不同肥料不同作物對鉛污染土壤修復(fù)及酶活性的影響

楊繼飛，郭卓杰，李 濤，王效舉，程紅艷

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

由于工業(yè)的快速發(fā)展、城市化的不斷加快，我國的耕地面積不斷縮小。與此同時，由于我國的發(fā)展實行先污染后治理的模式，很多企業(yè)都沒有環(huán)保意識，大量的工業(yè)廢棄物沒有經(jīng)過處理就被直接排放到大氣、河流中，加劇了環(huán)境中污染物的含量。而土壤污染往往又具有危害性大和持續(xù)時間長的特點[1]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)近年來的調(diào)查，我國24個省城郊、污水灌溉利用區(qū)、工礦等經(jīng)濟發(fā)展較快地區(qū)的320個重點污染區(qū)中，污染超標(biāo)的大田農(nóng)作物種植面積有60.6萬hm2，占監(jiān)測調(diào)查總面積的20%；其中，重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與面積分別約占污染物超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品總量與總面積的80%以上[2]，而鉛是污染中常見的重金屬元素。我國土壤鉛污染形勢十分嚴(yán)峻。全世界平均每年排放的Pb達(dá)到500萬t左右[3]。我國大多數(shù)土壤含鉛量在10～80 mg/kg之間，平均為25 mg/kg，其中，含鉛量最高的是我國北方石灰性土壤，為30～70 mg/kg[4]。全國土壤背景值基本統(tǒng)計量的結(jié)果表明，3 938個樣點所獲得的鉛的算術(shù)平均值為（26.0±12.37）mg/kg[5]。張中一等[6]對南京市郊菜地土壤有代表性的25個樣品的全量Pb進行測定表明，92%的供測樣品數(shù)值大于背景平均值，均值達(dá)到29.7 mg/kg。由于重金屬難以降解，在生物體內(nèi)長期積累，通過食物鏈沉積到人體后，會引起各種疾病，危害甚至能遺傳到下一代，嚴(yán)重為害人類健康。目前，生態(tài)環(huán)境不同程度受到重金屬的污染[7]。由于重金屬污染會降低土壤的酶含量，而土壤中的所有生物參與的反應(yīng)都離不開酶的參與[8]，同時酶活性也是衡量土壤生物學(xué)活性和土壤健康的重要指標(biāo)[9]。土壤重金屬污染是全球面臨的一個急待解決的環(huán)境問題，植物修復(fù)對于重金屬污染土壤的治理修復(fù)具有重要意義[10]。而植物修復(fù)的優(yōu)點是：費用低、避免了二次污染、減少了對土壤結(jié)構(gòu)的破壞、不會破壞土壤生態(tài)環(huán)境[11]。

本試驗通過研究施用菌肥、腐殖酸對作物酶活性的影響，旨在找出能提高土壤酶活性的施肥方法，為有效提高重金屬污染土壤的植物修復(fù)效果提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種為長玉16號，高粱品種為沈雜8號，蓖麻品種為晉蓖麻5號，向日葵品種為花葵。外源鉛為Pb（CH3COOH）2（化學(xué)純）。

試驗土壤為生土，質(zhì)地為壤質(zhì)土，其基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)含量3.51 g/kg，pH值7.92，速效氮60.93mg/kg，速效磷2.046mg/kg，速效鉀126.22mg/kg。

1.2 試驗處理與設(shè)計

盆栽試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境實驗站大棚內(nèi)進行，所有試驗設(shè)置的土壤鉛基礎(chǔ)含量都達(dá)到了國家二級標(biāo)準(zhǔn)（350 mg/kg）。設(shè)空白試驗單施鉛（Pb）、重金屬Pb與菌肥混合施用（Pb＋J）、重金屬Pb與腐殖酸混合施用（Pb＋F）3種處理，菌肥和腐殖酸用量分別為5 g/盆，每種處理都種植玉米、向日葵、高粱、蓖麻4種作物，重復(fù)3次。

栽培桶直徑為28 cm，深為42 cm，桶底是封閉的（防止土壤物質(zhì)的損失）。試驗的桶水平放在大棚內(nèi)，底部放大約2.5 kg石塊，然后蓋一層紗布，插入PVC管（約45 cm，用于澆水，避免土壤板結(jié)）后裝入過篩后的生土9 kg，施入復(fù)合肥（含氮磷鉀），將稱好的Pb（CH3COOH）2溶于水后由PVC管加入土壤中，最后將土壤澆水至飽和，平衡一周后種植作物。

