不同物料添加對鎘污染稻田土壤的影響

李賽慧， 陳麗芬， 王會來， 褚軍杰， 霍希妮， 王海瑞， 鄒平， 馬進川*

(1.麗水市蓮都區(qū)土肥能源發(fā)展中心, 浙江 麗水 323000； 2.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院, 浙江 杭州 311300；3.河南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,河南 鄭州 450046； 4.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所, 浙江 杭州 310021)

鎘是一種具有高動植物毒性的金屬元素。鎘在人體的富集會引起嚴重的健康問題，如佝僂病、肺水腫、腎臟損傷、前列腺癌、男性生育能力降低等[1-2]。人體對鎘吸收的主要途徑是通過食用含鎘的食物，如鎘大米。水稻是我國主要的糧食作物，稻米消費量約占總谷物消費量的55%[3]。我國稻米鎘超標率高達10%，稻田鎘污染已嚴重威脅我國的糧食安全[4-6]。

有效態(tài)鎘是作物吸收的主要形態(tài)，降低稻田土壤有效態(tài)鎘含量可以最大限度地減少水稻對鎘的吸收，進而阻控鎘向食物鏈的遷移。土壤中有效態(tài)鎘含量很大程度上取決于鎘的溶解度，土壤中鎘的溶解度受多種因素的影響，如pH、土壤有機質(zhì)含量和氧化還原電位等[7-8]。為實現(xiàn)受污染耕地的“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”，目前，常用的降低土壤有效態(tài)鎘含量的措施有：土壤重金屬原位鈍化技術(shù)，如施用石灰、生物炭等，主要通過改變土壤pH和有機質(zhì)含量來降低土壤中有效態(tài)鎘的含量；水分調(diào)控，主要通過改變土壤氧化還原電位、有效硫含量、pH等，促使鎘形成CdS沉淀，降低鎘的生物有效性[9]。Fulda等[10]通過X射線吸收光譜進一步證明了還原條件下CdS的形成。上述措施在降低土壤有效態(tài)鎘含量、實現(xiàn)受污染稻田安全利用方面具有良好的效果。然而長期外源物料的輸入不僅會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，引起土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)和活性的改變，同時具有造成二次污染的風險；水分管理則易受水源條件的限制。因此，探尋一種高效、低風險、低成本的修復(fù)途徑具有重大意義。

秸稈還田是培肥地力和農(nóng)業(yè)廢棄物資源化的一項重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，秸稈還田不僅影響著土壤中有機質(zhì)含量、微環(huán)境的pH，同時對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性均有一定的影響。微生物作為土壤中最敏感的群體，其群落結(jié)構(gòu)是反映土壤健康的重要因子。潛在的毒性金屬污染物在一定程度上會影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，進而導致土壤質(zhì)量退化[11]。與脫氮有關(guān)的亞消化單胞菌科、硝化螺菌屬、不動桿菌屬、聚磷菌等微生物的相對豐度隨著鎘濃度的增加而顯著降低[12]。與此類似，Xie等[11,13]揭示了土壤微生物群落受潛在毒性金屬的影響，潛在的重金屬污染能夠降低土壤微生物多樣性。土壤重金屬污染在改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的同時也受微生物的影響。微生物在一定程度上影響土壤中重金屬元素的存在狀態(tài)。楊卓等[14]研究表明，巨大芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌的混合微生物制劑在促進植物生長的同時還可以促進土壤中鎘、鉛和鋅的活化，使其活性分別提高15.02%、7.65%和2.23%；李潔等[15]研究認為，功夫菊酯不僅能夠提高微生物群落對鎘的抗性能力，還可以提高鎘的生物可利用性，對提高鎘在植物中的累積也具有一定作用；劉紅娟等[16]從鎘污染土壤中分離出蠟狀芽孢桿菌并揭示其對鎘具有高抗性，表明其參與積累的化學官能團有羥基、羰基、酰胺基等。因此，物料還田將直接或間接地影響土壤中鎘的形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性。本研究擬采用室內(nèi)土壤培養(yǎng)方式，探討蒲公英、白花蛇舌草、水稻秸稈還田對土壤微生物、土壤pH以及土壤中有效態(tài)鎘含量的影響，以探尋一種經(jīng)濟、安全、有效的降低土壤中有效性鎘含量的方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為鎘污染水稻土，采自浙江省某地鎘污染稻田表層(0～20 cm)土壤。將所取稻田土壤樣品于室內(nèi)風干、粉碎、過10目篩(孔徑2.00 mm)。取土壤樣品，根據(jù)鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》方法對土壤理化性質(zhì)進行分析，結(jié)果鎘總量0.64 mg·kg-1，有效態(tài)鎘0.34 mg·kg-1，全氮3.15 g·kg-1，堿解氮189.28 mg·kg-1，速效磷22.58 mg·kg-1，速效鉀46.00 mg·kg-1，pH 6.06，陽離子交換量14.89 cmol·kg-1。

