土壤pH對蚯蚓生長及Cd、Pb吸收的影響

陳雪雪，劉前亮，簡槐良，羅 洋

(貴州師范學院 地理與資源學院，貴州 貴陽 550018)

土壤是糧食、蔬菜、水果等作物生長的大本營，是人們能夠生存繁衍的基礎。但是隨著經濟迅速發展，技術手段不斷更新，化肥、農藥、工礦、石油等行業的全球發展，大量的重金屬進入大氣、水體，最終通過沉降、吸附、絡合-螯合等形式進入土壤并超過土壤的自凈能力，從而造成土壤重金屬污染。2014年頒布的《土壤污染調查公報》中表明：中國大陸地區受重金屬污染較為嚴重，全國總土壤超標率為16.1%，其中 Cd的點位超標率為7%、Pb為1.5%[1]。沉積在土壤中的重金屬通過植物的吸收與植物根部進行離子交換進入植物體內，再通過攝食進入人體，且因不能被降解而在人體內富集，引起致癌、致畸和致突變等系列后果，最終危害人體健康[2-4]。

蚯蚓是土壤中體型最大、數量最多的無脊椎動物，由于體內含有多種特殊酶，可分解落葉，殘渣等有機物，有助于解決環境污染問題[5-6]。有研究表明，蚯蚓能富集土壤中的鋅(Zn)、鉛(Pb)和鎘(Cd)等微量重金屬[7]，可以用于畜禽糞便、重金屬污染土壤和城市污泥等污染的處理當中[8-9]。蚯蚓靠皮膚感知外界溫度、酸堿度以及進行呼吸，當土壤中酸堿度偏高、偏低時，蚯蚓可能會出現脫水萎縮、體色變黑等癥狀，抑制其生存[10]，進而影響對重金屬的修復效果。本研究采用盆式養殖的方法，通過對不同pH條件下模擬Cd、Pb污染土壤中蚯蚓生物量、蚯蚓體內Cd、Pb含量以及土壤有效態Cd、Pb含量等指標的測定，探討土壤酸堿度對蚯蚓生長及Cd、Pb吸收的影響，以期為受重金屬污染的土壤修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤：取自貴陽市烏當區魚洞峽后山農用地，挖取耕作層15～20 cm的土壤，分裝入袋，帶回實驗室后，去除其中混雜的植物根莖物質和大塊石頭，置于陰暗、通風條件下自然風干，過5 mm篩備用。

供試蚯蚓：赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)，網上購買，其基本特征如下：表棲型，體長35～130 mm，一般短于70 mm，寬3～5 mm，體節數80～110，其活動主要集中在腐殖質層[11]。

1.2 污染土壤的制備

參考《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》管制值，以乙酸鉛(優級純)、氯化鎘(優級純)溶液形式制備模擬Cd、Pb復合污染土壤。制備后土壤有效態Cd、Pb含量分別為3.48 mg/kg和2215.62 mg/kg。將土壤置于上口直徑23 cm，盆高22 cm，盆底直徑18 cm的花盆中，每盆裝土2.5 kg，老化1個月。

1.3 試驗設計

本試驗共6個處理，分別為：(1)C1：Cd、Pb污染，土壤pH值為6.72；(2)C2：Cd、Pb污染，土壤pH值為7.81；(3)C3：Cd、Pb污染，土壤pH值為9.04；(4)D1：無污染，土壤pH值為6.72；(5)D2：無污染，土壤pH值為7.81；(6)D3：無污染，土壤pH值為9.04。每個處理均設置三個重復，每盆接種25 g赤子愛勝蚓，均覆蓋一層篩網，防止蚯蚓逃跑并進行遮光處理，蚯蚓飼養盆放置于陰涼的實驗室內，在自然環境溫度條件下培養，蚯蚓飼養盆底部設有透氣孔，為防止蚯蚓從透氣孔逃逸，在容器底部放置細孔紗布。盆內土壤濕度大致控制在田間持水量的50%～60%，培養50 d后，試驗結束，撿出蚯蚓，計算活體蚯蚓數量并稱重。將稱重后的蚯蚓，先進行吐泥處理，再將蚯蚓冷凍至死，然后至于烘箱中105℃、8 h烘干并研磨成粉。

