有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤生物特性和油菜生長的影響

李清飛,王世香,鄒法俊

(1.信陽師范學院 城市與環(huán)境科學學院,河南 信陽464000; 2.信陽市環(huán)境監(jiān)測站,河南 信陽464001)

有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤生物特性和油菜生長的影響

李清飛1,王世香2,鄒法俊2

(1.信陽師范學院 城市與環(huán)境科學學院,河南 信陽464000; 2.信陽市環(huán)境監(jiān)測站,河南 信陽464001)

采用盆栽試驗,研究了不同添加量(0、2.5%、5.0%、10.0%)有機肥對鎘(Cd)、鉛(Pb)重金屬污染酸性土壤生物特性和油菜生長的影響,以期為阻控Cd、Pb遷移和油菜安全生產提供技術指導。結果表明,土壤pH值、酶活性(過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶和淀粉酶活性)、微生物多樣性及油菜生物量總體上均隨有機肥添加量的增加而顯著增加,而土壤中Cd、Pb有效態(tài)含量及油菜各組織重金屬含量均隨有機肥添加量的增加而降低,10.0%有機肥處理效果最好;主成分分析結果表明,有機肥改良處理的聚類結果與油菜的生長及土壤各項指標的變化規(guī)律相吻合;在各項指標中,影響油菜生長的主要因子為Pb有效態(tài)含量,其次為Cd有效態(tài)含量，說明降低土壤中重金屬有效態(tài)含量可以有效緩解對作物的毒害。

Cd、Pb復合污染土壤; 有機肥; 土壤生物特性； 油菜

我國經濟飛速發(fā)展的同時,也給土壤環(huán)境帶來了不同程度的污染,污染嚴重影響農產品品質[1]。土壤是作物中重金屬的最主要來源,土壤中的重金屬并不能被植物完全吸收，植物只能吸收其中的一部分，即生物有效態(tài)的重金屬。因此，降低重金屬有效性,是減少作物吸收重金屬的有效措施之一[2]。目前，利用有機肥作為改良劑降低土壤重金屬有效性的研究有很多[3-5],但對土壤生物效應的研究還很缺乏,這不利于全面認識土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復問題。為此,探討了添加不同劑量有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤生物特性和油菜生長的影響,為保障農產品的安全生產和Cd、Pb復合污染土壤的治理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

Cd、Pb復合污染酸性土壤采集于某農耕廢棄地土壤。有機肥購自圣茵生物有機肥公司。Cd、Pb復合污染酸性土壤和有機肥風干后,研磨過2 mm 尼龍網篩，其理化性質見表1。

表1 Cd、Pb復合污染酸性土壤和有機肥的基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗設4個有機肥處理，分別向Cd、Pb復合污染酸性土壤中添加0(對照)、2.5%、5.0%、10.0%有機肥，每個處理重復3次。采用室內盆栽的方法,盆缽直徑9 cm、高8 cm,每盆裝土1.0 kg。所有處理土壤平衡1周后栽種油菜種子,每盆10粒種子,1個月后定苗，每盆5棵油菜苗,成熟后收獲。

1.3 測定項目及方法

油菜和土壤樣品分別采用硝酸/鹽酸(4∶1)和硝酸/高氯酸(4∶1)消解法消解,土壤pH值測定采取液土比2.5∶1進行，陽離子交換量(CEC)測定采取乙酸銨法[6];油菜Cd、Pb含量用ICP-OES(Optima 5300DV,Perkin-Elmer Instruments,USA)測定,以環(huán)境標準物質ESS-3紅壤和ESP-1西紅柿葉(中國環(huán)境監(jiān)測總站)進行質量控制;土壤Cd、Pb有效態(tài)含量采用DTPA提取法測定[7]。土壤過氧化氫酶活性采取高錳酸鉀滴定法測定，脲酶活性采取苯酚鈉比色法測定，磷酸酶活性采取苯磷酸二鈉比色法測定，多酚氧化酶活性采取鄰苯三酚比色法測定，淀粉酶活性采取碘量滴定法測定，具體步驟參照文獻[8]。土壤微生物多樣性采用Biolog-ECO技術進行分析[9]。

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析,Origin 8.5 作圖。

2 結果與分析

2.1 有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤pH值及重金屬有效態(tài)含量的影響

由表2可知,土壤pH值隨有機肥添加量增加逐漸提高,與對照相比,有機肥改良處理土壤pH值增幅為7.7%～27.3%,其中添加5.0%、10.0%有機肥處理差異顯著;土壤Cd和Pb有效態(tài)含量隨有機肥添加量增加均呈降低趨勢,與對照相比,有機肥改良處理土壤Cd和Pb有效態(tài)含量降低幅度分別為34.9%～45.0%和11.4%～23.3%,其中10.0%有機肥處理效果最好。

