复合改良剂对镉污染土壤中黄瓜品质的影响

胡丽萍++周国兴++刘光敏++王一茜++何洪巨

摘要：以黄瓜（Cucumis sativus L.）为试验材料，种植在人工配置的不同污染程度（2、4 mg/kg CdCl2·2.5H2O）的镉污染盆栽土壤中，研究不同浓度土壤复合改良剂（0、600、900、1 200 mg/kg）对土壤有机质、pH、微生物数量、黄瓜果实镉含量和营养品质的影响。结果表明，2、4 mg/kg镉处理土壤施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤有机质含量分别增加了23.17%和32.89%，细菌数量分别增加了87.61%和96.02%，微生物总量分别增加了59.95%和55.81%；施用900 mg/kg复合改良剂对2、4 mg/kg镉处理土壤真菌数量提升作用最明显，增幅分别为137.50%和106.72%；但是施用复合改良剂对土壤pH无显著影响。施用复合改良剂可明显提高黄瓜果实安全性和营养品质，2、4 mg/kg镉处理土壤种植的黄瓜果实中镉含量分别降低了31.40%和24.35%，维生素C含量分别增加了25.00%和91.42%，可溶性糖含量分别增加了37.03%和27.06%，可溶性固形物含量分别增加了14.29%和58.80%。说明复合改良剂能够用于重金属镉污染土壤的原位修复，并可显著提高黄瓜果实的品质。

关键词：黄瓜（Cucumis sativus L.）；镉；重金属；土壤改良剂；果实品质

中图分类号：S642.2∶X131.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）18-4711-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.022

土壤是人类赖以生存的物质基础。随着社会的发展，土壤生态环境日益恶化，重金属污染问题越来越严重。由于各种途径带来的重金属进入土壤后可被农作物吸收，进而降低了农作物的产量和品质。蔬菜是人们日常生活中必不可少的食物，蔬菜受重金属污染后，会通过食物链进入人体，危害人体健康。现在镉已经成为蔬菜重金属污染最为突出的元素之一[1-3]，它能导致人体骨质疏松、变形和萎缩，并长期富集在肾和肝脏中，还是一种典型的致癌物[4，5]。目前，多种修复技术被应用到土壤重金属污染治理中来，如物理化学法、生物法等，它们均能有效降低重金属的污染风险；但是这些技术通常耗费大、成本高，还会破坏土壤肥力和土壤结构[6]。原位化学修复法是一种通过增加重金属的吸附、降低其在土壤中的溶解度和生物有效性、从而减少污染物从土壤进入农作物的方法；原位修复法成本低，对土壤的影响和破坏少[7，8]，适合大范围操作，符合农业可持续发展的要求，从而引起人们的广泛关注和研究热情。由原位修复法原理派生出来的土壤复合改良剂可以显著降低重金属污染土壤中水溶态镉和铅的含量[9]，但该改良剂对农作物体内重金属含量和营养指标的系统性影响尚未见报道。另外，目前国内外有关土壤改良剂对重金属污染修复的报道多集中在叶菜类[10，11]，而针对果菜类的研究较少。为此，试验通过盆栽试验，以代表性果菜黄瓜（Cucumis sativus L.）为试验对象，比较了不同浓度复合改良剂对镉污染土壤有机质含量、pH、微生物数量、黄瓜果实营养品质和镉含量的影响，以期阐明复合改良剂缓解镉毒害的机理，探求适宜的改良剂用量，为重金属污染土壤改良技术制订和黄瓜安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和材料

供试土壤采自北京夏至农业科技有限公司日光温室，取地面0～20 cm表层土壤，风干、弃去沙石和植物残体后过20目筛；土壤理化性质是有机质含量11.70 g/kg、全氮0.69 g/kg、全盐0.48 g/kg、碱解氮87.9 mg/kg、有效磷8.2 mg/kg、速效钾105.0 mg/kg，土壤pH 8.12，土壤镉含量0.15 mg/kg。

供试作物为黄瓜，种子购于北京京研益农科技发展中心。复合改良剂由四川大学化学工程学院提供，该改良剂由正铵、磷矿粉、腐殖酸、有机质、微生物生长所需营养元素及参与重金属离子反应的多种活性金属离子配制而成。

