不同類型污染土壤中赤子愛勝蚓對(duì)伴礦景天重金屬吸收的影響初報(bào)

王孜楠，李柱，劉鴻雁，吳龍華

1 貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025

2 中國科學(xué)院南京土壤研究所 土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008

土壤重金屬易通過食物鏈途徑在植物、動(dòng)物和人體內(nèi)積累，對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]。全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，全國土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，為主要無機(jī)污染物，鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率為 7.0%[3]，因此土壤鎘污染的修復(fù)成為當(dāng)前污染治理的主要任務(wù)之一。在各種修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)因其環(huán)境友好、可原位實(shí)施等特點(diǎn)已被廣泛研究和實(shí)際應(yīng)用[4-5]。但某些土壤條件制約著植物修復(fù)效率，如鎘的有效性較低[6]、土壤肥力低、土壤物理結(jié)構(gòu)差等[7-9]。因此，如何提高植物修復(fù)效率是重金屬污染修復(fù)研究的重要方向之一[10]。

作為土壤動(dòng)物生物量的最大組成部分，蚯蚓可改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分有效性[11]。蚯蚓在土壤中的活動(dòng)影響了土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分元素的釋放，可增強(qiáng)土壤微生物活性[12]。在蚯蚓的取食、掘穴和排泄等生命活動(dòng)過程中，對(duì)土壤重金屬的生物有效性產(chǎn)生直接或間接的影響，進(jìn)而提高植物對(duì)重金屬的吸收量[13-15]。研究表明，在重金屬污染土壤中施加蚯蚓有利于植物的生長以及重金屬的吸收[16]。綜合來看，蚯蚓促進(jìn)植物修復(fù)效果可能存在兩種主要途徑，一方面是蚯蚓促進(jìn)植物生長，另一方面則是蚯蚓對(duì)土壤重金屬有效性的影響[16-17]。Groenigen等[18]通過對(duì)58篇文獻(xiàn)462組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，蚯蚓增加植物地上部生物量23%，地下部生物量20%，以及總的生物量21%。研究表明，蚯蚓具有提高土壤養(yǎng)分有效性的作用[19-20]，蚯蚓活動(dòng)使土壤有效氮含量增加了20%–23%、有效磷增加21.6%–41.9%、有效鉀增加13.7%–22.0%[21-22]。蚓糞中的激素類物質(zhì)對(duì)植株的生物量增加也有顯著的促進(jìn)作用[23]。不僅如此，蚯蚓的掘穴能夠起到改善土壤通氣與持水能力的作用，這對(duì)植物生長及其水分利用效率具有積極的影響[24]。此外，在促進(jìn)植物生物量增加的同時(shí)，蚯蚓的活動(dòng)能夠促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收[15,25-26]。盡管有較多關(guān)于蚯蚓對(duì)土壤重金屬作用與影響的文獻(xiàn)報(bào)道，但不同類型土壤上蚯蚓是否能對(duì)污染土壤中重金屬的超積累植物吸取修復(fù)起強(qiáng)化作用還缺乏證據(jù)[25]。

