土壤藻結皮對高鎘農田表層土壤的改良作用研究

李鎏爽,謝作明,2*,裴福文,毛 青

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430078;2.中國地質大學(武漢)生物地質與環境地質國家重點實驗室,湖北 武漢 430078)

鎘(Cd)是我國農業土壤中最常見的金屬污染物[1]。農業土壤中的鎘主要來自大氣沉降和農業活動的施肥、添加污泥及污水灌溉[2-4]。鎘被作物吸收進入食物鏈并在人體內富集[5-6]，導致人類罹患骨骼和腎臟疾病[7]。近年來，人們采用多種物理、化學和生物方法修復鎘污染土壤[8]，其中生物修復被認為是一種成本低、效益高、環境友好的治理途徑[9]。

土壤藻結皮(Soil Algal Crust，SAC)是土壤藻入侵土壤表面并經過一段時間生長發育后形成的一種生物土壤結皮[10]。生物土壤結皮由藻類、真菌、細菌和苔蘚等生物與土壤顆粒膠結在一起而形成[11]。生物土壤結皮覆蓋約12%的陸地面積[12]，在地表穩定[13]、地表徑流的水分再分配[14]、水分蒸發[15]、碳氮固定[16]以及維管植物萌發和生長中發揮著重要的作用[17]。因此，生物土壤結皮被認為是生態系統工程師[18]。近年來，大量新的研究表明生物土壤結皮不僅是一種有效的鹽堿地土壤修復方法[19]，還可以通過胞外聚合物(EPS)結合、細胞表面吸收、細胞內吸收和生物礦化[20]作用來有效修復稻田系統中的鎘污染[21-23]，并通過重建受損土壤微生態、擴大不同微生物群落的發展、增強固氮酶活性，從而提高土壤的修復效率[24-25]。

本研究通過向高鎘農田土壤表面接種土壤藍藻，培植土壤藻結皮的盆栽實驗，探究土壤藻結皮對高鎘農田表層土壤的理化性質和鎘污染修復的作用。該研究結果可為深入認識高鎘農田土壤藻結皮的生態功能提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 土壤藍藻的篩選與培養

從湖北省大冶市松山村(30°10′41″N，114°52′33″E)采集自然土壤藻結皮樣品，快速運回實驗室備用。選取5 g新鮮土壤藻結皮置于500 mL的無菌三角錐形瓶中，并加入450 mL已滅菌的BG11培養基，實驗室內光照、通氣培養3 d，取藻懸液涂布在BG11固體培養基上，置于光照培養箱中培養，溫度為25℃，光照強度為100 μmol/(m2·s)，光、暗周期為14 h∶10 h。當固體培養基表面出現單藻落時，挑取單藻落接種到BG11液體培養基中，按照上述方式繼續純化培養2次。顯微鏡鏡檢顯示為一株絲狀土壤藻，用于后續實驗。經北京六合華大基因科技有限公司鑒定該藻為與Leptolyngbyasp.UIC 10068親緣關系最近的細鞘絲藻。

1.2 土壤藻結皮盆栽實驗

土壤樣品采自湖北省大冶市松山村(30°10′41″N，114°52′33″E)農田表層0～20 cm土壤，土壤樣品的理化性質見表1。根據《土壤污染風險管控標準 農用地土壤污染風險篩選值和管制值》(GB 15618—2018)，該土壤中Cd含量為2.53 mg/kg，已高于農用地土壤污染風險管制值2.0 mg/kg(5.5

表1 土壤樣品的理化性質

將篩選的細鞘絲藻接種到BG11液體培養基中，按照上述條件培養至對數生長期，過濾后用去離子水清洗3次，重新懸浮于去離子水中，備用。將5 mL葉綠素含量為5.03 μg/mL的細鞘絲藻懸浮液均勻接種到培養皿中的土壤表面作為處理組；對照組土壤表面均勻添加等量去離子水。所有培養皿在25 ℃、100 μmol/(m2·s)光照強度和光暗周期 14 h∶10 h下連續培養，試驗過程中通過恒重法保持土壤含水率為22.2%。處理組和對照組分別設4個平行對照，每隔20 d按照土壤表層以下0～0.5 cm、0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分層取樣，每次土樣取整體1/4，并用回填土保持完整性，使用薄膜將回填土和實驗土隔開。

