含腐植酸风化煤对镉污染土壤理化性质及小白菜生理指标的研究

李 通 魏玉莲 陈士更 丁方军，4*

(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016 2 中国科学院大学 北京 100049 3 山东农大肥业科技有限公司 泰安 271000 4 山东农业大学资源与环境学院 泰安 271018)

含腐植酸风化煤对镉污染土壤理化性质及小白菜生理指标的研究

李 通1，2魏玉莲1陈士更3丁方军3，4*

(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016 2 中国科学院大学 北京 100049 3 山东农大肥业科技有限公司 泰安 271000 4 山东农业大学资源与环境学院 泰安 271018)

采用盆栽试验，研究含腐植酸风化煤对镉(Cd)污染土壤蔬菜系统，土壤理化性质以及小白菜生理指标的影响。结果显示，含腐植酸风化煤对Cd污染土壤中全氮含量影响不明显；但可以增加速效磷含量和根系阳离子交换量。活化的含腐植酸风化煤可以增加速效钾含量；更有利于增大SPAD值。因此含腐植酸风化煤能改善Cd污染土壤理化性质，促进植株健康生长，以活化含腐植酸风化煤为佳。关键词：腐植酸 风化煤 小白菜 土壤理化性质 镉

镉(Cd)是一种非必需且生物毒性最强的重金属元素，是土壤环境中的重要污染物，Cd污染所引发的土壤生态功能破坏和农产品安全等问题日益受到各界人士的高度关注。Cd不仅直接毒害土壤微生物和植物，破坏土壤生态结构，还可以通过食物链迁移转化，危害人类身体健康[1]。蔬菜是人们日常生活中不可缺少的食物来源，也是十分重要的经济作物。蔬菜对重金属具有一定的富集能力，其体内累积的重金属通过食物链进入人体以后，会给人类身体健康带来潜在的危害。而含腐植酸风化煤可以促进植物正常生长发育，抑制重金属在植株体内的迁移富集，增强植物的抗逆性[2]，同时具有改良土壤、保护土壤生态环境等功能[3]。

本研究采用小白菜盆栽试验，探讨了不同浓度Cd污染条件下活化和未活化的含腐植酸风化煤对土壤理化性质及小白菜生理指标的研究，测定并分析两种含腐植酸风化煤对土壤全氮含量、速效磷含量、速效钾含量变化以及对小白菜根系阳离子交换量、游离脯氨酸、SPAD值的影响，旨在为含腐植酸风化煤在肥料领域和无公害蔬菜生产应用上提供参考借鉴。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为山东常见的棕壤，采自山东肥城农业科技试验田，取0～20 cm表层土壤，将新鲜土壤去除动植物残体、砾石，自然风干，过2 mm筛，置于聚乙烯袋中，放于干燥阴暗处备用。供试土壤基本理化性质见表1。由于不同地区所处地质背景不同，导致一些地区土壤中Cd背景浓度明显高于正常背景值，一般石灰土中Cd含量最高平均0.332 mg/kg，再因受大量施用含有重金属的农药和农肥，造成大面积良田受到重金属Cd的污染。

1.2 供试含腐植酸风化煤

HA1由未经活化的含腐植酸风化煤进行人工处理制得，即采用氢氧化钾和熔融尿素的活化及络合工艺，对风化煤中的惰性腐植酸进行脲碱双效活化；HA2为未经活化的含腐植酸风化煤(由新疆双龙腐植酸有限公司提供)。两种含腐植酸风化煤基本理化性质见表2。

表1 供试土壤的基本理化性质Tab.1 Basic physicochemical property of test soil

表2 供试含腐植酸风化煤的基本理化性质Tab.2 Basic physicochemical property of tasted weathered coal including humic acid

1.3 供试作物

供试作物为白菜[Brassica campestris L. ssp.chinensis (L.) Makino. var. communis Tsen et Lee]，品种名为“四季小白菜”。