伴礦景天 (Sedum plumbizincicolaX.H. Guo et S.B. Zhou ex L.H. Wu)，是近年來在中國發(fā)現(xiàn)的景天科植物新種[27-28]，具有較強(qiáng)的鎘、鋅吸收富集能力，是鎘污染土壤吸取修復(fù)的理想植物[27]。但也有研究表明，不同土壤性質(zhì)對(duì)伴礦景天修復(fù)效率存在較大影響，例如石灰性土壤中伴礦景天對(duì)鎘、鋅的去除效率明顯低于酸性土壤[29]，高緊實(shí)度土壤修復(fù)效率較低[30]等?，F(xiàn)有的伴礦景天強(qiáng)化修復(fù)措施主要有加硫酸化[31]、施用秸稈[32]以及農(nóng)藝措施[33]等，目前對(duì)于伴礦景天修復(fù)的土壤動(dòng)物強(qiáng)化研究相對(duì)較少，鑒于目前在伴礦景天實(shí)際農(nóng)田修復(fù)中往往存在生長不良、修復(fù)效率低等問題，故開展蚯蚓添加下的伴礦景天修復(fù)試驗(yàn)。本文選取我國南方3種不同類型的重金屬污染土壤為研究對(duì)象，探討赤子愛勝蚓Eisenia foetida對(duì)超積累植物伴礦景天生長和重金屬吸收性的影響，以期探明蚯蚓強(qiáng)化超積累植物修復(fù)的影響因素，為重金屬污染土壤的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤分別采自貴州省貴陽市烏當(dāng)區(qū)水田鎮(zhèn)、廣東省韶關(guān)市曲江區(qū)烏石鎮(zhèn)、貴州省黔南州羅甸縣羅沙鄉(xiāng)，為農(nóng)田表層0–20 cm土壤。依據(jù)中國土壤系統(tǒng)分類，本研究供試土壤的土壤類型分別為常濕淋溶土 (Perudic Luvisols)、水耕人為土 (Stagnic Anthrosols) 和濕潤雛形土 (Udic Cambisols)，3種土壤均為我國南方地區(qū)常見類型，且重金屬污染問題突出。3種土壤的差異主要在于pH、養(yǎng)分和重金屬有效性方面，其基本性質(zhì)見表 1。試驗(yàn)用伴礦景天為扦插育苗，選擇大小相近、長勢(shì)一致、發(fā)育良好的伴礦景天枝條。蚯蚓為赤子愛勝蚓Eisenia foetida，購于江蘇省句容市某蚯蚓養(yǎng)殖場(chǎng)，選取同代、體重相近、有明顯環(huán)帶、健壯有活力的成年蚓，添加處理前在溫室中適應(yīng)環(huán)境7 d，后將蚯蚓置于濕潤濾紙上48 h進(jìn)行清腸。

1.2 盆栽試驗(yàn)

包括兩季，第一季盆栽試驗(yàn)選用 3種土壤(表1)，每土壤設(shè)3個(gè)處理，分別為：(1) 無伴礦景天、無蚯蚓對(duì)照 (CK)；(2) 種植伴礦景天 (T)；(3) 種植伴礦景天、添加蚯蚓 (ET)。每處理 4次重復(fù)，每盆裝土1.5 kg (烘干基)。每盆扦插伴礦景天4株，植物生長期間澆去離子水，保持土壤含水量在最大田間最大持水量的60%左右。添加蚯蚓處理，根據(jù)已有文獻(xiàn)作參考[34-36]，綜合本試驗(yàn)條件，設(shè)置每盆投放量為10條，蚯蚓總質(zhì)量約4.5 g，所有處理將盆體 (包括沒有接種蚯蚓處理)外邊沿用封口膜圍成一周并固定，防止蚯蚓逃逸。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Some basic properties of tested soils (Available P, K, Mg in water soluble form)

第二季種植，選取第一季蚯蚓沒有強(qiáng)化效應(yīng)的水耕人為土 (Stagnic Anthrosols) 為供試土壤，設(shè)置處理包括：(1) 種植伴礦景天 (T-2)；(2) 種植伴礦景天、添加蚯蚓 (ET-2)；(3) 種植伴礦景天、施用秸稈 (TS-2)；(4) 種植伴礦景天、添加蚯蚓、施用秸稈 (ETS-2)。第一季和第二季種植時(shí)間分別為2019年5–7月和9–11月。每季試驗(yàn)結(jié)束后收獲伴礦景天地上部及存活蚯蚓，蚯蚓記錄存活數(shù)量與體重。修復(fù)后土壤經(jīng)混勻、取樣、自然風(fēng)干，分別過2 mm和0.15 mm尼龍篩、備用。伴礦景天地上部用自來水、去離子水洗凈，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干72 h，記錄干重，研磨粉碎后備測(cè)。

