改良剂对酸性土壤上伴矿景天铝毒缓解作用及镉锌吸收性的影响

陈思宇，周嘉文，刘鸿雁，骆永明，吴龙华，辛在军

1 贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025

2 中国科学院南京土壤研究所 中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室，江苏 南京 210008

3 江西省科学院流域生态研究所，江西 南昌 330096

铝 (Al) 在地壳中的浓度仅次于硅和氧，通常以硅酸盐和氧化物等固定态形式存在于土壤中，对植物并无毒害作用。但当土壤发生酸化时，固定态 Al会在一定程度上转化为活性态 Al，尤其在土壤pH值低于5时土壤溶液中活性Al浓度会大大上升，抑制作物生长发育和降低作物产量。因此，Al毒常与土壤酸化相伴而生，并被认为是酸性土壤上限制作物生长的主要因素。世界上约有 30%–40%的可耕地和 50%以上的潜在耕地是酸性的[1-2]；土壤酸化在我国也是一个很严重的问题[3]。据估计，目前我国酸性土壤约占全国耕地总面积的22.7%，面积达218万km2[4]，主要分布在我国南方红壤和黄壤区；其pH值从20世纪80年代的5.37下降到21世纪初的5.14 (粮食作物系统)或5.07 (经济作物系统)，Al活性也相应增加[5]。而且由于酸雨沉降、集约化农业的发展、不恰当的耕作方法以及碱性阳离子如 K+、Ca2+、Na+、Mg2+等的淋溶流失，我国的土壤酸化问题仍在进一步加剧。

目前我国酸性土壤重金属包括镉 (Cd) 和锌(Zn) 污染严重，危害农产品安全生产和人体健康[6-8]。伴矿景天作为一种 Cd和 Zn的超积累植物，对其具有超强的富集能力 (地上部Cd和Zn浓度分别能达2 000和10 000 mg/kg)，适宜修复大面积中低污染的农田土壤，尤其是污染重金属有效性非常高的酸性土壤[9-13]。但是酸性土壤上pH低、活性Al浓度高，对伴矿景天的修复效率形成了潜在威胁[1-11]。因此，采取适当方法缓解土壤Al毒，是提高伴矿景天在酸性土壤上重金属吸取修复效率的重要方法。提高外源镁 (Mg) 的供应能够改善Al诱导的Mg缺乏并减轻Al对植物生长发育的抑制[14-15]。外源磷 (P) 的添加也能够改善Al对植物的毒害[16-17]，其机制主要有两种：一是添加的P和Al生成磷酸盐沉淀，降低土壤溶液中活性Al浓度；二是吸收的P和Al在植物体内形成沉淀进而缓解Al毒。我国南方土壤普遍缺Ca、Mg、P等营养元素。钙镁磷肥 (CMP) 是枸溶性磷肥，含有Ca、Mg、P等元素，可提高土壤pH以及补充 Ca、Mg等营养元素，磷素利用率高[18]；MgCO3呈碱性，适宜在酸性土壤上施用。虽然一些传统的酸性土壤改良剂如石灰能够缓解土壤Al毒害，但石灰的投入会降低土壤中Cd和Zn的生物有效性，从而降低伴矿景天对 Cd、Zn的吸收。许多工业副产品可有效提高土壤 pH和阳离子交换量 (CEC)[19-20]，但其重金属含量过高，长期施用可能会加剧土壤污染风险[21]。因此，本研究拟选用MgCO3、CMP和KH2PO4作为酸性土壤改良剂，探讨不同改良剂对土壤Al毒害的改良效果及其可能机制，以期找到一种合适的既能缓解 Al毒又可使伴矿景天维持较高的 Cd和 Zn吸取修复效果的改良技术。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为浙江省杭州郊区某铅锌矿区表层污染土壤 (0–20 cm)，土壤类型为湿润富铁土。土壤经自然风干后，除去石块及植物未腐烂残体后研磨过5目筛，混匀后以备盆栽试验使用。土壤基本理化性质：pH 4.69，阳离子交换量14.4 cmol (+)/kg，有机质含量30.3 g/kg，全氮含量0.95 g/kg，土壤全量Zn和Cd浓度为523和2.91 mg/kg，交换态Al浓度为 268 mg/kg (添加 AlCl3并预培养 2周后测定)。伴矿景天扦插苗采自广东省仁化试验基地；供试改良剂有 CMP、MgCO3和 KH2PO4，其中 CMP为商品肥料，含P量 (以P2O5计) 12%，MgCO3和KH2PO4为实验室分析纯。

