土壤-蔬菜系统中氮镉互作效应及调控模式研究

1.氮镉交互作用下对平衡处理后播种苋菜前土壤有效镉和硝酸盐的影响

如表1.46、表1.47，在苋菜—小白菜两茬连作情况下，镉污染极显著地影响了土壤有效镉的转化，4 个镉水平下（不考虑氮水平）土壤有效镉平均含量分别为：种植苋菜前0.057、0.403、0.679 和1.037mg/kg 土；收获苋菜后0.089、0.373、0.784、0.969 和mg/kg 土； 收 获 小 白 菜 后0.073、0.276、0.499、0.764mg/kg，且都差异极显著（P＜0.01）。说明在本试验条件下土壤全镉含量与土壤有效镉的转化量成正相关；通过两季蔬菜的种植，土壤有效镉含量大幅度降低，原因可能是有效镉部分被蔬菜吸收。4个氮水平下（不考虑镉水平）土壤有效镉含量平均分别为：种植苋菜前0.574、0.542、0.516 和0.546mg/kg 土；收获苋菜后0.556、0.563、0.512 和0.584mg/kg 土；收获小白菜后0.414、0.376、0.415、0.408mg/kg土。种植苋菜前处理的土壤有效镉形态转化受施氮的抑制，不施氮土壤有效镉的转化量显著高于其他施氮处理（这与很多研究结果不一致，可能是由于处理时间较短有关）；而种植蔬菜后施氮显著影响土壤有效镉的转化，收获苋菜后施氮最大处理时土壤有效镉达最大，且与其他处理差异显著，种植小白菜后在施氮处理0.2g/kg时土壤有效镉达最小。

表1.46　氮镉交互作用地苋菜体内累积镉与硝酸盐的影响　（mg/kg）

续表

列中不同小写字母表示在P＜0.05差异显著（P＜0.05）； **表示F检验在P＜0.01水平下显著。

表1.47　氮镉交互作用下对平衡处理后播种苋菜前土壤有效镉和硝酸盐的影响　（mg/kg）

续表

不同小写字母的处理平均值表示在P＜0.05 水平差异显著； **和*分别表示F检验在P＜0.01和P＜0.05水平下显著。

2.氮镉交互作用对苋菜体内积累镉与硝酸盐的影响

由表1.46可知，镉污染水平极显著（P＜0.01）地促进了苋菜对镉的吸收，4 个镉污染水平下（不考虑氮水平）的平均值分别为0.057、0.164、0.270、0.418mg/kg，说明土壤中镉的含量与苋菜中镉的含量呈正相关。4个氮水平下（不考虑镉水平）苋菜镉含量的平均值分别为0.245、0.190、0.240、0.235mg/kg，说明施氮0.2g/kg时极显著（P＜0.01）地抑制了苋菜对镉的吸收，高浓度的氮促进了苋菜对镉的吸收，且在氮处理0.2g/kg 时达到抑制最高峰。

镉污染水平极显著（P＜0.01）地抑制了苋菜对硝酸盐的吸收，4个镉污染水平下（不考虑氮水平）的平均值分别是842.468、723.665、355.121、274.530mg/kg。4个氮水平下（不考虑镉水平）苋菜硝酸盐的平均值分别为49.348、546.22、729.537、814.485mg/kg，说明土壤中氮的含量与苋菜中硝酸盐的含量呈极显著的正相关。对照有关镉与硝酸盐的限量标准（表1.46），在试验浓度范围内苋菜中的镉含量都严重超标，且从长势上没有看到苋菜受镉污染的影响，这说明苋菜是耐镉性植物且土壤中镉在0.2mg/kg时都能使苋菜镉超标，这与范洪黎和赵勇等的研究结果一致。另外，在试验浓度范围内的硝酸盐也基本超标，尤其土壤中氮的浓度大于0.2g/kg时，苋菜中硝酸盐的含量都超出了1 级标准。

