2021, Vol. 40
2. 云南省农业科学院农业环境资源研究所, 昆明 650205;
3. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室, 北京 100081;
4. 昆明市农产品质量安全中心, 昆明 650118;
5. 富宁县农业农村局, 云南 富宁 663400
2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China;
3. Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
4. Kunming Agricultural Products Quality and Safety Center, Kunming 650118, China;
5. Agricultural and Rural Bureau of Funing Country, Funing 663400, China
镉（Cd）是一种有强迁移性和生物毒性的重金属污染物，较易从土壤转移到富集系数较高的植物中[1-2]，进而影响植物的生理特征，并对作物的生长产生抑制作用[3]。目前，Cd原位化学钝化固定修复技术是降低Cd向食物链的迁移污染风险、修复中轻度重金属土壤污染的重要技术[4-6]，能够降低土壤中Cd的有效性，减少作物对Cd的吸收，实现作物安全生产和保护生态环境。
种植绿肥是一种传统的培肥增产措施，在保障作物高产稳产和构建良好农业生态环境中发挥着不可替代的作用[7-9]。冬种绿肥能够改善土壤肥力、减少化肥施用量，是农业清洁生产的重要手段[10-11]。应用绿肥可以减少Cd在土壤中的积累，阻控Cd向植物体内迁移，进而降低后茬作物中的Cd含量[12-14]，还可改变土壤中Cd的赋存形态，通过降低土壤中Cd生物有效态含量来减弱其生物有效性[15]。种植肥用油菜可使稻田土壤中Cd有效性降低5%~14%[16]，种植紫云英可以促进土壤中的酸可提取态Cd和可还原态Cd向残渣态Cd转化，增加土壤中Cd的稳定性，从而削弱土壤中Cd向植物中的转化能力[17]。MOHAMED等[18]在研究中也得出了相同的结论，种植绿肥显著降低了土壤中可溶性/交换性Cd的含量，增加了土壤中有机结合态和无机沉淀态Cd的含量。可见通过种植绿肥降低土壤Cd向作物的迁移是一种经济有效的措施。
云南省部分地区土壤重金属污染较严重，农业生产环境脆弱[19]。种植绿肥是当地普遍采用的耕作措施，以蔬菜/玉米-绿肥轮作种植制度为主，但不同绿肥对土壤Cd活性的影响尚不明确。本文选取4种典型豆科绿肥（紫云英、毛叶苕子、箭筈豌豆、光叶苕子）、2种典型十字花科绿肥（二月兰、油菜）和1种典型禾本科绿肥（黑麦草），通过盆栽试验研究不同绿肥作物对云南旱地中度污染土壤中Cd有效性，以及不同绿肥作物对Cd吸收转运的影响及其差异，探究土壤-绿肥互作体系中Cd的生物有效性，寻求提高土壤肥力和降低土壤Cd活性的有效手段，筛选评价较适宜的绿肥作物，为基于绿肥的农业安全生产提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验区及试验材料云南省昆明市东川区位于云贵高原北部边缘（102°47′ ~103°18′ E，25°57′ ~26°32′ N），海拔695 m。土壤类型为沉积土，质地为砂土。土壤经风干、混匀、磨碎后过2 mm筛备用。
Cd污染土壤采集自区内农田耕层（0~20 cm），Cd平均含量为1.12 mg·kg-1，根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），呈现中度污染等级。供试土壤理化性质为pH 8.35，有机质9.89 g · kg-1，全氮0.56 g · kg-1，有效磷18.35 mg·kg-1，速效钾91 mg·kg-1，有效Cd 0.01 mg·kg-1，全量Cd 1.21 mg·kg-1。
供试绿肥作物为紫云英（弋江籽）、毛叶苕子（皖苕）、箭筈豌豆（陇箭1号）、光叶苕子（云光早苕）、二月兰、绿肥油菜（中肥油1号）和黑麦草，均为广泛应用于田间实践的主栽绿肥品种，种子来源于国家绿肥产业技术体系种质资源库。
1.2 试验设计盆栽试验在南京农业大学温室进行，采用直径30.8 cm、高21 cm的白色PVC圆盆种植绿肥作物，每盆装8 kg供试土壤。紫云英、光叶苕子、毛叶苕子、箭筈豌豆、二月兰、油菜和黑麦草的播种量分别为0.56、0.84、1.10、2.24、0.14、0.42 g·盆-1和0.42 g·盆-1，另设冬闲对照，每处理设5个重复。2019年11月26日装盆、播种，绿肥生长期以称重法保持土壤含水量为田间持水量的60%。
