復合鈍化劑對鎘污染土壤三七生長及生理特性的影響

劉娟，李佳佳，張乃明，馮光泉

（1.云南農業大學植物保護學院，昆明650201；2.云南農業大學資源與環境學院，昆明650201；3.云南省土壤培肥與污染修復工程實驗室，昆明650201；4. 山西晉環科源環境資源科技有限公司，山西 朔州030024；5. 文山學院文山三七研究院，云南 文山663000）

三七（Panax notoginseng）為五加科人參屬多年生草本植物[1]，因其富含人參皂苷Rg1、槲皮素、乙酸等12 種單體皂苷、止血成分田七氨酸、揮發油及多種微量元素，對血液和造血系統、心血管系統、神經系統以及免疫系統等具有獨特的藥用、保健和應用價值[2]。三七因其生長特性，僅種植于云南省文山州、紅河州等少數低緯、中高海拔地區[3]，由于種植地土地面積的局限性以及三七種植過程中存在連作障礙，嚴重地影響了三七的產量。此外，由于種植地土壤背景值高、礦冶活動的盲目擴張以及部分含重金屬農藥的大量施用等原因，三七種植區土壤出現較為嚴重的重金屬污染問題。已經有研究報道，三七根塊中鎘的超標率高達62.96%，三七中鎘污染不僅會抑制植物生長并降低酶的活性，還可以通過食物鏈富集對人體造成危害。目前我國三七年均產量約9 000 t，占世界三七市場的90% 以上，三七成為我國出口的大宗藥材之一[4-5]，隨著人們對于中藥材重金屬含量問題的愈加重視，三七重金屬污染已經成為三七產業拓展國際市場的一大難題和障礙。

化學鈍化是普遍采用的一種重金屬污染土壤修復治理的方法[6]，即通過向土壤中添加有機鈍化劑（生物炭、糞肥、秸稈等）、無機鈍化劑（黏土礦物、磷酸鹽類和金屬氧化物等）和納米材料（碳質納米材料、改性納米材料、納米性礦物以及零價金屬材料）等改良劑[7-12]，一方面改善土壤的理化性質、提高土壤養分狀況[13]，另一方面改變重金屬在土壤中存在的形態，降低其在環境中的遷移性和生物有效性，從而降低重金屬對動植物的毒害[7]。近年來鈍化劑被廣泛應用于農田污染土壤的修復，所用鈍化劑以單一材料為主，而復合鈍化劑應用于三七種植區鎘污染土壤的修復研究還很少。因此開展復合鈍化劑對鎘污染土壤上三七生長及其鎘吸收累積的影響研究，可以為三七的安全種植提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤樣品采自云南省文山州文山市（23°34′54″N，104°19′46″ E），供試土壤為紅壤，于2017年2月按照隨機多點混合采樣法采集0～20 cm 耕層土壤，經過風干后過2 mm孔徑篩，去除土樣中的根茬、動物殘體和石塊等雜物。供試土壤的基本理化性質為：pH 值6.0、有機質24.17 g·kg-1、堿解氮20.42 mg·kg-1、速效磷27.24 mg·kg-1、速效鉀54.10 mg·kg-1，云南屬于重金屬元素背景值比較高的區域，鎘的質量分數為0.94 mg·kg-1。人工污染土壤通過向土壤中噴灑鎘[Cd（NO3）2·4H2O]（分析純）溶液，攪拌均勻后固定兩周，使土壤中Cd的質量分數達到5 mg·kg-1，制成鎘污染土壤。

