有機物料對鎘污染酸性土壤伴礦景天修復效率的影響

鄧月強，曹雪瑩，譚長銀*，孫麗娟，蔡潤眾，彭曦，柏佳，黃碩霈，周青

（1.湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南師范大學環境重金屬污染機理及生態修復重點實驗室，長沙 410081；2.長沙學院鄉村振興研究院，長沙 410022）

鎘（Cd）是一種對人體有害的重金屬元素，因其生物活性高，毒性強，可以通過食物鏈對人體健康構成嚴重威脅[1-3]。近年來，我國農田土壤Cd污染及其引起的稻米Cd污染問題受到人們越來越多的關注。據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤Cd的點位超標率達7%，受Cd污染農田面積約為2×105km2，Cd已成為我國農田重金屬污染元素之首[4-5]。相對于物理和化學修復技術，植物修復（Phytoremediation）被認為是環保、低成本且不破壞土壤原有結構的重金屬污染土壤的修復方法[6]。但植物修復技術在應用過程中也存在一些明顯不足，如土壤Cd有效性低，部分超積累植物生長速度慢、生物量小、修復周期長等[7]，這些因素制約著植物修復效率。因此，如何提高超積累植物的Cd污染土壤修復效率已成為當前土壤修復領域的研究熱點。

伴礦景天（Sedum plumbizincicola）是一種 Cd∕Zn超積累植物[8-9]，在Cd污染土壤植物修復中已得到廣泛應用。已有研究表明，農藝措施、生物措施等是提高伴礦景天修復效率的重要途徑[10]。適宜的種植密度、水分條件、光照條件等有利于伴礦景天的生長，可提高伴礦景天生物量[11-13]。沈麗波等[14]發現，增施氮肥是伴礦景天地上部生物量增加的主要原因，而鉀肥是增加伴礦景天地上部Cd含量的主要因素。馬文亭等[15]研究表明，里氏木霉FS10-C可通過增加伴礦景天生物量來提高其修復效率，土壤Cd去除率最高可達41.25%。此外，有機酸在強化伴礦景天修復方面也有明顯效果[16]。

秸稈還田和施用有機肥是提升農田土壤有機質含量、改善土壤肥力的重要措施，明確其對土壤Cd有效性和植物Cd吸收積累的影響，對Cd污染農田土壤的植物修復具有重要的指導意義。水稻秸稈、大豆秸稈、豬糞等是常見的農業廢棄物，廉價易得，如果對其加以利用，既可以改良土壤、提高土壤肥力和降低成本，還可以用于污染土壤修復，是一種可兼顧修復和培肥的可行方法[17-18]。近年來，對施用有機物料改善土壤質量和提高作物產量等方面的研究已取得重要進展，但有機物料對土壤（特別是酸性土壤）中Cd有效性的影響尚待進一步明確。有機物料通過改變Cd的生物有效性來影響植物對Cd的吸收，有研究表明，在重金屬污染農田土壤上，施用秸稈有機物料提高了土壤pH值，降低了土壤Cd的生物有效性，減少了黑麥草對土壤Cd的吸收和積累[19]。但也有研究發現，有機物料施入土壤后，不僅可以提高土壤肥力、改良土壤結構，而且在礦化分解過程中釋放出可溶性有機質（DOM）活化土壤Cd，促進植物對Cd的吸收[20-21]。這種結果的差異可能與污染土壤類型、植物種類、有機物料的組成、性質差異和用量等密切相關。因此，利用有機物料輔助超積累植物修復Cd污染土壤有待進一步探索和研究。

本研究以湖南省湘潭縣典型Cd污染酸性農田土壤為研究對象，探討添加水稻秸稈、大豆秸稈、豬糞和水溶性有機肥4種有機物料對伴礦景天修復Cd污染酸性農田土壤的效果和潛力，篩選可強化伴礦景天高效修復Cd污染土壤的有機物料，以期為Cd污染酸性農田土壤修復中有機物料的合理施用及伴礦景天高效修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為伴礦景天（Sedum plumbizincicola），植株采自湖南省湘潭縣某育苗基地（27°44′4.9″N，112°56′22.3″E）。供試土壤采自湖南省湘潭縣某重金屬修復試驗基地污染農田（27°44′5.2″N，112°56′25.8″E），由于長期工業發展，區域內土壤重金屬污染嚴重。該區域屬于典型的亞熱帶季風性濕潤氣候，雨熱同季，年均溫16.7～18.3℃，年平均降水量1 300 mm，以雙季稻種植為主。土壤類型為第四紀紅色黏土發育的水稻土（紅黃泥），取表層土壤（0～20 cm），經風干去除雜物后混勻，過10目尼龍篩備用。土壤基本理化性質如下：pH 4.73，有機質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，堿解 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，總Cd含量為0.75 mg·kg-1。