1.3 分析方法

伴礦景天地上部樣品采用 HNO3-H2O2消解法消解，待測(cè)液 Cd、Zn采用火焰原子吸收光譜法測(cè)定，P、K、Ca、Mg采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定；伴礦景天地上部全N采用H2SO4-H2O2消解-半微量開氏法測(cè)定。土壤有效Cd和 Zn采用 0.01 mol/L CaCl2提取，土液比1∶10，浸提液采用石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定；土壤堿解N采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；水溶性P、K、Ca、Mg采用土水比 1∶10浸提，電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析采用Microsoft Office Excel 2019與IBM SPSS Statistics 25，比較方式采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)或雙向方差分析 (ANOVA)，置信區(qū)間為95%。

2 結(jié)果與分析

2.1 伴礦景天生物量及養(yǎng)分吸收量

在酸性常濕淋溶土，接種蚯蚓處理 (ET) 的伴礦景天地上部生物量比未接種處理 (T) 提高了105.9% (P<0.05)，而在中性水耕人為土和堿性濕潤雛形土，接種蚯蚓與未接種處理沒有顯著差異 (圖 1)。所有接種蚯蚓處理，伴礦景天氮吸收量均顯著升高 (P<0.05)，酸性常濕淋溶土、中性水耕人為土和堿性濕潤雛形土分別增加了56.3%、74.5%和28.0% (表2)。此外，酸性常濕淋溶土ET處理，伴礦景天P、K、Ca、Mg總吸收量分別增加112%、128%、82.2%和106% (表2)。

第二季盆栽試驗(yàn)添加秸稈處理中，ETS-2相比TS-2處理伴礦景天地上部生物量增加96.6%，未添加秸稈處理中ET-2相比T-2增加12.5%，但沒有顯著差異 (圖2)；此外，添加秸稈TS-2生物量顯著低于未添加秸稈 S-2處理。添加蚯蚓的處理中，ETS-2處理生物量相對(duì) ET-2處理增加了20% (圖 2)。養(yǎng)分吸收結(jié)果顯示，ET-2處理相較T-2處理伴礦景天各養(yǎng)分吸收均顯著增加，N、P、K、Ca、Mg分別提高68%、37%、23.7%、10.3%和30.9% (表3)。ETS-2處理相較TS-2處理N、P、K、Ca、Mg也顯著增加，增加量分別為151%、108%、102%、85.8%和63.5% (表3)。

圖 1 三類土壤施加赤子愛蚓后伴礦景天地上部生物量的差異Fig. 1 Dry matter above ground of S. plumbizincicola in 1st season. Letters above the bar indicate significant difference (P<0.05) by t-test between T and ET treatments in same soil.

表2 第一季伴礦景天地上部養(yǎng)分吸收量Table 2 Total nutrient uptake by shoot of S. plumbizincicola for 1st season

圖 2 水耕人為土第二季修復(fù)伴礦景天地上部生物量差異Fig. 2 Dry matter above ground of S. plumbizincicola grown on Stagnic Anthrosols. S. plumbizincicola shoot for 2nd season. Letters above the bar indicate significant difference (P<0.05) by ANOVA between T-2, ET-2, TS-2 and ETS-2 treatments.

表3 第二季伴礦景天地上部養(yǎng)分吸收量Table 3 T otal nutrient uptake by shoot of S. plumbizincicola for 2nd season

2.2 伴礦景天鎘鋅吸收量

第一季伴礦景天地上部 Cd濃度結(jié)果顯示，酸性常濕淋溶土ET處理下伴礦景天Cd和Zn濃度均顯著降低，降低比例分別為15.6%和34.1%。堿性濕潤雛形土 ET處理伴礦景天 Cd濃度降低11.7%，其余處理無顯著差異。第二季種植下，T-2與ET-2處理重金屬濃度無顯著性差異，添加秸稈下ETS-2處理Cd、Zn濃度顯著低于TS-2處理，相對(duì)降低量分別為38%和37.4%。