1.3 样品采集及指标测定于绿肥盛花期及同期，即绿肥生物量最大的时期（2020年4月10日）采集植株和土壤样品。植株全盆收获后分成地上部与地下部（根系），地下部植株清水冲洗干净后再用去离子水冲洗，于105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，称量质量、粉碎后备用。植株样品采集后，全盆土混匀采取土壤样品，一部分4 ℃保存，一部分风干、磨碎后过2 mm和0.149 mm筛备用。紫云英、毛叶苕子、箭筈豌豆、光叶苕子、二月兰、油菜和黑麦草在收获时的生物量（鲜质量）分别为69.61、86.74、86.75、93.54、91.99、133.53 g·盆-1和123.00 g·盆-1。
土壤pH值采用5∶1水土比，电位法测定[20]；土壤有效磷（AP）采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠提取-钼锑钪比色法测定[20]；土壤速效钾（AK）采用1 mol·L-1醋酸铵浸提-原子吸收法测定[20]；无机氮（Nmin）采用2 mol· L-1氯化钾浸提，连续流动分析仪（SAN++，Skalar，荷兰）测定；可溶性有机质（DOM）采用超纯水浸提（水土比5∶1），振荡、离心后上清液过0.45 μm滤膜，所得滤液采用TOC分析仪（TOC-L CPH，岛津，日本）测定可溶性有机碳（DOC）和可溶性有机氮（DON）含量。
土壤有效态Cd采用0.1 mol·L-1的CaCl2浸提，振荡、离心后上清液过0.45 μm滤膜，ICP-MS（NexlON 2000，PerkinElmer，美国）测定[21]；土壤全量Cd采用硝酸、盐酸、氢氟酸、高氯酸四酸消解，消解液过0.45 μm滤膜后，ICP-MS测定[22]；植株Cd用采用硝酸-过氧化氢（4∶1）微波消解后，过0.45 μm滤膜，ICP-MS测定[23]。土壤Cd测定过程中以国家标准物质GBW07404a（GSS-4a）控制样品质量，植株Cd测定过程中以国家标准物质GBW10045a（GSB-23a）控制样品质量，回收率均控制在95%以上。
1.4 富集系数与转运系数富集系数表征植物对重金属富集能力的强弱，转运系数表征植株将重金属从地下部向地上部运输的能力大小，当转运系数>1时，表明重金属多集中在植株的地上部，转运系数 < 1时，表明重金属多集中在地下部。
富集系数（BCF）为植株地上部Cd含量（mg·kg-1）与土壤中Cd含量（mg·kg-1）的商；转运系数（TF）为植株地上部Cd含量（mg·kg-1）与植株地下部Cd含量（mg·kg-1）的商。
1.5 数据统计与分析采用SPSS 21.0进行方差分析和相关性分析，采用Duncan法，在P < 0.05水平下进行差异显著性检验，Origin 8.5作图。
2 结果与分析 2.1 不同绿肥作物对土壤基础性状的影响不同绿肥作物对土壤pH、有机质和全氮含量无显著影响（表 1）。与冬闲相比，种植绿肥后土壤有效磷、速效钾和无机氮均有不同程度下降，其中，种植黑麦草后有效养分降低最多，有效磷、速效钾、无机氮分别降低14.8%、29.4%和96.0%。
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表 1 不同处理下的土壤基础性状 Table 1 Soil basic properties in different green manure crops |
与冬闲相比，种植紫云英和黑麦草显著增加土壤DOC含量（图 1），分别增加了29.3%和33.7%；种植毛叶苕子、箭筈豌豆和光叶苕子也不同程度的增加了土壤DOC含量，增幅分别为7.1%、17.5%和2.8%。与冬闲相比，种植7种绿肥均显著降低了土壤DON含量，其中种植黑麦草和油菜后降幅最高，分别降低了78.4%和77.4%（图 1）。
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不同小写字母表示不同绿肥作物处理间差异显著（n=5，P < 0.05）。下同 Different lowercase letters indicate significant differences among different green manure crops(n=5, P < 0.05). The same below 图 1 不同绿肥作物对土壤DOC和DON含量的影响 Figure 1 Effects of different green manure crops on soil DOM and DON contents |
