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不同氮肥类型及配施壳聚糖对八宝景天修复镉污染土壤的强化效果

杜萌 李丹丹 杨军 杨俊兴 郭俊娒 陈同斌

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不同氮肥类型及配施壳聚糖对八宝景天修复镉污染土壤的强化效果

    作者简介: 杜萌 E-mail:375891358@qq.com;
    通讯作者: 郭俊娒, E-mail:guojw.15b@igsnrr.ac.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1802604,2018YFD0800601);国家自然科学基金项目(41771509,41771510,41907125);中国博士后科学基金资助项目(2019M650827)。

Study on different nitrogen forms and combined application of chitosan for enhancing phytoremediation of Cd-contaminated soil by Hylotelephium spectabile

    Corresponding author: GUO Jun-mei, E-mail:guojw.15b@igsnrr.ac.cn ;
  • 摘要:   【目的】  八宝景天 (Hylotelephium spectabile) 是研究最多的修复Cd污染土壤的植物之一,但还需进一步提高其修复效率以增加其实际应用价值。本研究比较分析了不同氮肥类型以及螯合剂对污染土壤上八宝景天Cd吸收转运的影响及其作用机制,以期为强化八宝景天Cd修复效率提供科学依据和技术支持。  【方法】  采用八宝景天进行了盆栽试验,供试土壤为采自四川绵竹的潴育水稻土和广西阳朔的棕色石灰土,两个土壤Cd含量均超过我国农田土壤污染风险筛选值。在氮磷钾肥料施用量一致的条件下,设置生理中性的碳酸氢铵 (NH4HCO3)、生理酸性氯化铵 (NH4Cl)、生理碱性氨水 (NH3·H2O) 以及NH4HCO3配施壳聚糖4个处理。八宝景天生长20天后,测定根、茎、叶生物量和Cd含量,并测定了根际土壤pH、有效态Cd含量以及不同形态Cd含量。  【结果】  NH4Cl较NH4HCO3处理降低了两种土壤根际pH,提高了有效态Cd含量。NH4HCO3配施壳聚糖处理对根际土壤酸化效果强于NH4Cl处理,潴育水稻土和棕色石灰土两种土壤根际有效态Cd含量分别较NH4Cl处理提高18.6%和15.5%。此外,与施用NH4HCO3相比,NH4Cl提高了两种土壤水溶态和弱酸提取态Cd含量,而NH4HCO3配施壳聚糖处理虽使水溶态Cd含量增加,但由于壳聚糖与土壤中Cd形成稳定性较强的络合物,同时促进了八宝景天对弱酸提取态Cd的吸收,因此其根际弱酸提取态Cd含量无显著差异。NH4HCO3、NH4Cl和NH3·H2O 3种氮肥类型对八宝景天生长和Cd吸收转运的促进作用无显著差别,而NH4HCO3配施壳聚糖则使八宝景天生物量较其他施氮处理显著提高了29.6%~79.8%,同时NH4HCO3配施壳聚糖对八宝景天Cd吸收转运的促进作用受土壤类型、理化性质和污染程度的影响,对棕色石灰土上八宝景天各部位Cd含量、生物富集系数和转运系数分别提高了16.0%~143.4%、45.8%~137.5%和25.3%~81.6%,而在潴育水稻土上促进作用均较小。  【结论】  在施氮量一致的情况下,施用生理酸性氮肥有利于促进八宝景天Cd吸收,肥料和壳聚糖配施可能是强化八宝景天Cd修复效率的有效措施。其强化效果在中性偏碱性土壤上好于在酸性土壤上。
  • 图 1  不同氮处理八宝景天根际土壤pH及有效态Cd含量

    Figure 1.  pH value and available Cd content in rhizosphere soils of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

    图 2  不同氮处理八宝景天的生物量

    Figure 2.  Biomass of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

    图 3  不同氮处理八宝景天各部位的Cd含量

    Figure 3.  Cd concentration in different tissues of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

    图 4  不同氮处理八宝景天镉的富集系数(BCF)和转运系数 (TF)

    Figure 4.  Cd bioconcentration factor (BCF) and translocation factor (TF) of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

    表 1  供试土壤Cd含量及基本理化性质

    Table 1.  Cd content and physicochemical properties of tested soils

    土壤
    Soil
    pH全量Cd
    Total Cd
    (mg/kg)
    有效态Cd
    Available Cd
    (mg/kg)
    阳离子交换量
    CEC
    (mol/kg)
    有机质
    Organic matter
    (g/kg)
    全氮
    Total N
    (g/kg)
    全磷
    Total P
    (g/kg)
    全钾
    Total K
    (g/kg)
    潴育水稻土
    Waterloggogenic paddy soil
    6.001.080.568.2324.02.201.72 9.47
    棕色石灰土
    Brown rendzina
    7.074.653.008.3714.81.581.4716.01
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    表 2  不同氮处理对八宝景天根际土壤不同形态Cd含量的影响