3.氮镉交互作用对小白菜体内积累镉与硝酸盐的影响

如表1.46所示，镉污染水平极显著地（P＜0.01）影响了小白菜对镉的吸收，4个镉污染水平下（不考虑氮水平）小白菜镉含量平均值分别为0.009、0.063、0.104和0.077mg/kg。说明小白菜中镉的含量与土壤中镉含量呈正相关。4个氮水平下（不考虑镉水平）小白菜镉含量平均分别为0.056、0.059、0.058 和0.081mg/kg，说明施氮0.2g/kg土时极显著（P＜0.01）地抑制了苋菜对镉的吸收；由于部分镉被苋菜吸收，前3个处理的施氮对小白菜吸收镉差异不显著，当施氮至0.6g/kg时极显著地（P＜0.01）促进了小白菜对镉的吸收。氮镉存在着极显著的互作效应，镉污染水平低于1.5mg/kg施氮使镉含量分别降低68.64%、20.85%、17.74%，当镉污染水平为1.5mg/kg时施氮使镉含量提高23.22%。与高浓度镉污染比较，小白菜的研究结果基本一致。

如表1.46，镉污染水平极显著（P＜0.01）地降低了小白菜硝酸盐含量。4个镉污染水平下（不考虑氮水平），小白菜硝酸盐平均含量值依次为7900.77、8243.85、7230.99和6341.24mg/kg，且均达极显著水平。4个氮水平下（不考虑镉水平），小白菜硝酸盐平均含量依次为3423.25、6676.85、7775.38、11841.38mg/kg，说明苋菜、小白菜积累硝酸盐含量随施氮水平提高而提高且呈极显著（P＜0.01）的正相关。氮镉之间存在极显著的互作效应，在施氮条件下施镉使小白菜硝酸盐含量随施氮水平依次降低16.91%、12.33%、12.17%；在不施氮条件下施镉使小白菜硝酸盐60.25%。由此说明，在氮不足时，镉污染能够极显著增加苋菜和小白菜硝酸盐积累；而在施氮充足或过量时，镉污染极显著地减少小白菜硝酸盐的积累。

4.氮镉互作对苋菜植株吸收氮镉的影响

（1）氮镉互作对土壤有效镉的转化与苋菜镉浓度的影响

土壤中镉的形态有很多种，但并不是所有的镉都能被作物吸收，只有有效态的镉在当季才能被作物吸收，产生生物有效性，图1.19是种植前处理后土壤有效镉的变化情况，由图1.19 可知，土壤有效镉是随着土壤镉加入量的增加而增加，且达显著水平，在镉处理0、0.5mg/kg、1.0mg/kg时，有效镉的转化量不受施氮量的影响，差异不显著，在镉处理1.5mg/kg时，有效镉的转化量受施氮量的影响，且达显著水平，不施氮的转化量最大，施氮0.2g/kg时次之，施氮0.4g/kg转化量第三，且三个处理之间均达显著水平。这说明在试验浓度范围内土壤有效镉的转化影响因素主要是受镉浓度的影响，随着镉浓度的增加，土壤有效镉的转化量增加，且差异显著，在0～1.0mg/kg浓度范围内不受施氮量的影响，在镉处理浓度1.5mg/kg 时，随着施氮量的增加有效镉的浓度呈递减趋势，且达显著水平。

图1.19　种植前氮镉交互作用土壤有效镉的变化

注：图中不同字母表示处理显著差异性（P＜0.05）（下同）

由图1.20可知，苋菜镉浓度随土壤镉污染水平的增加而显著增加，苋菜镉浓度随施氮量的变化趋势因镉污染水平不同而异，在镉背景的情况下，施氮提高了苋菜对镉的吸收，且差异显著，在镉浓度0.5mg/kg和1.0mg/kg时随施氮量的增加苋菜镉浓度呈降低趋势，且达显著水平，在镉浓度1.5mg/kg时，苋菜镉浓度是随氮量的增加而显著增加。总体来说，在0.5mg/kg和1.0mg/kg 时，施氮降低了苋菜镉浓度，在0.5mg/kg时，施0.2g/kg、0.4g/kg、0.6g/kg 分别比不施氮降低苋菜镉浓度6.50%、43.95%和31.67%；在1.0mg/kg 时，施0.2g/kg、0.4g/kg、0.6g/kg分别比不施氮降低苋菜镉浓度57.41%、16.15%和13.47%。而在1.5mg/kg时，施氮0.4g/kg时，比不施氮提高苋菜镉浓度30.50%，说明施氮在一定镉浓度范围内降低了苋菜对镉的吸收，在一定浓度下也会提高苋菜对镉的吸收，这一结果与李艳梅的研究结果有类似也有不同，这可能与供试蔬菜不同以及设计处理浓度不同所致。此外，在背景镉浓度下，苋菜地上部镉浓度已经达到超标浓度（见表1.48），这一现象也印证范洪黎的研究结果，苋菜属于超积累镉的生理机制，同时，也与赵勇的研究结果相吻合。

