蚯蚓糞、牛糞對(duì)鎘銅復(fù)合污染土壤中白菜生長(zhǎng)和鎘銅積累的影響

蔡永剛+郭志瑤+李夢(mèng)雅+段智坤+張鴻宇+王小波

摘要：采用盆栽試驗(yàn)研究蚯蚓糞、牛糞對(duì)鎘（Cd）、銅（Cu）復(fù)合污染土壤中白菜（Brassica campestris ssp. chinensis）生長(zhǎng)及對(duì)鎘、銅積累的影響。結(jié)果表明：高濃度的Cd、Cu污染顯著抑制了第1茬白菜葉綠素含量、產(chǎn)量，Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理的葉綠素含量分別較Cd1+Cu50處理下降23.5%～47.1%、72.3%～79.9%，Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理白菜產(chǎn)量分別較對(duì)照處理下降61.5%、92.6%，各施肥處理間在Cd、Cu濃度相同時(shí)沒(méi)有顯著差異；隨著Cd、Cu濃度的提高，各施肥處理的第2茬白菜葉綠素含量并沒(méi)有顯著下降，而在高濃度污染處理中白菜產(chǎn)量較第1茬顯著提高，在低濃度的Cd、Cu污染下，牛糞的增產(chǎn)效果高于蚯蚓糞，而在高濃度的Cd、Cu污染下，蚯蚓糞增產(chǎn)效果好于牛糞；Cd在白菜體內(nèi)的積累隨著土壤Cd、Cu濃度的升高而增加，在Cd50+Cu400處理下，不施肥處理植物體內(nèi)Cd的積累量顯著高于施加牛糞（NF）處理，而施加牛糞處理又顯著高于施加蚯蚓糞（QY）處理，且第1茬白菜體內(nèi)Cd的積累量均高于第2茬；Cu在植物體內(nèi)的累積隨著土壤Cd、Cu濃度增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在Cd10+Cu200處理中達(dá)到最高值，在Cd50+Cu400處理中則顯著下降；在Cd10+Cu200處理中，施加蚯蚓糞后Cu的累積量顯著低于NF處理，NF處理也顯著低于對(duì)照處理；隨著Cd、Cu濃度的升高，植物體內(nèi)氮、磷、鉀含量降低，其中對(duì)氮的影響較小，對(duì)磷的影響為在不添加Cd、Cu時(shí)，QY、NF處理磷含量顯著高于對(duì)照處理，在Cd1+Cu50、Cd10+Cu200處理組合下，NF處理顯著高于對(duì)照處理；在Cd50+Cu400處理組合下，各施肥處理間差異不顯著；對(duì)鉀的影響方面，除Cd50+Cu400外，其他施肥處理植物體內(nèi)鉀的含量都顯著高于對(duì)照處理，QY處理、NF處理間在Cd1+Cu50處理組合下差異顯著，其余處理間差異均不顯著。2茬種植結(jié)果顯示：在Cd、Cu復(fù)合污染的土壤中，蚯蚓糞對(duì)污染的修復(fù)效果優(yōu)于牛糞，牛糞優(yōu)于對(duì)照。

關(guān)鍵詞：蚯蚓糞；牛糞；白菜；鎘、銅復(fù)合污染；污染修復(fù)

