石灰与Cd2+复合作用对三七Cd含量及其累积特征的影响
Effects of Lime and Cadmium Compound Action on Cd Content and Accumulation Characteristics of Panax notoginseng
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Keywords:
- Panax notoginseng /
- Cd /
- lime /
- biomass
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三七[Panax notoginseng (Burk.) F. H. Chen]为五加科人参属多年生草本植物，干燥块根入药，具有止血、活血、散瘀、定痛、滋补、降压、降脂、降血糖和免疫调节等功效[1]。三七作为云南省名贵的中药材，在云南省文山州有几百年的栽培历史和广阔的栽培面积[2]。近年来，工业的快速发展使得重金属通过多种方式进入农业种植土壤，文山土壤镉(Cd)很可能与土壤背景值高有关；同时矿产资源的开采和冶炼均会导致重金属进入土壤，导致植物茎、根生长缓慢[3]，叶片发黄、褶皱卷曲，植株矮小、产量降低[4]，严重时甚至会使植物死亡，而且重金属极易在土壤中残留、富集[5]，并通过食物链进入人体，影响人体肾、肝和血液循环，使骨骼代谢产生障碍[6]。Cd是生物非必需金属元素，它有很强的毒性和可迁移性，不仅影响植物正常的生长和发育，还会影响植物体内生理生化过程[7]。云南不仅是三七的地道产区，也是中国Cd产出大省，年采出量高达63.2 t，占全国总产出量的46.6%[8]。冯光泉等[9]调查发现：镉(Cd)、砷(As)、铅(Pb)和汞(Hg)等重金属在部分三七种植区存在超标现象。土壤Cd污染必然会对三七生长发育造成影响，同时也可能导致三七药材中Cd积累[10]。朱美霖等[6]通过土培试验发现较高水平的 Cd胁迫对三七生长具有抑制作用。
三七栽培土壤中重金属残留超标现象比较严重[11-13]，施加石灰是治理土壤重金属污染的一种传统方法。石灰呈强碱性，能通过改变土壤pH来降低Cd的活性，调控Cd在土壤中的赋存形态，改变其在土壤中的迁移性，抑制植物对Cd的吸收，从而降低Cd的毒害作用[14]。石灰中的钙(Ca)对Cd具有拮抗作用，可大大降低植株对Cd的吸收。本研究通过模拟大田试验，探讨Cd污染土壤中石灰的不同施用量对三七生长、Cd的吸收和累积的影响，为进一步探索施用石灰降低三七Cd含量的过程机理以及Cd污染土壤的三七安全生产提供依据。
1. 材料与方法
1.1 田间试验设计与采样
田间试验在云南农业大学大河桥现代农业教育科研基地(N 25°31′22″，E 103°17′13″，海拔1 871 m)进行，供试三七为文山当地常规品种。供试土壤背景值：有机质含量 28.1 g/kg，pH 5.42，土壤Cd含量0.53 mg/kg，全氮0.8 g/kg，全磷 1.18 g/kg，碱解氮124.61 mg/kg，速效磷28.77 mg/kg，土壤类型为山原红壤。
试验地共150 m2，去除保护行后，剩余部分分为18个小区，试验采用随机区组设计，随机排列，小区面积为1.8 m2 (长1.2 m×宽1.5 m)。设置6个Cd处理水平(B1~B6)：0、0.6、3.0、6.0、9.0和12 mg/kg，采用CdCl2·2.5H2O配制。计算所需CdCl2·2.5H2O总量，以m(CdCl2·2.5H2O)：m(土壤)=1∶40进行混合，然后根据不同的Cd处理称取相应的混合后土壤，均匀撒在每个小区，与各小区0~15 cm层土壤混合均匀；3个石灰处理水平(A1~A3)：0、750和1 500 kg/hm2，采用Ca(OH)2配制，将各小区0~15 cm层土壤与不同处理的Ca(OH)2混合均匀。本试验共18个处理，每个处理3个重复(表1)。
表 1 试验处理设计Table 1. Design of experimental treatments石灰处理/(kg·hm−2)
lime treatmentCd2+处理/(mg·kg−1)
Cd2+ treatment0 0.6 3.0 6.0 9.0 12.0 0 A1B1 A1B2 A1B3 A1B4 A1B5 A1B6 750 A2B1 A2B2 A2B3 A2B4 A2B5 A2B6 1 500 A3B1 A3B2 A3B3 A3B4 A3B5 A3B6 土壤处理后，覆膜老化7 d，于2015年2月移栽一年生三七小苗，每个小区种植96株，单株种植，株距为12 cm，行距为15 cm，进行常规栽培管理。在2016年8月22日三七开花旺盛期，每个小区分别采集二年生三七植株10~15棵，同时收集根际土壤样品，带回实验室处理。
1.2 样品处理与指标测定
