镉胁迫对三七土壤根际环境的影响

陈玉萍 齐媛 覃莉晨 农叶弯 何晓诗 张继红 杨丽君 李素霞

摘   要   选择广西靖西市某三七园为试验地，以三年生三七为试验材料，通过研究不同浓度镉胁迫（0， 5， 10， 20， 40， 50 mg·kg-1）对三七根际土壤环境的影响，揭示在不同镉浓度处理下土壤根际环境的酸碱度、水解性氮、有机质及有效态镉含量变化情况。结果表明：靖西市三七产地的土壤呈强酸性（pH值为4.86），随着镉胁迫浓度升高，三七根际土壤的pH值总体呈下降趋势，有机质、水解性氮含量呈升高趋势;三七收获后，土壤有效态镉含量则显著升高。

关键词    三七;镉胁迫;土壤根际环境

中图分类号：S567.23    文献标志码：A    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.31.014

三七[Panax notoginseng（Burk.） F. H. Chen]，五加科人参属多年生直立草本植物，主要分布在北回归线附近地区，云南文山、广西靖西等地为主要种植区。近年来，贵州、四川、广东等地也开始栽种[1-2]。三七的茎、叶、花均可入药，全身都是宝。相关研究表明三七有止血、抗血栓、抗肿瘤、抗炎、保肝等药理作用，可用于治疗血液系统、心血管系统、脑血管系统、神经系统、代谢系统、免疫调节系统、生殖与泌尿系统、消化系统等疾病[3]。Cd作为微量元素的一种，与人体健康息息相关，摄入不足或过剩都会不同程度地引起人体生理异常或疾病[4]。由于人类生产活动扩大等诸多原因，土壤中的Cd含量不断增加，出现了土壤Cd污染的现象。作为三七传统种植区的云南、广西等地，土壤也存在Cd超标现象，易对三七的品质和药效造成影响。吴冠美等研究表明广西靖西市三七种植区中土壤Cd超标率为33.33%[5]。林龙勇等研究表明云南三七种植区的土壤样品中Cd超标率为75%[6]。土壤中Cd元素污染不易被水淋濾，不能为生物降解，相反却能被植物吸收，导致农作物产量和质量下降，并通过食物链危害人类健康[7]。近年来，有关三七Cd含量超标的报道时有出现，一定程度上打击了三七行业的繁荣发展和损害中草药在群众心中的印象[8]。本文从不同Cd浓度胁迫下三七土壤根际环境的变化情况来揭示三七镉吸收的影响因素及其机理，为广西三七产业的持续健康发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为三年生三七。

1.2 试验地概况

试验地选在靖西市某农户的三七园，与当地三七的护养管理相同。试验前，供试土壤的pH值为4.86，有机质含量为43.30 g·kg-1，速效氮含量178.11 mg·kg-1，速效磷含量48.80 mg·kg-1，速效钾含量203.70 mg·kg-1，全Cd含量为0.44 mg·kg-1。

1.3 试验设计

根据镉胁迫浓度的不同，试验设6个处理：空白对照（0 mg·kg-1）、处理1（5 mg·kg-1）、处理2（10 mg·kg-1）、处理3（20 mg·kg-1）、处理4（40 mg·kg-1）、处理5（50 mg·kg-1）。每个处理3个重复，每个重复种植3棵生长状态相似的三七。土壤处理方式：取0～20 cm耕层土壤，晒干后过10目筛，根据对应浓度配置相应的CdCl2溶液，每份溶液喷施在10 kg干土中，充分混匀，填盆。土培处理时间为2018年7月9日至9月9日。所有处理的管理措施相同。

1.4 测定方法

土壤有机质含量测定采用稀释热法，利用浓硫酸和重铬酸钾混合时所产生的热来氧化有机质中的碳，剩余的重铬酸钾（K2Cr2O7）用硫酸亚铁（FeSO4）标准溶液回滴，通过测定消耗的氧化剂的量来计算得出土壤有机质含量;土壤pH值采用1∶2.5的土水比，用pH计测定;土壤水解性氮的测定采用硼酸吸收氨，再用标准酸滴定，计算水解性氮含量;土壤有效Cd的测定采用DTPA浸提，原子分光光度计测定法;土壤全Cd的测定采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定（GB/T 17141）[9-12]。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2007和DPS 7.5软件进行处理，以Duncans新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫对三七根际土壤pH的影响

土壤酸碱性对作物的不良影响是间接的。土壤酸碱性能够影响土壤生物活性及土壤有机质转化，决定着植物营养元素的有效性及污染物的活性[13]。土壤pH可改变土壤镉的生物有效性[14]。土壤pH是土壤重金属形态的重要影响因素之一，土壤酸性越强，可溶态重金属的浓度越高，生物有效性就越高[15]。由表1可以看出，随着Cd胁迫浓度升高，三七根际土壤的pH值总体呈减小趋势，其中处理1与对照处理的差异不显著，处理2、处理3、处理4、处理5的土壤pH值均显著低于对照（P<0.05）。随着镉浓度的增加，三七根际土壤pH值出现先降低再升高的趋势，这个结果与周蜜等[16]研究结果中潍坊菊芋、徐州菊芋的根际土壤pH值都随着镉胁迫浓度升高总体呈降低趋势相一致。

