覆膜对伴矿景天生长和吸镉动态影响研究

2019-05-17殷志遥和君强刘代欢常海伟

农业环境科学学报 2019年5期

殷志遥，和君强，秦华，刘代欢，*，邓林，常海伟，桂娟，李柱，周通

（1.永清环保股份有限公司，长沙 410330；2.农田土壤污染防控与修复技术国家工程实验室，南京 210008）

现代工业的快速发展以及人类对矿产资源的不合理开发利用，使得土壤重金属污染成为当今社会主要的环境问题之一，其中以镉污染相对较为严重[1-3]。镉是常见的重金属“五毒”元素之一，在自然界中，土壤镉污染具有分解周期长、移动性大、毒性高、难降解等特点，容易通过食物链在生物体内富集，最终被人体吸收而危害健康[4]。

目前修复土壤重金属污染的主要技术有物理、化学以及生物修复技术（主要包括植物修复、动物修复以及农业生态修复等）。其中植物修复技术通过吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，可以有效降低土壤镉污染环境风险，是目前被社会上广泛关注的绿色环保、无二次污染的热点技术[5-6]。但目前植物修复技术在土壤重金属修复治理过程中也存在一些问题，如有些重金属的生物有效性低，部分超积累植物生长速度慢、生物量低、修复周期长等[7]。

相关研究表明，伴矿景天（Sedum plumbizincicola）是一种生物量大、生长速度快、富集效果好的镉锌超积累植物[8]。研究者对伴矿景天的重金属耐性与积累性、农艺措施和外界环境因素对其生长和重金属吸收的调控作用及原理等方面作了系统的研究[9]。居述云等[10]研究表明，单作伴矿景天一年的土壤降镉率能达到42%。李思亮等[11]发现伴矿景天新叶中镉的浓度（69.9±10.5 mg·kg-1）是成熟叶中的（22.3±2.5 mg·kg-1）3.1倍。在伴矿景天的野外种植过程中，适当增大种植密度可促进伴矿景天的生长，显著提高地上部生物量，但过分密植则效果不明显[12]。在施肥处理上，增施氮肥是伴矿景天地上部干物质生物量增加的主要原因，而增施钾肥是增加地上部镉浓度和吸收量的主要影响因素[13]。土壤水分特征方面，土壤的水分状况对于伴矿景天吸取修复重金属也起到重要作用，其中当最大田间持水量在70%时，伴矿景天生长最好[14]。李娜等[15]研究表明，一定程度上降低光照强度并不会影响伴矿景天的生长和对锌、镉的吸收，但过度的庇荫和减弱光强会使伴矿景天的干物质生物量急剧降低。此外，在伴矿景天和经济作物间作对锌、镉吸收效果的影响等方面相关研究者也做了相应研究[16-18]。

伴矿景天在镉、锌污染土壤的修复治理方面具有广泛的应用前景，但目前针对伴矿景天在田间不同生长时期其生物量及镉吸收效果的动态变化研究比较少，实际工程应用及各生育期的管理过程通常不容易把控。垄上覆膜是土壤保水、保墒以及杂草控制的一种重要农艺措施[19]。Wang等[20]研究表明，相较于未覆膜，覆膜处理能显著增加玉米的籽粒产量以及地上部生物量（增幅分别达到30%～107%和37%～69%）。对于超积累植物而言，生物量的增加对镉吸收效果也会产生一定的影响。而有关覆膜对不同生育期伴矿景天生长及其镉吸收效果的研究目前还相对较少。因此，本文以湖南省某休耕地作为试验点，在覆膜和未覆膜两种处理下，通过连续监测伴矿景天在不同时间段内的鲜质量、干质量、单株镉浓度的变化，探讨伴矿景天生长及镉吸收效果的动态变化以及覆膜对其变化的影响，为伴矿景天在土壤镉污染修复的实际应用及管理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本次试验区域设在湖南省某休耕区，该地区属亚热带季风气候。年均气温18℃左右，年平均无霜期288 d左右，年平均日照1500～1910 h，年平均降水量在1300～1600 mm之间，土壤类型属于紫泥土。

