镉污染对菜地土壤氮素转化的影响

汪 媛１，胡承孝１，赵小虎１，２，钱雷晓１，王鹏程１，郑亚伟１，谭启玲１，孙学成１

（１．华中农业大学资源与环境学院微量元素研究中心，武汉 ４３００７０；２．农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室，广州 ５１０６４０）

摘要：为探讨镉污染对武汉城郊菜地土壤氮素转化和流失的影响特征，以硝酸盐高、低积累小白菜品种（Ｌ４５和Ｈ６４）为试验材料，研究了镉污染下小白菜中镉、硝态氮、全氮含量，土壤中镉、硝态氮、全氮含量，以及淋失液中硝态氮含量和土壤中氧化亚氮排放量。结果表明，小白菜具有一定的耐镉性，Ｌ４５比Ｈ６４地上部镉含量高２７．７％，说明Ｌ４５比Ｈ６４更敏感。随着镉浓度的升高，小白菜体内硝态氮含量呈先增后降的趋势，说明低浓度的镉促进了小白菜体内硝酸盐的积累；低浓度的镉还增加了土壤硝态氮的淋失。镉浓度的升高对土壤和植物体内全氮含量则无显著影响，说明镉污染对土壤中氮肥的主要利用形式硝态氮影响更显著。随着镉浓度的增加，土壤氧化亚氮的日排放量显著增加。

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关键词 ：镉污染；硝态氮；全氮；氧化亚氮

中图分类号：Ｘ１７３；Ｓ６３４．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：０４３９－８１１４（２０１５）０４－０８２１－０６

ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１５．０４．０１４

收稿日期：２０１４－０８－０８

基金项目：国家自然科学基金项目（３１２０１５０１；４１２７１２７５）；农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室开放课题项目（ＮＫ２０１３０２）

作者简介：汪 媛（１９８９－），女，湖北鄂州人，在读硕士研究生，主要从事农业生态环境重金属和氮循环的相关研究，（电话）０２７－８７２８８７３０（电子信箱）ｘｕｅｄｅｌａｎ＠１６３．ｃｏｍ；通信作者，赵小虎，主要从事植物营养与农产品及生态安全研究，（电子信箱）ｘｈｚｈａｏ＠ｍａｉｌ．ｈｚａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。

镉是一种人体非必需的常见有毒重金属，同时也是持久性的土壤污染物［１，２］，会导致植物受到毒害作用。工业废水、城市生活污水、杀虫剂、除草剂、垃圾以及污水径流中含有的镉逐步侵蚀着土壤生态环境，使得土壤镉污染日趋严重［３，４］。镉进入土壤中后，通过对土壤中酶及相关微生物产生作用，影响植物生长状况和生理生态特性，以及其对镉的吸收利用。有报道称高镉条件可以抑制植物生长从而导致减产，镉还会通过营养元素影响植物的气孔开放、蒸腾作用和光合作用，进入植物体后与相关酶结合并抑制植物对水分的吸收和运输，抑制光合作用和呼吸作用，抑制其他生理功能等［５］。菜地施肥频繁、长期轮作会导致土壤硝态氮累积，而硝态氮不易被土壤胶体吸附，累积在土壤中的氮素没有及时被植物吸收，导致了土壤氮肥利用率不高，氮素大量流失，淋溶液中的硝酸盐过高造成水体富营养化，使得菜地面临镉污染的同时，还面临土壤氮素累积及流失导致的富集和污染［６，７］。这就在重金属镉的风险下还增加了土壤氮沉积，森林土壤的研究显示氮富集导致树木生长减少，叶片氮含量增加，阳离子失衡，垃圾分解率降低和氮循环改变［９，１０］。这说明氮素与树木生长和养分动态的变化相关，而镉元素由于其潜在的毒性，在植物系统中相对流动，积累在食物链中，通过化肥和改良剂应用于土壤［１１］。

