外源鉛在土壤中的年際變化及對(duì)土壤有機(jī)碳礦化和速效養(yǎng)分的影響

刁 展，呂家瓏，安鳳秋

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

外源鉛在土壤中的年際變化及對(duì)土壤有機(jī)碳礦化和速效養(yǎng)分的影響

刁 展，呂家瓏，安鳳秋

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

外源鉛；有機(jī)碳；微生物量碳；速效養(yǎng)分

1 材料與方法

1.1 供試土壤

1.2 研究方案

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：(1) 對(duì)照CK(Pb0：背景值);(2) 0.5倍國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Pb1：175 mg·kg-1+背景值);(3) 1.0倍國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Pb2：350 mg·kg-1+背景值)。重金屬Pb以Pb(NO3)2溶液形式于播種前2個(gè)半月添加進(jìn)土壤耕層，通過(guò)人工耕翻使0～20 cm表層土壤混合均勻；每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)2 m，寬1 m，小區(qū)進(jìn)行隔板埋設(shè)，防止小區(qū)之間相互污染。水泥隔板的厚度未單獨(dú)列出，均計(jì)入小區(qū)間的壟溝里。保持土壤含水量為田間持水量的80%。老化3個(gè)月，自2010年秋開(kāi)始實(shí)施小麥—玉米輪作試驗(yàn)。小麥、玉米品種分別為小偃22和陜單16。試驗(yàn)前土壤中施加了氮磷鉀底肥，底肥施入量為：N：尿素0.15 g·kg-1土；P：Ca(H2PO4)20.05 g·kg-1土，K：K2SO40.10 g·kg-1土。

1.3 土壤取樣及分析測(cè)定

土壤樣品的采集分別于2011、2012年和2013年小麥?zhǔn)斋@季(6月份)，取各小區(qū)耕層(0～20 cm)混合土壤樣品，樣品經(jīng)風(fēng)干，除去樣品中石塊和根系殘?jiān)犬愇锖螅謩e過(guò)1、0.25 、0.149 mm篩備用。

土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定：陽(yáng)離子交換量(CEC)的測(cè)定選擇醋酸銨法；土壤有機(jī)碳(SOC)的測(cè)定選用高錳酸鉀外加熱法；速效鉀的測(cè)定用火焰光度法；速效磷的測(cè)定采用0.5 mol·L-1的NaHCO3溶液浸提，用鉬銻抗比色法測(cè)定；堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；測(cè)定pH值的水土比為1∶2.5，土樣與去離子水充分混勻，靜置30 min 后測(cè)定。

土壤重金屬含量測(cè)定：鉛全量測(cè)定采用HNO3-HCl-HClO4消解火焰原子吸收光譜法。有效態(tài)鉛的測(cè)定采用0.05M EDTA浸提，火焰原子吸收光譜儀法測(cè)定。

微生物生物量碳(MBC, Cmic)的測(cè)定：氯仿熏蒸浸提法浸提。其中浸提液中的溶解性有機(jī)碳(DOC)采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定，由熏蒸與未熏蒸土樣的DOC差值計(jì)算得到微生物量碳(MBC)，用Cmic=Fc/0.45計(jì)算。其中，Cmic為微生物生物量碳，F(xiàn)c為熏蒸土壤和未熏蒸土壤總有機(jī)碳之差。微生物商(Cmic/Corg，qM)用qM=Cmic/TOC計(jì)算，式中，TOC為土壤總有機(jī)碳，用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2013處理，利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析(One-Way ANOVA)，并進(jìn)行LSD檢驗(yàn)(lowest standard deviation test)。各個(gè)指標(biāo)之間采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間耕作條件下外源鉛的年際變化

注：同一處理數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。
Note: within the same treatment, different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05), the same below.

圖1 土壤鉛含量年際變化

Fig.1 Annual variability of soil lead

同期小麥籽粒中鉛含量的測(cè)定顯示，每季小麥籽粒中鉛的含量大致相同，Pb1、Pb2處理下小麥籽粒鉛含量均值分別為0.146 mg·kg-1和0.467 mg·kg-1，富集系數(shù)(BCF)分別為0.026和0.015；同一年份中，隨著土壤中鉛濃度的增加，小麥籽粒中鉛含量均升高，在Pb2處理下小麥籽粒Pb含量超過(guò)食品安全標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg·kg-1)。該實(shí)驗(yàn)中土壤鉛含量的下降可能由植物吸收導(dǎo)致。土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)和可溶鉛鹽在土壤水中的飽和度影響著土壤中有效鉛的含量，鉛為二價(jià)陽(yáng)離子，水合離子半徑較小，交換能力較強(qiáng)，可以被土壤膠體大量吸附，同時(shí)鉛的某些化合物能以較高濃度存在于土壤水中。因此，可交換態(tài)鉛的含量可在一定范圍內(nèi)不斷增加[9]。土壤中有效鉛含量隨外源鉛濃度增大而增高，正是說(shuō)明了這一點(diǎn)。同時(shí)，有效鉛的年際變化表明，外源鉛在第一年中轉(zhuǎn)化較為明顯，可見(jiàn)其固定主要發(fā)生在外源鉛加入土壤初期的快速反應(yīng)，這與徐明崗[10]研究結(jié)果相一致。

