有机物料对镉污染酸性土壤伴矿景天修复效率的影响

2021-01-05邓月强曹雪莹谭长银孙丽娟蔡润众彭曦柏佳黄硕霈周青

农业环境科学学报 2020年12期

邓月强，曹雪莹，谭长银*，孙丽娟，蔡润众，彭曦，柏佳，黄硕霈，周青

（1.湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南师范大学环境重金属污染机理及生态修复重点实验室，长沙 410081；2.长沙学院乡村振兴研究院，长沙 410022）

镉（Cd）是一种对人体有害的重金属元素，因其生物活性高，毒性强，可以通过食物链对人体健康构成严重威胁[1-3]。近年来，我国农田土壤Cd污染及其引起的稻米Cd污染问题受到人们越来越多的关注。据《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤Cd的点位超标率达7%，受Cd污染农田面积约为2×105km2，Cd已成为我国农田重金属污染元素之首[4-5]。相对于物理和化学修复技术，植物修复（Phytoremediation）被认为是环保、低成本且不破坏土壤原有结构的重金属污染土壤的修复方法[6]。但植物修复技术在应用过程中也存在一些明显不足，如土壤Cd有效性低，部分超积累植物生长速度慢、生物量小、修复周期长等[7]，这些因素制约着植物修复效率。因此，如何提高超积累植物的Cd污染土壤修复效率已成为当前土壤修复领域的研究热点。

伴矿景天（Sedum plumbizincicola）是一种 Cd∕Zn超积累植物[8-9]，在Cd污染土壤植物修复中已得到广泛应用。已有研究表明，农艺措施、生物措施等是提高伴矿景天修复效率的重要途径[10]。适宜的种植密度、水分条件、光照条件等有利于伴矿景天的生长，可提高伴矿景天生物量[11-13]。沈丽波等[14]发现，增施氮肥是伴矿景天地上部生物量增加的主要原因，而钾肥是增加伴矿景天地上部Cd含量的主要因素。马文亭等[15]研究表明，里氏木霉FS10-C可通过增加伴矿景天生物量来提高其修复效率，土壤Cd去除率最高可达41.25%。此外，有机酸在强化伴矿景天修复方面也有明显效果[16]。

秸秆还田和施用有机肥是提升农田土壤有机质含量、改善土壤肥力的重要措施，明确其对土壤Cd有效性和植物Cd吸收积累的影响，对Cd污染农田土壤的植物修复具有重要的指导意义。水稻秸秆、大豆秸秆、猪粪等是常见的农业废弃物，廉价易得，如果对其加以利用，既可以改良土壤、提高土壤肥力和降低成本，还可以用于污染土壤修复，是一种可兼顾修复和培肥的可行方法[17-18]。近年来，对施用有机物料改善土壤质量和提高作物产量等方面的研究已取得重要进展，但有机物料对土壤（特别是酸性土壤）中Cd有效性的影响尚待进一步明确。有机物料通过改变Cd的生物有效性来影响植物对Cd的吸收，有研究表明，在重金属污染农田土壤上，施用秸秆有机物料提高了土壤pH值，降低了土壤Cd的生物有效性，减少了黑麦草对土壤Cd的吸收和积累[19]。但也有研究发现，有机物料施入土壤后，不仅可以提高土壤肥力、改良土壤结构，而且在矿化分解过程中释放出可溶性有机质（DOM）活化土壤Cd，促进植物对Cd的吸收[20-21]。这种结果的差异可能与污染土壤类型、植物种类、有机物料的组成、性质差异和用量等密切相关。因此，利用有机物料辅助超积累植物修复Cd污染土壤有待进一步探索和研究。

