泥炭对Pb、Cd污染菜地土壤修复效果评价

2015-12-08杜瑞英王艳红唐明灯李盟军艾绍英

生态环境学报 2015年11期

杜瑞英，王艳红，唐明灯，李盟军，艾绍英*

1. 农业部南方植物营养与肥料重点实验室，广东广州 510640；2. 广东省农业科学院农业资源与环境研究所，广东广州 510640；3. 农业部农产品质量安全风险评估实验室（广州），广东广州 510640

杜瑞英1,2,3，王艳红1,2，唐明灯1,2，李盟军1,2，艾绍英1,2*

珠江三角洲地区农田土壤重金属污染程度较为严重，泥炭作为一种富含有机质的碱性改良剂在修复重金属污染农田土壤方面具有很好的潜力。通过研究泥炭对珠三角地区Pb、Cd污染菜地土壤修复效果开展的连续盆栽试验，从生态学角度对泥炭的修复效果进行综合评价。试验结果表明：泥炭可以提高0.25～1.61个单位的土壤pH值，增加土壤有机质含量，显著降低土壤中Cd有效态含量。连续种植小白菜（Brassica chinensis）后泥炭处理的土壤Cd有效态含量仍显著低于对照，对土壤修复持效性好；但对土壤Pb有效态含量作用效果不显著。泥炭对小白菜有明显的增产效果，在种植第二茬时效果最明显，同时与对照比较泥炭处理显著降低小白菜中Cd含量，但对降低小白菜中Pb含量效果也不明显。泥炭可以显著提高土壤中微生物的活性和代谢多样性，种植小白菜后微生物活性提高更明显。综合判断，15 g·kg-1泥炭用量对修复珠三角地区 Pb、Cd污染菜地土壤效果最好而且持效性好。整体来看，泥炭对降低土壤中Cd有效态含量的效果优于对Pb的。

泥炭；Pb、Cd污染；生态修复；效果评价；菜地土壤

DU Ruiying, WANG Yanhong, TANG Mingdeng, LI Mengjun, AI Shaoying. Remediation Effects and Evaluation of Peat Amendment on Pb and Cd Contaminated in Vegetable Soil [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1893-1897.

农田土壤受重金属污染面积和程度日益加剧，珠三角地区农田土壤重金属污染更为严重（Chen et al.，2008；Xu et al.，2011；环境保护部，2014）。高度集约化的农业生产方式是造成珠三角农村耕地土壤重金属污染的主要原因，众多的制造业“三废”排放加剧了土壤重金属累积，农村耕地以镉、铅超标为主（罗小玲等，2014）。治理土壤重金属污染主要有3种途径：其一是将重金属污染地区与未污染地区隔离，防止污染物进一步扩散；其二是将重金属从土壤中去除；其三是改变土壤中重金属的价态和形态，降低其在环境中的迁移性和生物有效性。研究各种技术对污染土壤进行修复成为近年的热点（串丽敏等，2014；Yao et al.，2012）。泥炭富含有机质，其比表面积大，吸附螯合能力强，对P、Mg、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等离子有强吸附作用（成绍鑫，2003），因此，泥炭在农业上得到较广泛的应用，尤其是用于土壤改良、园艺材料和肥料原料等方面（潘丽萍等，2014；王忠强等，2007）。关于泥炭对污染土壤重金属有效性及毒性影响方面的研究已有较多的报道（黎秋君等，2013；苏天明等，2008），而关于其对土壤环境是否带来“二次污染”危害，能否恢复土壤环境质量方面的研究还较少。本研究针对珠江三角洲Pb、Cd污染的菜地土壤，通过分析不同用量泥炭对蔬菜-土壤生态系统的影响，以期为泥炭的合理使用提供科学依据，也为重金属污染土壤生态修复领域的发展提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1试验方法

供试土壤采自广州市郊区菜地0～20 cm的表土（全Pb含量82.01 mg·kg-1，全Cd含量358.01 μg·kg-1，pH 5.8），进行连续盆栽试验。试验设置5个泥炭（铅未检出，全Cd含量45.9 μg·kg-1，pH 8.5）含量水平，分别为0、7.5、15、22.5、30 g·kg-1，分别记作CK、T1、T2、T3、T4，每个处理重复4次。泥炭与土壤混匀后装盆，每盆装土5 kg，浇水中平衡2周后移栽小白菜（Brassica chinensis），肥料用量为N 0.15 g·kg-1，P2O50.18 g·kg-1，K2O 0.12 g·kg-1，以尿素和磷酸二氢钾（均为化学纯）分3次施入，收获后15 d内移栽下一茬，连续种植3茬。

