不同钝化材料对白及吸收累积镉的影响

刘桂华，吴科堰，秦 松，柴冠群，吴正卓，范成五

(1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳 550006；2.贵州大学农学院， 贵阳 550025；3.贵州省环境监测中心站,贵阳 550001)

【研究意义】镉(Cd)具有较强的生物毒性，通常是中药材中日常监控的有害重金属元素之一[1]，我国中药材Cd的污染率高达26.35%[2]。Cd元素具有很强的生物蓄积性，当人体长期服用周期较长且具有一定量Cd的中药材或保健类产品，易使得Cd在人体内积累难以排出，富集到一定浓度会呈现毒性作用[3]。因此，降低中药材对Cd的吸收富集，减轻Cd对中药材的毒害研究极为重要。白及(Bletillastriata)为兰科白及属多年生草本植物，主要药用成分为白及多糖，具有收敛止血，消肿生肌等功效[4-6]。贵州很多地区如安龙县、普安县和湄潭县具有多年采挖和种植白及的经验，技术基础好，是贵州道地珍稀药材。白及的规模化种植丰富了贵州省特色产业的发展，同时助力了广大群众实现脱贫致富。近年来，有部分学者对白及受到重金属污染的现象也有报道。如张家春等[7]通过对不同龄白及块茎重金属含量研究发现，Cd含量超过《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》(WM2—2001)中规定Cd≤0.3 mg/kg。朱迪等[8]通过检测不同来源白及中的重金属含量发现，野生白及样品的重金属污染程度高于栽培白及样品。因此，控制中药材白及中Cd含量的积累，对白及的安全生产与食用有重要意义。【前人研究进展】原位钝化修复技术是向污染土壤中施入各种钝化剂，利用沉淀、吸附、络合和氧化还原等机制为特点，从而降低重金属的生物有效性，使其转化成植物难以吸收利用的成分，从而达到修复的技术。其关键技术在于钝化剂的选择，目前采用的钝化剂主要分为无机钝化剂(如石灰、无机硅肥、磷酸盐)、有机钝化剂(如秸秆、农家肥)和无机—有机混合钝化剂(如污泥、堆肥)3种类型[9]。已有研究表明，生物质炭[10-11]和硅质矿物[12-13]等对重金属污染土壤中作物吸收重金属具有良好的抑制作用。【本研究切入点】目前，关于钝化材料在土壤重金属污染钝化修复方面的研究作物主要集中在稻米及蔬菜方面[14-15]，对于中药材的研究涉及较少，尤其是针对中药材白及Cd 污染土壤修复的研究工作相对缺乏。【拟解决的关键问题】通过盆栽试验，研究含磷物质、硅钙肥、玉米秸秆生物炭、牛粪有机肥及其组合等不同钝化材料对白及吸收重金属Cd的影响，以期为Cd污染土壤种植的白及可食部分块茎的质量安全提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

土壤采自贵州省安顺市西秀区刘官乡，0～20 cm耕层，黄壤，pH 4.53，有机质29.8 g/kg，全氮0.142 g/kg，碱解氮193.6 mg/kg，全磷0.116 g/kg，有效磷10.1 mg/kg，全钾0.84 g/kg，速效钾349 mg/kg，Cd全量0.11 mg/kg，Cd有效态0.023 mg/kg。白及为紫花三叉白及，安龙欣蔓生物科技有限公司提供。无机钝化材料包括含磷物质和硅钙肥，购于贵州省开磷集团有限责任公司；有机钝化材料为玉米秸秆生物炭和牛粪有机肥，玉米秸秆生物炭为贵州省土壤肥料研究所提供，牛粪有机肥购自贵州省地宝公司，各钝化材料的Cd含量和pH见表1。其他试剂均为优级纯或分析纯。

表1 钝化材料的Cd全量及pHTable 1 Full amount of Cd and pH of passivation materials

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 盆栽试验于2018年4月至2019年5月在贵州省土壤肥料研究所大棚内进行。人工模拟Cd污染，污染水平设为1.5 mg/kg。钝化材料共设9个处理，分别为不施钝化材料(CK)，施5%硅钙肥(Si)、5%牛粪有机肥(NF)、5%玉米秸秆生物炭(YM)、5%含磷物质(P)、5%硅钙肥+5%玉米秸秆生物炭(Si+YM)、5%含磷物质+5%玉米秸秆生物炭(P+YM)、5%的牛粪有机肥+5%含磷物质(NF+P)和5%牛粪有机肥+5%硅钙肥(NF+Si)。