供試三七（Panax notoginseng）選用一年生種苗，由文山學院文山三七研究院提供。以固廢資源再利用、經濟廉價為原則，本研究采用的復合鈍化劑材料由改性磷石膏、硅藻土、生物炭和石灰4 種材料復配而成（表1），配施比例為改性磷石膏∶硅藻土∶生物炭∶石灰為50∶25∶15∶10（質量比）。其中，磷石膏為筆者所在實驗室研制的加熱改性磷石膏，加熱溫度為800 ℃，磷石膏呈弱酸性，改性后磷石膏本身有氟、砷等有害物質揮發，鈣活性提高，磷石膏熱改性還可以提高磷石膏的pH。磷石膏主要成分為CaSO4·2H2O。供試的硅藻土購自天津市科密歐化學試劑有限公司，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3。生物炭購自鄭州牛特農業技術有限公司，主要成分為C。石灰購自昆明索希達科技有限公司，主要成分為CaO。所有鈍化劑過200 目篩，復合鈍化劑通過攪拌機混合均勻，外觀為灰色粉末，pH 9.4，Cd 0.39 mg·kg-1，CaO 29%，SiO236%，C 7%。

表1 供試鈍化劑的理化性質Table 1 The physical and chemical properties of the test passivator

1.2 試驗設計

盆栽試驗共設計4 個處理，分別為0（CK，不添加復合鈍化劑）、0.50%、1.00%、1.50%，每個處理設置3個重復。試驗所用容器為上口外直徑為26 cm，下口外直徑21 cm，高21 cm 的塑料盆，每盆裝土6 kg。將復合鈍化劑按比例加入土壤，與土壤充分混勻。于2017 年2 月9 日移栽三七種苗，移栽前每盆施入底肥90 g，放置一周，篩選長勢一致、無病蟲害的三七，每盆移栽13 株。為防止三七發生病蟲害，在種植前使用殺毒礬、多抗霉素以1∶1 的比例進行蘸根。移栽結束后澆水至澆透且無多余水流出，整齊擺放于提前搭建好的遮陰網內，再用0.5～1.0 cm 厚度的松針進行遮蓋，處理后待出苗。

在三七生長期間，每隔5 d澆水一次（具體根據天氣），每次澆水約700 mL。8 月份，三七逐步結束營養生長期，進入生殖生長期，此時每盆隨機采集4 株三七進行指標測定。在2018年1月，將剩余的三七全部收獲，用清水洗干凈，再用去離子水洗3 次然后將三七植株在105 ℃下殺青30 min，在65 ℃下烘干至恒質量，分別測定三七主根、莖、葉、剪口部位中重金屬鎘含量，土樣按照四分法取混合土樣約500 g，風干后過篩，進行土壤有效態鎘含量、pH 以及有機質含量的測定。

1.3 測定項目及方法

土壤pH 值采用玻璃電極法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[14]；土壤中鎘采用石墨爐原子吸收分光光度法（島津AA6880）測定；土壤有效態鎘含量用DTPA 提取- 原子吸收法（島津AA6880）測定，加入標準物質GBW07405 對整個分析測試過程進行質量控制；三七植株各部位鎘含量采用石墨爐原子吸收法（島津AA6880）測定，以國家標準物質（GBW07603 GSV-2）為內標控制樣品分析質量。

用卷尺（精度為0.01 cm）測量株高（從莖基部到莖的最高端）；用直尺（精度為0.01 cm）測定三七葉長、葉寬（三七中葉）；用游標卡尺（精度為0.02 mm）測定三七莖粗（剪口以上0～1 cm 處）；葉綠素用葉綠素儀（SPAD-502 Plus）測定；地上鮮質量、地下鮮質量、地上干質量、地下干質量用天平稱量精確到0.01 g。丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定；游離氨基酸含量采用茚三酮溶液顯色法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定，上述指標參照李合生《植物生理生化實驗原理和技術》。過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）用南京建成試劑盒測定。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2007 軟件進行整理和作圖，采用SPSS 18.0 軟件進行方差分析（ANOVA）和顯著性檢驗，顯著水平為0.05。三七中鎘含量的評價標準采用《地理標志產品 文山三七》（GB / T 19086—2008），其標準臨界值為0.5 mg·kg-1。

