鄧月強(qiáng),曹雪瑩,譚長銀*,孫麗娟,蔡潤眾,彭曦,柏佳,黃碩霈,周青
(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖南師范大學(xué)環(huán)境重金屬污染機(jī)理及生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實驗室,長沙 410081;2.長沙學(xué)院鄉(xiāng)村振興研究院,長沙 410022)
鎘(Cd)是一種對人體有害的重金屬元素,因其生物活性高,毒性強(qiáng),可以通過食物鏈對人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-3]。近年來,我國農(nóng)田土壤Cd污染及其引起的稻米Cd污染問題受到人們越來越多的關(guān)注。據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示,我國土壤Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7%,受Cd污染農(nóng)田面積約為2×105km2,Cd已成為我國農(nóng)田重金屬污染元素之首[4-5]。相對于物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù),植物修復(fù)(Phytoremediation)被認(rèn)為是環(huán)保、低成本且不破壞土壤原有結(jié)構(gòu)的重金屬污染土壤的修復(fù)方法[6]。但植物修復(fù)技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一些明顯不足,如土壤Cd有效性低,部分超積累植物生長速度慢、生物量小、修復(fù)周期長等[7],這些因素制約著植物修復(fù)效率。因此,如何提高超積累植物的Cd污染土壤修復(fù)效率已成為當(dāng)前土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
伴礦景天(Sedum plumbizincicola)是一種 Cd∕Zn超積累植物[8-9],在Cd污染土壤植物修復(fù)中已得到廣泛應(yīng)用。已有研究表明,農(nóng)藝措施、生物措施等是提高伴礦景天修復(fù)效率的重要途徑[10]。適宜的種植密度、水分條件、光照條件等有利于伴礦景天的生長,可提高伴礦景天生物量[11-13]。沈麗波等[14]發(fā)現(xiàn),增施氮肥是伴礦景天地上部生物量增加的主要原因,而鉀肥是增加伴礦景天地上部Cd含量的主要因素。馬文亭等[15]研究表明,里氏木霉FS10-C可通過增加伴礦景天生物量來提高其修復(fù)效率,土壤Cd去除率最高可達(dá)41.25%。此外,有機(jī)酸在強(qiáng)化伴礦景天修復(fù)方面也有明顯效果[16]。
秸稈還田和施用有機(jī)肥是提升農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤肥力的重要措施,明確其對土壤Cd有效性和植物Cd吸收積累的影響,對Cd污染農(nóng)田土壤的植物修復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。水稻秸稈、大豆秸稈、豬糞等是常見的農(nóng)業(yè)廢棄物,廉價易得,如果對其加以利用,既可以改良土壤、提高土壤肥力和降低成本,還可以用于污染土壤修復(fù),是一種可兼顧修復(fù)和培肥的可行方法[17-18]。近年來,對施用有機(jī)物料改善土壤質(zhì)量和提高作物產(chǎn)量等方面的研究已取得重要進(jìn)展,但有機(jī)物料對土壤(特別是酸性土壤)中Cd有效性的影響尚待進(jìn)一步明確。有機(jī)物料通過改變Cd的生物有效性來影響植物對Cd的吸收,有研究表明,在重金屬污染農(nóng)田土壤上,施用秸稈有機(jī)物料提高了土壤pH值,降低了土壤Cd的生物有效性,減少了黑麥草對土壤Cd的吸收和積累[19]。但也有研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)物料施入土壤后,不僅可以提高土壤肥力、改良土壤結(jié)構(gòu),而且在礦化分解過程中釋放出可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)活化土壤Cd,促進(jìn)植物對Cd的吸收[20-21]。這種結(jié)果的差異可能與污染土壤類型、植物種類、有機(jī)物料的組成、性質(zhì)差異和用量等密切相關(guān)。因此,利用有機(jī)物料輔助超積累植物修復(fù)Cd污染土壤有待進(jìn)一步探索和研究。
