液体有机肥对铅、镉污染下马铃薯重金属吸收及干物质积累的研究

王沛裴，郑顺林，2*，何彩莲，张　琴，万年鑫，罗艳琴，袁继超，2

（1.四川农业大学农学院，成都611130；2.西南地区作物栽培重点实验室，成都611130）



液体有机肥对铅、镉污染下马铃薯重金属吸收及干物质积累的研究

王沛裴1，郑顺林1，2*，何彩莲1，张琴1，万年鑫1，罗艳琴1，袁继超1，2

（1.四川农业大学农学院，成都611130；2.西南地区作物栽培重点实验室，成都611130）

摘要：采用盆栽实验，研究了Pb、Cd污染下，一种液体有机肥对马铃薯各器官Pb、Cd吸收量的影响及对马铃薯生长的缓解作用。结果表明：在基施液体有机肥作用下，马铃薯各器官对Pb、Cd的吸收具有明显差异，Pb和Pb、Cd复合污染条件下，马铃薯Pb、Cd吸收情况一致，即根＞叶＞茎＞块茎，而Cd污染下，马铃薯各器官吸收量变化规律为根＞茎＞叶＞块茎；马铃薯的根冠比、干物质累积量和单株产量随液体有机肥浓度增加而增加，且各处理均在有机肥高浓度时达到最大值；马铃薯块茎中Pb、Cd吸收量在研究范围内随有机肥浓度的增加而减少，块茎中Pb吸收量比未施加液体有机肥组降低34.7%，Cd吸收量比未施加液体有机肥组降低52.1%。综上认为在研究范围内，马铃薯底施液体有机肥对Pb、Cd污染均有较明显的缓解效应。Pb污染下块茎中的Pb含量均超标，Cd污染下，块茎膨大期块茎中的Cd含量全部未超标，块茎成熟期部分处理超标，可以通过适当提前收获，降低块茎的Cd吸收，达到安全标准。

关键词：液体有机肥；Pb、Cd污染；马铃薯；缓解效应

王沛裴，郑顺林，何彩莲,等.液体有机肥对铅、镉污染下马铃薯重金属吸收及干物质积累的研究[J].农业环境科学学报, 2016, 35（3）：425-431.

WANG Pei-pei, ZHENG Shun-lin, HE Cai-lian, et al. Effects of liquid organic fertilizer on absorption of lead and cadmium and dry matter accumulation in different organs of potato[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（3）:425-431.

重金属污染具有相对稳定性和难降解性，因此对它的治理成为国内外研究热点[1]。国家土壤环境质量二级标准规定，当土壤6.5＜pH＜7.5时土壤Pb含量的临界值为300 mg·kg-1、Cd为0.3 mg·kg-1。Pb作为植物生长非必需元素，主要被植物根部吸收、积累，通过破坏活性氧代谢酶系统[2]，影响细胞代谢，抑制植物正常生长[3]。低浓度Cd会促进植物生长[4]，高浓度Cd通过破坏植物抗氧化系统[5]，影响植物生长。研究发现小麦根、茎、叶长度和生物量都随Cd浓度的增大而逐渐下降[6]。

目前重金属污染治理较理想的方法，是通过施用有机肥缓解重金属污染。有机肥分解时释放出热量、二氧化碳和氨等物质为植物生长提供能量，同时有机肥中的胡敏酸和富里酸与重金属形成难溶性沉淀（如硫化物）[7]，降低自由离子活度系数，降低重金属含量，为植物生长提供良好环境。罗连光等[8]研究发现有机肥作用下，水稻获得最佳经济效益且重金属含量均未超标。唐明灯等[9]发现Pb、Cd污染下，施加有机肥为生菜生长提供良好的生态环境。曾德武等[11]与李正强等[10]研究表明，有机肥能够提高植物地下生物量，减少重金属对作物根系的毒害作用。