從總吸收量結(jié)果來看，酸性常濕淋溶土 ET處理下伴礦景天Cd吸收總量為1.87 mg/pot，為T處理的172%，Zn吸收總量為13.3 mg/pot，為T處理的 136%，均達(dá)到顯著水平 (P<0.05)。在中性水耕人為土與堿性濕潤雛形土處理下未觀察到吸收量顯著變化 (P>0.05)。第二季 (S2) 種植下，未添加秸稈的 T-2及 ET-2處理未發(fā)現(xiàn)顯著差異(P>0.05)；添加秸稈下TS-2處理的伴礦景天Cd、Zn濃度顯著升高 (P<0.05)，而ETS-2處理Cd、Zn濃度相對(duì)TS-2處理較低 (圖4)，但總體Cd、Zn吸收量高于TS-2處理22%和23% (圖4)；秸稈與蚯蚓聯(lián)用 (ETS-2) 相比于對(duì)照 (T-2) 伴礦景天對(duì) Cd、Zn的吸收分別增加了 66.4%和52.6%。

2.3 修復(fù)后土壤pH及有效Cd和Zn含量

圖3 第一季修復(fù)后伴礦景天地上部Cd和Zn濃度 (A) 與吸收量 (B)Fig. 3 Cd and Zn concentrations in shoot of S. plumbizincicola. Letters above the bar indicate significant difference(P<0.05) by t-test between T and ET treatments in same soil and element.

圖4 第二季修復(fù)后伴礦景天地上部Cd和Zn濃度 (A) 與吸收量 (B)Fig. 4 Total Cd and Zn uptake by shoot of S. plumbizincicola. Letters above the bars indicate significant difference(P<0.05) by ANOVA between T-2, ET-2, TS-2 and ETS-2 treatments in same element.

對(duì)修復(fù)后土壤pH和重金屬有效性分析表明，第一季 ET處理下酸性常濕淋溶土與中性水耕人為土pH相較CK處理顯著降低(P<0.05)。修復(fù)后土壤CaCl2提取態(tài)Cd、Zn濃度顯著下降，酸性常濕淋溶土T與ET相較CK處理有效Cd降低量分別為 69.0%和 77.9%。且兩處理間差異達(dá)顯著水平 (P<0.05) (表4)。而水耕人為土與濕潤雛形土T與ET間未出現(xiàn)顯著變化。

第二季修復(fù)結(jié)果顯示 (表4)，蚯蚓處理ET-2相比 T-2處理 pH顯著降低 (P<0.05)，添加秸稈后則未觀察到明顯變化。第二季修復(fù)后土壤CaCl2提取態(tài)Cd和Zn濃度進(jìn)一步降低。在添加秸稈處理TS-2與ETS-2相比未添加秸稈處理Cd下降更明顯(P<0.05)。

表4 修復(fù)后土壤pH及CaCl2提取態(tài)CdZn濃度變化Table 4 Changes of soi l p H and 0.01 mol/L CaCl2 extractable Cd after phytoremediation

