钝化剂对卷丹百合镉含量及生理特性的影响

雷星宇，胡 瑶，邓钢桥，李宏告，张跃龙，胡 蝶，李丽辉

（湖南省核农学与航天育种研究所，长沙 430125）

0 引言

镉(Cd)是一种重金属元素，对人体肾脏、生殖器官、大脑等多种脏器都特别有害，目前仍然缺乏能够抵消镉毒性的治疗方法。食物摄入是人接触镉的主要来源之一[1]。卷丹百合(Lilium lancifolium)是多年生草本球根植物[2]，不仅是餐桌上常见的美味佳肴，还是治疗慢性气管炎及肺结核等肺部疾病的良药[3]。但是卷丹百合通过无性繁殖加上过量施用农药化肥，以及环境污染，生产出的种球出现了重金属镉超标的现象，如不加以控制，镉通过食物链最终将严重危及人类健康[4]。因此，加强卷丹百合镉含量的相关研究尤为重要。

土壤重金属修复可分为物理、化学或生物方法、隔离法、土壤原位钝化修复法等。物理、化学或生物的方法成本高，隔离法工程技术要求高，原位钝化修复法是采用各种钝化材料，通过对重金属的吸附沉淀、络合等作用，将重金属固定在土壤中，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性，是投入较低、操作简便、环境友好土壤修复方法[6-8]。钝化剂种类众多，大致可分为无机类和有机类[9]。生物炭、生石灰、蛇纹石是3种不同特性的钝化材料，生物质炭是目前使用最广泛的有机钝化剂[10]，由生物质经高温限氧热裂解而成的多孔状炭化物，在吸附土壤镉、减少土壤镉含量、缓解作物镉胁迫等方面有良好的效果[11-12]。生石灰属于无机钝化剂，又称云石，氧化钙是其主要成分，可显著提升土壤pH，缓解重金属镉对作物的危害，同时能增加土壤钙营养，提高作物品质。但碱性过强，易施用过量，破坏土壤理化性质，对土壤和作物都产生不良影响[13]。蛇纹石是一种含水的富镁硅酸盐矿物类钝化剂，不仅对土壤镉具有拮抗作用，还能提高植物光合速率和干物质的积累，改善植物体内水分代谢，提高水分利用率等[14-16]。

目前，重金属钝化剂对作物的影响研究多集中在水稻、玉米、小麦、蔬菜等领域，对药食两用植物领域研究较少[11-17]，对其机理研究更是少之又少。

笔者对比上述3种不同类型的钝化剂对降低土壤镉污染和卷丹百合植株各器官镉含量及生理特性的影响，并比较3种钝化剂的优缺点，以期为卷丹百合安全生产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤 采自湖南省农业科学院院内园林种植土，0～20 cm耕层，质地为黄潮土。土壤除去石子等杂物后风干过筛后，喷洒CdCl2至土壤镉含量为5.0 mg/kg，装入盆中（口径28 cm,高30 cm)，放入大棚中腐熟20天。测得土壤pH 7.43、有机质22.0 g/kg、总氮0.84 g/kg、总镉含量4.20 mg/kg、有效态镉1.88 mg/kg、阳离子交换量12 cmol/mg。

1.1.2 供试卷丹百合 采自龙山龙雨百合农民专业合作社，测得镉0.226 mg/kg，生物质量21.014 g，球茎4.01 cm。

1.1.3 供试钝化剂 生物炭购自平顶山市绿之原活性炭有限公司，果炭，细度325目，碘值500～1200 mg/g。生石灰购自江苏南京中尚日化，钙含量达95%以上。蛇纹石由课题组自制，将蛇纹石用蒸馏水洗净，风干，破碎粉磨过100目，成分含量有MgO(43.6%)、SiO2(43.6%)。

1.2 研究方法

试验于2020年1月20日在湖南省核农学与航天育种研究所苗圃内进行。试验设置4个处理，分别为空白对照+常规施肥(CK)、生物炭2%+常规施肥(T1)、生石灰2%+常规施肥(T2)、蛇纹石2%+常规施肥(T3)，每个处理4次重复。将卷丹百合种球经多菌灵浸泡后1 h后，选取大小相近的种球64颗植入盆中，每盆种植卷丹百合4颗，于百合花期（种植后152天）每个处理取长势一致的百合3株做样品测定。

