鎘脅迫對三七土壤根際環境的影響

陳玉萍 齊媛 覃莉晨 農葉彎 何曉詩 張繼紅 楊麗君 李素霞

摘? ?要? ?選擇廣西靖西市某三七園為試驗地，以三年生三七為試驗材料，通過研究不同濃度鎘脅迫（0， 5， 10， 20， 40， 50 mg·kg-1）對三七根際土壤環境的影響，揭示在不同鎘濃度處理下土壤根際環境的酸堿度、水解性氮、有機質及有效態鎘含量變化情況。結果表明：靖西市三七產地的土壤呈強酸性（pH值為4.86），隨著鎘脅迫濃度升高，三七根際土壤的pH值總體呈下降趨勢，有機質、水解性氮含量呈升高趨勢;三七收獲后，土壤有效態鎘含量則顯著升高。

關鍵詞? ? 三七;鎘脅迫;土壤根際環境

中圖分類號：S567.23? ? 文獻標志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.31.014

三七[Panax notoginseng（Burk.） F. H. Chen]，五加科人參屬多年生直立草本植物，主要分布在北回歸線附近地區，云南文山、廣西靖西等地為主要種植區。近年來，貴州、四川、廣東等地也開始栽種[1-2]。三七的莖、葉、花均可入藥，全身都是寶。相關研究表明三七有止血、抗血栓、抗腫瘤、抗炎、保肝等藥理作用，可用于治療血液系統、心血管系統、腦血管系統、神經系統、代謝系統、免疫調節系統、生殖與泌尿系統、消化系統等疾病[3]。Cd作為微量元素的一種，與人體健康息息相關，攝入不足或過剩都會不同程度地引起人體生理異常或疾病[4]。由于人類生產活動擴大等諸多原因，土壤中的Cd含量不斷增加，出現了土壤Cd污染的現象。作為三七傳統種植區的云南、廣西等地，土壤也存在Cd超標現象，易對三七的品質和藥效造成影響。吳冠美等研究表明廣西靖西市三七種植區中土壤Cd超標率為33.33%[5]。林龍勇等研究表明云南三七種植區的土壤樣品中Cd超標率為75%[6]。土壤中Cd元素污染不易被水淋濾，不能為生物降解，相反卻能被植物吸收，導致農作物產量和質量下降，并通過食物鏈危害人類健康[7]。近年來，有關三七Cd含量超標的報道時有出現，一定程度上打擊了三七行業的繁榮發展和損害中草藥在群眾心中的印象[8]。本文從不同Cd濃度脅迫下三七土壤根際環境的變化情況來揭示三七鎘吸收的影響因素及其機理，為廣西三七產業的持續健康發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為三年生三七。

1.2 試驗地概況

試驗地選在靖西市某農戶的三七園，與當地三七的護養管理相同。試驗前，供試土壤的pH值為4.86，有機質含量為43.30 g·kg-1，速效氮含量178.11 mg·kg-1，速效磷含量48.80 mg·kg-1，速效鉀含量203.70 mg·kg-1，全Cd含量為0.44 mg·kg-1。

1.3 試驗設計

根據鎘脅迫濃度的不同，試驗設6個處理：空白對照（0 mg·kg-1）、處理1（5 mg·kg-1）、處理2（10 mg·kg-1）、處理3（20 mg·kg-1）、處理4（40 mg·kg-1）、處理5（50 mg·kg-1）。每個處理3個重復，每個重復種植3棵生長狀態相似的三七。土壤處理方式：取0～20 cm耕層土壤，曬干后過10目篩，根據對應濃度配置相應的CdCl2溶液，每份溶液噴施在10 kg干土中，充分混勻，填盆。土培處理時間為2018年7月9日至9月9日。所有處理的管理措施相同。

1.4 測定方法

土壤有機質含量測定采用稀釋熱法，利用濃硫酸和重鉻酸鉀混合時所產生的熱來氧化有機質中的碳，剩余的重鉻酸鉀（K2Cr2O7）用硫酸亞鐵（FeSO4）標準溶液回滴，通過測定消耗的氧化劑的量來計算得出土壤有機質含量;土壤pH值采用1∶2.5的土水比，用pH計測定;土壤水解性氮的測定采用硼酸吸收氨，再用標準酸滴定，計算水解性氮含量;土壤有效Cd的測定采用DTPA浸提，原子分光光度計測定法;土壤全Cd的測定采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定（GB/T 17141）[9-12]。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2007和DPS 7.5軟件進行處理，以Duncans新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 Cd脅迫對三七根際土壤pH的影響

土壤酸堿性對作物的不良影響是間接的。土壤酸堿性能夠影響土壤生物活性及土壤有機質轉化，決定著植物營養元素的有效性及污染物的活性[13]。土壤pH可改變土壤鎘的生物有效性[14]。土壤pH是土壤重金屬形態的重要影響因素之一，土壤酸性越強，可溶態重金屬的濃度越高，生物有效性就越高[15]。由表1可以看出，隨著Cd脅迫濃度升高，三七根際土壤的pH值總體呈減小趨勢，其中處理1與對照處理的差異不顯著，處理2、處理3、處理4、處理5的土壤pH值均顯著低于對照（P<0.05）。隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤pH值出現先降低再升高的趨勢，這個結果與周蜜等[16]研究結果中濰坊菊芋、徐州菊芋的根際土壤pH值都隨著鎘脅迫濃度升高總體呈降低趨勢相一致。

