有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤生物特性和油菜生长的影响

李清飞,王世香,邹法俊

(1.信阳师范学院 城市与环境科学学院,河南 信阳464000; 2.信阳市环境监测站,河南 信阳464001)

有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤生物特性和油菜生长的影响

李清飞1,王世香2,邹法俊2

(1.信阳师范学院 城市与环境科学学院,河南 信阳464000; 2.信阳市环境监测站,河南 信阳464001)

采用盆栽试验,研究了不同添加量(0、2.5%、5.0%、10.0%)有机肥对镉(Cd)、铅(Pb)重金属污染酸性土壤生物特性和油菜生长的影响,以期为阻控Cd、Pb迁移和油菜安全生产提供技术指导。结果表明,土壤pH值、酶活性(过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶和淀粉酶活性)、微生物多样性及油菜生物量总体上均随有机肥添加量的增加而显著增加,而土壤中Cd、Pb有效态含量及油菜各组织重金属含量均随有机肥添加量的增加而降低,10.0%有机肥处理效果最好;主成分分析结果表明,有机肥改良处理的聚类结果与油菜的生长及土壤各项指标的变化规律相吻合;在各项指标中,影响油菜生长的主要因子为Pb有效态含量,其次为Cd有效态含量，说明降低土壤中重金属有效态含量可以有效缓解对作物的毒害。

Cd、Pb复合污染土壤; 有机肥; 土壤生物特性； 油菜

我国经济飞速发展的同时,也给土壤环境带来了不同程度的污染,污染严重影响农产品品质[1]。土壤是作物中重金属的最主要来源,土壤中的重金属并不能被植物完全吸收，植物只能吸收其中的一部分，即生物有效态的重金属。因此，降低重金属有效性,是减少作物吸收重金属的有效措施之一[2]。目前，利用有机肥作为改良剂降低土壤重金属有效性的研究有很多[3-5],但对土壤生物效应的研究还很缺乏,这不利于全面认识土壤生态系统恢复问题。为此,探讨了添加不同剂量有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤生物特性和油菜生长的影响,为保障农产品的安全生产和Cd、Pb复合污染土壤的治理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

Cd、Pb复合污染酸性土壤采集于某农耕废弃地土壤。有机肥购自圣茵生物有机肥公司。Cd、Pb复合污染酸性土壤和有机肥风干后,研磨过2 mm 尼龙网筛，其理化性质见表1。

表1 Cd、Pb复合污染酸性土壤和有机肥的基本理化性质

1.2 试验设计

试验设4个有机肥处理，分别向Cd、Pb复合污染酸性土壤中添加0(对照)、2.5%、5.0%、10.0%有机肥，每个处理重复3次。采用室内盆栽的方法,盆钵直径9 cm、高8 cm,每盆装土1.0 kg。所有处理土壤平衡1周后栽种油菜种子,每盆10粒种子,1个月后定苗，每盆5棵油菜苗,成熟后收获。

1.3 测定项目及方法

油菜和土壤样品分别采用硝酸/盐酸(4∶1)和硝酸/高氯酸(4∶1)消解法消解,土壤pH值测定采取液土比2.5∶1进行，阳离子交换量(CEC)测定采取乙酸铵法[6];油菜Cd、Pb含量用ICP-OES(Optima 5300DV,Perkin-Elmer Instruments,USA)测定,以环境标准物质ESS-3红壤和ESP-1西红柿叶(中国环境监测总站)进行质量控制;土壤Cd、Pb有效态含量采用DTPA提取法测定[7]。土壤过氧化氢酶活性采取高锰酸钾滴定法测定，脲酶活性采取苯酚钠比色法测定，磷酸酶活性采取苯磷酸二钠比色法测定，多酚氧化酶活性采取邻苯三酚比色法测定，淀粉酶活性采取碘量滴定法测定，具体步骤参照文献[8]。土壤微生物多样性采用Biolog-ECO技术进行分析[9]。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 18.0进行统计分析,Origin 8.5 作图。