由图 2可知，冬闲处理的土壤有效Cd含量为0.010 6 mg·kg-1，相对冬闲处理，种植不同绿肥作物均显著降低了土壤有效Cd的含量，下降幅度为12.3%~ 33.0%。其中，箭筈豌豆、光叶苕子和黑麦草降低土壤有效Cd的能力最强，3个处理的土壤有效Cd含量分别为0.007 2、0.007 5 mg·kg-1和0.007 1 mg·kg-1，相比冬闲分别显著下降了32.1%、29.2%和33.0%。
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箱线图中箱体中间实线代表数据的中值，箱体内正方形点代表平均值，上、下边缘分别代表 75和25百分位数，上、下误差线分别代表 95和5百分位数。下同 The solid line and dot within each box represent the median and mean values of all data, respectively. The top and bottom edges represent the 75 and 25 percentiles, the top and bottom error bars represent the 95 and 5 percentiles. The same below 图 2 不同绿肥作物对土壤有效Cd含量的影响 Figure 2 Effects of different green manure crops on soil available Cd content |
不同绿肥作物均能显著降低土壤全量Cd（图 3），冬闲土壤全量Cd含量为1.19 mg·kg-1，种植紫云英土壤全量Cd（0.65 mg·kg-1）下降范围最大，降幅达45.4%；种植毛叶苕子、箭筈豌豆和光叶苕子土壤全量Cd分别下降34.9%、34.5%和33.2%；种植二月兰、黑麦草和油菜分别下降0.35、0.36 mg·kg-1和0.30 mg·kg-1。
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图 3 不同绿肥作物对土壤全量 Cd含量的影响 Figure 3 Effects of different green manure crops on soil total Cd content |
不同绿肥作物地上部与地下部Cd含量有较大差异，总体表现为地下部远高于地上部（图 4）。4种豆科绿肥（紫云英、毛叶苕子、箭筈豌豆和光叶苕子）的地上部Cd含量显著低于另外3种非豆科绿肥（二月兰、黑麦草和油菜）。紫云英地上部Cd含量最低，为0.05 mg·kg-1；二月兰最高，达0.59 mg·kg-1，是紫云英处理的11.8倍。地下部则表现出相反的趋势，紫云英、毛叶苕子、箭筈豌豆和光叶苕子的地下部Cd含量显著高于二月兰、黑麦草和油菜，其中，油菜地下部Cd含量最低，为0.83 mg·kg-1，紫云英地下部Cd含量最高，为油菜处理7.1倍，达5.91 mg·kg-1。植物中Cd的积累量能够更好地反映植物对Cd的吸收能力。紫云英、毛叶苕子、箭筈豌豆和光叶苕子等4种豆科作物地上部对Cd的积累量分别为0.77、2.54、5.71 μg· 盆-1和2.26 μg·盆-1，二月兰、油菜和黑麦草地上部的Cd累积量分别为15.15、24.10 μg·盆-1和17.43 μg· 盆-1，禾本科绿肥和十字花科绿肥地上部Cd积累量显著高于豆科绿肥。
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图 4 不同绿肥作物地上部与地下部Cd含量 Figure 4 The content of Cd in shoot and root of different green manures |
不同绿肥作物富集系数和转运系数存在较大的差异（表 2）。非豆科绿肥（二月兰、黑麦草和油菜）的富集系数和转运系数均高于豆科绿肥（紫云英、箭筈豌豆、毛叶苕子和光叶苕子）。紫云英的富集系数最低，为0.074；二月兰的富集系数最高，为0.813，是紫云英的11.0倍。油菜的转运系数最高，为0.772；紫云英转运系数最低，仅为0.008。说明二月兰、油菜和黑麦草的富集与转运能力显著高于其他4种豆科绿肥。