    Table 2.  Cd fractions in the rhizosphere soil of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

    土壤
    Soil
    处理
    Treatment
    Cd含量Cd Concentrations (mg/kg)
    水溶态
    Water soluble
    弱酸提取态
    Acid extractable
    可还原态
    Reducible
    可氧化态
    Oxidizable
    残渣态
    Residual
    潴育水稻土
    Water loggogenic paddy soil
    NZ0.00 b0.50 ± 0.07 b0.76 ± 0.01 a0.47 ± 0.05 b0.17 ± 0.06 a
    NS0.01 b0.61 ± 0.02 a0.67 ± 0.07 c0.50 ± 0.01 b0.16 ± 0.01 a
    NJ0.00 b 0.56 ± 0.09 ab0.70 ± 0.06 b0.57 ± 0.04 a0.16 ± 0.02 a
    NC0.03 a0.48 ± 0.08 b0.71 ± 0.06 b0.56 ± 0.05 a0.17 ± 0.05 a
    棕色石灰土
    Brown rendzina
    NZ0.01 b3.76 ± 0.11 b 1.52 ± 0.09 ab0.50 ± 0.05 a0.15 ± 0.03 b
    NS0.02 b4.25 ± 0.09 a1.64 ± 0.01 a0.38 ± 0.04 b0.20 ± 0.02 a
    NJ0.01 b3.91 ± 0.10 b1.67 ± 0.1 a 0.41 ± 0.02 b0.17 ± 0.02 b
    NC0.06 a3.91 ± 0.11 b1.41 ± 0.05 b0.52 ± 0.04 a0.19 ± 0.01 a
    注(Note):NZ—NH4HCO3;NS—NH4Cl;NJ—NH3·H2O;NC—NH4HCO3+chitosan;同列数据后不同字母表示同一种土壤类型不同处理间差异达到显著水平 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significantly different among treatments (P < 0.05).
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-08
  • 网络出版日期:  2020-10-19
  • 刊出日期:  2020-09-25

不同氮肥类型及配施壳聚糖对八宝景天修复镉污染土壤的强化效果

    作者简介:杜萌 E-mail:375891358@qq.com
    通讯作者: 郭俊娒, guojw.15b@igsnrr.ac.cn
  • 1. 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心,北京 100101
  • 2. 中国科学院大学,北京 100049
  • 3. 成都理工大学旅游与城乡规划学院,四川成都 610059
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1802604,2018YFD0800601);国家自然科学基金项目(41771509,41771510,41907125);中国博士后科学基金资助项目(2019M650827)。
  • 摘要:   【目的】  八宝景天 (Hylotelephium spectabile) 是研究最多的修复Cd污染土壤的植物之一,但还需进一步提高其修复效率以增加其实际应用价值。本研究比较分析了不同氮肥类型以及螯合剂对污染土壤上八宝景天Cd吸收转运的影响及其作用机制,以期为强化八宝景天Cd修复效率提供科学依据和技术支持。  【方法】  采用八宝景天进行了盆栽试验,供试土壤为采自四川绵竹的潴育水稻土和广西阳朔的棕色石灰土,两个土壤Cd含量均超过我国农田土壤污染风险筛选值。在氮磷钾肥料施用量一致的条件下,设置生理中性的碳酸氢铵 (NH4HCO3)、生理酸性氯化铵 (NH4Cl)、生理碱性氨水 (NH3·H2O) 以及NH4HCO3配施壳聚糖4个处理。八宝景天生长20天后,测定根、茎、叶生物量和Cd含量,并测定了根际土壤pH、有效态Cd含量以及不同形态Cd含量。  【结果】  NH4Cl较NH4HCO3处理降低了两种土壤根际pH,提高了有效态Cd含量。NH4HCO3配施壳聚糖处理对根际土壤酸化效果强于NH4Cl处理,潴育水稻土和棕色石灰土两种土壤根际有效态Cd含量分别较NH4Cl处理提高18.6%和15.5%。此外,与施用NH4HCO3相比,NH4Cl提高了两种土壤水溶态和弱酸提取态Cd含量,而NH4HCO3配施壳聚糖处理虽使水溶态Cd含量增加,但由于壳聚糖与土壤中Cd形成稳定性较强的络合物,同时促进了八宝景天对弱酸提取态Cd的吸收,因此其根际弱酸提取态Cd含量无显著差异。NH4HCO3、NH4Cl和NH3·H2O 3种氮肥类型对八宝景天生长和Cd吸收转运的促进作用无显著差别,而NH4HCO3配施壳聚糖则使八宝景天生物量较其他施氮处理显著提高了29.6%~79.8%,同时NH4HCO3配施壳聚糖对八宝景天Cd吸收转运的促进作用受土壤类型、理化性质和污染程度的影响,对棕色石灰土上八宝景天各部位Cd含量、生物富集系数和转运系数分别提高了16.0%~143.4%、45.8%~137.5%和25.3%~81.6%,而在潴育水稻土上促进作用均较小。  【结论】  在施氮量一致的情况下,施用生理酸性氮肥有利于促进八宝景天Cd吸收,肥料和壳聚糖配施可能是强化八宝景天Cd修复效率的有效措施。其强化效果在中性偏碱性土壤上好于在酸性土壤上。