2 结果与分析

2.1 有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤pH值及重金属有效态含量的影响

由表2可知,土壤pH值随有机肥添加量增加逐渐提高,与对照相比,有机肥改良处理土壤pH值增幅为7.7%～27.3%,其中添加5.0%、10.0%有机肥处理差异显著;土壤Cd和Pb有效态含量随有机肥添加量增加均呈降低趋势,与对照相比,有机肥改良处理土壤Cd和Pb有效态含量降低幅度分别为34.9%～45.0%和11.4%～23.3%,其中10.0%有机肥处理效果最好。

表2 有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤pH值及Cd、Pb有效态含量的影响

注:同列数据后不同字母表示不同处理之间显著差异(P<0.05),下同。

2.2 有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤生物特性的影响

2.2.1 土壤酶活性 由表3可知,与对照相比,有机肥改良处理土壤过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶、淀粉酶活性均提高,且随着有机肥添加量增加而逐渐增加，其增幅分别为59.7%～209.1%、70.5%～138.2%、17.1%～43.6%、43.7%～155.3%、16.7%～101.1%,以10.0%有机肥处理增幅最高。可见，施用有机肥明显促进了土壤酶活性的提高,这主要与施用有机肥降低了土壤中Cd、Pb有效态含量有关。

表3 有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤酶活性的影响

2.2.2 土壤微生物多样性 由表4可知,表征土壤微生物多样性的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Simpson指数均随有机肥添加量的增加而逐渐增加,较对照增幅分别为35.6%～53.5%、27.4%～50.0%、13.6%～17.3%,其中10.0%有机肥处理增幅最大。

表4 有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤微生物多样性的影响

2.3 有机肥对Cd、Pb复合污染酸性土壤油菜生长及重金属含量的影响

2.3.1 生物量 由图1可知,随有机肥添加量增加,油菜生物量也呈增加趋势。其中，2.5%有机肥处理油菜生物量与对照无显著性差异,而5.0%和10.0%有机肥处理油菜生物量均显著高于对照,增幅分别达986.2%和2 548.8%。这与农耕废弃地土壤贫瘠(表1),添加有机肥能够提高土壤营养成分,并且缓解重金属毒害有关。

2.3.2 重金属含量 由图2 可知，Cd、Pb复合污染酸性土壤被有机肥改良后，油菜各组织Cd和Pb含量均较对照显著降低,其中10.0%有机肥处理效果最好。与对照相比,改良后油菜种子中Cd含量未被监测到,角荚中Cd含量降幅为56.7%～74.5%,根中降幅为50.4%～92.4%,茎中降幅为46.2%～80.9%；改良后油菜种子中Pb含量降幅为68.9%～92.2%,角荚中降幅为34.0%～72.1%,根中降幅为74.0%～91.5%,茎中降幅为53.3%～72.4%。

不同字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)

不同字母表示同一组织不同处理之间差异显著(P<0.05)

2.4 影响油菜生长的各项指标主成分分析

为进一步了解生物量、各部位的重金属含量及土壤生化指标对油菜生长的关系,利用 SPSS 软件进行主成分分析，并计算各指标的因子荷载和得分。结果(图3)表明，2个主成分PC1和PC2可以反映影响作物生长各指标全部信息的89.59%,其中PC1和PC2的累积贡献率分别为82.68%和6.91%。其中,在PC1中荷载系数较大的土壤指标pH值、土壤酶活性(过氧化氢酶、淀粉酶、多酚氧化酶、脲酶、磷酸酶)及Pielou均匀度指数与油菜生物量集聚,说明这些指标与油菜生物量密切相关,添加有机肥提高了土壤各项生化指标,显著提高作物的生物量;金属有效态含量与油菜各组织金属含量集聚,说明油菜组织的金属含量与金属有效态含量密切相关,土壤经有机肥改良后,作物组织中的重金属含量有效降低。在PC2中，荷载系数较大的Simpson指数和Shannon-Wiener多样性指数与生物量分离，说明这些指标仅在一定程度上对作物生物量有积极作用。在各项指标中,影响油菜生长的主要因子为Pb有效态含量,其次为Cd有效态含量,说明降低土壤中重金属有效态含量可以有效缓解重金属对作物的毒害。

图3 与PC1和PC2有关的各因素荷载系数

由图4 可知,4种有机肥处理可分为2大类:有机肥添加量为0和2.5%的处理归为一类,其 PC1 的得分均为正值;有机肥添加量为5.0%和10.0%的处理归为另一类,其PC1的得分均为负值。这与有机肥改良处理下油菜的生物量及土壤生化指标的变化规律相一致。