1.4 试验设计

试验采用裂区设计，设外源性Cd污染为主处理，施加含腐植酸风化煤为副处理。参照任学军等[6]的不同浓度腐植酸对小麦生长效应的研究，共设置了3、10 mg/kg 2个Cd浓度水平(Cd污染土壤采用人工模拟外源施加的方法制备：以3CdSO4·8H2O作为外源Cd，将其配成所需的2个浓度水平，向每盆供试土壤中浇入200 mL含Cd的水溶液，自然淋溶混合)，人工Cd污染土壤于自然条件下放置15天，老化后备用。施用活化的含腐植酸风化煤(HA1)和未活化的含腐植酸风化煤(HA2)2类，各设2、4 g/kg 2个不同添加量水平。试验共设置了10个处理，每个处理4次重复，共计40个。具体试验方案见表3、表4。

表3 3 mg/kg Cd外源污染水平下处理组Tab.3 The treatment group under 3 mg/kg Cd external pollution level

表4 10 mg/kg Cd外源污染水平下处理组Tab.4 The treatment group under 10 mg/kg Cd external pollution level

该盆栽试验于2015年4月份在山东农大肥业科技有限公司试验田大环境中进行(使得生长条件更接近于大田的自然生长状态)，选择直径12 cm，高20 cm的塑料花盆，按含腐植酸风化煤不同添加量分别与2.5 kg人工污染土壤掺混均匀，将前期用育苗钵培育的小白菜幼苗移栽在盆中央，不再外源施加任何肥料。每盆移栽2棵幼苗，用16 g左右土加以覆盖。生长周期为35～37天，整个周期以自来水浇灌，保持田间持水量为75%左右[7]。

整个试验过程共计下雨4次，降雨量约为32～35 mm，每个处理的浇水量为150毫升/(次·盆)，浇水共计7次。

1.5 测定指标与方法

1.5.1 植物样品采集

于小白菜收获(生长37天)时，采集地上部和地下部，用自来水和去离子水清洗干净叶片和根部后，备用。

1.5.2 土壤样品采集与测定

根据小白菜的生长周期，分别于试验第0、17、37天，每盆按多点法采集盆中0～10 cm的土壤，相同处理的土壤样品混合后，作为1个土壤样品，风干，研磨，分别过1 mm和0.15 mm筛，留存备用。

1.5.3 土壤性质的测定

土壤全氮、速效磷、速效钾以及土壤CEC均采用农化常规分析方法进行测定[4]。

1.5.4 小白菜生理指标的测定

小白菜体内游离脯氨酸含量采用植物生理指导手册试验方法[8]、根系阳离子交换量、根系活力采用农化分析常规方法[4]，叶绿素相对含量(SPAD)读值采用手持式叶绿素仪(SPAD-502 PLUS叶绿素计)。

1.5.5 数据处理分析

采用SPSS 19.0中文版和Excel 2003对记录的试验数据进行处理与t检验，并做显著性差异性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤性质

2.1.1 全氮

土壤中的全氮含量代表着土壤氮素的总贮量和供氮潜力，是土壤肥力的主要指标之一，对土壤供给植株所需的养分有重要作用[9]。对在Cd胁迫条件下的土壤施加不同含量活化的含腐植酸风化煤和未活化的含腐植酸风化煤，对土壤中的全氮含量影响不明显，在3 mg/kg的Cd胁迫水平下，在2HA1+3Cd处理第17天较CK1+3Cd处理对氮素吸收较为显著。与4HA1+3Cd处理相比可知，2HA1+3Cd处理下氮素可以供植株在3 mg/kg Cd胁迫水平下的正常生长。而在10 mg/kg Cd胁迫水平下，4HA1+10Cd处理较2HA1+10Cd处理差异显著，土壤全氮含量减少2.62%，表明在10 mg/kg的Cd胁迫下需要增加腐植酸含量才能保证土壤正常全氮含量。而其他各处理全氮含量变化不大，未经活化的含腐植酸风化煤较活化的含腐植酸风化煤对Cd胁迫下的土壤全氮含量变化差异显著性不明显。见图1。