本试验以南方常见蔬菜小白菜为试验材料，选取硝酸盐高、低积累品种Ｈ６４和Ｌ４５进行试验设计，以此来揭示镉污染菜地中氮素转化的特征及规律，不仅有助于了解土壤氮素转化的过程，而且对镉污染下菜地的氮肥施用具有借鉴意义。通过田间大型原状土柱试验研究了不同水平的镉污染对作物生长情况、硝酸盐含量、全氮含量，特别是菜地土壤氮素淋失和氧化亚氮排放情况的影响，旨在为武汉城郊菜地在镉污染下存在的氮素富集和淋失情况进行诊断，以及为提高氮肥利用率提供依据。

１ 材料与方法

１．１ 试验材料

供试小白菜品种为实验室前期筛选的硝酸盐高积累品种（Ｈ６４）和硝酸盐低积累品种（Ｌ４５），试验土壤为华中农业大学狮子山黄棕壤，土壤基本理化性质见表１。

１．２ 试验设计

试验于２０１３年３－５月在华中农业大学试验基地采用原状土柱［１２］（直径为６１０ ｍｍ，高为３００ ｍｍ）进行。试验设置４个镉水平：０（Ｔ１）、０．５（Ｔ２）、１．０（Ｔ３）、５．０ ｍｇ／ｋｇ （Ｔ４），共４个处理，每个处理设４个重复，以氯化镉为镉源，土壤加镉熟化一个月后播种。Ｎ、Ｐ、Ｋ肥分别以尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾为肥源，按常规水平施肥，土壤施入Ｎ ２００ ｋｇ／ｈｍ２、Ｐ２Ｏ５ １５０ ｋｇ／ｈｍ２、Ｋ２Ｏ ２００ ｋｇ／ｈｍ２。播种前氮肥、磷肥和钾肥分别作为基肥在小白菜种植前一次性施入，并于２０１３年３月８日播种，５月６日收获。期间每周浇水４ ０００ ｍＬ（连续降雨天气除外，每个土柱灌溉量保持一致），保持土壤湿度在６５％左右。

１．３ 样品采集与测定

小白菜成熟后，收获测定其产量，分地上部和地下部，１０５ ℃杀青３０ ｍｉｎ，６５ ℃烘干至恒重后测干质量。同时采集土壤样品，自然风干后，磨成粉末过１００目筛待测。

取上述小白菜样品，称取植株干样约０．５ ｇ于ＦＯＳＳ消化管中，加入１０ ｍＬ混酸（浓硝酸∶高氯酸＝４∶１，V/V），浸泡放置过夜后，在ＦＯＳＳ消化炉上消解，直至冒白烟，消化液呈无色透明或略带黄色，将消化液少量多次洗入２５ ｍＬ容量瓶中，定容至刻度，过滤，滤液上火焰原子吸收光谱仪［１３］，用以测定小白菜中镉含量。称取风干磨细过１００目筛的土壤样品１ ｇ放入三角瓶中，加入１０ ｍＬ王水（浓盐酸∶浓硝酸＝３∶１，Ｖ／Ｖ）放置过夜，在电热板上保持微沸，待黄烟散尽后取下，冷却后加入高氯酸５ ｍＬ，土样消化至灰白色溶液近干，取下冷却，转移至５０ ｍＬ容量瓶中，定容过滤后待测，滤液上原子吸收分光光谱仪［１４］，用以测定土壤中镉含量。植物与土壤样品全氮含量采用凯氏蒸馏法测定［１４］。

定期取土壤淋失液过滤后用流动分析仪测定淋失液中硝态氮含量。

用静态箱法［１５］采集气体样品，采样前样品瓶用循环水式真空泵抽为真空，采样过程时间为２０ ｍｉｎ，分别在第０、１０、２０ ｍｉｎ时采集一次气体。采样时先来回抽取和推排气体５～１０次以混均箱内气体，减少采样误差，然后用２０ ｍＬ注射器采集气样。采样后使用气相色谱仪测定其Ｎ２Ｏ排放通量，记录数据并分析。

