土壤pH對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)及Cd、Pb吸收的影響

陳雪雪，劉前亮，簡(jiǎn)槐良，羅 洋

(貴州師范學(xué)院 地理與資源學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018)

土壤是糧食、蔬菜、水果等作物生長(zhǎng)的大本營(yíng)，是人們能夠生存繁衍的基礎(chǔ)。但是隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，技術(shù)手段不斷更新，化肥、農(nóng)藥、工礦、石油等行業(yè)的全球發(fā)展，大量的重金屬進(jìn)入大氣、水體，最終通過沉降、吸附、絡(luò)合-螯合等形式進(jìn)入土壤并超過土壤的自凈能力，從而造成土壤重金屬污染。2014年頒布的《土壤污染調(diào)查公報(bào)》中表明：中國(guó)大陸地區(qū)受重金屬污染較為嚴(yán)重，全國(guó)總土壤超標(biāo)率為16.1%，其中 Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率為7%、Pb為1.5%[1]。沉積在土壤中的重金屬通過植物的吸收與植物根部進(jìn)行離子交換進(jìn)入植物體內(nèi)，再通過攝食進(jìn)入人體，且因不能被降解而在人體內(nèi)富集，引起致癌、致畸和致突變等系列后果，最終危害人體健康[2-4]。

蚯蚓是土壤中體型最大、數(shù)量最多的無(wú)脊椎動(dòng)物，由于體內(nèi)含有多種特殊酶，可分解落葉，殘?jiān)扔袡C(jī)物，有助于解決環(huán)境污染問題[5-6]。有研究表明，蚯蚓能富集土壤中的鋅(Zn)、鉛(Pb)和鎘(Cd)等微量重金屬[7]，可以用于畜禽糞便、重金屬污染土壤和城市污泥等污染的處理當(dāng)中[8-9]。蚯蚓靠皮膚感知外界溫度、酸堿度以及進(jìn)行呼吸，當(dāng)土壤中酸堿度偏高、偏低時(shí)，蚯蚓可能會(huì)出現(xiàn)脫水萎縮、體色變黑等癥狀，抑制其生存[10]，進(jìn)而影響對(duì)重金屬的修復(fù)效果。本研究采用盆式養(yǎng)殖的方法，通過對(duì)不同pH條件下模擬Cd、Pb污染土壤中蚯蚓生物量、蚯蚓體內(nèi)Cd、Pb含量以及土壤有效態(tài)Cd、Pb含量等指標(biāo)的測(cè)定，探討土壤酸堿度對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)及Cd、Pb吸收的影響，以期為受重金屬污染的土壤修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤：取自貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)魚洞峽后山農(nóng)用地，挖取耕作層15～20 cm的土壤，分裝入袋，帶回實(shí)驗(yàn)室后，去除其中混雜的植物根莖物質(zhì)和大塊石頭，置于陰暗、通風(fēng)條件下自然風(fēng)干，過5 mm篩備用。

供試蚯蚓：赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)，網(wǎng)上購(gòu)買，其基本特征如下：表?xiàng)停w長(zhǎng)35～130 mm，一般短于70 mm，寬3～5 mm，體節(jié)數(shù)80～110，其活動(dòng)主要集中在腐殖質(zhì)層[11]。

1.2 污染土壤的制備

參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》管制值，以乙酸鉛(優(yōu)級(jí)純)、氯化鎘(優(yōu)級(jí)純)溶液形式制備模擬Cd、Pb復(fù)合污染土壤。制備后土壤有效態(tài)Cd、Pb含量分別為3.48 mg/kg和2215.62 mg/kg。將土壤置于上口直徑23 cm，盆高22 cm，盆底直徑18 cm的花盆中，每盆裝土2.5 kg，老化1個(gè)月。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共6個(gè)處理，分別為：(1)C1：Cd、Pb污染，土壤pH值為6.72；(2)C2：Cd、Pb污染，土壤pH值為7.81；(3)C3：Cd、Pb污染，土壤pH值為9.04；(4)D1：無(wú)污染，土壤pH值為6.72；(5)D2：無(wú)污染，土壤pH值為7.81；(6)D3：無(wú)污染，土壤pH值為9.04。每個(gè)處理均設(shè)置三個(gè)重復(fù)，每盆接種25 g赤子愛勝蚓，均覆蓋一層篩網(wǎng)，防止蚯蚓逃跑并進(jìn)行遮光處理，蚯蚓飼養(yǎng)盆放置于陰涼的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在自然環(huán)境溫度條件下培養(yǎng)，蚯蚓飼養(yǎng)盆底部設(shè)有透氣孔，為防止蚯蚓從透氣孔逃逸，在容器底部放置細(xì)孔紗布。盆內(nèi)土壤濕度大致控制在田間持水量的50%～60%，培養(yǎng)50 d后，試驗(yàn)結(jié)束，撿出蚯蚓，計(jì)算活體蚯蚓數(shù)量并稱重。將稱重后的蚯蚓，先進(jìn)行吐泥處理，再將蚯蚓冷凍至死，然后至于烘箱中105℃、8 h烘干并研磨成粉。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