1.3 栽培與采樣

在2012年4月，將種子種在桶內(nèi)，每桶種9對（18粒）相同的種子，在表層蓋沙土1 kg，灑少量水后用PC膜封閉土層（期間要查看土層水分狀況，適時澆水），大約一周種子發(fā)芽后，田間管理如一般大田，在生長周期內(nèi)進行間苗，采部分鮮樣用于苗期的一些指標(biāo)測定，最后只留一株到成熟。9月中旬，待作物成熟后，將作物采出后，采集土樣標(biāo)記，風(fēng)干、過篩，備用。

1.4 測定項目及方法

土壤過氧化氫酶的測定采用容量法（0.05 mol/L高錳酸鉀滴定）[12]；磷酸酶的測定采用磷酸苯二鈉比色法[13]；脲酶的測定采用靛酚比色法[14]；蔗糖酶的測定采用磷酸二氫鈉比色法[15]；鉛的測定采用硝酸-高氯酸-氫氟酸-鹽酸消解，原子分光光度法[16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003，Word 2003和DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

土壤酶活性是生物催化劑的一種，可以加速土壤中有機物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。各種酶在土壤中積累，是由于土壤微生物、土壤動物和植物根系生命活動的結(jié)果，它們參與了許多重要的生物化學(xué)過程，腐殖質(zhì)的合成和分解，有機化合物、高等植物和微生物殘體的水解并將其轉(zhuǎn)化成可利用的形態(tài)，還有氧化還原反應(yīng)等一系列反應(yīng)，也就是說，它們參與了土壤的發(fā)生和發(fā)育，及其與有效肥力的形成有關(guān)的諸多過程的主要環(huán)節(jié)[15]。

2.1 不同處理對土壤磷酸酶含量的影響

從圖1可以看出，不同處理可使土壤磷酸酶活性提高1.2%～26.0%，通過方差分析（P＜0.05）可知，Pb＋J，Pb＋F，Pb這3個處理間的土壤磷酸酶活性沒有顯著性變化。

2.2 不同處理對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖2可知，蓖麻、玉米、向日葵、高粱4種作物，經(jīng)Pb＋J處理后的土壤過氧化氫酶活性提高最顯著，依次為蓖麻土壤32.71%，玉米土壤62.05%，向日葵土壤30.56%，高粱土壤33.94%，均高于Pb處理的過氧化氫酶含量；蓖麻、向日葵、高粱高于Pb＋F處理的過氧化氫酶含量。通過方差分析（P＜0.05）可知，Pb＋J，Pb＋F處理與Pb處理相比，過氧化氫酶活性變化顯著的是玉米、向日葵和高粱；蓖麻的過氧化氫酶活性沒有明顯變化。由于土壤中累積的重金屬鉛越多，很多生化反應(yīng)被抑制，反應(yīng)方向和速度也會發(fā)生改變，從而破壞土壤中原有有機質(zhì)和無機物固有的化學(xué)平衡和轉(zhuǎn)化[17]。因此，過氧化氫酶活性與有機質(zhì)的分解關(guān)系密切，活性越高，有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率越高。Pb＋J處理對土壤過氧化氫酶活性有一定的提高，可以提高作物對土壤中有機質(zhì)的利用率。

2.3 不同處理對土壤脲酶活性的影響

由于土壤脲酶活性與土壤微生物數(shù)量顯著相關(guān)，與養(yǎng)分含量極顯著相關(guān)[18]。從圖3可以看出，Pb＋J處理后土壤脲酶含量提高顯著，蓖麻土壤為29.09%，玉米土壤為23.97%，向日葵土壤為20.70%，高粱土壤為15.66%，脲酶含量最高的是蓖麻土壤。由方差分析（P＜0.05）可知，4種作物的脲酶含量Pb＋J，Pb＋F比Pb均有顯著提高。說明施加菌肥和腐植酸可以提高重金屬鉛污染土壤中脲酶的活性。

2.4 不同處理對土壤蔗糖酶活性的影響

由圖4可知，Pb＋J處理后提高4種作物的土壤蔗糖酶含量最高，蓖麻土壤為27.46%，向日葵土壤為14.92%，高粱土壤為19.51%，玉米土壤為19.37%；Pb＋F處理后，土壤蔗糖酶活性蓖麻土壤為21.43%，向日葵土壤為11.72%，高粱土壤為11.69%，玉米土壤為16.77%，均高于Pb處理。說明Pb＋J，Pb＋F處理對蓖麻土壤的影響較大。通過方差分析（P＜0.05）可知，4種作物的土壤蔗糖酶變化Pb＋J處理比Pb處理顯著；蓖麻、高粱、向日葵Pb＋F處理比Pb處理顯著。表明施加菌肥或腐殖酸能顯著提高蔗糖酶含量，而土壤蔗糖酶可以反映土壤有機質(zhì)等養(yǎng)料的轉(zhuǎn)化狀況[19]。說明施加菌肥或腐殖酸能提高土壤養(yǎng)料的轉(zhuǎn)化。