    English Abstract

    • 我国土壤镉 (Cd) 污染问题较为严重。随着我国经济快速发展,矿山开采、金属冶炼、电镀、农业污灌、化肥和农药的不合理施用等工农业活动导致大量含镉污染物被排放到环境中,而土壤为其最终受体[1]。《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国受重金属污染的农田达2000万hm2,其中Cd点位超标率达7%,为环境“五毒”元素之首。土壤中Cd可通过直接或间接的途径进入食物链并进一步威胁我国粮食安全和人体健康。因此,土壤Cd污染治理已引起社会的广泛关注。针对我国土壤Cd污染以轻微、轻度污染为主的现状,植物修复技术以其修复成本低、环境友好等优点而成为国内外环境修复领域的研究热点,被认为是最具应用潜力的绿色修复技术[2]

      八宝景天 (Hylotelephium spectabile) 为景天科、八宝属多年生草本植物,具有生长迅速、耐寒、耐旱、适应性强等特性,在全国各地均有广泛种植,是一种常见的园林绿化植物。研究表明,八宝景天对土壤中Cd具有较强的富集能力,地上部Cd含量可达35 mg/kg以上,具有修复Cd污染土壤的应用潜力[3]。然而,目前利用超富集植物修复重金属污染土壤仍普遍存在效率低、周期长的问题[4]。前期研究发现八宝景天在我国北方中度污染农田 (Cd含量为2.22 mg/kg) 的修复效率为3%,仍需进一步提高其修复效率,以增加其应用价值[5]

      植物修复技术的关键在于超富集植物的生物量、重金属积累量和生长周期[1]。所有影响植物生长和土壤理化性质的农艺措施,均可能影响植物修复效率[6]。施用化学肥料是农业生产中最普遍的农艺措施,可通过调节土壤养分状况,从而促进植物生长[7]。同时,肥料施入土壤中后可通过吸附、解吸、沉淀、络合等作用影响重金属赋存形态和有效性[8-9]。有研究表明,通过养分调控可有效促进东南景天 (Sedum alfredii Hance)、伴矿景天 (Sedum plumbizincicola) 和籽粒苋 (Amaranthus hypochondriacus) 等植物对Cd的吸收转运[10-12]。同时,在植物修复过程中,施肥不仅需要考虑其养分调控功能,还需考虑不同肥料类型对土壤理化性质的影响及其与重金属的相互作用[13]。不同形态氮肥对土壤酸碱性和Cd生物有效性的影响具有显著差别,蒋婷等[14]研究发现外源添加铵态氮肥对龙葵生长和Cd积累的促进作用优于硝态氮肥。壳聚糖是以虾、蟹等为原料获取的甲壳素经脱乙酰化处理的天然有机高分子化合物,其分子链上存在活性官能团可作为重金属结合点位,因而具有较强的重金属配位能力,一般壳聚糖溶解性较差,只溶于稀酸和一些特定的溶剂中,通过特定的物理、化学改性后可获得水溶性的壳聚糖衍生物,可应用于土壤重金属污染修复[15]。有研究表明,施用水溶性壳聚糖使蓖麻地上部Cd、Pb提取量分别显著提高了95.2%和35.3%[16]。相比于EDTA等人工合成的螯合剂,壳聚糖还具有易降解、环境风险较低且兼具促进植物生长、提高抗逆性等优势[17-18]

      中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心前期研究结果证明了氮磷钾肥料配施可显著提高八宝景天地上部Cd提取量[19]。在此基础上,关于不同氮肥类型对八宝景天Cd修复效率的影响尚无进一步探索,对肥料配合施用壳聚糖强化植物对重金属提取效率的研究也较少。鉴于此,本研究拟在前期研究得出的氮磷钾施肥配比基础上,进一步探索不同氮肥类型 (中性、酸性、碱性) 以及肥料配施壳聚糖对不同污染土壤中Cd赋存形态以及八宝景天Cd富集能力的影响,以期探明提高八宝景天Cd修复效率的最优施氮类型,为利用八宝景天修复我国轻中度Cd污染农田土壤提供理论依据和技术支撑。

