绿化废弃物堆肥对镉胁迫下小白菜种子萌发的影响

李 松，孙向阳，李素艳，马其雪，周文洁

(1.北京林业大学林学院，100083，北京; 2.江苏农林职业技术学院，212400，江苏句容)

土壤重金属污染加剧是全球关注的环境问题之一，镉(Cd)主要来自人为活动，例如污水灌溉和施肥，对农业土壤造成了严重污染[1]。在重金属中，Cd被认为是剧毒且不可生物降解的污染物，很容易被植物根部吸收并转移到其他部位[2]，从而通过食物链和生态系统威胁人类健康安全[3]。由于镉的高迁移率和对土壤胶体的低亲和力，土壤中镉的少量增加就可显著提高农作物中的镉含量[4]。研究表明，重金属在不同农作物和蔬菜中积累能力是可变的，多叶蔬菜中累积重金属含量较高[5]，因此最大限度地减少其向蔬菜可食用部分的转移非常重要。

堆肥、生物炭、赤泥、沸石和石灰等材料是土壤原位重金属钝化剂，也是低成本、环保性较好的污染土壤修复的关键途径[6-7]。有机无机类钝化剂具有净化土壤重金属污染功能，是目前使用较多的重金属钝化材料[8]，其对消除废水的重金属污染也有相似的效果[9]。土壤重金属钝化剂的效应是由多种机理共同起作用的，主要是通过吸附、沉淀、络合和氧化还原反应来钝化重金属，通过改变重金属的相互作用机理来降低重金属的迁移率和生物有效性[6,9-10]。2012年，北京市绿化废弃物总量约为569万t，且逐年增加，绿化废弃物堆肥(green waste compost, GWC)已经作为有机覆盖物、植物生长介质使用。针对目前土壤重金属污染及GWC资源量大的问题，应对GWC在修复重金属污染方面开展研究，建立以“减量化”“资源化”“再利用”为目标的绿化废弃物循环利用机制。目前，重金属对小白菜(Brassicachinenesis)种子萌发及幼苗生长影响的报道较多，但有关GWC对镉胁迫下小白菜种子萌发及幼苗生长影响的研究鲜见报道。鉴于自然环境下种子在萌发期就受到污染胁迫，而且种子发芽和幼苗根的发育是植物生长周期的重要阶段，也是植物对环境变化最敏感的阶段[11]，因此，研究GWC对镉胁迫下小白菜种子萌发的影响，以期为预防小白菜镉早期伤害及镉污染土壤的治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.2 试验方法

1.2.1 发芽试验 试验于2019年7月10日至8月1日在北京林业大学林学院进行。设置和统计不同镉质量浓度梯度下小白菜种子萌发及幼苗生长。用pH 7下不同镉质量浓度溶液0、5、10、25、50、100和200 mg/L处理小白菜种子，分别标记为Cd0、Cd5、Cd10、Cd25、Cd50、Cd100和Cd200。准确称取0.5 g GWC于250 mL的具塞锥形瓶中，分别加入一系列pH 7下50 mL质量浓度为0、5、10、25、50、100和200 mg/L的镉溶液，在25 ℃恒温振荡器中以180 r/min匀速振荡24 h，结束后将样品过0.45 μm水相滤膜收集，用美国PE公司ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪，测定滤液中的Cd2+质量浓度。不同质量浓度镉溶液(0、5、10、25、50、100和200 mg/L)经GWC吸附处理后处理小白菜种子，分别标记为：GWC0、GWC5、GWC10、GWC25、GWC50、GWC100和GWC200。

小白菜种子使用2 g/L高锰酸钾溶液表面消毒30 min，然后用去离子水冲洗10 min，并在室温(25.0 ℃)中用去离子水浸泡4 h，除去漂浮的劣质种子，用滤纸吸干表面的水分，用于胁迫试验。种子萌发试验在实验室人工气候箱中进行。将处理后的种子整齐排列在双层滤纸培养皿中，分别添加不同质量浓度镉溶液和堆肥处理的镉溶液10 mL，每天在固定时刻观察记录发芽种子数，补充1～2 mL处理溶液。将培养皿放在气候箱中：16 h/8 h光照/黑暗，光照强度1 000 Lx，温度25 ℃/20 ℃和湿度80%。每个培养皿放置25粒种子，每个处理有6个重复。

1.2.2 发芽指标测定 发芽指标测定参照李伟成等[12]方法。发芽标准：以种子胚根长度达到种子长度的一半作为发芽标准。在2 d统计发芽势，5 d统计发芽率，并测定萌发种子的根长、芽长，计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根长抑制率和芽长抑制率等指标。发芽率反映种子发芽能力的重要指标。发芽势指测试种子的发芽速度和整齐度。发芽指数指种子在失去发芽力之前已发生劣变的数量。活力指数是种子发芽速率和芽苗生长量的综合反映，在一定程度上体现芽苗的生长速度。

发芽率

Gr=∑(Gt/N)×100%；

(1)

发芽势

Ge=T5/N；

(2)

发芽指数

Gi=∑(Gt/Dt)；

(3)

活力指数

Vi=l∑(Gt/Dt)；

(4)