1.2.1 土壤pH测定
土壤风干，称取过2 mm孔径筛的样品10.0 g放于50 mL高型烧杯，加入KCl溶液25 mL，用玻璃棒搅拌1 min后将土粒上清液倒入20 mL小烧杯，将电极插入待测液，轻轻摇动烧杯将电极上的水膜除去，待读数稳定时记下pH[15]。
1.2.2 土壤有效态镉的测定
称取通过2 mm孔径筛的风干土壤样品5.00 g，置于100 mL具塞锥形瓶中，用移液管加入25.00 mL DTPA提取剂[0.005 mol/L DTPA-0.1 mol/L TEA(三乙酰胺)-0.01 mol/LCaCl2]，在室温(25 ℃±2 ℃)下放入往复振荡器上，每分钟往复振荡180次，然后取下，进行干过滤，弃去最初的5~6 mL滤液，剩下的滤液用火焰原子吸收光谱法测定土壤有效态镉[16]。
1.2.3 三七生物量测定
将采回的三七植株分为茎叶、剪口、主根、支根(含须根)4个部位，先用自来水清洗干净后，再用去离子水清洗，将洗干净后的三七主根、支根、剪口和茎叶装入纸袋中，放入鼓风干燥箱，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒温，待冷却后称重，测得三七各部位的生物量。
1.2.4 三七中Cd含量的测定
将烘干后的三七植株样品磨碎，准确称取0.200 0 g，加入2 mL硝酸和1 mL过氧化氢，置于聚四氟乙烯罐，放入不锈钢外套后拧紧，在160 ℃烘箱中加热4 h，冷却后取出罐，用超纯水定容至25 mL，摇匀，用石墨炉原子吸收光谱仪测定Cd含量[17]。
1.2.5 指标计算
富集系数是衡量植物对重金属累积能力的重要指标，值的大小反应不同组织对Cd吸收累积能力的大小；迁移系数反应Cd在三七植株内的迁移能力及主要的富集场所。
富集系数=植株中Cd含量/土壤中Cd含量；
迁移系数=地上部分Cd含量/地下部分Cd含量。
1.3 数据分析方法
采用Microsoft Excel 2010和Origin Pro 9软件进行数据分析与制图，使用统计软件SPSS 19对试验数据进行方差分析、多重比较分析和相关性分析。
2. 结果与分析
2.1 施用石灰对土壤pH及有效态镉含量的影响
由图1可知：酸性土壤中，同一Cd2+施用量下，土壤pH随石灰施用量的增加而升高。此外，同一Cd2+施用量下，土壤中有效态镉含量随石灰施用量的增加而减少。除6.0 mg/kg Cd2+处理外，其他Cd2+处理下，1 500 kg/hm2石灰处理与CK相比，有效态镉含量显著降低(P<0.05)。分析土壤pH与有效态镉含量之间的关系发现：土壤pH与有效态镉含量呈负相关，但相关性不显著(相关系数r =−0.122，n=54)。
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图 1 施用石灰对土壤pH、有效态镉含量以及三七主根、茎叶Cd含量的影响(mean±SD)注：不同小写字母表示不同石灰处理在P<0.05水平上差异显水平。Figure 1. Effect of lime application on soil pH value, available Cd content and content of Cd in main roots, main shoots of P. notoginsengNote: Different lowercase letters indicate that different lime treatments differ significantly at P <0.05 levels.2.2 镉胁迫下施用石灰对三七生物量的影响
由表2可知：在3.0 mg/kg Cd2+处理下，三七主根、茎叶、总生物量均随着石灰施用量的增加而增加，且1 500 kg/hm2石灰处理与CK处理相比，主根和整株生物量分别显著增加了74.4%和50.1% (P<0.05)；其余处理下，三七主根、茎叶、总生物量均无显著差异。三七主根生物量、总生物量在Cd2+ 3.0 mg/kg、石灰1 500 kg/hm2处理时最高。
表 2 不同处理盛花期三七植株各部位单株生物量(干重)(mean±SD)Table 2. Biomass per plant of P. notoginseng at flowering period under different treatments (dry weight)Cd2+处理/
(mg·kg−1)
Cd2+ trentment石灰处理/(kg·hm−2) lime treatment 0 750 1 500 主根
main root茎叶
stems and leaves整株
whole plant主根
main root茎叶
stems and leaves整株
whole plant主根
main root茎叶
stems and leaves整株