供試水稻秸稈來源于無鎘污染稻田收獲的水稻秸稈，試驗用白花蛇舌草和蒲公英全草均來自于市售全草。為提高物料在土壤培養(yǎng)過程中的腐解速度，保證還田物料的均勻度和代表性，將水稻秸稈、白花蛇舌草和蒲公英全草于烘箱中75 ℃烘干至恒重，粉碎后過10目篩備用。測得3種供試材料鎘含量：白花蛇舌草為1.31 mg·kg-1；蒲公英為3.12 mg·kg-1；水稻秸稈為0.04 mg·kg-1。

1.2 處理設(shè)計

試驗采用室內(nèi)培養(yǎng)方式，在浙江省農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境資源與土壤肥料研究所實驗室恒溫培養(yǎng)箱中(20 ℃)進行培養(yǎng)。設(shè)置4個處理：空白對照；添加蒲公英；添加白花蛇舌草；添加水稻秸稈。其中秸稈添加量均為培養(yǎng)土壤質(zhì)量的0.6%。將秸稈與水稻土混合均勻，置于廣口瓶中，分別加水直至土壤全部濕潤，表面形成1～2 cm水層，共計加水約1 200 mL；用塑料薄膜覆蓋瓶口，防止水分過快蒸發(fā)。每處理重復(fù)15次，隨機區(qū)組排列。所用灌溉水為自來水(pH 6.67)，未檢出鎘污染。對每個處理進行稱重編號，于8月28日開始培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中保持每個培養(yǎng)瓶恒重，及時補充蒸發(fā)水分，保持2 cm水層覆蓋。

1.3 測定方法

1.3.1 不同物料還田對土壤微生物的影響

取室內(nèi)培養(yǎng)14 d的土壤樣品，分析不同物料還田對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。微生物多樣性分析采用MicroRespTM技術(shù)和Shannon-Winner香農(nóng)多樣性指數(shù)法。MicroRespTM技術(shù)是一種基于土壤微生物的代謝功能研究土壤微生物生態(tài)的方法，其利用土壤在不同碳源誘導下的CO2產(chǎn)生情況來表征土壤生物群落水平的生理特性。MicroRespTM技術(shù)可以克服傳統(tǒng)微生物平板法只能測定可培養(yǎng)微生物、Biolog微平板法只能依賴土壤懸浮提取物和細胞后續(xù)生長情況及多重底物誘導呼吸自動化程度低等缺點，是研究原位土壤微生物群落水平生理特征的一種比較靈敏、快捷的測定方法[17]。

Shannon-Winner香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù))是指整個生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物群落所利用碳源類型的多少，即功能多樣性。生態(tài)系統(tǒng)中香農(nóng)指數(shù)數(shù)值與該生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)功能多樣性成正相關(guān)，香農(nóng)指數(shù)越大，微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性越高。Pielou物種均勻度指數(shù)(Evenness指數(shù))是指通過香農(nóng)多樣性指數(shù)計算出來的均度，包括2個因素：一是種類數(shù)目，即豐富度；另一個是種類中個體分布的均勻度。種類數(shù)目越多，多樣性就越大[18]。

1.3.2 不同物料還田對土壤pH和生物有效性鎘含量的影響

試驗期間分別在土壤淹水0、7、14、21、28和35 d時取出培養(yǎng)土壤，將土壤樣品置于室內(nèi)風干，粉碎，分別過10目篩，充分混勻，測定土壤中有效態(tài)鎘含量、pH。土壤重金屬有效態(tài)鎘采用DTPA(二乙胺三胺五乙酸)浸提后，用原子吸收光譜儀(石墨爐)法進行分析測定，土壤pH采用電位法進行分析測定。植株全量鎘采用HNO3-H2O2微波法進行樣品消解，原子吸收光譜儀(石墨爐)進行分析測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤微生物活性的影響