1.2 试验设计

试验共设两个小区，每个小区的面积为666.7 m2。小区A垄上覆黑膜（FM），小区B垄上不覆膜（NFM）。两小区的土壤基本性质如表1所示。伴矿景天于2017年10月中旬种植，种植方式为扦插繁殖，选取长势一致的植株进行移栽，苗源来自中国科学院南京土壤研究所农田土壤污染控制与修复技术国家工程实验室，为同一批次刈割种苗。种植密度为15 cm×20 cm，即约30万株·hm-2。保持田间水量充足，并定时施肥、除草。为保证伴矿景天安全度冬、度夏以及减小温度对伴矿景天生长的影响，分别在2017年12月—2018年2月及2018年5—6月搭建温室大棚和遮阳网。

表1 试验小区土壤基本性质Table 1 Basic properties of soil in test plot

2017年12月—2018年2月温室大棚内温度及湿度采用温湿度计测定，当月的温度及湿度取平均值，如表2所示。

1.3 取样与分析

在移栽前测定刈割种苗的鲜质量、干质量和镉浓度（随机采集10株），并在种植后的第30、63、108、157、214 d（部分已开花）和240 d（已全面开花）采集各小区伴矿景天地上部植株以及土壤样品。每个小区采用网格采样法采集伴矿景天及0～20 cm土层土壤样品各6个，其中所取土样为非根际土壤。植物样先去除表面泥土，称量鲜质量，然后用自来水和去离子水洗净、杀青、烘干、称质量、粉碎。土壤样品混合均匀后风干、研磨、过筛（20目和100目）、混匀备用。

土壤样品全镉用HNO3-HClO4-HF消煮，有效态镉用0.1 mol·L-1的CaCl2浸提，采用石墨炉测定。植物样品镉含量用HNO3-HClO4浸提，采用ICP-MS测定。测定过程中分别以国家标准参比物质（土壤：GBW 07401；植物：GBW 07603）进行质量控制，所用试剂均为优级纯，标准样品测定结果在允许误差范围内。

1.4 数据计算与分析

每公顷净吸镉量=（单株镉浓度×单株干质量-移栽前单株镉浓度×移栽前单株干质量）×每公顷的株数。移栽前单株镉浓度和干质量分别为118±10.52 mg·kg-1和1.02±0.14 g。

对于已经被化学腐蚀的样品，其物质结构被破坏，应尽量选取未被污染的部位进行检验，否则会对实验结果带来一定的干扰。

某一时间段内的净吸镉量（g·hm-2）=当前时间段伴矿景天的总吸镉量（g·hm-2）-上一个时间段的总吸镉量（g·hm-2）

日平均吸镉速率（g·hm-2·d-1）=某时间段内的净吸镉量（g·hm-2）/此时间段内的总天数（d）

生物量日平均增长量=此时间段内的生物量增加量（g）/此时间段内的总天数（d）

土壤降镉率=[修复前土壤全镉浓度（mg·kg-1）-修复后土壤全镉浓度（mg·kg-1）]/修复前土壤全镉浓度（mg·kg-1）×100%

试验数据采用Excel和SPSS 13.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 覆膜对伴矿景天生长的影响

从图1可以看出，在整个试验周期内（0～240 d），伴矿景天的单株鲜质量与干质量的变化趋势相似。在0～108 d范围内FM和NFM两种处理的单株鲜质量分别增加了720.19%和730.77%，干质量分别增加了662.75%和664.71%，但两种处理间的差异不显著。而在157～240 d范围内，FM处理伴矿景天的鲜质量和干质量要显著高于NFM处理。截止到240 d时，FM处理下伴矿景天的单株干质量为26.32 g，地上部干物质生物量约7.90 t·hm-2；而NFM处理的单株干质量为21.01 g，地上部干物质生物量约6.30 t·hm-2。说明相较于NFM处理，FM处理能显著提高伴矿景天地上部干物质生物量（增幅为25.40%）。

在0～108 d范围内，生物量整体呈一定的线性增长（R2=0.969 6～0.993 5），其中FM和NFM处理下的单株鲜质量日均增长量分别为0.70 g·d-1和0.69 g·d-1，干质量日均增长量均为0.06 g·d-1。在108～240 d范围内生物量则呈S型曲线增长，其中在157～214 d范围内的增长速度最快（此时间段FM和NFM处理的单株鲜质量日均增长量分别为3.92 g·d-1和3.25 g·d-1，干质量日均增长量分别为0.23 g·d-1和0.17 g·d-1），远高于其他时期（图2）。此外，伴矿景天的含水率在FM（90.2%～93.2%，均值 91.6%）和 NFM（90.2%～93.6%，均值91.9%）处理下均呈先增加（0～30 d）后降低再增加的变化趋势，且在240 d时含水率达到最高，分别为93.2%和93.6%。

