沼肥/鈣鎂磷肥對土壤-菠菜中重金屬Cd的影響

李 軼，張軒軒，郭敬陽，崔鐵浩，榮方舟，谷士艷

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,沈陽 110161）

目前，我國土壤重金屬污染狀況日益加劇[1]，不僅造成土壤肥力退化、作物減產(chǎn)、品質(zhì)下降[2]，甚至?xí)S著食物不斷積累最終對人類造成不可逆?zhèn)3]。其中，重金屬Cd 的污染問題尤為嚴(yán)重[4]，聯(lián)合國將其列為全球性危險化學(xué)物質(zhì)首位[5]。當(dāng)植物中重金屬含量過高，將影響植物生長，甚至死亡[6-8]。如人類攝入過量的重金屬Cd會影響人體的生殖器官、生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)，還會造成“疼痛病”等疾病[9-10]。因此對重金屬Cd 污染的土地進行修復(fù)治理迫在眉睫。

沼肥由沼渣和沼液兩部分組成。沼肥中含有大量的N、P、K 等微量元素和多種氨基酸、維生素、水解酶類[11]，不僅可以對作物的生長發(fā)育起到促進作用[12]，還可以改善土壤的理化性質(zhì)[13]。另外，添加改良材料可降低土壤重金屬活性[14]，抑制作物對土壤重金屬的吸收，是重金屬污染土壤修復(fù)和持續(xù)利用的重要途徑之一[15]。鈣鎂磷肥作為常用的無機鈍化材料被廣泛用于重金屬污染修復(fù)[16]。黃繼川等[17]通過大田灌施沼液試驗，發(fā)現(xiàn)灌施沼液后稻田土壤重金屬Cd 含量仍符合國家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，無重金屬污染風(fēng)險（GB15618-1995）[18]；金柯達等[19]通過在大棚里連續(xù)進行3季種植蔬菜試驗，發(fā)現(xiàn)施加沼肥對土壤重金屬Cd含量的變化沒有顯著影響；LIU等[20]的小麥田間試驗研究表明，施用沼液能使土壤中可交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的形態(tài)，從而降低土壤Cd的有效性；李曄等[21]研究發(fā)現(xiàn)，鈣鎂磷肥通過自身豐富的磷酸根與Cd反應(yīng)生成難溶性的磷酸鹽沉淀，以此來降低重金屬Cd 活性和生物毒性；宋肖琴等[22]研究發(fā)現(xiàn)，鈣鎂磷肥等不同鈍化劑能顯著降低土壤有效態(tài)Cd 的含量；敖明等[23]通過向Cd污染土壤中添加不同比例的鈣鎂磷肥，有效態(tài)Cd的鈍化效果隨鈣鎂磷肥的增加而增加。

到目前為止，研究多集中在單獨施用沼肥和鈣鎂磷肥對土壤和作物重金屬的影響，但對沼肥和鈣鎂磷肥的耦合對土壤重金屬的影響及對土壤重金屬鈍化機理鮮有研究。因此，本試驗通過施用沼肥及鈣鎂磷肥，研究沼肥及沼肥＋鈣鎂磷肥對土壤重金屬Cd及菠菜中重金屬含量的影響，并通過腐殖質(zhì)與重金屬的結(jié)合機制及傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)檢測技術(shù)，探索鈍化重金屬的機制，旨在為沼肥利用及土壤重金屬污染治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)及理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗中所種植的作物選用菠菜；試驗所用土壤，取自遼寧省沈陽細(xì)河附近小于村土壤，為棕壤土，多年采用污水灌溉種植作物；污水來自沈陽細(xì)河里的水，與本研究相符合；土壤均取自0~20 cm的土壤，風(fēng)干后過2 mm篩備用；試驗所用沼肥，取自遼寧省沈陽市祝家鎮(zhèn)正常發(fā)酵的農(nóng)戶沼氣池，包括沼渣和沼液；試驗中所用鈍化劑為鈣鎂磷肥，購于市售（P2O5≥12%，pH值8.5）。土壤和沼肥養(yǎng)分含量見表1。

