫争（2002）等研究结果一致。该结果表明，有较多的Cd 从土壤进入了根系，但 Cd 从根系转移至茎叶相对比较困难，而Cd从茎叶转移至籽粒更加困难。原因可能是当植物根系暴露在浓度较高的重金属环境中时，植物可以通过一些转运蛋白如 MRP7、HMA3、CAXs等将重金属转运到液泡，并且产生更多的植物络合素将一些重金属络合在液泡中，限制重金属转运到木质部，进而减少其向地上部的运输，导致根系中的重金属含量高于茎叶和籽粒（黄白飞等，2013）。

如表3所示，无论施加污泥与否，小麦各部位的Cd含量与土壤中Cd添加量均达到极显著的正相关关系（P＜0.01），表明小麦各部位的Cd含量与土壤 Cd污染的程度直接相关，即实验情景下 Cd的胁迫浓度（全量）可以很好地表征小麦各部位对Cd的吸收特征和变化趋势。

表3 不同部位Cd含量与土壤中Cd添加量的相关性分析结果Table 3 The correlation analysis of Cd content of various parts of wheat and add the amount of Cd in soil

表4 不同Cd胁迫水平添加与不添加污泥情景下小麦各部位的生物富集系数Table 4 The BCF of various parts of the wheat on different levels of Cd stress and sewage sludge amendment rates

施加污泥与未施加污泥情景相较，同一Cd胁迫水平施加污泥情景下小麦各部位的Cd含量较大，仅在TS4Cd胁迫水平下，小麦根系和茎叶Cd含量在两种处理间差异显著（P＜0.05），仅在 TS5和TS7Cd胁迫水平下，小麦茎叶Cd含量在两种处理间差异显著（P＜0.05）。陈曦等（2010）研究发现，在Cd胁迫下，施用污泥有利于促进小麦各部位对Cd的吸收，此外许田芬（2012）和康少杰（2011）研究青菜和玉米等植物结果亦是如此。可能是污泥中丰富的N、P、K和有机质等营养元素所致（戴亮等，2012；陈桂梅等，2010）。同时，与未施加污泥情景相较，Cd胁迫水平较低时施加污泥情景下小麦各部位的Cd含量总体较高，但差异并不显著，即在低Cd胁迫水平时，两种情景下小麦对Cd的富集量相差不大，甚至还出现施加污泥情景下小麦各部位Cd含量比未施加污泥情景下含量少的现象，与Walker等（2003）研究结果一致。这表明，Cd胁迫水平较低时，污泥的施用对小麦吸收Cd的影响不显著（P＞0.05），随着土壤Cd胁迫水平的升高，污泥的施用对小麦吸收Cd的影响开始变得显著（P＜0.05），且差异愈加明显（褚艳春等，2013）。已有研究表明，重金属Cd含量与营养元素含量间呈正相关关系，即两者表现为协同作用（Thapa等，2012），本实验表明，在污泥提供的营养元素一定时，高Cd胁迫水平下二者的交互作用较低Cd胁迫水平更大。

2.3 施用污泥对小麦富集和转运Cd的影响

为了更好的探究Cd在小麦－黄土系统施加污泥与未施加污泥情景下的转运积累规律，本文引入了生物富集系数（BCF）和转运系数（TF）。生物BCF是植物根系与土壤中重金属浓度的比值，TF是植物体地上部分与地下部分重金属浓度的比值（Nan等，2000）。富集、转移系数越大（黄丽荣等，2011），说明作物对重金属的富集和迁移能力越大（Yoon等，2006）。小麦根系、茎叶和籽粒的富集系数分别以BCFR、BCFSL和BCFS表示，小麦茎叶和籽粒的迁移系数分别以 TFR－SL和 TFR－S表示。表4和表5分别是施加污泥与未施加污泥情景下Cd在小麦中的BCF和TF。

表4表明，随着Cd胁迫水平的升高，施加污泥与未施加污泥情景下，小麦各部位的 BCF均呈现出先升高后降低的趋势，且均在实验设计的最高处理TS7水平最小。与对照TS0相较，未施加污泥情景下，BCFR除TS7水平外均差异显著（P＜0.05），BCFSL仅TS5和TS6水平差异不显著（P＜0.05），且TS7水平显著小于对照TS0（P＜0.05），BCFS则在TS1～TS4水平差异显著（P＜0.05）；施加污泥情景下，BCFR和 BCFS在TS1～TS4水平差异显著（P＜0.05），BCFSL在 TS3～TS6水平差异显著（P＜0.05）。小麦各部位Cd的BCF表现为根系最大，茎叶次之，籽粒最小，与李晓晨等（2007）研究结果一致，说明Cd富集能力更易在土壤－小麦根系界面进行，小麦根系－小麦茎叶界面次之，小麦茎叶－小麦籽粒界面相对最不易富集。

施加污泥与未施加污泥情景相较，施加污泥情景下小麦各部位的 BCF均大于未施加污泥情景，同一Cd胁迫水平下，BCFR仅TS6水平差异不显著（P＜0.05），BCFSL仅TS1和TS2水平差异不显著（P＜0.05），BCFS则在TS2、TS4、TS6和TS7水平差异显著（P＜0.05），有研究表明，同一Cd胁迫水平下污泥的施用在一定程度上提高了小麦对Cd的富集能力，对小麦根系的Cd富集能力影响尤为显著（陈祥等，2009）。即当Cd胁迫浓度超过一定范围时，小麦对Cd的富集系数变得越来越小。武文飞等（2012）研究油菜也得出了相同的结果，这主要是因为随着土壤中Cd元素浓度的升高，植物生长受到一定程度的抑制，Cd的吸收机能将会受到阻碍。