中圖分類號(hào)： X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0452-04

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)耕地土壤面臨非常嚴(yán)峻的重金屬污染問(wèn)題[1-3]，不僅對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成威脅，還損害民眾健康，影響社會(huì)穩(wěn)定[4]。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》和《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)近期土壤環(huán)境保護(hù)和綜合治理工作安排的通知》（國(guó)辦發(fā)〔2013〕7 號(hào)）、《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)〔2013〕30 號(hào)）中，都明確提出了土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)。目前土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)主要有物理工程法、化學(xué)法、生物法和農(nóng)業(yè)調(diào)控技術(shù)等[5-10]，其中利用有機(jī)物料對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行修復(fù)，是一種經(jīng)濟(jì)的、切實(shí)可行的方法[11-12]。有機(jī)物料不僅能夠減輕農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收積累，還可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提供作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，減少化肥的使用。本研究分析蚯蚓糞和牛糞對(duì)鎘（Cd）、銅（Cu）復(fù)合污染土壤中白菜（Brassica campestris ssp. chinensis）生長(zhǎng)及重金屬在植物體內(nèi)累積的影響，以期為重金屬污染菜田土壤的修復(fù)、利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年5—12月在天津農(nóng)學(xué)院進(jìn)行，供試土壤采自天津市武清區(qū)后幼莊農(nóng)戶大棚，質(zhì)地為沙壤，基本理化性質(zhì)：硝態(tài)氮含量47 mg/kg，有效磷含量46 mg/kg，有效鉀含量276.8 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量18.1 g/kg，全鹽含量0.34 g/kg，全鎘含量0.51 mg/kg，全銅含量22.8 mg/kg，pH值7.74。供試有機(jī)肥的基本性質(zhì)見(jiàn)表1，有機(jī)肥、土壤過(guò)1 mm篩備用，供試白菜（Brassica campestris ssp. chinensis）品種為力豐五月慢。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)3種濃度梯度的污染物組合，分別為Cd1+Cu50（1、50分別表示添加的Cd、Cu濃度分別為1、50 mg/kg，以此類推）、Cd10+Cu200、Cd50+Cu400；以不添加污染物為對(duì)照（CK）處理。Cd、Cu分別以CdCl2·2.5H2O、CuSO4 溶于水后噴至土壤混勻，每種污染濃度分別設(shè)施用蚯蚓糞（QY）、牛糞（NF）、不施有機(jī)肥（CK）3個(gè)處理，施用量為4%。每盆裝土4kg，每個(gè)處理重復(fù)3次，共36盆。試驗(yàn)于2014年5月20日混土裝盆，次日種植，第1茬于7月6日收獲，第2茬于9月12日播種，10月27日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

收獲時(shí)用葉綠素儀測(cè)定葉片的葉綠素含量，稱鮮質(zhì)量，殺青烘干后，用硝酸-高氯酸消解，原子吸收法測(cè)定Cd、Cu含量[13]，測(cè)定第2茬植物樣品的氮、磷、鉀含量[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel2003、DPS7.05軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)白菜葉綠素含量的影響

由圖1可見(jiàn)，在Cd、Cu低濃度處理（CK、Cd1+Cu50）下，第1茬白菜葉片的葉綠素SPAD值都顯著高于第2茬，而在Cd50+Cu400處理中第1茬的葉綠素SPAD值均顯著低于第2茬；在第1茬中CK、Cd1+Cu50處理白菜葉片葉綠素含量沒(méi)有顯著差異，而隨著Cd、Cu濃度的提高，葉綠素含量顯著下降，其中Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理分別較Cd1+Cu50處理下降了23.5%～47.1%、72.3%～79.9%；隨著Cd、Cu濃度的提高，第2茬白菜葉綠素含量并沒(méi)有顯著下降；在低濃度Cd、Cu處理（CK、Cd1+Cu50）下，施肥處理對(duì)同茬白菜葉片的葉綠素SPAD值沒(méi)有顯著影響，但在Cd10+Cu200處理下施肥處理均顯著高于CK處理；在Cd50+Cu400處理下，第1茬之間沒(méi)有顯著差異，而第2茬的施肥處理顯著高于CK處理；NF、QY處理間，除在不添加Cd、Cu時(shí)，NF顯著高于QY外，其他處理間都沒(méi)有顯著差異。

2.2 不同處理對(duì)白菜產(chǎn)量的影響

由圖2可見(jiàn)：在第1茬中CK、Cd1+Cu50處理沒(méi)有顯著差異，但Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理卻顯著下降，分別較CK處理平均下降61.5%、92.6%；不同的施肥處理在Cd、Cu濃度相同時(shí)，產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異。第2茬中Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理分別較CK處理下降28.4%、54.7%，同種有機(jī)肥在不同濃度的污染處理中，QY處理只在Cd50+Cu400處理下產(chǎn)量顯著下降；NF、CK處理在Cd10+Cu200、Cd50+Cu400處理組合下都顯著下降；在相同的Cd、Cu濃度組合下，施肥處理的產(chǎn)量都顯著高于CK。除CK+NF外，其余處理第1茬在Cd、Cu低濃度時(shí)（CK，Cd1+Cu50）產(chǎn)量高于第2茬，而在高濃度時(shí)（Cd10+Cu200、Cd50+Cu400）第1茬產(chǎn)量則低于第2茬。