根长抑制=(R0-R)/R0×100%；

(5)

芽长抑制率=(S0-S)/S0×100%。

(6)

式中：Gt为在t日时的发芽数；N为种子总数；T5为5 d内发芽种子粒数；l为幼苗长度，cm；Dt为相应的发芽时间，d；R0为空白组根长，cm;R为处理组根长，cm；S0为空白组芽长，cm;S为处理组芽长，cm。

1.2.3 堆肥吸附镉离子前后表征及吸附效果 GWC吸附25 mg/L Cd2+前后表面形貌特征采用带能谱的扫描电镜(SEM-EDS)表征。

GWC吸附Cd2+的吸附量(q)及吸附效率(R)计算公式如下:

(7)

(8)

式中：V为Cd2+溶液体积，L；Co和Ce分别为Cd2+的初始质量浓度和平衡质量浓度，mg/L；m为GWC的质量，g。

1.2.4 Cd含量测定 首先使用去离子水将根和芽冲洗干净，然后将根和芽在70 ℃下烘干至恒质量。进行研磨均匀后，将样品在高氯酸-硝酸中(V/V，3∶1)进行消解，采用美国PE公司ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪，测定重金属含量。

转移系数

TF=Cs/Cr。

(9)

式中Cs和Cr分别为地上部和根中的镉质量浓度， mg/L。

1.3 数据分析

采用Excel 2007做图， SPSS21.0进行计算及相关性分析。图表中数据用平均值±标准差(n=3)表示。采用单因子方差分析(One-way ANOVA)进行统计分析，用LSD 法对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 堆肥的表征及吸附效果

图1 GWC吸附Cd2+前后的(SEM-EDS)图像Fig.1 SEM-EDS images before and after adsorption of Cd2+ by GWC

GWC吸附Cd2+前后的SEM- EDS图谱如图1所示。由图1看出，GWC的表面凹凸不平，存在不规则的孔道结构，孔道上的存在一定量的介孔，有利于金属离子的嵌入配位。通过EDS分析，GWC是由C、O、Ca、Si和Mg基本元素与少量的K和S营养元素构成的。GWC中C的质量分数为43.07%，O的质量分数为36.35%，EDS分析未发现有Cd存在。GWC吸附Cd2+后，其C的质量分数为55.05%，O的质量分数为39.98%，同时EDS分析发现质量分数为0.17%的Cd，说明Cd吸附在GWC上。

表1为GWC吸附Cd2+的吸附效率和吸附量。GWC对不同质量浓度的Cd2+有明显吸附作用，吸附效率随初始质量浓度的增大无明显变化，吸附效率在97.66%～98.91%之间。GWC对Cd2+的吸附量随Cd2+平衡质量浓度的增加而增加。在初始Cd2+质量浓度为5～200 mg/L，即吸附平衡质量浓度在0.066 3～4.681 mg/L范围时，GWC吸附Cd2+的吸附量均随Cd2+质量浓度的增加呈直线快速增大，由0.49 mg/g增加到19.53 mg/g。

表1 GWC对Cd2+的吸附效率和吸附量Tab.1 Adsorption efficiency and capacity of Cd2+ by GWC

2.2 对种子发芽指标的影响

由表2可知，通过数据分析说明镉胁迫下小白菜种子发芽指标表现出“低促高抑”的双重性影响。低镉处理(≤Cd25)时，小白菜种子的发芽率、发芽势和发芽指数未出现显著差异；超过此质量浓度，种子发芽率、发芽势和发芽指数表现出显著的抑制性(P<0.05)。当处理为Cd5、Cd10、Cd25、Cd50和Cd100时，种子的活力指数较对照分别降低29.1%、53.0%、66.2%、 85.7%和93.0%。高浓度镉(Cd200)处理导致种子不能萌发，萌发破坏严重，因此无法进行相关的发芽数据分析。GWC降低培养液中Cd2+质量浓度，使其处在较低镉质量浓度范围反而促进小白菜种子萌发。发芽率、发芽势和发芽指数均未出现显著性差异(P>0.05)；活力指数表现出显著性的增加(P<0.05)，随后降低。GWC处理可以显著缓解镉胁迫对种子萌发的抑制作用，并表现出一定的促进作用。

表2 镉胁迫下对小白菜种子萌发的影响Tab.2 Effects of Cd2+ stress on the seed germination of pakchoi cabbage

2.3 对种子根、芽生长的影响

图2 可知，小白菜种子根长随镉处理质量浓度的增大显著降低(P<0.05)；根长抑制率44%～100%。镉胁迫对芽长表现出“低促高抑”的双重性影响。低镉处理(≤Cd10)对芽的生长有显著的促进作用。当镉处理质量浓度≥Cd25，芽长抑制率随镉处理质量浓度增大而显著上升(P<0.05)。由于根部直接接触镉，镉对根的抑制明显大于芽。由于GWC显著降低培养液中Cd2+质量浓度，根长和芽长对镉胁迫显示出更加明显的“低促高抑”。小白菜根长先增大后减小，根长抑制率-6%～44%。芽长和芽长抑制率与镉直接胁迫呈现完全不同的趋势。堆肥处理显著促进小白菜的芽长生长(P<0.05)，芽长抑制率均为负值，且与对照差异显著(P<0.05)。说明堆肥处理可以显著促进小白菜芽长的生长。