1.2 方法

采用盆栽法，在供试土壤里添加CdCl2·2.5H2O，设置2、4 mg/kg 2个镉处理浓度，加水充分搅拌混匀，平衡2周以上。待土壤平衡后，施入复合改良剂，施用量为0（CK）、600、900、1 200 mg/kg，与镉污染土壤充分搅拌混匀。每盆中装入15 kg土壤，定植黄瓜幼苗。每个处理3次重复，常规栽培管理。

1.3 样品采集及预处理

在黄瓜盛果期，采集符合商品要求的成熟黄瓜果实作为植株样品。采集黄瓜果实后，用土钻取盆内0～20 cm表层土壤作为土壤样品，一部分土样装入无菌纸袋，立即带回实验室，研磨过2 mm筛后于4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物分析；另一部分土样风干、粉碎、过筛后用于土壤化学成分分析。

1.4 测定项目

采用重铬酸钾法测定土壤有机质含量；采用pH SJ-3F型酸度计电位法测定土壤pH[12]水平。

在土壤微生物数量分析方面，采用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌，采用马丁孟加拉红-链霉素选择性培养基培养真菌，采用改良高氏一号培养基培养放线菌，细菌、真菌和放线菌均采用稀释平板计数法计数[13，14]。微生物总量指细菌、放线菌和真菌数量之和。

黄瓜果实中镉含量采用湿法消解-原子吸收石墨炉法测定，黄瓜果实维生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，可滴定酸含量采用酸碱滴定法测定，粗纤维含量采用重量法测定，蛋白质含量采用凯氏定氮法测定，可溶性固形物含量采用折光仪法测定[15]。

1.5 数据处理

试验所得数据采用Microsoft Office Excel 2003软件处理，并用其制表和绘图，运用SPSS 20.0统计分析软件进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 复合改良剂对镉污染土壤中种植黄瓜后土壤里有机质含量和pH的影响

复合改良剂对镉污染土壤种植黄瓜后土壤有机质含量和pH的影响情况见图1。从图1-A可知，随着复合改良剂施用量的增加，镉污染的土壤有机质含量均逐渐增加，且均在施用1 200 mg/kg复合改良剂后达到最大值。与不施用复合改良剂的对照相比，2 mg/kg镉污染的土壤中施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤有机质含量比对照增加了23.17%，差异达显著水平（P<0.05）；4 mg/kg 镉污染的土壤中施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤有机质含量比对照增加了32.89%，差异也达到显著水平（P<0.05）。从图1-B可知，施用复合改良剂对2个镉污染浓度处理的土壤pH无显著影响（P>0.05）。

2.2 复合改良剂对镉污染土壤中种植黄瓜后土壤里微生物的影响

复合改良剂对镉污染土壤种植黄瓜后土壤里微生物的影响情况见图2和表1。从图2和表1可以看出，施用复合改良剂对镉污染后种植黄瓜的土壤里微生物数量和组成产生了一定的影响。从种群数量来看，2个镉污染处理的种植黄瓜土壤里微生物数量均为细菌>放线菌>真菌，微生物总数主要受细菌数量的影响，它所占的比例最大，而受真菌数量的影响最小，这与杨济龙等[16]的试验结果一致。

从图2还可见，施用复合改良剂对镉污染土壤种植黄瓜后土壤里细菌数量、真菌数量和微生物总量具有明显的提升作用（图2-A、图2-C、图2-D），且在施用1 200 mg/kg复合改良剂后细菌和微生物总量达到最大值。与不施用复合改良剂的对照相比，2 mg/kg镉污染的土壤在施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤中的细菌数量比对照增加了87.61%，差异达显著水平（P<0.05）；4 mg/kg镉污染的土壤在施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤中的细菌数量比对照增加了96.02%，差异也达到显著水平（P<0.05）。而土壤真菌数量在施用900 mg/kg复合改良剂时达到最大值（图2-C），与不施复合改良剂的对照相比，在2、4 mg/kg镉污染的土壤里真菌数量分别增加了137.50%和106.72%，差异都达到了显著水平（P<0.05）。继续增加复合改良剂施用量为1 200 mg/kg后，其真菌数量反而有所降低。施用复合改良剂对2个镉污染处理后种植黄瓜的土壤里微生物总量的影响（图2-D）与细菌数量（图2-A）相似，这是因为微生物总量主要取决于细菌数量的缘故；与不施用复合改良剂的对照相比，2 mg/kg镉污染的土壤中施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤微生物总量增加了59.95%，差异达显著水平（P<0.05）；4 mg/kg镉污染的土壤中施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤微生物总量增加了55.81%，差异也达到显著水平（P<0.05）。与细菌和真菌不同，施用复合改良剂可降低2、4 mg/kg镉污染处理的土壤放线菌数量（图2-B），并在施用1 200 mg/kg复合改良剂后土壤放线菌数量降到最低值，与对照相比，分别降低了21.76%和30.95%。