1.2.2 试验过程 将配制好的氯化镉(CdCl2·2.5H2O)溶液喷施在过5 mm筛的土壤中，用塑料铲多次混合均匀，平衡老化40 d(期间用称重法保持土壤湿度为田间持水量的60%，测土壤中全量Cd浓度，将预设Cd浓度和实际测得Cd浓度进行拟合，线性相关性达0.999，保证了试验的准确性)；将已老化土壤装入直径26.5 cm，高度17.6 cm的塑料盆中，每盆装土3 kg；向已装好老化土壤的盆钵施加不同处理钝化材料，每个处理重复3次，9个处理共27盆，平衡稳定2周；每盆施入基肥N 0.15 g/kg(尿素)、P2O50.10 g/kg(磷酸二氢钠)和K2O 0.15 g/kg(硫酸钾)，平行移栽大小中等，芽眼多，无病的驯化白及苗，每块带1～2个芽，保持每盆3株。每盆白及生长过程中用自来水灌溉，土壤湿度保持在田间持水量的60%～70%。防止污染，每次浇水定量，保持所有盆栽浇水量一致。白及生长发育期间，以水溶肥追肥4次，白及生长1年后收获。

1.3 样品采集与测定

白及样品收获后用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗数次，最后用吸水纸吸干表面水分。分为根系、地下块茎以及叶3个部分，测其鲜重(FW)；在105 ℃下杀青30 min后在75 ℃下烘干至恒重，测其干重(DW)，将烘干样品磨碎后过100目尼龙筛测定Cd含量。将每处理土壤倒在白色塑料盆内，充分混合后用四分法取舍，剔除杂质后在阴凉处自然风干。将风干后的土样研磨，分别过10目和100目尼龙筛，置于自封袋中保存，用于测定土壤pH、有效态Cd及全Cd含量。

土壤pH采用电位测定法，水土比为2.5∶1.0，采用梅特勒托利多品牌型号为S220-K的pH计测定；土壤有效态Cd采用盐酸(HCl)浸提法浸提，浸提液浓度为0.1 mol/L[16]；土壤样品中总Cd采用1.0 mL HNO3和0.5 mL HF进行消解；白及样品采用压力消解罐[v(HNO3)∶v(HCLO4)∶v(HF)=3∶3∶2]进行消解，消解后的样品定容至25 mL，采用美国电感耦合等离子体质谱仪2代ICP-MS(型号：Thermo Fisher Scientific X2)测定Cd浓度。为确保方法的可靠性和数据结果的准确性，每个样品设置3个重复，测定过程中添加平行样、空白试验和标准物质[土样采用GBW07405(GSS5)，植株样采用GBW100348]控制试验误差。

1.4 数据处理

数据统计采用Microsoft Excel 2010软件进行统计分析，运用IBM SPSS 20 Statistics(美国IBM公司)进行分析，多重比较采用Duncan法，利用Origin 9.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 钝化材料对白及农艺性状的影响

由表2看出，与对照相比，施加硅钙肥(Si)、含磷物质(P)、硅钙肥+玉米秸秆生物炭(Si+YM)、含磷物质+玉米秸秆生物炭(P+YM)、牛粪有机肥+含磷物质(NF+P)均一定程度上降低了白及块茎和整株生物量，但差异性不显著，而牛粪有机肥(NF)、玉米秸秆生物炭(YM)和牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)则均增加了白及块茎和整株生物量，其中添加牛粪有机肥(NF)和玉米秸秆生物炭(YM)均使白及地下部块茎生物量分别显著增加62.87%和59.18%(P<0.05)，整株生物量分别显著增加57.36%和46.07%(P<0.05)。添加不同钝化材料对白及块茎厚度无显著影响。综上，在Cd污染胁迫下，添加牛粪有机肥(NF)和玉米秸秆生物炭可显著促进白及的生长，以牛粪有机肥处理对白及生长的促进效应最佳。