2.3 不同處理對(duì)鎘銅在植物體內(nèi)積累的影響

由表2可見(jiàn)，Cd在白菜體內(nèi)的積累量隨著土壤Cd、Cu濃度的升高而增加，在Cd濃度達(dá)到50 mg/kg時(shí)，其累積量顯著高于其他處理；Cd濃度為10 mg/kg時(shí)，其累積量也顯著高于1 mg/kg Cd、CK處理；Cd1+Cu50處理下，第1、第2茬植物體內(nèi)Cd濃度平均值分別為CK處理的7.03、5.15倍。相同Cd濃度下，在低濃度時(shí)（CK、Cd1+Cu50）各施肥處理間的差異不顯著；在Cd10+Cu200處理下，不施肥處理植物體內(nèi)Cd的累積量明顯高于QY處理；在Cd50+Cu400處理下，CK處理顯著高于NF處理，而第1茬NF處理又顯著高于QY，且第1茬白菜體內(nèi)的累積量都高于第2茬。

由表2可見(jiàn)，Cu在植物體內(nèi)的累積量隨著土壤Cd、Cu濃度升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在Cd10+Cu200處理下達(dá)到最高值，在Cd50+Cu400處理下則相對(duì)顯著下降，且加Cu處理植物體內(nèi)的Cu累積量均顯著高于對(duì)照。各對(duì)照施肥處理對(duì)Cu的累積量沒(méi)有顯著影響，而在Cd1+Cu50組合條件下QY處理Cu的累積量顯著低于NF、CK處理；在Cd10+Cu200組合條件下，QY處理Cu的累積量顯著低于NF處理，NF處理也顯著低于CK處理。

2.4 不同處理對(duì)白菜氮磷鉀含量的影響

由表3可見(jiàn)，隨著Cd、Cu濃度的升高，植物體內(nèi)氮磷鉀含量總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中對(duì)氮的影響較小，只有Cd10+Cu200+NF處理與Cd50+Cu400+NF、Cd50+Cu400處理間的差異達(dá)顯著水平。對(duì)磷的影響表現(xiàn)為在不添加Cd、Cu時(shí)，QY、NF處理磷的含量顯著高于CK；在Cd1+Cu50、Cd10+Cu200處理組合下，NF處理顯著高于CK處理；在Cd50+Cu400處理下，各施肥處理間差異不顯著。對(duì)鉀的影響：各施肥處理下鉀含量均高于不施肥處理，QY和NF之間在Cd1+Cu50處理?xiàng)l件下差異顯著，其余處理間差異都不顯著。

3 討論與結(jié)論

光合作用是植物生長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來(lái)源，葉綠素作為植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量的高低對(duì)光合速率有直接影響[15-17]。葉綠素的合成受光照、溫度和營(yíng)養(yǎng)元素的影響[18]，高濃度的重金屬脅迫會(huì)抑制葉綠素的合成[19]。在本試驗(yàn)中，低濃度的Cd、Cu（CK、Cd1+Cu50）處理下第1茬白菜葉綠素含量顯著高于高濃度的處理（Cd10+Cu200、Cd50+Cu400），原因可能是高濃度的Cd、Cu進(jìn)入植物體與葉綠體中蛋白質(zhì)的—SH發(fā)生結(jié)合或取代作用。其中的Fe2+、Mg2+等破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)和功能，使葉綠素分解。而第2茬時(shí)高低濃度處理間的差異減小，同時(shí)Cd50+Cu400處理下第2茬葉綠素含量較第1茬顯著提高，其原因可能為在第2茬時(shí)，土壤中高濃度的Cd、Cu由于受土壤和有機(jī)肥的固定，其有效態(tài)降低，減輕了對(duì)植物葉綠素合成的影響。在低濃度時(shí)，第1茬的葉綠素含量高于第2茬，可能與有機(jī)肥在第1茬時(shí)較第2茬能提供給植物較多養(yǎng)分有關(guān)。

