李赛慧， 陈丽芬， 王会来， 褚军杰， 霍希妮， 王海瑞， 邹平， 马进川*

(1.丽水市莲都区土肥能源发展中心, 浙江 丽水 323000； 2.浙江农林大学 环境与资源学院, 浙江 杭州 311300；3.河南农业大学 农学院,河南 郑州 450046； 4.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所, 浙江 杭州 310021)

镉是一种具有高动植物毒性的金属元素。镉在人体的富集会引起严重的健康问题，如佝偻病、肺水肿、肾脏损伤、前列腺癌、男性生育能力降低等[1-2]。人体对镉吸收的主要途径是通过食用含镉的食物，如镉大米。水稻是我国主要的粮食作物，稻米消费量约占总谷物消费量的55%[3]。我国稻米镉超标率高达10%，稻田镉污染已严重威胁我国的粮食安全[4-6]。

有效态镉是作物吸收的主要形态，降低稻田土壤有效态镉含量可以最大限度地减少水稻对镉的吸收，进而阻控镉向食物链的迁移。土壤中有效态镉含量很大程度上取决于镉的溶解度，土壤中镉的溶解度受多种因素的影响，如pH、土壤有机质含量和氧化还原电位等[7-8]。为实现受污染耕地的“边生产边修复”，目前，常用的降低土壤有效态镉含量的措施有：土壤重金属原位钝化技术，如施用石灰、生物炭等，主要通过改变土壤pH和有机质含量来降低土壤中有效态镉的含量；水分调控，主要通过改变土壤氧化还原电位、有效硫含量、pH等，促使镉形成CdS沉淀，降低镉的生物有效性[9]。Fulda等[10]通过X射线吸收光谱进一步证明了还原条件下CdS的形成。上述措施在降低土壤有效态镉含量、实现受污染稻田安全利用方面具有良好的效果。然而长期外源物料的输入不仅会增加农业生产成本，引起土壤理化性质、微生物群落结构和活性的改变，同时具有造成二次污染的风险；水分管理则易受水源条件的限制。因此，探寻一种高效、低风险、低成本的修复途径具有重大意义。

秸秆还田是培肥地力和农业废弃物资源化的一项重要农业生产措施，秸秆还田不仅影响着土壤中有机质含量、微环境的pH，同时对土壤微生物群落结构及活性均有一定的影响。微生物作为土壤中最敏感的群体，其群落结构是反映土壤健康的重要因子。潜在的毒性金属污染物在一定程度上会影响土壤微生物群落结构，进而导致土壤质量退化[11]。与脱氮有关的亚消化单胞菌科、硝化螺菌属、不动杆菌属、聚磷菌等微生物的相对丰度随着镉浓度的增加而显著降低[12]。与此类似，Xie等[11,13]揭示了土壤微生物群落受潜在毒性金属的影响，潜在的重金属污染能够降低土壤微生物多样性。土壤重金属污染在改变土壤微生物群落结构的同时也受微生物的影响。微生物在一定程度上影响土壤中重金属元素的存在状态。杨卓等[14]研究表明，巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌的混合微生物制剂在促进植物生长的同时还可以促进土壤中镉、铅和锌的活化，使其活性分别提高15.02%、7.65%和2.23%；李洁等[15]研究认为，功夫菊酯不仅能够提高微生物群落对镉的抗性能力，还可以提高镉的生物可利用性，对提高镉在植物中的累积也具有一定作用；刘红娟等[16]从镉污染土壤中分离出蜡状芽孢杆菌并揭示其对镉具有高抗性，表明其参与积累的化学官能团有羟基、羰基、酰胺基等。因此，物料还田将直接或间接地影响土壤中镉的形态转化及其有效性。本研究拟采用室内土壤培养方式，探讨蒲公英、白花蛇舌草、水稻秸秆还田对土壤微生物、土壤pH以及土壤中有效态镉含量的影响，以探寻一种经济、安全、有效的降低土壤中有效性镉含量的方法。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为镉污染水稻土，采自浙江省某地镉污染稻田表层(0～20 cm)土壤。将所取稻田土壤样品于室内风干、粉碎、过10目筛(孔径2.00 mm)。取土壤样品，根据鲍士旦《土壤农化分析》方法对土壤理化性质进行分析，结果镉总量0.64 mg·kg-1，有效态镉0.34 mg·kg-1，全氮3.15 g·kg-1，碱解氮189.28 mg·kg-1，速效磷22.58 mg·kg-1，速效钾46.00 mg·kg-1，pH 6.06，阳离子交换量14.89 cmol·kg-1。

