刘紫薇,熊莎莎,刘奥运,黄凯,李亚东,杨升

(湖北大学生命科学学院, 湖北 武汉 430062)

0 引言

近年来,随着人类工业化进程的不断推进以及人类生产、生活方式的影响,重金属污染日益严峻[1-3].2014年全国土壤污染状况调查公报显示,我国耕地土壤重金属总超标率为19.4%,其中镉超标最为严重,达到7.0%[4].镉作为生物非必需元素,可通过作物在人体中积累,对肝脏和肾脏、免疫系统等都表现出严重的毒性效应[5],而镉又具有难降解,半衰期长,易迁移等特点,一直为国家高度重视[6].

目前治理中轻度土壤重金属污染的原位钝化法主要采用加入碱性改良剂、有机质、黏土矿物等钝化剂来降低土壤中重金属活性,从而减少土壤重金属污染对生态环境的危害,但就实际治理应用中,上述钝化剂的应用总会引入其他问题,如碱性改良剂(石灰等)易造成土壤板结,黏土矿物(磷矿粉、过磷酸钙等)易产生二次污染等[7].因此,研究新的钝化改良剂具有重要意义.

本研究通过课题组的专利技术,将废弃的蛋白(如动物蹄角、毛发、血污等)高温碱水解[8],使得该废弃蛋白能更好被植物利用,促进作物生长;同时高温水解避免有机物易携带病虫卵的情况,实现废弃蛋白资源安全性再利用.另外,水解蛋白本身呈碱性和携带的有机基团(巯基、羟基等)有助于降低土壤重金属有效态含量,减少作物对其的吸收[9].因此,本研究以水解蛋白作为肥料,应用于中轻度镉污染土壤的小白菜种植,研究其对小白菜生长及重金属吸收的影响,为该水解蛋白的应用提供一定参考.

1 材料与方法

1.1 实验土壤供试土壤采自沙湖周边土(潮土),基本理化性质见表 1.土壤自然风干后剔除碎石及其他异物,粉碎后过 2 mm 尼龙筛,然后均匀喷洒优级纯氯化镉-去离子水,使土壤总镉浓度分别达到0.5 mg·kg-1、1 mg·kg-1,装入常规的具有盖子的塑料筐内,按田间持水量的80%加入去离子水,加盖老化30 d.处理好的土壤风干,磨碎并过2 mm尼龙筛后备用.

表1 土壤的基本理化性质

1.2 实验材料以小白菜(BrassicacampestrisL.)为实验材料,种子购自天津市津科力丰种苗有限公司.水解蛋白为实验室课题组制备,理化性质见表2,对照为挹江牌复混肥(N14-P5-K6),试剂为国产优级纯.

表2 水解蛋白理化性质

1.3 小白菜的种植分别称取3 kg 上述老化好的2 种不同含量镉污染的土壤于直径25 cm花盆内,按小白菜最适需氮量每千克土壤添加氮0.33 g,对照组加入7.1 g复混肥,水解蛋白组加入10.9 g,并参照复混肥中钾和磷的含量,用磷酸氢二钾(0.76 g)和磷酸二氢钙(0.18 g)补齐.小白菜种子撒于疏松土壤中,保持土壤湿润,至发芽长出2片真叶后,进行修整,保持每盆10颗苗.每个处理重复3次.

1.4 实验样品测定相对叶绿素含量采用叶绿素测定仪SPAD 502 测定.土壤pH采用pH计(土水比1∶2.5)测定[10].小白菜采摘后用自来水洗净(去除体积相差大的样品),蒸馏水润洗3遍,吸水纸吸干表面水分,称取单株质量,同时将植物平铺在平整桌面上,用尺测量植物根颈部到最高顶端间的距离.小白菜中镉的测定,准确称取适量干样,加入硝酸-高氯酸混合液(9+1),浸泡过夜,加热消化后,用1%硝酸定容,测定[11];土壤中全镉的测定,准确称取适量土样,盐酸低温消解,然后加入硝酸、氢氟酸以及高氯酸中温消解,之后0.1%硝酸定容,测定[12];土壤有效态镉的测定,准确称取适量土样,DTPA提取2 h后过滤,测定[13];采用安徽皖仪科技 WYS2200 火焰-石墨炉一体机原子吸收分光光度计进行分析测试.

1.5 实验数据处理用SPSS 20、Excel进行方差分析及差异性分析,T分析检测和单变量组间方差分析,置信区间为95%.