2014年四川首发土壤污染状况调查公报中，Cd 以28.7%的超标率成为主要污染物，对粮食安全存在较大的隐性风险，因此找到一种安全种植粮食的措施具有重要实践意义。本研究通过盆栽试验，以四大主粮之一的马铃薯为材料，在Pb、Cd重度污染的土壤中施加不同浓度液体有机肥，探索马铃薯各器官Pb、Cd吸收量的变化，揭示液体有机肥对Pb、Cd污染的缓解效果，寻找治理Pb、Cd污染的最佳浓度，为Pb、Cd污染的土壤安全生产马铃薯提供重要依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

供试土壤属于壤土，取自四川省成都市温江区青浦园试验田，具体理化性质如下：Pb含量28.34 mg· kg-1，Cd含量2.52 mg·kg-1，有机质含量7.92 g·kg-1，全氮2.08g·kg-1，速效磷6.56g·kg-1，速效钾32.67mg·kg-1，pH6.68。供试马铃薯为脱毒种薯川芋117。供试有机肥为云南七彩环保科技有限公司提供的商品新型液体有机肥，其有机质≥30%，N+P2O5+K2O含量≥10%，氨基酸含量≥8%，pH5.8～6.8。供试药品Pb（NO3）2、CdCl2为成都市科龙化工试剂厂提供的分析纯。

1.2试验设计

采集土壤在除去残枝、石子等杂物后充分混匀，分装于规格一致的塑料桶中（直径27 cm、高25 cm），每桶土重7 kg。Pb（NO3）2、CdCl2与土壤混匀，且浓度分别为1000 mg·kg-1和20 mg·kg-1；土壤中有机肥浓度分别为（C0）0 g·kg-1、（C1）0.2 g·kg-1、（C2）2 g· kg-1、（C3）20 g·kg-1四个处理。试验处理分Pb污染、Cd污染和Pb、Cd复合污染三种污染模式，具体处理依次为：PbC0、PbC1、PbC2、PbC3；CdC0、CdC1、CdC2、CdC3；PbCdC0、PbCdC1、PbCdC2、PbCdC3。Pb（NO3）2、CdCl2以及有机肥以溶液形式与土壤混匀。种植马铃薯前一星期，所有实验用土每日充分搅拌，使各桶土壤中重金属、有机肥均匀分布，试验分别以PbC0、CdC0、PbCdC0为各处理的对照，每处理9个重复。于2015 年2月10日种植马铃薯，每盆种3株，2015年6月6日收获。

1.3指标测定及方法

在马铃薯块茎形成期、块茎膨胀期及块茎成熟期进行取样。每次采集马铃薯地上生物量和地下生物量，分根、茎、叶、块茎进行处理，自来水冲洗干净，蒸馏水润洗两次，烘箱内杀青0.5 h后，烘干至恒重，粉碎、磨细，过100目筛装袋备用。采用火焰原子吸收分光光度计测定样品中Pb、Cd含量。