通過(guò)對(duì)2013年供試土壤有機(jī)碳(SOC)、土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、微生物商(qM)的分析表明，不同污染水平的外源鉛處理對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量產(chǎn)生著顯著影響。

由表1可知，土壤的有機(jī)碳含量發(fā)生了較大變化，其含量為7.24～8.67 g·kg-1，變異系數(shù)為7.83%。與對(duì)照相比，Pb1、Pb2處理下土壤有機(jī)碳平均含量分別下降了16.30%和11.86%，達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但兩處理間差異不顯著。Pb1、Pb2處理下DOC平均含量分別下降了4.05%和7.34%，各處理間差異顯著，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這表明，當(dāng)土壤遭受鉛污染后，會(huì)造成土壤有機(jī)碳和溶解性有機(jī)碳含量的下降，但影響程度因污染物濃度不同而不同。

試驗(yàn)所測(cè)得的土壤微生物量碳(MBC)含量及占土壤總碳的百分比存在較大差異。試驗(yàn)土樣中土壤微生物量碳含量范圍168.55～284.32 mg·kg-1，平均為216.35 mg·kg-1，變異系數(shù)為15.68%。與對(duì)照相比，土壤微生物量碳含量雖在一定程度上有所上升，但差異不顯著(見(jiàn)表1)。

表1 外源鉛對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響/(g·kg-1)

由表1可見(jiàn)，與對(duì)照相比，外源鉛污染導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳和溶解性有機(jī)碳含量的下降，這與其他的研究結(jié)果相似[11]。這說(shuō)明鉛污染加快了土壤碳庫(kù)的分解，從而可能對(duì)土壤長(zhǎng)期的固碳潛力產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致土壤供給作物養(yǎng)分能力的下降，威脅農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。

由于濕度、溫度等環(huán)境因子以及管理措施等均會(huì)對(duì)土壤微生物量碳產(chǎn)生影響，低濃度外源鉛的加入對(duì)微生物量碳影響不顯著。有研究表明，由于重金屬污染改變了土壤有機(jī)碳的有效性，土壤微生物受重金屬脅迫，進(jìn)而影響細(xì)胞的代謝及功能，會(huì)導(dǎo)致微生物種群發(fā)生改變[12]，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。曾路生[13]、謝正苗[14]等研究結(jié)果顯示，水稻土壤中微生物量碳隨鉛處理水平的增大而增加，多數(shù)指標(biāo)在300～500 mg·kg-1鉛處理時(shí)出現(xiàn)峰值。然后隨鉛水平的增加而降低，它們的轉(zhuǎn)折點(diǎn)受土壤性質(zhì)影響。

微生物商(qM)即微生物生物量碳和土壤總碳的比值，能夠較好地反映重金屬污染對(duì)微生物的脅迫程度。不同鉛污染水平下微生物商達(dá)到重度變異，變異系數(shù)為19.80%。其在無(wú)污染土壤中數(shù)值低于污染土壤，與土壤微生物量碳的變化趨勢(shì)一致。相關(guān)分析顯示微生物商與土壤微生物量碳之間相關(guān)性極強(qiáng)(0.915**)。Pb1處理下土壤微生物商與對(duì)照間差異顯著，比微生物量碳敏感性更強(qiáng)，可以作為指示鉛污染的可靠生物學(xué)指標(biāo)[15]。

圖2 外源鉛對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

Fig.2 Effects of exogenous lead on soil available nutrients

2.3.3 外源鉛對(duì)土壤中速效鉀的影響 由圖2c可見(jiàn)，外源鉛的加入，導(dǎo)致土壤中速效鉀含量升高，且速效鉀含量均呈現(xiàn)隨著鉛離子濃度的增大而增加的趨勢(shì)。以2011年P(guān)b2處理與對(duì)照相比，土壤速效鉀含量增加了12.56 mg·kg-1，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。土壤中鉀離子在沒(méi)有持續(xù)施肥的情況下，其來(lái)源可能是在鉛離子的作用下，土壤膠體上吸附的鉀離子被置換進(jìn)入土壤溶液，從而提高了土壤速效鉀含量，該結(jié)果與朱紅[9]等研究相一致。熊明彪[18]研究認(rèn)為，重金屬提高了土壤交換位點(diǎn)對(duì)K+的選擇性，從而減少陽(yáng)離子交換位點(diǎn)對(duì)K+的吸附。也可發(fā)現(xiàn)，第一年中土壤速效鉀含量普遍較高，而后兩年土壤中速效鉀平均含量較低，這可能是由于試驗(yàn)前施加鉀肥的緣故，同時(shí)也有研究表明，鉀元素在黃土區(qū)也存在流失現(xiàn)象，流失量與降雨量有著重要的聯(lián)系[19-20]，試驗(yàn)地位于半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，鉀元素也極易受雨水條件影響。

