牡蛎壳粉-腐植酸联用对设施白菜吸收镉的影响

王其选 陈海宁 孙玲丽 王巍翰 王心选 王凤霞

收稿日期：2023-10-30；修回日期：2024-01-26

基金項目：山东省科技型中小企业创新能力提升工程（2023TSGC0829）；2021年山东省重点研发计划（重大科技创新工程）（2021CXGC010602）

作者简介：王其选，男，高级农艺师，主要从事新型肥料的研究和应用推广工作。E-mail：wqxkjxn@163.com

通信作者：孙玲丽，女，高级农艺师，主要从事新型肥料的研究开发和应用推广工作。E-mail：sllkjxn@163.com

DOI：10.16861/j.cnki.zggc.202423.0687

摘    要：重金属镉（Cd）是设施菜地的主要污染物之一。为探究不同有机与无机钝化剂复配施用对设施土壤中重金属Cd的钝化效果，通过大棚试验，研究外源单施牡蛎壳粉（0、0.23、0.45 kg·m-2）和复配牡蛎壳粉-腐植酸（0.23 kg·m-2+7.5 g·m-2）对土壤理化性质、白菜的生长及转运Cd的影响。结果表明，与CK（常规施肥）相比，单施牡蛎壳粉能够提高土壤pH 0.12～0.27，而牡蛎壳粉及其与腐植酸复配处理分别降低土壤有效态Cd （DTPA-Cd）含量31.34%～46.27%。单施牡蛎壳粉随着施用浓度的增加对白菜的生长有一定的抑制作用，与CK相比，牡蛎壳粉与腐植酸复配能提高白菜地上部和地下部干质量，分别为11.46%和44.80%；单施牡蛎壳粉和牡蛎壳粉-腐植酸复配均能降低白菜地上部Cd吸收总量，且与腐植酸复配的效果最好，比CK降低51.4%。与CK相比，单施牡蛎壳粉和牡蛎壳粉-腐植酸复配均能显著降低白菜的Cd转运系数和富集系数。微量元素分析结果表明，与CK相比，仅单施牡蛎壳粉T2处理显著增加白菜地上部和地下部钙的吸收，同时促进白菜地下部铁的吸收。

关键词：白菜；牡蛎壳粉；腐植酸；镉；转运系数；富集系数

中图分类号：S634              文献标志码：A            文章编号：1673-2871（2024）04-063-08

Effect of oyster shell-humic acid co-application on the uptake of cadmium in Chinese cabbage

WANG Qixuan1， CHEN Haining2， SUN Lingli1， WANG Weihan1， WANG Xinxuan1， WANG Fengxia1

（1. Zhongde Fertilizer （Yantai） Co.， Ltd， Yantai 264002， Shandong， China; 2. Yantai Academy of Agricultural Sciences， Yantai 265500， Shandong， China）

Abstract： The cadmium（Cd） in facility vegetable fields has become one of the main pollutants. In order to explore the passivation effects of different combinations of organic and inorganic passivators on heavy metal Cd in facility soil， a greenhouse experiment was conducted to study the effects of exogenous application of oyster shells（0， 0.23， 0.45 kg·m-2） and compound oyster shell-humic acid （0.23 kg·m-2+7.5 g·m-2） on soil physicochemical properties， the growth of Chinese cabbage and the transportation of Cd. The results showed that the single application of oyster shells significantly increased soil pH（0.12-0.27）. Both the single application of oyster shell and the combined application of oyster shell + humic acid reduced soil DTPA-Cd content by 31.34%-46.27%， respectively， compared to the CK treatment. The growth of Chinese cabbage was decreased in the single application of oyster shells（0.45 kg·m-2）treatment， while the compound with humic acid can significantly increase the dry mass of aboveground and underground parts of Chinese cabbage by 11.46% and 44.80%， respectively， compared to the CK treatment. The Cd content was decreased in the three treatments， and significantly decreased in the oyster shells+humic acid treatment by 51.4%， compared to CK treatment. The TF and BCF of Chinese cabbage were decreased in oyster shell treatment and the combined treatment of oyster shell + humic acids. The results of trace elements showed that the single application of oyster shell （T2） significantly increased the absorption of calcium in the aboveground and underground parts of Chinese cabbage， and also promoted the absorption of iron in the underground parts of Chinese cabbage.

