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含磷钝化剂对镉污染农田土壤酶活性的影响

2022-05-16吴春发关浩然张锦路张宇

江苏农业学报 2022年2期
关键词:土壤酶活性

吴春发 关浩然 张锦路 张宇

摘要:土壤酶活性是表征土壤修復成效的重要指标,含磷钝化剂是镉污染农田土壤常用的一类钝化剂。因此,研究不同含磷钝化剂对镉污染农田土壤酶活性的影响具有重要意义。本研究选用羟基磷灰石(HAP)、磷酸二氢钙(MCP)和磷酸氢二钠(DSP)3种典型含磷钝化剂作为供试钝化剂,对镉污染农田土壤开展了为期3个月的室内钝化修复试验,并测定了镉化学形态、土壤基本理化性质以及土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性。结果表明,3种含磷钝化剂的添加不仅改变了土壤pH、阳离子交换量、总磷含量和有效磷含量,还促进了土壤可交换态镉向有机结合态镉和残渣态镉转化,降低了镉的活性。其中,HAP具有更好的钝化效果。HAP对脲酶活性有显著的促进作用,MCP对酸性磷酸酶活性和过氧化氢酶活性分别具有显著促进作用和抑制作用,DSP对脲酶和酸性磷酸酶的活性均有抑制作用。在所选土壤环境因子中,土壤pH和碳酸盐结合态镉含量这2个因子对供试土壤酶活性的影响相对较大。碳酸盐结合态镉含量与脲酶、蔗糖酶活性显著负相关,钝化处理可能通过降低碳酸盐结合态镉含量来提高脲酶、蔗糖酶活性;土壤pH与酸性磷酸酶活性极显著负相关,与过氧化氢酶活性极显著正相关,钝化处理可能主要通过降低(提高)pH来促进(抑制)土壤酸性磷酸酶活性,主要通过提高(降低)pH来促进(抑制)过氧化氢酶活性。从钝化效率和对土壤酶活性影响的角度综合考虑,HAP比MCP、DSP更适合用于轻度镉污染农田土壤的钝化修复。

关键词:含磷钝化剂;钝化修复;镉污染;土壤酶活性

中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:1000-4440(2022)02-0361-08

Effects of phosphorus-containing passivators on enzyme activity in cadmium-contaminated agricultural soils

WU Chun-fa,GUAN Hao-ran,ZHANG Jin-lu,ZHANG Yu

(College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract:Soil enzyme activity is an important indicator to characterize the effectiveness of soil remediation, and phosphorus (P)-containing passivators are commonly used in cadmium (Cd)-contaminated farmland soils. Therefore, it is of great significance to study the effects of P-containing passivators on enzyme activity in Cd-contaminated agricultural soils. Three typical P-containing passivators including hydroxyapatite (HAP), calcium dihydrogen phosphate (MCP) and disodium hydrogen phosphate (DSP) were chosen as passivators for Cd-contaminated agricultural soils in a three-month indoor incubation experiment. Soil enzymes (urease, acid phosphatase, catalase and sucrase) activities, chemical forms of Cd and some physicochemical properties were determined. The results indicated that the application of three passivators altered soil pH, cation exchange capacity (CEC), total P content and available P content, and promoted the transformation from exchangeable Cd (CdEx)to Cd bound to organic matter (CdOM) and residual Cd (CdRes), resulting in the decrease of availability of Cd. In addition, HAP had a better passivation effect than MCP and DSP. HAP significantly enhanced soil urease activity, and MCP significantly enhanced soil acid phosphatase activity and descended soil catalase activity, while soil urease and acid phosphatase activities were decreased by DSP. Two soil factors, soil pH and the content of Cd bound to carbonates (CdCar), had relatively greater effects than other factors on soil enzyme activities. The content of CdCar was significantly negatively correlated with the activities of soil urease and sucrase, and passivation treatment might improve urease and sucrase activities by reducing CdCar content. The stimulated activities of soil acid phosphatase and catalase were probably attributed to the decreased and elevated pH respectively, which had negative correlation with the former and positive correlation with the latter. Therefore, HAP is more suitable for slightly Cd-contaminated agricultural soils than MCP and DSP according to passivation efficiency and soil enzyme activity.

