不同肥料不同作物对铅污染土壤修复及酶活性的影响

杨继飞，郭卓杰，李 涛，王效举，程红艳

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

由于工业的快速发展、城市化的不断加快，我国的耕地面积不断缩小。与此同时，由于我国的发展实行先污染后治理的模式，很多企业都没有环保意识，大量的工业废弃物没有经过处理就被直接排放到大气、河流中，加剧了环境中污染物的含量。而土壤污染往往又具有危害性大和持续时间长的特点[1]。根据农业部环境监测系统近年来的调查，我国24个省城郊、污水灌溉利用区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中，污染超标的大田农作物种植面积有60.6万hm2，占监测调查总面积的20%；其中，重金属含量超标的农产品产量与面积分别约占污染物超标农产品总量与总面积的80%以上[2]，而铅是污染中常见的重金属元素。我国土壤铅污染形势十分严峻。全世界平均每年排放的Pb达到500万t左右[3]。我国大多数土壤含铅量在10～80 mg/kg之间，平均为25 mg/kg，其中，含铅量最高的是我国北方石灰性土壤，为30～70 mg/kg[4]。全国土壤背景值基本统计量的结果表明，3 938个样点所获得的铅的算术平均值为（26.0±12.37）mg/kg[5]。张中一等[6]对南京市郊菜地土壤有代表性的25个样品的全量Pb进行测定表明，92%的供测样品数值大于背景平均值，均值达到29.7 mg/kg。由于重金属难以降解，在生物体内长期积累，通过食物链沉积到人体后，会引起各种疾病，危害甚至能遗传到下一代，严重为害人类健康。目前，生态环境不同程度受到重金属的污染[7]。由于重金属污染会降低土壤的酶含量，而土壤中的所有生物参与的反应都离不开酶的参与[8]，同时酶活性也是衡量土壤生物学活性和土壤健康的重要指标[9]。土壤重金属污染是全球面临的一个急待解决的环境问题，植物修复对于重金属污染土壤的治理修复具有重要意义[10]。而植物修复的优点是：费用低、避免了二次污染、减少了对土壤结构的破坏、不会破坏土壤生态环境[11]。

本试验通过研究施用菌肥、腐殖酸对作物酶活性的影响，旨在找出能提高土壤酶活性的施肥方法，为有效提高重金属污染土壤的植物修复效果提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试玉米品种为长玉16号，高粱品种为沈杂8号，蓖麻品种为晋蓖麻5号，向日葵品种为花葵。外源铅为Pb（CH3COOH）2（化学纯）。

试验土壤为生土，质地为壤质土，其基本理化性质为：有机质含量3.51 g/kg，pH值7.92，速效氮60.93mg/kg，速效磷2.046mg/kg，速效钾126.22mg/kg。

1.2 试验处理与设计

盆栽试验在山西农业大学资源环境实验站大棚内进行，所有试验设置的土壤铅基础含量都达到了国家二级标准（350 mg/kg）。设空白试验单施铅（Pb）、重金属Pb与菌肥混合施用（Pb＋J）、重金属Pb与腐殖酸混合施用（Pb＋F）3种处理，菌肥和腐殖酸用量分别为5 g/盆，每种处理都种植玉米、向日葵、高粱、蓖麻4种作物，重复3次。

栽培桶直径为28 cm，深为42 cm，桶底是封闭的（防止土壤物质的损失）。试验的桶水平放在大棚内，底部放大约2.5 kg石块，然后盖一层纱布，插入PVC管（约45 cm，用于浇水，避免土壤板结）后装入过筛后的生土9 kg，施入复合肥（含氮磷钾），将称好的Pb（CH3COOH）2溶于水后由PVC管加入土壤中，最后将土壤浇水至饱和，平衡一周后种植作物。

1.3 栽培与采样

在2012年4月，将种子种在桶内，每桶种9对（18粒）相同的种子，在表层盖沙土1 kg，洒少量水后用PC膜封闭土层（期间要查看土层水分状况，适时浇水），大约一周种子发芽后，田间管理如一般大田，在生长周期内进行间苗，采部分鲜样用于苗期的一些指标测定，最后只留一株到成熟。9月中旬，待作物成熟后，将作物采出后，采集土样标记，风干、过筛，备用。

1.4 测定项目及方法

土壤过氧化氢酶的测定采用容量法（0.05 mol/L高锰酸钾滴定）[12]；磷酸酶的测定采用磷酸苯二钠比色法[13]；脲酶的测定采用靛酚比色法[14]；蔗糖酶的测定采用磷酸二氢钠比色法[15]；铅的测定采用硝酸-高氯酸-氢氟酸-盐酸消解，原子分光光度法[16]。