１．４ 数据处理

用Ｅｘｃｅｌ ２００３、ＤＰＳ ７．０５进行数据计算，考虑９５％的置信水平，应用最小显著差异法（ＬＳＤ）进行方差分析，Ｓｉｇｍａ ｐｌｏｔ １０．０绘图。

２ 结果与分析

２．１ 镉污染对小白菜产量的影响

在本试验浓度范围内随着镉浓度的升高，小白菜Ｌ４５的产量呈现先增加后降低的趋势，且在Ｔ２时达到最大值１１０ ３８１．４０ ｋｇ／ｈｍ２。镉处理增加了小白菜的生物量，与对照相比，Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４处理小白菜Ｌ４５的产量分别提高了３０．８３％、７．８６％、１３．２２％，其中Ｔ２、Ｔ４达到显著差异；小白菜Ｈ６４的产量随着镉浓度的增加呈增加的趋势，在Ｔ４处理时达到最大值９０ １５９．１５ ｋｇ／ｈｍ２，与对照相比，Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４处理小白菜Ｈ６４产量分别提高了９．４３％、１８．２４％、３０．４４％，其中Ｔ３、Ｔ４达到显著差异（表２）。结果表明，硝酸盐高、低积累小白菜对镉污染的敏感程度并不一致，Ｈ６４比Ｌ４５更具耐镉性。

２．２ 镉污染对小白菜体内镉含量的影响

随着土壤中镉浓度的增加，小白菜地上部与地下部中镉含量均增加，且在Ｔ４时两者差异达到显著水平（图１）。在Ｔ４处理时，与对照相比，小白菜Ｌ４５地上部与地下部镉含量分别增加了５８．２倍和１０３．８倍，小白菜Ｈ６４地上部与地下部镉含量分别增加了７６．５倍和５０．７倍，差异达到显著水平。在Ｔ４处理时，由图１Ａ可看出，小白菜Ｈ６４比Ｌ４５地上部镉含量高２７．７％；而图１Ｂ则说明小白菜Ｌ４５比Ｈ６４地下部镉含量高１６．８％，两者差异均达到显著水平。

２．３ 镉污染对小白菜全氮含量的影响

镉污染对两种小白菜各部位全氮含量无显著影响（图２），但品种间存在差异。图２Ａ中，小白菜Ｈ６４与Ｌ４５两个品种在Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４时有显著性差异；而图２Ｂ中，小白菜Ｈ６４中全氮含量随着镉浓度的增加无显著变化，小白菜Ｌ４５中全氮含量随着镉浓度的增加不断增加，在Ｔ４处理时与对照相比达到显著水平，且在Ｔ４水平时Ｈ６４与Ｌ４５达到显著差异。

２．４ 镉污染对小白菜硝态氮含量的影响

两种小白菜叶片中硝态氮含量均是随着镉含量的增加呈先增加后降低趋势（图３）。在处理Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４中，小白菜Ｈ６４叶片中硝酸盐含量均大于Ｌ４５，这与两者分别为硝酸盐高、低积累小白菜的前提相符。叶片中硝态氮含量在Ｔ３处理时达到最大值，与Ｔ１相比，两品种硝态氮含量分别增加了１．２３倍和１．４１倍，达到显著水平（图３Ａ）。而图３Ｂ中，小白菜叶柄硝态氮含量变化趋势与叶片一致，但相反的是除T4以外，Ｌ４５中硝态氮含量均显著大于Ｈ６４，在Ｔ３时达到最大值；与Ｔ１相比，两品种的硝态氮含量分别增加了２．１１倍和０．３５倍，均达到显著水平。