供试水稻秸秆来源于无镉污染稻田收获的水稻秸秆，试验用白花蛇舌草和蒲公英全草均来自于市售全草。为提高物料在土壤培养过程中的腐解速度，保证还田物料的均匀度和代表性，将水稻秸秆、白花蛇舌草和蒲公英全草于烘箱中75 ℃烘干至恒重，粉碎后过10目筛备用。测得3种供试材料镉含量：白花蛇舌草为1.31 mg·kg-1；蒲公英为3.12 mg·kg-1；水稻秸秆为0.04 mg·kg-1。

1.2 处理设计

试验采用室内培养方式，在浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所实验室恒温培养箱中(20 ℃)进行培养。设置4个处理：空白对照；添加蒲公英；添加白花蛇舌草；添加水稻秸秆。其中秸秆添加量均为培养土壤质量的0.6%。将秸秆与水稻土混合均匀，置于广口瓶中，分别加水直至土壤全部湿润，表面形成1～2 cm水层，共计加水约1 200 mL；用塑料薄膜覆盖瓶口，防止水分过快蒸发。每处理重复15次，随机区组排列。所用灌溉水为自来水(pH 6.67)，未检出镉污染。对每个处理进行称重编号，于8月28日开始培养，培养过程中保持每个培养瓶恒重，及时补充蒸发水分，保持2 cm水层覆盖。

1.3 测定方法

1.3.1 不同物料还田对土壤微生物的影响

取室内培养14 d的土壤样品，分析不同物料还田对土壤微生物群落结构的影响。微生物多样性分析采用MicroRespTM技术和Shannon-Winner香农多样性指数法。MicroRespTM技术是一种基于土壤微生物的代谢功能研究土壤微生物生态的方法，其利用土壤在不同碳源诱导下的CO2产生情况来表征土壤生物群落水平的生理特性。MicroRespTM技术可以克服传统微生物平板法只能测定可培养微生物、Biolog微平板法只能依赖土壤悬浮提取物和细胞后续生长情况及多重底物诱导呼吸自动化程度低等缺点，是研究原位土壤微生物群落水平生理特征的一种比较灵敏、快捷的测定方法[17]。

Shannon-Winner香农多样性指数(Shannon指数)是指整个生态系统的土壤微生物群落所利用碳源类型的多少，即功能多样性。生态系统中香农指数数值与该生态系统的土壤微生物群落结构功能多样性成正相关，香农指数越大，微生物群落结构和功能多样性越高。Pielou物种均匀度指数(Evenness指数)是指通过香农多样性指数计算出来的均度，包括2个因素：一是种类数目，即丰富度；另一个是种类中个体分布的均匀度。种类数目越多，多样性就越大[18]。

1.3.2 不同物料还田对土壤pH和生物有效性镉含量的影响

试验期间分别在土壤淹水0、7、14、21、28和35 d时取出培养土壤，将土壤样品置于室内风干，粉碎，分别过10目筛，充分混匀，测定土壤中有效态镉含量、pH。土壤重金属有效态镉采用DTPA(二乙胺三胺五乙酸)浸提后，用原子吸收光谱仪(石墨炉)法进行分析测定，土壤pH采用电位法进行分析测定。植株全量镉采用HNO3-H2O2微波法进行样品消解，原子吸收光谱仪(石墨炉)进行分析测定。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 对土壤微生物活性的影响

