钝化剂对镉污染温室黑土镉生物有效性及白菜生长的影响

2023-02-07刘鸣一武志民张钰莹孟庆尧

东北农业大学学报 2023年1期

闫雷，刘鸣一，武志民，张钰莹，孟庆尧，苏捷

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

随着人类生产活动对环境干扰不断加剧，我国耕地土壤重金属污染问题十分严峻。与大田环境相比，温室土壤中镉累积情况更为严重[1-2]。叶菜类蔬菜对镉累积能力较强，其可食用部分镉含量超标风险更高[3]。白菜作为叶菜类蔬菜之一，广泛种植于我国北方地区，是日常生活主要食用蔬菜之一[4]。因此，钝化修复镉污染土壤、减少蔬菜对镉吸收，降低蔬菜可食用部分镉含量超标风险成为亟待解决的问题。

在土壤重金属污染众多修复技术中，生物炭、有机肥和石灰等是常用土壤重金属钝化剂[5-6]。研究表明，生物炭可改善土壤结构，增强土壤养分保留和保水性能，同时刺激植物生长，阻控植物对重金属积累[7]。炭基肥由生物质炭粉与有机、无机肥料配比制成，常作为土壤重金属修复钝化剂[8]。研究表明，施用炭基肥，土壤中可交换态镉含量降低，植物对镉吸收减少，镉对植物的胁迫降低[9]。钝化剂种类和蔬菜品种不同，均影响钝化效果[10]。目前，生物炭和炭基肥均可降低植物对镉吸收，但其对镉污染黑土环境中镉的钝化效果及不同镉积累能力白菜吸收镉影响尚不明确。

基于上述分析，本研究前期利用盆栽试验筛选对重金属镉具有不同积累能力的两种白菜，通过田间试验，研究菌糠生物炭和炭基肥2种钝化剂对温室中自然污染的土壤镉生物有效性的影响，不同镉积累品种白菜对2种钝化剂钝化效果的响应和生物学指标变化，以期为温室土壤重金属原位钝化修复、安全生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验区位于黑龙江省哈尔滨市某温室大棚（E104.240781°、N31.302627°）。供试温室土壤pH 6.65，有机质 44.65 g·kg-1，全氮 2.23 g·kg-1，全磷 2.75 g·kg-1，碱解氮 56.00 mg·kg-1，速效磷64.50 mg·kg-1，速效钾 114.49 mg·kg-1，全镉 1.86 mg·kg-1。供试土壤全镉含量超过污染风险筛选值[11]。

供试白菜为对重金属镉具有较高耐性的白菜品种：品种1——北辰CR-强颈（对镉具有较高积累能力，标记为BC）；品种2——金峰（对镉具有较低积累能力，标记为JF）[12]。上述品种为课题组前期筛选所得。

供试钝化剂1 为润勃炭基有机肥（蔬菜专用）（pH 8.1；有机质105.3 g·kg-1；全氮 18.13 g·kg-1；全磷 15.72 g·kg-1；全钾3.61 g·kg-1），由秸秆生物炭和有机肥复合制作而成；供试钝化剂2为菌糠生物炭（pH 8.9；有机质67.5 g·kg-1；全氮1.9 g·kg-1；全磷2.4 g·kg-1；全钾7.7 g·kg-1），将粉碎、过筛后菌糠放入坩埚中，在马弗炉中500 ℃炭化4 h，冷却至室温。

1.2 试验设计

土壤原位修复试验，于2020 年7 月12 日在供试温室大棚进行。设置3 个处理组：①不施加钝化剂温室土壤（CK，0）；②施加炭基肥处理组（T，4 797 kg·hm-2）；③施加菌糠生物炭处理组（S，4 797 kg·hm-2），具体处理组名称及缩写见表1。每个处理设3个重复，每个小区面积为4 m2。田间施加相应N、P2O5、K2O，维持每个处理中氮磷钾水平一致。于2020年10月20日采集土壤样品。

另设温室栽培试验6 个处理：①不施加钝化剂土壤中种植北辰（CK-BC，0）；②施加炭基肥土壤中种植北辰（TBC，4 797 kg·hm-2）；③施加菌糠生物炭土壤中种植北辰（SBC，4 797 kg·hm-2）；④不施加钝化剂土壤中种植金峰（CK-JF，0）；⑤施加炭基肥土壤中种植金峰（TJF，4 797 kg·hm-2）；⑥施加菌糠生物炭土壤中种植金峰（SJF，4 797 kg·hm-2）。每个处理6个重复，每个小区面积为11m2。于2020年7月12日向温室土壤中施加钝化剂，将钝化剂和土壤均匀混合，耕作深度为20 cm，钝化10 d后种植JF和BC 两种白菜，各处理组名称及缩写如表1 所示，田间N、P2O5、K2O 施肥量与上述土壤修复试验相同。于8 月20 日间苗，拔除长势差幼苗，保留长势优良且相似幼苗继续生长，栽种期间所有处理田间管理与当地传统管理模式一致，及时防治虫害、病害。于10月20日采收白菜样品。