表1 土壤和沼肥養(yǎng)分含量Table 1 Nutrient content of soil and fertilizer

1.2 試驗方案

本試驗采用盆栽試驗，以菠菜為種植作物，選取污灌區(qū)棕壤土，試驗用盆規(guī)格為直徑21 cm，高為15 cm。每盆添加土樣為1 kg，試驗設(shè)置3 個處理，每組處理重復(fù)5 次。沼渣用于基肥，沼液用于追肥，鈍化劑鈣鎂磷肥添加比例為5 g·（kg干土）-1。

3 個試驗處理分別為：（1）CK：空白對照組，菠菜整個生長周期內(nèi)只澆灌水；（2）ZF：施用沼肥，沼渣（3%）作為基肥，沼液作為追肥（250 mL）;（3）ZD：施用沼肥+鈣鎂磷肥處理組，沼渣（3%）作為基肥，沼液作為追肥（250 mL），并添加鈍化劑鈣鎂磷肥5 g·（kg干土）-1。

1.3 試驗方法

將風(fēng)干的土壤碾壓過2 mm 篩網(wǎng)，稱取1 kg 通過篩網(wǎng)后的土壤，按照試驗方案與沼渣或沼渣和鈣鎂磷肥混合均勻，裝在直徑為21 cm的盆中菠菜出苗后，保留長勢相近的菠菜幼苗3株，其余幼苗移除，成熟后將其收獲。具體試驗內(nèi)容：（1）土壤中重金屬Cd 各形態(tài)含量變化：分別測定種植菠菜前后土壤中重金屬Cd 各形態(tài)含量變化，研究添加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥對土壤中重金屬Cd 各形態(tài)的變化的影響；（2）菠菜各部位中重金屬Cd 含量：在菠菜成熟后采摘，確保菠菜整株的完整性，進行洗凈、擦干、殺青等處理，測定菠菜樣品中根、莖、葉部位的重金屬Cd含量；（3）研究土壤重金屬Cd與腐殖質(zhì)結(jié)合機制；分析添加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥對土壤腐殖質(zhì)與重金屬的結(jié)合機制，通過傅里葉紅外光譜對試驗前后土壤中重金屬Cd進行分析。

1.4 測定項目及方法

在試驗過程中，土壤總固體（total solid，TS）的測定采用質(zhì)量法；土壤pH 值采用電位法，用數(shù)字pH 計（PHS-25）測定；有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀加熱法；土壤中全氮的測定采用凱氏定氮法；重金屬含量的消解采用王水+HClO4法、HNO3+H2O2法；土壤腐殖質(zhì)提取采用腐殖質(zhì)組成修改法，上機使用原子吸收分光光度計（GFA-7000A）測量；土壤樣品光譜特性采用傅立葉紅外光譜儀（NicoletIS50）測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019軟件進行數(shù)據(jù)的處理分析，采用Origin軟件進行制圖，采用SPSS 24.0軟件進行方差分析及最小顯著差異法(least significance difference,LSD)多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼肥/鈣鎂磷肥對土壤重金屬Cd腐殖質(zhì)分級提取形態(tài)變化的影響

利用蒸餾水、KCL、Na4P2O7、NaOH、HNO3、HClO4和HNO3消煮對樣品進行分級提取，分別測定各級提取液中的腐殖質(zhì)和重金屬含量，沼肥/鈣鎂磷肥對土壤重金屬Cd腐殖質(zhì)分級提取各形態(tài)所占比例如圖1。

圖1 試驗前后土壤重金屬Cd腐殖質(zhì)分級提取各形態(tài)所占比例Figure 1 Proportion of form of humic substances extracted from soil cadmium before and after the experiment