Key words:phosphorus-containing passivators;passivation remediation;cadmium contamination;soil enzyme activity

江苏农业学报2022年第38卷第2期

吴春发等:含磷钝化剂对镉污染农田土壤酶活性的影响

镉作为农田土壤中常见的重金属污染物,具有较强的迁移能力和生物毒性,对中国的粮食安全和人类健康构成重大威胁[1-3]。通过添加钝化剂进行的钝化修复技术可有效降低土壤中镉等重金属的迁移能力和生物可利用程度,具有修复周期短、修复效率高、性价比高等优点[4-5],在农田土壤镉污染修复中受到一致好评[6-7]。在重金属污染土壤的钝化修复中,含磷钝化剂不仅可以明显降低镉的有效性,还可以作为磷肥促进作物增产,已大范围投入应用。含磷钝化剂种类较多,主要包括含磷矿物、磷肥、磷酸盐、有机-无机复合含磷材料等[8],而羟基磷灰石(HAP)、磷酸二氢钙(MCP)和磷酸氢二钠(DSP)是农田土壤钝化修复中较为常见的含磷钝化剂。其中,羟基磷灰石是一种具有特殊理化性质的磷灰石族矿物,对镉等重金属离子具有明显的吸附固定作用;磷酸二氢钙是一种水溶液呈酸性的微溶性无机磷酸盐,磷酸氢二钠是一种水溶液呈弱碱性的可溶性无机磷酸盐,二者均可直接与镉离子形成难溶性沉淀,并促进土壤颗粒对镉的吸附固定[9-11]。有研究结果表明,HAP、MCP和DSP这3种钝化剂对土壤中重金属具有良好的钝化性能[12-14]。

土壤酶在土壤内部众多化学反应进程中发挥着重要作用,酶活性是其催化能力和化学反应强度的评价指标[15]。其中,蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶是土壤中常见的4种酶,它们与土壤碳、氮、磷元素循环以及土壤氧化还原能力关系密切[16-17],可作为评价土壤肥力和土壤质量的依据[18-20]。此外,土壤酶活性还受重金属污染的影响[21-22],能够有效反映出土壤重金属污染修复效果[23-24]。迄今为止,重金属污染与土壤酶活性的关系以及修复技术对重金属污染土壤酶活性的影响[25-27]得到了不少学者的关注,但有关不同含磷钝化剂如何影响重金属污染农田土壤酶活性的系统研究还少有报道。因此,本研究拟以轻度镉污染农田土壤为供试土壤,选择HAP、MCP和DSP3种典型的含磷钝化剂作为供试钝化剂,通过室内钝化培养试验,探究 不同含磷钝化剂对土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性的影响,以期为农田土壤镉污染钝化修复中含磷钝化剂的筛选提供决策支持。

1材料与方法

1.1供试材料

供试土壤为潴育型水稻土,采自江苏省苏州市某镉污染农田的耕作层(31.4°N,121.1°E)。采集的土样在通风条件下自然风干,剔除杂质后粉碎过孔径2 mm尼龙筛备用。经分析测定,供试土壤pH为6.87,有机质含量为38.40 g/kg,总镉含量达1.00 mg/kg,超过农用地(水田)土壤镉污染风险筛选值66.7%,属于轻度镉污染。试验所用3种含磷钝化剂分别为羟基磷灰石(分析纯;上海源叶生物科技有限公司产品)、磷酸二氢钙(分析纯;国药集团化学试剂有限公司产品)和磷酸氢二钠(分析纯;上海毕得医药科技有限公司产品)。