1.3 土壤理化性質測定方法

土壤分層樣品經自然風干，研磨后過10目和100目篩，分析土壤的物理化學性質。土壤藻結皮層中葉綠素a含量采用乙醇提取-紫外分光光度法測定[26]；土壤的pH值采用電位法測定，提取劑為0.01 mol/L CaCl2溶液(土水比為1∶2.5)；土壤的含水率采用重量法測定；土壤中Cd含量經HNO3-HCl-HF體系微波消解，采用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定；土壤中陽離子交換量(CEC)采用三氯化六氨合鈷浸提-紫外分光光度法測定；土壤中有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤中堿解氮含量采用堿解擴散法測定。

2 結果與討論

2.1 土壤藻結皮層生物量

土壤藻結皮層生物量用葉綠素a含量表示。土壤表面接種細鞘絲藻后，0～0.5 cm土壤藻結皮層生物量隨時間的變化曲線，見圖1。

圖1 0～0.5 cm土壤藻結皮層生物量隨時間的變化曲線

由圖1可知:在前20 d內0～0.5 cm土壤藻結皮層生物量緩慢增加；隨著土壤藻結皮的發育，其生物量快速增加，在第20～40 d內，土壤藻結皮層生物量由0.10 mg/g DWSAC(干重藻結皮)增加至0.73 mg/g DWSAC；隨后，土壤藻結皮層生物量繼續增加，并在第80 d達到最大值(0.95 mg/g DWSAC)。可見，土壤藻結皮可以在高鎘農田中正常生長。

2.2 土壤藻結皮對土壤中有機質含量的影響

土壤樣品中有機質初始含量為22.6 g/kg(見表1)，土壤表面接種細鞘絲藻后，各分層土壤中有機質含量隨時間和土壤埋深的變化趨勢，見圖2。

圖2 土壤中有機質含量隨時間和土壤埋深的變化趨勢圖

由圖2可知，土壤表面接種細鞘絲藻后，各分層土壤中有機質含量均呈現隨時間逐步增長的趨勢。其中，最表層0～0.5 cm土壤中有機質含量增長最快，80 d后土壤中有機質含量達到36.5 g/kg，增加了61.5%;0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分層土壤中有機質含量最高值分別為29.6 g/kg、25.2 g/kg、24.7 g/kg和23.2 g/kg,表明土壤藻結皮以下土壤中有機質含量隨土壤埋深的增加而越少。

土壤藻結皮具有“生物肥料”功能，可為土壤補充營養物質[27]。一方面，土壤藻結皮中葉綠素a含量隨藻結皮的發育呈現增加的趨勢，光合作用和固氮作用使土壤中有機質逐漸增多[28];另一方面，土壤藻結皮分泌物和殘體等被微生物不斷分解形成腐殖質，有效地促進了土壤中有機質和土壤養分的積累[29]。此外,土壤藻結皮層生物量的增加和水熱因子的變化促進了土壤微生物生物量和多樣性的增加[30-31]，進一步促進了土壤中碳、氮、磷和硫等養分的積累[32]。

2.3 土壤藻結皮對土壤pH值的影響

土壤表面接種細鞘絲藻后，各分層土壤pH值隨時間和土壤埋深的變化趨勢，見圖3。

圖3 土壤pH值隨時間和土壤埋深的變化趨勢圖

由圖3可知，土壤藻結皮各分層土壤的pH值均隨著土壤藻結皮的發育而升高。其中，0～0.5 cm分層土壤的pH值增長最快，最高達7.02，0.5～1.5 cm、1.5～3 cm和3～5 cm分層土壤的pH值升高到6.56、6.38、6.29，5～7 cm分層土壤的pH值幾乎沒有變化，表明土壤pH值隨著土壤埋深的增加，呈現pH值升高逐漸減緩的趨勢。這可能是因為土壤藻的光合作用消耗了大量的CO2[33]，經過微生物分解后的有機酸如醋酸、琥珀酸和檸檬酸等也可以作為土壤藻的碳源，合成有機物，從而導致土壤的pH值上升。因此，生物藻結皮能有效改善高鎘農田土壤的酸性問題。

