磷灰石聯(lián)合黑麥修復(fù)銅污染土壤研究①

杜志敏，郭雪白，甄 靜，羅宏基，周 靜，王繼雯，岳丹丹，鞏 濤，楊文玲*，陳國參

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磷灰石聯(lián)合黑麥修復(fù)銅污染土壤研究①

杜志敏1，郭雪白2，甄 靜1，羅宏基3，周 靜4，王繼雯1，岳丹丹1，鞏 濤1，楊文玲1*，陳國參1

(1 河南省科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司，鄭州 450008；2 鄭州工商學(xué)院，鄭州 450000；3 四川長虹格潤環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，成都 610404；4 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008)

通過田間試驗研究了不同劑量磷灰石(10、20、30、50 g/kg，編號分別為LH1、LH2、LH3和LH4)與黑麥聯(lián)合作用對Cu污染土壤的修復(fù)效果，重點考察了磷灰石對黑麥生物量及Cu吸收、土壤pH及Cu形態(tài)轉(zhuǎn)化、土壤酶活性、植物生理指標(biāo)等的影響。試驗結(jié)果表明，磷灰石顯著提高了土壤pH、黑麥生物量及其Cu吸收量，顯著降低了黑麥地上部分及根系Cu含量，其中LH3處理黑麥Cu吸收量最高，達(dá)到對照處理的33.38倍；與對照相比，LH1、LH2、LH3和LH4處理土壤可交換態(tài)Cu含量顯著降低了37.0%、58.9%、89.0% 和83.3%，碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu含量顯著增加了46.6%、63.1%、78.0% 和93.3%；與對照相比，LH2、LH3和LH4處理顯著提高了土壤磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性，顯著提高了黑麥SOD和POD酶活性，顯著降低了黑麥MDA含量。綜合而言，施用30 g/kg的磷灰石并種植黑麥能夠很好地修復(fù)Cu污染土壤。

磷灰石；黑麥；修復(fù)；銅；土壤酶活性；植物生理指標(biāo)

隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快，及農(nóng)業(yè)集約化的發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，已成為影響我國社會、經(jīng)濟發(fā)展的重要環(huán)境問題。土壤重金屬污染物具有長期性、隱蔽性、表聚性和不可逆轉(zhuǎn)性的特點，治理和修復(fù)難度很大[1-2]。重金屬元素還可通過飲用水和食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人類健康。Cu是生物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素之一，過量時可造成土壤環(huán)境污染，對動植物及微生物生長產(chǎn)生毒害作用。2014年我國環(huán)境保護(hù)部和國土資源部公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》指出，全國土壤總的超標(biāo)率為16.1%，污染類型以無機型為主，其中Cu的點位超標(biāo)率達(dá)到2.1%，Cu污染土壤的修復(fù)和治理刻不容緩。

土壤酶是最活躍的土壤有機成分之一，可表征土壤物質(zhì)能量代謝程度高低，是土壤肥力、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重要的生化評價指標(biāo)[3]。土壤酶活性大小與土壤重金屬污染存在著顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系[4]。環(huán)境脅迫下植物常表現(xiàn)出膜脂過氧化，過氧化強弱可用丙二醛(MDA)含量反映[5]。此外，植物的保護(hù)酶系統(tǒng)可以清除自由基，減輕膜脂的氧化程度，使膜脂免受傷害，其中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性常被用作鑒定指標(biāo)[6]。

