泥炭對Pb、Cd污染菜地土壤修復效果評價

杜瑞英，王艷紅，唐明燈，李盟軍，艾紹英*

1. 農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，廣東 廣州 510640；2. 廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣東 廣州 510640；3. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室（廣州），廣東 廣州 510640

泥炭對Pb、Cd污染菜地土壤修復效果評價

杜瑞英1,2,3，王艷紅1,2，唐明燈1,2，李盟軍1,2，艾紹英1,2*

1. 農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，廣東 廣州 510640；2. 廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣東 廣州 510640；3. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室（廣州），廣東 廣州 510640

珠江三角洲地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染程度較為嚴重，泥炭作為一種富含有機質(zhì)的堿性改良劑在修復重金屬污染農(nóng)田土壤方面具有很好的潛力。通過研究泥炭對珠三角地區(qū)Pb、Cd污染菜地土壤修復效果開展的連續(xù)盆栽試驗，從生態(tài)學角度對泥炭的修復效果進行綜合評價。試驗結(jié)果表明：泥炭可以提高0.25～1.61個單位的土壤pH值，增加土壤有機質(zhì)含量，顯著降低土壤中Cd有效態(tài)含量。連續(xù)種植小白菜（Brassica chinensis）后泥炭處理的土壤Cd有效態(tài)含量仍顯著低于對照，對土壤修復持效性好；但對土壤Pb有效態(tài)含量作用效果不顯著。泥炭對小白菜有明顯的增產(chǎn)效果，在種植第二茬時效果最明顯，同時與對照比較泥炭處理顯著降低小白菜中Cd含量，但對降低小白菜中Pb含量效果也不明顯。泥炭可以顯著提高土壤中微生物的活性和代謝多樣性，種植小白菜后微生物活性提高更明顯。綜合判斷，15 g·kg-1泥炭用量對修復珠三角地區(qū) Pb、Cd污染菜地土壤效果最好而且持效性好。整體來看，泥炭對降低土壤中Cd有效態(tài)含量的效果優(yōu)于對Pb的。

泥炭；Pb、Cd污染；生態(tài)修復；效果評價；菜地土壤

DU Ruiying, WANG Yanhong, TANG Mingdeng, LI Mengjun, AI Shaoying. Remediation Effects and Evaluation of Peat Amendment on Pb and Cd Contaminated in Vegetable Soil [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1893-1897.

農(nóng)田土壤受重金屬污染面積和程度日益加劇，珠三角地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染更為嚴重（Chen et al.，2008；Xu et al.，2011；環(huán)境保護部，2014）。高度集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式是造成珠三角農(nóng)村耕地土壤重金屬污染的主要原因，眾多的制造業(yè)“三廢”排放加劇了土壤重金屬累積，農(nóng)村耕地以鎘、鉛超標為主（羅小玲等，2014）。治理土壤重金屬污染主要有3種途徑：其一是將重金屬污染地區(qū)與未污染地區(qū)隔離，防止污染物進一步擴散；其二是將重金屬從土壤中去除；其三是改變土壤中重金屬的價態(tài)和形態(tài)，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物有效性。研究各種技術對污染土壤進行修復成為近年的熱點（串麗敏等，2014；Yao et al.，2012）。泥炭富含有機質(zhì)，其比表面積大，吸附螯合能力強，對P、Mg、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等離子有強吸附作用（成紹鑫，2003），因此，泥炭在農(nóng)業(yè)上得到較廣泛的應用，尤其是用于土壤改良、園藝材料和肥料原料等方面（潘麗萍等，2014；王忠強等，2007）。關于泥炭對污染土壤重金屬有效性及毒性影響方面的研究已有較多的報道（黎秋君等，2013；蘇天明等，2008），而關于其對土壤環(huán)境是否帶來“二次污染”危害，能否恢復土壤環(huán)境質(zhì)量方面的研究還較少。本研究針對珠江三角洲Pb、Cd污染的菜地土壤，通過分析不同用量泥炭對蔬菜-土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，以期為泥炭的合理使用提供科學依據(jù)，也為重金屬污染土壤生態(tài)修復領域的發(fā)展提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1試驗方法