2.2 Cd胁迫对三七根际土壤有机质的影响

土壤有机质是泛指土壤中来源于生命的物质，是反映土壤养分贮量的标志，也是决定土壤综合肥力水平的基础，属于土壤系统的主要成分之一，决定土壤中物质循环和能量流动的平衡性，能促进植物的生长发育，改善土壤的物理性质，促进微生物和土壤生物的活动，促进土壤中营养元素的分解，提高土壤的保肥性和缓冲性。它与土壤的结构性、通气性、渗透性和吸附性、缓冲性有密切的关系，通常在其他条件相同或相近的情况下，在一定范围内，有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关[17]。由表1可知，随着镉浓度的增加，三七根际土壤的有机质含量总体呈递增趋势（除处理1外），处理2、处理3、处理4、处理5依次增加分别为0.82%、4.53%、4.76%、11.04%。这说明在镉胁迫下，随着镉浓度的增加，三七根际土壤环境中有机质的分解受到不同程度的抑制。

2.3 Cd胁迫对三七根际土壤水解性氮的影响

土壤中的水解性氮是作物当季能够吸收利用的氮素，较能反映近期土壤的氮素供应状况，它包括无机态氮和部分易分解的有机态氮，可直接被植物根系吸收，在土壤肥力中起着相当重要的作用[18]。测试分析土壤中水解性氮含量对了解土壤的供氮能力、指导合理施肥具有一定意义。由表1可知，随着镉浓度的增加，三七根际土壤的水解性氮含量呈增加趋势，与对照相比，处理1、处理2、处理3、处理4、处理5的根际土壤的水解性氮含量增加了12.75%、16.91%、35.15%、52.21%、60.29%，且处理间差异显著（P<0.05）。这表明镉污染对三七吸收氮营养有显著的抑制作用，并且随着镉浓度增加，抑制作用越强，该试验结果与周蜜等人[16]的结论一致。原因分析：1）土壤酶活性与土壤有效氮含量呈负相关[19]。当土壤中Cd含量增加，土壤中酶活性降低，造成水解性氮含量的增加。2）土壤中碱解氮极易分解成硝态氮，硝态氮与土壤中的Cd2+都能被植物根系吸收，两者形成竞争关系，再加上镉离子的置换作用，使土壤水溶态NH4+含量增加，所以镉浓度增加后，土壤碱解氮含量升高[20]。

2.4 三七根际土壤有效镉转化分析

由表1可知，土壤有效态镉含量随着镉浓度升高呈显著增大趋势（P<0.05）。三七收获后，采集土壤样品进行检测分析，发现土壤有效镉含量分别为0.07， 3.34， 4.59， 6.41， 11.17， 17.48 mg·kg-1。与处理值拟合，得到方程y=0.304 1x+0.841 4（R2=0.960 2）。

3 小结与讨论

3.1 小结

试验结果表明，在镉胁迫下，随着镉浓度增加，三七根际土壤的pH值总体呈下降趋势;土壤有机质、水解性氮含量呈升高趋势;土壤有效镉含量则显著提高。

3.2 討论

植物-土壤生态系统中，根际环境是植物生长的基础保障，植物所需的各种养分尤其是矿质营养均来自于根际土壤的供给。根际土壤理化性质也是影响重金属生物有效性的重要因素。有研究表明，土壤镉的有效态与其他理化性质相关性不明显，只与土壤pH值呈极显著负相关，其原因可能是随着土壤pH值的降低，不仅增加了CdCO3和CdS的可溶性，使水溶态的镉含量增加，还能促进土壤胶体所交换吸附的镉解吸出来[12，21]。本试验发现，随着镉浓度的增加，土壤pH值总体呈下降趋势，这可能是因为在高镉浓度处理下，酸性土壤中（该试验地土壤本底pH值为4.86）的Cd2+浓度增加，Cd2+和H+具有相同的竞争位点，结合态的镉因与大量 H+发生交换而被释放，导致土壤pH值降低[22]。本试验开展时间为7—9月，正值高温，土壤有机质在矿化过程中会释放大量的有机酸类物质，也会增加土壤酸度。小分子物质也能与镉形成难溶的络合物，这和三七根际土壤有机质含量同镉浓度总体呈正相关趋势结果相符，与周密等[16]随着镉浓度增加，菊芋土壤根际有机质含量对应增加的研究结果一致。同时，随着镉浓度的增加，土壤有机质含量增加，也可能是镉污染影响了土壤微生物群落，抑制土壤生物（例如细菌、真菌、放线菌等）参与土壤有机质的转化，从而使有机质的分解受到抑制[13]，进而导致有机质在土壤中积累。

本试验还发现，随着镉浓度的增加，三七根际土壤的水解性氮含量也随之增加，原因主要在于水解性氮在土壤中易转化为NO3-[23]，它与Cd2+的吸收部位相同，形成竞争关系，再加上镉离子的置换作用，使土壤水溶态NH4+含量增加[24]，因此，随着镉浓度的增加，土壤水解性氮含量升高，进一步揭示了土壤 pH值与碱解氮含量的负相关性[25-26]。

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（责任编辑：易  婧）