1. 引言
镉(Cd)不是人体必需元素，过度Cd的摄入可导致人体Cd中毒。国际癌症研究机构(IARC)将Cd归类为人类致癌物，我国将Cd列为实施排放总量控制的重点监控指标之一。农田土壤Cd累积导致农产品产量和质量下降，严重威胁着我国农业生产 [1] [2]。《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国农田Cd点位超标率为7%，为农田无机污染物首位 [3]。
湖南是我国最重要的水稻主产区，而沿湘江流域农田重金属镉污染问题严重，由于水稻极易吸收并累积土壤中的Cd，湖南稻米Cd超标率整体较高 [4]。有效控制和治理土壤Cd污染已经成为我国迫切需要解决的问题。目前，对Cd污染土壤最主要的修复技术有物理修复、化学修复、生物修复等 [5] [6]。但物理修复和化学修复存在会破坏土壤结构和土壤生态的局限性，植物修复存在周期长、经济效益低下的缺点，使得其在中国这样一个人口大国难以得到有效的支持与推广。
以不进入食物链的能源作物取代重金属超富集植物来降低土壤重金属，同时亦可产生可观的经济效益，是重金属污染农田修复的新策略，已经逐渐引起国内国际专家学者的广泛关注 [7] [8] [9]。甜高粱具有庞大的根系，对土壤中重金属有很强的吸收作用，且不进入食物链，因此被认为是土壤重金属修复最理想的植物之一 [10]。研究表明甜高粱根系对土壤重金属有很强的吸收作用，特别在镉污染土壤的治理与修复中优势明显 [11]。但也有研究认为，甜高粱吸收的镉主要积累在根部，只有少量被转移到地上部分 [12]。
本研究拟采用高生物量能源植物甜高粱来进行Cd污染土壤的植物修复，同时探究添加生物质炭和菌根对甜高粱生物量及重金属修复效果的影响，为切实有效地解决Cd土壤污染问题提供科学依据。
2. 试验材料与方法
2.1. 试验设计
试验用土采自湖南长沙县北山镇农田，取表层0~20 cm，风干后过2 mm筛备用。土壤基本理化性质见表1。参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)，供试土壤Cd含量已经超过了风险管控值(pH < 5.5，Cd浓度1.5 mg∙kg−1)，应当采取严格管控措施。
Table 1. Basic physical and chemical properties of tested soil
表1. 供试土壤基本理化性质
本实验共设置八个处理，每个处理设置4个重复，随机放置于温室大棚。每盆装Cd污染土壤3 kg，播种甜高粱种子4颗，出苗后间苗至2株。每天浇蒸馏水，使得土壤含水量约为最大田间持水量的60%。种植时间为120天。每盆中添加复合肥作为基肥，并根据甜高粱种植技术进行日常管理。试验处理见表2。
Table 2. The treatment setup of this pot experiment
表2. 盆栽试验处理设置
注：接种的真菌为摩西球囊霉菌；添加的生物质炭为猪粪生物质炭；种植的作物为甜高粱。
2.2. 样品采集与测定
待甜高粱成熟时，沿土面剪取植株地上部分，洗出根系，并用去离子水将茎、叶和根洗净，先用自来水冲洗干净，后用去离子水冲洗2~3遍，用吸水纸吸干表面水。鲜样先在105℃下杀青30 min，后再70℃烘干至恒重，分别测定地上部分和地下部分的干重、菌根侵染率、植物镉含量、植物还原糖含量和植物蔗糖含量，同时采集土壤样品，及时冷冻干燥，研磨过筛，测定土壤有效态镉含量。
2.3. 数据统计与分析
使用Excel 2013对数据进行处理，用SPSS的t-test对均值进行差异显著性分析。
3. 结果与讨论
3.1. 植物根系菌根侵染率
表3为接种摩西球囊霉菌和添加生物炭对甜高粱根系菌根侵染率的影响，结果表明，接种摩西球囊霉菌对甜高粱根系有良好的侵染率，并达到显著效果(p < 0.05)。在接种摩西球囊霉菌的处理组别中，随着生物质炭添加量的增加，甜高粱根系菌根逐渐下降，以5%生物质炭的侵染率最低。在未接种摩西球囊霉菌的处理组别中也有相似的试验结果。这表明，生物质炭的添加会抑制摩西球囊霉菌对甜高粱根系的侵染，一方面可能是生物炭的添加改变了摩西球囊霉菌最适宜的生存环境，另一方面生物炭的添加可能导致了摩西球囊霉菌与其它微生物对氮的竞争。