不同物料添加处理对土壤微生物活性的影响如图1所示，不同处理土壤中微生物群落碳氮源利用能力表现为：蒲公英>白花蛇舌草≈水稻秸秆>空白对照。其中，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸秆处理土壤CO2释放率分别为1.70、1.12和1.09 μg·g-1·h-1，与空白对照相比差异显著，分别提高了122.6%、46.9%和43.5%。说明物料处理可以显著提高土壤微生物的代谢能力，其中，蒲公英全草还田对土壤微生物代谢的影响最大。

柱上无相同小写字母者表示组间差异显著(P<0.05)。图1 各时期不同处理土壤CO2释放速率的变化

2.2 对土壤微生物群落多样性的影响

不同物料添加处理对土壤微生物群落结构的影响如表1所示。结果表明，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸秆处理在一定程度上增加了Shannon指数，分别为27.09、17.92和17.53，与空白对照相比差异均达显著水平。不同处理土壤微生物Simpson指数、Evenness指数分别为：蒲公英0.979和0.931、白花蛇舌草0.982和0.932、水稻秸秆0.983和0.932、空白对照0.991和0.935。与空白对照相比，不同物料处理的Simpson指数和Evenness指数均有不同程度的降低，其中蒲公英处理土壤微生物Simpson指数和Evenness指数降低最多，分别为1.21%和0.43%。总体而言，物料添加处理在一定程度上提高了土壤微生物群落多样性，却导致均匀度略有降低。在所有物料处理中，蒲公英处理对土壤微生物群落功能多样性的影响最大，这可能与蒲公英所含有的独特化学成分有关。

表1 不同处理基于MicroRespTM的土壤微生物群落代谢多样性分析

2.3 对土壤pH的影响

不同处理对土壤pH的影响如图2所示。与空白对照相比，水稻秸秆、蒲公英和白花蛇舌草处理均显著提高土壤pH，这可能与有机物料的添加增加了土壤对酸碱的缓冲能力有关。不同物料处理对土壤pH的影响依次为：蒲公英>白花蛇舌草>水稻秸秆。蒲公英处理对土壤pH提升最大，水稻秸秆处理对土壤pH的提升最小。在土壤培养过程中，不同处理土壤pH均呈现先增加后降低的趋势；其中空白对照土壤pH的增加主要与淹水条件下土壤微生物厌氧发酵有关，该结果与已有报道一致[8]。在土壤培养28 d时，水稻秸秆、蒲公英和白花蛇舌草处理土壤pH均达到最大值，分别为7.22、8.28和7.49，其中蒲公英处理土壤pH升高最多，比空白对照增加了22.5%。不同物料处理间土壤pH存在明显差异，可能与不同物料中碳氮含量的差异有关。周领[19]认为，秸秆还田后土壤pH的升高程度与秸秆中的含氮量(或N/C比)呈正相关。

相同培养时间柱上无相同小写字母者表示组间差异显著(P<0.05)。图2 各时期不同处理土壤pH的变化

2.4 对土壤有效态镉含量的影响

不同处理对土壤有效态镉含量的影响见图3。结果表明，经过35 d的培养，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸秆处理土壤中有效态镉含量分别为0.19、0.29和0.26 mg·kg-1，与空白对照相比，蒲公英和水稻秸秆处理分别使土壤有效态镉含量降低29.6%和3.7%，而白花蛇舌草处理则导致土壤有效态镉含量增加7.4%。与其他处理相比，蒲公英处理可以明显降低土壤中有效态镉含量，这可能与蒲公英处理能够显著改变土壤微生物群落结构、提高土壤微生物活性和土壤pH紧密相关。土壤pH能够在一定程度上影响土壤有效态镉含量，土壤pH升高，会使H+的竞争能力变弱，土壤胶体电荷增加，从而使重金属更牢固地与胶体结合，形成难溶性的氢氧化物、磷酸盐、碳酸盐等，大大降低镉的生物有效性，减少植物对镉的吸收和积累[20]。蒲公英和白花蛇舌草处理土壤有效态镉含量呈现先急剧增加、再降低的趋势，则可能与秸秆腐解过程中植株所含镉的活化有关；与空白对照相比，水稻秸秆处理土壤中有效态镉含量呈现降低、增加、再降低的趋势。