2 結果與分析

2.1 復合鈍化劑對三七生物學性狀的影響

三七植株的生長狀況可以直接反應鈍化劑的鈍化效果，復合鈍化劑對三七生物學性狀的影響如表2所示，與對照相比，不同鈍化劑添加量對三七株高、葉長、葉寬、莖粗、葉綠素和生物量均有一定的影響，三七各生物學指標隨著鈍化劑添加量的增加而增加。當鈍化劑添加量為0.50% 和1.00% 時，三七的株高、葉寬、地上鮮質量以及地下干質量顯著高于對照，而其他指標差異不顯著。當鈍化劑添加量為1.50% 時，三七株高、葉長、葉寬、莖粗及地上鮮/干質量、地下鮮/干質量增加最為明顯，與對照相比，分別增加33.8%、29.4%、18.9%、25.0%、50.0%、38.5%、64.0% 以 及84.6%，均達到了顯著性差異，綜合各指標的分析結果可以得出在鈍化劑添加量為1.50% 時，三七的各項生長指標的整體表現最好。

2.2 復合鈍化劑對三七抗氧化性的影響

植物的過氧化性和抗氧化性可以間接反映植物受鎘的脅迫程度，由表3 可見，不同鈍化劑添加量三七主根MDA 含量的范圍為0.43～0.88 nmol·L-1，葉片MDA 含量的范圍為1.09～2.10 nmol·L-1，鈍化劑添加量為0.50%、1.00%、1.50% 時，三七主根中MDA 含量與對照相比分別降低了17.0%、51.1% 和11.4%，葉片MDA 含量分別降低了11.0%、48.1% 和18.6%，三七主根和葉片MDA 含量隨著鈍化劑添加量的增大呈先下降后上升的趨勢。

抗氧化系統由SOD、POD 和CAT 等抗氧化酶組成。不同鈍化劑添加量三七主根SOD 活性為10.83～17.32 U·g-1·min-1，葉片中SOD 活性為20.43～33.43 U·g-1·min-1，三七主根和葉片中SOD 活性隨著鈍化劑添加量的增加呈下降趨勢，且各處理間均達到顯著性差異。 不同鈍化劑添加量三七主根POD 活性為122.51～156.83 U · g-1· min-1，葉 片 中POD 活 性 為257.80～284.03 U·g-1·min-1，三七主根和葉片中POD活性隨著鈍化劑添加量的增加呈下降趨勢，除0.50%鈍化劑處理，其他2 個處理與對照相比均達到顯著性差異。不同鈍化劑添加量三七主根CAT 活性為0.35～4.46 U·g-1·min-1，葉片CAT 活性為0.21～7.27 U·g-1·min-1，三七主根和葉片中CAT 活性隨著鈍化劑添加量的增加呈上升趨勢，且各處理間均達到了顯著性差異。

2.3 復合鈍化劑對三七滲透調節物質的影響

復合鈍化劑對三七可溶性蛋白以及游離氨基酸的影響如表4 所示，鈍化劑添加量為0.50%、1.00%、1.50% 時，三七主根中可溶性蛋白含量的范圍為6.80～19.34 mg·g-1，與對照相比分別降低了33.1%、59.0% 和64.8%，各處理間差異性顯著，可溶性蛋白含量整體隨著鈍化劑添加量的升高呈下降趨勢。葉片中可溶性蛋白含量的范圍為8.59～17.96 mg·g-1，葉片可溶性蛋白含量呈上升趨勢，與對照相比分別增加了92.3%、99.3% 和109.1%。鈍化劑添加量為0.50%、1.00%、1.50% 時，三七主根中游離氨基酸含量的范圍為471.28～1 556.72 μg·g-1，與對照相比分別降低了41.3%、69.7% 和59.6%，葉片中游離氨基酸含量的范圍為1 478.67～1 725.02 μg·g-1，與對照相比分別降低了14.3%、2.9% 和2.4%，不同鈍化劑添加量之間差異性顯著。主根和葉片中游離氨基酸含量隨著鈍化劑添加量的增加呈先下降后上升的趨勢。

