蚕沙钝化修复复合重(类)金属污染土壤的效果及对小白菜生长的影响

杨继刚, 石圣杰, 赵平平, 李增飞, 吴子涵, 刘梓清, 黄 淏, 冯人伟

(1.福建农林大学资源与环境学院环境微生物研究所，福建 福州 350002；2.广西大学农学院，广西 南宁 530004；3.福建农林大学农学院，福建 福州 350002)

采矿、冶炼等人类活动已导致砷(As)、镉(Cd)、锑(Sb)、铅(Pb)、锌(Zn)等重(类)金属向环境中大量释放，这些重(类)金属通过土壤易在植物体内富集，经食物链进入人体，可对人类带来潜在的健康风险[1-2].锡矿山锑矿(湖南省冷水江市)是世界上最大的锑矿，具有两百多年的采矿历史[3].调查发现[4]，锡矿山尾矿周围土壤重(类)金属Sb、As、Pb和Cd浓度较高，平均值分别为1654.46、105.40、39.31和1.18 mg·kg-1.其中:As和Cd分别是《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)，GB 15618—2018》[5]规定限值的3.51和3.93倍；Sb是世界卫生组织(WHO)规定限值(36 mg·kg-1)的45.96倍[6].因此，锡矿山及周边受重(类)金属污染的土壤亟需修复.

土壤原位钝化修复技术相对于物理和生物修复技术而言，操作简单，治理费用相对较低，能大面积推广[7].利用生物炭作为钝化剂可显著降低重金属对作物的毒害[8]；而蚕沙(silkworm excrement,ACS)是一种良好有机肥，并且能作为钝化材料修复重(类)金属污染土壤，降低作物对重(类)金属的吸收富集.例如，在污染土壤(pH 5.5～6.5)中添加0.5%、1.0%、2.0%蚕沙后，不仅增加了土壤中有机质的浓度，促进了白菜生长，而且降低了根和茎中Zn、As、Cd和Pb的浓度，其在2.0%的添加量下效果最佳[9].蚕沙是指蚕的固体排泄物，包括食剩的残留桑叶和蚕座垫料一起收集作为肥料来源[10]，是一种农业废弃物.随着国家“东桑西移”战略的布局, 蚕业得到了迅速发展，使养蚕后得到的蚕沙未得到充分利用或被丢弃，对资源造成了浪费；而且蚕沙中含有铜(Cu)、铁(Fe)和锌(Zn)等微量元素，富含叶绿素、果胶、黄酮、生物碱和类肾上腺皮质激素等，是一种极具开发价值的资源[11].

蚕沙主要通过如下机制修复重金属污染土壤：(1)提高土壤pH值，降低一些重金属的有效态含量.在养蚕过程中需要向蚕的培养基质中添加石灰进行消毒，导致部分石灰残留于蚕沙中；此外，蚕沙中的有机酸和灰分在土壤中不断分解，部分矿质元素如钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)等溶于水后使溶液呈碱性，使蚕沙添加在土壤中呈碱性[11].(2)蚕沙具有较大的比表面积、发达的孔隙结构、丰富的表面含氧官能团和表面极性[12]，这些性质使其对土壤重(类)金属具有良好的吸附能力.

前期的研究表明，在酸性土壤条件下，蚕沙能有效降低作物对多重重(类)金属的吸收富集，且2.0%蚕沙的效果最佳[9,13].但在(弱)碱性条件下，蚕沙是否具有相似的钝化效率还未知，需要有针对性的研究加以明确.因此，以湖南锡矿山锑矿多重重(类)金属污染农田土壤作为供试土壤(pH 7.5)，通过盆栽试验，研究添加2.0%蚕沙对小白菜的影响，以评估蚕沙在弱碱性土壤中修复受多重重(类)金属污染的风险，以期为矿区污染农田修复提供依据.