1.2试验设计

称取12份供试土壤,每份100 g,按照3份一组将12份供试土壤随机分成4组,分别装入500 ml烧杯中。本试验中3种含磷钝化剂大致按镉污染土壤质量的1%并适当参考其摩尔质量进行添加[28-30],具体添加量见表1。按照HAP、MCP和DSP的添加量各称取3份,分别添加到随机抽取的1组3份装有供试土壤的烧杯中,用玻璃棒搅拌并确保钝化剂与供试土壤混合均匀,并分别记为HAP组、MCP组和DSP组;剩下1组不添加任何物质作为对照组(CK)。向每个烧杯中添加等量去离子水,确保土层上面有2.0~3.0 cm水层。现有研究的室内钝化培养试验大多培养2~3个月[31-33],本研究室内钝化培养试验培养3个月。培养期间土壤含水量维持在70%~80%,为避免水分蒸发速度过快并允许气体交换,烧杯口用保鲜膜封住,并用注射器针头在膜的正中央等间距扎出25个(5×5)直径为0.7 mm的圆孔,置于恒温培养箱(25 ℃±3 ℃)中培养。培养结束后将烧杯中的土壤取出,自然风干,粉碎过孔径2 mm尼龙筛,密封保存备用。

1.3分析测试方法

供试土壤经0.01 mol/L的CaCl2溶液浸提后,用校正后的pH计(PHS-25型)測定土壤pH;采用外加热-重铬酸钾氧化法测定土壤有机质含量;采用半微量开氏法测定土壤全氮含量;采用双酸消煮-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量;采用NaHCO3法测定土壤有效磷含量;采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量;采用乙酸铵交换法测定土壤阳离子交换量[34]。

土壤样品研磨过60目筛,用硝酸、氢氟酸和高氯酸提取后,利用Agilent 7900型电感耦合等离子体质谱仪测定镉全量。土壤中不同化学形态镉采用改进的连续浸提法[35]进行提取,然后使用AA-1800H型石墨炉原子吸收光谱仪分别测定5种形态镉的含量。

土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定,以测定培养24 h后1 g土样产生的NH3-N质量(mg)表示脲酶活性(mg/g);用磷酸苯二钠比色法测定土壤酸性磷酸酶活性,以测定培养24 h后1 g土样释放的苯酚质量(mg)表示酸性磷酸酶活性(mg/g);用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性,以测定培养20 min后1 g土样消耗的H2O2的质量(mg)表示过氧化氢酶活性(mg/g);采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性,以测定培养24 h后1 g土样生成的葡萄糖质量(mg)表示蔗糖酶活性(mg/g)[36]。

1.4数据处理

不同含磷钝化剂处理间土壤基本理化性质、镉化学形态以及酶活性的差异显著性,采用单因素方差分析(ANOVA),并使用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较。

采用Pearson相关性分析和通径分析,分析土壤基本理化性质、镉化学形态与酶活性之间的关系。

参照崔雪梅等[37]的研究方法,定量比较不同含磷钝化剂对4种酶活性的综合影响,利用主成分分析中各因子所在主成分和权重差异的思路比较不同钝化处理对4种酶整体活性的影响。

以上单因素方差分析、主成分分析、相关性分析和通径分析均在IBM SPSS(version 23.0)软件中完成。

2结果与分析

2.1不同钝化剂对土壤理化性质的影响

表2显示,HAP组和DSP组的土壤pH显著高于CK,而MCP组土壤pH显著低于CK。MCP组和DSP组土壤阳离子交换量(CEC)显著高于CK,并且MCP组土壤CEC比DSP组高。与CK相比,3种含磷钝化剂处理组土壤有机质含量和全氮含量无显著变化,但全磷含量和有效磷含量明显提高。此外,HAP组的速效钾含量显著高于其他处理组。

HAP在土壤中的溶解会消耗H+,同时HAP颗粒表面的OH-会被土壤中的F-和Cl-取代,从而大量释放,导致土壤pH升高[38];DSP是一种强碱弱酸盐,易水解产生OH-,从而导致土壤pH升高;MCP组土壤pH下降可能与其溶解生成磷酸钙的同时产生了磷酸有关[39-40]。MCP和DSP凭借较好的水溶性致使土壤中交换性钙、钠离子增加量明显大于交换性镉离子的减少量,进而使土壤CEC显著升高;HAP组土壤CEC的下降可能与HAP微溶于水致使土壤中交换性钙离子增加量低于交换性镉离子的减少量有关。不同处理组土壤有效磷含量的差异可能受钝化剂的添加水平、磷含量、溶解性以及土壤酸碱性影响[41-42]。此外,HAP组速效钾含量显著增加,这可能是钝化剂羟基磷灰石本身含有的钾元素进入土壤所致[43]。