表1 各处理组名称及缩写Table 1 Names and abbreviations of each treatment group

1.3 样品采集及测定

收获时，用去离子水将白菜植株洗净、擦干，分为可食用部分（叶）和不可食用部分（根），置于-80 ℃冰箱中冷冻保存。采集0～20 cm 土层土壤，去除杂草和石块等杂物后，在阴凉通风处干燥，过2 mm 筛并收集筛下土壤，置于自封袋中保存备用。

1.3.1 白菜相关形态学指标测定

白菜形态学指标测定：用卷尺精确测量白菜株高、根长。取样时测定植物株高，为土壤表面至植物叶片最高点距离；实验室测定植物根长，样品取回后用去离子水冲洗，擦干后测量主根长。用万分之一分析天平准确称量白菜鲜重。

1.3.2 白菜及土壤中镉含量测定

白菜各部分镉含量：参照《食品安全国家标准食品中镉的测定》（GB 5009.15—2014）[13]。将各部分白菜样品取0.5 g 于研钵中，加入适量液氮冷冻后研磨至匀浆状，采用湿式消解法对样品进行消解，消解完成在容量瓶中用1%稀硝酸定容至25 mL，取10 mL 过滤液体利用原子吸收分光光度计测定镉含量。土壤中镉含量：测定参照《GB/T 17141—1997土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》[14]。

1.3.3 迁移富集系数计算及不同形态镉提取

镉迁移系数及富集系数计算：白菜可食用部分（叶片）对镉富集能力和镉在植株体内迁移分别由富集系数（BCFs）和迁移系数（TFs）表征，通过对比植株各部分与土壤中镉含量研究高、低积累白菜镉迁移富集能力差异。公式如下：

式中， W叶镉为白菜叶片部分镉含量（mg·kg-1）；W根镉为白菜根部镉含量（mg·kg-1）；W土镉为土壤中镉含量（mg·kg-1）。

土壤中不同形态镉含量：采用Tessier五步法[15]提取土壤中可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态镉含量。

1.4 统计与分析

采用Microsoft Excel 2016 进行数据处理，用Origin 2021软件进行绘图，用SPSS 23.0 ANOVA进行数据单因素分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 钝化剂对温室土壤中有效态镉含量和镉形态变化的影响

施用炭基肥与菌糠生物炭条件下，土壤中不同形态镉含量（见图1）。由图1可知，施加菌糠生物炭与炭基肥，土壤中可交换态镉由16.45%分别降至14.73%和13.92%，碳酸盐结合态镉由20.27%分别降至17.69%和15.43%，铁锰氧化物结合态镉由24.83%分别增至29.03%和28.98%，有机结合态镉由21.72%分别增至25.11%和26.45%。整体上，可交换态镉含量在两种钝化剂处理后显著降低，结合态镉总量显著增加。表明钝化剂施加可显著降低镉的生物有效性，将有效态镉转化为结合态，降低镉在土壤中迁移能力。

图1 不同处理对土壤中形态镉组分的影响Fig.1 Effects of different treatments on cadmium species in soil

2.2 钝化剂对镉胁迫下白菜生物量影响

由图2 可知，在施加菌糠生物炭和炭基肥后，两种白菜叶片鲜重均显著增加。与CK-JF 相比，在施加菌糠生物炭后，SJF 生物量从631.2 g 增至777.2 g，增长23.13%；而施加炭基肥后，TJF生物量增至719.5 g，涨幅为13.99%。JF 处理组中施加菌糠生物炭优于施加炭基肥白菜叶鲜重。SBC 与CK-BC 相比，其叶片鲜重增长37.73%；在施加炭基肥后，与CK-BC 相比（539.5 g），TBC 叶片鲜重增至752.4 g。对比可知，CK-BC 处理组中施加炭基肥显著优于施加菌糠生物炭白菜叶鲜重。

图2 不同处理对白菜叶鲜重的影响Fig.2 Effects of different treatments on fresh weight of Chinese cabbage leaves