      • 盆栽试验供试土壤为取自四川绵竹和广西阳朔两个不同区域的典型Cd污染土壤。绵竹土壤为潴育水稻土,阳朔土壤为棕色石灰土,两种土壤中Cd污染状况和基本理化性质也有较大差异 (表1)。两种土壤中Cd含量均超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准 (试行)》(GB15618-2018) 所规定的风险筛选值 (0.3 mg/kg,pH < 7.5)。选取前期研究中筛选出的Cd富集能力较强的八宝景天生态型 (LN) 作为供试植物[5]。供试的有机活化材料为水溶性羧乙基壳聚糖,其脱乙酰度、pH和粘度分别为90.5%、3.9和13 mPa/s,由浙江科技大学提供[20]

        表 1  供试土壤Cd含量及基本理化性质

        Table 1.  Cd content and physicochemical properties of tested soils

        土壤
        Soil
        pH全量Cd
        Total Cd
        (mg/kg)
        有效态Cd
        Available Cd
        (mg/kg)
        阳离子交换量
        CEC
        (mol/kg)
        有机质
        Organic matter
        (g/kg)
        全氮
        Total N
        (g/kg)
        全磷
        Total P
        (g/kg)
        全钾
        Total K
        (g/kg)
        潴育水稻土
        Waterloggogenic paddy soil
        6.001.080.568.2324.02.201.72 9.47
        棕色石灰土
        Brown rendzina
        7.074.653.008.3714.81.581.4716.01
      • 试验以前期研究结果为基础,在氮磷钾肥施用量一致的前提下,设置了3种不同氮肥类型处理:生理中性碳酸氢铵 (NH4HCO3,NZ)、生理酸性的氯化铵 (NH4Cl,NS) 和生理碱性氮肥氨水 (NH3·H2O,NJ),以及碳酸氢铵+壳聚糖处理 (NH4HCO3+chitosan,NC), 共4个处理,分别用两种Cd污染土壤开展盆栽试验,每个处理重复4次。所有处理氮磷钾肥料施用量均以N 150 mg/kg、P2O5 250 mg/kg、K2O 100 mg/kg计,供试磷、钾肥分别为Ca(H2PO4)2和KCl,壳聚糖添加量为每千克土5 g。

        于2018年11月,在中国科学院地理科学与资源研究所温室内进行盆栽试验。首先将上述两种污染土壤过2 mm筛后分别装入25 cm × 25 cm塑料花盆中,每盆装2.5 kg土壤。按照不同处理设置,将所有肥料均一次性施入土壤中,与土壤充分混合后平衡1周,然后选取生长健壮且长势一致的八宝景天幼苗,每盆移栽3株。八宝景天在处理土壤上生长周期为20天,期间昼夜温度为20℃~30℃,保持土壤水分在田间持水量的70%左右。

      • 培养试验结束后,将八宝景天根、茎、叶样品全部收获,采用抖根法收集根际土壤样品,风干磨碎后分别过1.00 mm和0.15 mm筛待测。植物根部样品先在10 mmol/L乙二胺四乙酸溶液 (EDTA) 中浸泡5 min以去除根表面附着的Cd离子,各部分均用自来水洗净,再用去离子水冲洗3遍,在105℃下杀青30 min,然后在65℃烘干至恒重,记录植物各部位干重,将根、茎、叶样品分别磨碎后待测。

        植物样品中Cd含量测定采用HNO3–HClO4 (V/V 5:1) 法进行消解,同时设置空白对照和国家标准物质 (GBW07603) 进行化学分析质量控制 (95% ± 5%)。土壤中Cd含量测定依据美国环保局US EPA 3050B方法,采用HNO3–H2O2法进行消解,同时设置空白对照和国家标准物质 (GBW07402) 进行化学分析质量控制 (95% ± 5%)。植物和土壤样品消解液均采用电感耦合等离子质谱仪 (ICP-MS,Elan DRC-e,Perkin Elmer,USA) 测定。

        采用DTPA浸提法 (GB/T 23739-2009) 测定土壤有效态Cd含量,采用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES,5300DV,Perkin Elmer,USA) 测定。土壤pH采用电极法 (ISO 10390 2005) 进行测定。土壤Cd形态分析首先参照Rauret等[21],采用土水比1∶40提取土壤水溶态Cd含量,随后参考Quevauviller等[22],采用改进的BCR顺序提取法测定,依次提取出弱酸提取态、可还原态、可氧化态,剩余残渣采用HCl-HNO3-HClO4法进行消解,为残渣态。所有形态提取液中Cd含量均采用ICP-MS进行测定。

      • 用Excel软件进行数据相关计算,试验结果采用IBM SPSS Statistics 26进行数据统计分析,不同处理间采用最小显著差数法 (LSD法) 进行差异显著性检验 (P < 0.05),用Origin Pro 2018软件进行作图。

