改良剂对镉污染土壤上小白菜镉积累转运及生理特性的影响

李松，孙向阳，李素艳，马其雪，刘源鑫，周文洁

（北京林业大学林学院，北京100083）

由于人类活动的干扰加剧，土壤重金属污染日益严重，因此土壤修复迫在眉睫[1]。《全国土壤污染状况调查公报（2014）》显示，约2.0×107hm2耕地受到重金属（主要是镉和铅）污染，占总耕地面积的19.4%，同时，镉已被正式认定为我国土壤中最突出的无机污染物[2-3]。蔬菜是人类食物的重要来源，与其他粮食作物相比，叶菜类蔬菜更易积累重金属，食用受重金属污染的叶菜是人类接触重金属的主要途径之一[4-5]。人体内70%的镉积累来自叶菜类蔬菜[6]，因此解决蔬菜特别是叶菜类蔬菜中的重金属超标问题是一项非常重要的任务。

许多研究证明，园林绿化废弃物堆肥、生物炭和腐植酸是环境友好且成本低的土壤改良剂。园林绿化废弃物堆肥作为农林业固体废物稳定化过程的主要产品，是改良土壤最廉价的材料之一[3]。生物炭呈碱性，具有很高的多孔结构和阳离子交换能力，含有大量的羧基和羟基，可降低重金属的生物利用度，从而降低植物吸收和食物链转移[4]。腐植酸是有机质的主要成分，它可以促进矿质营养的吸收和植物的生长[7]。有研究表明，生物炭和腐植酸在一定比例范围内复配可提高油菜的生物量，显著降低油菜中镉的累积量[8]。而将园林绿化废弃物堆肥、生物炭和腐植酸三者复配作为改良剂修复土壤镉的研究鲜有报道。

2012年，北京市园林垃圾总量约为5.69×106t，且逐年增加，一年的园林绿化废弃物资源化处理量约为2.14×105t[3]。因此，本试验以园林绿化废弃物堆肥为主要材料，复配生物炭和腐植酸，得到复合改良剂，改良镉污染土壤，从而实现资源化再利用。本研究拟解决的关键问题：采用园林绿化废弃物堆肥、生物炭和腐植酸复配的改良剂进行盆栽试验，分析改良剂对土壤性状、小白菜镉积累转运及生理特性的影响，为改良剂在镉污染土壤中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采集自华北平原雄安新区老河头镇（115°42E，38°49′N）的镉污染土壤。该土壤20世纪曾用河流污水灌溉，因此造成农田土壤重金属污染。采集0～20 cm的土壤，在25℃室温下干燥4周，筛分至＜2 mm，并移除土壤中的动植物碎屑。土壤为潮土，pH值为7.92，EC值为331μS·cm-1，有机质含量42.47 g·kg-1，镉总含量4.19 mg·kg-1，超过了《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的筛选值和管制值（土壤pH＞7.5时，镉筛选值为0.6 mg·kg-1，管制值为4.0 mg·kg-1。

本研究采用园林绿化废弃物堆肥、果木生物炭和腐植酸3种原料进行复配得到复合改良剂。试验中使用的园林绿化废弃物堆肥来自北京一家园林绿化废弃物消纳中心，原料主要是修剪残渣，如刺槐、臭椿、黄栌、槐、柳、杂草等植物的凋落物，原料经粉碎、添加微生物制剂、一级和二级发酵，完全分解。生物炭为中国陕西怡鑫生物能源有限公司提供的果炭（在500℃高温厌氧条件下热解5 h）。腐植酸由中国山东德州化学制品有限公司提供。将园林绿化废弃物堆肥和生物炭风干，研磨，过2 mm筛，备用。