Key words： Chinese cabbage; Oyster shell; Humic acids; Cadmium; Transfer coefficient; Bioconcentration coefficient

2023年5月24日发表的“2022年度中国生态环境公报（摘录）”指出，近些年“环境保卫战”的开展使得土壤污染总体得到治理，但是重金属污染仍是影响农田环境质量的首要污染物，且随着种植年限的增加而增加[1]。过度施用化肥、有机肥、农药、频繁灌溉和高复种指数是温室土壤中重金属镉（Cd）浓度增加的主要原因[2]。不规范的施肥方式会导致温室大棚的土壤在5～10 a（年）间的Cd含量超过0.3 mg·kg-1的污染紅线[3]。Cd是农业土壤中毒性最强的重金属，不被微生物分解，很容易在叶类蔬菜的可食部分积累，并通过食物链对人类健康构成威胁，因此对设施蔬菜的安全生产构成严重的挑战[4-5]。

设施土壤重金属修复主要通过施用土壤钝化剂[6]、微生物修复[7]、植物修复[8]和化学淋洗[9]等方法。大部分技术因成本较高、见效慢、可操作性不强等导致难以大面积推广。施用土壤钝化剂是通过改变土壤pH，提供更多的重金属吸附位点，降低土壤中Cd生物有效性的方法。例如，无机钝化剂模式是通过施用硅钙镁钾肥、钙镁磷肥和石灰有效改良土壤酸化，降低稻米中Cd含量[10]。有机钝化剂模式是施用液体有机菌肥容易吸附Pb、Cd和Zn，经修复后的土壤Cd和Zn的下降率分别为29.62%和23.94%[11]。此外，有机、无机钝化剂复配模式，将钙镁磷肥、海泡石、石灰和草炭单施及复配显著降低酸性土壤中Cd的有效性，提高土壤pH，降低白菜对Cd的吸收量[12]。然而，我国南北土壤pH和理化性质不同，导致很多土壤钝化剂并没有达到理想的修复效果。因此，通过施用土壤钝化剂，配施生物刺激素，如腐植酸[13]、有机酸[14]、氨基酸[15]和脱落酸[16]等物质，达到既稳定土壤Cd离子，缓解Cd对作物的胁迫，又提高作物产量的目的。目前，在中碱性土壤中应用钝化剂和配施生物刺激素的研究较少，这种协同效应基于不同的施用浓度和土壤条件而不同。因此，研发具有抑制作物吸收Cd和促进作物生长的钝化剂-生物刺激素组合模式至关重要。

牡蛎壳主要成分为氧化钙，无其他附加有害成分，是一种具有调节酸度和补充钙元素的土壤调理剂产品[17]。大量研究已经证明其能通过提高土壤pH降低酸性土壤中Cd的生物有效性，并且可有效缓解酸性土壤钙流失问题[18]。腐植酸含有大量的羟基、羧基、羰基、甲氧基等官能团，能与Cd离子进行螯合，将Cd向铁锰氧化态和残渣态转化，降低其生物可利用性，它含有大量的活性物质能促进作物生长，提高产量[19]。此外，随着pH的增加腐植酸能显著增强对Cd离子的吸附作用[20]。基于二者的特性，通过不同浓度的牡蛎壳调理剂与腐植酸复配施用，探究其对北方中碱性土壤Cd生物有效性的影响以及二者之间的协同效应以及对白菜吸收Cd和微量元素的影响。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与植物

试验所用白菜品种为京研快菜F1，类型为结球白菜，生育期为28～30 d，叶色深绿，抗热、抗湿、抗病，品质佳，适宜密植，种子购买自京研益农（北京）种业有限公司。试验地点位于北京昌平，取温室大棚0～20 cm表层土壤，采用五点随机取样法，先在各小区随机取点采土，然后将土样混合均匀后取足够的供试土壤，每个小区最后共取3份土样，带回试验室内自然风干，挑出土壤中杂物，用研钵研磨并过2 mm尼龙筛备用，其中选取部分土壤过0.15 mm尼龙筛用于测定土壤总Cd。土壤基础理化性质见表1。

1.2 供试土壤调理剂和腐植酸

土壤钝化调理剂为牡蛎壳粉，购于山东众德公司的产品蓝海半岛牡蛎壳粉，成分为：CaO含量（w，后同）≥35.0%、MgO含量≥5.0%、S含量≥5.0%、Zn含量≥0.05%、B含量≥0.03%，施用方式为拌土撒施，均匀施用于土壤表面再覆土。供试的生物刺激素为腐植酸，购于黑龙江佳禾腐植酸有限公司：腐植酸含量≥60%、黄腐酸含量≥15%、K2O含量≥8%、水溶性物质含量≥99%，施用方式为灌根。