本研究以湖南省湘潭县典型Cd污染酸性农田土壤为研究对象，探讨添加水稻秸秆、大豆秸秆、猪粪和水溶性有机肥4种有机物料对伴矿景天修复Cd污染酸性农田土壤的效果和潜力，筛选可强化伴矿景天高效修复Cd污染土壤的有机物料，以期为Cd污染酸性农田土壤修复中有机物料的合理施用及伴矿景天高效修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为伴矿景天（Sedum plumbizincicola），植株采自湖南省湘潭县某育苗基地（27°44′4.9″N，112°56′22.3″E）。供试土壤采自湖南省湘潭县某重金属修复试验基地污染农田（27°44′5.2″N，112°56′25.8″E），由于长期工业发展，区域内土壤重金属污染严重。该区域属于典型的亚热带季风性湿润气候，雨热同季，年均温16.7～18.3℃，年平均降水量1 300 mm，以双季稻种植为主。土壤类型为第四纪红色黏土发育的水稻土（红黄泥），取表层土壤（0～20 cm），经风干去除杂物后混匀，过10目尼龙筛备用。土壤基本理化性质如下：pH 4.73，有机质21.08 g·kg-1，全 N 1.54 g·kg-1，全 P 0.42 g·kg-1，全 K 10.8 g·kg-1，碱解 N 120.16 mg·kg-1，有效 P 31.22 mg·kg-1，速效 K 165.58 mg·kg-1，二乙基三胺五乙酸（DTPA）-Cd 0.25 mg·kg-1，总Cd含量为0.75 mg·kg-1。

供试有机物料主要为水稻秸秆、大豆秸秆、猪粪和水溶性有机肥。有机物料风干后粉碎过10目尼龙筛，备用。有机物料基本性质见表1。

1.2 试验设计

在温室进行盆栽试验，盆栽试验时间为2019年11月20日至2020年4月20日。试验所用塑料盆规格为上直径18 cm、下直径10.2 cm、高11 cm，盆底有2个小孔，并在底部放置托盘，每盆装土1.0 kg，将水稻秸秆（RS）、大豆秸秆（SS）、猪粪（PM）和水溶性有机肥（OF）分别按土质量为1%、3%与供试土壤拌匀后装入塑料盆中，分别记为RS1%、RS3%、SS1%、SS3%、PM1%、PM3%、OF1%和OF3%，以不添加有机物料作为对照（CK），计9个处理，每个处理3次重复，共27盆，在温室静置20 d。选用大小相近、长势一致且带有叶片的健康伴矿景天（S.plumbizincicola）枝条进行扦插，每盆3株，于2019年12月10日移栽。在伴矿景天生长过程中，定期浇水使盆中土壤含水率维持在田间持水量的70%左右。

1.3 样品采集与处理

2020年4月20日收获伴矿景天并采集土壤样品。伴矿景天收获后分地上部和根部，用自来水冲洗干净，再用去离子水反复冲洗，吸水纸擦干，放入烘箱105℃杀青30 min，65℃烘干至恒质量，测定干物质量，再用玛瑙研钵磨碎，过60目尼龙筛备用；土壤样品经自然风干后，磨碎，分别过10、60、100目尼龙筛备用。

1.4 测定指标及方法

有机物料pH值采用pHs-3C雷兹酸度计测定，物水比为1∶10；有机C含量测定采用重铬酸钾容量-外加热法测定；有机物料用硫酸-过氧化氢消煮法消煮后，全N含量采用凯氏定氮法测定，全K含量采用火焰光度法测定，全P含量采用钒钼黄比色法测定[22]。

土壤pH用pHs-3C雷兹酸度计测定，土水比为1∶2.5；土壤有机质采用重铬酸钾容量-外加热法测定；土壤碱解N采用碱解扩散法测定；土壤有效P采用钼锑抗比色法测定；土壤速效K采用乙酸铵提取法测定。上述指标具体测定步骤参照《土壤农化分析》[23]。

土壤有效态Cd采用DTPA浸提法测定[24]，土壤和植物重金属含量测定采用美国EPA标准方法（US EPA3051a）消解，伴矿景天植株重金属含量用HNO3（10 mL）消解，土壤重金属全量用HNO3∶HCl（体积比3∶1）混酸消解，仪器为微波消解仪（CEM MAR S6，Matthews，NC，USA）。消化液和浸提液中的Cd含量用原子吸收光谱仪（Pin AAcle 900T，Perkin Elmer，USA）进行测定。样品测试过程中，通过空白试验和国家标准物质（土壤：GBW07406；植物：GBW07603）进行质量控制。