1.2 试验设计

1.2.1不同改良剂对土壤性质和伴矿景天生长与重金属吸收性的影响试验(试验一)

盆栽试验在中国科学院南京土壤研究所温室中进行。根据课题组前期试验结果，为避免试验土壤对伴矿景天生长的 Al毒作用不明显，故外源添加200 mg/kg Al，将AlCl3·6H2O用适量去离子水溶解、施入土壤混匀，预培养2周。试验选用3种改良剂，共设置4个处理，分别为CK (不施加改良剂)、CMP (4.70 g/kg)、MgCO3(1.85 g/kg)、KH2PO4(2.71 g/kg)，其中CMP和KH2PO4按P和土壤交换Al的摩尔比为1︰1进行添加，MgCO3按Mg和Al的摩尔比为2︰1添加，每处理4次重复，随机排列。每盆装土1 kg (烘干基，过5目尼龙筛)，分别加入不同改良剂、混匀。每盆扦插4株景天幼苗，定期浇水，使土壤含水量维持在最大田间持水量的70%左右。盆栽试验移栽时间为2019年4月13日，于2019年7月31日收获。

1.2.2不同浓度钙镁磷肥对土壤性质和伴矿景天生长与重金属吸收性的影响试验(试验二)

试验设置5个处理，分别为CK (未添加CMP)、P1 (添加 2.35 g/kg CMP)、P2 (添加 4.70 g/kg CMP)、P3 (添加 9.39 g/kg CMP) 和 P4 (添加 18.8 g/kg CMP)；CMP的添加量分别按 P和土壤交换态 Al的摩尔比1︰1、2︰1、3︰1和4︰1进行；每个处理设置4次重复，其余同上。

1.3 测定指标及分析方法

植物样品：收获后分根系和地上部，地上部再分茎和叶，去离子水洗净后75 ℃烘干至恒重，称重、粉碎，用于全量 Cd、Zn、Al和 P浓度的测定。土壤样品：伴矿景天扦插苗移栽一个月后，采用对角线采样法取土样约50 g，风干后分别过10目和100目尼龙筛、保存，用于土壤性质的测定。土壤和植物样品采用高压罐密闭，于烘箱中105 ℃消解 7 h，其中土壤和植物样品分别采用5 mL浓 HCl和 5 mL浓 HNO3，6 mL浓 HNO3和2 mL H2O2的混合液消解。土壤有效态Cd、Zn采用0.01 mol/L CaCl2进行提取，土水比为1︰10。消解液和提取液中的Cd和Zn用火焰原子吸收分光光度法或石墨炉原子吸收分光光度法 (SpectrAA 220FS，220Z，Palo Alto，Varian，CA) 进行测定；土壤pH用电位法测定，土水比为1︰2.5。土壤交换Al采用1 mol/L KCl进行提取，土水比为1︰10。土壤交换Al和植株Al浓度均采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪 (ICP-AES，Optima 8000，Perkin Elmer，Waltham，MA) 测定。土壤速效P参照《土壤农化分析》[22]，其中土壤速效P采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L (1/2 H2SO4) 提取，然后土壤速效P和植物全P浓度采用钼锑抗比色法测定。

在重金属全量及有效态提取和测定过程中，采用土壤标准物质 (GBW07405) 和植物标准物质(GBW10048) 进行质量控制，并做空白试验和重复。标准物质的测定结果均在允许范围之内。所用试剂均为优级纯，实验所用水均为超纯水。

1.4 数据处理

所有数据采用SPSS 25.0和Microsoft Excel 10进行统计分析和制图。不同处理间的差异性分析通过单因素方差分析和多重比较 (LSD) 实现，显著性水平设为5%，相关分析为Pearson相关。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对部分土壤化学性质和伴矿景天生长与重金属吸取修复效率的影响

