土壤水分对Cd污染土壤蔬菜产量和Cd积累的影响

陈永坚，疏仁宗，杜应琼，王富华，文 典，2，徐爱平，李富荣，赵沛华，杜瑞英，王 旭，何 舞

(1.广东省农业科学院农产品公共监测中心 510640;2.农业部农产品质量安全风险评估实验室;3.农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室)

Cd因其剧毒性及农田污染的严重性而成为目前农业研究中的重点和热点[1－3]。生产中多数污染土壤还在被利用。因此，如何减少食用农产品从土壤等环境中吸收和积累Cd成为保障人民身体健康的关键。相较于其他重金属元素，Cd在土壤中具有有效态比例较高、活性较强、更易被作物吸收等特点[4－5]。但也更易通过改变土壤环境条件而对其进行控制，改土法、电化法等工程措施往往因工程量大、费用高，并且有可能对土壤生态功能造成破坏而受到限制，农艺调控措施则因简单易行[6]、不会对环境造成二次伤害而逐步受到重视。据报道，土壤水分调控能显著影响水稻对Cd的吸收和累积，淹水还原环境能有效降低水稻对Cd的吸收和累积[7－9]。但目前水分对作物Cd吸收和累积影响的研究主要集中在水稻上，而对蔬菜等旱作影响的研究鲜见报道。

本文重点探讨Cd污染土壤的不同田间持水量对土壤pH值、土壤有效态Cd含量、蔬菜产量及蔬菜Cd含量等的影响，以期为合理利用和科学治理Cd污染土壤提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自韶关矿区典型红壤Cd污染菜地耕层，基本理化性状:pH值6.69、速效氮141.58 mg/kg、有效磷 120.62 mg/kg、速效钾 148.37 mg/kg、有机质23.75 g/kg、CEC 10.02 cmol/kg、有效Cd 0.78 mg/kg、全Cd 4.00 mg/kg。设添加Cd的两个土壤镉水平，即土壤全Cd含量4.00 mg/kg(Cd1)、8.00 mg/kg(Cd2);以分 析 纯 Cd(NO3)2·4H2O溶液的形式加入土壤，干湿交替2次，平衡1周。

供试蔬菜为尖叶油青甜菜心和玉帅竹叶青蕹菜，种子购于广东省农业科学院蔬菜研究所种子市场。

1.2 试验设计

试验在本单位盆栽场进行，设2个处理:①40%田间持水量，②80%田间持水量。装盆前测定土壤田间持水量为21%，每天用称重法将田间持水量补充到试验设计水平。氮肥以尿素形式施200 mg(每公斤土施用量，下同)，磷肥以KH2PO4的形式施150 mg，钾肥在KH2PO4的基础上以KCl的形式补足到200 mg，并加入阿农溶液1 mL。上述营养元素均在装盆时拌土施入。用直径25 cm、高20 cm的塑料盆，每盆装土3 kg，底部垫纱网防止漏土。5次重复，盆栽随机摆放。

蔬菜种子经1%NaClO消毒10 min后，用自来水冲洗数次，再用去离子水冲洗。浸泡过夜后菜心在2013年7月21日播种，9月12日收获;蕹菜于7月24日播种，8月24日收获。收获后取蔬菜和土壤进行相关项目分析。

1.3 测定方法

土壤全量Cd按照GB/T 17141－1997测定;蔬菜Cd含量按照GB/T 5009.15－2003，采用湿消解法测定;土壤有效态 Cd按照 GB/T 23739－2009，采用DTPA浸提法，然后上ICP(美国Thermo公司产iCAP6000)测定。

土壤pH值采用pH计测定 (水土比为2.5∶1)，有机质采用重铬酸钾外加热法，CEC采用醋酸铵法，全氮采用开氏法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用Olsen－NaHCO3浸提—钼蓝比色法，速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法，田间持水量采用环刀法。

蔬菜Cd积累量(mg)=蔬菜质量(g)×蔬菜Cd含量(mg/kg)×10－3;蔬菜Cd富集系数 =蔬菜 Cd含量(mg/kg)/土壤Cd含量(mg/kg)。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0进行统计分析，采用单因素方差分析法 (one-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)比较不同数据间的差异。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值