供試有機物料主要為水稻秸稈、大豆秸稈、豬糞和水溶性有機肥。有機物料風干后粉碎過10目尼龍篩，備用。有機物料基本性質見表1。

1.2 試驗設計

在溫室進行盆栽試驗，盆栽試驗時間為2019年11月20日至2020年4月20日。試驗所用塑料盆規格為上直徑18 cm、下直徑10.2 cm、高11 cm，盆底有2個小孔，并在底部放置托盤，每盆裝土1.0 kg，將水稻秸稈（RS）、大豆秸稈（SS）、豬糞（PM）和水溶性有機肥（OF）分別按土質量為1%、3%與供試土壤拌勻后裝入塑料盆中，分別記為RS1%、RS3%、SS1%、SS3%、PM1%、PM3%、OF1%和OF3%，以不添加有機物料作為對照（CK），計9個處理，每個處理3次重復，共27盆，在溫室靜置20 d。選用大小相近、長勢一致且帶有葉片的健康伴礦景天（S.plumbizincicola）枝條進行扦插，每盆3株，于2019年12月10日移栽。在伴礦景天生長過程中，定期澆水使盆中土壤含水率維持在田間持水量的70%左右。

1.3 樣品采集與處理

2020年4月20日收獲伴礦景天并采集土壤樣品。伴礦景天收獲后分地上部和根部，用自來水沖洗干凈，再用去離子水反復沖洗，吸水紙擦干，放入烘箱105℃殺青30 min，65℃烘干至恒質量，測定干物質量，再用瑪瑙研缽磨碎，過60目尼龍篩備用；土壤樣品經自然風干后，磨碎，分別過10、60、100目尼龍篩備用。

1.4 測定指標及方法

有機物料pH值采用pHs-3C雷茲酸度計測定，物水比為1∶10；有機C含量測定采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；有機物料用硫酸-過氧化氫消煮法消煮后，全N含量采用凱氏定氮法測定，全K含量采用火焰光度法測定，全P含量采用釩鉬黃比色法測定[22]。

土壤pH用pHs-3C雷茲酸度計測定，土水比為1∶2.5；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；土壤堿解N采用堿解擴散法測定；土壤有效P采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效K采用乙酸銨提取法測定。上述指標具體測定步驟參照《土壤農化分析》[23]。

土壤有效態Cd采用DTPA浸提法測定[24]，土壤和植物重金屬含量測定采用美國EPA標準方法（US EPA3051a）消解，伴礦景天植株重金屬含量用HNO3（10 mL）消解，土壤重金屬全量用HNO3∶HCl（體積比3∶1）混酸消解，儀器為微波消解儀（CEM MAR S6，Matthews，NC，USA）。消化液和浸提液中的Cd含量用原子吸收光譜儀（Pin AAcle 900T，Perkin Elmer，USA）進行測定。樣品測試過程中，通過空白試驗和國家標準物質（土壤：GBW07406；植物：GBW07603）進行質量控制。

1.5 數據分析

土壤Cd去除率=[修復前土壤Cd全量（mg·kg-1）-修復后土壤Cd全量（mg·kg-1）]∕修復前土壤Cd全量（mg·kg-1）×100%

采用Excel 2016和Origin 2017進行數據處理和作圖，使用SPSS 20.0對數據進行方差分析和相關性分析，Duncan多重比較法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 有機物料對土壤理化性質的影響