1.5 数据分析

土壤Cd去除率=[修复前土壤Cd全量（mg·kg-1）-修复后土壤Cd全量（mg·kg-1）]∕修复前土壤Cd全量（mg·kg-1）×100%

采用Excel 2016和Origin 2017进行数据处理和作图，使用SPSS 20.0对数据进行方差分析和相关性分析，Duncan多重比较法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 有机物料对土壤理化性质的影响

不同有机物料对土壤理化性质的影响见表2。与CK相比，施用有机物料提高了土壤pH，除SS3%和OF1%处理外，其他处理均达到显著水平（P＜0.05），其中PM3%处理土壤pH最高，较CK升高了0.84个单位。有机物料均可提高土壤有机质含量，与CK相比，RS3%、SS3%、PM1%、PM3%处理的土壤有机质含量显著增加（P＜0.05），分别增加了 20.28%、9.22%、13.36%、28.57%。

表1 供试有机物料基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of organic materials used in the experiment

与CK相比，有机物料处理还不同程度地提高了土壤速效养分含量。SS3%、PM3%、OF3%处理土壤碱解N含量达显著差异水平（P＜0.05），含量分别增加了17.36%、22.31%、11.57%，其他处理差异不显著。有机物料处理土壤有效P含量增加了3.42%～28.77%。施用有机物料还提高了土壤速效K含量，OF3%处理土壤速效钾含量最高，可达178 mg·kg-1。

2.2 有机物料对伴矿景天生物量和Cd含量的影响

不同有机物料对伴矿景天地上部和根部生物量（以干质量计）的影响如图1所示。与CK相比，施用有机物料伴矿景天地上部生物量增加了1.08%～40.69%，RS3%、PM3%、OF3%处理可显著增加伴矿景天地上部生物量（P＜0.05），表明水稻秸秆、猪粪和水溶性有机肥的添加能显著促进伴矿景天的生长。不同有机物料处理下的伴矿景天根部生物量也有不同程度增加，RS3%处理最高可达0.37 g·pot-1，说明有机物料对伴矿景天根系生长也具有强化作用。

伴矿景天地上部和根部Cd含量因有机物料的种类和用量不同具有一定差异性（图2）。与CK相比，PM1%和PM3%处理伴矿景天地上部Cd含量下降，但无显著差异；其他处理伴矿景天地上部Cd含量有不同程度增加，增幅为10.02%～64.91%。就根部而言，与CK相比，RS3%、SS3%、OF1%和OF3%处理显著提高了伴矿景天根部Cd含量（P＜0.05），而PM1%和PM3%处理根部Cd含量有所降低。总体而言，施用水溶性有机肥对伴矿景天地上部和根部Cd含量的增加效果最好。

2.3 有机物料对伴矿景天Cd积累量的影响

4种有机物料不同程度提高了伴矿景天对污染土壤Cd的积累量（表3）。不同处理下，伴矿景天地上部和根部的Cd积累量占整株积累量的百分比分别为94.62%～96.37%和3.56%～5.37%。与CK相比，不同有机物料处理增加了伴矿景天Cd总积累量，增幅为11.67%～95.57%。伴矿景天Cd积累量受有机物料种类的影响，施用水稻秸秆和水溶性有机肥伴矿景天对Cd的积累效果较好，其中RS3%和OF3%处理Cd总积累量分别可达527 μg·pot-1和 542 μg·pot-1。此外，比较同一种有机物料用量之间的效果可以发现，高用量（3%）条件下伴矿景天Cd总积累量都比低用量（1%）高，这说明伴矿景天Cd积累量还受有机物料用量的影响。

表2 有机物料对土壤理化性质的影响Table 2 Effects of organic materials on physicochemical properties of soil

图1 有机物料对伴矿景天生物量的影响Figure 1 Effects of organic materials on biomass of S.plumbizincicola

图2 有机物料对伴矿景天Cd含量的影响Figure 2 Effects of organic materials on Cd content of S.plumbizincicola