由图3 可知，为不同处理对白菜根鲜重的影响。可见，与CK-JF相比，SJF根鲜重从10.33 g增至12.23 g，增长18.39%；而在施加炭基肥后，TJF根鲜重显著增至14.27 g。与CK-BC 相比，SBC 根鲜重从9.73 g 增至13.1 2 g，增长34.84%；TBC 的根鲜重显著增至16.97 g。表明施加炭基肥和菌糠生物炭均可显著提高两种白菜根鲜重，且施加菌糠生物炭效果明显优于炭基肥。

图3 不同处理对白菜根鲜重的影响Fig.3 Effects of different treatments on the fresh weight of Chinese cabbage roots

添加同一种钝化剂处理镉高低积累白菜时，效果也存在差异。空白对照组中，CK-JF 和CKBC 生物量差异显著，但SJF 和SBC 叶片和根部分生物量无显著差异，说明菌糠生物炭添加显著促进白菜生长，尤其镉高积累白菜北辰生长，但SJF叶片鲜重更大。此外，在施加炭基肥后，TJF 和TBC各部分鲜重差异显著，且炭基肥提高白菜生物量效果更好，尤其提高镉高积累北辰生长，其叶片和根部分鲜重显著提高。

无论是对高镉积累北辰，还是低镉积累金峰，施加炭基肥和菌糠生物炭钝化剂后，均对白菜叶鲜重和根鲜重增长具有促进作用，且炭基肥和菌糠生物炭之间促进效果也存在显著差异。结果表明，对于镉低积累品种金峰来说，菌糠生物炭促进效果优于炭基肥；对于镉高积累品种北辰，炭基肥促进效果更好。

2.3 钝化剂对镉胁迫下白菜株高和根长的影响

由图4 可知，在施加炭基肥和菌糠生物炭后，两种白菜株高均显著增长。与CK-JF（株高26.53 cm）相比，SJF 和TJF 的株高分别为27.90 和30.27 cm，增长5.28%和14.23%。SBC和TBC的株高较于CKBC 株高 25.19 cm 而言，分别增至 27.47 和 32.90 cm，增长9.05%和30.61%。由图5可知，施加炭基肥和菌糠钝化剂后，JF 根长显著增长。与CK-JF（根长14.73 cm）相比，施加炭基肥后根长增至18.90 cm，增长28.28%；施加菌糠生物炭后，SJF 根长增至19.77 cm，涨幅为34.16%，与CK-BC（根长14.23 cm）相比，分别施加炭基肥和菌糠生物炭后北辰根长增长到19.10 和22.90 cm。结果表明，添加炭基肥和菌糠生物炭均可促进白菜株高和根长生长，从而促进植物生长[16]。此外，炭基肥和菌糠生物炭在处理同一品种白菜时，白菜株高和根长均存在显著差异。

图4 不同处理对白菜株高的影响Fig.4 Effects of different treatments on plant height of Chinese cabbage

图5 不同处理对白菜根长的影响Fig.5 Effects of different treatments on root leghth of Chinese cabbage

综上，两种钝化剂施加均可促进两种白菜株高和根长生长，但炭基肥效果优于菌糠生物炭。

2.4 钝化剂对白菜各部分镉积累量影响

施加菌糠生物炭和炭基肥后，白菜各部分吸收镉含量及迁移和富集系数见表2。对JF 施加炭基肥后，叶和根两部分镉含量在施加炭基肥处理组中显著降低。与不施加任何钝化剂对照组相比，TJF 叶片部分镉含量降低11.40%，根部分镉含量降低10.21%。施加菌糠生物炭，SJF 处理组叶片和根部分镉含量无显著下降。表明炭基肥降低植株内镉含量效果显著优于菌糠生物炭。BC 叶和根两部分镉含量在两种钝化剂处理下均显著降低，SBC 和TBC 叶片部分镉含量分别降低45.01%和70.21%；根部分镉含量分别降低44.65%和69.45%。因此，施加炭基肥更有利于减少白菜各部分镉含量富集。

表2 不同钝化剂处理对白菜迁移富集系数的影响Table 2 Effects of different treatments on migration and enrichment coefficient of Chinese cabbage

由表2 中迁移系数（TF）及富集系数（BCFs）可知，在施加菌糠生物炭及炭基肥后，镉在两种白菜植株内富集显著降低，但迁移并无显著差异。施加炭基肥后，JF富集系数显著降低。向BC施加炭基肥后，TBC 的 BCFs 由 0.328 降至 0.098，添加菌糠生物炭后降至0.181，降低44.82%。

