蚓粪基复合阻控剂施用下土壤-蔬菜体系中Cd 的迁移转化特征研究

李珍珍，沈旭阳，王依凡，黄玲灵，王 峰，缪丽娟，朱维琴

（杭州师范大学生命与环境科学学院/杭州市生态系统保护与恢复重点实验室，杭州 311121）

近年来，土壤重金属污染问题日趋严峻，据2014 年《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国土壤重金属总点位超标率为16.1%，其中Cd 污染最为严重，其点位超标率达7.0%［1］。同时，中国农田土壤和蔬菜亦存在一定程度的Cd 污染。Ye 等［2］对浙江省土壤-蔬菜系统中重金属含量进行研究，发现蔬菜中重金属含量与土壤中重金属含量呈正相关关系，且Cd 比其他重金属更易在蔬菜中富集；张怀志等［3］对潍坊市多个菜地进行抽样检测发现，土壤中Cd 含量明显超标，是山东省土壤环境背景值的3.21倍。因此，有效阻控土壤-蔬菜系统中Cd 迁移转化，实现污染农田蔬菜安全生产迫在眉睫。

另一方面，中国畜禽养殖业的集约化、规模化发展亦产生了大量畜禽粪便废弃物，并对生态环境造成极大压力。据农业农村部数据显示［4］，中国每年产生畜禽粪便约40 亿t，资源化利用率在75%左右，仍有近10 亿t 的畜禽粪亟待处理。畜禽粪便中含有大量N、P，未经妥善处理排入环境将导致严重的污染问题，若处理得当可用作有机养分资源，实现废弃物资源化利用。因此，探寻有效的畜粪资源化处理技术刻不容缓。畜禽粪经蚯蚓肠道消化处理后可以产生富含腐殖酸和粗灰分团聚体的蚓粪［5］，蚓粪可以用于改良土壤结构，改善土壤通气透水性，增加土壤容重，促进农作物生长发育［6］；蚓粪还可以明显降低农产品中Cu、Zn、Cd、Cr 等含量［7-9］。可见，将畜禽粪生产为蚓粪并施用于土壤可以达到增强土壤肥力、促进农作物生长及降低土壤中重金属污染风险的多重目的。此外，中国还有丰富的贝壳资源，其中，贻贝壳表面粗糙，比表面积较大，亦对土壤重金属等具有良好的吸附性能［10］。Beatriz 等［11］研究发现，贻贝壳对 Cu、Cd、Ni 和 Zn 均具有良好吸附性；David 等［12］发现贻贝壳可以固定土壤中的 Cd、Cu、Ni、Pb 和Zn，并降低土壤重金属污染风险。然而，目前基于重金属污染农田土壤安全生产及重金属迁移阻控的有机无机复合阻控剂的相关研究较为鲜见。

因此，本研究以蚓粪为基体材料，贻贝壳粉及其改性物为辅料，通过复配优化获得蚓粪基复合阻控剂，比较蚓粪基复合阻控剂施用下重金属在土壤-蔬菜体系中的迁移富集及形态转化差异特征，旨在为菜地土壤重金属污染的安全阻控及废弃物资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采集于浙江省杭州市余杭区某农田20 cm 以上土壤，自然风干，剔出异物后过2 mm 筛。然后添加0.5 mg/kg Cd 于土壤中，调节其相对含水量到70%，培养7 d 左右，风干，过2 mm 筛备用。蚓粪购买于杭州某公司，标记为V，风干磨碎后过2 mm筛备用。贻贝壳来自杭州某水产养殖场，工厂机械粉碎后制得贻贝壳粉（标记为S），再由贝壳粉经煅烧改性后获得贻贝壳改性物（标记为SC），均过0.15 mm 筛后备用。然后，以蚓粪为基体材料，以贻贝壳粉和贻贝壳改性物分别为辅料，按9∶1的比例制备蚓粪基复合阻控剂，并分别标记为VS和VSC。

1.2 盆栽试验

向风干、过2 mm 筛的供试污染土壤中分别按5%和10%水平添加V、VS 和VSC，分别标记为V-5%、V-10%、VS-5%、VS-10%、VSC-5%、VSC-10%。同时设置无任何添加空白对照（CK）和添加基肥对照（JF），共8 个处理。每盆污染土壤重量为350 g，挑选颗粒均匀且饱满的苋菜种子种植到花盆中，每7 d记录一次株高，植物生长45 d 后收获。植物样品分为地上（茎叶）和地下（根系）两部分，清洗干净后自然晾干，然后于105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干24 h 后称干重。

1.3 分析方法

样品中Cd 全量测定采用 HNO3-HClO4消煮法［13］；有效态 Cd 含量的测定采用 DTPA 法［14］，Cd 形态分级采用BCR 连续提取法［15］，其中铁锰态、交换态、有机结合态与残渣态分别记作FeMnOX、EXCH、OM 及RESD，并用原子吸收分光光度计（Shimadzu AA-6300 型，日本）对蔬菜中Cd 的含量进行测定［16］。