        采用生物富集系数 (bioconcentration factor,BCF) 评价八宝景天对Cd的富集能力,其计算公式如下:

        $ {\rm{BCF}}=\frac{{C}_{{\rm{shoot}}}}{{C}_{{\rm{soil}}}} $

        式中,Cshoot (mg/kg) 和Csoil (mg/kg) 分别为八宝景天地上部和土壤中Cd浓度。

        采用转运系数 (translocation factor,TF) 来评价八宝景天向地上部转运Cd的能力,其计算公式如下:

        $ {\rm{TF}}=\frac{{C}_{{\rm{shoot}}}}{{C}_{{\rm{root}}}} $

        式中,Cshoot (mg/kg) 为八宝景天地上部平均Cd浓度,由其地上部Cd富集量除以茎叶总生物量得出,Croot (mg/kg) 为八宝景天根部Cd浓度。

      • 图1可知,不同施氮处理对两种典型Cd污染土壤pH均有显著影响,且对棕色石灰土pH的影响大于对潴育水稻土,不同处理下两种土壤pH由高到低均为NH3·H2O > NH4HCO3 > NH4Cl > NH4HCO3+壳聚糖。施用NH4HCO3处理下土壤pH与基础土壤pH相比无明显差异,NH4Cl处理下潴育水稻土和棕色石灰土pH与NH4HCO3处理相比分别降低了6.7%和7.8%,NH3·H2O处理则提高了土壤pH,且显著高于NH4Cl处理与NH4HCO3+壳聚糖处理。NH4HCO3+壳聚糖处理下两种土壤pH均为最低,显著低于其他施氮处理。施用NH4HCO3和NH3·H2O对两种土壤有效态Cd含量均无显著影响,施用NH4Cl和NH4HCO3+壳聚糖则较NH4HCO3处理分别提高8.4%~10.3%和25.2%~30.9%。此外,NH4HCO3+壳聚糖处理下两种土壤有效态Cd含量均最高,且显著高于其他3种施氮处理,其中在潴育水稻土和棕色石灰土上根际土壤有效态Cd含量分别较NH4Cl处理提高了18.6%和15.5%。

        图  1  不同氮处理八宝景天根际土壤pH及有效态Cd含量

        Figure 1.  pH value and available Cd content in rhizosphere soils of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

      • 表2可知,潴育水稻土中不同形态Cd含量依次为可还原态 (34.4%~40.0%) > 弱酸提取态 (24.6%~31.3%) ≈ 可氧化态 (24.7%~28.7%) > 残渣态 (8.0%~8.9%),而棕色石灰土中Cd则主要以弱酸提取态存在 (63.3%~65.5%),其次为可还原态 (23.2%~27.1%),可氧化态 (5.9%~8.5%) 与残渣态 (2.5%~3.1%) 含量均较低。

        表 2  不同氮处理对八宝景天根际土壤不同形态Cd含量的影响

        Table 2.  Cd fractions in the rhizosphere soil of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

        土壤
        Soil
        处理
        Treatment
        Cd含量Cd Concentrations (mg/kg)
        水溶态
        Water soluble
        弱酸提取态
        Acid extractable
        可还原态
        Reducible
        可氧化态
        Oxidizable
        残渣态
        Residual
        潴育水稻土
        Water loggogenic paddy soil
        NZ0.00 b0.50 ± 0.07 b0.76 ± 0.01 a0.47 ± 0.05 b0.17 ± 0.06 a
        NS0.01 b0.61 ± 0.02 a0.67 ± 0.07 c0.50 ± 0.01 b0.16 ± 0.01 a
        NJ0.00 b 0.56 ± 0.09 ab0.70 ± 0.06 b0.57 ± 0.04 a0.16 ± 0.02 a
        NC0.03 a0.48 ± 0.08 b0.71 ± 0.06 b0.56 ± 0.05 a0.17 ± 0.05 a
        棕色石灰土
        Brown rendzina
        NZ0.01 b3.76 ± 0.11 b 1.52 ± 0.09 ab0.50 ± 0.05 a0.15 ± 0.03 b
        NS0.02 b4.25 ± 0.09 a1.64 ± 0.01 a0.38 ± 0.04 b0.20 ± 0.02 a
        NJ0.01 b3.91 ± 0.10 b1.67 ± 0.1 a 0.41 ± 0.02 b0.17 ± 0.02 b
        NC0.06 a3.91 ± 0.11 b1.41 ± 0.05 b0.52 ± 0.04 a0.19 ± 0.01 a
        注(Note):NZ—NH4HCO3;NS—NH4Cl;NJ—NH3·H2O;NC—NH4HCO3+chitosan;同列数据后不同字母表示同一种土壤类型不同处理间差异达到显著水平 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significantly different among treatments (P < 0.05).