图1 不同生长时期土壤全氮含量Fig.1 Soil total nitrogen content in different growth periods

2.1.2 土壤速效磷

土壤速效磷是土壤有效磷贮库中对作物最为有效的部分，能直接供作物吸收利用，因此是评价土壤供磷能力的重要指标[10]，在3 mg/kg Cd和10 mg/kgCd胁迫水平下，含腐植酸风化煤第17天检测对速效磷含量几乎没有影响。在10 mg/kgCd胁迫水平下，第37天2HA1+10Cd处理，2HA2+10Cd处理，4HA1+10Cd处理，4HA2+10Cd处理较CK2+10Cd处理，速效磷含量分别增加8.27%、6.51%、12.5%、8.19%。由于植物的中后期会吸收大量营养物质，从而说明含腐植酸风化煤对磷的释放增加有重要作用，在Cd胁迫条件下，活化的含腐植酸风化煤较未活化的含腐植酸风化煤有较好的解磷作用。见图2。

2.1.3 土壤速效钾

土壤速效钾是指易被作物吸收利用的钾，其中90%以交换性钾形态吸收在土壤胶体表面，约10%为水溶性钾，存在于土壤溶液中[11]。钾是植物生长发育所需的大量元素，速效钾对植物的钾素营养状况有直接影响，其含量高低是判断土壤钾素丰缺的重要指标。在3 mg/kgCd胁迫条件下，2HA1+3Cd处理和4HA1+3Cd较2HA2+3Cd和4HA1+3Cd与CK1+3Cd处理的第37天速效钾含量相比明显增加，含腐植酸风化煤对在重金属Cd胁迫下的土壤速效钾含量虽然前中期无显著变化，但后期明显增强，活化的含腐植酸风化煤较未活化的含腐植酸风化煤增加作用更加明显。见图3。在10 mg/kg Cd胁迫条件下，4HA1+10Cd处理、2HA1+10Cd处理与4HA2+10Cd处理、2HA1+10Cd处理分别较CK2+10Cd处理第17天速效钾含量增加，随生长时间的推进，由于重金属Cd的胁迫作用，未活化腐植酸并未起到解钾的作用，但活化风化煤腐植酸可以增加速效钾含量，与先前报道一致[12，13]。

图2 不同生长时期土壤速效磷含量Fig.2 Available phosphorus content of soil in different growth periods

图3 不同生长时期土壤速钾含量Fig.3 Soil available potassium content in different growth periods

2.2 小白菜生理指标

2.2.1 根系阳离子交换量

根系阳离子交换量是指100 g干根所吸收的阳离子的毫克量当量数。试验表明，在3 mg/kg Cd胁迫条件下，空白处理较10 mg/kg Cd胁迫条件下的空白处理差异显著，说明Cd胁迫影响根系阳离子交换量，对于3 mg/kg Cd胁迫条件的处理，4HA1+3Cd处理和4HA2+3Cd对其处理的结果一致性较大，在2HA1+3Cd处理下较CK1+3Cd处理增加146.3%。对于10 mg/kg Cd的处理条件下，2HA1+10Cd处理和4HA1+10Cd处理较2HA2+10Cd处理和4 HA2+10Cd处理根系阳离子交换量都明显呈现增加趋势。2种浓度Cd胁迫条件下，4HA1+3Cd处理，4HA1+10Cd处理分别较4HA2+3Cd处理，4HA2+10Cd处理都有较明显的增加效应。见图4。

图4 不同处理小白菜根系阳离子交换量Fig.4 CEC contents of Chinese cabbage root in different treatments

2.2.2 游离脯氨酸

在逆境条件下(旱、盐碱、热、冷、冻、重金属胁迫)，植物体内脯氨酸的含量显著增加。植物体内脯氨酸含量在一定程度上反映了植物的抗逆性，抗旱性强的品种往往积累较多的脯氨酸[14]。因此，测定脯氨酸含量可以作为抗重金属盐害的生理指标。在重金属盐胁迫条件下，胁迫越严重，植物组织中脯氨酸含量增加越快。脯氨酸需维持一定水平，否则会影响作物的正常生长能力。试验表明，在3 mg/kg Cd胁迫条件下，4HA1+3Cd处理和4HA2+3Cd处理下脯氨酸含量最低，表明4HA1+3Cd处理和4HA2+3Cd处理效果相当，而2HA1+3Cd处理较2HA2+3Cd处理显著。在10 mg/kg Cd胁迫下，4HA1+10Cd处理较4HA2+10Cd处理差异性显著，表明4HA1+10Cd处理较4HA2+10Cd处理对重金属盐胁迫有抑制作用，且42HA1+10Cd处理较2HA1+10Cd处理的差异性显著。见图5。