2.1.1施用改良剂对土壤性质的影响

与CK相比，添加MgCO3和CMP显著提高了土壤pH (表1)，其中MgCO3处理的土壤pH上升了0.80个单位，而KH2PO4对土壤的pH值影响不大。不同改良剂对土壤交换Al浓度的影响也不同，但pH升降幅度与土壤中交换Al浓度的变化呈现出了较好的负相关关系 (P=0.00，R2=0.77)。与CK相比，CMP、MgCO3和KH2PO4三个处理中的土壤交换 Al分别降低了 9.82%和92.4%和 31.8%。同时，与对照相比，MgCO3处理下土壤CaCl2提取态Cd和Zn分别下降了35.6%和 65.9%，而另外两种改良剂的添加并未显著影响土壤Cd和Zn的有效性，其中CMP处理还使土壤CaCl2提取态Cd浓度提高了28.8%。此外，CMP和KH2PO4两个处理由于外源P的输入，土壤速效P的浓度显著上升(P<0.05)。

2.1.2施用改良剂对伴矿景天生长的影响

由图1A和1B可以看出，各处理的伴矿景天生物量由大到小为：叶>茎>根。CMP和 MgCO3两个处理下伴矿景天生物量高于CK，其中CMP处理下的伴矿景天根茎叶生物量分别增加了25.0%、52.5%和35.3%，而MgCO3处理下景天各部位的生物量分别增加了29.2%、35.0%和39.8%，但与CK相比，并无显著差异。相反地，KH2PO4处理抑制了景天生长，其地上部 (茎+叶) 生物量比CK降低了41.6%，达到了显著水平 (P<0.05)。此外，伴矿景天地上部Al吸收量与生物量的相关性分析表明，随着伴矿景天对Al吸收量的增多，伴矿景天生物量逐渐下降，二者呈现显著的负相关 (P=0.00，R2=0.53)。

2.1.3施用改良剂对伴矿景天重金属吸收的影响

由图1C和1D得知，各处理间伴矿景天不同部位 Al浓度的分布规律为：根>叶>茎，且根中Al浓度远大于叶和茎中Al浓度；按吸收量 (即伴矿景天各部位Al浓度乘干重) 计算，4个处理根的Al吸收量分别占总吸收量的76.2%、76.9%、82.3%和82.7%，这表明Al主要富集在根系中而只有少量向地上部运输。KH2PO4处理下伴矿景天根、茎、叶中Al浓度均高于CK，且茎和叶中Al浓度显著高于MgCO3处理，各处理间伴矿景天根系Al浓度差异不显著。

表1 不同土壤改良剂对土壤性质的影响Table 1 Effects of different soil amendments on soil properties

图1 不同改良剂对伴矿景天各部位生物量和Al浓度的影响Fig. 1 Effects of different amendments on the biomass and Al concentrations in different parts of S. plumbizincicola.The error bars are SE, n=4. Different letters in the histogram of same color indicate significance at P<0.05 under different treatments. A and B represent the biomass (dry weight) in different parts of S. plumbizincicola. C and D represent the Al concentration in different parts of S. plumbizincicola.

如图2A和2B所示，CK和KH2PO4两个处理下的Cd、Zn浓度均高于MgCO3和CMP两个处理，且 KH2PO4处理的 Cd、Zn浓度最高。由图 2C和2D可知，各处理植物地上部 Cd的吸收量依次是MgCO3>CMP>CK>KH2PO4。与对照相比，MgCO3和CMP处理下地上部Cd吸收量分别提高了37.4%和 23.0%。地上部 Zn的吸收量则依次是 CMP>MgCO3>CK>KH2PO4，与CK比较，CMP处理下地上部Zn吸收量提高了21.3%。整体看，CMP和MgCO3两个处理对伴矿景天的Cd和Zn吸收的促进效果较好，但无显著性差异；而KH2PO4处理对伴矿景天重金属吸收的影响表现为显著抑制作用。进一步分析伴矿景天地上部Cd、Zn吸收量与Al吸收量的相关性，结果发现，伴矿景天对 Al的吸收一定程度上抑制了其对Cd的吸收 (P=0.01，R2=0.44)，而对Zn的吸收影响则较小 (P=0.02，R2=0.26)。

图2 不同改良剂对伴矿景天Cd和Zn浓度、吸收量和修复效率的影响Fig. 2 Effects of different amendments on cadmium and zinc concentrations, uptake in different parts and phytoextraction efficiencies by S. plumbizincicola. The error bars are SE, n=4. Different letters in the histogram of same color indicate significance at P<0.05 under different treatments. A and B represent the Cd and Zn concentration in different parts in S. plumbizincicola respectively. C and D represent the heavy metal uptake and phytoextraction efficiencies in different parts in S. plumbizincicola respectively.