whole plant0 0.165±0.028 a 0.148±0.031 a 0.349±0.030 a 0.168±0.018 a 0.127±0.008 a 0.327±0.028 a 0.204±0.052 a 0.161±0.020 a 0.398±0.075 a 0.6 0.183±0.033 a 0.126±0.013 a 0.345±0.021 a 0.262±0.078 a 0.136±0.031 a 0.452±0.124 a 0.165±0.016 a 0.127±0.019 a 0.333±0.038 a 3.0 0.176±0.065 a 0.137±0.018 a 0.361±0.042 a 0.224±0.028 a 0.144±0.020 a 0.404±0.049 a 0.307±0.015 b 0.178±0.076 a 0.595±0.067 b 6.0 0.266±0.011 a 0.129±0.026 a 0.431±0.036 a 0.253±0.021 a 0.153±0.007 a 0.456±0.027 a 0.214±0.043 a 0.146±0.026 a 0.402±0.024 a 9.0 0.242±0.038 a 0.170±0.009 a 0.464±0.053 a 0.220±0.003 a 0.151±0.007 a 0.422±0.008 a 0.287±0.011 a 0.165±0.003 a 0.499±0.014 a 12.0 0.247±0.044 a 0.188±0.022 a 0.469±0.059 ab 0.201±0.036 a 0.136±0.004 a 0.386±0.037 a 0.271±0.027 a 0.194±0.025 a 0.515±0.058 bc 注：不同小写字母表示不同石灰处理在P<0.05水平上差异显水平。
Note: Different lowercase letters indicate that different lime treatments differ significantly at P <0.05 levels.2.3 施用石灰对三七中Cd含量及富集特征的影响
2.3.1 施用石灰对三七主根中Cd含量的影响
由图1可知：在低施用量Cd2+ (0和0.6 mg/kg)处理下，施加不同量的石灰，三七主根的Cd含量无显著性差异(P>0.05)。在Cd2+处理为3.0、6.0、9.0和12.0 mg/kg时，1 500 kg/hm2石灰处理与CK相比，主根的Cd含量分别显著降低了13.0%、5.8%、13.2%和17.6% (P<0.05)。此外，在Cd2+为12 mg/kg时，750 kg/hm2石灰处理与CK相比，三七主根的Cd含量显著降低了8.1% (P<0.05)。参照《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》[18]中Cd限量标准(0.3 mg/kg)，在3.0、6.0、9.0和12.0 mg/kg Cd2+处理下，三七主根中Cd含量均超标。
三七根部Cd含量与土壤有效态镉含量的相关性分析表明：两年生三七开花期根部Cd含量与土壤有效态镉含量呈极显著正相关，相关系数r =0.990**(P<0.01，n=54)。
2.3.2 施用石灰对三七茎叶中Cd含量的影响
由图1可知：在相同石灰施用量下，三七茎叶中Cd含量随Cd2+施用量的增加而增加，且茎叶中Cd含量低于相同处理的主根中Cd含量。Cd2+处理为6.0、9.0和12.0 mg/kg时，施加1 500 kg/hm2石灰处理，茎叶中Cd含量显著低于未施石灰处理(P<0.05)，分别减少13.6%、12.4%和20.8%。
2.3.3 施用石灰对三七中Cd累积特征的影响
由表3可知：同一石灰施用量处理下，随着Cd2+施用量的增加，三七对Cd的富集系数表现出减小的趋势；随着Cd2+施用量的增加，三七对Cd的迁移系数先增大后减小。在6.0、9.0和12.0 mg/kg Cd2+处理下，随着石灰施加量的增加，三七对Cd的迁移系数逐渐增大，说明在高施用量Cd2+处理下，施用石灰可以促进三七中的Cd向地上部位转移。在9.0 mg/kg Cd2+、1 500 kg/hm2石灰处理下，三七对Cd的迁移系数最大。
表 3 施用石灰对三七中Cd累积特征的影响Table 3. Accumulation characteristics of Cd in P. notoginseng石灰处理/(kg·hm−2)
lime treatment富集系数bioaccumulation factor 迁移系数translocation factor 地下部分roots 地上部分shoots 0 750 1 500 0 750 1 500 0 750 1 500 Cd2+处理/(mg·kg−1)