1.4 測定項目

蚯蚓重量：采用隨機挑選15條，用萬分之一天平稱重，得出單條重量； 蚯蚓體內Cd、Pb含量：采用HNO3+H2O2體系，置于微波消解儀經表1程序消解，轉移定容后，原子吸收分光光度法測定；土壤有效態Cd、Pb含量測定：采取0.1 mol/L鹽酸浸提，原子吸收分光光度法測定；土壤酸堿度測定：采用去CO2水浸提(水土比2.5∶1)，pH電極測定。

表1 蚯蚓樣品微波消解溫度與時間

1.5 數據分析

所得數據先用Excel2016求平均值與標準差，然后用SPSS 19.0軟件進行方差分析，用LSD法進行多重比較，差異顯著水平為5%。

2 結果與分析

2.1 不同土壤pH條件下蚯蚓生長狀況

試驗后所有處理的蚯蚓數量相較于試驗前均呈下降趨勢(表2)。無重金屬污染時，三個pH條件下蚯蚓的存活率分別為8.33%(D1)、80.60%(D2)和68.92%(D3)。當土壤pH值為6.72時，蚯蚓生長狀況最差，其重量比pH值為7.81和9.04時顯著降低了93.77%和92.35%(P<0.05)，存活率比pH值為7.81和9.04時顯著降低了89.67%與87.91%。當土壤受到Cd-Pb復合污染后，蚯蚓的生長進一步受到抑制。通過觀察和計算發現，C1處理組土壤中蚯蚓全部死亡，而C2、C3處理組蚯蚓的數量平均只有45和21條，比對應的無污染的D2、D3處理組少了13.33和26.33條；蚯蚓的重量相比無污染處理組分別少了3.78 g和5.20 g，存活率也相對降低了24.02%和43.24%。當污染程度一致時，蚯蚓存活率在不同pH值條件下的大小順序為pH值7.81> pH值9.04> pH值6.72，各處理間差異達到顯著水平(P<0.05)。

表2 試驗前后蚯蚓生長狀況

2.2 不同土壤pH值條件下蚯蚓體內Cd、Pb含量

從表3可以看出，無重金屬污染時，三個pH值條件下蚯蚓體內Cd含量分別為1.28(D1)、3.89(D2)和3.34 mg/kg(D3)，各處理間差異不顯著(P>0.05)；Pb含量分別為0.00(D1)、24.24(D2)和3.30 mg/kg(D3)，D1與D3差異不顯著，但D2顯著高于其余兩個處理(P<0.05)。土壤受到Cd-Pb復合污染后，蚯蚓體內的兩種重金屬含量也相應增加。除pH值為6.72時蚯蚓全部死亡無法測得其體內Cd、Pb含量以外，土壤pH值為7.81與9.04時蚯蚓Cd含量分別是無污染處理組的19.53倍和39.43倍，Pb含量分別是無污染處理組的83.08倍和526.04倍。

表3 不同pH值條件下蚯蚓體內Cd、Pb含量

2.3 不同pH值條件下土壤有效態Cd、Pb含量

試驗后各處理的土壤有效態Cd、Pb含量狀況見表4。無污染時，三個pH值條件下土壤Cd的有效態含量與試驗前相比分別減少61.54%(D1)、0%(D2)和53.85%(D3)，各處理間差異不顯著(P>0.05)；土壤Pb的有效態含量無明顯差異，但與試驗前相比分別減少58.79(D1)、58.22(D2)與58.57 mg/kg(D3)。土壤受Cd-Pb復合污染后，其有效態Cd 、Pb含量在不同pH值之間無明顯差異(P>0.05)，但與試驗前相比有效態Cd含量分別減少6.61%(C1)、8.05%(C2)和4.89%(C3)；有效態Pb含量減少9.19%(C1)、2.50%(C2)與3.62%(C3)。