2.2 不同浓度钙镁磷肥对土壤性质和伴矿景天生长与重金属吸取修复效果的影响

2.2.1施用改良剂对土壤性质的影响

添加了不同用量的钙镁磷肥后，土壤的基本性质如表 2所示。施加 CMP后，P1、P2、P3、P4处理土壤pH较CK分别提高了0.14、0.10、0.13和0.06个单位。钙镁磷肥的添加对土壤交换Al浓度也有着显著影响，土壤交换 Al浓度随着 CMP浓度的增加呈现明显的下降趋势 (P<0.05)；此外，不同用量CMP对土壤pH影响较小，可能是通过P与 Al结合形成沉淀从而降低土壤中交换态 Al的浓度，因此土壤 pH与交换 Al的相关性较弱(P=0.47，R2=0.03)。与此同时，土壤速效P浓度不断递增，两者呈现很好的负相关关系 (P<0.01，R2=1.00)。而 CMP的添加并未显著改变土壤有效态Cd和Zn的浓度，尤其是P3处理。

2.2.2施用改良剂对伴矿景天生长的影响

不同用量 CMP对伴矿景天的生长造成了不同程度的影响 (图3A–B)。其中，P1、P2、P3处理不同程度地提高了伴矿景天地上部生物量，分别提高了35.6%、16.1%和33.9%，但差异不显著，而P4处理则显著抑制了伴矿景天的生长。对比分析了本组试验与试验一中伴矿景天地上部 Al吸收量与生物量的相关性分析结果，发现伴矿景天地上部 Al吸收量与生物量的相关性不如试验一强(P=0.01，R2=0.03)，主要是由于本组试验中CMP不同添加量对伴矿景天的生长发育影响较小。

表2 不同添加量钙镁磷肥对土壤性质的影响Table 2 Effects of different CMP application rates on soil properties

图3 钙镁磷肥添加量对伴矿景天生物量和Al浓度的影响Fig. 3 Effects of CMP application on root and shoot biomass and aluminum concentrations of S. plumbizincicola. The error bars are s, n=4. Different letters in the histogram of same color indicate significance at P<0.05 under different treatments. A and B represent the biomass (dry weight) in different parts of S. plumbizincicola. C and D represent the Al concentration in different parts of S. plumbizincicola.

2.2.3施用改良剂对伴矿景天重金属吸收的影响

图4 钙镁磷肥添加量对伴矿景天Cd和Zn浓度、吸收量和修复效率的影响Fig. 4 Effects of CMP application on cadmium and zinc concentrations, uptake in different parts and phytoextraction efficiencies of S. plumbizincicola. The error bars are s, n=4. Different letters in the histogram of same color indicate significance at P<0.05 under different treatments. A and B represent the Cd and Zn concentration in different parts in S. plumbizincicola respectively. C and D represent the heavy metal uptake and phytoextraction efficiencies in different parts in S. plumbizincicola respectively.

在 4个 CMP添加量处理下，伴矿景天根系Al浓度基本相同 (图3C)，根系Al浓度远高于地上部，约是后者的 20倍，表明伴矿景天根系是Al的主要储存部位。各处理间伴矿景天地上部Al浓度的大小关系为：P4>CK>P2>P1>P3，但P4处理的伴矿景天地上部Al浓度显著高于其余4个处理 (图3D)。与CK相比，施加CMP的处理并未显著降低伴矿景天体内Al浓度，反而高量CMP处理增加了植物体内Al浓度。由图4A和4B可知，与CK相比，P1、P2和P3处理并未显著降低伴矿景天地上部Cd和Zn浓度，而P4处理使景天地上部Cd和Zn的浓度分别升高了23.0%和31.0%，差异达到显著水平，这可能与P4处理下伴矿景天地上部生物量较小有关。从图4C和4D可以看到，P3处理显著促进了伴矿景天地上部Cd的吸收，Cd提高了60.4%，Zn提高了56.5%；P1和 P2处理虽然促进了伴矿景天地上部重金属的吸收，但增幅不大。P4处理则降低了伴矿景天Cd和Zn的吸收量。此外，伴矿景天Al吸收量与Cd、Zn吸收量的相关性分析结果表明，随着 Al吸收量的增加，伴矿景天 Cd、Zn吸收有一定程度的降低，但Al吸收量与Cd、Zn吸收量之间的相关性不强。