在未添加钝化剂条件下，北辰和金峰两种白菜叶片和根部镉含量差异显著，表明植物对镉吸收和转运存在一定差异。炭基肥和菌糠生物炭添加，导致镉在两种白菜植株内富集发生不同程度变化。植物对镉吸收主要与土壤中有效态镉含量有关，炭基肥和菌糠生物炭添加可能降低土壤中有效态镉含量[17-18]，从而减少白菜根部对镉吸收，降低镉富集系数。

试验表明，在镉污染水平较高温室黑土中，施加炭基肥及菌糠生物炭均可有效降低镉在植物内富集，使白菜叶片部分镉含量明显降低，对高积累白菜品种北辰，施用炭基肥后，叶片中镉含量低于食品安全国家标准[13]（0.2 mg·kg-1），但对镉在白菜植株内迁移影响不大。以上结果表明，在两种白菜上施加炭基肥，降低镉富集效果优于菌糠生物炭。

3 讨论

3.1 钝化剂对镉的生物有效性和植物吸收的影响

重金属镉毒害性与镉总量和迁移性镉有关，还与环境中生物可利用性镉密切相关[19]。镉赋存形态可直接反映生物可利用性镉有效性，有效性越高，对环境及生物危害程度越大[20]。直接影响土壤中可被植物所吸收镉含量，从而影响植物体内镉含量和植物生长发育[21]。土壤中重金属形态主要包括可交换态（有效态）、结合态（碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态）和残渣态。研究表明，土壤重金属钝化剂可通过物理和化学吸附、离子交换、络合和沉淀等方式改变重金属形态[22-23]，将可交换态转化为结合态和残渣态，降低重金属有效性[24]，降低镉生物有效性。因不同土壤钝化剂其钝化机理存在差异，本研究中施加炭基肥和菌糠生物炭对镉钝化机理可能存在差异。研究表明，生物炭钝化特性良好，在土壤中施用生物炭可改善土壤理化性质及土壤中镉的化学形态，有效钝化土壤中镉[25-26]。炭基肥具有优良控释吸附能力，可有效增加对土壤养分的固持。生物炭基肥表面富含活性官能团（硅氧基、烷氧基、氨基、胺基、羧基等）可与Cd发生络合反应，使生物炭基肥对土壤中Cd发挥稳定化作用[27]。

本研究中炭基肥和菌糠生物炭施用，显著降低两种白菜叶片镉含量，减少土壤中可结合态镉含量，增加结合态镉含量。高译丹等研究发现，向土壤中施加生物炭可显著降低可交换态镉比例，增加碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态镉比例[28]，与本研究结果一致。本研究中两种钝化剂均显著降低镉在白菜叶片中的富集，尤其显著降低高积累白菜品种北辰中镉的富集。在未施加任何钝化剂处理前，北辰白菜可食用叶片部分镉含量较高，高于食品安全国家标准（0.2 mg·kg-1）；施加钝化剂处理后，炭基肥显著降低北辰叶片部分镉含量（＜0.2 mg·kg-1），有效降低其食用风险，可实现安全生产。金峰会少量吸收土壤中镉，长期施用造成人体缓慢累积；施用炭基肥也能显著降低金峰各部分对镉的吸收，减轻其对人体健康危害。但本试验中，两种钝化剂施加并未对白菜中镉迁移能力产生显著影响，可能是因钝化剂添加后，植株本身对镉的迁移能力并未发生变化[29]。

3.2 钝化剂对镉胁迫下白菜生长发育的影响

在镉污染温室黑土环境中，炭基肥和菌糠生物炭两种钝化剂处理均促进白菜生长发育，对两种白菜生物量、株高和根长表现促进作用。相比菌糠生物炭，炭基肥促进植株生长效果更好，这可能由于菌糠生物炭虽表现良好钝化结构，如活性官能团、高pH 和丰富空隙结构等[30]，但固定在生物炭上镉可能会随环境改变产生变化，如土壤酸碱度、阳离子交换量和有机质含量等[31]。而炭基肥可能由于其物理化学特性及组成，在降低根际土中可交换态镉的同时，可为白菜提供大量有机质及各种微量元素，促进生长[17]。

本研究中，菌糠生物炭和炭基肥均可在不同程度上促进镉高、低积累白菜生长发育，提高生物量，降低镉高积累白菜叶片和根部镉含量；炭基肥在有效降低高积累白菜可食用部分镉含量方面效果更显著。在中轻度镉污染土壤中，更推荐使用炭基肥作为钝化剂。