重金屬污染土壤修復(fù)方法包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)，其中植物修復(fù)是重要的生物修復(fù)技術(shù)，具有成本低、環(huán)境擾動小、二次污染少、利于景觀恢復(fù)、能激發(fā)微生物等優(yōu)點，近年來成為研究熱點[2,7]。牧草具有生物量大、生長迅速等特征，同時具有良好的生態(tài)環(huán)境修復(fù)作用，因此牧草修復(fù)重金屬土壤污染具有良好的應(yīng)用前景。而施用磷灰石等改良劑的化學(xué)固定技術(shù)可有效降低土壤中重金屬的生物有效性，為中、重度污染區(qū)域植物生長創(chuàng)造條件，促進(jìn)植物修復(fù)更好地開展，因此可通過建立“改良劑-植物”聯(lián)合修復(fù)體系對重金屬污染土壤進(jìn)行有效治理。前人在利用改良劑修復(fù)重金屬污染土壤方面，已做了大量研究，但污染土壤多為人為添加重金屬[8]，或主要開展了相應(yīng)的室內(nèi)試驗或盆栽試驗[2,7,9]。本研究在選取改良劑和植物構(gòu)建聯(lián)合修復(fù)體系時，重點考慮改良劑價格低廉、植物環(huán)境適應(yīng)性強、修復(fù)體系易實施、重金屬去除率高等方面因素，并選取重金屬污染區(qū)域進(jìn)行了相應(yīng)的田間原位修復(fù)試驗。本研究選取Cu冶煉廠周邊的污染土壤，進(jìn)行為期一年的田間試驗，建立“磷灰石-黑麥”聯(lián)合修復(fù)體系，通過考察修復(fù)體系對黑麥生物量、黑麥Cu吸收、土壤Cu形態(tài)、土壤酶活性、植物生理指標(biāo)等的影響，確定磷灰石的最適添加劑量并種植黑麥，對Cu污染土壤進(jìn)行修復(fù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：試驗選擇江西省貴溪市一處Cu污染田塊，該區(qū)域常年受到貴溪某冶煉廠排放的含重金屬“三廢”的污染，且有明顯沙化現(xiàn)象，田塊已廢棄多年。0 ~ 20 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)16.1 g/kg，全氮0.86 g/kg，有效磷68.1 mg/kg，速效鉀41.8 mg/kg，全Cu 907.0 mg/kg，全Zn 45.0 mg/kg，全Pb 59.6 mg/kg，全As 32.3 mg/kg，pH(土水質(zhì)量比1:2.5)5.7，容重1.31 g/cm3；機械組成(g/kg)：2 ~ 0.05 mm，626；0.05 ~ 0.002 mm，246；＜0.002 mm，128。

供試改良劑：磷灰石，購自鄭州建材大市場，磷含量約360 g/kg，pH為8.0，Cu含量7.59 mg/kg，粒徑0.14 mm。供試復(fù)合肥：山東“史丹利”牌(摻混肥料，N、P2O5、K2O各為170 g/kg，總養(yǎng)分≥510 g/kg)。供試植物：“冬牧70”牌黑麥()，能夠耐受并積累Cu、Zn等重金屬，購自河南秋樂種業(yè)科技股份有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，共設(shè)置5個處理，每個處理重復(fù)3次，共計15個試驗小區(qū)。各小區(qū)面積3 m × 3 m，小區(qū)四周田埂用聚乙烯塑料薄膜包裹，使各小區(qū)土壤及水流與小區(qū)外隔離開。各處理均種植相同量的黑麥，施入相同質(zhì)量的復(fù)合肥，在耕層(0 ~ 20 cm)土壤中添加不同劑量磷灰石，磷灰石劑量為10、20、30、50 g/kg，處理編號分別記為LH1、LH2、LH3和LH4，不添加磷灰石的處理記為CK。

