有机肥缓解红苋菜六价铬毒害效应研究

刘 叶，郭良珍，杨杰文，钟来元

(1.广东海洋大学 农学院，广东湛江 524088； 2.广东海洋大学 化学与环境学院，广东湛江 524088)

土壤铬自然来源于成土母岩风化，但近年来电镀、皮革、火力发电、木材纸浆加工及矿石和石油炼制等人类工业活动所产生的废弃物使环境中的重金属铬呈指数倍增长[1]。《全国土壤污染状况调查公报》显示，耕地点位超标率达19.4%，铬点位超标率为1.1%[2]。环境中铬主要以Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)两种形式存在，Cr(Ⅵ)易迁移溶解和易在生物体内积累的特性，对人体健康有较大危害，其毒性是Cr(Ⅲ)的数倍[3]。孟凡生[4]对国内18个铬渣场地污染状况统计发现，大部分场地土壤中Cr(Ⅵ)质量分数大于500mg·kg-1。郑施雯等[5]报道，种植在温州制革区周边的甘蔗地下部和地上部铬累积量分别超出植物中铬正常上限的147倍和42倍。铬是一种毒性很强的重金属，通过生物循环在植物中累积，再沿食物链进入人体，若摄取量超过200mg·d-1则会威胁人类健康[6]。因此，迫切需要研究和构建经济可行、高效的土壤重金属铬污染防治修复技术。

近年来，铬污染土壤修复从挖掘填埋、客土法等传统修复技术发展为生物修复、电动力修复、土壤淋洗、钝化还原等多元化阶段，并进一步向以技术改进和材料创新为导向的强化修复和联合修复技术方向发展，因地制宜的规模化应用和环境友好型修复材料也成为关注焦点[7-8]。在不影响正常农业活动前提下，从工农业副产物中获得的重金属钝化剂，如石灰性物质、粘土矿物、炭材料、含磷材料、秸秆和有机肥，因能显著降低土壤重金属迁移性、环境毒性和生物有效性而备受关注[9-10]。有机肥是农业生产中常用肥源，可通过吸附、离子交换、氧化还原、络合和沉淀等一系列反应[10]，将土壤吸附的Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，降低土壤中Cr(Ⅵ)的迁移性和毒性[3]，缓解 Cr(Ⅵ)对植物的伤害。有机肥修复重金属污染土壤速率快、经济实惠、操作简单，同时还能为作物提供养分，维持土壤肥力[11]，因而成为目前土壤重金属污染修复的常见材料。

目前，植物应对重金属胁迫的研究主要集中在铅、镉胁迫方面，对铬的研究相对较少[1]。自然界有许多植物具有累积重金属的能力，人类常食用的叶菜类、茄果类、葱蒜类蔬菜具有较强的重金属富集能力[12]。研究表明，红苋菜对铬有一定的富集能力[13]。因此，本研究选用红苋菜作为试验材料，研究施用有机肥对不同程度Cr(Ⅵ)污染下红苋菜的生长状况和铬累积量的影响，探究土壤中铬赋存形态、吸附还原过程特征，以期为作物安全生产提供一定技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤采自广东海洋大学校内甘蔗地(0～20 cm)，去除杂物后自然风干，研磨后按测定指标要求过筛，备用。基本理化性质为：pH 6.5，有机质20.45 g·kg-1，碱解氮76.95 mg·kg-1，速效磷17.92 mg·kg-1，速效钾197.18 mg·kg-1，总铬约164 mg·kg-1。红苋菜种子购自大地蔬菜种子有限公司。外源Cr(Ⅵ)以K2Cr2O7形式添加。有机肥(固体)购自泰沃生物科技(有机质≥45%)。试验所有试剂均为市售分析纯。

1.2 盆栽试验

每盆装7 kg风干土，试验设置3个不同 Cr(Ⅵ)污染水平(50、100和150 mg·kg-1)，以不施加外源铬为对照，重复3次。将一定量K2Cr2O7与试验土壤混匀，加水平衡1个月。平衡结束后，每种污染水平分别按土壤质量分数的0%、2%、4%、8%加入有机肥并混匀。于2017-07-22播种红苋菜种子。出苗1周后，每盆保留生长一致的幼苗约50株，于2017-09-26收获并取土，用于植株体内铬累积量和土壤重金属铬形态测定。

1.3 测定项目及方法

土壤pH用雷磁pH计测定[14]；有机质用重铬酸钾-外加热法；碱解氮用滴定法；速效磷用 0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效钾用NH4Ac浸提，火焰光度法测定，具体步骤参考《土壤农化分析》[15]；红苋菜生物量用电子天平称量，株高和根长采用直尺和游标卡尺测量，富集系数=植物地上部某元素的质量分数/该元素在土壤中质量分数。土样中加入硝酸-硫酸-氢氟酸后经微波消解，用火焰原子吸收分光光度法测定总铬。

土壤重金属铬可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态提取方法用Tessier五步连续提取法[16]。植物收获后经自来水和超纯水洗净，将植株地上部和地下部分开，105 ℃杀青15 min，75 ℃烘干，研磨，待用。植物地上和地下部的铬质量分数经微波消解，用石墨炉原子吸收光谱法测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据分析和图表绘制，统计分析用SPSS 17.0处理。

