纳米氢氧化镁、黑麦草套种和丛枝菌根对萝卜Cd含量和土壤Cd化学形态及微生物数量的影响

杨聪　陈胜伦　刘豫　金卓君　张春来　徐卫红

摘要：采用大田试验研究了Cd污染土壤施加纳米氢氧化镁（nMg）、套种黑麦草和接种丛枝茵根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）对萝卜和黑麦草Cd含量，土壤Cd形态及含量、土壤微生物数量的影响。结果表明：与对照处理相比，“nMg”、“nMg +AMF”、“nMg+黑麦草”和“nMg +AMF+黑麦草”4个处理，均不同程度降低了萝卜根和地上部Cd含量，降低幅度分别为32.5%—41.4%和13.7%—17.4%。与对照相比，各处理土壤全Cd含量明显降低，降幅为7.3%～17.1%。土壤中Cd形态含量多少顺序为残渣态（RES-Cd》铁锰氧化态（FeMn-Cd》碳酸盐态（CAB-Cd》有机态（OM-Cd》可交换态（EX-Cd），接种丛枝菌根真菌降低了土壤中的EX-Cd含量。种植黑麦草和接种丛枝菌根真菌后土壤细菌数量显著增多，放线菌数量无显著变化。和对照相比，“nMg”、“nMg +AMF”、“nMg+黑麦草”和“nMg +AMF+黑麦草”4个处理土壤的pH值和CEC均显著升高，增幅为7.0%～l¨%和66.7%—76.9%。综合来看，原位钝化一植物一微生物联合修复技术比单一或两者联合修复技术效果更好。

关键词：纳米氢氧化镁;丛枝茵根真菌;黑麦草;萝卜;镉含量;土壤镉形态;土壤微生物数量

中图分类号：X53

文献标志码：A

论文编号：cjas18030011

0 引言

镉（cadmium，Cd）是植物生长发育的非必需元素，极小浓度即可产生较大危害。调查研究显示，中国19.4%的农田土壤重金属含量超标，其中Cd的点位超标率达7.0%，污染最为严重。Cd具有很强的生物富集性和迁移性，能通过食物链严重威胁食品安全和人体健康。因此，如何进行农田安全种植、降低土壤Cd毒性显得尤为重要，而选择经济有效且不会产生二次污染的治理和修复技术是解决上述问题的关键。

在重金属污染土壤的防治研究中，寻求环境友好型的高效重金属钝化（络合）剂成为近年来国内外研究的热点之一。目前，施加钝化剂的原位修复技术和植物修复技术研究较多，如以改性生物炭、纳米沸石和纳米羟基磷灰石等作为原位钝化修复材料的修复技术。纳米修复剂由于具有大量的微界面及微孔性，可以强化各种界面反应，如对重金属离子的表面吸附及专性吸附反应。纳米氢氧化镁是白色微细粉末，具有无毒、无味、无腐蚀、难溶于水的特征，是一种粒径介于1—100 nm的新型氢氧化镁，不仅可以增加肥料的吸附，减少肥料的流失和固定，还可以增加植物必需元素镁的输入。此外，对重金属也有较大的吸附能力，是一种绿色安全的水处理剂。尽管纳米氢氧化镁在环保和肥料领域已有报道，但在国内外，将纳米氢氧化镁作为土壤重金属钝化修复剂的研究还未见报道。

近年来，对植物修复技术的研究越来越深入。研究发现，Cd超富集植物东南景天、龙葵和印度芥菜等，能通过改变植物根系分泌物质的组成或含量来耐受或超富集重金属Cd，从而达到修复土壤中重金属污染的作用。丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal，AM）真菌是一种能与陆生植物广泛共生的有益微生物，其根外菌丝的扩展增加了根系吸收养分的有效表面积，因而，AM真菌能促进植物的生长，影响植物对重金属的吸收和转运，提高植物对重金属的富集能力，降低重金属对宿主植物的毒害作用，在重金属污染土壤的修复中具有非常重要的应用价值。

目前，关于植物一微生物联合修复、原位钝化一植物联合修复及原位钝化一微生物联合修复等联合修复土壤重金属污染的技术已有相关报道，且研究表明联合修复技术的修复效果好于单一修复技术。如陈永勤等的研究表明套种黑麦草和接种AM真菌的植物一微生物联合修复技术使植株各部位Cd含量比单一修复技术植株各部位Cd含量低，说明植物一微生物联合修复技术比单一修复技术有更好的修复效果;Madejon等研究在重金属污染土地上采用原位化学固定和植物修复相结合的修复方式，促进了该地区植被的恢复;孙约兵等的研究发现施加海泡石钝化修复重金属污染土壤的同时，土壤中细菌和放线菌的数量也有所增加。但关于原位钝化一植物一微生物三者联合修复技术的报道较少。萝卜为十字花科萝卜属重要的根菜类作物，具有较高的营养和药用价值，在国内种植面积位居蔬菜前3位。