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表 2 不同绿肥作物的富集系数和转运系数 Table 2 Bioconcentration and translocation factors of different green manure crops |
偏最小二乘法路径模型（PLS-PM）结果（图 5）显示，不同绿肥作物对土壤养分、DOC、DON、植株地上部Cd含量有显著负影响，路径系数分别为-0.60、-0.59、-0.25和-0.48；对土壤全量Cd和植株地下部Cd含量有显著正影响。土壤养分对土壤有效Cd有显著正影响。DOC对地下部Cd含量有显著负影响，路径系数为-0.31，而土壤有效Cd对植株地下部Cd含量则有显著正影响。DON和植株地下部Cd含量均会对植株地上部Cd含量产生负影响，路径系数分别为-0.82和-0.41，其中DON对地上部Cd含量的影响更大，说明土壤DOC和DON含量的变化会影响地上部植株Cd含量。
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箭头旁数值为标准化的路径系数，实线表示影响显著，虚线表示影响不显著；蓝色表示正相关，红色表示负相关；GOF值表示模型的拟合优度。*为P < 0.05；**为P < 0.01；***为P < 0.001 Numbers next to the arrows are the standardized path coefficients. A solid-line path indicates that the effect is significant and a dashed-line path indicates that the effect is not significant. Blue is a positive correlation, red is a negative correlation. The value of GOF indicates the goodness of fit of the model. * indicates P < 0.05; ** indicates P < 0.01; *** indicates P < 0.001 图 5 不同绿肥作物与土壤养分和Cd活性的相互作用 Figure 5 Interactions between green manure and soil nutrients and Cd activity |
绿肥已在我国华北、西北和西南地区广泛种植，构建了确保作物高产稳产的绿肥生产利用体系和以绿肥为基础的农作物清洁生产及养分管理技术体系，并取得了显著的社会效益和经济效益[8]。不同绿肥作物由于其自身特点不同，对土壤性状的影响有一定差异。豆科绿肥具有生物固氮作用，与十字花科和禾本科绿肥相比培育土壤氮库能力更强[24]；十字花科绿肥能够活化土壤中的缓效态磷素、钾素，富磷、富钾效果显著[25]；禾本科绿肥具有生物量大和生产快速的特点，能够有效地积累土壤养分[26]。
绿肥生长过程中，根系与土壤互作产生的根系分泌物会促使土壤中难溶的磷、钾转化为作物可以吸收利用的有效磷和速效钾，提高土壤磷钾的有效性[27-29]。豆科绿肥因其生物固氮能力和较高的生物量，在培肥地力、改良土壤结构等方面具有重要的作用[30]。光叶苕子具有较强的耐旱和耐贫瘠能力，是云南旱地常用的一种豆科绿肥，在烟草及农作物的轮作中应用较多。种植光叶苕子可以降低土壤容重，提升土壤肥力和土壤酶活性，提高土壤养分利用率，增强土壤供氮能力[31-32]，为农作物的生长发育创造良好的土壤环境。
植株对Cd的吸收主要取决于土壤中有效Cd含量的大小，有效Cd含量与土壤理化性质紧密相关[33-34]。种植绿肥可改变Cd交换态组分在土壤中的迁移和转化过程，降低土壤中可溶性/交换性Cd的含量，增加土壤中有机结合态和无机沉淀态Cd的含量[35-36]。有研究指出，pH和有机质是影响土壤Cd有效性的关键因素[17, 36]，在0~30 cm的土层中，Cd含量与速效钾、无机氮含量呈正相关，与有效磷含量呈负相关，说明速效钾和无机氮会促进Cd的积累并抑制作物对Cd的吸收，从而导致土壤中Cd含量升高，而有效磷会促进作物对Cd的吸收，导致土壤Cd含量下降[37]。本研究中种植绿肥主要通过改变土壤理化性质和DOC含量来降低土壤Cd活性。