本研究以湖南省湘潭縣典型Cd污染酸性農(nóng)田土壤為研究對象,探討添加水稻秸稈、大豆秸稈、豬糞和水溶性有機(jī)肥4種有機(jī)物料對伴礦景天修復(fù)Cd污染酸性農(nóng)田土壤的效果和潛力,篩選可強(qiáng)化伴礦景天高效修復(fù)Cd污染土壤的有機(jī)物料,以期為Cd污染酸性農(nóng)田土壤修復(fù)中有機(jī)物料的合理施用及伴礦景天高效修復(fù)提供理論依據(jù)。
供試植物為伴礦景天(Sedum plumbizincicola),植株采自湖南省湘潭縣某育苗基地(27°44′4.9″N,112°56′22.3″E)。供試土壤采自湖南省湘潭縣某重金屬修復(fù)試驗基地污染農(nóng)田(27°44′5.2″N,112°56′25.8″E),由于長期工業(yè)發(fā)展,區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染嚴(yán)重。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候,雨熱同季,年均溫16.7~18.3℃,年平均降水量1 300 mm,以雙季稻種植為主。土壤類型為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土(紅黃泥),取表層土壤(0~20 cm),經(jīng)風(fēng)干去除雜物后混勻,過10目尼龍篩備用。土壤基本理化性質(zhì)如下:pH 4.73,有機(jī)質(zhì)21.08 g·kg-1,全 N 1.54 g·kg-1,全 P 0.42 g·kg-1,全 K 10.8 g·kg-1,堿解 N 120.16 mg·kg-1,有效 P 31.22 mg·kg-1,速效 K 165.58 mg·kg-1,二乙基三胺五乙酸(DTPA)-Cd 0.25 mg·kg-1,總Cd含量為0.75 mg·kg-1。
供試有機(jī)物料主要為水稻秸稈、大豆秸稈、豬糞和水溶性有機(jī)肥。有機(jī)物料風(fēng)干后粉碎過10目尼龍篩,備用。有機(jī)物料基本性質(zhì)見表1。
在溫室進(jìn)行盆栽試驗,盆栽試驗時間為2019年11月20日至2020年4月20日。試驗所用塑料盆規(guī)格為上直徑18 cm、下直徑10.2 cm、高11 cm,盆底有2個小孔,并在底部放置托盤,每盆裝土1.0 kg,將水稻秸稈(RS)、大豆秸稈(SS)、豬糞(PM)和水溶性有機(jī)肥(OF)分別按土質(zhì)量為1%、3%與供試土壤拌勻后裝入塑料盆中,分別記為RS1%、RS3%、SS1%、SS3%、PM1%、PM3%、OF1%和OF3%,以不添加有機(jī)物料作為對照(CK),計9個處理,每個處理3次重復(fù),共27盆,在溫室靜置20 d。選用大小相近、長勢一致且?guī)в腥~片的健康伴礦景天(S.plumbizincicola)枝條進(jìn)行扦插,每盆3株,于2019年12月10日移栽。在伴礦景天生長過程中,定期澆水使盆中土壤含水率維持在田間持水量的70%左右。
2020年4月20日收獲伴礦景天并采集土壤樣品。伴礦景天收獲后分地上部和根部,用自來水沖洗干凈,再用去離子水反復(fù)沖洗,吸水紙擦干,放入烘箱105℃殺青30 min,65℃烘干至恒質(zhì)量,測定干物質(zhì)量,再用瑪瑙研缽磨碎,過60目尼龍篩備用;土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后,磨碎,分別過10、60、100目尼龍篩備用。
有機(jī)物料pH值采用pHs-3C雷茲酸度計測定,物水比為1∶10;有機(jī)C含量測定采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定;有機(jī)物料用硫酸-過氧化氫消煮法消煮后,全N含量采用凱氏定氮法測定,全K含量采用火焰光度法測定,全P含量采用釩鉬黃比色法測定[22]。
土壤pH用pHs-3C雷茲酸度計測定,土水比為1∶2.5;土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定;土壤堿解N采用堿解擴(kuò)散法測定;土壤有效P采用鉬銻抗比色法測定;土壤速效K采用乙酸銨提取法測定。上述指標(biāo)具體測定步驟參照《土壤農(nóng)化分析》[23]。
土壤有效態(tài)Cd采用DTPA浸提法測定[24],土壤和植物重金屬含量測定采用美國EPA標(biāo)準(zhǔn)方法(US EPA3051a)消解,伴礦景天植株重金屬含量用HNO3(10 mL)消解,土壤重金屬全量用HNO3∶HCl(體積比3∶1)混酸消解,儀器為微波消解儀(CEM MAR S6,Matthews,NC,USA)。消化液和浸提液中的Cd含量用原子吸收光譜儀(Pin AAcle 900T,Perkin Elmer,USA)進(jìn)行測定。樣品測試過程中,通過空白試驗和國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(土壤:GBW07406;植物:GBW07603)進(jìn)行質(zhì)量控制。