2.3 复合改良剂对镉污染土壤中种植黄瓜的果实镉含量影响

复合改良剂对镉污染土壤种植的黄瓜果实镉含量影响情况见图3。从图3可见，黄瓜果实镉含量随着土壤镉浓度的增加出现升高的趋势，这与刘恩玲等[17]的研究结果相符。随着复合改良剂施用量的增加，2个镉污染浓度处理的土壤种植的黄瓜果实中镉含量逐渐降低，且均在复合改良剂施用量为1 200 mg/kg时降到最低值。与不施用复合改良剂的对照相比，2 mg/kg镉污染的黄瓜果实中镉含量降低了31.40%，差异达显著水平（P<0.05）；4 mg/kg镉污染的黄瓜果实中镉含量降低了24.35%，差异也达到显著水平（P<0.05）。

2.4 复合改良剂对镉污染土壤中种植黄瓜的果实营养品质影响

复合改良剂对镉污染土壤种植的黄瓜果实营养品质影响情况见图4。从图4可见，黄瓜果实在不施用复合改良剂的情况下，4 mg/kg镉污染土壤种植的黄瓜果实中VC、可溶性糖和可溶性固形物含量明显低于2 mg/kg镉污染土壤种植的黄瓜（图4-A、图4-B、图4-F）。随着复合改良剂施用量的增加，2个镉污染浓度处理的土壤种植的黄瓜果实中VC、可溶性糖和可溶固形物含量均逐渐增加，且均在施用1 200 mg/kg复合改良剂后达到最大值，与不施用复合改良剂的对照相比，2、4 mg/kg镉污染浓度处理的土壤中种植的黄瓜果实VC含量分别增加了25.00%和91.42%（图4-A）、可溶性糖含量分别增加了37.03%和27.06%（图4-B）、可溶性固形物含量分别增加了14.29%和58.80%（图4-F），并且都差异显著（P<0.05）。从图4-C可见，施用复合改良剂对2 mg/kg镉污染土壤种植的黄瓜果实可滴定酸含量无显著影响（P>0.05）；但当复合改良剂施用量为1 200 mg/kg后，可显著提高4 mg/kg镉污染土壤种植的黄瓜果实可滴定酸含量（P<0.05）。从图4-D可见，4 mg/kg镉污染土壤种植的黄瓜果实粗纤维含量明显高于2 mg/kg镉污染土壤种植的黄瓜果实；黄瓜果实粗纤维含量过高，将导致食用口感硬且粗糙，品质变差。施用复合改良剂可以降低2、4 mg/kg镉污染土壤中种植的黄瓜果实粗纤维含量，但对2 mg/kg镉污染土壤种植的黄瓜果实粗纤维含量降低幅度不显著（P>0.05）。与不施用复合改良剂的对照相比，4 mg/kg镉污染土壤中施用900 mg/kg改良剂可使黄瓜果实粗纤维含量降幅最大，降低了21.54%，与对照差异显著（P<0.05）。从图4-E可知，与不施用复合改良剂的对照相比，施用复合改良剂对2个镉污染土壤中种植的黄瓜果实蛋白质含量无显著影响（P>0.05）。

3 小结与讨论

蔬菜是人们日常生活中必不可少的食物，重金属污染导致的蔬菜重金属含量超标问题越来越受到人们的关注。中国土地资源稀缺，不可能将中轻度重金属污染的土地废弃，因此在这类土地上应尽可能种植可食用部分重金属积累量较少的蔬菜种类，同时采取能有效降低土壤重金属有效性的技术措施，以保证中轻度重金属污染土壤生产出的蔬菜具有食用安全性。已有的研究表明，瓜果类蔬菜可食用部分重金属含量与叶菜、根茎类蔬菜相比相对较低[1，2，18]。鉴于农作物只吸收土壤中的有效态重金属而非重金属全量[19]，而重金属有效性主要受土壤有机质含量和pH水平的影响[7，20]，因此目前的重金属原位化学修复法主要是围绕调节重金属污染土壤的有机质含量和pH而展开的。增加土壤中有机质含量可以显著降低镉、铅、汞、砷等重金属的有效性[21-24]，这可能是因为增加的土壤有机质可络合Pb2+、Cd2+等重金属离子，增大了其从土壤迁移到作物体内的难度[22，24]，从而减少了农作物对其的吸收。本试验结果表明，2、4 mg/kg镉污染浓度处理的土壤中施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤有机质含量分别增加了23.17%和32.89%。