2.4 土壤鉛污染與土壤因子間的相關(guān)性

從表2可以看出，土壤鉛污染與多種土壤生物化學(xué)指標(biāo)有密切關(guān)系。隨著外源鉛污染濃度的上升以及重金屬在大田環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化，土壤微生物量碳和微生物商等呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，與土壤總鉛、有效態(tài)鉛均呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)。因此，微生物量碳和微生物商可以作為鉛污染的可靠生物學(xué)指標(biāo)。

表2 外源鉛與土壤因子之間的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在0.05水平下顯著相關(guān)；**表示在0.01水平下顯著相關(guān)。

Note: *, ** are significantly correlated at 0.05 and 0.01 level, respectively.

土壤有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳、堿解氮、速效磷和速效鉀等經(jīng)常被用作指示土壤肥力和土壤健康狀況，其含量與土壤中鉛含量相關(guān)分析表明，隨著外源鉛的加入，土壤有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳、堿解氮和速效磷與土壤鉛含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明重金屬鉛的加入，對(duì)土壤碳、氮循環(huán)造成了一定程度的影響，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和分解；速效鉀含量同土壤鉛含量呈顯著正相關(guān)，可知鉛和土壤膠體或土壤礦物晶格中K+發(fā)生代換，這種交換作用使土壤膠體對(duì)K+的吸附功效受到影響，失去了其對(duì)植物肥效的緩效功能。Dumat等[21]認(rèn)為，重金屬污染會(huì)影響土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)，從而影響土壤有機(jī)碳在不同組分中的分配。當(dāng)土壤受到輕污染干擾時(shí)，土壤中有機(jī)碳將向活性較高的組分轉(zhuǎn)化，從而變得較易為微生物所利用和分解。

3 結(jié) 論

外源鉛的加入對(duì)土壤碳、氮循環(huán)產(chǎn)生了一定的影響，加入初期土壤中堿解氮含量下降明顯；可溶態(tài)鉛與土壤溶液中的磷酸根生成難溶性鹽，使土壤速效磷含量減少，不利于植物的利用；鉛離子與土壤膠體或土壤礦物晶格中的K+發(fā)生置換，使土壤中速效鉀含量升高，加大了其流失的傾向性。

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Annual variability of exogenous lead in the soil and its effect on soil organic carbon mineralization and available nutrients

DIAO Zhan, LU Jia-long, AN Feng-qiu

(CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity;MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofPlantNutritionandAgri-environmentinNorthwestChina,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to evaluate the response of loess soil to medium-low concentration lead and provide reasonable basis for early warning and controlling of lead pollution, we studied the annual changes of exogenous lead under field condition and the effect of lead pollution on soil organic carbon mineralization and soil available nutrients. Exogenous lead was added into the top layer of the loess soil, the wheat-corn rotation test began in the autumn of 2010. In the wheat season of 2011—2013, the top layer soil (0～20 cm) was collected for analysis of total lead, available lead, soil organic carbon (SOC), dissolubility organic carbon (DOC), microbial biomass carbon (MBC), available N、P and K. The results showed that the total lead and available lead was decreased by 13.22% and 30.65%, respectively in three years, and it had a tendency to decrease by years Compared with the control (CK), Pb pollution was decreased SOC by 16.30% and 11.86% and DOC by 4.05% and 7.34%, in Pb1 and Pb2 levels, respectively, and showed significant negative correlation with soil lead levels. The content of soil microbial quotient (qM) were increased, and there was no significant differences in soil microbial biomass carbon. In addition, the soil available nitrogen content showed a dramatic decline after the exogenous lead addition, with the largest reduction for Pb1. The content of soil available phosphorus was decreased with the increase of soil lead, while the soil available potassium was increased. The study showed that the accumulation and stability of soil organic carbon pool was affected by heavy metal contamination, thus affecting the soil carbon and nitrogen cycling. Lead ions would react with phosphate ions to form indissoluble salts, and the K+in soil colloids and mineral lattice can be replaced by lead ions, which could pose risk of loss of available nutrients.

exogenous lead; soil organic carbon; microbial biomass carbon; soil available nutrients

1000-7601(2017)04-0010-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.02

2016-04-20

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)“主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染閾值研究與防控技術(shù)集成示范”(200903015)

刁 展(1991—)，男，河南蘭考人，碩士研究生，主要從事土壤重金屬污染及修復(fù)研究。 E-mail：diao.hao.zhan@163.com。

呂家瓏(1962—)，男，甘肅山丹人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤環(huán)境化學(xué)研究。 E-mail：ljlll@nwsuaf.edu.cn。

S153; S154.34

A