由圖1 可知，試驗前Cd 各形態(tài)的分配率由高到低的順序為：有機絡(luò)合態(tài)（31.47%）>有機結(jié)合態(tài)（30.55%）>可交換態(tài)（13.58%）>殘渣態(tài)（10.49%）>礦物質(zhì)態(tài)（9.6%）>水溶態(tài)（4.32%），種植菠菜試驗后各處理中土壤重金屬Cd 主要以有機結(jié)合態(tài)和有機絡(luò)合態(tài)為主。對重金屬Cd 各形態(tài)進行方差分析可知，試驗后各處理土壤重金屬Cd的水溶態(tài)和可交換態(tài)比例顯著降低（p＜0.05），降低幅度分別為0.28%~1.86%和1.16%~10.55%；施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥處理組中土壤重金屬Cd 的水溶態(tài)和可交換態(tài)所占比例低于對照（CK）組，說明施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥有利于降低土壤重金屬Cd 的水溶態(tài)和可交換態(tài)比例；施加沼肥＋鈣鎂磷肥（ZD）組中土壤重金屬Cd 的水溶態(tài)和可交換態(tài)Cd 所占比例低于施加沼肥（ZF）組，表明在施加沼肥的基礎(chǔ)上添加鈣鎂磷肥有利于降低土壤重金屬Cd 水溶態(tài)和可交換態(tài)所占比例，施加沼肥+鈣鎂磷肥（ZD）組中重金屬Cd 的水溶態(tài)和可交換態(tài)含量比例最低。而試驗后各處理土壤重金屬Cd 的有機絡(luò)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)所占比例顯著升高（p＜0.05），上述3 種形態(tài)升高幅度分別為0.52%~4.49%、0.51%~3.43%和0.69%~5.93%；施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥處理組中土壤重金屬Cd的有機絡(luò)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)所占比例高于對照（CK）組，說明施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥有利于提高土壤中重金屬Cd 的有機絡(luò)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)所占比例；沼肥+鈣鎂磷肥（ZD）組中土壤重金屬Cd的有機絡(luò)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)所占比例高于施加沼肥（ZF）組，表明在施加沼肥的基礎(chǔ)上添加鈣鎂磷肥有利于提高種植菠菜土壤重金屬Cd的有機絡(luò)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)所占比例，施加沼肥+鈣鎂磷肥（ZD）組上述各形態(tài)含量比例最高。而試驗后各處理土壤中礦物質(zhì)態(tài)重金屬Cd 呈小幅度降低趨勢，降低幅度為0.05%~1.45%，但各處理的降低幅度相差不明顯（p>0.05）。

綜上所述，以菠菜為種植作物，土壤中施加沼肥或沼肥+鈣鎂磷肥，試驗后各處理土壤重金屬Cd 主要以有機結(jié)合態(tài)和有機絡(luò)合態(tài)為主，添加沼肥及鈣鎂磷肥能夠降低土壤重金屬Cd 的水溶態(tài)和可交換態(tài)分配比，增加有機結(jié)合態(tài)、有機絡(luò)合態(tài)和殘渣態(tài)分配比，對礦物質(zhì)態(tài)影響不大。土壤中施加沼肥及鈣鎂磷肥，土壤重金屬Cd趨于穩(wěn)定，而且施加沼肥+鈣鎂磷肥時重金屬Cd更穩(wěn)定。