2.4 有机物料对土壤Cd全量和有效态Cd含量的影响

有机物料的施用对土壤DTPA-Cd含量产生了不同程度的影响（表4）。与CK相比，PM1%和PM3%处理土壤DTPA-Cd含量分别降低了6.25%和12.5%，但无显著差异。其他处理土壤DTPA-Cd含量有不同程度增高，且含量随施用量的增加而增高，其中OF3%处理效果最好，较CK增高了50.0%（P＜0.05）。由此可见，土壤DTPA-Cd含量的变化因有机物料种类和用量而异。

表3 有机物料对伴矿景天Cd积累量的影响（μg·pot-1）Table 3 Effects of organic materials on Cd accumulation in S.plumbizincicola（μg·pot-1）

利用伴矿景天进行植物修复过程中，施用有机物料促进了污染土壤中Cd的去除，且不同有机物料种类及用量对土壤Cd去除率表现出一定差异（表4）。由表4可知，伴矿景天修复后土壤Cd全量较修复前降低了0.21～0.38 mg·kg-1。CK处理土壤Cd去除率为27.6%，有机物料处理土壤Cd去除率可达29.8%～50.7%，其中水稻秸秆和水溶性有机肥处理土壤Cd的去除效果较好。可见，施用有机物料对伴矿景天修复酸性Cd污染农田土壤具有强化作用。

2.5 有机物料及其施用量对伴矿景天修复效应分析

如表5所示，有机物料类型对土壤pH、DTPA-Cd含量、Cd去除率和伴矿景天地上部生物量、根部Cd含量、地上部Cd含量和Cd总积累量有显著影响；有机物料施用量对土壤pH、DTPA-Cd含量、Cd去除率和伴矿景天根部生物量、地上部生物量、地上部Cd含量和Cd总积累量有显著影响。表明土壤Cd的活性和伴矿景天修复效率受到有机物料类型和施用量共同影响。

表4 修复后土壤Cd全量和有效态Cd含量Table 4 Soil total Cd content and available Cd content after phytoremediation

表5 多因素方差分析中F值的显著性Table 5 Significance of F value in two-way ANOVA analysis of variance

2.6 土壤和伴矿景天主要指标相关性分析

表6为土壤和伴矿景天主要指标相关性分析。结果表明，土壤DTPA-Cd含量与速效K呈极显著正相关关系（P＜0.01）。伴矿景天根部Cd含量与土壤DTPA-Cd含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），与土壤速效K呈显著正相关关系（P＜0.05），与pH呈显著负相关关系（P＜0.05）。伴矿景天地上部Cd含量与土壤DTPA-Cd含量和速效K呈极显著正相关关系（P＜0.01），与pH呈显著负相关关系（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 有机物料对土壤Cd有效性的影响

土壤Cd有效性是影响伴矿景天修复效率的重要因素，有机物料可通过改变土壤Cd化学形态来影响超积累植物对土壤Cd的吸收。然而，有机物料对土壤Cd赋存形态的影响受其种类、用量、土壤类型和污染水平等多因素的影响，贾乐等[25]和王腾飞等[26]的研究发现，土壤中的秸秆和猪粪分解时，可释放大量可溶性有机质（DOM），对土壤中Cd有较好的活化作用，从而提高土壤中有效态Cd含量；而Xu等[19]研究结果表明，水稻秸秆和小麦秸秆进入土壤可以形成稳定的络合物，使土壤有效态Cd含量降低。本研究的结果表明，施用猪粪处理的土壤有效态Cd含量有所下降，其原因可能是猪粪施入土壤后分解产生大分子腐植酸，腐植酸与Cd2+形成稳定性较高的络合物，进而使重金属Cd钝化，降低了土壤DTPA-Cd含量；而施用水稻秸秆、大豆秸秆和水溶性有机肥虽然提高了pH，但也不同程度提高了土壤DTPA-Cd含量，其中RS3%、OF1%和OF3%处理达到显著水平（P＜0.05），原因可能是水稻秸秆、大豆秸秆和水溶性有机肥能将大量DOM带入土壤中，而DOM可与土壤中Cd2+形成更多的可溶性络合物（Cd-DOM络合物），进而提高了土壤Cd的生物有效性，这与陈同斌等[27]和段明梦等[28]的研究结果一致。有研究表明，DOM还能够为土壤微生物的生命活动提供丰富的碳氮源与多种矿质营养，调控土壤中与Cd氧化、还原等功能相关的微生物活性，进而影响土壤Cd的有效性[29-30]。Li等[31]研究还表明，伴矿景天根系分泌物对土壤重金属也具有活化作用，可提高土壤Cd有效性。此外，伴矿景天对土壤Cd的吸收也会消耗土壤有效态Cd含量[32]。因此，在伴矿景天修复过程中，有机物料对土壤Cd有效性的影响过程比较复杂。