图2 镉胁迫对小白菜根、芽生长的影响Fig.2 Effects of Cd stress on the root and shoot growth of pakchoi cabbage

2.4 对小白菜重金属吸收的影响

由表3可知，随镉处理质量浓度的增加，根与地上部的镉质量分数增加。在Cd25处理下，幼苗根部镉质量分数最高可达71.93 mg/kg。在Cd50处理下，幼苗地上部镉的最高质量分数可达54.03 mg/kg。在同一镉质量浓度处理下，根的镉质量分数明显高于地上部，且随着镉质量浓度的增加其转运能力降低，转运系数从0.87降低到0.41。其原因可能是由于镉离子的毒害作用，使小白菜以非正常生理代谢的方式被动吸收镉，导致大量镉累积于根部。由于GWC显著降低培养液中的Cd2+，各处理根部和地上部镉质量分数明显降低且未出现显著性的差异(GWC200除外)。GWC200处理下的小白菜根和地上部的镉质量分数分别为13.87与11.37 mg/kg，低于Cd5处理下小白菜根和地上部的镉质量分数。堆肥处理后小白菜镉的转移系数范围为0.82～1.00，镉的转运能力未出现显著变化。

表3 小白菜根与地上部镉质量分数及转移系数的变化Tab.3 Changes of Cd content and translocation factorin pakchoi cabbage

3 讨论

种子萌发与幼苗生长对重金属尤为敏感，种子萌发时期又直接影响植物的生长和产量[13-14]，因此研究缓解镉胁迫对小白菜种子萌发的抑制尤为重要。GWC对Cd2+具有明显的吸附作用，吸附量随Cd2+质量浓度增大而提高，吸附效率97.66%～98.91%。原因是GWC颗粒上存在许多明显的凹凸不平的不规则的孔道结构，孔道上的介孔数量较多，此种结构可提供足够的吸附点位，随Cd2+起始质量浓度的升高，Cd2+与GWC表面接触的机会增加，更有利于吸附剂活性位点对Cd2+的吸附[15]。

镉胁迫会降低小白菜种子的发芽指标，对小白菜芽长生长存在较低质量浓度下的刺激效应和高质量浓度下的抑制效应，并且高浓度对芽根伸长抑制作用更为显著，且对根伸长的抑制作用强于芽。镉胁迫对根长的抑制作用往往大于对芽长的抑制作用[16-17]。在种子萌发和幼苗生长过程中，根是植物吸收水分的器官，一直完全与重金属溶液接触，故根系比茎叶响应更为强烈[18]。镉显著抑制小白菜种子活力指数的质量浓度低于其他种子萌发指标，说明小白菜幼苗生长比种子萌发对镉更加敏感[19]。高质量浓度镉胁迫下小白菜就出现“无根苗”，原因是镉抑制了种子内贮藏淀粉和蛋白质的分解，导致缺少种子萌发所需的物质和能量[14]。由于GWC吸附作用显著降低培养液中的Cd2+，明显改善小白菜种子萌发环境。镉对小白菜种子萌发具有“低促高抑”双重性影响，较低质量浓度下的刺激效应可以提高种胚生理活性，提高小白菜种子的发芽指标，促进小白菜根和芽的生长。一定浓度的腐植酸钠提高了铅、镉胁迫下小麦种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数等指标，促进小麦幼苗芽和根的生长[20]。利用环境材料钝化稳定溶液中的重金属，环境材料有较强的吸附、中和、絮凝等作用，有效降低培养液中镉离子，使其处在较低浓度范围而促进玉米幼苗芽、根生长[9]。

植物对镉的吸收分配随植物种类，品种及同一品种的不同部位而不同。研究发现镉在小白菜体内积累顺序依次为根>茎>叶[21-22]。镉的转运系数随镉质量浓度的增大而降低，这是植物的自我保护机制，大部分镉积累在根部，可以减轻镉对地上部各器官的毒害作用。由于GWC有效降低培养液中Cd2+，明显减少小白菜体内镉质量分数及向可食用部分的转移，这对小白菜产品安全方面会有不可忽视的影响。

4 结论

1)GWC颗粒上存在许多明显凹凸不平不规则的孔道结构，对Cd2+有明显的吸附作用，吸附质量分数由0.49 mg/g 增加到19.53 mg/g，吸附效率97.66%～98.91%。

2)镉胁迫会降低小白菜种子的发芽指标，对小白菜芽长生长存在较低质量浓度下的刺激效应和高质量浓度下的抑制效应，并且高质量浓度的抑制作用对芽、根伸长更为显著，同时增加根和芽镉质量分数，降低镉的转移系数。由于GWC有效降低培养液中Cd2+，促进镉对小白菜种子萌发的“低促高抑”双重性影响，提高小白菜种子的发芽指标，促进小白菜根和芽的生长，显著降低小白菜体内的镉质量分数，显著缓解镉对小白菜种子萌发及幼苗生长的破坏和抑制作用。