供試土壤采自廣州市郊區(qū)菜地0～20 cm的表土（全Pb含量82.01 mg·kg-1，全Cd含量358.01 μg·kg-1，pH 5.8），進行連續(xù)盆栽試驗。試驗設置5個泥炭（鉛未檢出，全Cd含量45.9 μg·kg-1，pH 8.5）含量水平，分別為0、7.5、15、22.5、30 g·kg-1，分別記作CK、T1、T2、T3、T4，每個處理重復4次。泥炭與土壤混勻后裝盆，每盆裝土5 kg，澆水中平衡2周后移栽小白菜（Brassica chinensis），肥料用量為N 0.15 g·kg-1，P2O50.18 g·kg-1，K2O 0.12 g·kg-1，以尿素和磷酸二氫鉀（均為化學純）分3次施入，收獲后15 d內(nèi)移栽下一茬，連續(xù)種植3茬。

1.2樣品采集與制備

小白菜收獲時分別采集土壤、蔬菜樣品。土壤樣品分兩份裝在兩個塑料封口袋中，一份土樣保存在4 ℃冰箱中用于分析微生物指標，另一份放在室溫下風干，研磨后用于分析土壤重金屬指標。采集小白菜測定地上部鮮重，之后用去離子水沖洗干凈后瀝干，用勻漿機打漿后裝于100 mL塑料瓶中待測。

1.3土壤與植物金屬含量測定

土壤中 Pb、Cd有效態(tài)含量的測定方法采用BCR的醋酸提取法。用新鮮樣測定小白菜中 Pb、Cd含量，參照GB 5009.12—2010采用硝酸+高氯酸（9+1）混合酸進行濕式消解，消化完成后將消化液轉(zhuǎn)移、定容至25 mL容量瓶。用原子吸收分光光度計測定土壤和小白菜中Pb、Cd含量。土壤pH值（水土比2.5∶1）用pH計測定，有機質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定（鮑士旦，1999）。

1.4微生物功能參數(shù)分析

微生物代謝功能多樣性研究采用美國BIOLOG公司生產(chǎn)的96孔ECO微平板進行分析。ECO微平板上被劃分為3個區(qū)，每個區(qū)32個孔。每個區(qū)除了1個孔不含碳源（空白）以外，其余31個孔分別含有31種不同的碳源。將72 h的各孔吸光值進行標準化，根據(jù)每一類化合物所包括碳源的AWCD（Average well color development，AWCD）值分別計算它們的總AWCD值。

1.5數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件對所測定的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1泥炭對土壤理化性質(zhì)的影響

2. 1.1 對土壤pH值的影響

土壤pH值是諸多土壤化學性質(zhì)中對重金屬形態(tài)影響最大的因素，pH改變導致土壤中重金屬化學形態(tài)的變化（黎秋君等，2013）。添加泥炭處理土壤的pH值均顯著高于對照處理（如圖1所示），且土壤pH值隨施用量的增加而升高，在整個種植過程中土壤pH提高了0.25～1.61個單位，T3和T4處理效果最顯著，但二者之間差異不明顯。對照處理的 pH值隨著小白菜種植茬數(shù)的增加而降低 0.5個單位，而泥炭處理的土壤pH值在連續(xù)種植3茬小白菜后仍穩(wěn)定維持在6.0以上。本試驗結(jié)果表明，泥炭對提高土壤pH值的持效性較好。

圖1 泥炭對土壤pH值的影響Fig. 1 Effect of peat on the pH of soil

2.1.2 對土壤有機質(zhì)含量的影響

土壤有機質(zhì)主要通過專性吸附和非專性吸附來增加土壤對重金屬的吸附能力，因此，有機質(zhì)含量的增加對降低土壤重金屬有效性也重要影響因素之一。與對照比較，施用泥炭可提高土壤有機質(zhì)含量1.3～2.5倍，結(jié)果如表1所示。經(jīng)過連續(xù)種植蔬菜，泥炭處理土壤有機質(zhì)含量隨著種植茬數(shù)的增加開始降低，高濃度處理有機質(zhì)含量降低了0.8%最為顯著，但各處理的有機質(zhì)含量仍顯著高于對照處理（P<0.05）。

表1 泥炭對土壤有機質(zhì)的影響Table 1 Effect of peat on the OM of soil %

表2 泥炭對土壤中Pb、Cd有效態(tài)含量的影響Table 2 Effect of peat on the Pb and Cd available content in soil mg·kg-1