表2 Cd污染胁迫下不同钝化材料处理白及的农艺性状Table 2 The agronomic traits of B. striata treated with different passivation materials under Cd stress

2.2 钝化材料对土壤pH的影响

从图1看出，除施加5%含磷物质(P)土壤pH略低于对照外，其他几种钝化材料土壤pH(P<0.05)均显著增加，增幅5.61%～97.96%，其中，对土壤pH增加效果较明显的是牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)、硅钙肥+玉米秸秆生物炭(Si+YM)和硅钙肥(Si)，较对照分别显著提高3.84、3.70和3.67个单位，使土壤从强酸性变化到碱性；施加牛粪有机肥(NF)和牛粪有机肥+含磷物质(NF+P)较对照分别显著提高1.55和1.21个单位；施加玉米秸秆生物炭(YM)和含磷物质+玉米秸秆生物炭(P+YM)较对照均提高0.22个单位，土壤仍为强酸性。综上，在Cd污染强酸性土壤中施加5%硅钙肥(Si)、5%硅钙肥+5%玉米秸秆生物炭(Si+YM)及5%牛粪有机肥+5%硅钙肥(NF+Si)后土壤呈碱性，施加5%牛粪有机肥(NF)、5%的牛粪有机肥+5%含磷物质(NF+P)后土壤呈酸性。

不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level. The same as below图1 不同钝化材料处理土壤的pHFig.1 The pH of soil treated with different passivation materials

2.3 钝化材料对土壤有效态Cd的影响

从图2看出，施加不同钝化材料均一定程度上降低了土壤有效Cd含量，降幅为7.14%～92.86%，其中，对土壤有效Cd降低效果最明显的是硅钙肥(Si)、牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)和硅钙肥+玉米秸秆生物炭(Si+YM)，较对照分别显著降低92.86%、89.29%和87.50%(P<0.05)，其他几种钝化材料对土壤有效Cd无显著影响。综上， 施加硅钙肥(Si)、牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)、硅钙肥+玉米秸秆生物炭(Si+YM)可显著降低土壤有效Cd含量。

图2 不同钝化材料处理下土壤有效态Cd含量变化Fig.2 Variation of soil available Cd content under different passivation materials

2.4 钝化材料对白及各部位Cd含量的影响

从图3看出，不同钝化材料处理后，白及各部位(根系、块茎、叶片)Cd含量均有一定程度降低。其中，对于白及根系，降低幅度为25.71%～97.60%，除含磷物质(P)处理外，其他均达显著性差异水平(P<0.05)，以硅钙肥+玉米秸秆生物炭(Si+YM)和牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)处理的降幅最大，降幅分别为94.83%和97.60%；对于白及块茎，除含磷物质(P)处理一定程度上显著增加其Cd含量外(P<0.05)，其他几种钝化材料均显著降低其Cd含量(P<0.05)，降幅为41.49%～88.80%，以硅钙肥+玉米秸秆生物炭(Si+YM)和牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)处理的降幅最大，降幅分别为88.11%和88.80%；对于白及叶片，除含磷物质(P)处理Cd含量较对照差异不显著外，其余处理Cd含量均显著降低，降幅为51.58%～95.29%，以硅钙肥(Si)和牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)的降幅较大，降幅分别为90.22%和95.29%。综上，除施加5%含磷物质(P)对白及各部位Cd含量降低效果不显著外，其他几种钝化材料均可显著降低白及各部位Cd含量，且降低效果最好的为牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)处理。

图3 不同钝化材料处理白及各部位的Cd含量Fig.3 The Cd content in different parts of B. striata treated with different passivation materials