土壤Cd去除率=[修復(fù)前土壤Cd全量(mg·kg-1)-修復(fù)后土壤Cd全量(mg·kg-1)]∕修復(fù)前土壤Cd全量(mg·kg-1)×100%
采用Excel 2016和Origin 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖,使用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析,Duncan多重比較法檢驗差異顯著性。
不同有機(jī)物料對土壤理化性質(zhì)的影響見表2。與CK相比,施用有機(jī)物料提高了土壤pH,除SS3%和OF1%處理外,其他處理均達(dá)到顯著水平(P<0.05),其中PM3%處理土壤pH最高,較CK升高了0.84個單位。有機(jī)物料均可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,與CK相比,RS3%、SS3%、PM1%、PM3%處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加(P<0.05),分別增加了 20.28%、9.22%、13.36%、28.57%。
表1 供試有機(jī)物料基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of organic materials used in the experiment
與CK相比,有機(jī)物料處理還不同程度地提高了土壤速效養(yǎng)分含量。SS3%、PM3%、OF3%處理土壤堿解N含量達(dá)顯著差異水平(P<0.05),含量分別增加了17.36%、22.31%、11.57%,其他處理差異不顯著。有機(jī)物料處理土壤有效P含量增加了3.42%~28.77%。施用有機(jī)物料還提高了土壤速效K含量,OF3%處理土壤速效鉀含量最高,可達(dá)178 mg·kg-1。
不同有機(jī)物料對伴礦景天地上部和根部生物量(以干質(zhì)量計)的影響如圖1所示。與CK相比,施用有機(jī)物料伴礦景天地上部生物量增加了1.08%~40.69%,RS3%、PM3%、OF3%處理可顯著增加伴礦景天地上部生物量(P<0.05),表明水稻秸稈、豬糞和水溶性有機(jī)肥的添加能顯著促進(jìn)伴礦景天的生長。不同有機(jī)物料處理下的伴礦景天根部生物量也有不同程度增加,RS3%處理最高可達(dá)0.37 g·pot-1,說明有機(jī)物料對伴礦景天根系生長也具有強(qiáng)化作用。
伴礦景天地上部和根部Cd含量因有機(jī)物料的種類和用量不同具有一定差異性(圖2)。與CK相比,PM1%和PM3%處理伴礦景天地上部Cd含量下降,但無顯著差異;其他處理伴礦景天地上部Cd含量有不同程度增加,增幅為10.02%~64.91%。就根部而言,與CK相比,RS3%、SS3%、OF1%和OF3%處理顯著提高了伴礦景天根部Cd含量(P<0.05),而PM1%和PM3%處理根部Cd含量有所降低??傮w而言,施用水溶性有機(jī)肥對伴礦景天地上部和根部Cd含量的增加效果最好。
4種有機(jī)物料不同程度提高了伴礦景天對污染土壤Cd的積累量(表3)。不同處理下,伴礦景天地上部和根部的Cd積累量占整株積累量的百分比分別為94.62%~96.37%和3.56%~5.37%。與CK相比,不同有機(jī)物料處理增加了伴礦景天Cd總積累量,增幅為11.67%~95.57%。伴礦景天Cd積累量受有機(jī)物料種類的影響,施用水稻秸稈和水溶性有機(jī)肥伴礦景天對Cd的積累效果較好,其中RS3%和OF3%處理Cd總積累量分別可達(dá)527 μg·pot-1和 542 μg·pot-1。此外,比較同一種有機(jī)物料用量之間的效果可以發(fā)現(xiàn),高用量(3%)條件下伴礦景天Cd總積累量都比低用量(1%)高,這說明伴礦景天Cd積累量還受有機(jī)物料用量的影響。
表2 有機(jī)物料對土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of organic materials on physicochemical properties of soil
圖1 有機(jī)物料對伴礦景天生物量的影響Figure 1 Effects of organic materials on biomass of S.plumbizincicola
圖2 有機(jī)物料對伴礦景天Cd含量的影響Figure 2 Effects of organic materials on Cd content of S.plumbizincicola