本研究在田间，以萝卜为试材，通过研究萝卜的生长、植株中Cd含量、土壤中Cd的形态和含量、土壤pH值和CEC以及土壤微生物数量的变化，探究以纳米氢氧化镁为钝化剂的原位修复一黑麦草植物修复一接种AMF微生物联合修复重金属污染土壤的效果，为Cd污染土壤的修复技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试作物为萝卜（Raphanus sativus L.），品种为‘抗病博士’。黑麦草（Lolium multiflorum L.）品种为‘邦德’。供试丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）菌种分别为摩西斗管囊霉（Funneormis mosseae）、幼套近明球囊霉（Claroideoglomus etunicatum），由北京市农林科学院营养与资源研究所提供。供试纳米氢氧化镁（nMg）粒径范围为82—127 nm，由郑州大学提供。供试土壤基础理化性质为pH 7.95，有机质7.55 g/kg，阳离子交换量9.74 cmol/kg，全氮0.70 g/kg，碱解氮34.25 mg/kg，有效磷30.87 mg/kg，速效钾92.78 mg/kg，全Cd l.61 mg/kg。

1.2 试验方法

试验于2016年9月27日-12月5日在重庆市潼南区桂林街道小舟村蔬菜基地進行。试验共设置5个处理，分别为“对照”、“纳米氢氧化镁”（nMg，撒施，0.3 g/m2）、“纳米氢氧化镁+黑麦草”（nMg+ Ryegrass，套种于2株萝卜中间，每穴移栽50株）、“纳米氢氧化镁+丛枝菌根真菌”（nMg+AMF，2种丛枝菌根真菌各0.5 g，混施于黑麦草根下方）、“纳米氢氧化镁+丛枝菌根真菌+黑麦草”（nMg+AMF+Ryegrass），每个处理3个重复，每个小区面积为8m2（1.6 mX5 m），共15个小区，随机排列。将纳米氢氧化镁与基肥混匀后均匀撒施在翻耕好的农田上，5天后播种萝卜种子，每小区定植100株，30天后移栽黑麦草并接种丛枝菌根真菌，其他按大田常规进行管理。萝卜种子播种后70天收获，对萝卜进行分区测产，各小区随机取长势均匀的萝卜和黑麦草样品，带回实验室用自来水洗净再用去离子水润洗3次，将萝卜的根和地上部、黑麦草地上部和地下部分开，在105℃下杀青15min，60℃烘干至恒重，用于测定植株Cd含量。按五点取样法采集土壤样品，一部分测土壤微生物数量，另一部分风干后用于测定土壤pH值、CEC、全Cd含量和Cd形态。

1.3 分析测定方法

土壤pH值采用土水比为1：2.5的测定方法，土壤有机质采用重铬酸钾氧化法的测定方法，土壤CEC的采用氯化铵一乙酸铵的测定方法，土壤全氮、碱解氮、有效磷和速效钾采用鲁如坤等测定方法;植株Cd采用HN03：HCl04 =4：1的混合酸消煮，土壤Cd含量测定采用王水：HCl04=10：3消煮，土壤Cd形态分级采用Tessier等提出的五步连续提取法，消煮或提取得到的Cd2+溶液采用原子吸收分光光度法测定（Perkin Elmer SIMMA 6000，Norwalk，USA）。土壤细菌数量采用牛肉膏蛋白胨培养基、放线菌数量采用高氏一号培养基、真菌数量采用孟加拉红培养基，通过平板计数法计算微生物数量。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理和作图，SPSS 19.0进行数据统计分析。数据间的显著差异性检验用单因素方差分析中LSD和Duncan方法，显著差异水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 萝卜和黑麦草Cd含量

萝卜根中的Cd含量明显低于地上部中的Cd含量（图1）。与对照相比，各处理萝卜根和地上部中的Cd含量均显著降低，降低幅度分別为32.5%—41.4%和13.7%—17.4%，萝卜根中的Cd含量以“nMg +AMF+黑麦草”处理降幅最大。

