蚯蚓粪、牛粪对镉铜复合污染土壤中白菜生长和镉铜积累的影响

蔡永刚+郭志瑶+李梦雅+段智坤+张鸿宇+王小波

摘要：采用盆栽试验研究蚯蚓粪、牛粪对镉（Cd）、铜（Cu）复合污染土壤中白菜（Brassica campestris ssp. chinensis）生长及对镉、铜积累的影响。结果表明：高浓度的Cd、Cu污染显著抑制了第1茬白菜叶绿素含量、产量，Cd10+Cu200、Cd50+Cu400处理的叶绿素含量分别较Cd1+Cu50处理下降23.5%～47.1%、72.3%～79.9%，Cd10+Cu200、Cd50+Cu400处理白菜产量分别较对照处理下降61.5%、92.6%，各施肥处理间在Cd、Cu浓度相同时没有显著差异；随着Cd、Cu浓度的提高，各施肥处理的第2茬白菜叶绿素含量并没有显著下降，而在高浓度污染处理中白菜产量较第1茬显著提高，在低浓度的Cd、Cu污染下，牛粪的增产效果高于蚯蚓粪，而在高浓度的Cd、Cu污染下，蚯蚓粪增产效果好于牛粪；Cd在白菜体内的积累随着土壤Cd、Cu浓度的升高而增加，在Cd50+Cu400处理下，不施肥处理植物体内Cd的积累量显著高于施加牛粪（NF）处理，而施加牛粪处理又显著高于施加蚯蚓粪（QY）处理，且第1茬白菜体内Cd的积累量均高于第2茬；Cu在植物体内的累积随着土壤Cd、Cu浓度增加呈现先增加后降低的趋势，在Cd10+Cu200处理中达到最高值，在Cd50+Cu400处理中则显著下降；在Cd10+Cu200处理中，施加蚯蚓粪后Cu的累积量显著低于NF处理，NF处理也显著低于对照处理；随着Cd、Cu浓度的升高，植物体内氮、磷、钾含量降低，其中对氮的影响较小，对磷的影响为在不添加Cd、Cu时，QY、NF处理磷含量显著高于对照处理，在Cd1+Cu50、Cd10+Cu200处理组合下，NF处理显著高于对照处理；在Cd50+Cu400处理组合下，各施肥处理间差异不显著；对钾的影响方面，除Cd50+Cu400外，其他施肥处理植物体内钾的含量都显著高于对照处理，QY处理、NF处理间在Cd1+Cu50处理组合下差异显著，其余处理间差异均不显著。2茬种植结果显示：在Cd、Cu复合污染的土壤中，蚯蚓粪对污染的修复效果优于牛粪，牛粪优于对照。

关键词：蚯蚓粪；牛粪；白菜；镉、铜复合污染；污染修复

中图分类号： X53 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）09-0452-04

随着我国经济的快速发展以及工业化、城镇化等国家战略的实施，我国耕地土壤面临非常严峻的重金属污染问题[1-3]，不仅对农产品质量构成威胁，还损害民众健康，影响社会稳定[4]。国务院发布的《重金属污染综合防治“十二五”规划》和《国务院办公厅关于印发近期土壤环境保护和综合治理工作安排的通知》（国办发〔2013〕7 号）、《国务院关于加快发展节能环保产业的意见》（国发〔2013〕30 号）中，都明确提出了土壤重金属污染修复技术。目前土壤重金属污染修复技术主要有物理工程法、化学法、生物法和农业调控技术等[5-10]，其中利用有机物料对土壤重金属污染进行修复，是一种经济的、切实可行的方法[11-12]。有机物料不仅能够减轻农作物对重金属的吸收积累，还可以改善土壤结构，提供作物生长所需养分，减少化肥的使用。本研究分析蚯蚓粪和牛粪对镉（Cd）、铜（Cu）复合污染土壤中白菜（Brassica campestris ssp. chinensis）生长及重金属在植物体内累积的影响，以期为重金属污染菜田土壤的修复、利用和管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2014年5—12月在天津农学院进行，供试土壤采自天津市武清区后幼庄农户大棚，质地为沙壤，基本理化性质：硝态氮含量47 mg/kg，有效磷含量46 mg/kg，有效钾含量276.8 mg/kg，有机质含量18.1 g/kg，全盐含量0.34 g/kg，全镉含量0.51 mg/kg，全铜含量22.8 mg/kg，pH值7.74。供试有机肥的基本性质见表1，有机肥、土壤过1 mm筛备用，供试白菜（Brassica campestris ssp. chinensis）品种为力丰五月慢。

