紫云英對污染土壤上葉菜生長及其鎘和鉛含量的影響

唐明燈,艾紹英,李盟軍,楊少海,羅英健,姚建武 (廣東省農業科學院土壤肥料研究所,廣東省養分資源循環利用與耕地保育重點實驗室,廣東 廣州 510640)

紫云英對污染土壤上葉菜生長及其鎘和鉛含量的影響

唐明燈,艾紹英*,李盟軍,楊少海,羅英健,姚建武 (廣東省農業科學院土壤肥料研究所,廣東省養分資源循環利用與耕地保育重點實驗室,廣東 廣州 510640)

為降低城郊菜地土壤葉菜可食部分Cd、Pb含量,通過3茬盆栽試驗研究了紫云英(Astragalus sinicus L.)綠肥對重金屬污染菜地上的葉菜生長、葉菜鎘鉛含量及土壤Cd、Pb活性形態(土壤溶液中Cd、Pb濃度及DTPA浸提態)的影響.結果表明,與對照相比,紫云英顯著提高了供試生菜和莧菜的地上部生物量;但對DTPA-Cd和DTPA-Pb沒有顯著影響,對土壤溶液Cd、Pb濃度影響較小,沒有顯著影響供試生菜和莧菜地上部Cd、Pb含量.因而紫云英可以施用到供試菜地土壤上以提高葉菜產量,且不會提高葉菜Cd、Pb的食物鏈風險.

紫云英；菜地；葉菜；鎘；鉛

研究發現,城郊一些地區生長的葉菜重金屬超標率較高[1-3],其中重金屬鎘、鉛具有致畸致癌等效應[4-5].土壤有機質可吸附或絡合土壤重金屬,能夠影響重金屬形態,降低重金屬的生物有效性及作物重金屬含量[5-7],因此,施用含有機質豐富的土壤改良劑能有效降低葉菜中Cd、Pb的含量[8].

紫云英(Astragalus sinicus L.)作為農田綠肥,在我國南方稻田廣泛種植,該植物可否降低葉菜重金屬 Cd、Pb含量,目前國內外相關報道很少.為此,本試驗擬通過紫蕓英綠肥處理重金屬污染土壤的盆栽試驗,以葉菜為指示植物,探索其可行性;同時通過土壤溶液中Cd、Pb的濃度及DTPA浸提的Cd、Pb含量等活性較強的形態來揭示其部分機制.

1 材料與方法

1.1 供試土壤

取自廣州市近郊,系由沉積物發育而來的菜園土(vegetative soil).取 0～20cm,風干,過 1cm 篩,備用.土壤的部分性狀如下:pH 5.70,有機質40.8g/kg,Cd全量1.34mg/kg、Pb全量106mg/kg、Cu全量 154mg/kg、Zn全量 359mg/kg,全 N 2.12g/kg、堿解N 172mg/kg、有效P 135mg/kg、速效K 362mg/kg.

1.2 供試綠肥

供試綠肥采自廣州從化市,為開花初期的紫云英(Astragalus sinicus L.)的地上部分,用不銹鋼菜刀切成約 3cm的小段備用.紫云英全 N 5.22g/kg、全 P 0.53g/kg、全 K 4.20g/kg;全 Cd 0.02mg/kg、全Pb 0.07mg/kg(均以鮮重計).

1.3 供試葉菜

供試葉菜品種為意大利全年耐抽苔生菜(Lactuca sativa L. var. ramosa Hort.)和優良花紅莧菜(Amaranthus cruetus L.),其種子均購于廣州增城市朱村種子站,前者全年可以在廣州市菜地土壤種植,后者適于夏天高溫時期種植.

1.4 試驗設計及實施

未施加紫云英的土壤為對照(CK),設置土壤施加鮮紫云英水平分別為 13.3g/kg(T1)、26.7g/kg(T2)、40.0g/kg(T3)、53.3g/kg(T4),共 5個處理水平,3次重復.每盆裝土壤 7.00kg,隨機排列.