1.2 盆栽试验

试验于2019年5月7日在北京林业大学温室中进行，小白菜种子为“京绿1号”，来自京研益农（北京）种业科技有限公司。为了研究园林绿化废弃物堆肥、生物炭和腐植酸复配改良剂对镉污染土壤中小白菜生理特性和镉吸收转运的影响，将改良剂[园林绿化废弃物堆肥∶生物炭∶腐植酸=8∶1∶1（m/m）]按不同添加量与镉污染土壤充分混合，设置不同质量比的4个处理：CK（0%）、T1（1%）、T2（2%）、T5（5%），每个处理3次重复，每盆土壤3 kg，共12盆。将小白菜种子种植在镉污染土壤中，当小白菜生长到10 cm时，每盆保留3株生长均匀的幼苗。定期进行养护管理，每周浇水3次，保持土壤持水量60%（m/m），并在20～30℃的温室条件下生长至收获。

1.3 测定项目及方法

40 d后收获小白菜，将小白菜先用蒸馏水冲洗，再用20 mm Na2EDTA浸泡15～20 min，以去除根表面的镉，最后用蒸馏水清洗干净。用纸巾吸净表面水分，进行小白菜质量的测定。用pH计在土水比1∶5（m/V）的去离子水中测定pH值，用EC计在土水比1∶10（m/V）的去离子水中测定EC值。采用CaCl2萃取，电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）对土壤样品中的有效态镉进行分析。

收获时，对从小白菜第1片展开叶向下数的第4片成熟功能叶进行叶绿素含量测定[9]。小白菜叶中的游离脯氨酸含量、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和过氧化物酶（POD）活性的测定，依据植物生理学实验指导完成[9]。根和叶中的总镉含量采用微波消解法，电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定。同时计算小白菜的生物富集系数（BAF）和转运系数（TF）。

1.4 统计分析

利用Microsoft Excel进行数据整理和绘图。采用SPSS统计软件包（21.0版）进行方差分析（ANOVA），差异显著性分析采用LSD法（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 园林绿化废弃物堆肥的表征

图1是园林绿化废弃物堆肥的扫描电镜图。从图1可以看出，园林绿化废弃物堆肥表面多孔，具有发达的孔隙结构，孔隙长度为5～20μm；表面凹凸不平，存在不规则的孔道结构，孔道上存在一定量的介孔。

2.2 改良剂对土壤pH值、EC值、有机质含量和有效态镉含量的影响

图2为施用改良剂后土壤pH值、EC值、有机质含量及土壤有效态镉含量的变化。由图2A可知，与CK土壤相比，改良剂的施用可以显著提高土壤的pH值，T1、T2、T5处理分别提高了0.18、0.26、0.24个pH单位。园林废弃物堆肥是碱性添加物，因此引起土壤pH值的增加。图2B显示，改良剂的施用显著提高了土壤的EC值，不同处理较CK分别提高了3%、7%和14%，同时EC值的增加不会造成土壤的盐碱环境。与CK相比，改良剂的添加使土壤有机质显著增加（图2C），T1、T2、T5处理较CK分别增加了5%、7%和19%，这是由于改良剂中加入了腐植酸，而腐植酸是有机质的主要成分。改良剂的施用显著降低了土壤有效态镉的含量（图2D），T1、T2、T5处理与CK相比，分别降低了30%、32%和42%。

2.3 改良剂对镉污染土壤中小白菜生物量的影响

从图3中可以看出，改良剂的施用显著增加了镉污染土壤中小白菜根和叶的生物量。与CK相比，T1、T2、T5处理分别提高了46%、53%和50%的根生物量；同时分别提高了30%、42%和64%的叶生物量。不同处理之间根生物量增加没有显著差异，但叶生物量增加有显著差异。总体而言，改良剂的施用显著促进了小白菜的生长。

2.4 改良剂对镉污染土壤中小白菜镉吸收转运的影响

表1为施用改良剂后小白菜根和叶的镉含量、富集系数及转运系数的变化情况。改良剂的添加显著降低了镉污染土壤中根和叶的镉含量。与CK相比，T1、T2、T5处理分别降低了13%、18%和33%的根部镉含量，同时分别降低了34%、43%和51%的叶中镉含量。改良剂可以显著降低根和叶中镉的富集系数，根和叶的富集系数分别较CK降低了12%～30%和34%～49%。随着改良剂施用量的增加，叶的转运系数呈现先降低后升高的趋势，但都显著低于CK，且均大于1，说明镉容易从根部向叶中转移。

