于 辉

（湖南科技大学生命科学院，经济作物遗传改良与综合利用湖南省重点实验室，重金属污染土壤生态修复与安全利用湖南省高校重点实验室，湖南 湘潭 411201）

随着我国工农业的快速发展，农田土壤重金属污染问题也日益凸显。根据我国环境保护部和国土资源部发布的土壤污染状况调查公报，有 16.1%的点位土壤受到了不同程度的污染，而以镉、铅等重金属污染为代表的无机污染类型，占全部超标点位的82.8%[1]。由此可见，治理重金属污染土壤是一个亟待解决的问题，国内外也陆续开展了受重金属污染土壤的修复技术研究。其中植物修复因成本低、无二次污染以及可大规模原位修复等优点，成为治理重金属污染的主要技术之一。然而植物修复受多种因素影响，如植物生物量和重金属吸收量，因此，如何提高植物修复的效率也成为人们研究的焦点问题。

龙须草（Eulaliopsis binata）是一种禾本科多年生草本植物。龙须草的纤维质量上乘，可用来制造高档纸、人造棉、人造丝及多种手工编织品。近年来有学者研究发现，龙须草对重金属污染有较强的抗性[2-3]，如果将其作为矿区废弃地的水土保持及修复植物将具有良好的经济效益和社会效益。生物有机肥是一种含有功能性微生物的有机肥料，其原料主要来源于畜禽粪便、农副产品和食品加工产生的废弃物、有机垃圾以及城市污泥等，然后配以多功能发酵菌剂进行加工而制成[4]。有研究表明，生物有机肥中含有的某些物质可以结合和转化土壤重金属，故其在重金属污染土壤的修复利用方面具有重要的作用[5]。

笔者将生物有机肥和龙须草进行联合培养，分析生物有机肥的施用对龙须草生长和吸收积累镉铅能力的影响，两者相互作用对土壤营养状况和镉铅含量的影响，探讨生物有机肥-龙须草联合修复的生态效应，为提高植物修复效果提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在湖南科技大学生物园内进行。供试土壤采自湘西某矿业废弃地，土壤理化性质：pH 值 5. 4，有机质含量1.91 g/kg，总氮含量0.06 6 g/kg，总磷含量0.273 g/kg，总钾含量7.56 g/kg，镉含量10.13 mg/kg，铅含量1 475.07 mg/kg。生物有机肥由中国农业科学院提供，有机质含量≥40% ，有效活菌数≥0.20 亿个/g，有效菌种为枯草芽孢杆菌和胶冻样类芽孢杆菌。供试的龙须草为长势一致的一年生龙须草，每株15苗(茎蘖)。

1.2 试验设计

试验设生物有机肥（Biological-organic fertilizer，BF）和对照（CK）2 个处理，BF：将生物有机肥料按土重的10%与供试土壤拌匀，装入直径25 cm、深30 cm 的塑料花盆中，并在底部放置托盘，每盆装土10 kg；CK：不添加生物有机肥。2017 年4 月将龙须草移入盆中，每盆移栽一株，每个处理设置3 次重复。龙须草生长180 d（以Ⅰ期表示）和360 d（以Ⅱ期表示）时采集土壤样品。收集根系周围1～5 mm 厚度的土壤，去掉土样中的残余根系。土样分为两份保存，一份经烘干研磨过筛，测定土壤中营养成分和镉铅含量。另一份保存在4℃冰箱中，用来分析土壤微生物生物量及碳氮磷和酶活性。试验结束收获龙须草地上部分，去离子水冲洗，吸水纸擦干，放入烘箱 105℃ 杀青 30 min，65℃ 烘干至恒重，测定干物质量，粉碎后过60目筛备用。