2.2 沼肥/鈣鎂磷肥對菠菜各部位重金屬Cd含量的影響

土壤施加沼肥和鈣鎂磷肥對菠菜各部位重金屬Cd 含量的影響如圖2。由圖2 可知，菠菜不同部位重金屬富集程度相差較大，整體呈現(xiàn)出菠菜不同部位對重金屬Cd累計量為根>莖>葉，這與孫尚省等研究在葉菜中不同部位重金屬Cd含量多少為根>莖>葉結(jié)果相一致[24]。對菠菜根莖葉部位重金屬Cd含量進行方差分析，與CK組相比，ZD 組的菠菜根部重金屬Cd 含量下降24.5%，表明在施加沼肥的基礎(chǔ)上添加鈣鎂磷肥降低菠菜根部重金屬Cd 的含量，且效果顯著（p＜0.05），ZF 組的菠菜根中重金屬Cd 含量升高2.5%，這可能是由于沼肥本身重金屬Cd 元素的含量通過土壤被菠菜根系吸收固定[25]；與對照組相比，ZF、ZD 組菠菜莖、葉中重金屬Cd 含量顯著降低（p＜0.05），降低幅度分別為8.33%~28.3%和25%~50%，其中施加沼肥或沼肥＋鈣鎂磷肥降低幅度更大，說明添加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥能減少菠菜莖、葉部對重金屬Cd 的吸收。鈣鎂磷肥中所含的Ca2+、Mg2+對重金屬離子具有拮抗作用，參與競爭植物上的吸收點位，抑制植物對重金屬Cd 的吸收，從而提高重金屬Cd 的鈍化效果[26]，這與汪洪等[27]的研究，即提高Ca 的含量可以減少土壤對Cd 的吸附，從而降低Cd 對植物有效性的研究結(jié)果一致。綜上所述，在土壤種植菠菜中加入沼肥或沼肥＋鈣鎂磷肥能減少菠菜對重金屬Cd 的富集，且沼肥＋鈣鎂磷肥對菠菜中重金屬Cd含量的減少效果更好。

圖2 菠菜根、莖、葉部重金屬Cd的含量Figure 2 Cd content of heavy metals in roots, stems and leaves of spinach

2.3 沼肥/鈣鎂磷肥對土壤重金屬Cd與腐殖質(zhì)結(jié)合機制的研究

2.3.1 對土壤重金屬Cd與腐殖質(zhì)結(jié)合的影響 土壤中腐殖質(zhì)經(jīng)Na4P2O7和NaOH提取后，與重金屬Cd結(jié)合的形態(tài)包括富里酸結(jié)合態(tài)（FA-Cd）和胡敏酸結(jié)合態(tài)（HA-Cd）。沼肥/鈣鎂磷肥對土壤重金屬Cd結(jié)合態(tài)比例的變化如圖3。由圖3可知，試驗前土壤中腐殖質(zhì)中重金屬Cd主要以FA-Cd的形式存在，試驗前土壤中腐殖質(zhì)中FACd 所占比例高達95%，而HA-Cd 所占比例只有5%；試驗后HA-Cd 呈顯著升高的趨勢，試驗后土壤3組土壤處理腐殖質(zhì)HA-Cd 所占比例分別提升至8.35%、13.18%和16.37%。在腐殖質(zhì)中HA 比FA 擁有更高的分子量和更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以與HA 結(jié)合的重金屬更穩(wěn)定[28]，即施加沼肥或沼肥+鈣鎂磷肥可促使土壤重金屬Cd 向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化。LSD 多重比較分析可知，施加沼肥處理（ZF）HA-Cd 所占比例顯著高于對照處理（CK）（p＜0.05），施加沼肥+鈣鎂磷肥（ZD）HA-Cd 所占比例顯著高于施用沼肥（ZF）（p＜0.05）。施加沼肥+鈣鎂磷肥（ZD）促使土壤腐殖質(zhì)中的胡敏酸與重金屬Cd結(jié)合生成HA-Cd，促進有效態(tài)Cd向穩(wěn)定態(tài)Cd轉(zhuǎn)化。因此表明土壤中施加沼肥及鈣鎂磷肥，土壤重金屬Cd趨于穩(wěn)定，而且施加沼肥+鈣鎂磷肥重金屬Cd更穩(wěn)定。

圖3 土壤中Cd在Na4P2O7和NaOH提取的腐殖質(zhì)中的分布Figure 3 Distribution of Cadmium in soil humus extracted by Na4P2O7 and NaOH