有機(jī)物料的施用對土壤DTPA-Cd含量產(chǎn)生了不同程度的影響(表4)。與CK相比,PM1%和PM3%處理土壤DTPA-Cd含量分別降低了6.25%和12.5%,但無顯著差異。其他處理土壤DTPA-Cd含量有不同程度增高,且含量隨施用量的增加而增高,其中OF3%處理效果最好,較CK增高了50.0%(P<0.05)。由此可見,土壤DTPA-Cd含量的變化因有機(jī)物料種類和用量而異。
表3 有機(jī)物料對伴礦景天Cd積累量的影響(μg·pot-1)Table 3 Effects of organic materials on Cd accumulation in S.plumbizincicola(μg·pot-1)
利用伴礦景天進(jìn)行植物修復(fù)過程中,施用有機(jī)物料促進(jìn)了污染土壤中Cd的去除,且不同有機(jī)物料種類及用量對土壤Cd去除率表現(xiàn)出一定差異(表4)。由表4可知,伴礦景天修復(fù)后土壤Cd全量較修復(fù)前降低了0.21~0.38 mg·kg-1。CK處理土壤Cd去除率為27.6%,有機(jī)物料處理土壤Cd去除率可達(dá)29.8%~50.7%,其中水稻秸稈和水溶性有機(jī)肥處理土壤Cd的去除效果較好??梢姡┯糜袡C(jī)物料對伴礦景天修復(fù)酸性Cd污染農(nóng)田土壤具有強(qiáng)化作用。
如表5所示,有機(jī)物料類型對土壤pH、DTPA-Cd含量、Cd去除率和伴礦景天地上部生物量、根部Cd含量、地上部Cd含量和Cd總積累量有顯著影響;有機(jī)物料施用量對土壤pH、DTPA-Cd含量、Cd去除率和伴礦景天根部生物量、地上部生物量、地上部Cd含量和Cd總積累量有顯著影響。表明土壤Cd的活性和伴礦景天修復(fù)效率受到有機(jī)物料類型和施用量共同影響。
表4 修復(fù)后土壤Cd全量和有效態(tài)Cd含量Table 4 Soil total Cd content and available Cd content after phytoremediation
表5 多因素方差分析中F值的顯著性Table 5 Significance of F value in two-way ANOVA analysis of variance
表6為土壤和伴礦景天主要指標(biāo)相關(guān)性分析。結(jié)果表明,土壤DTPA-Cd含量與速效K呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。伴礦景天根部Cd含量與土壤DTPA-Cd含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與土壤速效K呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。伴礦景天地上部Cd含量與土壤DTPA-Cd含量和速效K呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。
土壤Cd有效性是影響伴礦景天修復(fù)效率的重要因素,有機(jī)物料可通過改變土壤Cd化學(xué)形態(tài)來影響超積累植物對土壤Cd的吸收。然而,有機(jī)物料對土壤Cd賦存形態(tài)的影響受其種類、用量、土壤類型和污染水平等多因素的影響,賈樂等[25]和王騰飛等[26]的研究發(fā)現(xiàn),土壤中的秸稈和豬糞分解時,可釋放大量可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM),對土壤中Cd有較好的活化作用,從而提高土壤中有效態(tài)Cd含量;而Xu等[19]研究結(jié)果表明,水稻秸稈和小麥秸稈進(jìn)入土壤可以形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,使土壤有效態(tài)Cd含量降低。本研究的結(jié)果表明,施用豬糞處理的土壤有效態(tài)Cd含量有所下降,其原因可能是豬糞施入土壤后分解產(chǎn)生大分子腐植酸,腐植酸與Cd2+形成穩(wěn)定性較高的絡(luò)合物,進(jìn)而使重金屬Cd鈍化,降低了土壤DTPA-Cd含量;而施用水稻秸稈、大豆秸稈和水溶性有機(jī)肥雖然提高了pH,但也不同程度提高了土壤DTPA-Cd含量,其中RS3%、OF1%和OF3%處理達(dá)到顯著水平(P<0.05),原因可能是水稻秸稈、大豆秸稈和水溶性有機(jī)肥能將大量DOM帶入土壤中,而DOM可與土壤中Cd2+形成更多的可溶性絡(luò)合物(Cd-DOM絡(luò)合物),進(jìn)而提高了土壤Cd的生物有效性,這與陳同斌等[27]和段明夢等[28]的研究結(jié)果一致。有研究表明,DOM還能夠為土壤微生物的生命活動提供豐富的碳氮源與多種礦質(zhì)營養(yǎng),調(diào)控土壤中與Cd氧化、還原等功能相關(guān)的微生物活性,進(jìn)而影響土壤Cd的有效性[29-30]。Li等[31]研究還表明,伴礦景天根系分泌物對土壤重金屬也具有活化作用,可提高土壤Cd有效性。此外,伴礦景天對土壤Cd的吸收也會消耗土壤有效態(tài)Cd含量[32]。因此,在伴礦景天修復(fù)過程中,有機(jī)物料對土壤Cd有效性的影響過程比較復(fù)雜。