表6 土壤和伴矿景天主要指标的相关性系数Table 6 Correlation coefficients of the main indexes of soil and Sedum plumbizincicola

3.2 伴矿景天修复效率

生物量和Cd含量是影响伴矿景天修复效率的关键因素，通过强化措施提高两者之一或者同时提高两者都有利于伴矿景天修复效率的提高。本研究中，施用4种有机物料不同程度地增加了伴矿景天地上部和根部生物量（图1），原因可能是有机物料的施入不同程度提高了土壤有机质和有效态N、P、K含量，促进了伴矿景天的生长，其增加效果为：水稻秸秆＞水溶性有机肥＞猪粪＞大豆秸秆。猪粪处理伴矿景天Cd含量无显著变化；而施用水稻秸秆、大豆秸秆和水溶性有机肥促进了伴矿景天对土壤Cd的吸收，究其原因可能是增加了土壤Cd的活性。本研究相关性分析结果表明，伴矿景天地上部和根部Cd含量与土壤DTPA-Cd含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），也证明了这一点。此外，Zhou等[33]的研究结果也显示，添加水稻秸秆处理下伴矿景天地上部Cd含量显著增加，污染土壤上第一季伴矿景天Cd吸取量提高了14.3%～20.7%，原因是水稻秸秆施入土壤后提高了土壤Cd有效性，促进了伴矿景天对土壤Cd的吸收，类似地，有研究表明三叶草施入土壤后显著提高了伴矿景天Cd含量，表明不同种类有机物料对伴矿景天Cd吸收效果的影响不同[20]。所有处理中，OF3%处理伴矿景天地上部和根部的Cd含量最高，分别较CK增加了64.91%和45.78%，究其原因主要是其对土壤Cd的活化效果最好，OF3%处理土壤DTPA-Cd含量可达0.24 mg·kg-1，显著高于CK处理（0.16 mg·kg-1）。此外，Fan等[34]研究结果表明，使用水稻秸秆联合伴矿景天修复后土壤Cd去除率可达31.8%；本试验结果显示，单纯使用伴矿景天（CK）修复土壤Cd去除率为27.6%，有机物料联合伴矿景天修复后土壤Cd去除率可达29.8%～50.7%，说明有机物料在提高伴矿景天对Cd污染酸性土壤的修复效率方面发挥了重要作用。

试验条件下，不同有机物料处理伴矿景天对Cd污染土壤的修复效率有所不同，比较同一有机物料不同用量之间的效果差异可以发现，3%用量的效果优于1%用量，这说明有机物料对伴矿景天修复Cd污染农田土壤的效果不仅因有机物料种类而异，还与有机物料的施用量有关。陈绩等[35]研究发现，施用黄腐酸钾促进了修复0～4个月的东南景天对Cd的吸收积累，Cd积累量较CK提高了265.44%，而修复4～8个月东南景天Cd积累量较CK下降，由此可见，提高重金属污染土壤的植物修复效果，还需要考虑修复周期的影响。总体而言，施用水稻秸秆、大豆秸秆、猪粪和水溶性有机肥对Cd污染酸性农田土壤的伴矿景天修复都具有一定促进作用，水稻秸秆和水溶性有机肥的效果较好。因此，在利用伴矿景天修复Cd污染酸性农田土壤时，可考虑水稻秸秆还田和增施水溶性有机肥进行辅助强化修复，进而达到提高伴矿景天修复效率的目的，但有机物料长期修复效果以及大田试验效果还有待进一步研究。