1.3 测定项目与方法

农艺指标包括百合叶片数、株芽数、茎粗、磷茎直径、叶面积、株高。每株取顶端嫩叶7～8片，放入-70℃冰箱保存，检测SOD、POD、CAT、MDA、Pro酶活含量。将根、鳞茎、地上茎、叶、花器官分开，烘干，粉碎，封袋干燥保存，检测卷丹百合各器官镉含量。采用多点取样法获取盆栽土壤，混匀，阴干，粉磨，检测添加钝化剂后土壤重金属镉含量。

1.3.1 土壤全镉的测定方法 采用湿法消解法，称取过100目土样(0.5000±0.0002)g于消煮管中，加入5 mL王水(HCl:HNO3=3:1)，盖上弯颈漏斗，浸泡过夜。将消煮管放在消解炉上80℃加热1 h，调至150℃加热1 h，取下弯颈漏斗，加入2 mL的HClO4再盖上漏斗，升温至190℃加热2 h，升温至220℃消解至近干或白色粉末状，取下漏斗，赶酸，冷却后倒入25 mL容量瓶定容，用ICP-MAS进行镉含量测定。

1.3.2 土壤有效镉的提取方法（DTPA提取法）称取1.967 g二乙稀三胺五乙酸(ETPA)，溶于13.3 mL三乙醇胺(TEA)和少量去离子水，再将1.11 g氯化钙溶于去离子水，一并转入1000 mL容量瓶，加入去离子水至950 mL，用6 mol/L盐酸溶液调至pH 7.3，存储于塑料瓶中，准确称取过100目土样(2.0000±0.0002)g至离心管中，加入25 mL配制好的DTPA提取剂，盖紧瓶盖，在32.7℃、180 r/min摇床中震荡30 min，再移入离心机中，4000 r/min离心3 min，用移液枪小心吸取上清液移入小管中，放入冰箱待测。

1.3.3 植株中全镉的测定 称取烘干粉碎的植物样品(0.500±0.002)g于消解管中，加混酸(HNO3:HClO4=4:1)10 mL，盖上小漏斗，静置6 h以上，在消解炉上95℃加热微沸15 min，再热20 min至120℃，使回流清洗管壁，继续加热90 min至170℃，至液体透明，再加热至190℃苷酸，至剩下1～2 mL液体于管底，然后取下冷却，加超纯水定容至25 mL容量瓶中，用ICP-MAS进行镉含量测定。

试验中土壤的各种理化性质均采用常规分析方法，有机质采用重铬酸钾外加热法，pH采用土水比1:2.5用pH计测定。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)、过氧化物 酶 (peroxidase，POD)、丙 二 醛 (malondialdehyde，MDA)、脯氨酸(proline，Pro)均用比色法进行检测。

1.4 数据处理

采用SPSS 23.0对数据进行方差分析和统计检验，用Excel 2010进行数据处理与作图。

1.5 质量保证与控制

土壤的消煮采用GBW07401进行质控，回收率为96%～102%，植物的质控采用GBW07603进行质控，回收率为93.2%～97.9%，试验用水均为蒸馏水，实验室测定分析用的浓硝酸、浓盐酸、浓硫酸均为优级纯，所用消煮管均经过10%～15%的硝酸溶液浸泡24 h后用清洗剂刷洗，并用自来水冲洗2遍烘干备用。

2 结果与分析

2.1 钝化剂对卷丹百合农艺性状影响

由表1可知，施用3种钝化剂对叶片数变化较显著。T1处理叶片数量增加了8.4%，T2处理增加了27.3%，T3增加了37.3%，其中T2和T3处理相比差异不大。而3种钝化剂对株芽数、茎粗、叶面积、鳞茎直径、株高与对照相比均无显著差异。