表6 土壤和伴礦景天主要指標(biāo)的相關(guān)性系數(shù)Table 6 Correlation coefficients of the main indexes of soil and Sedum plumbizincicola
生物量和Cd含量是影響伴礦景天修復(fù)效率的關(guān)鍵因素,通過強(qiáng)化措施提高兩者之一或者同時提高兩者都有利于伴礦景天修復(fù)效率的提高。本研究中,施用4種有機(jī)物料不同程度地增加了伴礦景天地上部和根部生物量(圖1),原因可能是有機(jī)物料的施入不同程度提高了土壤有機(jī)質(zhì)和有效態(tài)N、P、K含量,促進(jìn)了伴礦景天的生長,其增加效果為:水稻秸稈>水溶性有機(jī)肥>豬糞>大豆秸稈。豬糞處理伴礦景天Cd含量無顯著變化;而施用水稻秸稈、大豆秸稈和水溶性有機(jī)肥促進(jìn)了伴礦景天對土壤Cd的吸收,究其原因可能是增加了土壤Cd的活性。本研究相關(guān)性分析結(jié)果表明,伴礦景天地上部和根部Cd含量與土壤DTPA-Cd含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),也證明了這一點(diǎn)。此外,Zhou等[33]的研究結(jié)果也顯示,添加水稻秸稈處理下伴礦景天地上部Cd含量顯著增加,污染土壤上第一季伴礦景天Cd吸取量提高了14.3%~20.7%,原因是水稻秸稈施入土壤后提高了土壤Cd有效性,促進(jìn)了伴礦景天對土壤Cd的吸收,類似地,有研究表明三葉草施入土壤后顯著提高了伴礦景天Cd含量,表明不同種類有機(jī)物料對伴礦景天Cd吸收效果的影響不同[20]。所有處理中,OF3%處理伴礦景天地上部和根部的Cd含量最高,分別較CK增加了64.91%和45.78%,究其原因主要是其對土壤Cd的活化效果最好,OF3%處理土壤DTPA-Cd含量可達(dá)0.24 mg·kg-1,顯著高于CK處理(0.16 mg·kg-1)。此外,F(xiàn)an等[34]研究結(jié)果表明,使用水稻秸稈聯(lián)合伴礦景天修復(fù)后土壤Cd去除率可達(dá)31.8%;本試驗結(jié)果顯示,單純使用伴礦景天(CK)修復(fù)土壤Cd去除率為27.6%,有機(jī)物料聯(lián)合伴礦景天修復(fù)后土壤Cd去除率可達(dá)29.8%~50.7%,說明有機(jī)物料在提高伴礦景天對Cd污染酸性土壤的修復(fù)效率方面發(fā)揮了重要作用。
試驗條件下,不同有機(jī)物料處理伴礦景天對Cd污染土壤的修復(fù)效率有所不同,比較同一有機(jī)物料不同用量之間的效果差異可以發(fā)現(xiàn),3%用量的效果優(yōu)于1%用量,這說明有機(jī)物料對伴礦景天修復(fù)Cd污染農(nóng)田土壤的效果不僅因有機(jī)物料種類而異,還與有機(jī)物料的施用量有關(guān)。陳績等[35]研究發(fā)現(xiàn),施用黃腐酸鉀促進(jìn)了修復(fù)0~4個月的東南景天對Cd的吸收積累,Cd積累量較CK提高了265.44%,而修復(fù)4~8個月東南景天Cd積累量較CK下降,由此可見,提高重金屬污染土壤的植物修復(fù)效果,還需要考慮修復(fù)周期的影響。總體而言,施用水稻秸稈、大豆秸稈、豬糞和水溶性有機(jī)肥對Cd污染酸性農(nóng)田土壤的伴礦景天修復(fù)都具有一定促進(jìn)作用,水稻秸稈和水溶性有機(jī)肥的效果較好。因此,在利用伴礦景天修復(fù)Cd污染酸性農(nóng)田土壤時,可考慮水稻秸稈還田和增施水溶性有機(jī)肥進(jìn)行輔助強(qiáng)化修復(fù),進(jìn)而達(dá)到提高伴礦景天修復(fù)效率的目的,但有機(jī)物料長期修復(fù)效果以及大田試驗效果還有待進(jìn)一步研究。
(1)試驗條件下,Cd污染酸性農(nóng)田土壤中施用4種有機(jī)物料使土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解N、有效P和速效K含量有不同程度增加,土壤理化性質(zhì)有所改善。
(2)4種有機(jī)物料促進(jìn)了伴礦景天生長,提高了伴礦景天地上部和根部生物量,OF3%處理效果最好;施用RS、SS和OF還可提高土壤DTPA-Cd含量和伴礦景天Cd含量,OF3%處理效果最好。
(3)有機(jī)物料提高了伴礦景天修復(fù)效率,其中RS3%和OF3%處理對土壤Cd的去除效果最佳,因此,在利用伴礦景天修復(fù)Cd污染酸性土壤過程中,可考慮水稻秸稈還田和合理增施水溶性有機(jī)肥來提升修復(fù)效率。