表2 復合鈍化劑對三七生物學性狀的影響Table 2 Effect of different passivator contents on biological characters of Panax notoginseng

表3 不同鈍化劑添加量對三七抗氧化性的影響Table 3 Effect of different passivator contents on antioxidation of Panax notoginseng

表4 不同鈍化劑添加量對三七滲透性的影響Table 4 Effect of different passivator contents on the permeability of Panax notoginseng

2.4 復合鈍化劑對土壤pH 值、有機質和有效態鎘含量的影響

土壤pH值是影響土壤重金屬有效態和植物吸收重金屬的主要因素。施用鈍化劑以后，土壤中pH 含量有不同程度的增加，與對照相比，0.50%、1.00% 和1.50% 添加量處理pH 含量分別增加了18.8%、17.6%和18.6%，差異達到了顯著性水平，但不同鈍化劑處理之間差異性不顯著。土壤有機質不僅可以改良受污染土壤，而且還可以提高土地生產力。施用鈍化劑以后，0.50%、1.00%、1.50% 鈍化劑處理土壤有機質含量分別為24.99、27.12 mg·kg-1和30.08 mg·kg-1，與對照相比，分別提高了3.4%、12.2% 和24.5%，0.50% 鈍化劑處理土壤中有機質含量與對照之間雖有增加，但差異不顯著，1.00% 和1.50% 鈍化劑處理土壤與對照之間呈顯著性差異（圖1）。

圖1 不同鈍化劑處理對土壤pH和有機質含量的影響Figure 1 Effect of compound passivator on pH and organic matter content in soil

復合鈍化劑對土壤有效態鎘含量的影響如圖2所示，可以看出，鈍化劑添加量為0.50%、1.00%、1.50% 時土壤中有效態鎘含量分別為1.77、1.67、1.37 mg·g-1和1.18 mg·g-1，施加鈍化劑可以不同程度地降低土壤中有效態鎘的含量，與對照相比，鈍化劑添加量為0.5%、1.00%、1.50%時土壤中有效態鎘含量分別降低5.6%、22.6%、33.3%，其中，0.50% 鈍化劑添加量與對照相比，差異不顯著，而1.00% 和1.50% 鈍化劑添加量較對照降低幅度大，呈顯著性差異，不同鈍化劑添加量的鈍化效果為1.50%＞1.00%＞0.50%。

2.5 復合鈍化劑對三七各部位鎘吸收的影響

圖2 復合鈍化劑對土壤有效態鎘含量的影響Figure 2 Effect of compound passivator on available Cd content in soil

圖3 復合鈍化劑對三七各部位重金屬鎘含量的影響Figure 3 Effect of compound passivator on the content of heavy metal Cd in different parts of Panax notoginseng

復合鈍化劑處理對三七各部位吸收鎘的影響見圖3，不同鈍化劑添加量三七各部位鎘累積量在0.30～1.07 mg·g-1。與對照相比，添加鈍化劑不同程度地降低了三七各部位重金屬鎘累積量。三七主根鎘含量隨著鈍化劑添加量的增加而降低，添加0.50%、1.00%、1.50% 的復合鈍化劑使三七主根鎘累積量分別降低了21.4%、51.4% 和57.1%，且不同鈍化劑添加量之間差異性顯著。三七剪口鎘含量較對照分別降低了62.6%、58.9% 和58.9%，差異達到了顯著性水平，但不同鈍化劑添加量之間差異性不顯著。三七莖部的鎘累積量也是隨著鈍化劑添加量的增加而降低，鈍化劑添加量為0.50%、1.00%、1.50% 時使三七莖部鎘累積量分別減少了47.4%、51.6% 和67.4%，不同添加量之間鎘含量差異性顯著。0.50%、1.00%和1.50%鈍化劑添加量三七葉鎘累積量分別為0.48、0.47 mg·g-1和0.30 mg·g-1，與對照相比，分別降低了25.0%、26.6% 和53.1%，差異達到了顯著性水平。本試驗中，添加鈍化劑后三七剪口、莖和葉中鎘含量均低于我國國家標準《地理標志產品 文山三七》（GB/T 19086—2008）中鎘的限量（0.5 mg·g-1），而在三七主根中，添加量為1.00% 和1.50% 時，鎘含量低于我國國家標準（GB/T 19086—2008）中鎘的限量。