表1 3种钝化剂对卷丹百合农艺性状的影响

2.2 钝化剂对土壤pH、总镉含量和有效态镉含量的影响

由图1A可知，钝化剂的施用显著提高了土壤pH，T1、T2、T3处理较CK分别提高了0.32、0.48、0.43。其中T2处理对土壤pH的提高最显著，而T1处理的效果最弱。由图1B可知，钝化剂的施用降低了土壤总镉含量，其中T2处理的效果最显著，使土壤总镉含量降低33%；T3处理效果次之，与CK相比降低了17%；而T1处理只降低了11%。由图1C可知，施用钝化剂能有效降低土壤有效态镉含量，且变化趋势和总镉含量变化趋势一致。与CK相比，T2处理效果最显著，使土壤镉有效态含量降低了26%；T1和T3处理效果相似，施用后有效态都降低了13%。

图1 3种钝化剂对土壤pH、总镉、有效态镉含量的影响

2.3 钝化剂对卷丹百合镉含量影响

由图2可知，施用3种钝化剂都能降低卷丹百合各器官的镉含量，但是不同处理对降镉的显著程度不同。由图2A可知，与CK相比，根的镉含量在T2和T3处理下降低程度最显著，分别降低了25%、19%，而T1处理只降低了8%；由图2B可知，与CK相较，鳞茎的镉含量在T2处理下效果最显著，降低了30%，T1和T3处理次之，分别降低了22%、26%；由图2C可知，与CK相比，地上茎的镉含量在T2处理下最显著，下降了29%，T1和T3处理次之，分别降低了15%、16%；根据图2D，与CK相比，叶的镉含量在3个处理下降低程度都十分显著，分别降低了24%、34%、32%；由图2E可知，花的镉含量在T2和T3处理下变化显著，与CK相比，分别降低了22%、26%，而T1处理只降低了2%。

图2 3种钝化剂对卷丹百合镉含量的影响

2.4 钝化剂对卷丹百合生理特性影响

2.4.1 3种钝化剂对卷丹百合Pro和MDA含量的影响由图3A～B可知，施入3种不同钝化剂后，Pro和MDA含量都有不同程度降低。MDA含量较Pro降低程度大，与CK相比，T2处理降低程度最显著，降低了51.20%，T1、T3处理次之，分别降低了32.60%、34.09%；Pro含量降低程度较弱，与CK相比，T2处理降低程度显著，降低了16.76%；T1和T3处理与CK相比变化不显著。

2.4.2 3种钝化剂对卷丹百合抗氧化物酶系统活性的影响 由图3C～E可知，施入3种钝化剂均能显著增加卷丹百合抗氧化物酶活性，不同酶活增加的幅度不同。与CK相比，T2处理下SOD活性变化显著，增加了38.76%；T1、T3对SOD活性影响不显著，分别只增加了17.37%、18.97%。3种处理CAT活性变化与CK相比处于同等显著水平，T1、T2、T3处理分别增加了9.83%、18.12%、10.76%。3种处理对POD酶活影响各不相同，与CK相比，T2处理对POD酶活影响最显著，增加了23.62%；T3处理显著性次之，增加了10.68%；T1处理下显著水平最低，只增加了9.42%。

图3 3种钝化剂对卷丹百合生理特性的影响

3 结论

3种钝化剂处理均在不同程度上降低了土壤和植株中的镉含量，并且均能有效缓解镉对卷丹百合的毒害作用。（1）生石灰对土壤和植株的降镉效果最明显，缓解镉毒害作用最强，但是容易破坏土壤理化结构，适合在高度镉污染的土壤中运用。（2）生物炭和蛇纹石的降镉效果较弱，缓解镉毒害作用较弱，但其对土壤结构破坏小，其材料特性对植物生长有促进作用，更适合在低镉土壤中运用。此外，蛇纹石对花器官镉富集系数降低能力最显著，更适合在食花、食果的作物上运用。（3）卷丹百合食用部分为鳞茎，生石灰对鳞茎的降镉能力最显著，因此生石灰是更适合百合植株降镉的材料。但生石灰施用过量会对土壤理化性质产生不良影响[18]，因此，控制生石灰用量，在生石灰中配合加入其他的钝化材料将是今后研究的方向。