1.3 试验设计

白菜种植时间从2021年9月7日到10月29日。大棚全长51 m，分为3个大区，每个大区长15 m，宽6 m，每个大区分为4个小区，每个小区长6 m，宽3.5 m。处理分为：常规施肥（CK）、T1（施用牡蛎壳土壤调理剂0.23 kg·m-2）、T2（施用牡蛎壳土壤调理剂0.45 kg·m-2）和T3（施用牡蛎壳土壤调理剂0.23 kg·m-2＋追施腐植酸5 kg·667 m-2），T1、T2、T3均在常规施肥基础上进行。栽培模式为高平畦，行株距为25 cm×20 cm。常规施肥方式为：氮肥（N）20～25 kg·667 m-2，磷肥（P2O5）4～6 kg·667 m-2，钾肥（K2O）22～28 kg·667 m-2。收获的白菜105 ℃杀青，之后75 ℃烘干至恒质量，测定其干质量，再磨细用于测定可食用部位Cd含量；土壤样品经风干过2 mm筛后，分析土壤各项理化指标。每个小区随机重复取样3次，共36个样。

1.4 土壤理化指标测定方法

土壤pH、EC值采用水土比（1∶5 V/m）经过30 min180 r·min-1摇匀，使用pH计（PHS-3E，Leici，China）和电导率计（DDS-11A，Leici，China）测定[21]。有效钾含量采用乙酸铵（1 mol?L-1 NH4OAc，pH 7.0）萃取，火焰分光光度仪（AP1200，上海奥普，中国）测定；土壤有效磷含量采用含有乙酸和醋酸锰的萃取液测定，溶液过滤后，用滴定法测定磷酸盐含量（UV-5100，上海梅塔什仪器有限公司，中国）；采用火焰分光光度计（AP1200，上海奥普，中国）测定全氮含量[22]。土壤有效态Cd（DTPA-Cd）含量的测定：在烧杯中依次加入14.92 g三醇胺，1.967 g二烯三胺五乙酸，1.470 g二水合化氯化钙，加入水并搅拌使其完全溶解，继续加水稀释至约800 mL，用盐酸溶液调整pH值为7.3 ± 0.2，转移至1 L容量瓶中定容，制得浸提液。称取10 g土壤，加入20 mL浸提液，振荡2 h，4500 r·min-1转速下离心10 min，上清液使用0.22 μm滤膜过滤，电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，PerkinElmer，AvipTM200，USA）测定Cd、Ca、Mn、Fe、Zn和Mg含量。总Cd吸收量、转运系数（TF）和富集系数（BCF）的计算公式如下：

地上部总Cd吸收量=地上部Cd浓度×地上部干质量；                                                               （1）

地下部總Cd吸收量=地下部Cd浓度×地下部干质量；                                                               （2）

转运系数（TF） = 地上部Cd浓度 / 地下部Cd浓度；                                                                   （3）

富集系数（BCF） = 地上部Cd浓度 / 土壤Cd浓度。                                                                 （4）

1.5 数据统计分析

试验数据采用SPSS Statistics 25进行统计，采用最小显著性差异法（LSD）对数据进行多重比较分析。采用Excel软件进行绘图。相关性分析利用Pearson进行统计分析，并通过Origin 2021进行绘图。

2 结果与分析

2.1 单施和复配牡蛎壳与腐植酸对白菜生长的影响

由图1可知，在温室大棚土壤中添加不同浓度的牡蛎壳粉以及复配腐植酸对白菜的生长有一定的影响，随着牡蛎壳粉施用浓度的增加，白菜地上部干质量先增加后下降，在T2处理时最低。与CK相比，T1处理下白菜地上部干质量增加8.44%，白菜地上部干质量在T2处理中却下降11.31%，追施腐植酸能增加11.46%，这说明牡蛎壳粉的施用对白菜地上部的影响随着施用浓度增加而呈负效应，而腐植酸（T3）的添加能增强对白菜的促生效果。白菜根部也有同样的趋势，随着牡蛎壳粉的施用量增大，T1促进白菜地下部干质量增加25.78%，T2降低白菜地下部干质量13.67%，而追施腐植酸（T3）能增加44.80%，与CK处理相比，各处理白菜地下部干质量总体表现为T3 > T1 > CK > T2。此外，对各小区白菜进行测产，施用牡蛎壳粉和追施腐植酸有一定的增产效果，但是与CK差异不显著。