表5 不同Cd胁迫水平添加与不添加污泥情景下小麦各部位的转运系数Table 5 The TF of various parts of the wheat on different levels of Cd stress and sewage sludge amendment rates

表5表明，随着 Cd 胁迫水平的升高，施加污泥与未施加污泥情景下，小麦各部位的TF变化较为波动，但整体呈先升高后减小的趋势，Cd向植物体内的迁移能力与土壤性质、重金属形态等有关，当外源Cd浓度超过转运极限值后，转运系数将会变小（Topcuoglu等，2005）。与对照TS0相较，未施加污泥情景下，TFR－SL仅TS2水平显著高于对照TS0（P＜0.05），TFR－S仅 TS1水平显著高于对照TS0（P＜0.05）；施加污泥情景下，TFR－SL仅 TS2和 TS6水平显著高于对照 TS0（P＜0.05），TFR－S仅TS2和TS3水平显著高于对照TS0（P＜0.05）。

施加污泥与未施加污泥情景相较，TFR－SL仅TS0、TS6和TS7水平差异显著（P＜0.05），TFR－S仅TS1和TS7水平差异显著（P＜0.05），表明污泥的施用对Cd进入小麦根系后向茎叶和籽粒的迁移影响不显著，Allan等（1989）也得到了相同的结论。

3 结论

1）黄土中低水平的Cd胁迫可促进小麦的生长，且在Cd污染水平5.0 mg·kg-1时施污泥和未施污泥土壤中小麦生物量均最大，而高水平的Cd胁迫抑制小麦的生长，且Cd胁迫水平越高，抑制作用越强烈，Cd胁迫下施用污泥可促进小麦的生长，尤其是茎叶和籽粒的生长；

2）小麦各部位Cd的含量随土壤Cd处理水平的升高而增加且呈显著正相关（P＜0.05），各部位最大浓度分别可以达到：45.32、14.41、9.66 mg·kg-1，且根系＞茎叶＞籽粒，污泥的施用能促进小麦对Cd的吸收；

3）小麦各部位对 Cd的富集能力均随着土壤Cd胁迫水平的升高而先增加后减小，污泥的施用在一定程度上提高了小麦对Cd的富集能力，各部位富集系数最大分值分别为 1.81、0.93、0.51，但对Cd进入小麦根系后向茎叶和籽粒的迁移影响不显著。

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Effects of the Application of Municipal Sewage Sludge to Loess on the Growth of Wheat and Cd Accumulation and Migration under Cd Stress

LI Hu, ZHAO Yisha, LIU Chong, WU Wenfei, WANG Houcheng, NAN Zhongren*

College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

In order to develop new approaches to utilization of sewage sludge, a pot experiment was conducted out for loess and wheat to study the effects of application of municipal sewage sludge on growth of wheat and accumulation and migration of cadmium under stress. There are two sludge treatment levels in the experimental and 8.0 kg test soil or amended with 4.0% sludge were added in each plastic pots. The solution of Cd (NO3)2·4H2O was added in soils with concentration of 0.5, 1.0, 2.5, 5.0, 10.0, 25.0, 50 mg·kg-1, corresponding to each treatment for TS1-TS7. Various stress levels were set up three parallel, and set the control TS0.The results indicated that low stress levels of cadmium in loess can promote the growth of wheat, and biomass of wheat in both soils reached maximum in stress levels of 5.0 mg·kg-1. However, high stress levels of cadmium inhibits the growth of wheat and inhibition promoted with increase of the stress levels. The application of municipal sewage sludge under cadmium stress can promote the growth of wheat, especially is the shoots and seeds; The content of cadmium of various parts of wheat increased with the increase of stress levels and this phenomenon was a significant positive correlation (P ＜0.05), and the maximum content of cadmium of various parts of wheat were the roots (45.32 mg·kg-1), followed by the shoots (14.41 mg·kg-1), the minimum is seed (9.66 mg·kg-1). The application of sludge can promote the absorption of cadmium in wheat; The accumulation capability of various parts of the wheat first increase and then decrease with increase of stress levels of cadmium. The application of municipal sewage sludge can improve the accumulation ability of cadmium in wheat and the maximum enrichment factor of the various parts of wheat were 1.81, 0.93, 0.51, but the impact on the migration of cadmium which shift from the roots to shoots and seed were not significant.

wheat municipal sludge; Cd; accumulation; translocation

X53

：A

：1674-5906（2014）08-1366-06

李虎，赵一莎，刘冲，武文飞，王厚成，南忠仁. Cd胁迫下黄土施用污泥对小麦生长及Cd富集迁移的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(8): 1366-1371.

LI Hu, ZHAO Yisha, LIU Chong, WU Wenfei, WANG Houcheng, NAN Zhongren. Effects of the Application of Municipal Sewage Sludge to Loess on the Growth of Wheat and Cd Accumulation and Migration under Cd Stress [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1366-1371.

国家自然科学基金项目（NSFC 51178209；NSFC 91025015）；兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金项目（lzujbky-2014-279；lzujbky-2014-208）

李虎（1990年生），男，硕士研究生，主要研究方向为环境污染机制与控制修复。E-mail：lih2013@lzu.edu.cn *通讯联系人，E-mail：zhongrennan@126.com

2014-05-26