图4 不同有机肥处理的聚类结果

3 结论与讨论

在Cd、Pb复合污染酸性土壤中,Cd和Pb是抑制植物生长的主要因素之一[10],提高酸性土壤pH值能够降低重金属Cd和Pb活性,主要归功于土壤CEC含量增加[11]。在本研究中,在对照土壤中油菜生长受到严重抑制,添加有机肥后能够提高土壤pH值,显著降低重金属Cd和Pb有效态含量,从而增加油菜的生物量。提高土壤pH值可以诱导土壤表面负电荷增加,增强土壤颗粒对重金属的吸附[12],且有机肥中的腐殖质可以对重金属元素进行螯合而降低其毒性[13],从而使有机肥改良后土壤上油菜的生物量增加,并使各组织中Cd和Pb含量明显降低,这与招启柏等[14]利用改良剂固定Cd、Pb对烤烟生长影响的结果相似。主成分分析结果表明:在各项指标中,影响作物生长的主要因子为Pb有效态含量,其次为Cd有效态含量,说明降低土壤中重金属有效态含量可以有效缓解重金属对作物的毒害。

土壤酶是土壤中的生物催化剂,是土壤生态系统物质循环和能量流动的重要角色,土壤酶活性的高低能够反映土壤环境质量的好坏[15]。本研究中,5.0%和10.0%有机肥处理较对照显著提高了过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶和淀粉酶活性,说明有机肥改善了土壤环境，这主要与降低土壤中有效态重金属含量有关[16]。同时酶活性的高低也与土壤微生物数量有很大关系[17]。本研究结果表明，与对照相比，有机肥能够显著增加污染土壤中微生物Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数、Simpson指数,这与杜瑞英[18]的研究结果相似,说明有机肥对污染土壤环境具有明显改善作用。

本研究结果表明，施用有机肥处理油菜中重金属Cd和Pb含量较对照显著降低,10.0%有机肥处理油菜种子重金属含量最低,其Cd和Pb含量分别为未检出和1.71 mg/kg,但与《食品中污染物限量标准》(GB 2762—2005)中的Cd、Pb的限量值(0.1、0.2 mg/kg)相比,Cd含量达标,Pb含量超标7.55倍,说明利用这种有机肥改良Cd、Pb复合污染土壤未达到应有目的,可能需要与化学改良剂(如石灰石或石灰等)联合使用以提高土壤修复效果。

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Effect of Organic Manure on Rape Growth and Biological Characteristics of Lead and Cadmium Contaminated Acid Soil

LI Qingfei1,WANG Shixiang2,ZOU Fajun2

(1.College of Urban and Environmental Science,Xinyang Normal University,Xinyang 464000,China; 2.Xinyang Environmental Monitoring Station,Xinyang 464001,China)

In a pot experiment,the dose-response effects of organic manure(mass fractions 0,2.5%,5.0% and 10.0%) on the growth performance of rape and biological characteristics of lead(Pb) and cadmium(Cd) contaminated soil were studied,so as to provide technical guidance for control migration of cadmium and lead and rape safety production.The soil pH value,enzyme activities(catalase,urease,phosphatase,polyphenol oxidase and amylase activities),microbial diversity and the biomass of rape were significantly enhanced with the increase of application amount of organic manure,available contents of Cd,Pb and metal content in the plant each part were decreased with the increase of application amount of organic manure.The effect of 10.0% organic manure treatment was the best.Principal component analysis(PCA) revealed that the result of clustering of organic manure treatments accorded with the law of the changes in biomass of rape and soil biological characteristics.Among the growth indices of rape and soil biological characteristics,available content of Pb was the major contributor to inhibit the plant growth,the second was available content of Cd which could effectively relieve toxicity of crops by reducing the contents of available heavy metals in soils.

lead and cadmium contaminated soil; organic manure; biological characteristics of soil; rape

2016-10-08

国家自然科学基金面上项目(41671476)；信阳师范学院青年骨干教师资助计划项目(2013GGJS-01)

李清飞(1980-),男,河南封丘人,讲师,博士,主要从事环境保护教学与研究工作。E-mail:hnliqingfei@163.com

S156;S794.4;S154;X53

A

1004-3268(2017)03-0071-05