1.2样品采集与制备

小白菜收获时分别采集土壤、蔬菜样品。土壤样品分两份装在两个塑料封口袋中，一份土样保存在4 ℃冰箱中用于分析微生物指标，另一份放在室温下风干，研磨后用于分析土壤重金属指标。采集小白菜测定地上部鲜重，之后用去离子水冲洗干净后沥干，用匀浆机打浆后装于100 mL塑料瓶中待测。

1.3土壤与植物金属含量测定

土壤中 Pb、Cd有效态含量的测定方法采用BCR的醋酸提取法。用新鲜样测定小白菜中 Pb、Cd含量，参照GB 5009.12—2010采用硝酸+高氯酸（9+1）混合酸进行湿式消解，消化完成后将消化液转移、定容至25 mL容量瓶。用原子吸收分光光度计测定土壤和小白菜中Pb、Cd含量。土壤pH值（水土比2.5∶1）用pH计测定，有机质采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定（鲍士旦，1999）。

1.4微生物功能参数分析

微生物代谢功能多样性研究采用美国BIOLOG公司生产的96孔ECO微平板进行分析。ECO微平板上被划分为3个区，每个区32个孔。每个区除了1个孔不含碳源（空白）以外，其余31个孔分别含有31种不同的碳源。将72 h的各孔吸光值进行标准化，根据每一类化合物所包括碳源的AWCD（Average well color development，AWCD）值分别计算它们的总AWCD值。

1.5数据分析

采用SPSS 16.0统计软件对所测定的数据进行单因素方差分析。

2 结果与讨论

2.1泥炭对土壤理化性质的影响

2. 1.1 对土壤pH值的影响

土壤pH值是诸多土壤化学性质中对重金属形态影响最大的因素，pH改变导致土壤中重金属化学形态的变化（黎秋君等，2013）。添加泥炭处理土壤的pH值均显著高于对照处理（如图1所示），且土壤pH值随施用量的增加而升高，在整个种植过程中土壤pH提高了0.25～1.61个单位，T3和T4处理效果最显著，但二者之间差异不明显。对照处理的 pH值随着小白菜种植茬数的增加而降低 0.5个单位，而泥炭处理的土壤pH值在连续种植3茬小白菜后仍稳定维持在6.0以上。本试验结果表明，泥炭对提高土壤pH值的持效性较好。

图1 泥炭对土壤pH值的影响Fig. 1 Effect of peat on the pH of soil

2.1.2 对土壤有机质含量的影响

土壤有机质主要通过专性吸附和非专性吸附来增加土壤对重金属的吸附能力，因此，有机质含量的增加对降低土壤重金属有效性也重要影响因素之一。与对照比较，施用泥炭可提高土壤有机质含量1.3～2.5倍，结果如表1所示。经过连续种植蔬菜，泥炭处理土壤有机质含量随着种植茬数的增加开始降低，高浓度处理有机质含量降低了0.8%最为显著，但各处理的有机质含量仍显著高于对照处理（P<0.05）。

表1 泥炭对土壤有机质的影响Table 1 Effect of peat on the OM of soil %

表2 泥炭对土壤中Pb、Cd有效态含量的影响Table 2 Effect of peat on the Pb and Cd available content in soil mg·kg-1

2.1.3 泥炭对土壤中Pb、Cd有效态含量的影响

泥炭中有机质、腐殖酸含量高，比表面积大，吸附能力强等特点。施用泥炭后种植小白菜，土壤中Pb、Cd的有效态含量均有降低趋势，结果如表2所示。当泥炭施用量增加时，土壤外加的有机质增加，重金属的有机吸附与螯合得到了加强，可能与重金属形成难溶性络合物，促进重金属的沉淀，从而导致两种土壤中重金属有效态含量降低（Iksong et al.，2009）。但因泥炭中含有微量Cd，在施用初期会导致土壤中Cd有效态含量有所增加，但与对照比均无显著性差异（P<0.05），从连续种植来看并不影响其修复效果。土壤中 Pb有效态含量整体表现出先降后升的趋势，Cd有效态含量在整体盆栽过程中都保持在相对稳定的低水平，说明泥炭对土壤中Pb有效态含量降低的能力较Cd差，在整个种植过程中泥炭处理下土壤有效态Cd含量均显著低于对照，而土壤有效态 Pb含量只有在小白菜第2、3茬收获时部分泥炭处理低于对照。