3 討論

3.1 施用復合鈍化劑與三七的生長發育

在本研究中，施用復合鈍化劑對三七株高、葉長、葉寬、莖粗、葉綠素和生物量均有一定的影響，在鈍化劑添加量為1.50% 時，三七的各項生長指標的整體表現最好。主要是因為土壤施加鈍化劑以后，一方面鈍化劑降低了重金屬對三七的毒害作用，另一方面又提高了作物對養分的吸收，促進了作物的生長，提高了作物的地上和地下生物量。有研究表明，施用硅藻土、生物炭、沸石粉能不同程度地促進玉米生長，增加玉米株高、葉面積、生物量和穗粒質量，顯著提高玉米產量[15]。劉阿梅等[16]的研究發現，在基質中添加生物炭可以增加圓蘿卜和小青菜株高和鮮質量，同時促進圓蘿卜根部膨大。王甲辰等[17]通過研究發現，向土壤中添加沸石粉可以增加玉米的生物量。本研究中，施用不同比例的復合鈍化劑（改性磷石膏、硅藻土、生物炭、石灰）可以有效提高三七株高、葉長、葉寬、莖粗、葉綠素以及生物量，主要是因為改性磷石膏能夠增加土壤中有效態氮、磷、鉀的含量，直接提供三七生長所需的氮、磷、鉀等營養元素，促進三七生長，同時施用磷石膏還可提高土壤pH 的含量，降低土壤中鎘的毒害。硅藻土屬于黏土礦物，比表面積大，其結構層帶電荷[18]，可以通過吸附、配位反應以及共沉淀反應等作用，降低溶液中重金屬離子的濃度和活性，從而降低對三七的毒害。生物炭是一種多孔碳質材料，具有豐富的孔隙和表面含氧官能團[19-20]，且有低堆積密度、高比表面積等特性，對土壤鎘固定有很大的作用。同時，生物炭的添加不僅可以增強土壤中微生物的活性，增強對污染物的降解能力，還可以提高土壤中多種養分及微量元素[21]，從而達到改善土壤質量以及促進三七生長的作用。石灰屬于堿性材料，它可以改變土壤pH 從而降低土壤有效態鎘的含量[22]，但石灰的強堿性也可能會對三七生長造成一定的危害，在本研究中，由于其添加量較少，造成的影響需作深入研究。

3.2 復合鈍化劑對三七抗氧化系統和滲透性物質的影響

重金屬污染導致植物體內產生大量的活性氧自由基，引起蛋白質和核酸等生物大分子變性、膜脂質過氧化，從而使植物受到傷害。而植物并非被動地遭受逆境所造成的氧化脅迫，在長期的進化過程中，植物形成了廣泛分布的、多層次的活性氧清除系統?？寡趸赶到y是植物抵抗重金屬脅迫的重要防御系統。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）是三七體內抗氧化酶系統中最重要的3種酶類，SOD 作為植物抗氧化酶系統的第一道防線，可以清除O-2自由基，減少膜質過氧化，保持細胞膜的穩定，CAT 和POD 可以清除H2O2，這3 種酶相互作用來防止活性氧（ROS）的積累。在本研究中，主根和葉片的SOD 和POD 活性均低于對照，且隨著鈍化劑添加量的增加呈下降趨勢，可能是因為加入復合鈍化劑緩解了三七所遭受的鎘脅迫。