2016年11月12日，布置試驗小區(qū)，各小區(qū)施入相應(yīng)劑量的磷灰石，并施入0.6 t/hm2復(fù)合肥，用耙翻耕使磷灰石和復(fù)合肥與耕層土壤充分混勻，澆水至土壤田間持水量的70%，平衡1周。播種催芽后的“冬牧70”黑麥種子0.15 t/hm2并覆上薄土。此后，根據(jù)土壤干濕情況適時澆水，各處理小區(qū)澆水量保持一致。2017年4月22日，在黑麥生長至開始抽穗時(黑麥生長約5個月后)，在試驗小區(qū)內(nèi)按對角線法選取5個取樣點，每個取樣點隨機取10株黑麥，50株黑麥混合后成為一個混合植物樣品。黑麥地面以上部分記為地上部分，黑麥地面以下部分記為根系，去離子水清洗干凈后，用濾紙吸干水分并分別稱量混合植物樣品地上部分和根系鮮重，取部分混合植物樣品測定葉片丙二醛(MDA)含量，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性，另取部分混合植物樣品按照杜志敏等[10]的方法烘干研磨后測定其Cu含量。采集黑麥根系的同時，使用抖根法去除非根際土壤，再用刷子將根上剩余土壤刷下作為根際土壤樣品，5個取樣點處根際土壤樣品混合后成為一個混合土壤樣品，自然風(fēng)干后過20目尼龍篩，測定其pH和土壤酶活性，并測定土壤可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)Cu含量。采集其余黑麥地上部分和根系樣品并分別稱量其鮮重，隨機取一部分黑麥地上部分和根系樣品，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，分別計算黑麥地上部分和根系含水量。各試驗小區(qū)黑麥地上部分生物量指所有黑麥的地上部分干物質(zhì)量：包括50株混合植物樣品的總地上部分鮮物質(zhì)量×(1-黑麥地上部分含水量)，根系生物量指所有黑麥的根系干物質(zhì)量：包括50株混合植物樣品的總根系鮮物質(zhì)量× (1-黑麥根系含水量)。

1.3 樣品分析

土壤pH、黑麥Cu含量按魯如坤[11]的方法測定。土壤Cu形態(tài)含量測定按朱嬿婉等[12]的方法測定。植物MDA含量，SOD、POD和CAT酶活性采用陳建勛和王曉峰[13]的方法測定。土壤磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性采用關(guān)松蔭[14]的方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和作圖，采用SPSS 19.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷灰石對黑麥生物量的影響

磷灰石處理后黑麥的生物量變化情況如圖1所示。對照及施加磷灰石處理的黑麥均能出苗，7 ~ 9 d后對照處理的部分黑麥嫩苗失綠、發(fā)黃、根部腐爛直至死亡，表現(xiàn)出典型的Cu中毒癥狀[15]。同一處理下黑麥根系生物量均高于地上部分生物量。對照處理黑麥地上部分和根系生物量均最低，施入磷灰石后黑麥地上部分及根系生物量顯著升高，且增加幅度均隨磷灰石添加劑量增加而增大。植物受Cu毒害最直接的表現(xiàn)為生長受阻和減產(chǎn)[15-16]，試驗結(jié)果表明隨著磷灰石添加劑量增加，黑麥?zhǔn)艿紺u的毒害作用逐漸減弱。其中磷灰石劑量50 g/kg(LH4)處理黑麥地上部分和根系生物量增加效果最顯著，分別達(dá)到對照處理的30.0倍和46.6倍。

(圖中小寫字母不同表示黑麥地上部或地下部生物量處理間差異顯著 (P<0.05)，n=3)

2.2 磷灰石對黑麥Cu吸收的影響

表1顯示了磷灰石對黑麥地上部分和根系Cu吸收的影響。同一處理下，黑麥根系Cu含量遠(yuǎn)大于地上部分Cu含量，根系Cu吸收量遠(yuǎn)大于地上部分Cu吸收量。這是由于根系是植物受Cu毒害的最初部位[17]，過量的Cu進(jìn)入植物體后與有機組分結(jié)合生成穩(wěn)定的配位化合物，大部分積累于根部，不宜向地上部輸送[16,18]。對照處理黑麥地上部分及根系Cu含量最高，施入磷灰石后逐漸降低，且降低幅度隨著磷灰石添加劑量增加而增大，除LH1處理地上部分Cu含量與對照間差異不顯著外，其余均與對照處理達(dá)到顯著差異水平(<0.05)。Cu污染土壤施入磷灰石后，雖然黑麥地上部分和根系Cu含量降低了，但黑麥生物量增加倍數(shù)大于黑麥Cu含量降低倍數(shù)，綜合表現(xiàn)為施入磷灰石顯著增加了黑麥地上部分及根系Cu吸收量(Cu吸收量= Cu含量×生物量)。地上部分或根系Cu吸收量在不同處理間的大小規(guī)律均表現(xiàn)為：CK