稱取每處理的紫云英與土壤用量,混合成均勻基質,先在盆底裝2.00kg基質,水平安裝原位土壤溶液取樣器(濾過孔徑為 0.3μm),再補足基質.加水至土壤最大田間持水量的 60%左右,壓青 2周.2009年3月31日直播生菜種子,4葉期定株6棵,生長45d(達上市期,下同)收獲地上部;2009年5月29日播種莧菜,3葉期間苗至15棵,生長33d收獲地上部.2009年8日1日散播生菜種子,4葉期定株5棵,生長50d收獲.每茬葉菜收獲時同步抽取10mL土壤溶液,收獲第3茬后采集土壤樣本.每茬葉菜生長期間追施2次尿素,每次0.5 g/盆.澆自來水,稱重法保持土壤濕度為最大田間持水量的 70%左右.試驗在廣東省農業科學院土壤肥料研究所網室進行.

1.5 樣品前處理及測定

土壤溶液加入1mL濃度為2mol/L的稀硝酸使之酸化,冷藏、待測其中 Cd、Pb濃度.記錄生菜地上部鮮重、洗凈、擦干蔬菜外表水分,用塑料打漿機勻漿制成鮮樣,稱取 10.00g于三角瓶中、加入10.0mL混酸(體積比HNO3: HClO4= 4 :1,優質純試劑)消煮、定容到25mL,待測消解液中的Cd、Pb濃度,同時稱取蔬菜標準樣品進行質量監控.土壤樣本自然風干,過 1mm 尼龍篩,用DTPA[0.005mol/L二乙基三胺五乙酸(DTPA) +0.01mol/L CaCl2+ 0.1mol/L三乙醇胺(TEA)]浸提土壤有效態Cd、Pb(土液比為1∶5),待測過濾液.火焰(石墨爐)原子吸收分光光度計(Hitachi-Z 5000)測定 Cd、Pb.

1.6 數據處理和統計

數據采用Excel2003處理,SPSS10.0統計.

2 結果與分析

2.1 葉菜地上部生物量

如表1所示,與CK相比,紫云英綠肥顯著提高第 1、2茬葉菜地上部生物量(P＜0.05),紫云英的施用量與每茬葉菜生物量均顯著正相關.其中第1、第2茬極顯著正相關(第1、2、3茬葉菜的相關系數分別為 0.778,P＜0.01;0.794,P＜0.01;0.591,P＜0.05.n=15).第 1茬葉菜地上部生物量顯著高于第2、3茬葉菜生物量(P＜0.01),這主要是因為第2、3茬葉菜生長時氣溫高、日夜溫差小,葉菜呼吸作用加強,不利于葉菜碳水化合物的積累和生物量的增加.

表1 葉菜地上部鮮重Table 1 Aboveground biomass of leafy vegetable

2.2 葉菜地上部Cd、Pb含量

由圖1可見,與對照相比,紫云英綠肥對各茬葉菜地上部 Cd、Pb含量都沒有顯著影響(P＞0.05);莧菜Cd、Pb含量顯著高于生菜(P＜0.05),這是由于生菜和莧菜基因型差異造成的;另一方面,2茬生菜Cd、Pb含量沒有顯著差異(P＞0.05),表明氣候因素及紫蕓英的腐解度對生菜Cd、Pb含量沒有顯著影響.所有葉菜地上部Pb含量均低于食品中污染物 Pb限量標準(0.3mg/kg)[9],各處理葉菜地上部Cd含量平均值也低于食品中污染物Cd限量(0.2mg/kg)[9],但其中T2與T4處理中部分莧菜 Cd含量達 0.22mg/kg,由此可見,與 Pb相比,莧菜Cd的健康風險較大.