1.5 数据处理

利用Excel 2003，Word 2003和DPS软件对试验数据进行分析。

2 结果与分析

土壤酶活性是生物催化剂的一种，可以加速土壤中有机物质的化学反应。各种酶在土壤中积累，是由于土壤微生物、土壤动物和植物根系生命活动的结果，它们参与了许多重要的生物化学过程，腐殖质的合成和分解，有机化合物、高等植物和微生物残体的水解并将其转化成可利用的形态，还有氧化还原反应等一系列反应，也就是说，它们参与了土壤的发生和发育，及其与有效肥力的形成有关的诸多过程的主要环节[15]。

2.1 不同处理对土壤磷酸酶含量的影响

从图1可以看出，不同处理可使土壤磷酸酶活性提高1.2%～26.0%，通过方差分析（P＜0.05）可知，Pb＋J，Pb＋F，Pb这3个处理间的土壤磷酸酶活性没有显著性变化。

2.2 不同处理对土壤过氧化氢酶活性的影响

由图2可知，蓖麻、玉米、向日葵、高粱4种作物，经Pb＋J处理后的土壤过氧化氢酶活性提高最显著，依次为蓖麻土壤32.71%，玉米土壤62.05%，向日葵土壤30.56%，高粱土壤33.94%，均高于Pb处理的过氧化氢酶含量；蓖麻、向日葵、高粱高于Pb＋F处理的过氧化氢酶含量。通过方差分析（P＜0.05）可知，Pb＋J，Pb＋F处理与Pb处理相比，过氧化氢酶活性变化显著的是玉米、向日葵和高粱；蓖麻的过氧化氢酶活性没有明显变化。由于土壤中累积的重金属铅越多，很多生化反应被抑制，反应方向和速度也会发生改变，从而破坏土壤中原有有机质和无机物固有的化学平衡和转化[17]。因此，过氧化氢酶活性与有机质的分解关系密切，活性越高，有机质的转化效率越高。Pb＋J处理对土壤过氧化氢酶活性有一定的提高，可以提高作物对土壤中有机质的利用率。

2.3 不同处理对土壤脲酶活性的影响

由于土壤脲酶活性与土壤微生物数量显著相关，与养分含量极显著相关[18]。从图3可以看出，Pb＋J处理后土壤脲酶含量提高显著，蓖麻土壤为29.09%，玉米土壤为23.97%，向日葵土壤为20.70%，高粱土壤为15.66%，脲酶含量最高的是蓖麻土壤。由方差分析（P＜0.05）可知，4种作物的脲酶含量Pb＋J，Pb＋F比Pb均有显著提高。说明施加菌肥和腐植酸可以提高重金属铅污染土壤中脲酶的活性。

2.4 不同处理对土壤蔗糖酶活性的影响

由图4可知，Pb＋J处理后提高4种作物的土壤蔗糖酶含量最高，蓖麻土壤为27.46%，向日葵土壤为14.92%，高粱土壤为19.51%，玉米土壤为19.37%；Pb＋F处理后，土壤蔗糖酶活性蓖麻土壤为21.43%，向日葵土壤为11.72%，高粱土壤为11.69%，玉米土壤为16.77%，均高于Pb处理。说明Pb＋J，Pb＋F处理对蓖麻土壤的影响较大。通过方差分析（P＜0.05）可知，4种作物的土壤蔗糖酶变化Pb＋J处理比Pb处理显著；蓖麻、高粱、向日葵Pb＋F处理比Pb处理显著。表明施加菌肥或腐殖酸能显著提高蔗糖酶含量，而土壤蔗糖酶可以反映土壤有机质等养料的转化状况[19]。说明施加菌肥或腐殖酸能提高土壤养料的转化。

2.5 不同处理对作物土壤中重金属Pb 含量的影响

由图5可知，4种作物对于降低土壤中铅含量的效果存在差异。Pb＋J处理种植玉米后的土壤铅含量降低了214.67 mg/kg，种植蓖麻后的土壤铅含量降低了212.86 mg/kg，种植高粱后的土壤铅含量降低了212.56 mg/kg，种植向日葵后的土壤铅含量降低了193.3 mg/kg，以玉米的效果最为显著，大大改善了铅污染的土壤，净化了土壤环境。通过方差分析（P＜0.05）可知，4种作物的Pb＋J处理修复效果最显著。因此，施用菌肥可以有效降低作物中重金属Pb的含量。

3 结论与讨论

土壤酶活性的高低可以影响土壤中不同物质的反应效率，进而影响作物的吸收利用。因此，提高土壤酶活性可以提高作物的生长品质，使吸附效果更加明显。本研究结果表明，施用菌肥（Pb＋J）、腐殖酸（Pb＋F）对土壤磷酸酶的活性影响不显著。土壤的过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶的活性Pb＋J＞Pb＋F＞Pb，其中，对施加菌肥（Pb＋J）处理较敏感；脲酶的活性经过Pb＋J，Pb＋F处理后没有显著性差异；Pb＋J，Pb＋F处理的蓖麻与玉米的土壤过氧化氢酶活性差异不显著。

Pb＋J，Pb＋F处理提高了作物对土壤重金属的吸附，有效降低了土壤中重金属Pb的含量，施用菌肥修复效果最显著。

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