由表1可知，提高土壤田间持水量均可显著提高土壤的pH值。在2种Cd水平下，80%持水量处理的菜心土壤pH值比40%持水量处理的分别提高0.33个单位和0.25个单位，蕹菜土壤pH值分别提高0.32个单位和0.25个单位。

表1 不同田间持水量对土壤pH值的影响

2.2 蔬菜产量

由图1可知，在2种Cd水平下，提高田间持水量能显著增加菜心产量，极显著增加蕹菜产量。在Cd1和Cd2水平下，菜心80%田间持水量处理分别比40%田间持水量处理增产60.0%和101.8%，蕹菜分别增产148.0%和137.8%。增加田间持水量对蕹菜的增产效果明显优于菜心，这可能与蕹菜的喜水特性有关。与Cd1处理相比，Cd2处理对菜心生长有抑制作用，在2种水分条件下 (40%和80%)菜心分别减产27.5%和8.5%，蕹菜分别减产4.8%和8.7%。

图1 不同田间持水量对蔬菜产量的影响

2.3 土壤有效态Cd含量

由表2可知，在Cd1水平条件下，提高土壤田间持水量对2种蔬菜土壤有效态Cd含量均未产生显著影响;在Cd2水平时，提高土壤田间持水量显著降低了菜心土壤有效态Cd含量，极显著降低了蕹菜土壤有效态Cd含量，降幅分别达到9.1%和24.3%。

表2 不同田间持水量对土壤有效态Cd含量的影响 (单位:mg/kg)

2.4 蔬菜Cd含量

图2 不同田间持水量下蔬菜Cd含量

由图2可知，提高土壤田间持水量能显著或极显著降低蔬菜体内Cd含量。在2种土壤Cd水平下，80%田间持水量处理的菜心Cd含量比40%田间持水量的分别降低了23.0%和168.4%，蕹菜Cd含量分别降低了136.4%和214.8%。说明提高土壤田间持水量对蕹菜Cd含量的降低效果优于菜心，Cd2水平的效果优于Cd1水平。

2.5 蔬菜Cd积累

从表3可知，对菜心而言，在2种Cd水平下，提高土壤田间持水量均未对其Cd积累量产生显著影响。在Cd1水平下，提高土壤田间持水量未对蕹菜Cd积累量产生显著影响，但在Cd2水平下，提高土壤田间持水量可显著降低蕹菜体内的Cd积累量。

表3 不同田间持水量对蔬菜Cd积累量的影响

从表4可以看出，提高土壤田间持水量显著降低了菜心Cd1水平的Cd富集系数，极显著降低了菜心Cd2水平和蕹菜在2种Cd水平下的Cd富集系数。在Cd1、Cd2水平下，菜心富集系数分别降低30.1%和186.7%，蕹菜分别降低171.3%和173.4%。另外，结合图2可以看出，不同田间持水量对蔬菜Cd富集系数和蔬菜Cd含量有良好的对应关系，高水分含量降低蔬菜中Cd含量是因为其降低了蔬菜对土壤Cd的富集系数。

3 结果与讨论

3.1 土壤田间持水量对蔬菜Cd含量的影响

土壤田间持水量对蔬菜Cd含量的影响主要有以下几个方面:①提高土壤田间持水量可降低土壤溶液Cd含量[10];②提高土壤田间持水量可提高土壤pH值[11]，而土壤pH值是影响Cd形态和有效性的最重要因素[12－14]。空心菜地上部和根系的Cd含量与土壤 pH呈极显著负相关 (表5)。表明土壤pH值是影响空心菜吸收 Cd的主要因素之一[11]。在本试验中土壤pH值对蔬菜Cd含量的影响最为显著，供试2种蔬菜Cd含量与土壤pH的相关性均达极显著水平。③提高土壤田间持水量促进了植物的生长，因稀释效应而降低了蔬菜Cd含量。