2.3 土壤Cd、Pb的活性形態

從表2可以看出,每茬葉菜的土壤溶液Cd濃度都有顯著差異(P＜0.05),但第1、2茬中,紫云英用量與土壤溶液 Cd濃度沒有顯著相關性(P＞0.05);第 3茬時紫云英處理顯著降低了土壤溶液Cd濃度且顯著負相關(相關系數為-0.597、n = 15、P＜0.05);第1茬的土壤溶液Cd濃度顯著大于第 2、3茬(P＜0.05),可能是紫云英初步分解產生的低分子有機物對土壤Cd具有一定的活化作用.不同處理土壤溶液中重金屬Pb都沒有顯著差異(P＞0.05)),但第1茬土壤溶液Pb濃度顯著低于第2、3茬(P＜0.05),其原因有待探明.對整個試驗過程而言,土壤溶液Cd濃度與葉菜地上部Cd含量顯著負相關(相關系數為-0.346、n = 45、P＜0.05),土壤溶液Pb濃度與葉菜地上部Pb含量顯著正相關(相關系數為0.522、n = 45、P＜0.01).

表2 土壤溶液中Cd、Pb濃度Table 2 Cd, Pb concentration in soil pore water

表3 土壤Cd、Pb的DTPA浸提態含量Table 3 Soil DTPA-Cd and-Pb concentrations

與對照相比,紫云英處理沒有顯著影響土壤DTPA-Cd含量(P＞0.05);同時紫云英處理對土壤DTPA-Pb含量也沒有顯著影響(P＞0.05),但 T4處理DTPA-Pb含量顯著降低,有待進一步研究其原因(表3).

3 討論

3.1 紫云英的施用及肥效

紫云英是我國最主要的綠肥作物,每 hm2稻田產紫云英綠肥 30000～90000kg,稻田施用量一般為 30000kg/hm2[10],本試驗盆栽菜地土壤紫云英的最低設計用量與此吻合(每 hm2土壤以2250000kg計),如果按盆栽施用量為大田施用量的 3倍,T3紫云英施用量與此相同.湯海燕等[11]和龍安華等[12]在田間小區的施用量為12500kg/hm2,按盆栽用量為大田的 3倍計算,該用量在本試驗T1和T2處理之間.紫云英的利用方式一般是田間種植,原位翻壓,但湯海燕等[11]和龍安華等[12]的試驗設計為田間小區離位施用,且取得較好的試驗效果,所以本文設計與此一致.另一方面,該設計也考慮到城郊菜地耕作強度大、難以休耕的現狀,紫云英等綠肥剛壓青時容易產生硫化氫等有害物質毒害植物根系,稻田紫云英原位利用一般壓青 2周左右才扦插水稻秧苗,故本文紫云英壓青2周.

紫云英具有提高土壤pH值、有機質,并抑制養分流失等改良和培肥土壤的作用[13-14],對水稻而言,曾慶利等[15]報道 30000kg/hm2紫云英用量相當于40%化肥的效應[16].紫云英不僅顯著提高水稻產量和生物量,而且顯著提高海州香薷(Elsholtzia splendens)的生物量[11-12,17].本試驗當中,紫云英對葉菜生物量的影響效果與此一致.楊俊崗等[10]認為紫云英分解快、供肥及時、肥效穩定而持久,本文與此類似;而且,通過第3茬對照的生物量與紫云英處理已沒有顯著差異,還可以初步推測其肥效大約為4個月左右.另外,菜地土壤積累了較豐富的氮、磷、鉀,本試驗菜地土壤有效磷、速效鉀分別大于 90mg/kg、240mg/kg,屬偏高級別[18],且肥料的使用也影響葉菜對Cd、Pb的吸收[19-20],為減少其他因素對紫云英綠肥處理效果的影響,故本試驗僅追施尿素.

3.2 紫云英對土壤及作物重金屬含量的影響

長期大田試驗監測到紫云英提高土壤Cd含量[21].這是因為紫云英具有一定的富集 Cd、Pb的能力[22-23],尤其是接種具有富鎘基因的根瘤菌后其 Cd富集能力大大加強[24].因此,在紫云英離位施用于菜地之前,有必要檢測其重金屬含量.田間小區試驗中,紫云英顯著提高海州香薷莖葉當中的Cd、Pb、Cu、Zn含量,與對照相比,提高幅度分別達57%、63%、31%、18%[11-12],本試驗盆栽紫云英對葉菜地上部Cd、Pb含量的影響與此有別,可能與供試土壤理化性狀及指示植物不同有關.湯海燕等[11]認為紫云英的效果與檸檬酸、草酸等類似[12],表明紫云英腐爛分解主要產生低分子量的有機酸,但官會林等[14]報道紫云英提高土壤中高分子量有機酸組分;從本試驗收獲第 1茬時土壤溶液 Cd濃度顯著高于對照推測,數據支持文獻[11-12]的觀點.另外,紫云英翻埋深度對海州香薷莖葉當中Cd、Pb、Cu、Zn含量沒有顯著影響[11],綠肥即使覆蓋在土壤表面也沒有顯著影響[25],則紫云英與土壤混合均勻的試驗設計不會顯著影響葉菜地上部Cd、Pb含量.