2.1.3 泥炭對土壤中Pb、Cd有效態(tài)含量的影響

泥炭中有機質(zhì)、腐殖酸含量高，比表面積大，吸附能力強等特點。施用泥炭后種植小白菜，土壤中Pb、Cd的有效態(tài)含量均有降低趨勢，結(jié)果如表2所示。當泥炭施用量增加時，土壤外加的有機質(zhì)增加，重金屬的有機吸附與螯合得到了加強，可能與重金屬形成難溶性絡合物，促進重金屬的沉淀，從而導致兩種土壤中重金屬有效態(tài)含量降低（Iksong et al.，2009）。但因泥炭中含有微量Cd，在施用初期會導致土壤中Cd有效態(tài)含量有所增加，但與對照比均無顯著性差異（P<0.05），從連續(xù)種植來看并不影響其修復效果。土壤中 Pb有效態(tài)含量整體表現(xiàn)出先降后升的趨勢，Cd有效態(tài)含量在整體盆栽過程中都保持在相對穩(wěn)定的低水平，說明泥炭對土壤中Pb有效態(tài)含量降低的能力較Cd差，在整個種植過程中泥炭處理下土壤有效態(tài)Cd含量均顯著低于對照，而土壤有效態(tài) Pb含量只有在小白菜第2、3茬收獲時部分泥炭處理低于對照。

2.2泥炭對蔬菜的影響

2.2.1 對蔬菜生物量的影響

本研究中施用泥炭后種植第1茬小白菜生物量有所增加，但與對照比無顯著性差異（如表3所示）。種植第2茬時生物量均顯著高于對照，增產(chǎn)效果達20%～30%；種植第3茬后，施用泥炭處理的蔬菜生物量明顯降低且均低于對照處理，T3、T4處理的生物量是第2茬種植時生物量的1/2。泥炭除了其堿性作用能改良土壤酸性，減輕土壤中Pb、Cd對小白菜的傷害外，還含有大量的其他微量元素，可促進小白菜的生長，提高小白菜生物量。

表3 泥炭對小白菜生物量的影響Table 3 Effect of peat on the Chinese Cabbage biomass

2.2.2 對蔬菜Pb、Cd含量的影響

施用堿性改良劑可降低酸性土壤中重金屬有效態(tài)含量，減輕重金屬對作物的傷害，泥炭是由植物纖維、腐殖酸、灰分和鐵錳鋁的氧化物及有機氮、有機磷等組成，是一種弱酸，鐵、錳、鋁的氧化物在溶液中可以形成氫氧化物膠體。本研究中施用泥炭后小白菜中Pb、Cd含量均低于對照處理，但隨小白菜種植茬數(shù)的增加小白菜中Pb、Cd含量呈增加趨勢，結(jié)果見表4。泥炭處理對降低小白菜中Pb含量效果不明顯，依據(jù)食品安全國家標準 GB2762─2012，小白菜Pb含量在種植第1、2茬均未超過國家標準的限量值；第3茬時全部處理小白菜中Pb含量超過了國家限量值0.3 mg·kg-1，處理與對照差異不顯著。泥炭對降低小白菜中Cd含量效果顯著（P<0.05），降幅在27%～60%，3茬小白菜Cd含量均低于0.2 mg·kg-1的國家限量值，但與對照比較泥炭處理可以顯著降低小白菜中Cd含量。結(jié)果表明，施用泥炭可以降低小白菜中 Pb、Cd含量，對 Cd含量降低效果更為顯著。

表4 泥炭對蔬菜Pb、Cd含量的影響Table 4 Effect of peat on Pb & Cd content in Chinese Cabbage

2.3泥炭對土壤微生物的影響

土壤微生物各主要生理類群直接參與土壤中C、N、P等營養(yǎng)元素循環(huán)和能量流動，其數(shù)量和活性直接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在土壤污染方面具有重要的指示作用（He et al.，2003）。有研究表明（Suhadolic et al.，2004；杜瑞英等，2011）進入土壤中的重金屬能夠明顯改變土壤微生物的結(jié)構(gòu)和功能，這與土壤中重金屬的有效性密切相關。

2.3.1 對土壤代謝活性的影響

BIOLOG ECO板中用AWCD值來表示土壤微生物的活性，圖2表示添加泥炭后土壤中土壤微生物AWCD值變化情況。泥炭的投加能降低Pb、Cd有效態(tài)含量，施用泥炭后土壤微生物活性顯著地高于對照土壤，種植小白菜后土壤微生物活性又有了顯著的提高，72 h AWCD值處理是對照的1.26～3.00倍。從不同泥炭用量處理來看，加改良劑15 d后，AWCD值T4處理>T3處理>T2、T1處理>CK處理，說明 T4處理細菌的代謝活性高于其它處理。第 1茬蔬菜收獲后，所有處理的 AWCD值明顯升高，T4、T3、T2處理的AWCD值高于T1和CK處理，但不同泥炭濃度處理間的值比較接近。從時間角度來分析，種植蔬菜后土壤微生物的 AWCD值明顯升高，到第2茬蔬菜收獲時達到最高，第3茬蔬菜收獲后AWCD值有所降低，說明土壤微生物活性開始降低。