图1.20　氮镉交互作用苋菜镉的变化

表1.48　蔬菜中硝酸盐与镉的评价标准

注： *GB 18406.1—2001 　**国家食品卫生标准。

表1.49　土壤环境质量标准值（mg/kg）［GB/T 15618—1995］

（2）氮镉互作对土壤硝酸盐的转化与苋菜硝酸盐浓度的影响(www.xing528.com)

农作物吸收氮的形态有两种，一是硝态氮，二是铵态氮。由于硝酸盐的特殊性，它一旦在蔬菜体内过量积累，就会经过食物链给人类健康带来潜在的威胁，图1.21是种植前处理后氮镉交互作用土壤硝酸盐的变化，由图1.21 可知，随着氮素营养水平的增加土壤中的硝酸盐显著增加，针对同一氮素水平下不同的镉污染水平硝酸盐的变化也不一样，除不施氮肥外，在同一氮素营养水平下，土壤硝酸盐的变化随镉污染水平的增加而呈显著增加的趋势，在0.2g/kg氮素水平下，在试验浓度范围内，高浓度的镉污染比不施镉土壤硝酸盐的量提高26.27%，在0.4g/kg时，提高12.86%；在0.6g/kg时，提高8.05%。随着氮素营养水平的增加，不同镉污染下，转化硝酸盐量的增长速度趋于下降。

图1.21　氮镉交互作用对土壤硝酸盐的变化

图1.22　氮镉交互作用苋菜硝酸盐的变化

图1.22是氮镉交互作用下苋菜硝酸盐浓度的变化情况，在试验浓度范围内，总体来讲，随着氮素营养水平的增加，苋菜中的硝酸盐浓度呈显著增加趋势，但是同一氮素营养水平下，不同镉污染水平苋菜硝酸盐含量不同，随着镉污染水平增加苋菜硝酸盐含量呈显著降低的趋势，甚至达差异极显著水平，这说明在试验浓度范围内，苋菜硝酸盐的含量随氮素营养水平的增加显著增加，这与很多前人研究结果一致，同一氮素营养水平，随镉污染水平的增加苋菜硝酸盐的含量呈显著降低，这与张旭研究结果不一致，可能受设计镉污染水平和选择供试蔬菜有关。

（3）结论与讨论

①在试验浓度范围内，氮镉交互作用对土壤有效镉转化的主要因子是镉的污染浓度，当镉浓度水平在1.5mg/kg时，施氮抑制了土壤有效镉的转化，且差异显著。苋菜镉的含量随土壤镉污染浓度的增加而增加，呈差异显著性，不同的镉处理水平内，随施氮量的增加苋菜镉呈下降趋势，但镉浓度水平在1.5mg/kg时，氮素营养在0.4g/kg时，苋菜镉达最大，且与其他相比，差异显著。氮镉交互作用对土壤硝酸盐转化的主要影响因子是氮素营养，随着氮素营养水平的增加，土壤硝酸盐的转化量显著增加，在同一氮素营养下，随着镉污染水平的增加，土壤硝酸盐显著增加；氮镉交互作用对苋菜硝酸盐的营养差异显著，随着氮素营养的增加苋菜硝酸盐显著增加，但在同一氮素营养水平下，随着镉污染浓度的增加苋菜硝酸盐的含量显著降低。