3 讨论

土壤pH是影响超积累植物对Cd、Zn吸收性的重要因素[23-24]，这或许是因为低 pH土壤环境中，过多活性 Al溶出而导致超积累植物受到 Al毒害作用。伴矿景天作为一种Cd和Zn的超积累植物，近年来关于酸性土壤中伴矿景天的重金属吸取修复已开展了大量研究工作[25-27]，但有关强酸性土壤上伴矿景天受 Al毒害的具体影响方面少有详细报道。最先对伴矿景天Al毒害作用进行系统研究的是 Zhou等[28]，其研究结果发现，当pH 5.00且Al添加浓度为100 μmol/L以及土培体系中交换Al浓度达到0.33 cmol (+)/kg时，Al就会显著抑制伴矿景天的生长和 Cd、Zn吸收，这为伴矿景天受Al毒害作用提供了有力证据。相关研究认为[10]，适宜伴矿景天吸取修复的pH在5.5左右，而当pH<5.5时，伴矿景天的生长和重金属吸收效率可能会受到抑制。因为随着土壤 pH的降低，土壤溶液中过多的H+会和土壤固相中Al3+交换从而导致Al溶出量增加，抑制了植物的根系发育和养分吸收；且在污染土壤的伴矿景天连续吸取修复过程中，土壤 pH随伴矿景天种植年限的增加而降低，这极大增加了伴矿景天受Al毒害作用的风险。Li等[11]研究发现，土壤pH为3.6时，伴矿景天地上部生物量受到显著抑制，可能是土壤pH过低导致 Al毒性增强从而抑制伴矿景天生长和重金属吸收；低pH土壤环境中交换Al溶出量增大，抑制了伴矿景天生长和重金属吸收[29]。在本试验中，CK组土壤pH低于4.0，且交换Al的浓度显著高于其他处理，达100 mg/kg (表1和表2)；伴矿景天地上部生物量仅为1.80 g/pot (图1和图3)，远低于Wu等[10]所报道的8.70 g/pot的平均水平。本试验结果与前期研究一致，表明伴矿景天可能是一种Al敏感植物，易在酸性土壤尤其是强酸性土壤中受到Al毒害作用，导致重金属吸取修复效率降低。

MgCO3是一种碱性改良剂，在酸性土壤上施用不仅能够提高土壤pH、还能为植物的生长提供Mg源。本试验中，MgCO3添加后土壤中碱性成分如 OH–、HCO3–和 CO32–等含量增加[30]，显著提高了土壤pH从而降低了土壤中交换Al，这与前人的研究一致[31]。然而伴矿景天的Cd和Zn修复效率并未显著提高 (图 2)，究其原因，一是添加MgCO3促使土壤中重金属形成氧化物沉淀，降低生物有效性；另外，pH升高后土壤微生物群落结构发生改变[32]，通过生物化学作用形成一些高分子聚合物，与重金属形成络合物而使其活性下降，也降低了Cd和Zn的有效性，抑制了景天重金属的吸收和积累，其作用机理与石灰相似。MgCO3处理下伴矿景天根Al浓度高于对照，但茎和叶中Al浓度低于对照，或许是Mg2+和Al3+争夺膜转运蛋白和酶上的金属结合位点[33]，一定程度上阻止了Al向伴矿景天地上部的转移。根中Al浓度升高可能是由于 MgCO3的添加促进了景天根系生长 (图 1) 和活力的增强，使根系的吸收能力增强，从而更多的 Al进入根细胞内。MgCO3添加后土壤pH显著上升，改变了土壤溶液中Al的形态，使羟基 Al含量增加，而植物也能吸收羟基Al，只是更难往植物地上部转移[28]。