表1改良剂对小白菜镉吸收转运的影响Table 1 Effects of amendmentson cadmium uptake and transport in pakchoi cabbage

2.5 改良剂对镉污染土壤中小白菜叶片色素含量的影响

表2为小白菜叶片中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）和类胡萝卜素的变化情况。改良剂的施用显著提高了叶绿素a的含量，与CK相比，T1、T2、T5处理分别提高了20%、22%和28%。改良剂的施用提高了叶绿素b的含量，但与CK相比并没有显著差异。叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量的变化趋势与叶绿素a相同，都随着改良剂施用量增加而显著提高，不同处理与CK相比，叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量分别提高了16%～23%和17%～26%。

表2改良剂对小白菜叶片色素含量的影响（mg·g-1）Table 2 Effects of improvers on pigment content in leaves of pakchoicabbage（mg·g-1）

2.6 改良剂对镉污染土壤中小白菜生理特性的影响

图4为改良剂对镉污染土壤中小白菜的MDA含量、SOD活性、POD活性和脯氨酸含量的影响情况。从图4A可以看出，小白菜的MDA含量随改良剂施用量的增加呈显著下降的趋势，与CK相比，T1、T2、T5处理小白菜的MDA含量分别降低了61%、65%和71%。从图4B可以看出，小白菜的SOD活性随改良剂施用量的增加呈下降的趋势，其中T1、T2和T5处理的SOD活性分别下降至114、110、107 U·g-1FW，比CK下降11%、14%和16%，且与CK差异显著。从图4C可以看出，小白菜的POD活性随改良剂施用量的增加呈下降趋势，其中T1处理的POD活性比CK下降30 U·g-1FW（4%），与CK差异不显著；T2和T5处理的POD活性下降16%和26%，与CK差异显著。从图4D可以看出，小白菜的脯氨酸含量随改良剂施用量的增加呈现先下降后升高的趋势，但均显著低于CK，T2处理脯氨酸活性降低幅度最大，下降了34%。

3 讨论

土壤改良剂会改变土壤的理化性质，从而改变土壤重金属有效态含量，进而影响其迁移性和植物特性[3，10-11]。本研究结果表明，添加园林绿化废弃物堆肥、生物炭和腐植酸的复合改良剂可以显著提高土壤pH值、EC值和有机质含量，同时显著降低土壤有效态镉含量（CaCl2），改良剂的添加提高了土壤EC值，但不会引起土壤盐碱化。堆肥和生物炭呈碱性，腐植酸呈酸性，由于堆肥添加比例大于腐植酸，因此导致土壤pH值增加。土壤pH值升高，导致重金属的有效态转化为氢氧化物和碳酸盐沉淀，降低了重金属在土壤中的迁移率和生物毒性效应[12-14]。由图2可知，改良剂的添加导致pH值升高了0.18～0.24个单位，同时显著降低了土壤有效态镉含量30%～42%，说明土壤pH值升高可以显著降低可提取态镉（CaCl2）含量[15]。图1中园林绿化废弃物堆肥的表面是多孔的，具有发达的孔隙结构，其孔隙长度为5～20μm，这种构造有利于金属离子的嵌入配位[3]。生物炭也具有多孔结构，含有大量的羧基和羟基，可降低重金属的生物利用度[4]。腐植酸是有机质的主要成分，堆肥和生物炭中也含有大量的有机质，因此土壤中有机质含量增加，提高土壤肥力的同时又增强了改良剂对重金属和有机污染物的吸附[3，16-17]。在镉污染土壤中添加复合改良剂可以显著提高小白菜根和叶的生物量，这是由于园林绿化废弃物堆肥可以提高土壤养分含量[3]；生物炭增加了离子交换点，利于固定重金属[4]；腐植酸含有大量的有机质，提高了土壤的固氮、固钾和磷分解能力，有利于植物的生长[7]。在盆栽试验中，复合改良剂的添加在降低土壤有效态镉含量的同时也促进了小白菜的生长。