4 讨论

4.1 3种钝化剂通过提高土壤pH影响镉的有效性

3种不同材质钝化剂均可提高土壤pH，从而降低土壤镉含量和镉有效性[19]。生石灰碱性最强，提高土壤pH的能力最显著，降低镉有效性能力最强[17]；随着pH升高，一部分镉水解成易被土壤胶体所吸附的Cd(OH)2，另一部分氧化镉或碳酸镉易发生共沉淀反应，镉的有效性降低[20]。生物炭相较于蛇纹石钝化剂pH较低，但两者降低土壤有效态镉的能力相近，其原因可能是2种钝化剂有不同的性质。生物炭比表面积较大，能提供较多的阳离子吸附点来吸附交换态镉，并且，生物炭含有大量的羧基和羟基，可降低重金属的生物利用度，从而降低镉效性的能力增强[12]。蛇纹石属无机矿物钝化剂，富含多种有效吸附镉的硅、镁离子，Mg2+能够置换土壤胶体上的H+生成Mg(OH)2，对Cd2+有较强的单分子层吸附作用。谢武双等[21]研究也证明了Mg2+易抑制镉的活性，并降低作物对镉的吸收。硅能与镉发生化合沉淀反应，降低重金属的活性[22]，但蛇纹石属硅镁化合物，硅、镁离子在材料中有效成分可能相对含量较低，因此在同一环境中相较于生物炭的镉吸附和钝化能力弱。

4.2 3种钝化剂添加对卷丹百合各器官镉含量的影响

3种钝化剂添加能不同程度上减少卷丹百合各器官含量。生石灰施用显著降低了百合大部分器官镉含量，其首要原因是生石灰pH高，施入土壤后土壤有效态镉含量显著降低，从而降低了百合镉各器官的镉吸收[19]，其次，生石灰中的Ca2+能与植株根系抢占Cd2+结合位点，从而减少镉向植株的输送[23-24]；生物炭pH较低，但可通过阳离子吸附重金属降低土壤镉向植物的迁移率，还能提高土壤肥力，减轻镉对植株的毒害[25-26]，蛇纹石有较高的pH，其硅、镁离子一方面能抢占吸收位点，另一方面还能增加细胞壁的厚度，并将镉离子驱隔于细胞壁中，降低细胞质中的镉含量，导致被输送到地上部分的镉含量逐渐减少[27]，植株地上部各器官镉含量也相应降低。因此，在蛇纹石影响下，镉通过自下而上的运输，镉离子被大量地固定在茎、叶部，故花器官镉含量降低程度最显著[28-29]。生物炭对根系镉含量影响系数不显著，其原因可能与生物碳吸附量达到饱和后，重金属容易被重新释放，根尖细胞镉吸收增加相关。

4.3 3种钝化剂对卷丹百合生理特性的影响不同

生石灰处理下，MDA、Pro含量降低程度最强，同时激发SOD、CAT和POD抗氧化酶活性能力也最强：生物炭与蛇纹石对MDA、Pro含量降低程度较弱，抗氧化酶活性能力也较弱。MDA、Pro是细胞膜脂过氧化的产物，被用作衡量膜脂过氧化程度的指标，一般来说，随着镉胁迫强度的增大，植物体膜质损伤增加，MDA和Pro含量随之增加[30]。SOD、CAT和POD是植物适应逆境胁迫时重要的抗氧化酶，SOD、CAT和POD酶的协同作用可以清除活性氧或其他过氧化物自由基对细胞膜系统的损害，其活性的变化能反映植物抗逆性的强弱，其中POD是多种植物镉金属毒性的重要标志物[31]。本研究结果显示，SOD、CAT和POD酶在3种钝化剂处理下活性增加，而MDA、Pro在3种钝化剂的处理下含量降低，说明3种钝化剂不同层度上降低了植株的镉胁迫，促使SOD催化O2-转化为H2O2的能力增强，同时POD和CAT将H2O2分解为水，从而清除了植株体内的活性氧自由基，缓解了膜系统在镉胁迫环境下的伤害，MDA、Pro的含量随之降低[32]。SOD、CAT和POD酶随镉含量降低，活性升高，这可能与4.20 mg/kg镉含量背景下酶系统功能受损、抗氧化酶活性下降相关，3种钝化剂处理均降低了镉含量，减轻了细胞的迫害程度，酶系统逐渐恢复，抗氧化酶活性增强。这与朱红霞[33]研究发现马齿苋SOD、CAT和POD含量在≥1 mg/L的Cd胁迫后，SOD、POD和CAT活性随着Cd浓度升高而降低的规律一致。