２．５ 镉污染对土壤全氮含量的影响

随着镉含量的增加，土壤中全氮含量均无显著性差异，说明镉污染对土壤中全氮含量无显著性影响（图４）。

２．６ 镉污染对土壤淋失液中硝态氮的影响

图5A和图5B显示小白菜种植期间其土壤淋失液中硝态氮含量总体呈先增加后下降趋势，后期一次小幅增加是一次持续降雨后采集水样测得，且小白菜Ｈ６４与Ｌ４５均在Ｔ２水平达到最大值。且Ｈ６４与Ｌ４５均表现为与对照（T1）相比Ｔ２处理下增加了硝态氮的淋失量，Ｔ３、Ｔ４处理下降低了硝态氮的淋失量。图５C显示镉对小白菜Ｌ４５的硝态氮平均淋失浓度的影响在总体趋势上没有显著性差异。从图５Ｄ可以看出，镉对小白菜Ｈ６４硝态氮平均淋失浓度的影响是先增加后降低，在Ｔ２时达到最大值，为１７．５４ ｍｇ／Ｌ，且Ｔ２和Ｔ３与Ｔ１相比均达到显著水平，增幅分别为为２２．３％、２０．２％。

２．７ 镉污染对菜地氧化亚氮排放的影响

从图６可以观察到，在小白菜生长期间，菜地氧化亚氮排放速率呈先增加后降低趋势。小白菜Ｌ４５在Ｔ２处理时达到整个排放期的最大值，为４月２日的１２４．７２ μｇ／（ｍ2·ｈ）；而Ｔ４处理则提前于其他３个处理在３月２０日达到其最大值１１１．１７ μｇ／（ｍ2·ｈ） （图６Ａ）。小白菜Ｈ６４在Ｔ３处理时氧化亚氮排放速率达到最大值，为３月２７日的１３０．２２ μｇ／（ｍ2·ｈ），Ｔ１在４月２日达到最大值９８．７０ μｇ／（ｍ2·ｈ），Ｔ２、Ｔ４在３月２０日达到最大值（图６Ｂ）。从图６Ａ来看，Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４在不同程度上促进了氧化亚氮的排放；从图６Ｂ来看，Ｈ６４在Ｔ３处理时与对照相比氧化亚氮排放速率显著增加。由图７可知，小白菜Ｈ６４氧化亚氮的日排放量呈先增高后降低趋势，在Ｔ３水平时达到最大值，与Ｔ１相比增加了１１１．０４％，达到了显著水平。而对于小白菜Ｌ４５，其氧化亚氮日排放量随镉浓度的增加而增加，在Ｔ４水平时达到最大值，与Ｔ１相比增加了７６．４２％，也达到了显著水平。

３ 讨论

小白菜对镉污染具有一定的耐受性，且不同品种的耐镉性不同［１５］。本研究发现，小白菜Ｌ４５产量随着镉浓度的升高先增加后降低，而Ｈ６４则呈一直增加的趋势，这说明品种Ｈ６４比Ｌ４５更具耐镉性，这与王丽香等［１６］对不同品种燕麦的研究结果相似，其燕麦生长抑制率最大达４５．０％，最小为１７．０％。镉污染导致Ｈ６４产量的增加，与何飞飞等［１５］关于不同品种小白菜镉的累积的研究结果基本一致。小白菜Ｌ４５对镉较敏感，在低浓度时镉对植物有积极的“刺激作用”，浓度增加后效果不显著，说明土壤镉污染对作物影响是随着镉浓度的增加而增大，且由促进转为毒害作用，这与Ｇｉｌｌ等［１７］报道的结果相似，但本研究中未达到浓度为５０ ｍｇ／ｋｇ的显著降低其生物量的处理浓度。

已有研究报道镉能导致小白菜体内硝酸盐含量的累积［１８］，本研究结果显示小白菜硝酸盐随着镉含量的增加先升高后降低，其镉含量的大小与土壤受镉污染程度的影响有关，这与已报道的野生高粱中镉浓度变化趋势一致，均为先增加后降低［１９］。由于不同品种作物对ＮＯ３－和ＮＨ４＋的吸收机制不同，导致镉对这两种离子吸收的影响存在差异，赵天红等［２０］的研究显示镉可以抑制原生质膜上质子泵的活性，从而影响小麦对氮的吸收。本研究中镉对小白菜体内硝态氮的影响在地上部为Ｈ６４＞Ｌ４５，地下部为Ｈ６４＜Ｌ４５，说明镉也影响了小白菜体内硝态氮的转化，且品种间存在差异；而土壤中全氮含量变化不显著，说明镉对土壤中硝态氮的含量影响更显著，进而影响生长作物中的硝态氮含量。