Table 3. Mycorrhizal infection rate of sweet sorghum root under different treatments
表3. 不同处理下甜高粱根系菌根侵染率
3.2. 生物质炭和接种菌根对甜高粱生长的影响
由表4可知，在接种摩西球囊霉菌的条件下，四个不同处理的甜高粱地上部分(秸秆部分)的生物量明显增加，且显著高于未接种的对照组别(p < 0.05)，这与邹英宁和黄咏明等 [13] [14] 的研究结果相一致。植物生长势的好坏与菌根侵染率的高低密切相关，这是因为丛枝菌根真菌与宿主植物形成菌根共生体，从根部发散出数量庞大的真菌菌丝，扩大了有效吸收面积，能显著促进植物对磷素和水分的吸收 [13] [15] [16]。比较甜高粱地下部分干重可知，菌根的接种会造成甜高粱根系的干重略有下降，但对其生长并无显著影响。这可能是因为摩西球囊霉菌与甜高粱根系形成的互惠互利共生关系，菌根向宿主植物根系提供水及磷等必需物质的同时，也要从宿主植物根系获取碳水化合物，这可能是造成甜高粱根系生物量减少的原因 [17]。
此外，值得注意的是适量添加生物质炭也能促进甜高粱的生长，如适用量在1%或是2%之后，甜高粱的地上和地下部分的生物量都有所增加，但贡献度要远小于接种菌根的效应。这可能是由于生物质炭的添加为甜高粱生长提供了部分营养，有一定的促进发育和增加产量效应，巴西亚马逊河地区的田间试验结果也证明了这一点 [18]。但当生物质炭添加量达到5%之后，无论是菌根组或是对照组，增产效果均逐渐降低，原因可能是生物炭的添加导致土壤C/N比增大，导致作物与微生物之间对养分的竞争性增强，从而使作物增产效果降低 [19]。总的来说，在添加1%生物质炭并同时接种菌根时，甜高粱产量最高为384 g，增产幅度达到了50%。
Table 4. The biomass of sweet sorghum under different treatments
表4. 不同处理的甜高粱生物量
3.3. 甜高粱植株体内镉含量变化
土壤Cd的生物有效性和植物自身对Cd的吸收均能影响植物体内的Cd含量 [20]。在甜高粱种植期间内，不同处理间植株地上部分和地下部分的Cd含量如表5所示。结果表明，Cd含量在甜高粱体内的分配基本遵循地下部分 > 地上部分的规律，这与甜高粱对砷的吸收富集规律相似 [21]。在同一添加量菌根和生物质炭的条件下，甜高粱植株地下部分的Cd含量显著高于其地上部分(p < 0.05)。对地上部分而言，接种摩西球囊霉菌的处理甜高粱植株的Cd含量要低于未接种的处理组，与地下部分的结果相反。一方面，由于甜高粱并不属于重金属超累积植物，其向上转移Cd的能力较弱；另外，由于菌根细胞壁对重金属Cd有强烈的固定作用 [22]，所以导致菌根组的甜高粱根系中Cd含量要高于不接种对照组。而在同一菌根处理的条件下，生物质炭的添加抑制了甜高粱对土壤有效态镉的吸收，并且随着生物质炭添加量的增加，其抑制效果越好，但并未达到显著水平(p > 0.05)。生物质炭的施用不仅能够降低Cd积累对甜高粱毒害的作用，而且可以降低秸秆中Cd的积累，主要与土壤Cd有效性降低有关。生物质炭能够促进Cd在甜高粱根系周围形成沉淀，阻碍Cd在植物体内的迁移，减轻对植物的生长的抑制作用 [23]。虽然接种菌根和施用生物质炭降低了甜高粱地上部份茎秆中的Cd含量，但其含量仍高于国家食品安全标准的阈值(GB2762-2017，最大限值Cd ≤ 0.2 mg∙kg−1)，这说明用于牲畜鲜饲料仍存在一定的风险。
Table 5. Cadmium content in plants
表5. 植株体内镉的含量
3.4. 土壤有效态镉含量变化
土壤中Cd的赋存形态多种多样，并非所有的化学形态都能被植物所吸收的。土壤有效态镉含量，即能被植物吸收利用的那部分Cd，能比土壤全镉含量更好地预测植物体内Cd的含量。很多研究表明，土壤有效态镉含量与植物体内Cd含量具有很好的相关性，能够较好地表征Cd的生物有效性 [24]。添加不同含量生物质炭和接种菌根前后，土壤中有效态镉含量变化见表6。
Table 6. The concentration of available cadmium in soil
表6. 土壤中有效态镉的含量