1.4数据分析

采用Excel软件与DPS软件进行数据处理。

2　结果与分析

2.1Pb污染下液体有机肥对马铃薯Pb吸收的影响

由图1可知，液体有机肥作用下，马铃薯各器官在块茎成熟期对Pb的吸收情况：相同有机肥浓度下，根中Pb含量除PbCdC0大于PbC0处理、PbCdC3大于PbC3处理外，其余均是Pb、Cd复合污染小于单一Pb污染（图1a）；茎中Pb含量除处理PbCdC0大于PbC0，其余均是Pb、Cd复合污染大于单一Pb污染（图1b）；叶片中Pb含量除PbCdC1大于PbC1处理外，其余均是Pb、Cd复合污染小于单一Pb污染（图1c）；块茎中Pb含量均是Pb、Cd复合污染大于单一Pb污染（图1d）。在整个生育期，马铃薯各个器官Pb吸收量依次为根＞茎、叶＞块茎，并且根、茎和块茎中Pb吸收量随着有机肥浓度的增加而减少，而叶中则是随着有机肥浓度的增加而增加。参照GB 18406.1—2001，蔬菜中Pb≤0.2 mg·kg-1，试验马铃薯块茎中Pb含量均超标（图1d），但不同浓度有机肥作用下，各处理下马铃薯块茎中Pb吸收量存在明显差异。块茎成熟期，单因素污染下马铃薯块茎中Pb的吸收量减少率最大，处理PbC1、PbC2、PbC3与PbC0相比，其减少率分别为37%、40%、61%；块茎形成期，Pb、Cd复合污染下马铃薯块茎中的Pb吸收量减少率最大，处理PbCdC1、PbCdC2、PbCdC3与PbCdC0相比，其减少率分别为22%、50%、57%（图1d）。这表明：在研究范围内随着液体有机肥浓度的增加，马铃薯块茎中Pb含量减少；块茎成熟期，液体有机肥在单因素污染下缓解效果最好；块茎形成期液体有机肥在Pb、Cd复合污染下缓解效果最好。

图1　液体有机肥对马铃薯不同器官Pb吸收量的影响Figure 1 Effects of liquid organic fertilizer on Pb absorption in different organs of potato

图2　液体有机肥对马铃薯不同器官Cd吸收量的影响Figure 2 Effects of liquid organic fertilizer on Cd absorption in different organs of potato

2.2Cd污染下液体有机肥对马铃薯Cd吸收的影响

由图2可知，整个生育期，马铃薯各个器官Cd吸收量依次为根＞茎、叶＞块茎；块茎成熟期Pb、Cd复合污染下，马铃薯的根和叶随液体有机肥浓度增大Cd吸收量增加（图2a、图2c），而茎和块茎随液体有机肥浓度增大Cd吸收量减少（图2b、图2d）。液体有机肥作用下，马铃薯块茎中Cd含量（参照GB 18406.1—2001，蔬菜中Cd≤0.05 mg·kg-1）变化如下：块茎膨大期均未超标，块茎成熟期，单因素处理马铃薯块茎中Cd含量均未超标，Pb、Cd复合处理只有处理CdC3未超标（图2d）。但是随着有机肥浓度的变化，块茎中Cd含量呈现较大降低趋势。单因素污染在块茎膨大期，马铃薯块茎中的Cd含量减少率最大，处理CdC1、CdC2、CdC3与CdC0相比减少率分别为91%、90%、51%；Pb、Cd复合污染在块茎成熟期，马铃薯块茎中的Cd含量减少率最大，处理PbCdC1、PbCdC2、PbCdC3与PbCdC0相比减少率分别为47%、54%、68%。这表明，在研究范围内，液体有机肥浓度越大，马铃薯块茎中Cd的吸收量越少；Cd污染下，液体有机肥在块茎膨大期缓解效果最好；Pb、Cd复合污染下，液体有机肥在块茎成熟期缓解效果最好。

2.3马铃薯叶面积的变化

Pb、Cd污染下，马铃薯叶面积随液体有机肥浓度的增大而增大，在相同浓度有机肥处理下，马铃薯叶面积变化规律基本是单一Pb污染＞Pb、Cd复合污染＞单一Cd污染（表1）。在块茎形成期和块茎膨大期，液体有机肥对单一Pb污染下马铃薯叶面积提升率分别为55.37%、53.95%，单一Cd污染下马铃薯叶面积提升率分别为74.05%、61.34%；块茎成熟期，单一Pb污染下液体有机肥对叶面积提升率下降为12.31%，而单一Cd污染下叶面积提升率持续上升，其提升率为74.39%。液体有机肥处于低浓度和中浓度时，对Pb、Cd复合污染下马铃薯叶面积提升率均较低，低浓度时提升率为2.56%，中浓度时为8.06%，在有机肥高浓度时叶面积表现出明显提升，平均达到20.01%。这表明在研究范围内，液体有机肥对Pb、Cd污染下马铃薯叶面积增长有明显促进作用，在相同有机肥浓度下，叶面积大小顺序为单一Pb污染＞Pb、Cd复合污染＞单一Cd污染。