        施加酸性肥料 (NH4Cl和NH4HCO3+壳聚糖) 较施加中性肥料NH4HCO3均提高了两种土壤水溶态Cd含量。与NH4HCO3处理相比,NH4Cl处理下两种土壤中弱酸提取态Cd含量分别提高了22.0%和11.5%,而NH4HCO3+壳聚糖处理则无显著差异;施加NH4HCO3+壳聚糖处理降低了两种土壤可还原态Cd含量,对潴育水稻土而言,NH4Cl处理显著降低了可还原态Cd含量,而显著提高了可氧化态Cd含量;与之相反,对棕色石灰土而言,NH4Cl处理对可还原态Cd含量无显著影响,而显著降低了可氧化态Cd含量。

      • 图2可知,棕色石灰土上种植的八宝景天在各施肥处理下生物量均高于潴育水稻土。与施加中性氮肥NH4HCO3处理相比,施加酸性氮肥 (NH4Cl) 和碱性氮肥 (NH3·H2O) 对两种土壤上八宝景天根、茎、叶和总生物量的影响差异均不显著,而施加NH4HCO3+壳聚糖处理下两种土壤上八宝景天各部位生物量均显著高于其他处理,显著提高了29.6%~79.8%。

        图  2  不同氮处理八宝景天的生物量

        Figure 2.  Biomass of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

      • 图3可知,两种土壤上八宝景天各部位Cd含量均为叶 > 茎 > 根,且棕色石灰土上八宝景天各部位Cd含量均显著高于潴育水稻土 (P < 0.05)。施用NH4HCO3+壳聚糖处理对棕色石灰土上八宝景天Cd含量的促进作用最为明显,八宝景天各部位Cd含量较其他施氮处理显著提高了16.0%~143.4%。不同施氮模式对潴育水稻土上八宝景天Cd吸收的促进作用差异较小。

        图  3  不同氮处理八宝景天各部位的Cd含量

        Figure 3.  Cd concentration in different tissues of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

        不同施氮处理对八宝景天生物富集系数 (BCF) 和转运系数 (TF) 的影响如图4所示。两种土壤上八宝景天生物富集系数和转运系数均大于1,且潴育水稻土上八宝景天生物富集系数 (13.5~14.6) 明显高于棕色石灰土 (4.7~11.3)。两种土壤上八宝景天转运系数差异较小。不同施氮处理下潴育水稻土上八宝景天生物富集系数均无显著差异,而施用NH4HCO3+壳聚糖处理下其转运系数则较NH4HCO3处理显著提高了27.7%。施用NH4HCO3+壳聚糖处理下棕色石灰土上八宝景天的生物富集系数较其他施氮处理显著提高了45.8%~137.5%,同时,其转运系数较其他施氮处理提高了25.3%~81.6%,且显著高于NH4HCO3处理。

        图  4  不同氮处理八宝景天镉的富集系数(BCF)和转运系数 (TF)

        Figure 4.  Cd bioconcentration factor (BCF) and translocation factor (TF) of H. spectabile under different nitrogen fertilizer treatments

      • 八宝景天具有较强的Cd富集能力,具有应用于Cd污染土壤修复的潜力,然而在实际修复Cd污染农田时其修复效率仍然较低,需通过强化措施以提高其修复效率[5]。而植物对土壤重金属的富集效率主要由生物量与可收获部位重金属含量两个因素决定,因此,提高八宝景天Cd修复效率可通过促进其生长和对Cd的吸收两方面进行。作为传统农业生产中最重要的农艺措施之一,施肥不仅可以提供植物生长所需的养分,促进植物生长,同时,肥料施入土壤中后,还可与土壤中重金属发生吸附、解吸、络合、沉淀等反应,从而影响土壤中重金属形态和生物有效性[8]。因此,合理的施用肥料,可兼顾植物生长对养分的需求以及调节土壤理化性质,促进植物对Cd的吸收,是提高植物修复效率的有效辅助措施[23]