可知，施加生物质炭能够降低土壤中有效态镉含量，随着生物质炭的添加量的增加，其降低效果越好，在接种菌根和不接种菌根的情况下，添加生物炭处理土壤有效态镉含量分别降低了19.4%~46.3%和16.8%~42.1%。作为常用的重金属污染土壤钝化剂，生物炭能够有效促进土壤pH的升高，一方面增加土壤胶体表面负电荷，有利于Cd的氢氧化物沉淀和碳酸盐结合态形成；另一方面，H+的减少减弱了土壤阳离子竞争吸附，增强土壤胶体、铁锰氧化物对Cd2+的吸附，有效降低土壤Cd的积累 [25]。也有研究表明，生物质炭中的有机碳含量较高，能与镉络合形成难溶的螯合物，其重要组分羟基磷灰石能够与Cd2+进行离子交换和共沉淀，形成磷酸盐沉淀，进一步降低Cd2+迁移性和有效性 [26]。但是接种菌根对土壤中有效态镉含量影响并无差异。这是因为菌根可以活化根际土壤中的磷酸根，从而形成磷酸镉沉淀；但在酸性土壤中效果不明显 [27]。
3.5. 甜高粱地上部对镉的吸收
植物修复效果的好与坏，可以根据地上部分生物量与其中Cd含量的乘积来进行判断 [28]。表7给出了不同处理条件下，盆栽土壤中甜高粱的Cd富集特性，可以看出8个处理中甜高粱对Cd的修复效果均处于700~1300 µg范围内，最大值为1246 µg，最小值为775 µg，均落在未接种菌根处理组。对比甜高粱在是否接种菌根的条件下对Cd的修复效果可知，接种菌根对其修复效果无任何显著影响。然而从生物质炭添加量的角度来看，生物质炭的施用并没有提高植物提取的修复效果，反而对其有抑制效果；与未添加生物质炭的对照组相比，同未接种菌根添加下当生物质炭的添加量为5%时，其对甜高粱提取修复土壤Cd的抑制效果最为明显。一定量生物质炭的添加虽然促进甜高粱的生长，增加了其生物量，但是同时也降低了土壤和植株中有效态镉的含量，相比之下，后者效果大于前者效果，因而抑制了甜高粱对Cd的吸收。当生物质炭的添加量为5%时，促进甜高粱生长的效果微弱，而显著降低了其地上部分的Cd含量，因此其抑制效果最大。
Table 7. Remediation effectiveness of sweet sorghum under different treatments (unit: µg/pot)
表7. 不同处理下甜高粱修复效果(单位：µg/盆)
3.6. 不同处理对甜高粱含糖量的影响
利用甜高粱发酵榨汁来生产乙醇，其茎秆中所含的蔗糖和还原糖(果糖和葡萄糖)是最佳原料。如表8所示，接种菌根和添加生物炭均可以提高秸秆中的蔗糖含量，在同一生物炭添加量下，接种菌根效果更好，且在添加1%的生物炭时效果最好，达到了14.1%；对于还原糖含量，接种菌种和添加生物炭均没有明显的影响。土壤中Cd2+胁迫对甜高粱产糖量并无负面效果。其他学者也报道含Cd土壤并不会对甜高粱茎秆中的糖含量、发酵过程中的糖利用率和乙醇转化率产生不利影响 [29]。
Table 8. Sucrose content and reducing sugar content in sweet sorghum under different treatments (unit: %)
表8. 不同处理甜高粱秸秆中的蔗糖含量和还原糖含量(单位：%)
4. 结论
甜高粱不仅具有耐干旱、高生物量、高光合作用效率和低生产成本等优势，而且是用于生物能源乙醇的优良作物原料，同时甜高粱能吸收土壤中残留的重金属。相较于其它植物，甜高粱具有含糖量高、生长周期短、生物量大、抗逆性强、种植范围广等优势，因此可以弥补植物修复周期长这一缺点。另外，利用甜高粱修复镉污染土壤不进入食物链，兼顾了生态和经济效益。本研究主要结果如下：
1) 接种菌根能够明显增加甜高粱的产量(地上部分干重)，且在生物质炭的加持下，增产效果更为明显。当生物质炭的添加量为1%并接种菌根的情况下，甜高粱的增产幅度达到了50%；而当添加量大于2%后，增产效果随着生物质炭添加量的增加而降低，甚至消失。
2) 接种菌根促进了甜高粱根系对土壤中有效态镉的吸收，降低土壤中有效态镉的含量，且抑制了其向上转运Cd的能力。
3) 生物质炭的施用能在抑制甜高粱根系对土壤中有效态镉的吸收的同时也降低土壤中有效态镉的含量，且其降低效果随着生物质炭添加量的增加而增加。
4) 结合甜高粱产量、含糖量以及土壤修复效果，采用添加1%生物质炭 + 菌根的处理效果最为理想。
NOTES
*通讯作者。