2.3.2 沼肥/鈣鎂磷肥對土壤影響的紅外光譜分析 沼肥/鈣鎂磷肥對試驗前后土壤的FTIR變化情況如圖4。由圖4 可知，各處理組試驗前后土壤的紅外光譜具有較為相似的光譜特征，僅在相對強度上存在一定的差異。其中變化較為明顯的具有代表性的峰值，分別為：3 450~3 408，1 430~1 400，1 080~1 030 cm-1。

圖4 不同處理土壤試驗前后紅外光譜圖Figure 4 Infrared spectra of different soil treatments before and after the experiment

在3 450~3 408 cm-1處是碳水化合物、酰胺化合物、蛋白質(zhì)類物質(zhì)的-OH伸縮振動峰，試驗結(jié)束后各處理在該處的吸收峰均有所降低，這表明土壤中該類化合物在土壤種植過程逐漸分解為簡單化合物，導(dǎo)致羥基基團不斷減少，降低幅度由大到小分別為不施肥、沼肥、沼肥＋鈣鎂磷肥；通過吸收峰強度分析結(jié)果可知：CK組降低幅度最大主要原因是土壤中碳水化合物、酰胺化合物、蛋白質(zhì)等物質(zhì)不斷分解而沒有補充[29]，ZD組（施加沼肥+鈣鎂磷肥）在該處的吸收峰強度高于ZF（沼肥組），說明在施用沼肥的基礎(chǔ)上添加鈣鎂磷肥，土壤中碳水化合物、酰胺化合物、蛋白質(zhì)等物質(zhì)含量較高。

1 430~1 400 cm-1處是芳香族的C=C、N-H 伸縮振動以及羧酸類的C=O 和-COOˉ伸縮峰。試驗結(jié)束后各處理在該處的吸收峰均有所增強，這表明試驗后土壤中木質(zhì)素和纖維素等有機物不斷被降解，它們經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)形成腐殖質(zhì)，導(dǎo)致腐殖質(zhì)含量增加[30]。增加幅度由大到小分別為施加沼肥+鈣鎂磷肥、沼肥、不施肥；施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥在該處的吸收峰強度高于處理組CK，說明施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥處理土壤中腐殖質(zhì)含量提高，施加沼肥＋鈣鎂磷肥處理組在該處的吸收峰強度高于施加沼肥組，說明在施加沼肥的基礎(chǔ)上添加鈣鎂磷肥能促進土壤中腐殖質(zhì)含量提高。通過吸收峰強度分析結(jié)果可知，施加沼肥及鈣鎂磷肥可促進土壤中腐殖質(zhì)的形成，而且沼肥+鈣鎂磷肥效果更好。

1 080~1 030 cm-1處是多糖、多糖類物質(zhì)C-O、OH 伸縮振動峰。試驗結(jié)束后各處理在該處的吸收峰均有所降低，這表明土壤中此類物質(zhì)隨著土壤種植過程其含量不斷降低，降低幅度由大到小分別為無施肥、沼肥、沼肥＋鈣鎂磷肥，施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥在該處的吸收峰強度高于對照組CK，說明在土壤中施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥處理的土壤中糖類等物質(zhì)含量較高；施加沼肥＋鈣鎂磷肥在該處的吸收峰強度高于沼肥組，表明在施加沼肥的基礎(chǔ)上添加鈣鎂磷肥能提高土壤中糖類的物質(zhì)；通過吸收峰強度分析結(jié)果可知，CK 組降低幅度最大主要原因是土壤中多糖類物質(zhì)不斷分解而沒有補充[29]，施加沼肥及鈣鎂磷肥可促進土壤中糖類物質(zhì)的形成，而且沼肥＋鈣鎂磷肥土壤中糖類等物質(zhì)的含量較高。