表4 不同田间持水量下蔬菜Cd富集系数

表5 试验主要因子间相关关系分析

另外，有研究认为，高土壤持水量降低了土壤Eh，土壤中的 SO2－4被还原为 S2－，Cd在土壤中具有很强的亲硫特性，可与S2－形成CdS沉淀;同时高土壤持水量增强了有机质中的官能团对Cd的络合与螯合能力，从而降低Cd的活性[15－16]。

3.2 土壤有效态Cd含量

王艳红等[11]在空心菜上的试验结果表明，土壤DTPA－Cd含量和土壤pH值是影响空心菜体内Cd含量的两个最主要因素，且两者呈显著负相关。而在本试验中，土壤有效态Cd(DTPA－Cd)与蔬菜Cd含量及土壤pH值的相关性因蔬菜品种和土壤Cd水平的不同而有差异。何江华等[17]研究表明，菜心 (菜薹)只要加入低浓度Cd，其产量即极显著下降;蕹菜则与菜心表现不同，当培养液中加入低浓度Cd时，其产量不但不下降，反而有所上升，只有当培养液中Cd浓度较高时，蕹菜产量才会下降，但其下降幅度远不及菜心等蔬菜。

提高田间持水量能提高土壤pH值，降低土壤有效态Cd含量，提高蔬菜产量，同时大幅度降低蔬菜Cd含量，是一种环境友好、廉价高效的重金属污染调控措施。

[1]潘永敏，廖启林，华明，等.江苏南部典型地区耕作层土壤及农作物中重金属评价 [J].物探与化探，2014，28(2):318－324.

[2]宋伟，陈百明，刘琳.中国耕地土壤重金属污染概况 [J].水土保持研究，2013，20(2):293－298.

[3]郭朝晖，肖细元，陈同斌，等.湘江中下游农田土壤和蔬菜的重金属污染 [J].地理学报，2008，63(1):3－11.

[4]王其枫，王富华，孙芳芳，等.广东韶关主要矿区周边农田土壤铅、镉的形态分布及生物有效性研究 [J].农业环境科学学报，2012(6):1097－1103.

[5]郝汉舟，靳孟贵，李瑞敏，等.耕地土壤铜、镉、锌形态及生物有效性研究[J].生态环境学报，2010，19(1):92－96.

[6]顾继光，周启星.镉污染土壤的治理及植物修复[J].生态科学，2002，21(4):352－356.

[7]张丽娜，宗良纲，付世景，等.水分管理方式对水稻在Cd污染土壤上生长及其吸收Cd的影响 [J].安全与环境学报，2006，6(5):49－52.

[8]纪雄辉，梁永超，鲁艳红，等.污染稻田水分管理对水稻吸收积累镉的影响及其作用机理 [J].生态学报，2007，27(9):3930－3939.

[9]刘昭兵，纪雄辉，彭华，等.水分管理模式对水稻吸收累积镉的影响及其作用机理 [J].应用生态学报，2010，21(4):908－914.

[10]黄益宗，朱永官，童依平，等.土壤水分变化对玉米苗期吸收积累镉的影响[J].生态学报，2004，24(12):2832－2836.

[11]王艳红，李盟军，唐明灯，等.水作和旱作对叶菜吸收镉的影响差异研究 [J].生态环境学报，2012，21(4):770－774.

[12]MCBRIDE M B.Cadmium uptake by crops estimated from soil total Cd and pH [J].Soil Science，2002，167(1):62 －67.

[13]SINGH R B，KRISTEN M.Cadmium uptake by barley as affected by Cd sources and pH levels[J].Geoderma，1998，84:185 － 194.

[14]高彬，王海燕.土壤pH对植物吸收镉、锌的影响试验 [J].广西林业科学，2003(3):54－55.

[15]郑绍建，胡霭堂.淹水对污染土壤镉形态转化的影响 [J].环境科学学报，1995，15(2):142－147.

[16]甲卡拉铁，喻华，冯文强，等.淹水条件下不同氮磷钾肥对土壤pH和镉有效性的影响研究 [J].环境科学，2009，30(11):3414－3421.

[17]何江华，杜应琼，周晓洪，等.Cd对叶菜生长和产量的影响及其在叶菜体内的积累 [J].农业环境科学学报，2006，25(3):597－601.