2.2 Cd脅迫對三七根際土壤有機質的影響

土壤有機質是泛指土壤中來源于生命的物質，是反映土壤養分貯量的標志，也是決定土壤綜合肥力水平的基礎，屬于土壤系統的主要成分之一，決定土壤中物質循環和能量流動的平衡性，能促進植物的生長發育，改善土壤的物理性質，促進微生物和土壤生物的活動，促進土壤中營養元素的分解，提高土壤的保肥性和緩沖性。它與土壤的結構性、通氣性、滲透性和吸附性、緩沖性有密切的關系，通常在其他條件相同或相近的情況下，在一定范圍內，有機質的含量與土壤肥力水平呈正相關[17]。由表1可知，隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤的有機質含量總體呈遞增趨勢（除處理1外），處理2、處理3、處理4、處理5依次增加分別為0.82%、4.53%、4.76%、11.04%。這說明在鎘脅迫下，隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤環境中有機質的分解受到不同程度的抑制。

2.3 Cd脅迫對三七根際土壤水解性氮的影響

土壤中的水解性氮是作物當季能夠吸收利用的氮素，較能反映近期土壤的氮素供應狀況，它包括無機態氮和部分易分解的有機態氮，可直接被植物根系吸收，在土壤肥力中起著相當重要的作用[18]。測試分析土壤中水解性氮含量對了解土壤的供氮能力、指導合理施肥具有一定意義。由表1可知，隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤的水解性氮含量呈增加趨勢，與對照相比，處理1、處理2、處理3、處理4、處理5的根際土壤的水解性氮含量增加了12.75%、16.91%、35.15%、52.21%、60.29%，且處理間差異顯著（P<0.05）。這表明鎘污染對三七吸收氮營養有顯著的抑制作用，并且隨著鎘濃度增加，抑制作用越強，該試驗結果與周蜜等人[16]的結論一致。原因分析：1）土壤酶活性與土壤有效氮含量呈負相關[19]。當土壤中Cd含量增加，土壤中酶活性降低，造成水解性氮含量的增加。2）土壤中堿解氮極易分解成硝態氮，硝態氮與土壤中的Cd2+都能被植物根系吸收，兩者形成競爭關系，再加上鎘離子的置換作用，使土壤水溶態NH4+含量增加，所以鎘濃度增加后，土壤堿解氮含量升高[20]。

2.4 三七根際土壤有效鎘轉化分析

由表1可知，土壤有效態鎘含量隨著鎘濃度升高呈顯著增大趨勢（P<0.05）。三七收獲后，采集土壤樣品進行檢測分析，發現土壤有效鎘含量分別為0.07， 3.34， 4.59， 6.41， 11.17， 17.48 mg·kg-1。與處理值擬合，得到方程y=0.304 1x+0.841 4（R2=0.960 2）。

3 小結與討論

3.1 小結

試驗結果表明，在鎘脅迫下，隨著鎘濃度增加，三七根際土壤的pH值總體呈下降趨勢;土壤有機質、水解性氮含量呈升高趨勢;土壤有效鎘含量則顯著提高。

3.2 討論

植物-土壤生態系統中，根際環境是植物生長的基礎保障，植物所需的各種養分尤其是礦質營養均來自于根際土壤的供給。根際土壤理化性質也是影響重金屬生物有效性的重要因素。有研究表明，土壤鎘的有效態與其他理化性質相關性不明顯，只與土壤pH值呈極顯著負相關，其原因可能是隨著土壤pH值的降低，不僅增加了CdCO3和CdS的可溶性，使水溶態的鎘含量增加，還能促進土壤膠體所交換吸附的鎘解吸出來[12，21]。本試驗發現，隨著鎘濃度的增加，土壤pH值總體呈下降趨勢，這可能是因為在高鎘濃度處理下，酸性土壤中（該試驗地土壤本底pH值為4.86）的Cd2+濃度增加，Cd2+和H+具有相同的競爭位點，結合態的鎘因與大量 H+發生交換而被釋放，導致土壤pH值降低[22]。本試驗開展時間為7—9月，正值高溫，土壤有機質在礦化過程中會釋放大量的有機酸類物質，也會增加土壤酸度。小分子物質也能與鎘形成難溶的絡合物，這和三七根際土壤有機質含量同鎘濃度總體呈正相關趨勢結果相符，與周密等[16]隨著鎘濃度增加，菊芋土壤根際有機質含量對應增加的研究結果一致。同時，隨著鎘濃度的增加，土壤有機質含量增加，也可能是鎘污染影響了土壤微生物群落，抑制土壤生物（例如細菌、真菌、放線菌等）參與土壤有機質的轉化，從而使有機質的分解受到抑制[13]，進而導致有機質在土壤中積累。

本試驗還發現，隨著鎘濃度的增加，三七根際土壤的水解性氮含量也隨之增加，原因主要在于水解性氮在土壤中易轉化為NO3-[23]，它與Cd2+的吸收部位相同，形成競爭關系，再加上鎘離子的置換作用，使土壤水溶態NH4+含量增加[24]，因此，隨著鎘濃度的增加，土壤水解性氮含量升高，進一步揭示了土壤 pH值與堿解氮含量的負相關性[25-26]。

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（責任編輯：易? 婧）