在这些因素中，土壤DOM对土壤中Cd含量的影响最大。DOM是土壤中最活跃的活性养分，能有效影响重金属物质的迁移与活性，对土壤肥力和Cd迁移具有十分重要的作用[38-39]。土壤中的DOM主要通过形成金属-有机络合物来改变土壤中重金属的赋存形态，影响其在土壤中的迁移转化，使得重金属植物毒性降低，控制其在土壤环境中的溶解与迁移[40-42]。本研究中，种植4种豆科绿肥（紫云英、毛叶苕子、箭筈豌豆、光叶苕子）和禾本科绿肥黑麦草均在一定程度上提高了土壤DOC含量、降低了土壤有效Cd含量，验证了DOC在降低有效Cd中的作用。前人研究表明，当土壤DOM的分子量较高、芳香性较强时，能降低Cd的迁移性[43]，种植绿肥可以增加土壤DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度和平均分子量，使其更趋于稳定[44-46]，绿肥对DOM性状的影响，可能是其降低Cd生物有效性的作用机制。土壤DOM与植株地上部和地下部Cd存在极显著负相关关系，这可能是由于绿肥生长过程中根系产生的DOM与土壤中游离的重金属离子相互作用，改变Cd在土壤颗粒中的吸附过程，并通过螯合、络合等化学作用形成有机质-重金属配合体，抑制土壤对Cd的吸附[47-48]。DOM增加有助于促进重金属向更稳定的残渣态的转化，改变土壤中重金属的活性，降低重金属在土壤中的迁移率、溶解度和生物利用度，进而减少植物对重金属的吸收[49-50]。
3.2 不同绿肥作物对Cd吸收和转运的影响不同绿肥作物均能在一定程度上降低土壤有效Cd和全量Cd含量。与冬闲相比，箭筈豌豆、光叶苕子和黑麦草对土壤有效Cd降低效果最好。7种绿肥作物对土壤全量Cd的影响有较大的差异，产生此结果的原因可能是不同绿肥作物根系对土壤中Cd的吸收能力不同，且根系分泌的有机酸能够通过改变土壤环境进而影响土壤中Cd的生物有效性[51]，并且植物根系分泌的低分子量有机酸能与Cd结合形成低分子络合物，从而增加土壤中Cd的溶解，与土壤中的Cd2+ 形成硫化镉，从而降低Cd的活性。有研究指出[52]，豆科绿肥和黑麦草具有较强的降低土壤Cd有效性的能力，与本文研究结果一致。
植物的种类、生物量和发育阶段等均会影响Cd在植物体内的积累，从而导致富集系数和转运系数的差异。例如，紫云英通过改变土壤性质和微生物群落降低土壤Cd生物有效性[17]；箭筈豌豆和苕子地面覆盖度高，且吸收的Cd主要集中在地下部，从而阻止过多的Cd集中在生物量较大的地上部；油菜可维持重金属污染水稻土的有机质含量，改善土壤理化性质，降低重金属的植物有效性[16]；二月兰对Cd胁迫具有较强的耐受能力[53]；黑麦草由于其有较大的生物量，可以从土壤中吸收较多的Cd。
本研究中7种绿肥作物的转运系数均 < 1，即Cd都集中在地下部，地上部Cd含量较低。且禾本科与十字花科绿肥作物的转运系数显著高于豆科绿肥，从土壤中吸附的Cd主要富集在地上部，与前人研究结果一致[54]。两种十字花科绿肥（油菜和二月兰）以及禾本科绿肥黑麦草的富集系数和转运系数显著高于另外4种豆科绿肥，且十字花科绿肥富集和转运能力最强，可能是因为其种植后增加了土壤微生物群落，优势菌群相对丰富，土壤微生物的多样性提高，从而增强了对Cd的富集和转运能力[16]。豆科绿肥的Cd积累规律主要表现为地下部>地上部，而十字花科和禾本科绿肥主要表现为地上部>地下部，由于地上部生物量大于地下部，因此需要选择富集系数和转运系数较低的豆科绿肥，既达到提高土壤肥力的目的，又能在一定程度上降低土壤Cd含量，避免在翻压后绿肥腐解，土壤中Cd活化带来的后茬作物Cd含量过高的风险。
本研究针对云南省东川区的种植制度，选择了7种适宜当地种植的绿肥作物进行筛选评价，虽然盆栽试验能够在控制条件下精细管理，但与田间实际仍有差异，其结果有一定的局限性，将在今后的研究中开展进一步的田间验证试验，以明确田间状况下不同绿肥作物对土壤中重金属的影响。
4 结论（1）在云南旱地种植绿肥作物，特别是豆科绿肥能减少土壤有效态Cd和全量Cd含量，有效降低土壤Cd生物有效性。
（2）豆科绿肥的富集系数和转运系数较低，Cd积累规律主要表现为地下部>地上部，Cd累积在生物量较小的地下部。
（3）土壤可溶性有机质对Cd有效性有较大影响，可溶性有机质的升高可以降低地上部植株Cd含量。
（4）结合当地的种植制度，种植豆科绿肥紫云英、毛叶苕子、箭筈豌豆、光叶苕子是实现Cd中度污染土壤作物安全生产的重要措施。
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