蚯蚓重量：采用隨機(jī)挑選15條，用萬(wàn)分之一天平稱重，得出單條重量； 蚯蚓體內(nèi)Cd、Pb含量：采用HNO3+H2O2體系，置于微波消解儀經(jīng)表1程序消解，轉(zhuǎn)移定容后，原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤有效態(tài)Cd、Pb含量測(cè)定：采取0.1 mol/L鹽酸浸提，原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤酸堿度測(cè)定：采用去CO2水浸提(水土比2.5∶1)，pH電極測(cè)定。

表1 蚯蚓樣品微波消解溫度與時(shí)間

1.5 數(shù)據(jù)分析

所得數(shù)據(jù)先用Excel2016求平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，然后用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析，用LSD法進(jìn)行多重比較，差異顯著水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤pH條件下蚯蚓生長(zhǎng)狀況

試驗(yàn)后所有處理的蚯蚓數(shù)量相較于試驗(yàn)前均呈下降趨勢(shì)(表2)。無(wú)重金屬污染時(shí)，三個(gè)pH條件下蚯蚓的存活率分別為8.33%(D1)、80.60%(D2)和68.92%(D3)。當(dāng)土壤pH值為6.72時(shí)，蚯蚓生長(zhǎng)狀況最差，其重量比pH值為7.81和9.04時(shí)顯著降低了93.77%和92.35%(P<0.05)，存活率比pH值為7.81和9.04時(shí)顯著降低了89.67%與87.91%。當(dāng)土壤受到Cd-Pb復(fù)合污染后，蚯蚓的生長(zhǎng)進(jìn)一步受到抑制。通過觀察和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，C1處理組土壤中蚯蚓全部死亡，而C2、C3處理組蚯蚓的數(shù)量平均只有45和21條，比對(duì)應(yīng)的無(wú)污染的D2、D3處理組少了13.33和26.33條；蚯蚓的重量相比無(wú)污染處理組分別少了3.78 g和5.20 g，存活率也相對(duì)降低了24.02%和43.24%。當(dāng)污染程度一致時(shí)，蚯蚓存活率在不同pH值條件下的大小順序?yàn)閜H值7.81> pH值9.04> pH值6.72，各處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表2 試驗(yàn)前后蚯蚓生長(zhǎng)狀況

2.2 不同土壤pH值條件下蚯蚓體內(nèi)Cd、Pb含量

從表3可以看出，無(wú)重金屬污染時(shí)，三個(gè)pH值條件下蚯蚓體內(nèi)Cd含量分別為1.28(D1)、3.89(D2)和3.34 mg/kg(D3)，各處理間差異不顯著(P>0.05)；Pb含量分別為0.00(D1)、24.24(D2)和3.30 mg/kg(D3)，D1與D3差異不顯著，但D2顯著高于其余兩個(gè)處理(P<0.05)。土壤受到Cd-Pb復(fù)合污染后，蚯蚓體內(nèi)的兩種重金屬含量也相應(yīng)增加。除pH值為6.72時(shí)蚯蚓全部死亡無(wú)法測(cè)得其體內(nèi)Cd、Pb含量以外，土壤pH值為7.81與9.04時(shí)蚯蚓Cd含量分別是無(wú)污染處理組的19.53倍和39.43倍，Pb含量分別是無(wú)污染處理組的83.08倍和526.04倍。

表3 不同pH值條件下蚯蚓體內(nèi)Cd、Pb含量

2.3 不同pH值條件下土壤有效態(tài)Cd、Pb含量

試驗(yàn)后各處理的土壤有效態(tài)Cd、Pb含量狀況見表4。無(wú)污染時(shí)，三個(gè)pH值條件下土壤Cd的有效態(tài)含量與試驗(yàn)前相比分別減少61.54%(D1)、0%(D2)和53.85%(D3)，各處理間差異不顯著(P>0.05)；土壤Pb的有效態(tài)含量無(wú)明顯差異，但與試驗(yàn)前相比分別減少58.79(D1)、58.22(D2)與58.57 mg/kg(D3)。土壤受Cd-Pb復(fù)合污染后，其有效態(tài)Cd 、Pb含量在不同pH值之間無(wú)明顯差異(P>0.05)，但與試驗(yàn)前相比有效態(tài)Cd含量分別減少6.61%(C1)、8.05%(C2)和4.89%(C3)；有效態(tài)Pb含量減少9.19%(C1)、2.50%(C2)與3.62%(C3)。