不同有機物料對土壤理化性質的影響見表2。與CK相比，施用有機物料提高了土壤pH，除SS3%和OF1%處理外，其他處理均達到顯著水平（P＜0.05），其中PM3%處理土壤pH最高，較CK升高了0.84個單位。有機物料均可提高土壤有機質含量，與CK相比，RS3%、SS3%、PM1%、PM3%處理的土壤有機質含量顯著增加（P＜0.05），分別增加了 20.28%、9.22%、13.36%、28.57%。

表1 供試有機物料基本理化性質Table 1 Basic physicochemical properties of organic materials used in the experiment

與CK相比，有機物料處理還不同程度地提高了土壤速效養分含量。SS3%、PM3%、OF3%處理土壤堿解N含量達顯著差異水平（P＜0.05），含量分別增加了17.36%、22.31%、11.57%，其他處理差異不顯著。有機物料處理土壤有效P含量增加了3.42%～28.77%。施用有機物料還提高了土壤速效K含量，OF3%處理土壤速效鉀含量最高，可達178 mg·kg-1。

2.2 有機物料對伴礦景天生物量和Cd含量的影響

不同有機物料對伴礦景天地上部和根部生物量（以干質量計）的影響如圖1所示。與CK相比，施用有機物料伴礦景天地上部生物量增加了1.08%～40.69%，RS3%、PM3%、OF3%處理可顯著增加伴礦景天地上部生物量（P＜0.05），表明水稻秸稈、豬糞和水溶性有機肥的添加能顯著促進伴礦景天的生長。不同有機物料處理下的伴礦景天根部生物量也有不同程度增加，RS3%處理最高可達0.37 g·pot-1，說明有機物料對伴礦景天根系生長也具有強化作用。

伴礦景天地上部和根部Cd含量因有機物料的種類和用量不同具有一定差異性（圖2）。與CK相比，PM1%和PM3%處理伴礦景天地上部Cd含量下降，但無顯著差異；其他處理伴礦景天地上部Cd含量有不同程度增加，增幅為10.02%～64.91%。就根部而言，與CK相比，RS3%、SS3%、OF1%和OF3%處理顯著提高了伴礦景天根部Cd含量（P＜0.05），而PM1%和PM3%處理根部Cd含量有所降低。總體而言，施用水溶性有機肥對伴礦景天地上部和根部Cd含量的增加效果最好。

2.3 有機物料對伴礦景天Cd積累量的影響

4種有機物料不同程度提高了伴礦景天對污染土壤Cd的積累量（表3）。不同處理下，伴礦景天地上部和根部的Cd積累量占整株積累量的百分比分別為94.62%～96.37%和3.56%～5.37%。與CK相比，不同有機物料處理增加了伴礦景天Cd總積累量，增幅為11.67%～95.57%。伴礦景天Cd積累量受有機物料種類的影響，施用水稻秸稈和水溶性有機肥伴礦景天對Cd的積累效果較好，其中RS3%和OF3%處理Cd總積累量分別可達527 μg·pot-1和 542 μg·pot-1。此外，比較同一種有機物料用量之間的效果可以發現，高用量（3%）條件下伴礦景天Cd總積累量都比低用量（1%）高，這說明伴礦景天Cd積累量還受有機物料用量的影響。

表2 有機物料對土壤理化性質的影響Table 2 Effects of organic materials on physicochemical properties of soil

圖1 有機物料對伴礦景天生物量的影響Figure 1 Effects of organic materials on biomass of S.plumbizincicola

圖2 有機物料對伴礦景天Cd含量的影響Figure 2 Effects of organic materials on Cd content of S.plumbizincicola

2.4 有機物料對土壤Cd全量和有效態Cd含量的影響

有機物料的施用對土壤DTPA-Cd含量產生了不同程度的影響（表4）。與CK相比，PM1%和PM3%處理土壤DTPA-Cd含量分別降低了6.25%和12.5%，但無顯著差異。其他處理土壤DTPA-Cd含量有不同程度增高，且含量隨施用量的增加而增高，其中OF3%處理效果最好，較CK增高了50.0%（P＜0.05）。由此可見，土壤DTPA-Cd含量的變化因有機物料種類和用量而異。

表3 有機物料對伴礦景天Cd積累量的影響（μg·pot-1）Table 3 Effects of organic materials on Cd accumulation in S.plumbizincicola（μg·pot-1）