2.2 单施和复配牡蛎壳与腐植酸对白菜吸收和转运镉的影响

牡蛎壳粉及其与腐植酸复配对白菜吸收和转运Cd的影响如图2所示，随着牡蛎壳粉的添加，白菜地上部Cd含量呈显著下降的趋势，且与腐植酸复配的处理白菜地上部Cd含量最低，总体表现为CK > T1 > T2 > T3。与CK处理相比，T1、T2、T3处理Cd含量分别显著降低21.8%、25.6%和52.4%。这说明牡蛎壳粉和腐植酸之间存在协同效应，且比单施牡蛎壳粉抑制白菜转运Cd的效果更好。然而，不同处理之间对白菜根部Cd含量的影响差异不显著，这说明牡蛎壳粉及其与腐植酸复配主要影响白菜对Cd的转运。与CK相比，T2和T3处理白菜地上部总Cd吸收量分别显著降低42.1%和51.4%，这说明通过牡蛎壳与腐植酸复配能显著降低白菜地上部总Cd吸收量。转运系数（TF）表示白菜体内Cd从根往叶转运的能力，图2-E表明，与CK相比，T1、T2和T3处理均能显著降低白菜的转运系数0.3～0.7，总体表现为CK > T1 > T2 > T3。富集系数（BCF）被认为是评价植物从土壤中积累重金属能力的最关键因子之一。与CK相比，T1、T2和T3处理均能显著降低白菜的富集系数达1.7～4.8，总体表现为CK > T1 > T2 > T3。

2.3 单施和复配牡蛎壳与腐植酸对土壤pH、EC和DTPA-Cd含量的影响

土壤pH值对土壤中金属的固定和溶解有显著影响。当土壤pH值升高时，金属的溶解度和迁移率降低。高土壤pH值降低了土壤中的可溶性Cd含量，从而降低了植物对Cd的利用率和吸收率。由图3可知，随着牡蛎壳粉施用量的增加，土壤pH呈上升趋势，而牡蛎壳粉和腐植酸复配对土壤pH的影响与CK差异不显著。土壤EC值结果表明，随着牡蛎壳浓度的增加，土壤EC值呈下降趋势，而追施腐植酸对土壤EC值影响与CK无显著差异。土壤DTPA-Cd含量结果表明，与CK相比，牡蛎壳粉能显著降低土壤Cd的生物有效性，而腐植酸与牡蛎壳的协同效应与单施牡蛎壳粉对土壤DTPA-Cd的作用差异不显著。

2.4 单施和复配牡蛎壳与腐植酸对白菜微量元素吸收的影响

由表2可知，T2处理显著增加白菜地上部钙含量20.80%。此外，牡蛎壳和腐植酸处理降低白菜地上部铁含量，与CK相比，T1、T2和T3处理白菜地上部铁含量显著降低50.00%、40.91%、63.64%，总体表现为CK > T2 > T1 > T3。与CK相比，T3处理显著降低白菜地上部锌含量（w，后同）降低0.4 g·kg-1，其他处理与CK无显著变化，这说明牡蛎壳和腐植酸协同处理能影响白菜地上部营养元素的吸收。根部微量元素的研究结果表明，与CK相比，单施牡蛎壳粉处理显著影响根部钙的吸收，T1、T2处理显著增加根部钙的吸收达17.25%和25.25%，与CK相比，白菜根部钙含量总体表现为T2 > T1 > T3 > CK。与CK相比，T2处理显著增加白菜根部铁含量40.00%，白菜根部铁含量总体趋势为T2 > T1 > CK > T3。各处理白菜根部其他元素含量没有显著性差异。

2.5 相关性分析

采用Pearson相关性分析对土壤理化指标和白菜Cd含量以及相关微量元素指标进行相关性分析。由图4可知，地上部Cd含量主要与DTPA-Cd含量呈显著正相关，牡蛎壳的施用显著影响土壤pH和植物钙的吸收量。相关性结果表明，土壤pH与地上部和地下部生物量呈显著负相关，与根部钙浓度和地上部钙浓度呈显著正相关。根部钙的吸收量与土壤EC值和DTPA-Cd含量呈显著负相关，说明牡蛎壳粉和腐植酸影响根系钙的吸收可能与土壤EC和土壤Cd的活性变化有关。地上部Cd含量与土壤DTPA-Cd含量呈显著正相关，因此牡蛎壳粉可能通过改变土壤pH显著降低土壤DTPA-Cd含量从而降低白菜地上部Cd吸收量。