表1 磷灰石對黑麥Cu吸收的影響

注：數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(= 3)；同一列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著 (<0.05)，下表同。

2.3 磷灰石對土壤pH及Cu化學(xué)形態(tài)的影響

磷灰石對Cu污染土壤pH的影響如圖2所示。對照處理土壤pH為6.0，施入磷灰石后土壤pH有不同程度提高，且均與對照處理達(dá)到顯著差異水平(<0.05)。土壤pH的提高幅度隨著磷灰石添加劑量增加而增大，除LH3和LH4之間未有顯著差異外，其余兩兩處理之間均達(dá)到顯著差異水平(<0.05)。

Tessier等[23]的化學(xué)形態(tài)連續(xù)提取法將土壤重金屬分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)5種形態(tài)。不同形態(tài)重金屬的生物可利用性由高到低依次為：可交換態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>有機結(jié)合態(tài)>殘渣態(tài)[22]。土壤重金屬化學(xué)形態(tài)提取法分析，能夠有效推測重金屬有效性控制因素和生成的重金屬-鹽類沉淀或絡(luò)合物形式[24]，因此普遍應(yīng)用于土壤化學(xué)分析研究中。

磷灰石對土壤中Cu化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響如圖3所示。土壤可交換態(tài)Cu含量對照處理最高，施入磷灰石后顯著降低，且降低幅度隨磷灰石添加劑量增加而增大，其中LH3、LH4處理下土壤可交換態(tài)Cu含量降低幅度最大，較對照處理分別降低了89.0% 和83.3%。土壤可交換態(tài)Cu生物有效性最高[25]，最易被植物吸收，對植物毒害性最強，磷灰石處理對可交換態(tài)Cu含量的降低是黑麥長勢變好和生物量提高的主要原因，這與前期研究[26]結(jié)果類似。土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu含量對照處理較低，施入磷灰石后均有不同程度增加，且均與對照處理達(dá)到顯著差異水平(<0.05)。與對照處理相比，LH3處理土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu含量分別增加了78.0% 和50.7%，LH4處理土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu含量分別增加了93.3% 和58.2%。磷灰石對土壤Cu化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化影響整體表現(xiàn)為：降低土壤可交換態(tài)Cu含量，增加碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu含量，對有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)Cu含量的影響不顯著，即磷灰石促進(jìn)土壤Cu由生物有效性高的形態(tài)(可交換態(tài))轉(zhuǎn)化為生物有效性低的形態(tài)(碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài))。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異顯著 (P<0.05)，n=3，下圖同)

圖3 磷灰石對土壤Cu各形態(tài)含量的影響

2.4 磷灰石對土壤酶活性的影響

土壤酶活性對土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物活性等環(huán)境變化敏感，可對土壤環(huán)境狀況起到一定指示作用，常用于土壤質(zhì)量的評價[27]。重金屬抑制土壤酶活性主要有兩方面原因：一方面重金屬通過占據(jù)土壤酶活性中心或與酶分子基團結(jié)合，破壞酶活性基團空間結(jié)構(gòu)，抑制酶的催化能力及其酶的合成；另一方面重金屬通過影響土壤微生物的生長繁殖，減少微生物體內(nèi)酶的合成和分泌，間接影響土壤酶活性[28]。