3 討論與結(jié)論

以菠菜為種植作物，土壤中施加沼肥或沼肥+鈣鎂磷肥，試驗后各處理土壤中重金屬Cd 有效態(tài)含量下降，菠菜莖葉部位重金屬含量下降，可能是因為沼肥中含有大量的腐殖質(zhì)，可與重金屬發(fā)生絡(luò)合或螯合反應(yīng)，將有效態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定態(tài)的重金屬，降低了重金屬的活性[31]。另外，鈣鎂磷肥呈堿性，添加鈣鎂磷肥會升高土壤的pH 值，而pH 值的升高會引起氧化物等表面電荷特性改變，促進膠體與黏粒對重金屬離子的吸附，容易形成氫氧化物沉淀[32]。通過腐殖質(zhì)組成修改法測定腐殖質(zhì)成分，結(jié)果表明土壤中施加沼肥+鈣鎂磷肥土壤中胡敏酸結(jié)合態(tài)（HA-Cd）比例多于只施加沼肥和空白對照組，腐殖質(zhì)中胡敏酸表面含有大量的醇羥基、酚羥基、羧基等官能團[33]，與重金屬Cd發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，具有較好的吸附作用[34-35]，使得土壤中重金屬Cd趨于更加穩(wěn)定。采用FTIR，在土壤種植菠菜的過程中施加沼肥或沼肥＋鈣鎂磷肥，試驗后土壤中碳水化合物、酰胺化合物、蛋白質(zhì)和多糖類化合物等吸收峰降低，芳香族化合物等吸收峰增強，有機物腐殖化程度提高，施加沼肥＋鈣鎂磷肥可以提高土壤中的有機物腐殖化程度，促使更多有機物轉(zhuǎn)化腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)可與重金屬離子牢固螯合的配位體[36]。這表明了施加沼肥/沼肥＋鈣鎂磷肥能減少土壤中重金屬Cd的有效性，且施加沼肥＋鈣鎂磷肥時土壤重金屬Cd更加穩(wěn)定。

綜上所述，在作物種植過程中，施用沼肥或沼肥與鈣鎂磷肥聯(lián)合施用更有利于土壤重金屬向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化，從而減少重金屬的危害，這對于土壤重金屬污染防治及沼肥的利用提供了新的途徑和方法，具有較大的科學(xué)意義及實際應(yīng)用價值。

以菠菜為種植作物，土壤中施加沼肥或沼肥+鈣鎂磷肥，試驗后各處理土壤重金屬Cd主要以有機結(jié)合態(tài)和有機絡(luò)合態(tài)為主；水溶態(tài)、可交換態(tài)均較試驗前土壤重金屬含量降低，而殘渣態(tài)含量增加。土壤中施加沼肥及鈣鎂磷肥，土壤重金屬Cd趨于穩(wěn)定，而且施加沼肥+鈣鎂磷肥時重金屬Cd更穩(wěn)定。菠菜不同部位對重金屬Cd累計量為根>莖>葉，施加沼肥及沼肥＋鈣鎂磷肥能降低菠菜中莖葉中重金屬含量，施加沼肥＋鈣鎂磷肥時菠菜根莖葉中重金屬含量最少。種植菠菜試驗后各處理HA-Cd均較試驗前所占比例有所增加，HA-Cd所占腐殖質(zhì)中比例由高到低的順序為沼肥＋鈣鎂磷肥、沼肥、不施肥；施加沼肥及沼肥+鈣鎂磷肥對土壤HA-Cd 比例增加有顯著影響（p＜0.05）；施加沼肥+鈣鎂磷肥時，HA-Cd比例最高，重金屬更穩(wěn)定。FTIR 表明，試驗前后各處理土壤的紅外光譜具有相似的光譜特征，僅在相對強度上存在一定的差異。施加沼肥處理和施加沼肥+鈣鎂磷肥處理與不施肥處理的土壤中碳水化合物、蛋白質(zhì)、糖類等有機物相比所占比例減少，而芳香族等腐殖質(zhì)所占比例增加。土壤中施加沼肥+鈣鎂磷肥處理芳香族等腐殖質(zhì)所占比例最高，腐殖化程度高于只施加沼肥和不施肥處理，土壤腐殖化效果最為顯著。