2.2.3 SPAD值

SPAD值是指叶绿素的相对含量，SPAD值跟植物叶绿素含量是相关的，所以只要测量植物叶片的SPAD值变化，就能知道叶绿素含量的变化趋势。在Cd胁迫条件下植物的生长会受到抑制，叶绿素含量也会受到影响。通过试验表明，施加HA1和HA2对叶绿素含量都有显著效果，但在3 mg/kg Cd胁迫条件下，4HA2+3Cd处理较2HA2+3Cd处理对叶片的SPAD值无显著变化，表明叶片在3 mg/kg Cd胁迫条件下，在2 g/kg HA2处理与4 g/kg HA2处理的生长效应相近，叶绿素含量也相近，其中4HA1+3Cd处理SPAD值为42.5，而在10 mg/kg Cd胁迫条件下，4HA1+10Cd处理SPAD值为39，较CK1与CK2的SPAD值显著增加，说明随Cd浓度的增加，SPAD值随之降低；但HA1和HA2的施入却可以增加SPAD值，促进叶绿素含量的增加，但关于含腐植酸风化煤对Cd胁迫的最佳处理施入量还需要进一步试验探讨。见图6。

图5 不同处理小白菜体内游离脯氨酸含量Fig.5 Free proline content of Chinese cabbage in different treatments

图6 不同处理小白菜SPAD值Fig.6 SPAD value of Chinese cabbage in different treatments

2.2.4 根系活力

根际是重金属进入植物体内主要的通道和屏障，有效调控重金属在土壤—植物系统中的迁移，对提高重金属污染土壤的改良和保障农产品质量安全至关重要。根际土壤环境是土壤、植物根系和微生物的复合体系[15]，重金属在植物根际土壤中的传输受该系统中多层次微界面的控制，主要包括土壤固液界面，土壤—微生物界面以及土壤—植物根系界面等。由于界面反应的复杂性，无论在理论上还是方法上都有许多问题需要另外进行探讨。根的生长情况和活力水平直接影响植物个体的生长情况，营养状况和产量水平。植物的根与地上部的生长具有相关性，一方面二者相互依赖，即根负责从土壤中吸收水分，矿物质，有机质以及合成少量的有机物，细胞分裂素等供地上部所用，而地上部则供给根生长所必需的糖类、维生素等[13]。一般而言，根系发达，地上部分生长良好。另一方面二者相互制约，主要表现在对水分，营养等的争夺上，并从根冠比的变化上反映出来。试验表明，在3 mg/kg Cd胁迫条件下，2HA1+3Cd处理和4HA1+3Cd处理无显著性差异，说明2 mg/kg HA1和4 mg/kg HA1处理效果一致，根系活力相当，但与CK1+3Cd处理差异性显著，进而说明2 g/kg HA1或者更低浓度就可以保持3 mg/kg的Cd胁迫条件下根系正常营养的吸收；而10 mg/kg的Cd胁迫条件下，施加HA1和HA2也能提高和改善根系活力，但是4HA1+10Cd处理和4HA2+10Cd处理间差异不显著，与CK2+10Cd处理差异性显著，因此在3 mg/kg Cd胁迫条件下施加活化的腐植酸可有效提高根系活力，增加在Cd胁迫下营养元素的正常吸收有重要作用，但在10 mg/kgCd胁迫条件下，腐植酸对于根系活力改善的最适宜浓度有待进一步试验验证。见图7。

图7 不同处理小白菜根系活力Fig.7 Root activity of Chinese cabbage in different treatments

3 结论与讨论

(1) 未活化含腐植酸风化煤对Cd胁迫下的土壤全氮含量变化差异显著性不明显。活化的含腐植酸风化煤较未活化含腐植酸风化煤有较好的解磷作用。含腐植酸风化煤对在重金属Cd胁迫下处理比空白处理中的速效钾有明显的增加作用，虽然前中期无显著变化，但后期明显增强。