1.4 数据处理

采用Excel 软件进行数据统计，用Statistic 软件对数据进行分析，用Origin 9.0 软件制作相关图表。

2 结果与分析

2.1 苋菜生长状况变化

由图 1 可见，与 CK 和 JF 相比，V、VS 和 VSC 处理下苋菜株高均有不同程度的提高，且以V-10%处理促进效果最好，显著高于CK、JF 和VSC 处理。另由苋菜地上部分干重可知，各处理苋菜地上部分干重为 0.113～0.513 g/株，且与 CK 相比，各处理苋菜地上部分干重均有增加，其中V-5%、V-10%、VS-10%处理分别显著增加了270%、354%与312%，这可能与蚓粪或贻贝壳为作物生长提供一定肥力有关。丛玮玮等［17］亦研究发现，适量蚓粪可以改善底泥理化性质，提高土壤肥力；Paz-Ferreiro 等［18］亦报道表明，贻贝壳可以提高土壤中微生物的活性与土壤肥力，从而促进作物生长。综上，蚓粪及其复合阻控剂添加均可促进苋菜可食部位的生长，尤以10%纯蚓粪添加水平施用下促进效果最优。

图1 苋菜生长状况变化

2.2 苋菜中Cd 含量及富集系数变化

由表 1 可见，CK 和 JF 处理苋菜地上部分 Cd 含量分别为3.86 mg/kg（干重）和4.21 mg/kg（干重），与CK 和 JF 处理相比，V、VS 及 VSC 处理下苋菜地上部分 Cd 含量下降至0.17～1.48 mg/kg（干重），且 VS 及VSC 处理下苋菜地上部分Cd 含量显著低于V 处理。此外，与CK 相比，JF 处理苋菜根系中Cd 含量上升，而V-10%、VS-10%、VSC-5%及VSC-10%处理苋菜根系中Cd 含量均显著降低，其中尤以VSC 处理降低效果最明显。可见，蚓粪及其复合阻控剂10%施用水平下均可降低苋菜地上部分及根系Cd 含量，但VSC 处理对苋菜地上部分和根系Cd 含量的阻控效果更优。

生物富集系数（BCF）可客观反映作物从土壤环境中吸收或摄取重金属的能力［19］，BCF 越小则说明重金属愈难由土壤向作物迁移。由表1 可知，各处理苋菜可食部位中 Cd 的 BCF 为 0.15～3.23，与 CK 相比，其他各处理可食部位中Cd 的BCF 均显著变小，其中，VS 及 VSC 处理可食部位中 Cd 的 BCF 显著小于 V 和 JF 处理。综上，与 CK 和 JF 处理相比，蚓粪及其复合阻控剂处理对苋菜地上部分和根系Cd 含量均有不同程度的降低，且均显著降低了苋菜对Cd 的富集能力，整体来看，蚓粪基复合阻控剂处理效果优于纯蚓粪。

表1 苋菜中Cd 含量及富集系数变化

2.3 土壤中全量Cd 及有效态Cd 含量变化

如图2 所示，各处理土壤中全量Cd 为0.967～2.587 mg/kg，与 CK 相比，JF 处理土壤中全量 Cd 显著高于其他处理。重金属全量只能反映重金属在土壤中的潜在储量［20］，而土壤中有效态重金属含量则直接决定了其生物有效性和对环境的危害程度［21］。CK 和JF 处理的有效态Cd 含量较高，分别为0.653 mg/kg 和 0.943 mg/kg。与 CK 和 JF 处理相比，V、VS及VSC 处理有效态Cd 含量均显著降低，为0.236～0.372 mg/kg（图2）。土壤重金属的生物有效性是指土壤重金属在生物体内吸收、积累或毒性程度［22］，其可以反映土壤环境的污染程度。与CK 相比，各处理生物有效性均有不同程度的降低，其中VS-10%与VSC-10%处理降低效果较优（图2）。可见，添加蚓粪基复合阻控剂处理后土壤中Cd 的生物有效性明显降低，这与郭茹等［23］的研究具有一致性。综上，施加蚓粪及其复合阻控剂能不同程度降低土壤中Cd 有效态及生物有效性系数，且蚓粪基复合阻控剂降低效果优于纯蚓粪处理，其中又以10%添加水平降低效果较好。

图2 土壤中全量Cd 及有效态Cd 含量变化

2.4 土壤中Cd 形态分级变化

如图3 所示，各处理土壤中Cd 形态分级中EXCH 占 比 为 62.30%～87.93%，FeMnOX 占 比 为12.07%～37.70%，而 OM 和 RESD 均未检出。可见，各处理土壤中Cd 主要存在形态为EXCH 和FeM-nOX，而EXCH 和FeMnOX 在重金属形态分级中活性较高，易被植物吸收［24］，因此被称为有效态。可知，土壤中Cd 稳定程度低，易迁移转化，存在较大环境风险，而 V、VS 及 VSC 施用对土壤中 Cd 形态分级变化不明显，这可能与土壤中Cd 含量较低有关。综上，各处理土壤中Cd 存在形态均为有效态，环境潜在风险高，蚓粪基复合阻控剂施用下Cd 形态差异变化不明显。

图3 土壤中Cd 形态分级变化

3 小结

1）蚓粪及蚓粪基复合阻控剂均不同程度促进了苋菜的生长发育，尤以10%添加水平下助长效果更佳。此外，与空白对照和添加基肥对照相比，蚓粪及蚓粪基复合阻控剂施用均可以降低苋菜地上部分和根系中Cd 含量，降低其富集能力，且蚓粪基复合阻控剂处理效果优于纯蚓粪。

2）与空白对照和添加基肥对照相比，施用蚓粪及其复合阻控剂均能降低土壤中有效态Cd 含量及生物有效性系数，且蚓粪基复合阻控剂降低效果优于纯蚓粪，且以10%添加水平效果更优，但各处理土壤中Cd 存在形态均为有效态，可见蚓粪基复合阻控剂施用下Cd 形态差异变化不明显，这可能与土壤中Cd 添加含量较低有关，因此，有关蚓粪基复合阻控剂施用下土壤中Cd 形态差异变化还有待进一步的研究。