②在试验浓度范围内，从整个生育周期苋菜的生长情况来看，镉污染对苋菜生长的影响不大，这可能与所设镉的浓度较低有关，刘用场［11］提出菜田土壤镉的临界浓度为有效态镉0.1mg/kg，全镉为0.8～1.0mg/kg，这可能符合一般蔬菜的要求，但对于苋菜土壤赵勇［6］设计镉浓度在0.25mg/kg，所种植苋菜中镉浓度达0.0830mg/kg，这已经超过了蔬菜镉的警戒浓度0.05mg/kg（见表1.49），本研究是在“土壤—苋菜系统是一个紧密联系的统一体”的思想指导下完成的，本研究供试土壤镉的有效浓度为0.05mg/kg，全镉含量0.21～0.30mg/kg，而苋菜的浓度最低达0.1671mg/kg，这远远超过了镉的警戒浓度，这从另一个角度证实了苋菜对镉的超积累性以及对镉的耐受性。另外，从无公害蔬菜种植方面来讲，对于苋菜的种植不能依据一般菜地对镉的要求，在施用氮肥时也要根据需要来选择氮肥种类和施用量。

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讨论：

通过氮镉交互作用对土壤中有效镉转化的影响分析，在4个氮水平下（不考虑镉水平），通过连作两茬3次（种植前处理后、苋菜收获后、小白菜收获后）对土壤中有效镉的分析发现：随着施氮量的增加，土壤有效镉的转化有降低的趋势（除苋菜收获后，土壤有效镉的转化有升高的趋势外），但是规律不明显，这与很多研究结果不一致，仍需要进一步的研究。

通过氮镉交互作用对苋菜、小白菜对镉的累积研究分析，从另一个方面印证了小白菜和苋菜属重金属镉耐受型蔬菜，同时也又一次说明了小白菜和苋菜作为镉污染修复的植物有巨大潜力，这与李艳梅（2008）和范洪黎（2007）的研究结果相一致。氮镉存在着极显著的互作效应，对苋菜而言，除0.5mg/kg土镉水平外，施氮使鲜样镉含量分别提高1233.33%、150.23%、301.59%；对小白菜而言，除1.5mg/kg 土镉水平外，施氮使鲜样镉含量分别降低68.64%、20.85%、17.74%。对于苋菜和小白菜的研究结果不一，这可能有几种原因，一是由于镉的污染浓度不同而引起的，或者是由于不同的蔬菜品种所致，也可能与生长温度有一定的关系。对照表1.51，蔬菜中硝酸盐与镉的评价标准，可以看出，镉污染水平1.0mg/kg与1.5mg/kg时，苋菜镉含量超出了《食品中污染物限量标准》（GB 2762—2005）0.2mg/kg，而经过一季苋菜的种植后，小白菜中镉含量全部达标（GB 2762—2005），但是，根据《农产品安全质量无公害蔬菜安全要求》（GB 18406—2001）无论苋菜还是小白菜中鲜样镉含量都（除小白菜对照外）严重超标（0.05mg/kg）。在空白对照中苋菜镉0.032mg/kg、小白菜镉0.009mg/kg，低于标准0.05mg/kg1.56倍和5.56倍，说明在土壤全镉量0.27mg/kg的菜地，仍然可以生产出无公害蔬菜（叶菜）。经过一季苋菜的种植，小白菜中镉的含量低于苋菜中镉的含量3.53倍，这说明苋菜富集镉的能力较强。

表1.50　蔬菜中硝酸盐与镉的评价标准

对照表1.50蔬菜中硝酸盐的评价标准，所有苋菜和小白菜的硝酸盐含量除空白对照外，都基本严重超标，这再次说明叶菜类是极易富集硝酸盐的蔬菜。

小结：

1.土壤全镉的含量与土壤有效镉的转化量成显著正相关. 在镉污染条件下，施氮有抑制土壤有效镉转化的趋势。

2.土壤中镉的含量与蔬菜中镉的累积量成显著正相关，施氮有促进苋菜镉积累的趋势，但有抑制小白菜对镉累积的趋势。

3.苋菜、小白菜中硝酸盐的累积量与土壤中氮的含量成显著正相关，在低或氮不足时，镉污染能够极显著增加苋菜和小白菜硝酸盐积累；而在施氮充足或过量时，镉污染极显著地减少苋菜和小白菜的硝酸盐积累。