2.2泥炭对蔬菜的影响

2.2.1 对蔬菜生物量的影响

本研究中施用泥炭后种植第1茬小白菜生物量有所增加，但与对照比无显著性差异（如表3所示）。种植第2茬时生物量均显著高于对照，增产效果达20%～30%；种植第3茬后，施用泥炭处理的蔬菜生物量明显降低且均低于对照处理，T3、T4处理的生物量是第2茬种植时生物量的1/2。泥炭除了其碱性作用能改良土壤酸性，减轻土壤中Pb、Cd对小白菜的伤害外，还含有大量的其他微量元素，可促进小白菜的生长，提高小白菜生物量。

表3 泥炭对小白菜生物量的影响Table 3 Effect of peat on the Chinese Cabbage biomass

2.2.2 对蔬菜Pb、Cd含量的影响

施用碱性改良剂可降低酸性土壤中重金属有效态含量，减轻重金属对作物的伤害，泥炭是由植物纤维、腐殖酸、灰分和铁锰铝的氧化物及有机氮、有机磷等组成，是一种弱酸，铁、锰、铝的氧化物在溶液中可以形成氢氧化物胶体。本研究中施用泥炭后小白菜中Pb、Cd含量均低于对照处理，但随小白菜种植茬数的增加小白菜中Pb、Cd含量呈增加趋势，结果见表4。泥炭处理对降低小白菜中Pb含量效果不明显，依据食品安全国家标准 GB2762─2012，小白菜Pb含量在种植第1、2茬均未超过国家标准的限量值；第3茬时全部处理小白菜中Pb含量超过了国家限量值0.3 mg·kg-1，处理与对照差异不显著。泥炭对降低小白菜中Cd含量效果显著（P<0.05），降幅在27%～60%，3茬小白菜Cd含量均低于0.2 mg·kg-1的国家限量值，但与对照比较泥炭处理可以显著降低小白菜中Cd含量。结果表明，施用泥炭可以降低小白菜中 Pb、Cd含量，对 Cd含量降低效果更为显著。

表4 泥炭对蔬菜Pb、Cd含量的影响Table 4 Effect of peat on Pb & Cd content in Chinese Cabbage

2.3泥炭对土壤微生物的影响

土壤微生物各主要生理类群直接参与土壤中C、N、P等营养元素循环和能量流动，其数量和活性直接影响土壤生态系统的结构稳定性，在土壤污染方面具有重要的指示作用（He et al.，2003）。有研究表明（Suhadolic et al.，2004；杜瑞英等，2011）进入土壤中的重金属能够明显改变土壤微生物的结构和功能，这与土壤中重金属的有效性密切相关。

2.3.1 对土壤代谢活性的影响

BIOLOG ECO板中用AWCD值来表示土壤微生物的活性，图2表示添加泥炭后土壤中土壤微生物AWCD值变化情况。泥炭的投加能降低Pb、Cd有效态含量，施用泥炭后土壤微生物活性显著地高于对照土壤，种植小白菜后土壤微生物活性又有了显著的提高，72 h AWCD值处理是对照的1.26～3.00倍。从不同泥炭用量处理来看，加改良剂15 d后，AWCD值T4处理>T3处理>T2、T1处理>CK处理，说明 T4处理细菌的代谢活性高于其它处理。第 1茬蔬菜收获后，所有处理的 AWCD值明显升高，T4、T3、T2处理的AWCD值高于T1和CK处理，但不同泥炭浓度处理间的值比较接近。从时间角度来分析，种植蔬菜后土壤微生物的 AWCD值明显升高，到第2茬蔬菜收获时达到最高，第3茬蔬菜收获后AWCD值有所降低，说明土壤微生物活性开始降低。