丙二醛（MDA）是細胞膜脂過氧化的產物之一，MDA 含量的高低在一定程度上能反映脂膜過氧化作用水平和膜結構的受害程度[23-24]。本研究發現，土壤中加入復合鈍化劑以后，三七主根和葉片中的MDA含量均低于對照，MDA 下降是自由基減少、對脂膜過氧化作用減弱的結果，自由基減少可能源于復合鈍化劑的添加使得鎘脅迫減弱或抗氧化酶活性提高、清除作用增強等。本研究還發現，雖然總體上MDA 含量均低于對照，但隨著鈍化劑添加量的增大呈先下降后上升的趨勢，在3 種添加量范圍內，MDA 含量在添加量為1.50% 時最高，可能是因為盆栽試驗中添加了大量的復合鈍化劑，過量的鈍化劑會使鎘脅迫下三七膜系統受損，同時，復合鈍化劑中包含的各種材料也可能對植物脂膜造成不利影響，需要在以后的研究中進行更深入的探索。

3.3 施用復合鈍化劑對三七各部位鎘累積的影響

在本研究中，施用復合鈍化劑對三七各部位吸收鎘產生一定的影響，與對照相比，三七主根鎘含量降低了21.4%～57.1%，剪口降低了58.9%～62.6%，莖部降低了47.4%～67.4%，三七葉降低了25.0%～53.1%。三七對鎘的吸收主要是取決于土壤中有效態鎘的含量，而土壤中有效態鎘除了受到土壤本身理化性質如pH、有機質含量和CEC 等因素的影響，還受到鈍化劑性質和結構的影響。向土壤中添加復合鈍化劑可以改變土壤微環境，進而影響土壤中有效態鎘的含量以及植物吸收。本試驗中采用的鈍化材料主要包括改性磷石膏、硅藻土、生物炭和石灰，改性磷石膏可以提高土壤中的pH和有機質含量，土壤pH增高能夠誘導形成鎘的鐵錳氧化物結合態、碳酸鹽結合態以及氫氧化物沉淀，降低鎘在土壤中的有效性。而有機質對鎘污染的凈化主要是因為腐植酸可以螯合土壤中的鎘，使土壤環境中鎘穩定性發生變化，從而降低鎘在土壤中的有效性[25-26]，進而降低植物對重金屬的吸收累積。硅藻土具有一定的保水保肥性，其表面含有基團基團游離出來的氫可使硅藻土表面在水中帶有一定的負電荷，增強對正電荷重金屬離子的吸附，同時，基團還能使重金屬離子在硅藻土表面發生絡合[23]。生物炭由于高孔隙率、低堆積密度、豐富的表面官能團以及高比表面積而對土壤鎘固定有很大的作用[27-28]，將生物炭摻入土壤可以改變土壤物理、化學特性，并可以控制重要的土壤物理功能，例如空氣和水的滲透性、膠體和養分的浸出，同時由于其低密度的特性，添加一定量的生物炭會降低整體土壤的堆積密度[29]。而石灰中鈣的離子半徑與鎘的離子半徑相近，易產生同晶代替作用。

4 結論

（1）施加復合鈍化劑能夠促進三七生長，提高三七株高、葉長、葉寬、莖粗、葉綠素和地上、地下部分的生物量。

（2）三七主根和葉片中MDA 含量隨著鈍化劑添加量的增大呈先下降后上升的趨勢，同時，施用復合鈍化劑增加了三七主根和葉片中CAT 活性，而降低了游離氨基酸和可溶性蛋白含量（除葉片外）。

（3）施加復合鈍化劑能夠有效降低土壤中有效態鎘的含量，而且土壤鎘有效態降低幅度隨鈍化劑用量的增加而增大，鈍化效率最高為33.6%。

（4）施用不同數量的復合鈍化劑與對照相比都能降低三七各部位鎘的累積量，三七主根、剪口、莖和葉中鎘的累積量均呈降低趨勢，其中三七剪口鎘累積量降低幅度最大在58.9%～62.6%，添加鈍化劑后三七主根（添加量為1.00% 和1.50% 時）、剪口、莖和葉中鎘含量均低于我國國家標準《地理標志產品 文山三七》（GB/T 19086—2008）中鎘的限量值。