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤采于锡矿山附近的矿山乡洞下村(111°50′E，27°80′N)农田土壤(表层土，20 cm).土壤经自然风干，剔除杂质后过20目尼龙筛，充分混合装袋备用；供试蔬菜为青梗菜(Brassicarapavar.chinensis)，又名小白菜，品种为新西兰2号.种子来源于福州金铭种业有限公司；钝化剂蚕沙产于浙江省嘉兴市桐乡市，为2～4龄蚕沙.

1.2 方法

取部分过筛土壤充分混匀，过100目筛备用(表1).土壤理化性质：pH 7.5，电导率109.8 μs·cm-1，有机质含量28.06 g·kg-1，全氮、全磷、速效磷和速效钾含量分别为0.460、0.200、0.017和0.130 g·kg-1.钝化剂蚕沙的理化性质：pH 8.11，全磷含量1.17 g·kg-1，速效磷0.51 g·kg-1，重(类)金属Cd、Sb、Pb、Cu、Mg、Zn、K和锰(Mn)含量分别为0.09、5.94、1.25、7.95、27.62、18.16、156.64和182.34 mg·kg-1.

表1 供试土壤中的重(类)金属含量Table 1 Heavy metal/metalloid contents in the soil tested (mg·kg-1)

在生产过程中，蚕沙经常作为一种有机肥施加进土壤，且其含有较高含量的N、P和K，因此，本试验未向土壤中添加N、P和K等基肥.称取2.0 kg过20目的供试土壤，同时添加2.0%蚕沙(0.04 kg)与土壤充分混匀，置于盆钵中(10 cm×18 cm，下端封闭)，以不加蚕沙为对照(CK)，每个处理设置4个重复.装盆后，加去离子水至田间持水量的70%，平衡7 d后每盆播入3颗籽粒饱满的小白菜种子.本试验于莲座期利用1%的尿素进行叶面追肥.温室培养条件为:光照控制(时间7:00—19:00;强度260～350 μE·m-2·s-1)，温度控制(7:00—19:00，25 ℃；19:00—6:00，20 ℃)，每个盆钵每天浇100 mL去离子水.

小白菜生长30 d后取样，取样前利用CIARS-2便携式光合作用系统(PP Systems, Herts, UK)在9:30—12:30，测定小白菜叶片的光合参数.收获整个植株，将植株分为地上部分和地下部分，分别测量生物量.然后取部分鲜样测定叶绿素含量(NY/T 3082—2017).剩余植物样品烘干(65 ℃，48 h)并磨碎备用.同时收集小白菜根际土壤(抖落根系附着土壤后，用毛刷刷落根系表面的土壤)，经自然风干剔除杂质后过100目尼龙筛，测定元素含量.土壤和植物样品分别用5.0 mL HNO3、3.0 mL HF、2.0 mL H2O2和5.0 mL HNO3、2.0 mL H2O2混合液在微波消解仪中消解[4-15]，测定采用电感耦合等离子体质谱法.

1.3 土壤中重金属污染的评价方法

1.3.1 单因子污染指数法 单因子污染指数(single factor pollution index method, PI)是指某一污染物影响下的环境污染指数，按下列公式计算：

PI=Ci/B

(1)

式中：PI为土壤中元素i的单因子污染指数，Ci为元素i的浓度实测值(mg·kg-1)，B为土壤背景值[16].PI污染等级为:(1)PI≤1.0,低污染；(2)1.0

1.3.2 潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数法(potential ecological risk index method, RI)是将重金属含量、毒性和生态环境效应联系起来，对生态风险进行评价；它已成为评价环境中重金属生态危害的主要方法.

计算公式如下[18]：

(2)

(3)

1.4 数据统计分析

采用配对T检验比较各处理的显著性(P<0.05).数据统计分析采用SPSS 18.0软件，并用Origin 2020软件作图.

2 结果与分析

2.1 供试土壤的污染等级评估

表2 供试土壤的单因子污染指数Table 2 Singlepollution index of the soil tested

重(类)金属Sb、As、Pb和Cd的PI均≥3.0，为严重污染；而Cu的PI为1.5，属于中度污染；PI依次为Sb>Cd>As>Pb>Cu，其中Sb和Cd的PI高达212.7和55.0(表2).