3.3 土壤Cd、Pb活性形態與葉菜地上部Cd、Pb的關系

Clemente等[26]報道牛糞對土壤重金屬DTPA浸提態及植物地上部重金屬含量沒有顯著影響,本試驗與此類似.土壤溶液中重金屬濃度和植物地上部重金屬含量之間正相關,與土壤重金屬其他形態相比,其相關性最好[27];本試驗土壤溶液Pb濃度-葉菜地上部Pb含量之間的關系與文獻[27]一致,且優于DTPA-Pb含量.但本試驗土壤溶液Cd濃度-葉菜地上部Cd含量之間與此有別,除了土壤溶液Cd濃度影響莧菜地上部Cd含量外,同時植物通過根系分泌物影響土壤溶液中重金屬濃度[25].在水培條件下,田生科等[28]發現1.6mg/L和3.2mg/L(ppm級)對海州香薷地上部Cu含量已沒有顯著影響, 本試驗推測供試葉菜對土壤溶液中 Cd的響應濃度較高(靈敏度為10μg/L 左右),即葉菜對較低(≤10μg/L)的土壤溶液 Cd濃度不敏感,因此,雖然不同紫云英施用量間的土壤溶液在 ppb級水平有顯著差異,但葉菜地上部 Cd含量沒有顯著差異.另外,王果等[29]認為,研究紫云英等有機物料的改土效果,要綜合有機物料、土壤、作物、栽培以及產品性質等因素,因此,紫云英對土壤的改良效果值得繼續研究.

4 結論

4.1 與對照相比,紫云英綠肥具有改良和培肥土壤的作用,顯著提高生菜和莧菜地上部生物量.4.2 紫云英沒有顯著影響土壤 DTPA-Cd和DTPA-Pb的含量,沒有顯著影響土壤溶液中的Pb濃度,對土壤溶液Cd濃度的影響程度也較小,因此沒有顯著提高供試生菜和莧菜地上部Cd、Pb含量.

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Effect of Astragalus sinicus on the growth, Cd and Pb concentration of leafy vegetables

TANG Ming-deng, AI Shao-ying*, LI Meng-jun, YANG Shao-hai, LUO Ying-jian, YAO Jian-wu (Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation, Institute of Soil and Fertilizer, Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Guangzhou 510640, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：461～465

In an effort to reduce Cd and Pb concentration in leafy vegetables grown in suburban soils, three rounds of pot experiments were conducted to study the effect of Astragalus sinicus L. on the growth, Cd and Pb concentration in leafy vegetables, and available heavy metals in the soil (e.g. Cd and Pb in soil solution, DTPA extractable metals). The results showed that compared with the control, A. sinicus significantly increased the aboveground biomass of Lactuca sativa and Amaranthus cruetus but there was no significant effect on Cd and Pb concentration in DTPA extractable fraction, in soil solution or in the vegetables. Therefore, A. sinicus can be applied to increase the biomass of leafy vegetables in the test soil without increasing the risk of food chain contamination.

Astragalus sinicus；vegetative field；leafy vegetable；Cd；Pb

X53

A

1000-6923(2011)03-0461-05

2010-07-30

廣東省科技廳重大專項(2007A032303001,2008A030202002);廣東省農業領域重點專項項目(2009A0201005)

* 責任作者, 研究員, shaoyingai@21cn.com

唐明燈(1968-),男,湖南武岡人,助理研究員,博士,主要從事土壤重金屬污染及其調控研究.發表論文10余篇.