2 结果与分析

2.1 有机肥对Cr(Ⅵ)胁迫下红苋菜生物量、株高和根长的影响

试验结果表明，未施加有机肥，50 mg·kg-1和100 mg·kg-1Cr(Ⅵ)处理下红苋菜生物量分别为 2.01 g和2.09 g，生物量略多于对照，说明一定量的铬具有促进红苋菜生长的作用，而在150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)处理下，红苋菜已无法正常生长，乃至死亡(表1)。

在相同Cr(Ⅵ)添加量条件下，红苋菜生物量、根长和株高随有机肥施入量的增加而增加。在50、100和150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)污染水平下，红苋菜生物量在8%有机肥施用量下比施用4%有机肥下分别增加14.29%、15.49%和 141.22%，即使Cr(Ⅵ)添加质量分数为150 mg·kg-1，施加有机肥后，红苋菜也可正常存活。以上结果表明，施用有机肥可缓解Cr(Ⅵ)对红苋菜毒害，促进红苋菜生长。在施用相同量有机肥条件下，红苋菜生物量随Cr(Ⅵ)添加质量分数的增加而呈现出先增加后减少的趋势。当Cr(Ⅵ)添加量为150 mg·kg-1时，施用有机肥可使红苋菜成活，但其生物量明显低于相同有机肥用量下其他Cr(Ⅵ)污染水平下的生物量。因此，有机肥施用在一定质量分数范围内能缓解Cr(Ⅵ)对红苋菜的毒害作用。

无外源Cr(Ⅵ)污染土壤中，红苋菜生物量在无机肥施入下为1.99 g，与其他3种有机肥处理显著差异，且各Cr(Ⅵ)处理之间均呈现极显著差异；在50、100和150 mg·kg-13种Cr(Ⅵ)处理土壤中加入有机肥后，同等污染水平下，红苋菜生物量在0%、2%、4%和8%有机肥处理下两两间均呈现显著差异，说明在本研究中，无污染和污染土壤中施加有机肥越多，越有利于植物生长。

2.2 有机肥对红苋菜铬累积量的影响

从表2可以看出，在未施加有机肥的情况下，Cr(Ⅵ)添加量越高，红苋菜植株地上部和地下部铬质量分数越高，而施用有机肥后，上述指标随有机肥的增加而减少。在100 mg·kg-1Cr(Ⅵ)处理下，与未施有机肥处理相比，施加8%有机肥处理可使红苋菜地上部和地下部铬质量分数分别降低约84.50%和94.16%。150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)处理下，施用8%有机肥后，红苋菜地下部铬质量分数仍较高，为16.12 mg·kg-1。此外，植株富集系数也随有机肥施用量增加而递减，这说明有机肥能降低红苋菜对铬的富集。本研究中，在对照和添加外源Cr(Ⅵ)的土壤中均表现为：加入8%有机肥使红苋菜地上部分和地下部分铬质量分数最低，且与其他3种有机肥比例呈极显著差异，红苋菜植株的铬质量分数随土壤中有机肥量的增多而逐渐减少。

表1 有机肥对Cr(Ⅵ)胁迫下红苋菜生长的影响Table 1 Effect of organic fertilizer on growth of red amaranth under Cr(Ⅵ) stress

注：大写字母代表差异极显著(P<0.01)，小写字母表示差异显著(P<0.05)；“-”代表植株死亡无数据。下同。

Note:Capital letter represents extremely significant different(P<0.01),and small letter represents significant different(P<0.05);“-” stands for no data.The smae below.

表2 有机肥对红苋菜累积Cr的影响Table 2 Effect of organic fertilizer on Cr accumulation of red amaranth

2.3 有机肥对土壤中铬赋存形态的影响

相同有机肥施用量条件下，土壤铬赋存形态中，可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态比例随着Cr(Ⅵ)添加量的增加而增加，而残渣态的比例减少。相同Cr(Ⅵ)添加量条件下，可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态比例随有机肥施用量的增加均有所减少，有机结合态和残渣态质量分数则增加。在各 Cr(Ⅵ)污染水平下，未施有机肥处理植物易吸收的可交换态和碳酸盐结合态质量分数高于施有机肥处理。如：150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)处理盆栽试验中，未施用有机肥时可交换态铬比例为2.83%(图1)，而施入8%有机肥后，其比例降为1.21%(图2)，因此，施用有机肥可使土壤中植物易吸收利用的可交换态铬质量分数减少，降低其对植物的毒害作用。此外，150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)污染水平下，添加8%有机肥后，有机结合态和残渣态的比例分别从14.23%、50.74%增至17.59%、52.22%(图3)。同样表明，有机肥可通过络合重金属铬离子，降低其对植物的毒害。由于无法得到Cr(Ⅵ)标准土壤样品，上述试验回收率采用在实际土壤样品中的总铬加上外源 Cr(Ⅵ)添加量进行测定，回收率在99.04%～102.72%，试验结果准确度可接受(表3)。