不同物料添加處理對土壤微生物活性的影響如圖1所示，不同處理土壤中微生物群落碳氮源利用能力表現(xiàn)為：蒲公英>白花蛇舌草≈水稻秸稈>空白對照。其中，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸稈處理土壤CO2釋放率分別為1.70、1.12和1.09 μg·g-1·h-1，與空白對照相比差異顯著，分別提高了122.6%、46.9%和43.5%。說明物料處理可以顯著提高土壤微生物的代謝能力，其中，蒲公英全草還田對土壤微生物代謝的影響最大。

柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖1 各時期不同處理土壤CO2釋放速率的變化

2.2 對土壤微生物群落多樣性的影響

不同物料添加處理對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響如表1所示。結(jié)果表明，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸稈處理在一定程度上增加了Shannon指數(shù)，分別為27.09、17.92和17.53，與空白對照相比差異均達顯著水平。不同處理土壤微生物Simpson指數(shù)、Evenness指數(shù)分別為：蒲公英0.979和0.931、白花蛇舌草0.982和0.932、水稻秸稈0.983和0.932、空白對照0.991和0.935。與空白對照相比，不同物料處理的Simpson指數(shù)和Evenness指數(shù)均有不同程度的降低，其中蒲公英處理土壤微生物Simpson指數(shù)和Evenness指數(shù)降低最多，分別為1.21%和0.43%。總體而言，物料添加處理在一定程度上提高了土壤微生物群落多樣性，卻導致均勻度略有降低。在所有物料處理中，蒲公英處理對土壤微生物群落功能多樣性的影響最大，這可能與蒲公英所含有的獨特化學成分有關(guān)。

表1 不同處理基于MicroRespTM的土壤微生物群落代謝多樣性分析

2.3 對土壤pH的影響

不同處理對土壤pH的影響如圖2所示。與空白對照相比，水稻秸稈、蒲公英和白花蛇舌草處理均顯著提高土壤pH，這可能與有機物料的添加增加了土壤對酸堿的緩沖能力有關(guān)。不同物料處理對土壤pH的影響依次為：蒲公英>白花蛇舌草>水稻秸稈。蒲公英處理對土壤pH提升最大，水稻秸稈處理對土壤pH的提升最小。在土壤培養(yǎng)過程中，不同處理土壤pH均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；其中空白對照土壤pH的增加主要與淹水條件下土壤微生物厭氧發(fā)酵有關(guān)，該結(jié)果與已有報道一致[8]。在土壤培養(yǎng)28 d時，水稻秸稈、蒲公英和白花蛇舌草處理土壤pH均達到最大值，分別為7.22、8.28和7.49，其中蒲公英處理土壤pH升高最多，比空白對照增加了22.5%。不同物料處理間土壤pH存在明顯差異，可能與不同物料中碳氮含量的差異有關(guān)。周領(lǐng)[19]認為，秸稈還田后土壤pH的升高程度與秸稈中的含氮量(或N/C比)呈正相關(guān)。

相同培養(yǎng)時間柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2 各時期不同處理土壤pH的變化

2.4 對土壤有效態(tài)鎘含量的影響

不同處理對土壤有效態(tài)鎘含量的影響見圖3。結(jié)果表明，經(jīng)過35 d的培養(yǎng)，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸稈處理土壤中有效態(tài)鎘含量分別為0.19、0.29和0.26 mg·kg-1，與空白對照相比，蒲公英和水稻秸稈處理分別使土壤有效態(tài)鎘含量降低29.6%和3.7%，而白花蛇舌草處理則導致土壤有效態(tài)鎘含量增加7.4%。與其他處理相比，蒲公英處理可以明顯降低土壤中有效態(tài)鎘含量，這可能與蒲公英處理能夠顯著改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、提高土壤微生物活性和土壤pH緊密相關(guān)。土壤pH能夠在一定程度上影響土壤有效態(tài)鎘含量，土壤pH升高，會使H+的競爭能力變?nèi)?，土壤膠體電荷增加，從而使重金屬更牢固地與膠體結(jié)合，形成難溶性的氫氧化物、磷酸鹽、碳酸鹽等，大大降低鎘的生物有效性，減少植物對鎘的吸收和積累[20]。蒲公英和白花蛇舌草處理土壤有效態(tài)鎘含量呈現(xiàn)先急劇增加、再降低的趨勢，則可能與秸稈腐解過程中植株所含鎘的活化有關(guān)；與空白對照相比，水稻秸稈處理土壤中有效態(tài)鎘含量呈現(xiàn)降低、增加、再降低的趨勢。