重(类)金属Sb、Cd、As、Cu和Pb的分别为1 488.9、1 650.0、129.0、7.5和10.0；Sb和Cd的污染等级为极高危风险；As为中高风险；Cu和Pb属于低风险；依次为Cd>Sb>As>Pb>Cu.综合潜在生态危害指数(RI)高达3 285.4，RI>600.0，属于极高危风险(表3).

表3 供试土壤的潜在生态危害指数Table 3 Potential ecological risk index of the soil tested

2.2 添加2%蚕沙对小白菜生长的影响

小白菜种植30 d时，发现添加2.0%蚕沙(ACS)与CK相比差异显著，ACS处理下小白菜的生长优于CK处理组(图1A)；ACS的株高和根长都优于CK(图1B).

ACS：蚕沙.图1 添加蚕沙对小白菜生长的影响Fig.1 Effect of silkworm excrement application on the growth of B.rapa

在土壤中添加2.0%蚕沙使小白菜根长、株高、根鲜重、叶鲜重和叶干重均显著增加(P<0.05).其中叶鲜重效果最显著，增加了6.2倍(图2).

不同字母表示不同处理水平间差异性显著(P<0.05)，ACS：蚕沙.图2 添加蚕沙对小白菜生长指标的影响Fig.2 Effect of silkworm excrement application on the growth indexes of B.rapa

2.3 添加蚕沙对小白菜光合特性的影响

2.3.1 对叶绿素含量的影响 添加2.0%蚕沙使小白菜的叶绿素a、b及总含量显著增加，与CK相比，分别增加了28.0%、72.0%和40.0%，其中叶绿素b的增幅最显著(图3).

不同字母表示不同处理水平间差异性显著(P<0.05)，ACS：蚕沙.图3 添加蚕沙对小白菜叶绿素的影响Fig.3 Effect of silkworm excrement application on chlorophyll contents of B.rapa

2.3.2 对光合特性的影响 添加2.0%蚕沙(ACS)和CK相比，使小白菜的蒸腾速率、气孔导度和净光合速率显著增加，分别增加了18.5%、8.5%和35.5%；而胞间CO2浓度显著降低，降低了5.4%(图4).

不同字母表示不同处理水平间差异性显著(P<0.05)，ACS：蚕沙.图4 添加蚕沙对小白菜光合特性的影响Fig.4 Effect of silkworm excrement application on photosynthesis characteristics of B.rapa

2.4 添加2%蚕沙对小白菜各器官中重(类)金属总量的影响

与对照相比，添加2.0%蚕沙(ACS)显著降低了小白菜根系中Sb和Cd的含量，分别达38.5%和30.8%；也显著增加了小白菜叶片中的Cd和Cu含量，分别达52.8%和44.9%(图5).

黑色柱表示根，条纹柱表示叶.不同字母表示不同处理水平间差异性显著(P<0.05)，ACS：蚕沙.图5 添加蚕沙对小白菜根、叶部重(类)金属总量的影响Fig.5 Effect of silkworm excrement application on heavy metal accumulation patterns in different organs of B.rapa

3 讨论

3.1 锡矿山周边土壤重金属污染风险

本试验表明：供试土壤重(类)金属污染严重，综合潜在生态危害指数为极高危风险，其中Sb和Cd的单因子污染指数最高，其次是As、Pb和Cu.库文珍等[20]运用地积累指数法、单因子指数法对锡矿山及周边土壤重(类)金属进行污染评估也发现类似结果，其中As的污染指数与本试验的单因子污染指数有差异，但与单因子潜在生态危害指数的结果相同.

3.2 蚕沙促进小白菜生长及其与光合调控之间的关系

蚕沙属于优质有机肥，有机质含量高(占总干重的77.68%～81.15%)，氮(N，2.97%)、磷(P2O5，1.03%)、钾(K2O，3.52%)等营养丰富[21]，能够促进植物生长.同时蚕沙含有大量微量元素，如Cu、Zn、K、Mg和Mn；而这些元素对光合作用具有重要作用.如Cu是电子传递链中质蓝素的组成成分.研究表明[22]，向土壤中添加50.0 mg·kg-1的Cu,能促进骆驼蓬叶片叶绿素的合成、增加光合速率.本试验添加2.0%蚕沙与对照相比增加了小白菜叶片中Cu的含量,促进了小白菜叶绿素和有机物质合成,使添加2.0%蚕沙的小白菜生长优于对照.