2.4马铃薯各器官干物质量的变化

如表2、表3所示，Pb、Cd污染下，马铃薯干物质量、根冠比和单株产量变化趋势基本一致，即随着液体有机肥浓度的增大而增大。Cd污染下，马铃薯干物质累积量、根冠比和总产量相对Pb、Cd复合污染呈降低趋势，且随着液体有机肥浓度增加，降低趋势越发不明显，即在块茎成熟期，Cd污染下马铃薯干物质量是Pb、Cd复合污染下干物质量的78.6%；Cd污染下马铃薯单株产量是Pb、Cd复合污染下单株产量的89.1%。这表明在研究范围内，Pb、Cd污染下施加液体有机肥可以促进马铃薯生长；Pb、Cd复合污染下，马铃薯干物质量、根冠比、单株产量均高于Cd污染，但随着有机肥浓度的增大，差异越来越不明显。

3　讨论

液体有机肥相对普通有机肥的优势是含有大量氨基酸、腐植酸组分和较完全的营养元素，施入土壤后经分解合成相关物质，能够促进土壤形成良好的团粒结构，减少土壤中Pb、Cd有机质结合态或残渣态[12]，使土壤通气良好[13]，降低植物对土壤中Pb2+、Cd2+的吸收，为植物的安全生长提供良好环境。

表1　马铃薯叶面积的变化Table 1 Changes of leaf area of potato

根冠比的高低决定植物根系活性的强弱，叶面积是植物受外界环境影响的直观表现。Pb、Cd污染下，马铃薯总产量、叶面积、根冠比和干物质量随液体有机肥浓度的增加而增加（表1、表2、表3）。马铃薯各器官Pb、Cd吸收量与张玉秀等[14]研究一致，即根＞茎、叶＞块茎，且根对Pb、Cd吸收量随液体有机肥浓度的增大而增加。根吸收Pb、Cd量大的主要原因是液体有机肥增加植物根际环境中的有机酸、腐殖质等，使根系分泌大量植物络合素等物质，促进土壤重金属的溶解和根系的吸收，所以大部分Pb2+、Cd2+滞留在马铃薯根部[16]，只有一小部分Pb2+、Cd2+被植物吸收后转运进入马铃薯各器官。

表2　马铃薯各器官干物质及根冠比的变化Table 2 Changes of dry mass and root to shoot ratios of potato

表3　马铃薯单株产量变化Table 3 Yields of single potato plant

Pb污染下，马铃薯块茎中Pb吸收量小的原因是：一方面液体有机质抑制土壤对Pb2+的吸附，促进对Pb的解析[15]，使土壤Pb2+的有效态含量降低，活性下降，抑制Pb2+由土壤向植物体系中的迁移[16]；另一方面块茎中Pb2+需要通过根部转运至叶片后再合成淀粉并且通过消耗能量和载体运输至块茎，其过程复杂、程序繁多，所以最后进入块茎的Pb2+含量最少。Cd污染下，马铃薯块茎中Cd吸收量小的原因是：一方面随有机肥浓度增大根系分泌物增加（包括有机酸），并使分泌物与Cd通过竞争性结合后滞留在根表面的Cd2+量增加，因此通过主动运输转移至其他器官的Cd2+量减少；另一方面马铃薯根系向地上部分输送营养时，各个器官都会对Cd2+产生截留作用，随着有机肥浓度的增大截留作用增强（图2a、图2c），所以大部分Cd2+被截留在根、茎、叶中，最后到达马铃薯块茎中的Cd2+较低。另外Pb、Cd复合污染时，植物对Pb、Cd的吸收可能存在拮抗作用，高浓度Pb会抑制植物对Cd的吸收，占用Cd的转运蛋白酶，减少马铃薯对Cd的吸收量，但随着有机肥浓度的增加这种抑制作用越来越弱。