图2 泥炭处理下土壤微生物AWCD值变化曲线Fig. 2 Effect of peat on the soil microbial activity

2.3.2 泥炭对土壤微生物多样性的影响

研究结果表明施用泥炭可以显著提高土壤微生物的Simpson指数（表5）。种植蔬菜后，各处理的土壤微生物多样性指数总体升高，而且随小白菜种植茬数的增加各处理间Simpson指数差异逐步扩大，到第3茬收获时T3处理的Simpson指数最高，T4处理>T1处理>CK、T2、T4处理。

表5 泥炭对土壤微生物的Simpson指数Table 5 Effect of peat on soil microbial Simpson

3 结论

（1）泥炭对提高土壤pH值、增加有机质含量、降低土壤中Cd有效态含量效果显著，连续种植后土壤pH值和有机质含量均保持在较高水平，泥炭对土壤修复效果持效性好。

（2）泥炭可以显著降低小白菜中Cd含量，降幅在27%～60%，但对Pb作用效果不明显。

（3）施用泥炭后种植小白菜可以提高土壤微生物的代谢活性1.26～3.00倍。

（4）15和30 g·kg-1泥炭用量对降低菜地土壤、小白菜中Pb、Cd有效态含量、提高小白菜生物量和土壤微生物活性效果好且持效性长，综合判断，污染土壤中施入15 g·kg-1泥炭时生态风险最小。

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Remediation Effects and Evaluation of Peat Amendment on Pb and Cd Contaminated in Vegetable Soil

DU Ruiying1,2,3, WANG Yanhong1,2, TANG Mingdeng1,2, LI Mengjun1,2, AI Shaoying1,2*
1. Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510640, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China; 3. Laboratory of Quality & Safety Risk Assessment for Agro-products (Guangzhou), Ministry of Agriculture, Guangzhou 510640, China

Heavy metal pollution of agricultural land in the Pearl River Delta region is quite severe. As a kind of alkaline agent with rich organic matter, peat has great potential in the remediation of heavy metal contaminated soil. Peat was chosen as the amendment in batches of pot experiment: Studying the available contents of Pb and Cd in vegetable soil, the growth of Chinese cabbage (Brassica chinensis) and the absorbed and accumulated contents of Pb and Cd, the soil microbial activity. This article studied immobilization and remediation of heavy metals contaminated vegetable soil under different amounts of peat, and assessed immobilization effect. The results are as follows: Peat can improve the soil pH value of 0.25～1.61 units. The content of organic matter in soil increased with the increase of the amount of peat. The soil pH value and organic matter content of the soil after continuous cultivation of the three batches were kept at a high level, and the sustained effect is better. The available content of Cd in soil was significantly lower than that of the control, and the soil was sustained effective. The effect available content of Pb on soil was not significant, and the effect of the effect was relatively slow. Overall, the effect of reducing the content of Cd in soil was better than that of Pb. The peat can improve the biomass of Chinese cabbage, and the second batch is significantly improved. The peat reduced significantly the content of Cd in Chinese cabbage, and the content of Cd in the Chinese cabbage was lower than the limited value in GB2762─2012. The effect of peat on the Pb content in Chinese cabbage was not obvious. The AWCD and Simpson index of soil microbes could be improved significantly by peat, after cultivation of Chinese cabbage, microbial activity increased more obviously. The comprehensive evaluation revealed that 15 g·kg-1peat amendment remediation had the best and longer lasting effect on Pb, Cd pollution in vegetable soil of the Pearl River Delta region.

peat; lead pollution; cadmium pollution; remediation; vegetable soil

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.021

X53

1674-5906（2015）11-1893-05

广东省科技计划项目（2014A020216019；）广东省农业科学院院长基金（201116）；广州市科技计划项目（2014Y2-00521）

杜瑞英（1977年生），女，助理研究员，博士。研究方向为污染土壤修复和农产品质量安全。E-mail:duruiying@163.com *通信作者。E-mail: shaoyinai@21cn.com

2015-07-29

引用格式：杜瑞英, 王艳红, 唐明灯, 李盟军, 艾绍英. 泥炭对Pb、Cd污染菜地土壤修复效果评价[J]. 生态环境学报, 2015, 24(11): 1893-1897.