1.3 测定项目与方法

土壤营养成分的测定，包括有机质、总氮、总磷、总钾、速效磷和速效钾，参照《土壤农化分析》[6]。重金属全量采用硝酸-硫酸-高氯酸消煮，DTPA 有效态采用GB/T 23739—2009 的方法进行提取，提取液和消煮液分别用ICP（PE Optima 8000）测定。土壤微生物生物量碳、氮、磷用氯仿熏蒸抽提法测定[7]。脲酶活性采用靛酚蓝比色法，过氧化氢酶活性采用紫外分光光度法测定，酸性磷酸酶活性采用对硝基苯酚法，转化酶活性用滴定法测定[8]。

1.4 数据分析

数据处理采用Excel 2003 和SPSS 13.0 软件进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 土壤营养成分

由表1 可以看出，与不施加生物有机肥相比，生物有机肥的施加改善了土壤营养状况。在龙须草生长的两个时期，BF 土壤有机质、氮、磷、钾以及速效磷和速效钾含量均显著高于CK。如龙须草生长Ⅰ期，BF 的有机质含量比CK 增加了78%，Ⅱ期时增加了68.6%。BF 的总氮、总磷、总钾、速效磷和速效钾在Ⅱ期时分别是对照的4.5、2.5、1.8、3.0 和2.7 倍。

表1 BF 和CK 土壤营养成分的变化

土壤的营养成分是评价植物修复土壤效果的一个直接指标。研究中供试土壤营养成分低于正常土壤，随着龙须草的生长，BF 和CK 的土壤营养成分含量均有提高，与黄宇等[9]的研究结果一致，说明龙须草种植对重金属复合污染土壤有一定的修复作用。而生物有机肥本身携带丰富的有机质，其含有的功能性微生物可有效活化被土壤固定的磷、钾养分，进一步增加土壤肥力。施加生物有机肥后，植物根系发育良好，根系分泌物相应增多，土壤物理结构得到改良，土壤总体耕性变好，从而进一步改善了土壤的物理性质。与未施生物有机肥相比，施入生物有机肥的土壤各项指标均显著提高，与前人的研究结果一致[10-11]。

2.2 土壤重金属总量及有效态含量

CK 和BF 镉铅总量及有效态含量的变化见表2。表2 表明，供试土壤全镉和全铅的含量超出了“GB15618—2018，土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）”中规定的镉铅标准，属于严重污染。随着龙须草的生长，BF 和CK 的镉铅总量呈下降趋势，试验结束时镉、铅总量分别下降了1.7%、0.3%和1.8%、0.6%，但差异不显著。重金属有效态能更好地反映土壤重金属的生物有效性及潜在环境效应。从表2 看出，处理BF 的两个时期镉铅DTPA 有效态含量均低于CK。生物有机肥施入土壤后，其中的有机物、无机物和微生物会与植物根系形成一个联合的修复体系。如有机质具有较多羧基、酚羟基以及氮硫等重金属结合点位，有很强的表面络合能力，可以改变土壤中重金属形态分布，从而影响重金属的移动性和生物有效性[12]。微生物也可通过吸附、螯合、络合等多种作用方式影响到重金属在土壤中的迁移转化。从表2 看出，镉和铅的DTPA有效态含量随着龙须草的生长而下降，BF Ⅱ期镉和铅的有效态含量分别比Ⅰ期下降了23.1%和 9.4%，差异显著。CK 虽然有所下降，但差异不显著。表明生物有机肥和植物的联合作用可以有效降低重金属的生物有效性，与吴子剑等[13]的结果相似。

表2 BF 和CK 土壤重金属总量和有效态含量的变化 （mg/kg）

2.3 土壤微生物生物量

BF 和CK 的土壤微生物生物量碳氮磷含量变化见表3。表3 表明，土壤中微生物生物量碳氮磷含量很少，但他们却是活的土壤有机碳氮磷部分，会影响土壤肥力的变化。生物有机肥中含有丰富的微生物菌群，有利于土壤微生物区系和微生物群落结构的改善，在植物根系周围形成优势微生物种群，使土壤微环境变的更加健康。由表3 可见，BF 的土壤微生物生物量碳、氮、磷含量均显著高于CK。试验结束时，BF 的微生物生物量碳、氮、磷分别是CK 的2.3、2.1 和3.4 倍。