镉在植物体内的积累随土壤性质、改良剂类型、植物种类的不同而不同[18]。植物中重金属的含量与土壤中有效态重金属含量呈正相关[19]。因此施用改良剂后，土壤pH值升高，土壤有效态镉含量降低，这是小白菜根和叶中重金属含量减少的主要原因。植物对重金属的吸收和转运是评价重金属对植物生长危害性的主要指标[20]。BCF被认为是评价重金属在土壤-植物系统中迁移难易程度和描述重金属在植物体内积累趋势的重要指标。TF表征植物根系将重金属离子从地下输送到地上的能力。改良剂施用后小白菜的BCF和TF值均降低，说明小白菜-镉系统中镉的迁移能力降低，镉离子通过根系从地下转运到地上的能力下降。这主要是由于改良剂改变了土壤性质（pH值升高、有机质含量升高、有效态镉含量降低），导致镉的迁移转运能力降低，从而降低了小白菜对重金属的生物利用度。叶菜类蔬菜对重金属迁移率高[21]，改良剂可以有效抑制小白菜对镉的吸收，从而减少了人体摄入量，降低健康风险。小白菜的镉含量虽然降低效果明显，但并未降低到食品安全限量标准内，下一步需要调整3种原材料的配比或加大施用比例，进一步降低小白菜的镉含量，使其符合食品安全限量标准。

镉离子可以抑制植物叶绿素的合成，降低植物光合作用并抑制植物生长[22]。改良剂的施用提高了小白菜叶的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量，这表明改良剂有助于提高小白菜叶绿体结构的稳定性，保护叶片色素，提高光合作用，促进小白菜的生长。植物受到镉胁迫会产生活性氧自由基，为了缓解自由基并减少镉胁迫引起的氧化损害，植物会释放多种酶和非酶防御机制。镉促使脂质过氧化，导致MDA含量不必要的增加，同时镉胁迫下植物的游离脯氨酸含量也会增加[23]。添加生物炭可以显著降低镉处理土壤中的脯氨酸和MDA水平[10]。本试验中，改良剂的施用显著降低了MDA和脯氨酸含量，缓解了镉对小白菜叶片的毒害作用，对细胞器膜完整性有积极作用。MDA和脯氨酸含量的显著降低可能是由于镉吸收量和土壤中有效态镉含量的降低。SOD和POD是植物抗氧化系统中的酶，植物体内镉积累会导致SOD和酶编码基因的活性增强，从而导致抗氧化酶的升高[11]，POD可作为多种植物镉金属毒性的生物标志物[24]。SOD将O2-解毒为H2O2，而POD在过氧化氢的催化作用中起着至关重要的作用[25]。Mehmood等[26]证明了镉毒性对SOD和POD活性的上调作用，以及生物炭改良剂对其活性的下调作用。生物炭的添加显著降低了植物叶片和嫩枝中的POD活性，这是由于SOD分解了更多的超氧化物而产生的更高的氧化应激活性氧和过氧化氢[27]。施用改良剂降低了小白菜根和叶中镉的积累转运能力，增强了小白菜对镉毒性的自我调节，这可能是导致SOD和POD活性降低的主要原因。

4 结论

（1）在镉污染土壤中添加复合改良剂，可以提高土壤pH值和EC值，增加土壤有机质含量，降低土壤有效态镉含量，提高土壤质量。

（2）施用复合改良剂，显著提高了镉污染土壤中小白菜根和叶的生物量，提高叶片色素含量，显著降低小白菜根和叶中镉的积累转运。

（3）施用复合改良剂，显著缓解了镉对小白菜的毒害作用，小白菜叶中的MDA含量、SOD活性、POD活性和脯氨酸含量等抗逆性指标明显降低。