白菜的產(chǎn)量與葉綠素含量的變化有大致相同的趨勢(shì)和原因。蚯蚓糞和牛糞對(duì)植物產(chǎn)量的影響在第1茬時(shí)表現(xiàn)均不明顯，可能的原因?yàn)橥寥辣旧淼姆柿λ捷^高，因此在低濃度污染時(shí)各施肥處理間差異不顯著，而高濃度污染時(shí)因加入的Cd、Cu有效態(tài)較高，都抑制了作物生長(zhǎng)。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，在第2茬中因牛糞能比蚯蚓糞提供更多的養(yǎng)分，在低濃度的Cd、Cu處理下，牛糞處理的產(chǎn)量高于蚯蚓糞，而蚯蚓糞因其富含腐殖酸和大量活性物質(zhì)[20-21]，在高濃度的Cd、Cu處理下能促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，使其產(chǎn)量明顯高于牛糞處理。

單一污染時(shí)植物體內(nèi)Cd、Cu的累積量隨著土壤Cd、Cu濃度的提高而增加[22-24]，復(fù)合污染時(shí)植物對(duì)Cd、Cu的吸收因作物種類、添加濃度不同而有差異[25-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，在鎘銅復(fù)合污染植物體內(nèi)，Cd的累積量隨著土壤Cd、Cu濃度的增大而增加，而Cu的累積量表現(xiàn)為先增加后降低，在Cd、Cu濃度組合為Cd50+Cu400時(shí)抑制了白菜對(duì)Cu的吸收。在不加入外源Cd、Cu時(shí)，蚯蚓糞和牛糞的施用因其所含的Cd、Cu使植物體內(nèi)Cd、Cu的累積量略有增加，但差異不顯著。在有外源Cd、Cu加入時(shí)，低濃度處理（Cd1+Cu50）對(duì)Cd的累積差異不顯著，而蚯蚓糞處理則降低了作物對(duì)Cu的累積量；當(dāng)加入Cd10+Cu200處理組合時(shí)，蚯蚓糞降低作物對(duì)Cu的累積效果好于牛糞，同時(shí)牛糞好于對(duì)照，而對(duì)Cd的影響則不一致；當(dāng)加入Cd50+Cu400處理組合時(shí)，蚯蚓糞降低作物對(duì)Cd的累積效果好于牛糞，同時(shí)牛糞好于對(duì)照，而此時(shí)高濃度的Cd、Cu抑制了作物對(duì)Cu的吸收累積。

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：第1茬中高濃度的Cd、Cu污染顯著抑制了白菜葉綠素含量和產(chǎn)量，各施肥處理間也沒(méi)有顯著差異；第2茬中各施肥處理顯著提高了白菜產(chǎn)量，在低濃度的Cd、Cu污染時(shí)牛糞的增產(chǎn)效果高于蚯蚓糞，而在高濃度的Cd、Cu污染時(shí)蚯蚓糞增產(chǎn)效果好于牛糞；白菜體內(nèi)Cd的累積量隨著土壤Cd、Cu濃度的增大而增加，而Cu的累積量表現(xiàn)為先增加后降低，Cd50+Cu400處理抑制了白菜對(duì)Cu的吸收，可見(jiàn)在有適當(dāng)濃度外源Cd、Cu加入時(shí)，蚯蚓糞降低白菜對(duì)Cu吸收累積的效果好于牛糞，牛糞好于對(duì)照。

參考文獻(xiàn)：

[1]駱永明. 中國(guó)土壤環(huán)境污染態(tài)勢(shì)及預(yù)防，控制和修復(fù)策略[J]. 環(huán)境污染與防治，2009，31（12）：27-31.

[2]吳烈善，曾東梅，莫小榮，等. 不同鈍化劑對(duì)重金屬污染土壤穩(wěn)定化效應(yīng)的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，2015，36（1）：309-313.

[3]環(huán)境保護(hù)部，國(guó)土資源部.全國(guó)土壤污染狀況調(diào)査公報(bào)[J]. 中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2014（5）：10-11.