圖2 泥炭處理下土壤微生物AWCD值變化曲線Fig. 2 Effect of peat on the soil microbial activity

2.3.2 泥炭對土壤微生物多樣性的影響

研究結(jié)果表明施用泥炭可以顯著提高土壤微生物的Simpson指數(shù)（表5）。種植蔬菜后，各處理的土壤微生物多樣性指數(shù)總體升高，而且隨小白菜種植茬數(shù)的增加各處理間Simpson指數(shù)差異逐步擴大，到第3茬收獲時T3處理的Simpson指數(shù)最高，T4處理>T1處理>CK、T2、T4處理。

表5 泥炭對土壤微生物的Simpson指數(shù)Table 5 Effect of peat on soil microbial Simpson

3 結(jié)論

（1）泥炭對提高土壤pH值、增加有機質(zhì)含量、降低土壤中Cd有效態(tài)含量效果顯著，連續(xù)種植后土壤pH值和有機質(zhì)含量均保持在較高水平，泥炭對土壤修復效果持效性好。

（2）泥炭可以顯著降低小白菜中Cd含量，降幅在27%～60%，但對Pb作用效果不明顯。

（3）施用泥炭后種植小白菜可以提高土壤微生物的代謝活性1.26～3.00倍。

（4）15和30 g·kg-1泥炭用量對降低菜地土壤、小白菜中Pb、Cd有效態(tài)含量、提高小白菜生物量和土壤微生物活性效果好且持效性長，綜合判斷，污染土壤中施入15 g·kg-1泥炭時生態(tài)風險最小。

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Remediation Effects and Evaluation of Peat Amendment on Pb and Cd Contaminated in Vegetable Soil

DU Ruiying1,2,3, WANG Yanhong1,2, TANG Mingdeng1,2, LI Mengjun1,2, AI Shaoying1,2*
1. Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510640, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China; 3. Laboratory of Quality & Safety Risk Assessment for Agro-products (Guangzhou), Ministry of Agriculture, Guangzhou 510640, China

Heavy metal pollution of agricultural land in the Pearl River Delta region is quite severe. As a kind of alkaline agent with rich organic matter, peat has great potential in the remediation of heavy metal contaminated soil. Peat was chosen as the amendment in batches of pot experiment: Studying the available contents of Pb and Cd in vegetable soil, the growth of Chinese cabbage (Brassica chinensis) and the absorbed and accumulated contents of Pb and Cd, the soil microbial activity. This article studied immobilization and remediation of heavy metals contaminated vegetable soil under different amounts of peat, and assessed immobilization effect. The results are as follows: Peat can improve the soil pH value of 0.25～1.61 units. The content of organic matter in soil increased with the increase of the amount of peat. The soil pH value and organic matter content of the soil after continuous cultivation of the three batches were kept at a high level, and the sustained effect is better. The available content of Cd in soil was significantly lower than that of the control, and the soil was sustained effective. The effect available content of Pb on soil was not significant, and the effect of the effect was relatively slow. Overall, the effect of reducing the content of Cd in soil was better than that of Pb. The peat can improve the biomass of Chinese cabbage, and the second batch is significantly improved. The peat reduced significantly the content of Cd in Chinese cabbage, and the content of Cd in the Chinese cabbage was lower than the limited value in GB2762─2012. The effect of peat on the Pb content in Chinese cabbage was not obvious. The AWCD and Simpson index of soil microbes could be improved significantly by peat, after cultivation of Chinese cabbage, microbial activity increased more obviously. The comprehensive evaluation revealed that 15 g·kg-1peat amendment remediation had the best and longer lasting effect on Pb, Cd pollution in vegetable soil of the Pearl River Delta region.

peat; lead pollution; cadmium pollution; remediation; vegetable soil

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.021

X53

A

1674-5906（2015）11-1893-05

廣東省科技計劃項目（2014A020216019；）廣東省農(nóng)業(yè)科學院院長基金（201116）；廣州市科技計劃項目（2014Y2-00521）

杜瑞英（1977年生），女，助理研究員，博士。研究方向為污染土壤修復和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。E-mail:duruiying@163.com *通信作者。E-mail: shaoyinai@21cn.com

2015-07-29

引用格式：杜瑞英, 王艷紅, 唐明燈, 李盟軍, 艾紹英. 泥炭對Pb、Cd污染菜地土壤修復效果評價[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(11): 1893-1897.