1.2 试验设计

设计3种浓度梯度的污染物组合，分别为Cd1+Cu50（1、50分别表示添加的Cd、Cu浓度分别为1、50 mg/kg，以此类推）、Cd10+Cu200、Cd50+Cu400；以不添加污染物为对照（CK）处理。Cd、Cu分别以CdCl2·2.5H2O、CuSO4 溶于水后喷至土壤混匀，每种污染浓度分别设施用蚯蚓粪（QY）、牛粪（NF）、不施有机肥（CK）3个处理，施用量为4%。每盆装土4kg，每个处理重复3次，共36盆。试验于2014年5月20日混土装盆，次日种植，第1茬于7月6日收获，第2茬于9月12日播种，10月27日收获。

1.3 测定项目与方法

收获时用叶绿素仪测定叶片的叶绿素含量，称鲜质量，杀青烘干后，用硝酸-高氯酸消解，原子吸收法测定Cd、Cu含量[13]，测定第2茬植物样品的氮、磷、钾含量[14]。

1.4 数据处理

试验数据处理采用Excel2003、DPS7.05软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同处理对白菜叶绿素含量的影响

由图1可见，在Cd、Cu低浓度处理（CK、Cd1+Cu50）下，第1茬白菜叶片的叶绿素SPAD值都显著高于第2茬，而在Cd50+Cu400处理中第1茬的叶绿素SPAD值均显著低于第2茬；在第1茬中CK、Cd1+Cu50处理白菜叶片叶绿素含量没有显著差异，而随着Cd、Cu浓度的提高，叶绿素含量显著下降，其中Cd10+Cu200、Cd50+Cu400处理分别较Cd1+Cu50处理下降了23.5%～47.1%、72.3%～79.9%；随着Cd、Cu浓度的提高，第2茬白菜叶绿素含量并没有显著下降；在低浓度Cd、Cu处理（CK、Cd1+Cu50）下，施肥处理对同茬白菜叶片的叶绿素SPAD值没有显著影响，但在Cd10+Cu200处理下施肥处理均显著高于CK处理；在Cd50+Cu400处理下，第1茬之间没有显著差异，而第2茬的施肥处理显著高于CK处理；NF、QY处理间，除在不添加Cd、Cu时，NF显著高于QY外，其他处理间都没有显著差异。

2.2 不同处理对白菜产量的影响

由图2可见：在第1茬中CK、Cd1+Cu50处理没有显著差异，但Cd10+Cu200、Cd50+Cu400处理却显著下降，分别较CK处理平均下降61.5%、92.6%；不同的施肥处理在Cd、Cu浓度相同时，产量没有显著差异。第2茬中Cd10+Cu200、Cd50+Cu400处理分别较CK处理下降28.4%、54.7%，同种有机肥在不同浓度的污染处理中，QY处理只在Cd50+Cu400处理下产量显著下降；NF、CK处理在Cd10+Cu200、Cd50+Cu400处理组合下都显著下降；在相同的Cd、Cu浓度组合下，施肥处理的产量都显著高于CK。除CK+NF外，其余处理第1茬在Cd、Cu低浓度时（CK，Cd1+Cu50）产量高于第2茬，而在高浓度时（Cd10+Cu200、Cd50+Cu400）第1茬产量则低于第2茬。

2.3 不同处理对镉铜在植物体内积累的影响

由表2可见，Cd在白菜体内的积累量随着土壤Cd、Cu浓度的升高而增加，在Cd浓度达到50 mg/kg时，其累积量显著高于其他处理；Cd浓度为10 mg/kg时，其累积量也显著高于1 mg/kg Cd、CK处理；Cd1+Cu50处理下，第1、第2茬植物体内Cd浓度平均值分别为CK处理的7.03、5.15倍。相同Cd浓度下，在低浓度时（CK、Cd1+Cu50）各施肥处理间的差异不显著；在Cd10+Cu200处理下，不施肥处理植物体内Cd的累积量明显高于QY处理；在Cd50+Cu400处理下，CK处理显著高于NF处理，而第1茬NF处理又显著高于QY，且第1茬白菜体内的累积量都高于第2茬。

由表2可见，Cu在植物体内的累积量随着土壤Cd、Cu浓度升高呈现先增加后降低的趋势，在Cd10+Cu200处理下达到最高值，在Cd50+Cu400处理下则相对显著下降，且加Cu处理植物体内的Cu累积量均显著高于对照。各对照施肥处理对Cu的累积量没有显著影响，而在Cd1+Cu50组合条件下QY处理Cu的累积量显著低于NF、CK处理；在Cd10+Cu200组合条件下，QY处理Cu的累积量显著低于NF处理，NF处理也显著低于CK处理。