磷灰石對Cu污染土壤磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性的影響如圖4所示。對照處理土壤磷酸酶活性最低，施用磷灰石后土壤磷酸酶活性有不同程度提高，且提高幅度隨磷灰石添加劑量增加而增大。LH2、LH3和LH4處理土壤磷酸酶活性分別達(dá)到對照處理的3.73倍、4.10倍和4.74倍，且均與對照處理達(dá)到顯著差異水平(<0.05)，但3種處理間未有顯著差異。對照處理土壤過氧化氫酶活性為0.23 ml/g，施入磷灰石后土壤過氧化氫酶活性均顯著提高，且提高幅度隨磷灰石添加劑量增加而增大。與對照處理相比，LH1、LH2、LH3和LH4處理土壤過氧化氫酶活性分別達(dá)到對照處理的3.00倍、4.36倍、5.29倍和8.50倍。除了LH2和LH3處理間未有顯著差異外，其余兩兩處理間均達(dá)到顯著差異水平(<0.05)。對照處理土壤脲酶活性最低，施入磷灰石后土壤脲酶活性顯著提高，LH1、LH2、LH3和LH4處理土壤脲酶酶活性分別達(dá)到對照處理的1.57倍、1.77倍、2.51倍和2.32倍。研究結(jié)果表明，磷灰石處理能夠顯著提高土壤磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性，這可能是由于磷灰石提高了Cu污染土壤pH，與Cu形成了穩(wěn)定的重金屬磷酸鹽礦物沉淀，降低了土壤中Cu的活性，減輕了Cu對土壤酶活性的抑制作用[20-21]；其次，土壤Cu生物活性降低后，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且微生物生長繁殖增強，間接提高了土壤酶活性[30-32]；再次，隨著磷灰石對黑麥生長的促進(jìn)，黑麥根系分泌物、凋落物、腐爛根系等增多，間接促進(jìn)了土壤酶活性的提高。

2.5 磷灰石對植物生理指標(biāo)的影響

磷灰石對黑麥MDA含量和SOD、POD、CAT酶活性的影響如圖5所示。對照處理黑麥MDA含量最高，施用磷灰石后黑麥MDA含量有不同程度降低，降低幅度隨磷灰石添加劑量增加而增大，LH2、LH3和LH4處理黑麥MDA含量與對照相比分別降低了24.2%、38.5% 和44.4%，均與對照達(dá)到顯著差異水平(<0.05)。MDA含量是膜脂過氧化程度強弱的重要指標(biāo)，當(dāng)植物受重金屬等環(huán)境脅迫增強時，MDA含量常表現(xiàn)為增加[3]。本試驗中土壤活性態(tài)Cu含量隨磷灰石添加劑量增加而降低，Cu對黑麥的脅迫程度逐漸降低，因此MDA含量呈下降趨勢。植物SOD、POD和CAT酶屬于植物抗氧化酶系統(tǒng)，能使植物對逆境產(chǎn)生防御功能[4]。植物抗氧化酶活性在低濃度重金屬脅迫時常表現(xiàn)為增加，但當(dāng)重金屬脅迫過重時，其毒害作用會使酶失活、變性，甚至被破壞，酶活性會受抑制而降低[33-34]。對照處理黑麥SOD和POD酶活性均最低，施入磷灰石后酶活性逐漸提高，且提高幅度均隨磷灰石添加劑量增加而增大。LH2、LH3和LH4處理黑麥SOD酶活性分別達(dá)到對照處理的3.37倍、6.66倍和11.18倍，均與對照達(dá)到顯著差異水平(<0.05)；LH1、LH2、LH3和LH4處理黑麥POD酶活性分別達(dá)到對照處理的1.45倍、2.26倍、2.49倍和3.89倍，均與對照達(dá)到顯著差異水平(<0.05)。對照處理黑麥CAT酶活性最低，LH3處理與對照相比顯著提高，達(dá)到對照處理的1.59倍，而LH1、LH2和LH4處理均未與對照形成顯著差異。該試驗結(jié)果表明對照處理黑麥?zhǔn)苤亟饘貱u脅迫最重，植物酶活性受到嚴(yán)重抑制，而隨著磷灰石添加劑量增加，黑麥SOD、POD酶均呈現(xiàn)上升趨勢，表明隨磷灰石劑量增加，黑麥?zhǔn)蹸u脅迫程度逐漸減輕，SOD、POD酶活性受抑制程度降低，且黑麥CAT酶對Cu脅迫的敏感程度略低于SOD和POD酶。