CMP是一种多元素缓效性肥料，除含有磷酸根 (PO43–) 外，还能提供大量的Ca和Mg等元素，因其水溶液呈碱性而适宜于改良酸性土壤。本研究中，添加不同浓度CMP后，土壤pH上升，但上升幅度不大，施入时间过短可能是一个重要的因素[34-35]。土壤中交换Al含量随CMP的添加逐渐降低 (表2)，或许是钙镁磷肥中P和土壤中交换Al相互作用形成沉淀[36-37]。本试验结果表明，高量 (18.8 g/kg) 的CMP处理显著抑制了伴矿景天的生长和重金属吸收 (图 3和图 4)，这可能是CMP中各成分含量高，植物吸收营养不均衡所致[38]；也有文献报道适量CMP与其他改良剂 (如硅肥、有机肥和海泡石等) 配施比单施CMP对酸性土壤和植物生长的改良和促进作用更加有效[39-40]。因此CMP能否作为酸性土壤改良剂及其施用量，需综合考虑土壤性质而定。相比于CMP，KH2PO4对土壤 pH的提高影响很小 (表 1)，这是由于H2PO4-的电离大于水解，使H+浓度大于OH-浓度[41]，其溶液呈酸性之故。因此，尽管KH2PO4的添加显著降低了土壤中交换Al含量，但由于土壤酸性强，土壤中其他形态的活性 Al仍大量存在，Al毒胁迫依然明显，抑制了伴矿景天的生长和重金属吸收。而CMP作为一种碱性改良剂，一定程度上促进伴矿景天的生长和重金属吸收。根据土壤pH和植物生长的变化情况，分析和比较CMP和KH2PO4两种改良剂的主要成分和化学性质；推测pH的上升对于促进伴矿景天的生长和Cd、Zn吸收或许占据了主导地位，而 P施入的作用则较小。总体而言，本试验所选用的几种改良剂除KH2PO4外，CMP和MgCO3都改善了土壤酸性并降低了土壤中交换Al含量，尤以MgCO3对土壤酸性的改善最为明显。从植物生长的角度看，适量CMP和 MgCO3均能够促进伴矿景天生长和重金属吸收，其中CMP用量为9.39 mg/kg时，伴矿景天对 Cd的吸收显著高于对照，Zn吸收无差异(图 4)，其余用量处理以及施加 MgCO3则效果不显著，根据这一试验结果，我们推测Al并不一定是在伴矿景天的所有生育期都会产生抑制作用；假设 Al仅在植物生长的某一阶段对植物产生抑制作用，则应重点考虑改良剂的施用时期；但是否如此，有关机制有待进一步的探讨。此外，土壤改良剂种类繁多，有机改良剂 (绿肥、动物粪便、作物残渣和有机酸等) 能在短期内直接增加土壤pH、降低Al浓度并中和土壤酸度，但其对土壤 pH的影响因所选改良剂性质和土壤性质与初始 pH值等因素而变[42-43]，应根据实际情况选择。一些传统改良剂如石灰、磷石膏等，普遍存在功能单一、用量过多导致环境负荷大。近年来一些新型改良剂如水解聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、纳米羟基磷、聚乙烯醇等一系列高分子聚合物在酸性土壤改良方面展示出了广泛的应用前景，未来可着重于改良剂种类的选用和配施方法的探索。

4 结论

不同改良剂添加后土壤性质变化趋势不同。钙镁磷肥和MgCO3添加后土壤pH上升，交换性Al浓度下降。KH2PO4的添加虽降低了土壤交换Al，但对土壤 pH无显著影响。适量钙镁磷肥可显著提高伴矿景天生物量和 Cd、Zn吸收性。本试验中9.39 mg/kg这一用量能够显著提高伴矿景天 Cd吸收性，高于此量会抑制伴矿景天生长进而使其Cd、Zn吸收显著降低；施用MgCO3能提高伴矿景天生物量和Cd、Zn吸收，施用KH2PO4抑制了伴矿景天生长。