2.4 不同处理对白菜氮磷钾含量的影响

由表3可见，随着Cd、Cu浓度的升高，植物体内氮磷钾含量总体呈现降低趋势，其中对氮的影响较小，只有Cd10+Cu200+NF处理与Cd50+Cu400+NF、Cd50+Cu400处理间的差异达显著水平。对磷的影响表现为在不添加Cd、Cu时，QY、NF处理磷的含量显著高于CK；在Cd1+Cu50、Cd10+Cu200处理组合下，NF处理显著高于CK处理；在Cd50+Cu400处理下，各施肥处理间差异不显著。对钾的影响：各施肥处理下钾含量均高于不施肥处理，QY和NF之间在Cd1+Cu50处理条件下差异显著，其余处理间差异都不显著。

3 讨论与结论

光合作用是植物生长的重要物质基础和能量来源，叶绿素作为植物进行光合作用的主要色素，其含量的高低对光合速率有直接影响[15-17]。叶绿素的合成受光照、温度和营养元素的影响[18]，高浓度的重金属胁迫会抑制叶绿素的合成[19]。在本试验中，低浓度的Cd、Cu（CK、Cd1+Cu50）处理下第1茬白菜叶绿素含量显著高于高浓度的处理（Cd10+Cu200、Cd50+Cu400），原因可能是高浓度的Cd、Cu进入植物体与叶绿体中蛋白质的—SH发生结合或取代作用。其中的Fe2+、Mg2+等破坏了叶绿体结构和功能，使叶绿素分解。而第2茬时高低浓度处理间的差异减小，同时Cd50+Cu400处理下第2茬叶绿素含量较第1茬显著提高，其原因可能为在第2茬时，土壤中高浓度的Cd、Cu由于受土壤和有机肥的固定，其有效态降低，减轻了对植物叶绿素合成的影响。在低浓度时，第1茬的叶绿素含量高于第2茬，可能与有机肥在第1茬时较第2茬能提供给植物较多养分有关。

白菜的产量与叶绿素含量的变化有大致相同的趋势和原因。蚯蚓粪和牛粪对植物产量的影响在第1茬时表现均不明显，可能的原因为土壤本身的肥力水平较高，因此在低浓度污染时各施肥处理间差异不显著，而高浓度污染时因加入的Cd、Cu有效态较高，都抑制了作物生长。随着处理时间的延长，在第2茬中因牛粪能比蚯蚓粪提供更多的养分，在低浓度的Cd、Cu处理下，牛粪处理的产量高于蚯蚓粪，而蚯蚓粪因其富含腐殖酸和大量活性物质[20-21]，在高浓度的Cd、Cu处理下能促进作物的生长，使其产量明显高于牛粪处理。

单一污染时植物体内Cd、Cu的累积量随着土壤Cd、Cu浓度的提高而增加[22-24]，复合污染时植物对Cd、Cu的吸收因作物种类、添加浓度不同而有差异[25-27]。本研究发现，在镉铜复合污染植物体内，Cd的累积量随着土壤Cd、Cu浓度的增大而增加，而Cu的累积量表现为先增加后降低，在Cd、Cu浓度组合为Cd50+Cu400时抑制了白菜对Cu的吸收。在不加入外源Cd、Cu时，蚯蚓粪和牛粪的施用因其所含的Cd、Cu使植物体内Cd、Cu的累积量略有增加，但差异不显著。在有外源Cd、Cu加入时，低浓度处理（Cd1+Cu50）对Cd的累积差异不显著，而蚯蚓粪处理则降低了作物对Cu的累积量；当加入Cd10+Cu200处理组合时，蚯蚓粪降低作物对Cu的累积效果好于牛粪，同时牛粪好于对照，而对Cd的影响则不一致；当加入Cd50+Cu400处理组合时，蚯蚓粪降低作物对Cd的累积效果好于牛粪，同时牛粪好于对照，而此时高浓度的Cd、Cu抑制了作物对Cu的吸收累积。

综上所述，可以得出以下结论：第1茬中高浓度的Cd、Cu污染显著抑制了白菜叶绿素含量和产量，各施肥处理间也没有显著差异；第2茬中各施肥处理显著提高了白菜产量，在低浓度的Cd、Cu污染时牛粪的增产效果高于蚯蚓粪，而在高浓度的Cd、Cu污染时蚯蚓粪增产效果好于牛粪；白菜体内Cd的累积量随着土壤Cd、Cu浓度的增大而增加，而Cu的累积量表现为先增加后降低，Cd50+Cu400处理抑制了白菜对Cu的吸收，可见在有适当浓度外源Cd、Cu加入时，蚯蚓粪降低白菜对Cu吸收累积的效果好于牛粪，牛粪好于对照。

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