图3 各时期不同处理土壤有效态镉含量的变化

3 小结与讨论

土壤重金属镉污染严重影响作物的产量和品质，降低土壤中有效态镉含量是实现受污染耕地安全利用、保障食品安全的重要途径。土壤中有效态镉含量很大程度上取决于镉的溶解度，而镉的溶解度决定了镉的积累、毒性、环境中以及生物内部和生物之间的迁移。作物秸秆还田作为重要的农业生产措施，不仅可以提高土壤肥力、改善土壤理化性质、改变土壤微生物群落结构及活性，同时也影响着土壤中有效态镉的含量。Zhu等[21]研究表明，作物秸秆及其降解产物(糖类、醇类、低分子量有机酸、酚醛)可适当改变土壤的酸碱性和有机质含量，进而影响镉的生物有效性。因此，明确不同物料还田对土壤作物有效态镉含量的影响具有重要意义。本研究结果表明，物料还田对土壤有效态镉含量的影响呈现先增加后降低的趋势，物料还田可以在一定程度上降低土壤中有效态镉含量。施用秸秆等有机物可以原位钝化土壤中有效态镉，主要与秸秆还田后在土壤中的转化过程有关，腐殖化过程会增加对土壤重金属的吸附，降低重金属的有效性，该结果与已有研究结果一致[22-23]。物料还田前期增加土壤中有效态镉含量可能由以下原因引起：对于无污染的物料而言，是由物料分解时释放的有机酸和水溶性有机碳对土壤中镉的活化作用所致；对于镉污染物料而言，一方面受物料分解时释放的有机酸和水溶性有机碳活化土壤中镉的影响，另一方面，还田物料矿化过程中物料分解后其所含的镉也会释放到土壤中，进而导致土壤有效态镉含量的增加。鉴于水稻秸秆和白花蛇舌草处理在降低土壤有效态镉含量方面的作用效果较低，考虑到镉污染耕地生产的水稻秸秆和白花蛇舌草还田腐解过程中具有增加土壤有效态镉含量的风险，因此，对于该类作物秸秆应进行移除并无害化处理。

中草药在调节土壤微生物群落结构和活性、提升土壤质量方面已有较广泛的应用。王振学等[24]利用中药柏树壳、青蒿、泽漆和蒲公英发明了一种中药型土壤微生物重茬剂，施入土壤后在杀灭致病菌的同时对土壤中有益菌具有保护和增效作用，且不会破坏土壤结构。白明生等[25]在盐碱地施用中药废渣后能显著降低土壤全盐含量及pH、全面提高土壤养分含量、增加土壤微生物数量和酶活性。在本研究中，添加蒲公英显著影响和改变土壤微生物群落结构和活性、土壤pH，降低了土壤有效态镉含量。蒲公英添加降低土壤有效态镉含量可能与蒲公英独特的化学成分，以及其对土壤微生物、土壤pH等影响的综合因素有关。土壤有效态镉含量与土壤pH呈紧密的负相关关系，而土壤微生物对镉溶解性的影响对调节镉毒性至关重要[26]。相关研究结果从一定层面上揭示蒲公英还田降低土壤有效态镉含量的作用途径，但蒲公英还田降低有效态镉含量的具体机制仍有待进一步明确。基于蒲公英添加处理对土壤有效态镉含量降低的良好效果，可以利用南方稻田冬季闲田制度，适时播种蒲公英并进行全草还田，开展蒲公英还田对土壤有效态镉含量的相关研究。本研究为镉污染稻田安全利用提供了一种新的可能途径。