圖4 磷灰石對土壤酶活性的影響

圖5 磷灰石對黑麥MDA含量和SOD、POD、CAT酶活性的影響

2.6 土壤pH、Cu含量與植物Cu含量、土壤酶活性、植物生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

利用SPSS軟件對污染土壤pH、Cu含量與植物Cu含量、土壤酶活性和植物生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)。結(jié)果顯示，在本試驗Cu污染土壤pH范圍內(nèi)(6.0 ~ 6.9)，土壤pH與黑麥地上部分和根系Cu含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.889和-0.796；與土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.937、0.886和0.863；與黑麥SOD、POD、CAT酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.856、0.850和0.625；與黑麥MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.926。這表明pH范圍為6.0 ~ 6.9的Cu污染土壤，土壤pH升高能促進(jìn)土壤Cu由生物活性高的形態(tài)向生物活性低的形態(tài)轉(zhuǎn)化，從而減少植物體Cu含量，降低Cu對土壤酶及植物生理的毒性。這與鄒富楨等[7]研究的4種有機-無機混合改良劑對重金屬污染土壤的修復(fù)研究結(jié)果一致；杜志敏等[10, 26]在前期研究中也發(fā)現(xiàn)石灰、磷灰石等改良劑可有效提高土壤pH并降低土壤Cu生物活性，從而減少植物體Cu含量，增加土壤酶活性。磷灰石是常見的基肥，可增加土壤磷元素含量，并存在表面吸附和絡(luò)合作用，能增加土壤表面負(fù)電荷，增加重金屬的吸附量[19-21]。此外，磷灰石作為常見的堿性改良劑，其對土壤中Cu行為的影響還通過提高土壤pH來實現(xiàn)。土壤pH提高，一方面土壤溶液中氫離子濃度降低，氫離子對碳酸鹽、有機質(zhì)和鐵錳氧化物等重金屬吸附載體的競爭作用減弱，吸附載體與重金屬結(jié)合更為牢固，重金屬的生物有效性降低；另一方面，土壤表面可變負(fù)電荷增加，促進(jìn)了土壤膠體對重金屬離子的吸附，降低了吸附態(tài)重金屬的解析量[19, 22]。

表2 土壤Cu含量、pH與土壤酶活性、植物生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

注：* 表示相關(guān)性達(dá)到<0.05 顯著水平，** 表示相關(guān)性達(dá)到<0.01顯著水平，= 12。

土壤全Cu含量與黑麥地上部分Cu含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.631，而與黑麥根部Cu含量無顯著相關(guān)關(guān)系；土壤可交換態(tài)Cu含量與黑麥地上部分和根系Cu含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.944和0.830。這也驗證了化學(xué)分級法中的可交換態(tài)重金屬可較好反映土壤重金屬的生物有效性和移動性[25]，更易被植物體吸收，對植物產(chǎn)生的毒害作用更強。土壤全Cu含量與土壤脲酶活性和磷酸酶活性均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)，而與土壤過氧化氫酶活性未達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系；土壤可交換態(tài)Cu含量與土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0.927、-0.888和-0.902。土壤全Cu含量與植物生理指標(biāo)無顯著相關(guān)關(guān)系，土壤可交換態(tài)Cu含量與黑麥SOD、POD酶活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)，與黑麥CAT酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)，與黑麥MDA含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這與杜志敏等[15]前期研究結(jié)果一致，進(jìn)一步驗證土壤可交換態(tài)Cu毒性較大，顯著影響土壤酶活性、植物酶活性和植物MDA含量，因而在研究土壤酶活性及植物生理指標(biāo)影響因素時，重金屬形態(tài)分析比直接使用重金屬全量更為準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

1)本試驗Cu污染土壤施用磷灰石能顯著提高黑麥地上部分及根系生物量，并增加黑麥地上部分及根系Cu吸收量，LH1、LH2、LH3和LH4處理黑麥Cu吸收量相對值分別達(dá)到對照處理的19.61倍、26.47倍、33.38倍和22.58倍，其中LH3處理下Cu污染土壤修復(fù)效率最高。