2.2不同钝化剂对土壤镉化学形态的影响

图1显示,HAP组和DSP组土壤可交换态镉(CdEx)含量显著低于MCP组和CK,各组CdEx含量遵循HAP<DSP<MCP<CK。HAP组碳酸盐结合态镉(CdCar)含量显著低于MCP组和DSP组。此外,3种含磷钝化剂处理组土壤有机结合态镉(CdOM)和残渣态镉(CdRes)含量均显著高于CK。土壤中Cd的不同赋存形态在一定程度上反映了其溶解迁移能力和生物有效性[44],其中CdEx具有较强的移动性和有效性,CdCar、铁锰氧化物结合态镉(CdFeOx+MnOy)和CdOM具有潜在有效性,而CdRes则不具备有效性[35]。HAP组的CdEx含量最低,并且CdCar含量显著低于MCP和DSP组,这表明HAP具有更好的钝化效果。

3种含磷钝化剂均降低了土壤CdEx的含量,并使CdOM和CdRes的含量显著增加,这表明含磷钝化剂可显著降低镉的移动能力。3种含磷钝化剂在土壤中溶解后释放的磷酸根与土壤中的Cd2+发生了吸附、沉淀等作用,使土壤CdEx含量下降。HAP与DSP的添加显著提高了土壤pH,使土壤胶体和有机物颗粒表面产生更多的负电荷,进一步增大了镉的吸附量[28];MCP的添加显著降低了土壤pH,从而减弱了土壤对镉的吸附,这可能是HAP与DSP处理组CdEx含量低于MCP处理组的原因。此外,HAP对土壤中镉的固定作用还包括离子交换和重结晶过程中镉与钙的共沉淀[45],这些作用进一步提升了HAP的钝化效果。

2.3不同处理组土壤酶活性差异

图2显示,与对照相比,HAP组脲酶活性显著提高,而DSP组脲酶活性则显著降低。MCP和DSP分别对酸性磷酸酶活性产生了显著促进和显著抑制作用。与对照相比,HAP组和DSP组的过氧化氢酶活性无显著变化,而MCP组的过氧化氢酶活性显著降低。此外,HAP组蔗糖酶活性显著高于DSP组。整体来看,3种含磷钝化剂对蔗糖酶活性虽有不同程度的影响,但与CK组相比均无显著差异。

对4种土壤酶活性进行主成分提取(表3),2个主成分的表达式分别为:

Y1=0.289X1+0.375X2-0.213X3+0.362X4

Y2=0.550X1-0.164X2+0.702X3+0.144X4

式中,Y1、Y2表示土壤酶整体活性;X1~X4分别表示脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性。利用4种酶活性的标准化数据计算Y1和Y2的得分Q1和Q2,并参考主成分的方差贡献率,通过加权计算出总得分Q。4种土壤酶活性综合得分表达式为:

Q=0.624Q1+0.296Q2

由总得分公式计算各处理下酶活性的综合得分并进行排序,结果(表4)表明,不同含磷钝化剂对所选土壤酶活性有不同影响,HAP和MCP提高了4种酶的整体活性,其中HAP处理后4种酶的整体活性最高,而DSP则降低了4种酶的整体活性。不同钝化处理组中4种酶的整体活性遵循HAP>MCP>DSP。此外,与对照相比,HAP处理中4种酶的活性均有不同程度的提高(图2),因此,在3种含磷钝化剂中,HAP最有利于轻度镉污染农田土壤酶活性的恢复。

2.4土壤环境因子与酶活性的关系

土壤部分环境因子与土壤酶活性的相关性分析结果(表5)表明,脲酶活性与CEC、有效磷含量、CdCar含量显著负相关,与CdRes含量显著正相关。酸性磷酸酶活性与土壤pH、CdOM含量显著负相关。过氧化氢酶活性与土壤pH和CEC分别表现出显著正相关和显著负相关。蔗糖酶活性与CdCar含量显著负相关。