表4 不同pH條件下土壤有效態Cd、Pb含量

2.4 土壤pH值變化

由表5可知，試驗后Cd-Pb復合污染土壤pH值分別為6.88(C1)、7.32(C2)、8.21(C3)，而無污染土壤試驗后酸堿度分別為7.24(D1)、7.65(D2)與8.27(D3)。表明三種pH值條件下的土壤，經過試驗后其酸堿度總體上呈下降趨勢，降幅大小順序表現為C3>C2>C1和D3>D2>D1。在Cd-Pb復合污染土壤中，C1處理組土壤酸堿度比試驗前上升0.16個單位，而C2、C3處理組分別減少0.49和0.83個單位。無污染土壤中，D1處理土壤pH值與試驗前相比上升了0.52個單位，D2與D3時分別減少了0.16與0.77個單位。說明一方面，土壤pH值不同，導致蚯蚓的存活狀態不同；另一方面，蚯蚓的生命活動，也反作用于土壤酸堿度。

表 5 試驗后各處理土壤pH值

3 討論

根據蚯蚓特化的生態功能和適應能力，Boucher[12]將其劃分為表層種、內層種、深層種3種生態類型。本次試驗選用的赤子愛勝蚓屬于表層種，生活在土壤表層的有機質中，以環境中豐富的有機腐殖質為食。本次試驗未外源施加有機質，長時間試驗可能導致土壤中有機質含量下降，因此即使無重金屬污染處理組蚯蚓生物量相對試驗前也呈下降趨勢。土壤pH值對蚯蚓的存活狀態有很大影響，表現為pH值為6.72時蚯蚓存活率最低，只有8.33%；pH值為7.81時最高，達80.60%，這與張振軍[13]等的研究結果不一致，可能與本研究所用土壤類型、其他有害元素的有效性和室內培養環境等因素有關，具體原因有待進一步探索。通過對比本研究中同一酸堿度下土壤中蚯蚓的存活率可知，Cd-Pb復合污染對蚯蚓產生了毒害作用，抑制其生長。可能是Cd-Pb復合污染破壞了蚯蚓體內的抗氧化酶、酸性磷酸酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶等酶活性，使其抵抗重金屬的能力下降[14-15]。

自發現蚯蚓能夠作為土壤重金屬污染程度指示動物以來[16-17]，大量研究表明蚯蚓對重金屬有富集作用，李敏等[18]發現蚯蚓在污染土壤中，其體內Cd含量最大可達7.92 mg/kg；寇永綱[19]的研究也證明了蚯蚓對Pb的富集量可達0.386 mg/條。本研究中，Cd-Pb復合污染土壤中蚯蚓體內Cd、Pb含量分別為75.98～131.71 mg/kg和1735.93～2013.97 mg/kg，表明蚯蚓對重金屬有一定富集作用，且在pH值為7.81時Pb富集量最大，pH值為9.04時Cd富集量最大，這是因為在一定范圍內，土壤有效態重金屬含量與土壤的pH值呈顯著相關關系，影響蚯蚓的吸收[20]。從總量上來看，赤子愛勝蚓更適宜在中性和弱堿性條件下對重金屬進行富集，此結果與前人的研究結果一致[21]。

蚯蚓活動可以改變土壤酸堿度[22]，Cheng和Wong[23]等的研究表明高砂土接種蚯蚓后土壤pH值上升，而紅壤的pH值則表現為下降。韓桂歐[24]等人在研究林下養殖蚯蚓對鹽堿地土壤和苗木生長的影響時，發現蚯蚓可以降低鹽堿地土壤的pH值。本研究中，接種蚯蚓后各處理土壤pH值整體上呈現為下降趨勢，這可能是由于蚯蚓活動導致土壤中的有機質礦化、氨化、硝化以及反硝化等過程發生改變，對土壤酸堿度起到了調節作用[25]。

4 結論

(1)當pH值為6.72時，蚯蚓在Cd-Pb復合污染土壤中全部死亡；當土壤 pH值為7.81時存活率和單個蚯蚓重量最大。

(2)當Cd-Pb復合污染土壤pH值為9.04和7.81時，蚯蚓對重金屬具有一定的吸收能力，且以pH值為7.81時富集總量最大。

(3)當pH值為9.04 時，污染土壤中有效態Cd比另外兩個pH值梯度(pH值為6.72和7.81)分別高1.81%和3.32%；當pH值為7.81時，土壤有效態Pb含量比另外兩個pH值梯度(pH值為6.72和9.04)高6.86%和1.14%。