表2 有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤pH值及Cd、Pb有效態(tài)含量的影響

注:同列數據后不同字母表示不同處理之間顯著差異(P<0.05),下同。

2.2 有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤生物特性的影響

2.2.1 土壤酶活性 由表3可知,與對照相比,有機肥改良處理土壤過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶、淀粉酶活性均提高,且隨著有機肥添加量增加而逐漸增加，其增幅分別為59.7%～209.1%、70.5%～138.2%、17.1%～43.6%、43.7%～155.3%、16.7%～101.1%,以10.0%有機肥處理增幅最高?？梢?，施用有機肥明顯促進了土壤酶活性的提高,這主要與施用有機肥降低了土壤中Cd、Pb有效態(tài)含量有關。

表3 有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤酶活性的影響

2.2.2 土壤微生物多樣性 由表4可知,表征土壤微生物多樣性的Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數、Simpson指數均隨有機肥添加量的增加而逐漸增加,較對照增幅分別為35.6%～53.5%、27.4%～50.0%、13.6%～17.3%,其中10.0%有機肥處理增幅最大。

表4 有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤微生物多樣性的影響

2.3 有機肥對Cd、Pb復合污染酸性土壤油菜生長及重金屬含量的影響

2.3.1 生物量 由圖1可知,隨有機肥添加量增加,油菜生物量也呈增加趨勢。其中，2.5%有機肥處理油菜生物量與對照無顯著性差異,而5.0%和10.0%有機肥處理油菜生物量均顯著高于對照,增幅分別達986.2%和2 548.8%。這與農耕廢棄地土壤貧瘠(表1),添加有機肥能夠提高土壤營養(yǎng)成分,并且緩解重金屬毒害有關。

2.3.2 重金屬含量 由圖2 可知，Cd、Pb復合污染酸性土壤被有機肥改良后，油菜各組織Cd和Pb含量均較對照顯著降低,其中10.0%有機肥處理效果最好。與對照相比,改良后油菜種子中Cd含量未被監(jiān)測到,角莢中Cd含量降幅為56.7%～74.5%,根中降幅為50.4%～92.4%,莖中降幅為46.2%～80.9%；改良后油菜種子中Pb含量降幅為68.9%～92.2%,角莢中降幅為34.0%～72.1%,根中降幅為74.0%～91.5%,莖中降幅為53.3%～72.4%。

不同字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)

不同字母表示同一組織不同處理之間差異顯著(P<0.05)

2.4 影響油菜生長的各項指標主成分分析

為進一步了解生物量、各部位的重金屬含量及土壤生化指標對油菜生長的關系,利用 SPSS 軟件進行主成分分析，并計算各指標的因子荷載和得分。結果(圖3)表明，2個主成分PC1和PC2可以反映影響作物生長各指標全部信息的89.59%,其中PC1和PC2的累積貢獻率分別為82.68%和6.91%。其中,在PC1中荷載系數較大的土壤指標pH值、土壤酶活性(過氧化氫酶、淀粉酶、多酚氧化酶、脲酶、磷酸酶)及Pielou均勻度指數與油菜生物量集聚,說明這些指標與油菜生物量密切相關,添加有機肥提高了土壤各項生化指標,顯著提高作物的生物量;金屬有效態(tài)含量與油菜各組織金屬含量集聚,說明油菜組織的金屬含量與金屬有效態(tài)含量密切相關,土壤經有機肥改良后,作物組織中的重金屬含量有效降低。在PC2中，荷載系數較大的Simpson指數和Shannon-Wiener多樣性指數與生物量分離，說明這些指標僅在一定程度上對作物生物量有積極作用。在各項指標中,影響油菜生長的主要因子為Pb有效態(tài)含量,其次為Cd有效態(tài)含量,說明降低土壤中重金屬有效態(tài)含量可以有效緩解重金屬對作物的毒害。

圖3 與PC1和PC2有關的各因素荷載系數

由圖4 可知,4種有機肥處理可分為2大類:有機肥添加量為0和2.5%的處理歸為一類,其 PC1 的得分均為正值;有機肥添加量為5.0%和10.0%的處理歸為另一類,其PC1的得分均為負值。這與有機肥改良處理下油菜的生物量及土壤生化指標的變化規(guī)律相一致。