进一步比较与酶活性相关性较强的土壤环境因子对酶活性影响的大小,部分环境因子与4种酶活性的通径分析结果(表6)显示,在所选5种环境因子中,CdCar含量对脲酶活性的直接影响不大,但因子间的间接通径系数之和的绝对值却最大,这表明CdCar含量是影响脲酶活性的主要因素,其对脲酶活性表现为间接影响。土壤pH对酸性磷酸酶活性和过氧化氢酶活性的直接通径系数绝对值和通径系数总和绝对值均最大,說明pH主要对这2种酶活性表现出直接影响力。此外,与其余4种因子相比,CdCar含量对蔗糖酶活性表现出较强的直接作用,其可能是影响蔗糖酶活性的主要因素。

现有研究结果表明,土壤酶活性受土壤pH、土壤肥力和有效态镉的影响,高肥力土壤中的酶活性往往较高,而有效态镉可抑制土壤酶发挥作用[15]。在本研究中,与对照相比,钝化剂的添加明显提高了土壤磷素含量,但MCP、DSP处理后土壤有机质、全氮、速效钾含量均无显著变化,说明供试土壤的主要肥力因子可能不是影响酶活性的主要因素,并且相关性分析和通径分析结果进一步显示土壤pH和CdCar含量可能是影响酶活性的主要因素。此外,CdEx含量和CdCar含量对脲酶活性有抑制作用,且脲酶在中性土壤中具有更高的活性[9]。因此,HAP处理可能是通过降低CdCar含量来影响其他环境因子,进而间接提高脲酶活性,并且HAP处理后中性的土壤pH环境可进一步促进脲酶活性。MCP和DSP的添加显著改变了土壤酸性磷酸酶活性,这可能与MCP、DSP的添加显著改变了土壤pH有关。此外,pH与酸性磷酸酶活性显著负相关,这与Dick等[46]研究结果相符,且pH对酸性磷酸酶活性表现出直接影响,这说明钝化处理可能主要通过改变供试土壤的pH来直接影响酸性磷酸酶活性。另外,也有研究发现,外源添加的磷酸盐可直接通过减少植物根系和土壤微生物合成、分泌酸性磷酸酶来降低其活性[47]。然而,pH与过氧化氢酶活性显著正相关,这Wu等[23]研究结果一致,并且在5种环境因子中其对过氧化氢酶活性表现出直接影响,这说明MCP处理可能主要通过降低土壤pH直接抑制了过氧化氢酶的活性。此外,CdCar含量对蔗糖酶活性的影响表现在直接影响上,含磷钝化剂可能是通过降低CdCar含量提高蔗糖酶活性,这可能是造成HAP组蔗糖酶活性显著高于DSP组的原因。

3结论

3种含磷钝化剂的添加改变了土壤pH、CEC、全磷含量、有效磷含量及镉形态特征,HAP处理降低土壤CdEx含量效果最优,且其CdCar含量显著低于MCP和DSP处理组,HAP具有更好的钝化效果。

土壤pH和CdCar含量是对供试土壤酶活性影响较大的2个主要因素,HAP处理可能通过降低CdCar含量间接提高土壤脲酶活性;MCP、DSP处理可能主要通过改变土壤pH,分别对土壤酸性磷酸酶的活性产生促进作用和抑制作用,分别对过氧化氢酶的活性产生抑制作用和促进作用;钝化处理还可能通过降低CdCar含量来缓解对蔗糖酶的抑制。

钝化剂处理后,HAP处理组4种酶活性均有不同程度的提高,从钝化效果和土壤酶活性的角度考虑,HAP比MCP、DSP更适合用于轻度镉污染农田土壤的钝化修复。

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(责任编辑:王妮)

收稿日期:2021-06-06

基金项目:国家级大学生创新训练计划项目(201910300039Z);国家重点研发计划项目(2019YFC1804704)

作者简介:吴春发(1978-),男,安徽池州人,博士,副研究员,主要从事环境污染与修复研究。(E-mail)wchf1680@sina.com

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