同时植物的光合效率影响其产量.研究表明[23]：植物的有机物直接或间接来自光合作用，提高作物光合效率是增加作物产量的有效途径.在光合参数中，气孔导度和净光合速率反映了叶片的光合效率，也是影响净光合速率的初始因素[24].本试验添加2.0%蚕沙增加了小白菜叶片中的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度(图4)，从而使小白菜的生物量增加.瞿廷广等[25]也有相同的报道，添加蚕沙对3种叶菜类蔬菜的生物量、叶绿素含量均有显著促进作用.

在逆境条件下，导致净光合速率下降的自身原因主要有气孔限制和非气孔限制(叶肉细胞光合活性下降)两类：当净光合速率和胞间CO2浓度都降低时，由气孔限制引起；相反，则由叶肉细胞光合活性下降引起[26].本试验中添加2.0%的蚕沙虽使小白菜叶片的净光合速率显著增加，但降低了胞间CO2浓度；可推测添加2.0%蚕沙提高了小白菜叶片净光合速率，其由非气孔限制的叶肉细胞光合活性提高导致.

3.3 蚕沙促进小白菜生长及其与重(类)金属吸收之间的关系

在本试验中，添加2.0%蚕沙使小白菜根系中Cd的含量显著降低，这与之前研究结果一致，其可能源于蚕沙提高了土壤pH值，从而导致土壤Cd的有效性降低[9].同时，蚕沙含有一些基团，例如巯基，可与Cd结合，降低了土壤Cd的有效性[13].增加的土壤pH值会导致土壤中Sb的有效性增加[7-28]，从而增加植物对Sb的吸收.但是本试验中小白菜根系Sb的含量降低，这可能是由于蚕沙本身是一种有机质，其含有大量基团，有机质可能与Sb进行结合，使得Sb被固定[29].

添加2.0%的蚕沙使小白菜叶片中Cd和Cu的含量显著增加，其中Cu含量的增加可能源于蚕沙中富含Cu，从而增加了土壤中Cu的含量.Cu被植物吸收后参与到光合反应中，从而显著提高了叶片中Cu的含量.

蚕沙的加入促进了小白菜的生长，增加了其蒸腾速率，使得小白菜叶片对营养元素的需求增加，导致根系阳离子例如Cu和Cd向地上部分转移.也有研究表明[30]，小白菜可食用部分(叶片)对Cd的富集能力非常强，优于其他叶菜类蔬菜，这可能是叶片中Cd显著增加的原因.

4 结论

(1)该农田土壤已受到Sb、As、Cd、Pb和Cu的严重污染，其综合潜在生态危害指数为极高危风险；其中Sb、As、Cd和Pb的单因子污染指数等级为严重污染；Sb和Cd的单因子潜在生态危害指数等级为极高危风险，As为中高危风险.

(2)利用蚕沙作为钝化剂，在多重重(类)金属污染的土壤(pH 7.5)中添加2.0%蚕沙不仅能够使资源合理利用，而且能够提高土壤肥力，促进小白菜的生长，使其气孔导度和蒸腾速率显著增加，减轻了重(类)金属的毒害，同时降低了小白菜根系中的重(类)金属Sb、Cd和Pb的含量，但未降低叶片中Cd的含量；经食物链进入人体，易在人体内富集，因此具有一定的健康风险.在弱碱性土壤(pH 7.5)条件下，添加2.0%蚕沙虽然减缓了重(类)金属毒害，促进了小白菜生长和光合参数，但钝化效果没有在酸性条件下优，后续可以通过对钝化剂蚕沙进行改性研究，了解其在碱性条件下对重(类)金属污染土壤的钝化效果.