(2) 2种浓度Cd胁迫条件下，4HA1+3Cd处理，4HA1+10Cd处理分别较4HA2+3Cd处理，4HA2+10Cd处理小白菜根系阳离子交换量都有较明显的增加效应。对于小白菜体内游离脯氨酸含量，在2HA1+3Cd处理较CK1+3Cd处理增加146.3%。4HA1+10Cd处理较4HA2+10Cd处理更能抑制重金属盐胁迫，且4HA1+10Cd处理较2HA1+10Cd处理的差异性显著，若要提高作物在10 mg/kg Cd胁迫条件下的生长力则还需进一步试验探讨合适的腐植酸浓度。同浓度条件下，活化腐植酸较未活化腐植酸更有利于增大SPAD值，促进叶绿素含量的增加、光合能力的提高。

(3) 在3 mg/kg Cd胁迫条件下施加活化的腐植酸可有效提高根系活力，对增加在Cd胁迫下营养元素的正常吸收有重要作用，但在10 mg/kg Cd胁迫条件下，腐植酸对于根系活力的改善的最适宜浓度有待进一步试验验证。

试验表明，在Cd胁迫条件下，活化的含腐植酸风化煤较未活化的含腐植酸风化煤有较好的解磷作用，活化的含腐植酸风化煤可以增加速效钾含量，可以有效增加小白菜体内游离脯氨酸的含量，并能增加其根系活力和根系阳离子交换量。因此，在Cd污染胁迫条件下，活化的含腐植酸风化煤对改善土壤理化性质和促进小白菜生长具有重要作用。

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会员需求是协会服务的着力处

2017年9月10日，山东创新腐植酸科技股份有限公司孙明广董事长一行2人专程到访协会，与协会法定代表人、名誉会长曾宪成针对该公司腐植酸医药下一段工作方向进行了座谈。

会谈中，双方就以下5个方面的问题进行了深入交流：(1) 缔造腐植酸提质增效中医药工程；(2) 通过腐植酸医药应用研究，破解中西医理论交锋的困局；(3) 创立腐植酸食品保健品提质工程；(4) 深度开发腐植酸日用护肤品系列产品；(5) 抓紧研发腐植酸抗肿瘤、抗癌药物。

曾会长针对孙董事长现场提出需要协会提供腐植酸医药文献的要求，即时安排《腐植酸》杂志编辑部，迅速汇集整理相关的资料并集录成册，及时方便会员单位使用。2017年是协会“增值服务年”，协会将本着想会员所想、急会员所急的宗旨，以会员需求为第一出发点和着力处，全面提升协会服务能力，加快推进腐植酸医药产业快速发展。

(中腐协秘书处 供稿)

Study on Physicochemical Properties of Cadmium Contaminated Soil and Physiological Indexes of Chinese Cabbage by the Weathered Coal Including Humic Acid

Li Tong1,2, Wei Yulian1, Chen Shigeng3, Ding Fangjun3,4*
(1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, 110016 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049 3 Shandong Agricultural University Fertilizer Science Technology Co. Ltd., Taian, 271000 4 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian, 271018)

Pot experiment was conducted to study the effects of the weathered coal including humic acid on the soil physicochemical properties and the physiological indexes of Chinese cabbage under cadmium (Cd) pollution in soil-vegetable system. The results showed that，under Cd stress, the weathered coal including humic acid had not obvious effect for the total nitrogen content, but could increase the available hosphorus content, and improve the cation exchange capacity of the root. Activation of the weathered coal including humic could increase the available potassium content, and be more conducive to the increase of SPAD. Therefor the weathered coal including humic acid could improve soil physicochemical properties of the Cd contaminated, promote the growth of plant health, and the activated weathering coal including humic acid was preferred.

humic acid; weathered coal; Chinese cabbage; soil physicochemical properties; cadmium

TQ314.1，S634.3

1671-9212(2017)05-0026-09

A

10.19451/j.cnki.issn1671-9212.2017.05.006

国家自然科学基金项目(项目编号31370514)；山东省重点研发计划“新型土壤调理剂关键技术研发与应用”(项目编号2015GGH310001)；山东省自主创新专项“新型多功能微生物肥料研制”(项目编号2014ZZCX07302)。

2016-10-24

李通，男，1992年生，在读硕士研究生，主要从事生物多样性方面的研究。*通讯作者：丁方军，男，教授，E-mail：dfj403@163.com。