2.5 钝化材料对白及富集Cd的影响

生物富集系数(BCF)是植物体内重金属含量与相应的土壤重金属含量之比，可用来评价植株各部位对重金属吸收累积能力，且也能较清楚地描述重金属在白及不同部位的累积趋势，当BCF<0.1时表示强烈贫化，0.11.5时相对富集，BCF>3时强烈富集[17]。由表3可知，施用不同钝化材料白及根系、块茎和叶片的富集系数分别在0.85～28.89、0.72～10.11和0.25～7.63，以根系的富集系数较高，说明白及植株中的Cd主要在富集在根系中。不同钝化材料处理后，根系富集系数(BCFG/S)均显著低于对照，以含磷物质(P)处理的最高，为28.89，牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)处理的最低，为0.85；块茎富集系数(BCFJ/S)除含磷物质(P)处理显著高于对照外，其余处理均显著低于对照，以硅钙肥+玉米秸秆生物炭(Si+YM)和牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)处理最低，分别为0.72和0.74；除含磷物质(P)处理叶片的富集系数(BCFY/S)略高于对照，为7.63，差异不显著，其余处理均显著低于对照，以NF+Si、Si和Si+YM处理较低，分别为0.25、0.54和0.65。总体看，白及根系、块茎以及叶片对土壤Cd具有强烈的富集特性，除含磷物质(P)处理外，其他钝化材料均可显著降低了白及各部位Cd的富集系数，以牛粪有机肥+硅钙肥(NF+Si)处理降低效果最佳。

表3 Cd污染胁迫下不同钝化材料处理白及各部位Cd的富集系数Table 3 Enrichment coefficient of Cd in parts of B. striata treated with different passivation materials under Cd stress

3 讨 论

研究表明，施用钝化材料不仅能提高土壤pH，还能降低土壤有效态Cd含量，提高白及整株及可食部分块茎生物量，降低白及根系、块茎、叶中的Cd含量。植物对重金属的吸收受土壤pH、土壤重金属有效态及离子间的作用等影响。土壤pH是影响土壤中重金属有效态和植物吸收的最为主要的原因[18]，pH的升高可降低土壤Cd的有效性，这是由于土壤自身带负电荷，其表面颗粒物可以吸附固定Cd2+，这些颗粒物中的羧基基团和铁的氧化物都可以吸附Cd，从而降低Cd在土壤中的生物有效性和迁移能力，降低植物对Cd的吸收累积[19-20]。研究所用钝化材料主要是硅钙肥、牛粪、玉米秸秆等碱性物质，施用后提高了土壤的pH，但不同钝化材料间对土壤pH提高存在差异；土壤pH升高幅度最大时，白及块茎Cd含量降低量也最大，土壤pH的增高幅度与白及块茎Cd含量呈显著负相关。各材料中，牛粪有机肥+硅钙肥处理下土壤pH提高最大，达3.84，同时白及各部位Cd的生物有效性也有效降低。

不同钝化材料对白及块茎和整株生物量增产作用不同。添加5%牛粪有机肥和5%玉米秸秆生物炭均能显著增加白及块茎和整株生物量，这与陈昱等[21]研究的结果基本一致即牛粪生物炭或秸秆生物炭在5%添加量时，对Cd污染土壤具有显著的修复效果。原因可能是添加生物炭和有机肥会促进土壤中可利用态Cd向难利用态Cd转化[22-24]，并且会降低土壤中Cd的有效性，一方面可能是由于牛粪有机肥和玉米秸秆生物炭中含有大量有机质能够提高土壤酶活性，增加土壤氮素、碳素以及土壤微生物的生长底物，提高土壤肥力，促进白及对N、P、K等元素的吸收；另一方面可能是生物炭具有多孔结构和较强的表面吸附能力[25]，能够吸附土壤中Cd，从而影响Cd的迁移，降低Cd的生物有效性，减轻了Cd对白及的毒害作用，进而间接达到增产效果。

研究表明，硅对镉的拮抗作用好于磷，硅(Si)元素可降低植株对Cd的吸收，抑制Cd对植株生理生化代谢的毒害作用[26-27]，其可能在一定程度上抑制了植物对Cd2+的吸收，也可能是Si对Cd的拮抗效应[28]；而含磷物质未表现良好的钝化效果，这可能是由于添加该物质未能使土壤的pH升高，磷酸盐对Cd的钝化作用主要受pH影响，而几乎不受磷酸盐的种类影响，其可通过改变土壤pH、化学反应等使土壤溶液中的重金属离子形成磷酸盐类重金属沉淀，从而降低土壤有效态Cd含量[29]。

4 结 论

土壤中添加5%牛粪有机肥对白及块茎具有增产效果，添加5%牛粪有机肥+5%硅钙肥对白及在重度Cd污染土壤上的阻控效果最佳。可在实际生产中推广应用。