Pb、Cd污染下，马铃薯块茎对Pb、Cd的转运能力减弱[17]，而液体有机肥的施加能够恢复其Pb、Cd转运能力。液体有机肥作用下，虽然在研究范围内马铃薯块茎中Pb、Cd含量未完全达标（图1d、图2d），但块茎中Pb、Cd含量随液体有机肥浓度的升高而减少。实验结果发现，块茎中Pb、Cd含量减少除有机肥对马铃薯块茎自身的影响外，与马铃薯其他器官Pb、Cd的吸收量是密不可分的。相关性分析表明，Pb污染下，块茎中Pb含量与根呈极显著相关（r=0.658 6**），与茎呈极显著相关（r=0.769 8**），与叶呈极显著相关（r=0.724 8**）；Cd污染下，块茎中Cd含量与根呈显著相关（r=0.473 5*），与茎呈显著相关（r=0.481 4*），与叶呈显著相关（r=0.465 3*）。

4　结论

本实验研究范围内发现：Pb污染下，块茎成熟期马铃薯块茎中Pb吸收量最少；Cd污染下，块茎膨大期马铃薯块茎Cd吸收量最少；单因素污染下块茎中Pb、Cd吸收量低于Pb、Cd复合污染；马铃薯块茎中的Pb、Cd含量随液体有机肥浓度的增大而减少。

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Effects of liquid organic fertilizer on absorption of lead and cadmium and dry matter accumulation in different organs of potato

WANG Pei-pei1, ZHENG Shun-lin1,2*, HE Cai-lian1, ZHANG Qin1, WAN Nian-xin1, LUO Yan-qin1, YUAN Ji-chao1,2
（1.College of Agriculture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2.Key Laboratory of Southwest Region Crop Cultivation, Chengdu 611130, China）

Abstract：Controlling heavy metal pollution that is a potential threat to crop growth in soil has been a hot topic. In this study, the effects of liquid organic fertilizer on the absorption of lead and cadmium in different organs of potato and on plant growth were investigated in pot experiment. Under liquid organic fertilizer as basal fertilizer, there are significant differences in the absorption of lead and cadmium in different organs of potato. In lead and lead/cadmium pollution, lead and cadmium accumulation by different parts of potato was roots＞leaves＞stems＞tubers, whereas lead and cadmium accumulation was roots＞stems＞leaves＞tubers in cadmium pollution. The root/shoot ratio, the accumulation of dry matter and the yield of single potato plant were the maximum at the highest organic fertilizer rate. Applying liquid organic fertilizer decreased lead and cadmium uptake in potato tubers by 34.7% and 52.1%, respectively, as compared to the control. Lead concentrations in potato tubers did not exceed the standard under lead pollution. However, cadmium concentrations in the tubers exceeded the standard during tuber expansion period though tuber cadmium in some treatments fell below the standard at the mature stage. The present experimental results show that liquid organic fertilizer can reduce the content of lead and cadmium in potato, and that harvesting potato earlier might reduce cadmium uptake by potato tubers.

Keywords：liquid organic fertilizer; lead and cadmium pollution; potato; mitigation effect

*通信作者：郑顺林E-mail：zhengshunlin123@163.com

作者简介：王沛裴（1991—），女，重庆人，研究生，主要从事马铃薯高产栽培技术研究。E-mail: wangpp717@163.com

基金项目：国家科技支撑计划（2012BAD06B0407）；国家现代农业产业技术体系（马铃薯）建设专项（编号CARS-P20）；四川省育种攻关配套项目（2011NZ0098-15-5）

收稿日期：2015-10-06

中图分类号：X503.231

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）03-0425-07

doi:10.11654/jaes.2016.03.003