2.4 土壤藻結皮對土壤中堿解氮含量的影響

土壤樣品中堿解氮含量初始值為126 mg/kg(見表1)。土壤表面接種細鞘絲藻后，各分層土壤中堿解氮含量隨時間和土壤埋深的變化趨勢，見圖4。

圖4 土壤中堿解氮含量隨時間和土壤埋深的變化趨勢圖

由圖4可知，各分層土壤中堿解氮含量均呈現隨時間逐步增長的趨勢。其中，最表層0～0.5 cm土壤中堿解氮含量增長最快，80 d后土壤中堿解氮合量達到214 mg/kg；0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分層土壤中堿解氮含量最高分別為187 mg/kg、151 mg/kg、136 mg /kg和128 mg/kg，表明土壤中堿解氮含量隨土壤埋深的增加而減少。

生物固氮是生物土壤藻結皮的主要生態作用之一，很多關于旱地生態系統的研究發現：土壤藻結皮層高生物量有利于土壤中氮素的積累[34]；較高的土壤藻結皮層生物量也可以促進光合作用過程的碳滲出，提高土壤中氮的礦化率[35]。除此之外，生物土壤藻結皮的培植和發育有利于捕獲可能富含養分的灰塵沉積物[36]，這也有助于土壤中氮的積累。

2.5 土壤藻結皮對土壤中鎘吸附量的影響

土壤藻結皮對土壤中鎘的吸附量隨時間的變化曲線，見圖5。

圖5 土壤藻結皮對土壤中鎘的吸附量隨時間的變化曲線

由圖5可知：隨著土壤藻結皮的發育，其對0～0.5 cm和0.5～1.5 cm分層土壤中鎘的吸附量在20 d后開始逐漸增加，并在第80 d時達到最高，分別為0.55 mg/kg和0.35 mg/kg；土壤藻結皮培植80 d后，其對1.5～3 cm分層土壤中鎘的吸附量僅增加0.06 mg/kg，而其對3～5 cm和5～7 cm分層土壤中鎘的吸附量幾乎沒有變化。

土壤藻結皮對土壤中鎘的強富集作用機理包括黏土物理化學吸附、微生物吸附與吸收和生物成礦作用，其中生物富集轉化作用又包含對鎘的吸收再分配。被富集的鎘主要分布在生物結皮的三個組分[20]：胞外聚合物(EPS)組分、生物吸附組分和非乙二胺四乙酸(EDTA)可提取組分。土壤藻結皮發育過程中的光暗周期設置為14 h∶10 h，有助于土壤藻向更深層土壤中遷移，以吸附土壤中的金屬鎘。由于原土壤偏酸性，質子和金屬自由離子與土壤顆粒表面結合，形成競爭[37]。而隨著土壤pH值的升高，羥基離子增加，從而導致土壤負電荷表面積增加，因而增強了對金屬離子的吸附[38]。這是由于土壤藻結皮為生物和土壤礦質的復合體，隨著其生物量的增大，生物組分的有機官能團中締合態和游離態的羥基增多，而游離態的羥基對鎘具有強的吸附能力[39]；其次，土壤中有機碳含量的增加既能促進微生物生長，也能減輕鎘對土壤微生物的危害。土壤藻結皮僅培植80 d后，其對土壤中鎘的吸附量已有明顯增加；當藻結皮繼續發育且其生物量再次升高時，其對高鎘農田土壤中鎘的吸附量將會進一步增加。因此，土壤藻結皮可以有效穩定農田土壤中鎘的含量，減少鎘進入食物鏈，提高農業食品的安全性，對保證農業的可持續發展具有重要的意義[40]。

3 結 論

本研究利用高鎘農田土壤中篩選的土著藍藻培植的土壤藻結皮，可以有效吸附土壤中的鎘，從而穩定農田表層土壤中鎘的含量；同時能夠改良酸性土壤，通過增加土壤中有機質含量和堿解氮含量來提高土壤肥力，改善農田土壤環境。可見，利用土壤藻培植土壤藻結皮修復鎘污染土壤是一種環境友好型的重金屬修復方法，該研究結果可為鎘污染農田土壤的生物修復提供重要的理論依據。