        前期研究结果表明,氮磷钾肥料配施显著提高了八宝景天Cd修复效率[19],但尚未对不同氮肥类型的影响进行深入研究,同时也未对肥料与有机活化材料配合施用对八宝景天Cd修复效率的影响展开研究。氮素是影响植物生长最主要的营养元素,不同氮肥类型可能影响植物对养分的吸收利用,从而影响其生长发育,同时不同类型肥料还会对土壤pH等理化性质产生不同影响,从而影响土壤中Cd生物有效性[24-25]。本试验所采用的壳聚糖为水溶性有机聚合物,具有较低的pH,同时表面存在大量羟基、氨基和羧基等官能团,可与土壤中Cd发生吸附、置换和络合作用,从而提高土壤中Cd活性[26]。本研究中,施用中性氮肥下两种土壤的pH与试验前的基础值基本一致,碱性肥料氨水的施用则在一定程度上提高了其pH,施用酸性氮肥NH4Cl以及NH4HCO3与壳聚糖配合施用均降低了根际土壤pH,且配施壳聚糖处理对根际土壤pH降低效果要明显大于NH4Cl,其原因可能为壳聚糖自身pH较低,致酸效应强于NH4Cl。土壤酸碱性是土壤中重金属生物有效性的主控因素,有研究表明,当土壤pH降低0.5个单位时,土壤中有效态Cd含量增加一倍[27]。本研究中两种典型Cd污染土壤的pH与有效态Cd含量均为极显著负相关,施用生理酸性肥料及中性氮肥配施壳聚糖处理均在一定程度上酸化了根际土壤,因而其有效态Cd含量也有显著提高。NH4Cl提高土壤Cd有效性的原因,一方面是景天在吸收NH4+同时向土壤中释放质子,导致根际pH降低,从而使Cd有效性提高;另一方面伴随阴离子Cl具有一定的配位能力,可与Cd2+络合形成CdCl+、CdCl20、CdCl3和CdCl42–等配合物,降低土壤对Cd的吸附,提高其有效性[6]。NH4HCO3与壳聚糖联合施用对土壤有效态Cd含量的提高作用强于NH4Cl,除了羧乙基壳聚糖本身的致酸效应外,更主要的活化机制可能是其大分子链上存在的—OH、—NH2和—COO—等官能团与土壤中的Cd络合,从而提高其生物有效性[18, 28]

        本研究通过BCR连续提取法对不同施氮措施下土壤中Cd的赋存形态进行研究,将八宝景天根际土壤中Cd分为水溶态、弱酸提取态、可还原态、可氧化态以及残渣态。不同形态Cd的迁移性和植物可利用程度不同,不同施肥措施可直接影响土壤pH、养分状况、有机质等理化性质,从而使土壤中Cd形态发生改变,进一步影响植物对Cd的吸收[29]。本研究中,受两种典型Cd污染土壤类型的影响,其Cd形态分布特征差异显著,潴育水稻土中Cd以可还原态为主,而棕色石灰土中则以弱酸提取态为土壤中Cd主要形态,这与刘霞等[30]的研究结果一致,其研究发现在污染程度较高的土壤中Cd主要以交换态和碳酸盐结合态存在,而污染程度较低的土壤中则Cd的有机结合态所占比例增加,甚至超过交换态。

        施加生理酸性肥料和中性氮肥配施壳聚糖处理均显著提高了八宝景天根际土壤中水溶态Cd含量,然而两种土壤中水溶态Cd含量均相对较低,植物主要吸收利用的形态可能为弱酸提取态。本研究中,两种土壤八宝景天根际弱酸提取态Cd含量在施加NH4Cl时均显著提高,而NH4HCO3和壳聚糖配施处理则无显著变化,这可能是由于羧乙基壳聚糖虽显著降低了根际土壤pH,促进了可还原态Cd的溶出,从而导致土壤中可还原态Cd含量降低和弱酸提取态Cd含量的增加,然而,一方面由于弱酸提取态主要为可交换态和碳酸盐结合态,其稳定性较差,羧乙基壳聚糖可与其生成稳定性较强的络合物,从而在一定程度上增加了可氧化态Cd含量 (有机结合态)[31];另一方面,NH4HCO3和壳聚糖配施处理相较其他施氮处理促进了八宝景天根系生长和Cd吸收转运,而弱酸提取态生物有效性最高,因此最先被八宝景天吸收利用,从而使得该处理对弱酸提取态的促进作用并不显著。土壤中不同形态Cd含量互为消长,本研究中,NH4Cl提高了八宝景天根际弱酸提取态Cd含量,对潴育水稻土而言,降低了其可还原态Cd含量,对棕色石灰土而言则是显著降低其可氧化态Cd含量。其原因可能与两种土壤的类型和理化性质相关,可还原态主要为铁锰氧化物结合态,潴育水稻土有机质含量较高,因而形成较为稳定的有机结合态Cd,生理酸性肥料的施加主要导致铁锰矿物的还原溶解,从而释放其结合的Cd;棕色石灰土处于氧化状态,土壤pH呈中性,因而生理酸性肥料的添加主要通过酸化、溶解作用将有机结合态Cd解吸出来。此外,不同施肥处理对Cd胁迫下八宝景天根系分泌物的组分和分泌量有不同的影响,可导致根际土壤pH、氧化还原电位和有机酸含量的差异,从而反馈调节Cd在根际土壤中的化学反应过程,还需进一步开展研究[32]