2.5 不同處理對作物土壤中重金屬Pb 含量的影響

由圖5可知，4種作物對于降低土壤中鉛含量的效果存在差異。Pb＋J處理種植玉米后的土壤鉛含量降低了214.67 mg/kg，種植蓖麻后的土壤鉛含量降低了212.86 mg/kg，種植高粱后的土壤鉛含量降低了212.56 mg/kg，種植向日葵后的土壤鉛含量降低了193.3 mg/kg，以玉米的效果最為顯著，大大改善了鉛污染的土壤，凈化了土壤環(huán)境。通過方差分析（P＜0.05）可知，4種作物的Pb＋J處理修復(fù)效果最顯著。因此，施用菌肥可以有效降低作物中重金屬Pb的含量。

3 結(jié)論與討論

土壤酶活性的高低可以影響土壤中不同物質(zhì)的反應(yīng)效率，進而影響作物的吸收利用。因此，提高土壤酶活性可以提高作物的生長品質(zhì)，使吸附效果更加明顯。本研究結(jié)果表明，施用菌肥（Pb＋J）、腐殖酸（Pb＋F）對土壤磷酸酶的活性影響不顯著。土壤的過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶的活性Pb＋J＞Pb＋F＞Pb，其中，對施加菌肥（Pb＋J）處理較敏感；脲酶的活性經(jīng)過Pb＋J，Pb＋F處理后沒有顯著性差異；Pb＋J，Pb＋F處理的蓖麻與玉米的土壤過氧化氫酶活性差異不顯著。

Pb＋J，Pb＋F處理提高了作物對土壤重金屬的吸附，有效降低了土壤中重金屬Pb的含量，施用菌肥修復(fù)效果最顯著。

［1］李廷亮，謝英荷，劉子嬌.Cd，Cr，Pb對幾種葉類蔬菜生長狀況與品質(zhì)的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（4）：20-22.

［2］孫波.基于空間變異分析的土壤重金屬復(fù)合污染研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，22（2）：248-251.

［3］周澤義.中國蔬菜重金屬污染及控制[J].資源生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)研究動態(tài)，1999，10（3）：21-27.

［4］王慧忠，何翠屏.重金屬離子脅迫對草坪草根系生長及其活力的影響[[J].中國草地，2002（3）：55-58.

［5］楊國營.鉛的環(huán)境生物化學(xué)[J].河北工業(yè)科技，2002，19（3）：31-35.

［6］張中一，朱長會.南京市郊菜地土壤重金屬污染狀況[J].南京農(nóng)專學(xué)報，1995（4）：6-11.

［7］孔濤，郝雪琴，趙振升，等.重金屬殘留分析技術(shù)研究進展[J].中國畜牧獸醫(yī)，2011，38（11）：109-112.

［8］周禮凱.土壤酶學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1987：107-240.

［9］ Chen C L，Liao M，Huang C Y.Effect of combined pollution by heavy metals on soil enzyme activites in areas polluted by railings from Pb-Zn-Ag mine [J].Journal of Environmental Science，2005，17（4）：637-640.

［10］楊良柱，武麗.植物修復(fù)在重金屬污染土壤中的應(yīng)用概述[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（12）：132-134.

［11］孫海燕.土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2009（4）：43-44.

［12］Wang F X，Chen P.Soil enzyme activities under agroforestry systems in northem Jinagsu province[J].Forest Studies in China，2004，6（2）：21-26.

［13］Xu D M，Liu S，Xu J，et al.Effects of lanhtnaum and cerium on acidphosphataseactiviitesin twosoils[J].Journal of Rgl'e Earths，2004，22（5）：725-728.

［14］Yang K，Kang W S.Influence of vairous concentrations of selenic acid（IV）on theactivity of soil enzymes[J].The Scienceof the Total Environmen，2002，291：105-110.

［15］陳懷滿.土壤中化學(xué)物質(zhì)的行為與環(huán)境質(zhì)量[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

［16］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2008：373-374.

［17］周禮愷，張志明，曹承勉，等.土壤的重金屬污染與土壤酶活性[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1985，5（2）：176-184.

［18］杜天慶，苗果園.豆科牧草根際土壤脲酶活性的研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2007，15（1）：328-332.

［19］李金鳳，王紅芬，洪堅平.生物菌肥對采煤沉陷區(qū)復(fù)墾土壤酶活性的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（2）：53-54.