利用伴礦景天進行植物修復過程中，施用有機物料促進了污染土壤中Cd的去除，且不同有機物料種類及用量對土壤Cd去除率表現出一定差異（表4）。由表4可知，伴礦景天修復后土壤Cd全量較修復前降低了0.21～0.38 mg·kg-1。CK處理土壤Cd去除率為27.6%，有機物料處理土壤Cd去除率可達29.8%～50.7%，其中水稻秸稈和水溶性有機肥處理土壤Cd的去除效果較好。可見，施用有機物料對伴礦景天修復酸性Cd污染農田土壤具有強化作用。

2.5 有機物料及其施用量對伴礦景天修復效應分析

如表5所示，有機物料類型對土壤pH、DTPA-Cd含量、Cd去除率和伴礦景天地上部生物量、根部Cd含量、地上部Cd含量和Cd總積累量有顯著影響；有機物料施用量對土壤pH、DTPA-Cd含量、Cd去除率和伴礦景天根部生物量、地上部生物量、地上部Cd含量和Cd總積累量有顯著影響。表明土壤Cd的活性和伴礦景天修復效率受到有機物料類型和施用量共同影響。

表4 修復后土壤Cd全量和有效態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值的顯著性Table 5 Significance of F value in two-way ANOVA analysis of variance

2.6 土壤和伴礦景天主要指標相關性分析

表6為土壤和伴礦景天主要指標相關性分析。結果表明，土壤DTPA-Cd含量與速效K呈極顯著正相關關系（P＜0.01）。伴礦景天根部Cd含量與土壤DTPA-Cd含量呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與土壤速效K呈顯著正相關關系（P＜0.05），與pH呈顯著負相關關系（P＜0.05）。伴礦景天地上部Cd含量與土壤DTPA-Cd含量和速效K呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與pH呈顯著負相關關系（P＜0.05）。

3 討論

3.1 有機物料對土壤Cd有效性的影響

土壤Cd有效性是影響伴礦景天修復效率的重要因素，有機物料可通過改變土壤Cd化學形態來影響超積累植物對土壤Cd的吸收。然而，有機物料對土壤Cd賦存形態的影響受其種類、用量、土壤類型和污染水平等多因素的影響，賈樂等[25]和王騰飛等[26]的研究發現，土壤中的秸稈和豬糞分解時，可釋放大量可溶性有機質（DOM），對土壤中Cd有較好的活化作用，從而提高土壤中有效態Cd含量；而Xu等[19]研究結果表明，水稻秸稈和小麥秸稈進入土壤可以形成穩定的絡合物，使土壤有效態Cd含量降低。本研究的結果表明，施用豬糞處理的土壤有效態Cd含量有所下降，其原因可能是豬糞施入土壤后分解產生大分子腐植酸，腐植酸與Cd2+形成穩定性較高的絡合物，進而使重金屬Cd鈍化，降低了土壤DTPA-Cd含量；而施用水稻秸稈、大豆秸稈和水溶性有機肥雖然提高了pH，但也不同程度提高了土壤DTPA-Cd含量，其中RS3%、OF1%和OF3%處理達到顯著水平（P＜0.05），原因可能是水稻秸稈、大豆秸稈和水溶性有機肥能將大量DOM帶入土壤中，而DOM可與土壤中Cd2+形成更多的可溶性絡合物（Cd-DOM絡合物），進而提高了土壤Cd的生物有效性，這與陳同斌等[27]和段明夢等[28]的研究結果一致。有研究表明，DOM還能夠為土壤微生物的生命活動提供豐富的碳氮源與多種礦質營養，調控土壤中與Cd氧化、還原等功能相關的微生物活性，進而影響土壤Cd的有效性[29-30]。Li等[31]研究還表明，伴礦景天根系分泌物對土壤重金屬也具有活化作用，可提高土壤Cd有效性。此外，伴礦景天對土壤Cd的吸收也會消耗土壤有效態Cd含量[32]。因此，在伴礦景天修復過程中，有機物料對土壤Cd有效性的影響過程比較復雜。

表6 土壤和伴礦景天主要指標的相關性系數Table 6 Correlation coefficients of the main indexes of soil and Sedum plumbizincicola