表2 冬季温室大棚内平均温度及湿度Table 2 Average temperature and humidity in greenhouses in winter

2.2 覆膜对伴矿景天吸镉的影响

在整个试验周期内（0～240 d），伴矿景天的吸镉量随着时间的延长整体呈逐步增加的趋势，其中吸镉量最多的时间段主要集中于30～63 d（FM和NFM处理净吸镉量分别为 119.58 g和 102.31 g），63～108 d（FM和NFM分别为95.11 g和96.65 g）以及157～214 d（FM和NFM分别为142.87 g和114.89 g），而108～157 d范围内的吸镉量相较于这3个时间段较低（图3）。单株伴矿景天的地上部镉浓度呈现先降低后升高再降低的变化趋势（图3）。在0～30 d范围内，两种处理下的伴矿景天单株镉浓度均有一定程度的降低，其中FM处理降低了41.80%，NFM处理降低了49.32%。而在30～63 d范围内，FM和NFM两种处理下的单株镉浓度相较于0～30 d分别增加了93.75%和109.33%。63～240 d范围内的单株景天镉浓度则逐渐降低。造成这种变化的差异可能是因为除了30～63 d时间段内吸镉量的增长幅度（FM和NFM处理分别为440.52%和1 334.68%）远高于生物量的增长幅度（FM和NFM分别为59.43%和40.19%）外，其他时间段内的镉吸收量增长幅度均小于生物量的增长幅度（表3）。

图1 伴矿景天单株鲜质量和干质量的动态变化Figure 1 Dynamic changes of fresh weight and dry weight by per Sedum plumbizincicola

图2 不同时期单株伴矿景天生物量的日均增长量Figure 2 Average daily growth of biomass in different periods by per Sedum plumbizincicola

相较于NFM处理，FM处理显著增加了伴矿景天的吸镉量，截止到240 d时，显著增加了35.53%，且日平均吸镉速率也显著增长了38.52%（图4）。其中伴矿景天在NFM处理修复157 d及240 d后，其累积吸镉量分别为208.51 g·hm-2和329.85 g·hm-2，而FM处理达到此效果分别仅需80～90 d和170～180 d。说明垄上覆膜对于伴矿景天的吸镉效果有一定程度的促进作用。单株伴矿景天的镉浓度除了第30、108、157 d时表现为FM处理显著高于NFM处理外，其余均无显著差异。

从图4可以看出，30～63 d的日平均吸镉量最高，FM和NFM处理分别为3.62 g·hm-2·d-1和3.10 g·hm-2·d-1，表明此时间段吸镉效果相对最好。最低则主要集中于0～30 d（FM和NFM处理净吸镉量分别为27.15 g和7.67 g，日平均吸镉量分别为0.90 g·hm-2·d-1和0.26 g·hm-2·d-1）和214～240 d（FM和NFM处理净吸镉量分别为5.10 g和6.45 g，日平均吸镉量分别为0.20 g·hm-2·d-1和0.25 g·hm-2·d-1）范围内。

2.3 土壤镉含量的变化

如图5所示，土壤全镉含量整体呈逐渐降低的趋势，其中30～63 d（FM和NFM处理的全镉含量分别降低了 0.05 mg·kg-1和 0.02 mg·kg-1）以及 157～240 d范围内（全镉含量均降低了0.07 mg·kg-1）的土壤降镉效果相对较好。在0～30 d和63～157 d范围内，两种处理的土壤全镉含量降低效果不明显。经过240 d的植物修复后，FM处理的土壤降镉率为16.18%，显著高于（P＜0.05）NFM处理（12.16%）。说明覆膜能显著提高伴矿景天的镉修复效果。

表3 不同时间段内Cd吸收及干质量增长幅度（%）Table 3 Growth range of Cd uptake and dry weight in different time periods（%）

图4 不同时期伴矿景天的日平均吸镉量Figure 4 Daily average cadmium absorption at different time periods by Sedum plumbizincicola