[4]中國(guó)工程院.中國(guó)環(huán)境宏觀戰(zhàn)略研究[M]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[5]郭文娟，梁學(xué)峰，林大松，等. 土壤重金屬鈍化修復(fù)劑生物炭對(duì)鎘的吸附特性研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，2013，34（9）：3716-3721.

[6]Boisson J，Mench M，Vangronsveld J，et al. Immobilization of trace metals and arsenic by different soil additives：Evaluation by means of chemical extractions[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis，1999，30（3/4）：365-387.

[7]駱永明. 金屬污染土壤的植物修復(fù)[J]. 土壤，1999，31（5）：261-265.

[8]Mulè P，Melis P. Methods for remediation of metal-contaminated soils：preliminary results[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis，2000，31（19/20）：3193-3204.

[9]郭曉方，衛(wèi)澤斌，謝方文，等. 過(guò)磷酸鈣與石灰混施對(duì)污染農(nóng)田低累積玉米生長(zhǎng)和重金屬含量的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6（4）：1374-1380.

[10]Basta N T，Mcgowen S L. Evaluation of chemical immobilization treatments for reducing heavy metal transport in a smelter-contaminated soil[J]. Environmental Pollution，2004，127（1）：73-82.

[11]王意錕，張煥朝，郝秀珍，等. 有機(jī)物料在重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究[J]. 土壤通報(bào)，2010，41（5）：1275-1280.

[12]周利強(qiáng)，尹 斌，吳龍華，等. 有機(jī)物料對(duì)污染土壤上水稻重金屬吸收的調(diào)控效應(yīng)[J]. 土 壤，2013，45（2）：227-232.

[13]劉鳳枝. 農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：488-490.

[14]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 3版.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000：264-270.

[15]Marshall J G，Rutledge R G，Blumwald E，et al. Reduction in turgid water volume in jack pine，white spruce and black spruce in response to drought and paclobutrazol[J]. Tree Physiology，2000，20（10）：701-707.

[16]徐 剛，彭天沁，高文瑞，等. 氮肥水平對(duì)木薯渣復(fù)合基質(zhì)栽培黃瓜生長(zhǎng)及光合作用的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，31（1）：68-72.

[17]郎 鵬，袁龍義，李世平. 不同光照條件對(duì)馬來(lái)眼子菜和蓖齒眼子菜光合作用的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（6）：323-325.

[18]王平榮，張帆濤，高家旭，等. 高等植物葉綠素生物合成的研究進(jìn)展[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2009，29（3）：629-636.

[19]喬 琳，盛東風(fēng)，鄧 艷. 重金屬銅、鋅、鐵、鉛污染對(duì)白菜幼苗鮮重及葉綠素含量的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（2）：34-37.

[20]Tomati U，Grappelli A，Galli E. The presence of growth regulators in earthworm-worked wastes[M]//Bonvicini Paglioi A M，Omodeo P. On Earthworms：Proceedings of International Symposium on Earthworms：Selected Symposia and Monographs. Mucchi，Modena，Italy：Unione Zoologica Italiana，1987：423-435.

[21]唐 浩，朱 江，黃沈發(fā)，等. 蚯蚓在土壤重金屬污染及其修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 土 壤，2013，45（1）：17-25.

[22]郭利敏，艾紹英，唐明燈，等. 不同改良劑對(duì)鎘污染土壤中小白菜吸收鎘的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，18（3）：654-658.

[23]薛長(zhǎng)雷. 鎘，銅在小白菜內(nèi)的積累規(guī)律及其食用危害性分析[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2007.

[24]張 成. 有機(jī)物料與外源銅對(duì)小白菜和土壤的效應(yīng)研究[D]. 晉中：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[25]茹淑華，張國(guó)印，貢冬梅，等. 銅、鋅、鉛和鎘復(fù)合污染對(duì)番茄生長(zhǎng)和重金屬累積規(guī)律的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2013，28（增刊1）：371-375.

[26]余國(guó)營(yíng)，吳燕玉，王 新. 重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)大豆生長(zhǎng)的影響及其綜合評(píng)價(jià)研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1995，6（3）：433-439.

[27]祖艷群，李元，陳海燕，等. 蔬菜中鉛鎘銅鋅含量的影響因素研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22（3）：289-292.