3.2 伴礦景天修復效率

生物量和Cd含量是影響伴礦景天修復效率的關鍵因素，通過強化措施提高兩者之一或者同時提高兩者都有利于伴礦景天修復效率的提高。本研究中，施用4種有機物料不同程度地增加了伴礦景天地上部和根部生物量（圖1），原因可能是有機物料的施入不同程度提高了土壤有機質和有效態N、P、K含量，促進了伴礦景天的生長，其增加效果為：水稻秸稈＞水溶性有機肥＞豬糞＞大豆秸稈。豬糞處理伴礦景天Cd含量無顯著變化；而施用水稻秸稈、大豆秸稈和水溶性有機肥促進了伴礦景天對土壤Cd的吸收，究其原因可能是增加了土壤Cd的活性。本研究相關性分析結果表明，伴礦景天地上部和根部Cd含量與土壤DTPA-Cd含量呈極顯著正相關關系（P＜0.01），也證明了這一點。此外，Zhou等[33]的研究結果也顯示，添加水稻秸稈處理下伴礦景天地上部Cd含量顯著增加，污染土壤上第一季伴礦景天Cd吸取量提高了14.3%～20.7%，原因是水稻秸稈施入土壤后提高了土壤Cd有效性，促進了伴礦景天對土壤Cd的吸收，類似地，有研究表明三葉草施入土壤后顯著提高了伴礦景天Cd含量，表明不同種類有機物料對伴礦景天Cd吸收效果的影響不同[20]。所有處理中，OF3%處理伴礦景天地上部和根部的Cd含量最高，分別較CK增加了64.91%和45.78%，究其原因主要是其對土壤Cd的活化效果最好，OF3%處理土壤DTPA-Cd含量可達0.24 mg·kg-1，顯著高于CK處理（0.16 mg·kg-1）。此外，Fan等[34]研究結果表明，使用水稻秸稈聯合伴礦景天修復后土壤Cd去除率可達31.8%；本試驗結果顯示，單純使用伴礦景天（CK）修復土壤Cd去除率為27.6%，有機物料聯合伴礦景天修復后土壤Cd去除率可達29.8%～50.7%，說明有機物料在提高伴礦景天對Cd污染酸性土壤的修復效率方面發揮了重要作用。

試驗條件下，不同有機物料處理伴礦景天對Cd污染土壤的修復效率有所不同，比較同一有機物料不同用量之間的效果差異可以發現，3%用量的效果優于1%用量，這說明有機物料對伴礦景天修復Cd污染農田土壤的效果不僅因有機物料種類而異，還與有機物料的施用量有關。陳績等[35]研究發現，施用黃腐酸鉀促進了修復0～4個月的東南景天對Cd的吸收積累，Cd積累量較CK提高了265.44%，而修復4～8個月東南景天Cd積累量較CK下降，由此可見，提高重金屬污染土壤的植物修復效果，還需要考慮修復周期的影響。總體而言，施用水稻秸稈、大豆秸稈、豬糞和水溶性有機肥對Cd污染酸性農田土壤的伴礦景天修復都具有一定促進作用，水稻秸稈和水溶性有機肥的效果較好。因此，在利用伴礦景天修復Cd污染酸性農田土壤時，可考慮水稻秸稈還田和增施水溶性有機肥進行輔助強化修復，進而達到提高伴礦景天修復效率的目的，但有機物料長期修復效果以及大田試驗效果還有待進一步研究。

4 結論

（1）試驗條件下，Cd污染酸性農田土壤中施用4種有機物料使土壤pH值、有機質、堿解N、有效P和速效K含量有不同程度增加，土壤理化性質有所改善。

（2）4種有機物料促進了伴礦景天生長，提高了伴礦景天地上部和根部生物量，OF3%處理效果最好；施用RS、SS和OF還可提高土壤DTPA-Cd含量和伴礦景天Cd含量，OF3%處理效果最好。

（3）有機物料提高了伴礦景天修復效率，其中RS3%和OF3%處理對土壤Cd的去除效果最佳，因此，在利用伴礦景天修復Cd污染酸性土壤過程中，可考慮水稻秸稈還田和合理增施水溶性有機肥來提升修復效率。