影响重金属有效性的另一个关键因子是土壤pH。提高土壤pH可促使土壤中的镉、铅等重金属形成氢氧化物或碳酸盐结合态沉淀，降低重金属迁移性和有效性，降低植物对重金属的吸收[7，25]。与之相反，降低土壤pH可导致氢氧化物或碳酸盐结合态重金属的溶解、释放，并且可增加吸附态重金属的释放，从而会使植物增加对重金属的吸收[26]。可见，提高土壤pH有助于降低植物中镉、铅等重金属的含量[5，11]。但本试验土壤为碱性（土壤pH 8.12），进一步显著提升土壤pH将不利于黄瓜的生长，所以结果中施用复合改良剂对2个镉污染浓度处理的土壤pH无显著影响。

土壤微生物是土壤中的活性胶体来源，它们比表面大，带电荷，代谢活动旺盛，可通过生物吸附、络合、沉淀、氧化还原等多种方式降低重金属在土壤中的活性和有效性[16，27]；因此，对重金属污染土壤中微生物的研究日益受到关注，已有研究表明，利用一些微生物特性在重金属污染土壤中可以担当指示作用[28]；所以研究复合改良剂对土壤微生物数量和组成的影响，对于研究该改良剂对重金属污染土壤的修复机理具有重要意义。本试验结果表明，在2、4 mg/kg 镉污染浓度处理土壤中施用1 200 mg/kg复合改良剂后，土壤细菌数量分别增加了87.61%和96.02%、微生物总量分别增加了59.95%和55.81%；施用900 mg/kg复合改良剂后，土壤真菌数量分别增加了137.50%和106.72%。施用复合改良剂后，镉污染土壤的有机质含量增加，这可能是导致土壤微生物数量和组成产生变化的重要原因之一[22]。另外，复合改良剂中所含的微生物生长所需营养也对镉污染土壤中的微生物数量和组成具有调节作用。以上结果说明，试验所采用的复合改良剂主要是通过提高土壤有机质含量和微生物数量来降低土壤镉的有效性的。另外，复合改良剂中所含的磷矿粉（氟磷酸钙）释放出的磷酸根与Cd2+离子可生成更稳定的磷酸盐重金属沉淀，这也有助于降低土壤中Cd2+的有效性。试验中，2、4 mg/kg镉污染浓度处理的土壤中施用1 200 mg/kg复合改良剂后，黄瓜果实的镉含量分别降低了31.40%和24.35%，降幅显著。

镉胁迫下，黄瓜根系生长受到抑制[29]、叶绿素含量降低[30]、光合速率下降[30，31]，并会诱导大量活性氧的产生[32，33]，使黄瓜植株的代谢发生紊乱、生长受抑，导致其体内维生素、糖分和其他物质含量都相应发生变化，从而影响黄瓜果实的品质[1]。因此，在重金属污染改良治理中，土壤改良剂对植物体内营养品质的影响也是非常重要的研究内容。在本试验中发现，随着土壤中添加镉浓度的增加，黄瓜果实的维生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量降低。而施用复合改良剂对镉污染土壤种植的黄瓜果实营养品质具有一定的提升作用，2、4 mg/kg镉污染浓度处理土壤中施用1 200 mg/kg改良剂后，黄瓜果实的维生素C含量分别增加了25.00%和91.42%，可溶性糖含量分别增加了37.03%和27.06%，可溶性固形物含量分别增加了14.29%和58.80%。

综上所述，土壤复合改良剂可通过提高镉污染土壤有机质含量和微生物数量来降低土壤中镉离子的有效性，从而显著降低黄瓜果实对镉的积累，并可明显增加黄瓜果实的维生素C、可溶性糖、可溶性固形物含量，提升镉污染土壤种植的黄瓜果实营养品质。因此，土壤复合改良剂能够用于重金属镉污染土壤的原位修复。

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