圖3 各時期不同處理土壤有效態(tài)鎘含量的變化

3 小結(jié)與討論

土壤重金屬鎘污染嚴重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，降低土壤中有效態(tài)鎘含量是實現(xiàn)受污染耕地安全利用、保障食品安全的重要途徑。土壤中有效態(tài)鎘含量很大程度上取決于鎘的溶解度，而鎘的溶解度決定了鎘的積累、毒性、環(huán)境中以及生物內(nèi)部和生物之間的遷移。作物秸稈還田作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，不僅可以提高土壤肥力、改善土壤理化性質(zhì)、改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性，同時也影響著土壤中有效態(tài)鎘的含量。Zhu等[21]研究表明，作物秸稈及其降解產(chǎn)物(糖類、醇類、低分子量有機酸、酚醛)可適當改變土壤的酸堿性和有機質(zhì)含量，進而影響鎘的生物有效性。因此，明確不同物料還田對土壤作物有效態(tài)鎘含量的影響具有重要意義。本研究結(jié)果表明，物料還田對土壤有效態(tài)鎘含量的影響呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，物料還田可以在一定程度上降低土壤中有效態(tài)鎘含量。施用秸稈等有機物可以原位鈍化土壤中有效態(tài)鎘，主要與秸稈還田后在土壤中的轉(zhuǎn)化過程有關(guān)，腐殖化過程會增加對土壤重金屬的吸附，降低重金屬的有效性，該結(jié)果與已有研究結(jié)果一致[22-23]。物料還田前期增加土壤中有效態(tài)鎘含量可能由以下原因引起：對于無污染的物料而言，是由物料分解時釋放的有機酸和水溶性有機碳對土壤中鎘的活化作用所致；對于鎘污染物料而言，一方面受物料分解時釋放的有機酸和水溶性有機碳活化土壤中鎘的影響，另一方面，還田物料礦化過程中物料分解后其所含的鎘也會釋放到土壤中，進而導致土壤有效態(tài)鎘含量的增加。鑒于水稻秸稈和白花蛇舌草處理在降低土壤有效態(tài)鎘含量方面的作用效果較低，考慮到鎘污染耕地生產(chǎn)的水稻秸稈和白花蛇舌草還田腐解過程中具有增加土壤有效態(tài)鎘含量的風險，因此，對于該類作物秸稈應(yīng)進行移除并無害化處理。

中草藥在調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性、提升土壤質(zhì)量方面已有較廣泛的應(yīng)用。王振學等[24]利用中藥柏樹殼、青蒿、澤漆和蒲公英發(fā)明了一種中藥型土壤微生物重茬劑，施入土壤后在殺滅致病菌的同時對土壤中有益菌具有保護和增效作用，且不會破壞土壤結(jié)構(gòu)。白明生等[25]在鹽堿地施用中藥廢渣后能顯著降低土壤全鹽含量及pH、全面提高土壤養(yǎng)分含量、增加土壤微生物數(shù)量和酶活性。在本研究中，添加蒲公英顯著影響和改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性、土壤pH，降低了土壤有效態(tài)鎘含量。蒲公英添加降低土壤有效態(tài)鎘含量可能與蒲公英獨特的化學成分，以及其對土壤微生物、土壤pH等影響的綜合因素有關(guān)。土壤有效態(tài)鎘含量與土壤pH呈緊密的負相關(guān)關(guān)系，而土壤微生物對鎘溶解性的影響對調(diào)節(jié)鎘毒性至關(guān)重要[26]。相關(guān)研究結(jié)果從一定層面上揭示蒲公英還田降低土壤有效態(tài)鎘含量的作用途徑，但蒲公英還田降低有效態(tài)鎘含量的具體機制仍有待進一步明確?；谄压⑻砑犹幚韺ν寥烙行B(tài)鎘含量降低的良好效果，可以利用南方稻田冬季閑田制度，適時播種蒲公英并進行全草還田，開展蒲公英還田對土壤有效態(tài)鎘含量的相關(guān)研究。本研究為鎘污染稻田安全利用提供了一種新的可能途徑。