黑麦草地下部的Cd含量低于地上部的Cd含量（图2）。与“nMg+黑麦草”处理相比，“nMg +AMF+黑麦草”处理的黑麦草地上部和地下部Cd含量显著增加，Cd含量增加幅度分别195.6%和144.3%，黑麦草地上部Cd含量的增加幅度大于地下部。

2.2 土壤中全Cd含量及Cd形态

与对照相比，各处理的土壤全Cd含量均有一定程度的降低，其降幅为7.3%～l7.1%，且“nMg +AMF”和“nMg +AMF+黑麦草”处理达到显著水平（P<0.05），以“nMg +AMF+黑麦草”处理降幅最大（图3）。

土壤中Cd形态含量多少顺序为残渣态（RES-Cd》铁锰氧化态（FeMn-Cd》碳酸盐态（CAB-Cd》有机态（OM-Cd》可交换态（EX-Cd）（表l，图4）。与对照相比，各处理土壤中总Cd含量（各形态Cd含量之和）均有降低，其中“nMg+黑麦草”和“nMg +AMF+黑麦草”处理达到显著水平（p<0.05），其降幅分别为5.8%和20.8%，以“nMg +AMF+黑麦草”处理降幅最大。与萝卜套种黑麦草的处理增加了土壤中CAB-Cd和OM-Cd含量，降低了FeMn- Cd和RES-Cd含量;“nMg+AMF”处理增加了土壤中OM-Cd和RES-Cd含量，降低了EX-Cd、CAB-Cd和FeMn- Cd含量。和“nMg”处理相比，“nMg +AMF”和“nMg +AMF+黑麦草”处理降低了土壤中EX-Cd含量和RES-Cd含量。

2.3 土壤微生物数量

如图5所示，土壤中微生物数量为细菌>放线菌>真菌。与对照相比，各处理的细菌数量都有一定程度的增多，其增幅为17.4%—77.3%，以“nMg +AMF+黑麦草”处理增幅最大，“nMg”处理增幅最小。除“nMg”处理外，其他处理都达到了显著水平（P<0.05）。与对照相比，“nMg”处理的真菌数量显著增加，增幅最大，其他处理的真菌数量相比对照增加了19.0%—31.9%。放线菌数量的变化也不显著，“nMg”处理相比对照略有增加，其他处理则有不同程度的减少（图5）。

2.4 土壤pH值和CEC

如图6所示，与对照相比，“nMg”、“nMg +AMF”、“nMg+黑麦草”和“nMg +AMF+黑麦草”4个处理的pH值和CEC都显著增加，其增幅为7.0%～l1.1%和66.7%—76.9%。但这4个处理之间没有显著变化，土壤pH值以“nMg +AMF+黑麦草”处理最大，“nMg+黑麦草”处理最小;土壤CEC以“nMg”处理最大，“nMg+AMF”处理最小（图6）。

3 讨论与讨论

本试验中，通过在Cd污染菜园土壤上施加纳米氢氧化镁、套种黑麦草和接种丛枝菌根真菌，都使萝卜根和地上部中的Cd含量相比对照有一定程度的减少。原因可能是无机纳米修复剂的巨大微界面，对土壤中的重金属离子具有极强吸附作用，可以显著提高Cd污染土壤上植株Cd胁迫的耐受指数，从而降低植株中Cd含量;黑麦草根部与萝卜根部竞争吸收运输重金属Cd可能降低了Cd离子在萝卜体内的浓度，丛枝菌根真菌中具有半胱氨酸配位体，从而对过量的Cd起螯合作用，丛枝菌根的形成可以改变根系分泌物数量和组成，从而降低重金属有效性，减少植物对重金属的吸收。相比“nMg+黑麦草”处理，“nMg +AMF+黑麦草”处理中黑麦草地上部和地下部Cd含量都显著增高（P<0.05），且地上部Cd含量的增加幅度大于地下部。该结果与罗鹏程等研究结果类似。原因可能是在Cd污染土壤上，丛枝菌根在一定程度上缓解了黑麦草生长的抑制，即使在根系受损情况下，丛枝菌根可能仍具有促进植物吸收Cd的潜力。

与对照相比，“nMg +AMF”和“nMg +AMF+黑麦草”处理土壤中的Cd含量显著降低，且以“nMg+AMF+黑麦草”处理降低最大。这与江玲研究结果类似。原因可能是丛枝菌根真菌侵染植物后，能够形成数微米直径的根外菌丝，吸附或吸收累积菌根际土壤中的重金属并转运到宿主植物，使重金属富集植物黑麦草吸收了部分土壤中的Cd，从而减少了土壤中的Cd含量。