3 討論

通過向鎘污染土壤投加蚯蚓以強(qiáng)化超積累植物修復(fù)，究其原理，一是通過促進(jìn)超積累植物生長，二是提高超積累植物對(duì)鎘的吸取。已有研究表明，蚯蚓影響植物生長的主要機(jī)制在于抑制作物病害、刺激與植物共生的微生物、分泌植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)以及增加植物對(duì)養(yǎng)分的利用率這5個(gè)方面，其中改善土壤結(jié)構(gòu)以及增加植物養(yǎng)分吸收是最為重要的途徑[37]。超積累植物修復(fù)的強(qiáng)化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是植物生物量，二是地上部重金屬濃度，可由該兩者之一或同時(shí)增加而導(dǎo)致植物對(duì)重金屬吸收量的增加。本研究發(fā)現(xiàn)，在不同類型土壤上蚯蚓對(duì)伴礦景天的強(qiáng)化修復(fù)效應(yīng)存在明顯差異。第一季種植修復(fù)中，蚯蚓添加的強(qiáng)化修復(fù)效果表現(xiàn)在酸性常濕淋溶土，由于地上部生物量大幅度增加，而導(dǎo)致伴礦景天對(duì)重金屬吸收性明顯增加，但該效應(yīng)并未出現(xiàn)在其他兩種土壤。其主要原因可能是這兩組土壤下伴礦景天的生物量沒有顯著差異 (圖1)。除生物量外，植物地上部重金屬濃度升高亦為強(qiáng)化修復(fù)效應(yīng)，但在本研究中并未出現(xiàn)植物鎘和鋅濃度增加的現(xiàn)象，這表明赤子愛勝蚓對(duì)伴礦景天修復(fù)效率的提高主要在于促生效應(yīng)。一般情況下，植物地上部重金屬濃度的增大，主要原因?yàn)橥寥乐亟饘儆行栽黾?，或是促進(jìn)植物生長、根系活力增強(qiáng)、富集重金屬能力相對(duì)增強(qiáng)。有研究表明，蚯蚓活動(dòng)能夠使土壤重金屬有效性發(fā)生變化[14,38-39]，但其作用因素復(fù)雜，且在不同土壤中對(duì)不同重金屬可能產(chǎn)生截然不同的效應(yīng)，如在某些土壤中產(chǎn)生鈍化效應(yīng)[15]，在部分土壤中則產(chǎn)生活化效應(yīng)[14]。從本研究結(jié)果來看，赤子愛勝蚓活動(dòng)使伴礦景天養(yǎng)分元素吸收量得到較大幅度提高，其中以氮吸收增加最為顯著，并且在蚯蚓作用下3種土壤的伴礦景天氮吸收均有明顯提高，該結(jié)果與Groenigen等[18,40-41]的研究結(jié)論相似。有效氮的增加可能由多方面因素導(dǎo)致，如蚯蚓的體表粘液、腸道分泌物、土壤有機(jī)質(zhì)的加速礦化以及固氮菌的增多[21]。除提高氮素吸收外，有研究報(bào)道蚯蚓Pontoscolex corethrurus能夠通過土壤有機(jī)磷礦化加快，從而增強(qiáng)磷的釋放[42]，促進(jìn)植物對(duì)磷吸收。但蚯蚓對(duì)于氮、磷以外的其他元素的影響效果尚不統(tǒng)一[18]。對(duì)于本研究條件下的3種土壤，僅僅在酸性常濕淋溶土上接種蚯蚓，伴礦景天生長表現(xiàn)顯著強(qiáng)化效應(yīng)，其他兩種土壤接種蚯蚓生物量均無顯著差異 (圖 1)。通過對(duì)伴礦景天養(yǎng)分吸收分析，發(fā)現(xiàn)磷、鉀、鈣和鎂4種元素的吸收量?jī)H在酸性常濕淋溶土中接種蚯蚓處理存在顯著增加，其他土壤中則均沒有顯著上升，養(yǎng)分吸收的不均衡提高可能是其他兩個(gè)土壤中施加蚯蚓沒有表現(xiàn)出促進(jìn)伴礦景天生長的原因。