2)本試驗Cu污染土壤施用磷灰石顯著提高了土壤pH，促進(jìn)土壤Cu由生物有效性高的可交換態(tài)向生物有效性低的碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化。與對照處理相比，施用20 ~ 50 g/kg磷灰石后，土壤磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性均顯著提高，黑麥MDA含量顯著降低，黑麥SOD和POD酶活性均顯著提高。

3)土壤pH與土壤酶活性、植物酶活性均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與黑麥MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤可交換態(tài)Cu含量與土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與黑麥SOD、POD、CAT酶活性呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與黑麥MDA含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

4)以黑麥生物量及Cu吸收、土壤Cu形態(tài)轉(zhuǎn)化、土壤酶活性、植物生理指標(biāo)作為Cu污染土壤修復(fù)效果評價指標(biāo)，施用30 g/kg的磷灰石并種植黑麥的聯(lián)合修復(fù)方法對本試驗Cu污染土壤修復(fù)效果最優(yōu)。施用磷灰石并種植黑麥的聯(lián)合修復(fù)方法實施簡單、修復(fù)效率高、材料價格低廉、材料易得、適應(yīng)性廣，適宜在偏酸性重金屬污染土壤上推廣應(yīng)用。

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Study on Apatite Combined Rye on Remediation of Cu Contaminated Soil

DU Zhimin1, GUO Xuebai2, ZHEN Jing1, LUO Hongji3, ZHOU Jing4, WANG Jiwen1, YUE Dandan1, GONG Tao1, YANG Wenling1*, CHEN Guocan1

(1 Institute of Biology Co. Ltd., Henan Academy of Sciences, Zhengzhou 450008, China; 2 Zhengzhou Technology and Business University, Zhengzhou 450000, China; 3 Sichuan Changhong Green Environmental Science and Technology Co. Ltd., Chengdu 610404, China; 4 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

A field experiment was conducted to test the remediation effects in a Cu contaminated soil by applying apatite (LH1, LH2, LH3 and LH4, dosages of 10, 20, 30 and 50 g/kg, respectively) and rye (), the biomass and Cu accumulation of rye, soil pH and Cu speciation, enzyme activities, and plant physiological indexes were measured. The results showed that apatite significantly increased soil pH, biomass and Cu accumulation of rye, but decreased Cu concentrations in shoots and roots of rye. Compared to control, LH3 increased Cu absorption of rye by 33.38 times of control, which was the highest treatment. Compared to control, LH1, LH2, LH3 and LH4 significantly decreased soil exchangeable Cu by 37.0%, 58.9%, 89.0% and 83.3%, while increased carbonate-bound Cu by 46.6%, 63.1%, 78.0% and 93.3%, respectively. LH2, LH3 and LH4 increased soil phosphatase, calatase, and urese activities, and increased SOD and POD activities of rye, but decreased MDA content of rye. In general, combining apatite of 30 g/kg with rye could remediate effectively Cu contaminated soil.

Apatite; Rye; Remediation; Cu; Soil enzyme activities; Plant physiological index

國家自然科學(xué)基金項目(31800361)；2019年河南省科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費項目(190605019)；2017年河南省科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費項目(銅尾礦耐性菌株的篩選及其對黑麥草生長影響研究)；2017年河南省科學(xué)院預(yù)先研究項目 (改良劑對銅鎘污染土壤的修復(fù)及其對微生物多樣性的影響研究)；2016年河南省科技攻關(guān)項目 (162102110164)；河南省科學(xué)院重大科研聚焦專項(190108003)；2012年河南省重大科技專項(121100110100)和2018年河南省科技開放合作項目(182106000053)資助。

(yangwenling2016@163.com)

杜志敏(1985—)，女，河南武陟人，博士，助理研究員，主要從事土壤重金屬污染修復(fù)研究。E-mail: duzhimin324@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.017

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