Ⅰ.可交换态 Exchangeable fraction；Ⅱ.碳酸盐结合态 Carbonate bound fraction；Ⅲ.铁锰氧化物结合态 Fe- Mn oxides bound fraction；Ⅳ.有机结合态 Organic matter bound fraction；Ⅴ.残渣态 Residue；下同 The same below

图1 未施用有机肥土壤铬赋存形态
Fig.1 Chemical species of Cr in the soil withoutapplication of organic fertilizer

3 讨 论

Cr(Ⅵ)在土壤中易迁移，易被植物吸收产生毒害反应；而少量Cr(Ⅲ)则对于作物的生长具有刺激作用，能增强光合作用并提高其产量[12,17]，但铬质量分数过高会抑制植物的根、茎、叶的生长甚至导致死亡[18]。本研究发现，在施用一定量有机肥后，50 mg·kg-1Cr(Ⅵ)处理下红苋菜生物量高于对照。150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)不施用有机肥，可导致红苋菜死亡。柳玲[19]在研究芹菜对 Cr(Ⅵ)的吸收和积累规律中发现，芹菜生物量随 Cr(Ⅵ)处理质量分数的增加而降低，低质量分数Cr(Ⅵ)对芹菜生长并未产生抑制作用，中、高质量分数Cr(Ⅵ)对其生长具有显著影响。乔维川等[20]研究也表明随着Cr(Ⅵ)质量分数升高，蔬菜生物量和株高会显著降低。铬对植物生长促进作用，可能与铬在精胺结合到DNA上时的竞争抑制作用、铬与核酸间的互作、植物生长激素水平，或者铬促进多精胺水平的提高等有关[21]。

图2 施用8%有机肥处理土壤铬赋存形态Fig.2 Chemical species of Cr in the soil with addition of 8% of organic fertilizer

图3 有机肥对外源性Cr(Ⅵ)在土壤中铬赋存形态转化的影响(添加量为150 mg·kg-1)Fig.3 Effect of organic matter on transformation of chemical species of Cr introduced to the soil (the amounts of Cr(Ⅵ) addition:150 mg·kg-1)

重金属铬通过影响植株根系，从而抑制植物生长，导致植株生物量降低。植物通过根系从土壤中获得营养元素，与此同时也吸收土壤中的重金属，这些重金属易积累在根系中，导致植株地下部重金属含量高于地上部。本研究中，在100 mg·kg-1Cr(Ⅵ) 处理下，0%、2%、4%和8%有机肥处理，地下部分铬累积分别占总铬累积量的 91.55%、93.10%、87.09%、80.34%。许多学者研究也证实了植物中各器官铬含量一般根部最高，其次是茎和叶，种子或果实中的含量很低甚至为零[22-23]。某些植物能限制重金属离子向地上部输送，将其大量累积在地下部，从而减轻对植株的伤害，一定程度提高植物耐受性。还有研究表明，红菜苔铬累积量与土壤中铬含量呈显著正相关[24]。本试验在无有机肥施入的对照中，植株地下部铬质量分数随土壤中Cr(Ⅵ)质量分数的增加而增加，与上述观点一致。

表3 有机肥添加量对土壤中铬赋存形态的影响Table 3 Influence of organic matter addition amounts on transformation of chemical species of Cr to the soil

Tessier等[25]在1979年提出可将土壤或沉积物中的金属形态划分为5种：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。可交换态是交换吸附在土壤黏土矿物表面的那一部分离子，虽占总量的比例不大，但易被植物吸收利用，对植物营养或毒害影响最为关键；可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态稳定性差，生物可利用性高，含量与植物累积量呈显著正相关[26]。本研究中，相同有机肥施用比例下，试验土壤中前3种赋存形态的质量分数随Cr(Ⅵ)质量分数的增加而增加，红苋菜地上部和地下部的铬质量分数变化也是随之递增。其他形态只有通过转化为交换态和碳酸盐结合态才能被植物利用[27]，因此，应采取措施避免重金属形态向可交换态和碳酸盐结合态转化。150 mg·kg-1处理下，按8%比例添加有机肥后，与对照相比，可交换态质量分数从2.83%降至1.21%，碳酸盐结合态从2.24%降至1.35%。而有机结合态和残渣态稳定性较强，残渣态较难被植物吸收利用，毒害作用最小[28]。有机物结合态是指重金属离子与有机质活性基团发生螯合作用，形成螯合态盐类；或与硫离子生成难溶于水的物质。本研究结果表明，添加有机肥可使土壤中铬有机物结合态增加，在150 mg·kg-1Cr(Ⅵ)处理下，施用有机肥可使有机物结合态比例从14.23%增至17.59%，这有助于减少植物对Cr的吸收。

4 结 论

施用有机肥能有效缓解土壤中Cr(Ⅵ)对红苋菜的毒害，主要表现为施用有机肥能提高红苋菜生物量，促进株高和根的生长，同时还能明显降低其地上部和地下部的铬累积量。有机肥可改变土壤中铬赋存形态，可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态质量分数随有机肥施用量增加而减少，有机结合态和残渣态质量分数则随之增加。