表3 BF 和CK 土壤微生物生物量碳氮磷的变化 （mg/kg）

2.4 土壤酶活性

BF 和CK 所测定的4 种酶活性的变化见表4。土壤酶是土壤中产生专一生物化学反应的生物催化剂，参与土壤中各种生物化学过程。土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和生化反应强度，是评价土壤肥力的一个重要指标[14]。生物有机肥可以显著提高土壤酶的活性。如有研究报道，施用生物有机肥后，蓝莓和油菜根区酶活性显著升高[15-16]。试验测定了4 种与土壤碳氮磷循环以及土壤腐殖质转化直接有关的土壤酶活性。由表4 看出，BF 的4 种酶活性均比CK 有不同程度的升高。Ⅰ期生长阶段，BF 的土壤转化酶、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性分别是CK 的2.7、1.9、1.5 和1.1 倍。这个时期气温较高，龙须草处于旺盛生长期，土壤微生物活跃，土壤酶活性也相应较高。酶活性的提高又促进了土壤中营养成分的循环，进一步改善了土壤基质的微生态环境。Ⅱ期生长阶段，CK 和BF 的酶活性有所下降，可能和此时气温较低且龙须草生长衰老有关，但BF 仍显著高于CK。

表4 BF 和CK 土壤酶活性的变化 （mg/g）

2.5 植物生物量和重金属元素吸收量

由表5 看出，生长360 d 后，BF 的龙须草生物量比CK 高 34.7%，表明了生物有机肥对植物有促生长作用。BF 龙须草地上部分镉铅含量略高于CK，但差异不明显。然而地上部镉铅吸收总量均比CK 增加了41.2%，差异显著，说明生物有机肥的主要作用是促进植物的生长，而植物的生长则促进了重金属的吸收。Lin 等研究发现，施用生物有机肥后，有机质分解产生的腐殖酸可以螯合土壤中的重金属，从而使镉的生物有效性下降，进而降低了黑麦草对镉的吸收[17]。故降低重金属生物有效性很可能是生物有机肥减缓植物根际重金属毒性的原因之一。随着植物的生长，重金属会出现“生长稀释效应”。即当植物生长的速度高于其对重金属吸收转移的速度时，植物生物物质的增长量将高于对重金属元素的吸收增量。而当植株体内重金属含量稀释到对植物生长没有影响时，植物生长速度加快，相应地又会增大吸收和转移重金属的总量。如吴子剑等[13]研究发现，施加生物有机肥的7 a间，其研究的速生树种干物质生物量增量曲线始终保持上升水平，而锰的吸收增量曲线斜率在试验的后4 a 明显下降，反映了锰的生长稀释效应，也说明生物有机肥的主要作用是促进了速生树种的生长，从而间接地提高了锰的吸收量，此试验结果与其一致。

表5 BF 和CK 龙须草（生长360 后）生物量和地上部重金属吸收量

3 结 论

（1）生长一年后，施加生物有机肥的龙须草生物量和地上部镉铅吸收总量显著高于CK。龙须草和生物有机肥的联合作用降低了土壤重金属含量。

（2）龙须草和生物有机肥的联合作用改善了土壤营养成分。与未施加生物有机肥相比，施加生物有机肥的龙须草生长360 d 后，土壤有机质含量增加了68.6%，总氮、总磷、总钾、速效磷和速效钾分别是对照的4.5、2.5、1.8、3.0 和2.7 倍。

（3）施加生物有机肥的龙须草处理土壤微生物生物量和土壤酶活性均有不同程度的提高。试验结束时，施加生物有机肥的处理土壤微生物生物量碳、氮、磷含量分别为CK 的2.3、2.1、3.4 倍，而龙须草生长180 d 时，土壤转化酶、脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性分别是CK 的 2.7、1.9、1.5 和1.1 倍。