第二季吸取修復(fù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中性水耕人為土中添加秸稈處理下伴礦景天地上部鋅鎘濃度顯著增加，表明秸稈能強(qiáng)化伴礦景天根系對(duì)重金屬吸收，該結(jié)果也驗(yàn)證之前研究[32]；秸稈和蚯蚓同時(shí)處理，伴礦景天生物量顯著增加，鎘吸收增加但地上部濃度降低，表現(xiàn)出稀釋效應(yīng)。這可能是伴礦景天生長速度過快，而土壤有效態(tài)鎘鋅供不應(yīng)求，固相中鎘無法快速解吸釋放的原因。秸稈和蚯蚓同時(shí)處理對(duì)于重金屬吸收量上表現(xiàn)為增加效應(yīng)，表明二者聯(lián)用可起到強(qiáng)化伴礦景天修復(fù)作用。對(duì)于中性水耕人為土，在第一季和第二季中僅接種蚯蚓均未明顯促進(jìn)伴礦景天生長，但在第二季中外加秸稈再接種蚯蚓顯著提高地上部生物量，而單添加秸稈處理則表現(xiàn)為生物量顯著降低 (圖1)。究其原因，可能是添加秸稈導(dǎo)致C/N比增大，秸稈在土壤中分解時(shí)消耗有效態(tài)氮，與植物競(jìng)爭(zhēng)氮素，進(jìn)而導(dǎo)致植物生物量降低[26]；添加秸稈同時(shí)施加蚯蚓，蚯蚓活動(dòng)可提高土壤有效氮，彌補(bǔ)秸稈分解的氮素需求，而蚯蚓活動(dòng)對(duì)秸稈也起到了加速腐熟的效應(yīng)[43]，蚯蚓在土壤中大量吞食有機(jī)質(zhì)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦欣谥参镂盏牡V質(zhì)元素及其他小分子有機(jī)物等[44]，進(jìn)而促進(jìn)植物生長?？傮w結(jié)果顯示，植物在蚯蚓活動(dòng)的刺激下吸收更多養(yǎng)分，特別是氮素的吸收[36]，生物量增大，重金屬吸收量也相應(yīng)增加；另一方面，重金屬吸收量的增加也可能與蚯蚓分泌物刺激根系生長有關(guān)[45-46]，分布更廣的根系能更有效地與土壤重金屬產(chǎn)生接觸，并且在蚯蚓洞穴中可能存在更多養(yǎng)分“熱點(diǎn)”，使伴礦景天進(jìn)一步增強(qiáng)養(yǎng)分吸收[47]。除養(yǎng)分增加外，蚯蚓活動(dòng)形成的大量蚓穴能夠改善土壤通氣性，而活動(dòng)過程中產(chǎn)生的各類有機(jī)酸、激素等可能進(jìn)一步促進(jìn)根系和植物生長[40]。但本研究中通過對(duì)土壤容重分析，接種蚯蚓與否并無顯著差異，但在田間條件下蚯蚓通過改變土壤結(jié)構(gòu)是否對(duì)伴礦景天生長具有促進(jìn)效應(yīng)，還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，本研究?jī)H局限于赤子愛勝蚓這一蚓種，對(duì)于其他類型的蚯蚓未進(jìn)行研究，不同種類蚯蚓可能在攝食習(xí)性、腸道菌群、粘液組成上有較大差別[36,48]，從而導(dǎo)致不同的試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)論

本研究以3種我國南方不同土壤類型的重金屬污染土壤為研究對(duì)象，初步探究了赤子愛勝蚓對(duì)超積累植物伴礦景天對(duì)鎘鋅吸取修復(fù)的強(qiáng)化效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，赤子愛勝蚓能促進(jìn)伴礦景天對(duì)氮素吸收，但對(duì)其他養(yǎng)分 (鉀、鈣、磷等) 吸收效應(yīng)的影響因土壤而異；赤子愛勝蚓強(qiáng)化修復(fù)效應(yīng)主要原因在于伴礦景天生物量的提高，但強(qiáng)化效應(yīng)因土壤而異：在西南地區(qū)常濕淋溶土條件下，引入赤子愛勝蚓伴礦景天對(duì)鎘去除量增加了106%，在水耕人為土添加赤子愛勝蚓的同時(shí)加入秸稈使伴礦景天對(duì)鎘的去除量增加了66.4%。