2 结果与讨论

2.1 不同处理组对小白菜生长的影响施加有机肥可提高植物叶片叶绿素含量,增强光合作用[14].水解蛋白从本质上说也是一种有机肥,实验过程中可观察到水解蛋白处理组小白菜相比复混肥处理组显得更为嫩绿.种植20 d时,测定小白菜相对叶绿素含量如图1所示,在土壤总镉0.5 mg·kg-1,水解蛋白处理组相比复混肥处理组高19.1%,在土壤总镉1 mg·kg-1,相比高16.2%,这说明水解蛋白可以减少土壤中镉对小白菜叶绿素含量的影响.同时在土壤总镉0.5 mg·kg-1,二个处理组的相对叶绿素含量有显著差异,且总体都高于土壤总镉1 mg·kg-1,说明土壤镉的浓度越高,对植物叶绿素的影响越大.

CF与HP的T分析检测,*表示差异显著(P<0.05),CF复混肥处理组,HP水解蛋白处理组.下同

叶绿素含量越高,植物生长过程中光合作用相对就越好,从而植物的生物量也越高.小白菜种植40 d后,小白菜株高及单株鲜重测量结果如表3所示,水解蛋白能促进小白菜株高和产量(单株鲜重实际是产量,因小白菜为鲜食蔬菜),与复混肥相比,在低镉与高镉水平,其株高和产量分别增加5.4%、15.8% 和15.3%、19.6%.同时比较两种不同土壤,发现总镉1 mg·kg-1土壤对小白菜影响要较大,其株高与单株鲜重都低于总镉0.5 mg·kg-1土壤.同时通过单变量组间方差分析,如表4所示,对于小白菜株高,土壤中的镉浓度对其影响显著;对于产量(单株鲜重),土壤中的镉浓度以及不同处理(水解蛋白与复混肥)都具有显著影响,而土壤镉浓度与处理方式没有显著的交互作用.

表3 小白菜株高及单株鲜重

表4 主体间效应的检验

2.2 不同处理组对小白菜镉含量的影响测定不同处理组小白菜镉含量,结果如图2所示,可以发现水解蛋白处理组小白菜镉含量都低于复混肥处理组,虽然二者没有显著差异(其原因可能是样本数太少),但含量上,分别降低了12.2%(0.5 mg·kg-1),26.9%(0.5 mg·kg-1).同时参考食品安全国家标准(GB 2762—2017)发现,复混肥处理组只在总镉0.5 mg·kg-1土壤中,小白菜达到国家标准(小于0.2 mg·kg-1),而在总镉1 mg·kg-1土壤中没有达到国标;但水解蛋白处理组在两种土壤中,小白菜都达到国家标准.因此,上述结果表明水解蛋白可以降低小白菜中镉的含量,可作为一种镉污染土壤种植安全作物的肥料.

图2 小白菜镉含量

2.3 不同处理组对土壤有效态镉含量的影响为探究小白菜镉含量降低的原因,我们测定了土壤有效态镉含量,结果如图3.水解蛋白处理组在两种镉浓度土壤中相比复混肥都能降低土壤有效态镉含量,分别降低了31.4%(0.5 mg·kg-1)、21.4%(1 mg·kg-1),且都有显著性差异,通过单变量组间方差分析,土壤总镉含量及不同处理方式对有效态镉含量均有显著影响,土壤镉浓度与处理方式没有显著的交互作用.土壤有效态镉含量的降低,减少了生物对镉的吸收,降低了小白菜的镉含量.水解蛋白之所以能降低土壤有效态镉含量,其原因可能是水解蛋白本身呈碱性,能提高土壤pH,进而降低有效态镉浓度.如图4所示,水解蛋白相比复混肥,在土壤低镉与高镉水平,土壤pH分别提高了0.14和0.12个单位.土壤pH提高,重金属离子沉淀,以不活跃的形态存在,有效态镉含量降低[15].另外,水解蛋白作为有机物,类似于其他有机钝化剂,其携带的有机基团(巯基、羟基等)能吸附和结合土壤中镉离子,而使得镉离子活跃度降低,这也有助于降低土壤有效态镉浓度[9].

图3 土壤中有效态镉含量

图4 土壤pH

同时,相比复混肥,水解蛋白能够促进小白菜的生长,而小白菜生物量的增加,可能产生小白菜镉含量的稀释效益,也可能是水解蛋白处理组中小白菜镉含量低的原因之一.

3 结论

水解蛋白对小白菜在镉污染土壤的盆栽试验结果表明,水解蛋白能促进小白菜生长,提高其生物量;能降低土壤有效态镉含量,减少小白菜中的镉含量.该研究为水解蛋白在中轻度镉污染土壤中蔬菜种植的应用提供了一定参考.