土壤有效镉的变化趋势与全镉有较大差异。在0～63 d范围内，土壤有效镉显著降低（P＜0.05），其中FM和NFM处理的降幅分别为10.71%和8.47%，而在63～240 d范围内的变化两种处理有一定的差异。反映出土壤中有效镉含量处于一种被吸收以及活化的动态过程。截止到240 d，FM和NFM处理的土壤速效镉含量分别降低了55.36%和49.15%。

图3 伴矿景天吸镉量及单株镉浓度的动态变化Figure 3 Dynamic changes of cadmium uptake and cadmium concentration by per Sedum plumbizincicola

图5 土壤镉含量的动态变化Figure 5 Dynamic changes in soil cadmium content

此外，有效镉占全镉的比例变化与有效镉含量相似，也是呈现先降低后升高再降低的波动（FM处理的变化范围为43.75%～82.35%，NFM处理为38.36%～79.73%）。240 d时，FM和NFM处理的土壤速效镉占全镉的比例分别为43.86%和46.15%，相较于第0 d（FM和NFM处理分别为82.35%和79.73%）分别降低了46.74%和42.11%。

3 讨论

重金属要被植物吸收，首先要与根细胞的细胞壁结合，然后通过质外体或者共质体等途径向细胞内转运[21]。本研究发现，在移栽初期的0～30 d内，伴矿景天的吸镉效果较差（FM和NFM处理的日均吸镉量分别为 0.90 g·hm-2·d-1和 0.26 g·hm-2·d-1），且地上部的镉浓度相较于移栽前有显著降低，主要是由于伴矿景天在0～30 d内处于生根阶段，此阶段的根系对镉的吸收与转运能力相对较弱，使得伴矿景天地上部镉浓度一定程度被稀释。杜菡影[22]通过超积累型东南景天与非耐受型东南景天相互嫁接的研究表明，根对超积累型东南景天耐受与富集镉具有主导作用，而地上部分对镉的高效转运也是东南景天超富集镉的一个重要因素。生根过程完成后，随着生物量的增长，伴矿景天的吸镉量逐渐增加。唐希望等[23]研究表明，植株地上部镉浓度的变化与地上部生物量的变化高度相关。镉被植物根系吸收向地上部转移时，会在各组织器官间分配转移，因此伴矿景天在生长过程中分枝数量及生物量的增加对于地上部镉浓度有显著影响[24]。生育后期伴矿景天开花后，其生物量以及吸镉量的增加速度逐渐降低，一方面可能是由于伴矿景天在开花后各方面的生理机能有一定程度下降，另一方面则可能是由于夏天的高温气候对伴矿景天的生长及镉的吸收有一定负面的影响。

植物的生长发育及产量的形成不是某单一因素影响的结果，而是受各生态因素综合作用的影响[25]。本研究表明，相对于NFM处理，FM处理能显著提高伴矿景天地上部干物质生物量、吸镉量以及土壤降镉率。这可能是由于覆膜阻挡了水分的垂直蒸发，阻断了近地面层与大气之间的气流交换，增大了光热交换阻力，使膜内土壤温、光、水、肥、气等条件发生了变化，从而影响了伴矿景天的生长及镉吸收[26]。韩秀锋等[27]研究表明，相对于NFM处理，垄上覆黑膜能显著增加土壤含水量（增幅为46.04%），适当增温（增加了1.2℃），有效抑制杂草生长（杂草数量降低了63.46%），显著增加作物的株高、主茎数及产量（增产23.46%）。陈登峰等[28]研究也表明，薄膜覆盖增加了0～25 cm土层的土壤温度（日均地温最大可提高5.33℃，空气温度最大可提高0.34℃），降低空气湿度（最低可低2.35%），增加土壤含水率（最大增幅可达46.65%），且土壤温度越高，根系呼吸速率越大，这有利于改善植物的生长和光合作用，从而使得植株的鲜质量以及干质量增加。在本研究中，FM处理下杂草多集中于种植穴附近或地膜破损裸露处等，数量显著低于NFM处理（杂草数量降低了80%～90%）。垄上覆膜阻碍了膜下杂草进行光合作用，使其长期处于养分缺乏状态，抑制了杂草的生长，从而降低了与伴矿景天之间的竞争[29]。也有研究表明，土壤理化性质的改变对土壤镉的生物有效性、植物根系的生长以及对镉的吸收会产生一定的影响[30-31]。综合来看，垄上覆膜对于伴矿景天的生长以及镉修复效果均有一定的积极意义。