Cd2+ treatment0 0.45 0.44 0.39 0.27 0.3 0.26 0.7 0.67 0.58 0.6 0.4 0.32 0.36 0.35 0.28 0.32 0.87 0.88 0.88 3.0 0.15 0.15 0.12 0.14 0.15 0.12 0.93 1.04 1.03 6.0 0.13 0.11 0.12 0.13 0.1 0.1 0.86 0.92 0.94 9.0 0.11 0.1 0.1 0.09 0.1 0.11 0.81 0.98 1.05 12 0.1 0.1 0.08 0.08 0.08 0.07 0.78 0.83 0.87 3. 讨论
Cd以迁移性大、毒性高等特点成为最受关注的重金属污染物之一[19]。Cd在土壤中具有隐蔽性、长期性和不可逆性。植物受到Cd损伤通常表现为：细胞正常生理功能受到影响，生物产量下降，干物质减轻，叶片坏死变黄，叶绿体和线粒体受破坏，光合作用和呼吸作用减弱，植物正常生长受到影响[20-21]。有研究表明：Cd对一些植物生长存在剂量效应，在一定浓度范围内，Cd能促进植物的生长，这种促进作用因植物物种不同而异。朱美霖等[22]研究表明：Cd对三七生长的抑制作用不是简单的毒害作用，而是在低浓度条件下促进三七生长、在高浓度条件下抑制三七生长。本试验表明：在同一石灰处理下，随Cd2+施用量的增加，三七主根生物量和总生物量先增大后减小，且均大于CK组，可能是Cd2+施用量未达到最大的阈值，也可能是随着Cd2+施用量的增加，同时也向土壤中加入了大量的Cl−。Cl是高等植物生长发育所必需的重要微量元素之一，植物体内的Cl主要以Cl−形式存在，它被认为是植物细胞胞质和液泡中的主要矿质阴离子[23]，在光合作用水的光解过程中起活化剂作用，根和叶的细胞分裂也需要Cl−参与[24]。Cl−的加入可能促进了植物根部细胞分裂，刺激了根部生长，同时由于其在光合过程中的活性作用，促进了植物光合作用，有利于植物体内干物质的积累。本研究中，同一Cd2+处理下，添加石灰后三七主根生物量和总生物量均大于CK组，说明施加石灰可以促进三七生长。
向污染土壤中添加钝化剂，通过吸附、沉淀、络合等一系列反应，使重金属向稳定态转化，是国内外治理重金属污染土壤常用方法之一[25]。有研究表明：添加不同的土壤改良剂可以改变土壤理化性质[26]，不同程度的降低土壤中有效态镉含量，降低Cd对植物的毒害作用[27-29]。本研究表明：同一Cd2+处理下，土壤中有效态镉含量随石灰施用量的增加而减少；不同Cd2+处理下，当石灰添加量为1 500 kg/hm2时，与未添加石灰相比有效态镉含量显著降低。有研究表明：施加石灰可以将Cd2+水解为 Cd(OH)+，而Cd2+离子在土壤吸附点位上的亲和力明显低于Cd(OH)+，从而改善土壤镉污染状况[30]。同时，加入石灰会提高土壤pH，促使重金属形成碳酸盐、氢氧化物沉淀，降低有效态重金属含量，使重金属在土壤中的有效性和迁移能力降低[31-32]。本研究表明：同一Cd2+处理下，土壤中有效态镉含量随石灰施用量的增加而减少，本研究土壤pH与有效态镉含量呈负相关，但相关性不显著(r =−0.122)，说明土壤pH的升高可以降低土壤有效态镉含量。其原因可能是石灰在土壤中经过一系列的反应后释放出Ca2+，Ca2+与Cd2+具有相似的化学性质，是土壤中Cd2+的吸附位点的竞争者，当土壤中的Ca2+与Cd2+同时存在时，二者相互作用，Ca2+可以明显降低土壤中有效态镉的含量[33]。两年生三七开花期根部Cd含量与土壤有效态镉含量呈极显著正相关(r =0.990**)，说明土壤有效态镉含量严重影响着三七植株内Cd含量，为了提高三七品质，应严格控制土壤中镉含量。本研究中，在同一石灰处理下，三七地下部、地上部富集系数随Cd2+施用量的增加而降低，且地下部富集系数>地上部富集系数，说明三七地下部对Cd的富集能力更强，该结果与李子唯等[34]的研究结果一致。
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图 1 施用石灰对土壤pH、有效态镉含量以及三七主根、茎叶Cd含量的影响(mean±SD)
注：不同小写字母表示不同石灰处理在P<0.05水平上差异显水平。
Figure 1. Effect of lime application on soil pH value, available Cd content and content of Cd in main roots, main shoots of P. notoginseng
Note: Different lowercase letters indicate that different lime treatments differ significantly at P <0.05 levels.