表4 不同pH條件下土壤有效態(tài)Cd、Pb含量

2.4 土壤pH值變化

由表5可知，試驗(yàn)后Cd-Pb復(fù)合污染土壤pH值分別為6.88(C1)、7.32(C2)、8.21(C3)，而無(wú)污染土壤試驗(yàn)后酸堿度分別為7.24(D1)、7.65(D2)與8.27(D3)。表明三種pH值條件下的土壤，經(jīng)過試驗(yàn)后其酸堿度總體上呈下降趨勢(shì)，降幅大小順序表現(xiàn)為C3>C2>C1和D3>D2>D1。在Cd-Pb復(fù)合污染土壤中，C1處理組土壤酸堿度比試驗(yàn)前上升0.16個(gè)單位，而C2、C3處理組分別減少0.49和0.83個(gè)單位。無(wú)污染土壤中，D1處理土壤pH值與試驗(yàn)前相比上升了0.52個(gè)單位，D2與D3時(shí)分別減少了0.16與0.77個(gè)單位。說(shuō)明一方面，土壤pH值不同，導(dǎo)致蚯蚓的存活狀態(tài)不同；另一方面，蚯蚓的生命活動(dòng)，也反作用于土壤酸堿度。

表 5 試驗(yàn)后各處理土壤pH值

3 討論

根據(jù)蚯蚓特化的生態(tài)功能和適應(yīng)能力，Boucher[12]將其劃分為表層種、內(nèi)層種、深層種3種生態(tài)類型。本次試驗(yàn)選用的赤子愛勝蚓屬于表層種，生活在土壤表層的有機(jī)質(zhì)中，以環(huán)境中豐富的有機(jī)腐殖質(zhì)為食。本次試驗(yàn)未外源施加有機(jī)質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)可能導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降，因此即使無(wú)重金屬污染處理組蚯蚓生物量相對(duì)試驗(yàn)前也呈下降趨勢(shì)。土壤pH值對(duì)蚯蚓的存活狀態(tài)有很大影響，表現(xiàn)為pH值為6.72時(shí)蚯蚓存活率最低，只有8.33%；pH值為7.81時(shí)最高，達(dá)80.60%，這與張振軍[13]等的研究結(jié)果不一致，可能與本研究所用土壤類型、其他有害元素的有效性和室內(nèi)培養(yǎng)環(huán)境等因素有關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步探索。通過對(duì)比本研究中同一酸堿度下土壤中蚯蚓的存活率可知，Cd-Pb復(fù)合污染對(duì)蚯蚓產(chǎn)生了毒害作用，抑制其生長(zhǎng)?？赡苁荂d-Pb復(fù)合污染破壞了蚯蚓體內(nèi)的抗氧化酶、酸性磷酸酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶等酶活性，使其抵抗重金屬的能力下降[14-15]。

自發(fā)現(xiàn)蚯蚓能夠作為土壤重金屬污染程度指示動(dòng)物以來(lái)[16-17]，大量研究表明蚯蚓對(duì)重金屬有富集作用，李敏等[18]發(fā)現(xiàn)蚯蚓在污染土壤中，其體內(nèi)Cd含量最大可達(dá)7.92 mg/kg；寇永綱[19]的研究也證明了蚯蚓對(duì)Pb的富集量可達(dá)0.386 mg/條。本研究中，Cd-Pb復(fù)合污染土壤中蚯蚓體內(nèi)Cd、Pb含量分別為75.98～131.71 mg/kg和1735.93～2013.97 mg/kg，表明蚯蚓對(duì)重金屬有一定富集作用，且在pH值為7.81時(shí)Pb富集量最大，pH值為9.04時(shí)Cd富集量最大，這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，土壤有效態(tài)重金屬含量與土壤的pH值呈顯著相關(guān)關(guān)系，影響蚯蚓的吸收[20]。從總量上來(lái)看，赤子愛勝蚓更適宜在中性和弱堿性條件下對(duì)重金屬進(jìn)行富集，此結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[21]。

蚯蚓活動(dòng)可以改變土壤酸堿度[22]，Cheng和Wong[23]等的研究表明高砂土接種蚯蚓后土壤pH值上升，而紅壤的pH值則表現(xiàn)為下降。韓桂歐[24]等人在研究林下養(yǎng)殖蚯蚓對(duì)鹽堿地土壤和苗木生長(zhǎng)的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)蚯蚓可以降低鹽堿地土壤的pH值。本研究中，接種蚯蚓后各處理土壤pH值整體上呈現(xiàn)為下降趨勢(shì)，這可能是由于蚯蚓活動(dòng)導(dǎo)致土壤中的有機(jī)質(zhì)礦化、氨化、硝化以及反硝化等過程發(fā)生改變，對(duì)土壤酸堿度起到了調(diào)節(jié)作用[25]。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)pH值為6.72時(shí)，蚯蚓在Cd-Pb復(fù)合污染土壤中全部死亡；當(dāng)土壤 pH值為7.81時(shí)存活率和單個(gè)蚯蚓重量最大。

(2)當(dāng)Cd-Pb復(fù)合污染土壤pH值為9.04和7.81時(shí)，蚯蚓對(duì)重金屬具有一定的吸收能力，且以pH值為7.81時(shí)富集總量最大。

(3)當(dāng)pH值為9.04 時(shí)，污染土壤中有效態(tài)Cd比另外兩個(gè)pH值梯度(pH值為6.72和7.81)分別高1.81%和3.32%；當(dāng)pH值為7.81時(shí)，土壤有效態(tài)Pb含量比另外兩個(gè)pH值梯度(pH值為6.72和9.04)高6.86%和1.14%。