        本研究中,在NH4HCO3、NH4Cl和NH3·H2O等不同类型氮肥处理下,八宝景天根、茎、叶生物量均没有显著差异,说明在施氮量一致的条件下,3种氮肥形态对八宝景天生长的促进作用基本一致,王激清等[33]对Cd富集植物印度芥菜在不同氮肥形态下地上部和根部生长的研究结果与本研究一致。而配施壳聚糖处理下八宝景天各部位生物量均显著高于其他施氮处理,其原因在于,1) 壳聚糖具有改良土壤的作用,其分子链上有大量羟基,与土壤黏粒形成稳定的氢键,因而促进了土壤团粒结构的形成,提高土壤肥力[18];2) 壳聚糖作为生长调节剂,促进植物生长,壳聚糖可调节植物体内抗氧化酶SOD、POD和CAT等活性维持在较高水平,增强植物对逆境胁迫的适应性,还可通过提高植物内源激素IAA、ZR和GA等活性含量,调控内源激素平衡,促进植物对营养元素的吸收[34-35]。Chen等[36]研究发现壳聚糖与氮磷钾肥料配施显著促进了丽格秋海棠 (Begonia × hiemalis Fotsch) 生长,并通过调节抗氧化酶系统提高了其抗病性。

        八宝景天在本研究的两种供试土壤上,其各部位Cd含量均为叶 > 茎 > 根,这表明八宝景天具有较强的向地上部转运Cd的能力。各施氮处理间对潴育水稻土上八宝景天Cd吸收的促进作用没有表现出明显差异,而对棕色石灰土则表现出显著差异,这可能与潴育水稻土本身pH较低,且有机质含量较高,具有较强的缓冲能力,因而不同氮肥类型施入土壤后均没有表现出明显差异,不同施氮处理对潴育水稻土有效态Cd含量以及Cd形态转化的影响均小于对棕色石灰土印证了这一结果。与施用生理中性氮肥NH4HCO3相比,棕色石灰土施用NH4Cl以及NH4HCO3+壳聚糖均促进了八宝景天对Cd的吸收转运,尤其是NH4HCO3+壳聚糖处理促进作用最为显著,其各部位Cd含量、生物富集系数和转运系数均有显著提高。NH4Cl为生理酸性氮肥,八宝景天吸收NH4+后通过向根际释放H+酸化根际土壤环境,以及通过Cl与Cd2+形成可溶性络合物,从而提高根际土壤Cd的有效性,促进八宝景天Cd吸收转运[24, 33]。王艳红等[37]对赤红壤性Cd污染农田土壤 (pH 6.7,Cd 1.95 mg/kg) 研究发现,施用NH4Cl和 (NH4)2SO4显著促进了芥菜对Cd吸收,而CO(NH2)2和Ca(NO3)2则降低了芥菜地上部Cd含量。羧乙基壳聚糖本身pH较低,且具有较强的水溶性,施入土壤后一方面降低土壤pH,另一方面与土壤中Cd螯合形成水溶性络合物,从而提高了水溶态、可交换态以及碳酸盐结合态等生物有效性高的Cd形态含量,促进八宝景天对Cd的吸收和向地上部转运[18]。前人[16, 38-39]研究发现,水溶性壳聚糖可显著促进海州香薷、油菜和蓖麻等对Cd、Pb的吸收积累,与本研究结果一致。因此,NH4HCO3+壳聚糖处理在促进八宝景天生长和Cd吸收转运方面较其他施氮处理具有明显的优势,在强化八宝景天修复Cd污染土壤中具有广阔的应用前景。

      • 施肥措施可促进八宝景天修复Cd污染土壤,其强化效果受不同氮肥类型和土壤类型的影响。施用NH4HCO3、NH4Cl和NH3·H2O对八宝景天生长的促进作用均无显著差别,而NH4HCO3+壳聚糖配施则较前3种氮肥类型显著提高了八宝景天的生物量。此外,施用NH4Cl以及NH4HCO3+壳聚糖配施处理显著提高了棕色石灰土 (pH 7.07) 上八宝景天对Cd的吸收转运,尤其是壳聚糖配施处理促进效果更为显著,而对潴育水稻土 (pH 6.00) 则未表现出明显的促进作用。与施用NH4HCO3相比,NH4Cl和NH4HCO3+壳聚糖处理均可降低土壤pH,从而提高八宝景天根际土壤中Cd的生物有效性,且NH4HCO3+壳聚糖处理酸化土壤和提高Cd有效性的效果强于NH4Cl处理。综上所述,在施氮量一致的前提下,NH4HCO3+壳聚糖配施有利于促进八宝景天生长和Cd吸收转运,是强化八宝景天Cd修复效率的有效措施,其强化效果在中性偏碱性土壤上好于在酸性土壤上。

    参考文献 (39)

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