表 1 试验处理设计
Table 1 Design of experimental treatments
石灰处理/(kg·hm−2)
lime treatmentCd2+处理/(mg·kg−1)
Cd2+ treatment0 0.6 3.0 6.0 9.0 12.0 0 A1B1 A1B2 A1B3 A1B4 A1B5 A1B6 750 A2B1 A2B2 A2B3 A2B4 A2B5 A2B6 1 500 A3B1 A3B2 A3B3 A3B4 A3B5 A3B6 
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表 2 不同处理盛花期三七植株各部位单株生物量(干重)(mean±SD)
Table 2 Biomass per plant of P. notoginseng at flowering period under different treatments (dry weight)
Cd2+处理/
(mg·kg−1)
Cd2+ trentment石灰处理/(kg·hm−2) lime treatment 0 750 1 500 主根
main root茎叶
stems and leaves整株
whole plant主根
main root茎叶
stems and leaves整株
whole plant主根
main root茎叶
stems and leaves整株
whole plant0 0.165±0.028 a 0.148±0.031 a 0.349±0.030 a 0.168±0.018 a 0.127±0.008 a 0.327±0.028 a 0.204±0.052 a 0.161±0.020 a 0.398±0.075 a 0.6 0.183±0.033 a 0.126±0.013 a 0.345±0.021 a 0.262±0.078 a 0.136±0.031 a 0.452±0.124 a 0.165±0.016 a 0.127±0.019 a 0.333±0.038 a 3.0 0.176±0.065 a 0.137±0.018 a 0.361±0.042 a 0.224±0.028 a 0.144±0.020 a 0.404±0.049 a 0.307±0.015 b 0.178±0.076 a 0.595±0.067 b 6.0 0.266±0.011 a 0.129±0.026 a 0.431±0.036 a 0.253±0.021 a 0.153±0.007 a 0.456±0.027 a 0.214±0.043 a 0.146±0.026 a 0.402±0.024 a 9.0 0.242±0.038 a 0.170±0.009 a 0.464±0.053 a 0.220±0.003 a 0.151±0.007 a 0.422±0.008 a 0.287±0.011 a 0.165±0.003 a 0.499±0.014 a 12.0 0.247±0.044 a 0.188±0.022 a 0.469±0.059 ab 0.201±0.036 a 0.136±0.004 a 0.386±0.037 a 0.271±0.027 a 0.194±0.025 a 0.515±0.058 bc 注：不同小写字母表示不同石灰处理在P<0.05水平上差异显水平。
Note: Different lowercase letters indicate that different lime treatments differ significantly at P <0.05 levels.
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表 3 施用石灰对三七中Cd累积特征的影响
Table 3 Accumulation characteristics of Cd in P. notoginseng
石灰处理/(kg·hm−2)
lime treatment富集系数bioaccumulation factor 迁移系数translocation factor 地下部分roots 地上部分shoots 0 750 1 500 0 750 1 500 0 750 1 500 Cd2+处理/(mg·kg−1)
Cd2+ treatment0 0.45 0.44 0.39 0.27 0.3 0.26 0.7 0.67 0.58 0.6 0.4 0.32 0.36 0.35 0.28 0.32 0.87 0.88 0.88 3.0 0.15 0.15 0.12 0.14 0.15 0.12 0.93 1.04 1.03 6.0 0.13 0.11 0.12 0.13 0.1 0.1 0.86 0.92 0.94 9.0 0.11 0.1 0.1 0.09 0.1 0.11 0.81 0.98 1.05 12 0.1 0.1 0.08 0.08 0.08 0.07 0.78 0.83 0.87
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百度学术
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