3 讨论与结论

牡蛎壳的促生效应已经被验证，在田间试验中施用0.65 kg·m-2的牡蛎壳可以增加土壤有机质、碱解氮和交换性钙含量，提高土壤pH，进而提高韭菜的产量和品质[23]。有研究表明，施用外源腐植酸能显著提高豌豆的株高、花数、叶绿素含量和干质量[24]。叶面喷施腐植酸能够增强光合作用，增加叶绿素含量和促进生长，降低Cd胁迫导致的脂质过氧化[25]。本研究结果表明，与CK相比，施用0.23 kg·m-2牡蛎壳粉能促进白菜生长，且共同施用牡蛎壳粉和腐植酸能显著提高白菜根部的干质量。严建辉[26]通过施用2250和1500 kg·km-2不同量的牡蛎壳粉使花生分别增产16.8%和10.1%，显著提高酸性土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾以及交换性钙含量。

牡蛎壳粉主要通过化学沉淀机制固定Cd离子[27]。笔者的研究结果表明，与CK相比，外源施用牡蛎壳粉显著降低白菜地上部Cd含量，且与腐植酸共同施用的降低幅度最大。外源施用牡蛎壳粉可以显著抑制萝卜对Cd的吸收[28]。转运系数表示植物将根部Cd向地上部转运的能力。本研究结果表明，与CK相比，牡蛎壳和腐植酸共同施用能显著降低白菜的转运系数。富集系数表示植物将土壤中Cd向植物地上部富集的能力。与CK相比，同样外源共同施用牡蛎壳粉和腐植酸能显著降低白菜的富集系数。曾秀君等[29]研究表明，石灰和腐植酸共同施用显著提高土壤pH，降低土壤铅和Cd的生物有效性，且共同施用石灰和腐植酸降低黑麦草对Cd的吸收效果显著强于单独施用石灰、腐植酸，这与本研究结果牡蛎壳粉和腐植酸的协同效应要大于单独施用的牡蛎壳粉一致。

本试验中的土壤pH值为7.25，呈中碱性，外源牡蛎壳对土壤pH的影响随牡蛎壳粉施用量的增加逐渐上升，而牡蛎壳粉与腐植酸共同施用的pH值與CK相比无显著差异。王妍等[30]的研究表明，多年施用外源牡蛎壳粉能显著升高强酸性土壤pH达2.47。含钙物质的溶解将Ca2+离子释放到土壤中，可能在提高土壤pH中发挥作用[31]。此外，与CK相比，施用牡蛎壳粉和腐植酸显著降低土壤DTPA-Cd含量。这可能是由于牡蛎壳粉的施用可以通过沉淀和化学吸附形成类似CaCO3的晶体将Cd离子固定在土壤中[27]。曹英兰等[32]的研究表明，外源施用5%的牡蛎壳后，土壤有效Cd含量从1.66 mg·kg-1降低至0.80 mg·kg-1，且可溶态、可还原态和可氧化态Cd向残渣态Cd转变。此外，外源牡蛎壳粉和腐植酸能影响白菜吸收微量元素钙、锌和铁。冷茂林等[33]研究表明，外源施用腐植酸能显著促进玉米幼苗根系铁的吸收达39.79%。颜墩炜等[34]研究表明，增施牡蛎壳调理剂促进小白菜钙的吸收达19.2%。因此，合理地施用钝化剂需要保证蔬菜的品质和正常的营养吸收。

笔者通过施用不同浓度的牡蛎壳粉及组合施用牡蛎壳粉和腐植酸，探究其对白菜吸收和转运Cd、微量元素吸收、生物量，土壤pH、EC以及土壤Cd活性的影响。主要结论如下：

（1）与CK相比，外源牡蛎壳粉在0.23 kg·m-2施用量时能提高白菜地上部和地下部干质量，但是随着施用量达0.45 kg·m-2时，白菜的生长受到抑制，追施腐植酸具有促生作用但与单施牡蛎壳粉（T1）处理相比差异并不显著；

（2）随着外源牡蛎壳粉施用量的增加，能够提高土壤pH，降低土壤DTPA-Cd含量；追施腐植酸能够抑制牡蛎壳粉带来的土壤pH；

（3）外源牡蛎壳粉能够降低白菜地上部Cd含量，降低Cd的转运系数和富集系数，与腐植酸复配能够增强该效应；

（4）外源牡蛎壳粉能够影响白菜钙和铁的吸收。

基于以上试验结果，建议在中碱性土壤中进行土壤修复时，需要确定钝化剂的合适用量，使其在降低土壤Cd含量的同时，促进蔬菜的生长。此外，外源无机钝化剂通过与生物刺激素复配，在有利于其对土壤Cd的固定，同时促进蔬菜的生长，达到营养强化的目的，然而这种模式还需要在不同土壤中探究其最适施用量，以期为我国北方中碱性设施土壤重金属Cd修复提供有效的复配修复模式。

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