圖4 不同有機肥處理的聚類結果

3 結論與討論

在Cd、Pb復合污染酸性土壤中,Cd和Pb是抑制植物生長的主要因素之一[10],提高酸性土壤pH值能夠降低重金屬Cd和Pb活性,主要歸功于土壤CEC含量增加[11]。在本研究中,在對照土壤中油菜生長受到嚴重抑制,添加有機肥后能夠提高土壤pH值,顯著降低重金屬Cd和Pb有效態(tài)含量,從而增加油菜的生物量。提高土壤pH值可以誘導土壤表面負電荷增加,增強土壤顆粒對重金屬的吸附[12],且有機肥中的腐殖質可以對重金屬元素進行螯合而降低其毒性[13],從而使有機肥改良后土壤上油菜的生物量增加,并使各組織中Cd和Pb含量明顯降低,這與招啟柏等[14]利用改良劑固定Cd、Pb對烤煙生長影響的結果相似。主成分分析結果表明:在各項指標中,影響作物生長的主要因子為Pb有效態(tài)含量,其次為Cd有效態(tài)含量,說明降低土壤中重金屬有效態(tài)含量可以有效緩解重金屬對作物的毒害。

土壤酶是土壤中的生物催化劑,是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的重要角色,土壤酶活性的高低能夠反映土壤環(huán)境質量的好壞[15]。本研究中,5.0%和10.0%有機肥處理較對照顯著提高了過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶和淀粉酶活性,說明有機肥改善了土壤環(huán)境，這主要與降低土壤中有效態(tài)重金屬含量有關[16]。同時酶活性的高低也與土壤微生物數量有很大關系[17]。本研究結果表明，與對照相比，有機肥能夠顯著增加污染土壤中微生物Shannon-Wiener指數、Pielou均勻度指數、Simpson指數,這與杜瑞英[18]的研究結果相似,說明有機肥對污染土壤環(huán)境具有明顯改善作用。

本研究結果表明，施用有機肥處理油菜中重金屬Cd和Pb含量較對照顯著降低,10.0%有機肥處理油菜種子重金屬含量最低,其Cd和Pb含量分別為未檢出和1.71 mg/kg,但與《食品中污染物限量標準》(GB 2762—2005)中的Cd、Pb的限量值(0.1、0.2 mg/kg)相比,Cd含量達標,Pb含量超標7.55倍,說明利用這種有機肥改良Cd、Pb復合污染土壤未達到應有目的,可能需要與化學改良劑(如石灰石或石灰等)聯(lián)合使用以提高土壤修復效果。

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Effect of Organic Manure on Rape Growth and Biological Characteristics of Lead and Cadmium Contaminated Acid Soil

LI Qingfei1,WANG Shixiang2,ZOU Fajun2

(1.College of Urban and Environmental Science,Xinyang Normal University,Xinyang 464000,China; 2.Xinyang Environmental Monitoring Station,Xinyang 464001,China)

In a pot experiment,the dose-response effects of organic manure(mass fractions 0,2.5%,5.0% and 10.0%) on the growth performance of rape and biological characteristics of lead(Pb) and cadmium(Cd) contaminated soil were studied,so as to provide technical guidance for control migration of cadmium and lead and rape safety production.The soil pH value,enzyme activities(catalase,urease,phosphatase,polyphenol oxidase and amylase activities),microbial diversity and the biomass of rape were significantly enhanced with the increase of application amount of organic manure,available contents of Cd,Pb and metal content in the plant each part were decreased with the increase of application amount of organic manure.The effect of 10.0% organic manure treatment was the best.Principal component analysis(PCA) revealed that the result of clustering of organic manure treatments accorded with the law of the changes in biomass of rape and soil biological characteristics.Among the growth indices of rape and soil biological characteristics,available content of Pb was the major contributor to inhibit the plant growth,the second was available content of Cd which could effectively relieve toxicity of crops by reducing the contents of available heavy metals in soils.

lead and cadmium contaminated soil; organic manure; biological characteristics of soil; rape

2016-10-08

國家自然科學基金面上項目(41671476)；信陽師范學院青年骨干教師資助計劃項目(2013GGJS-01)

李清飛(1980-),男,河南封丘人,講師,博士,主要從事環(huán)境保護教學與研究工作。E-mail:hnliqingfei@163.com

S156;S794.4;S154;X53

A

1004-3268(2017)03-0071-05