土壤淋失液的硝态氮浓度有很大的空间变异性，因此利用不同时期所取的土壤淋失液样品的硝态氮浓度平均后可以增加其可靠性［２１］。本研究中小白菜土壤淋失液中硝态氮平均淋失浓度均低于董一威［２１］的研究中茄田硝态氮平均淋失浓度，原因可能是其茄田种植期间多雨，频繁降雨增加土壤硝态氮的淋失量。本研究结果表明低镉条件下淋失液中硝态氮含量增加，高镉条件下淋失液中硝态氮含量减少，而已有研究报道镉污染下水稻土壤溶液中硝态氮含量显著增加［２２］，说明低镉加剧了硝态氮淋失。这可能会导致镉污染土壤中硝态氮的显著变化，加速土壤中氮向地下转移，造成地下水的污染［２２］，而高镉抑制了土壤淋失液中硝态氮的淋失。

研究显示氧化亚氮的排放速率及排放量都依赖于氮源的矿化能力、氧气的提供能力、水含量孔隙率、温度、ｐＨ、盐度以及不稳定的有机物成分［２３］。在一定条件下，氧化亚氮排放速率可能因硝化反应及其他进程的增加而增加，因反硝化作用及其他进程而导致氧化亚氮的排放速率提高［２４］。本研究中氧化亚氮在高镉水平时排放速率显著增加，高镉处理下氧化亚氮日排放量也显著增加，说明镉促进了土壤氧化亚氮的排放，原因则是镉能通过取代生物体内必需金属离子以抑制微生物活性，与酶活性位点反应影响生物体内酶的合成等来改变土壤的营养供给，进一步影响土壤—蔬菜系统的氮素转化［２２－２５］。还有研究报道称氧化亚氮还原酶的选择性抑制可以增强土壤氧化亚氮的排放［２６］，这进一步说明镉对土壤氧化亚氮的排放有促进作用。

４ 结论

对硝酸盐高、低积累的两种小白菜的研究显示，在一定范围内，低镉促进小白菜生长；小白菜具有一定的耐镉性，但Ｌ４５比Ｈ６４更敏感；不同处理下小白菜镉含量的多少与土壤受镉污染的程度呈显著正相关关系。随着镉浓度的升高，小白菜体内硝态氮含量呈先增后降的趋势，叶片和叶柄的最大值与对照相比分别增加了１．４１和２．１１倍；镉促进了小白菜体内硝酸盐的积累，同时低浓度的镉增加了土壤硝态氮的淋失，而对土壤和植物体内全氮含量无显著影响，说明镉对土壤中主要氮肥利用形式硝态氮的影响更显著；随着镉浓度的增加，氧化亚氮的日排放量显著增加，而对排放速率变化影响也显著，但不同品种随镉浓度增加趋势不一致，无整体规律。

综上所述，镉污染对武汉城郊菜地的土壤—蔬菜系统中作物的氮积累在低镉浓度下有促进作用，对土壤中硝态氮淋失和氧化亚氮的排放有显著影响，镉促进了氮从土壤向植物体内以及淋失液的转化，说明镉对氮素的影响可以对氮肥施用有借鉴意义，对间接作用的温室气体氧化亚氮影响显著但无一致性规律。因此，还需增加镉浓度梯度和作物品种来深入研究镉污染对菜地土壤氮素转化的机制。

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［２６］ ＶＡＳＱＵＥＺ-ＭＵＲＲＩＥＴＡ Ｍ Ｓ， ＣＲＵＺ－ＭＯＮＤＲＡＧＯＮ Ｃ， ＴＲＵＪＩＬＬＯ－ＴＡＰＩＡ Ｎ， ｅｔ ａｌ． Ｎｉｔｒｏｕｓ ｏｘｉｄｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｉｌ［Ｊ］． Ｓｏｉｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２００６， ３８（５）： ９３１－９４０．