已有研究表明，丛枝菌根分泌物可以直接与重金属作用，也可以通过改变根际土壤微生物群落结构及土壤物理化学性质影响重金属的化学形态，改变其生物有效性。土壤中Cd形态含量多少顺序为残渣态（RES-Cd）>铁锰氧化态（FeMn- Cd）>碳酸盐态（CAB-Cd》有机态（OM-Cd》可交换态（EX-Cd）。这与王友宝等“在土壤Cd含量小于50 mg/kg时，土壤中Cd形态含量多少为RES-Cd> EX-Cd> FeMn-Cd> CAB-Cd>OM-Cd”的结果不完全一致。原因可能是在本试验条件下，施加纳米氢氧化镁和丛枝菌根的形成改变了根际土壤微生物的数量，促进了作物对土壤养分的转化吸收和根系生长，从而改变了土壤中Cd形态，也可能是重金属富集植物黑麦草吸收了部分EX-Cd，使土壤中的Cd减少向植株中转移，从而减少土壤中的Cd进入食物链影响人体健康。本试验还发现，接种AM真菌的处理，土壤中生物有效性最低的RES-Cd含量增加，生物有效性较高的EX-Cd含量降低，这可能与土壤微生物环境、pH值和CEC的变化有关，也与植株中Cd含量降低相符合。

土壤微生物还是评价土壤肥力的重要指标之一。土壤环境包含复杂的微生物群落，通过评估微生物群落的活动和组成，可以揭示出重金属对土壤系统的影响。在本试验条件下，施加纳米氢氧化镁后对土壤中的微生物数量无明显影响，套种黑麦草或接种AM真菌显著增加了土壤中细菌的数量，放线菌数量虽有增加，但差异不显著。该结果与廖继佩等与张晓波和赵艳研究结果类似，表明根际土壤由“真菌主导型”向“细菌主导型”转化。但与李少朋等“接种丛枝菌根组细菌、放线菌和真菌数量都明显高于对照组”的结果不完全一致。原因可能与接种丛枝菌根真菌数量的多少、土壤性质以及作物种类不同有关。有研究报道，AM真菌能增加养分吸收，从而增强植物的活力，使其能够抵抗病原体感染。菌根的形成引起微生物种群的变化，可能会引起某些土著微生物与丛枝菌根真菌的协同与拮抗作用，从而导致土壤微生物数量变化。滕少娜的研究显示，黑麦草根系活动产生的分泌物为土壤微生物提供养分，有利于土壤微生物的定植，使土壤微生物的数量增多，细菌在土壤微生物中的数量最多，约占土壤微生物总数的70%—90%，真菌对根系产生的分泌物比较敏感，而放线菌是异养型微生物，对环境的适应性较强。土壤中细菌和放线菌的增加说明黑麦草和丛枝菌根能在一定程度上降低Cd对土壤生态结构的影响，减轻对土壤肥力的破坏程度。因此，黑麦草、丛枝菌根和根际微生物群落的相互作用在增强植物生长中起着重要的作用，植物一微生物联合修复在可持续农业中具有潜在的应用前景。

氢氧化镁是一种中强碱，饱和水溶液的pH l0.4。納米材料的表面能很高，具有极强的吸附性能。Shan等的研究表明土壤pH值增高时，土壤中重金属的生物有效性降低，原因可能是土壤pH值的增高会降低表面电位和质子竞争，从而有利于金属结合。陈保冬研究显示，菌根真菌侵染改变了根系的吸附特性，相对于根系，菌根CEC较高，对Cd的吸附能力较强，接种AM明显提高了菌丝室土壤pH值。陈永勤等研究显示，接种丛枝菌根均不同程度地提高了根际土壤的pH值。在本试验条件下，不管单独施加纳米氢氧化镁，还是在纳米氢氧化镁的基础上种植黑麦草或接种丛枝菌根真菌都显著增加土壤中的pH值和CEC，但种植黑麦草或接种丛枝菌根真菌的处理对土壤的pH值和CEC影响不大。该结果与Muthukumar等和陈保冬研究结果相似。

综上所述，植物一微生物修复相比单一修复技术效果更好，施加纳米氢氧化镁钝化剂后又增加了土壤中的pH值和CEC。本试验中，相比其他处理，“nMg+AMF+黑麦草”处理的萝卜产量最高，萝卜根中的Cd含量最低，黑麦草中的Cd含量最高，土壤中的EX-Cd含量最低，因此以纳米氢氧化镁为钝化剂的原位修复一套种黑麦草的植物修复一接种丛枝菌根真菌的微生物联合修复效果比单一或两者联合修复效果更好。