狗牙根根際土壤pH、有機質(zhì)含量及重金屬形態(tài)分布

張云，費艷旭,孫琪旗，蔣芳舒，陳金發(fā)

(1.西昌學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,四川 西昌 615000；2.涼山州林業(yè)和草原局，四川 西昌 615000)

銅冶煉渣是銅冶煉行業(yè)中一種主要的固體廢棄物，組成成分復(fù)雜，渣中不但含銅、鐵、鋅、金、銀等有色金屬，也含有砷、鉛等劇毒原物物質(zhì)[1]。銅冶煉廢渣因露天堆放，不但占用大量的土地資源，廢渣中的重金屬也會隨著雨水沖蝕及地表徑流進(jìn)入土壤中。土壤重金屬污染會影響植物的生理生化過程且會通過植物進(jìn)入食物鏈，最終進(jìn)入人體，而當(dāng)人體重金屬濃度超過安全閾值時，就會引發(fā)癌癥、免疫系統(tǒng)疾病、神經(jīng)疾病和糖尿病等多種健康問題[2]。環(huán)境科學(xué)研究表明，土壤中重金屬元素除了總濃度外，還應(yīng)該測定元素的存在形態(tài)，才能全面地評價重金屬元素對環(huán)境和生態(tài)體系的影響[3]。國內(nèi)外學(xué)者對重金屬的形態(tài)類型進(jìn)行了不同的分類，1979年，Tessier等[4]提出的可交換態(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)；1985年，歐共體標(biāo)準(zhǔn)測量與檢測局(Bureau Community of Reference，BCR)提出BCR三步提取法[5]，1999年，Rauret等[6]提出改進(jìn)的BCR形態(tài)分析法，將重金屬形態(tài)分為弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)，可氧化態(tài)和殘渣態(tài)。重金屬對環(huán)境的影響和生物毒性不僅與重金屬總量息息相關(guān)，還與重金屬的形態(tài)密不可分，土壤中有害重金屬元素的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)，可氧化態(tài)均為不穩(wěn)定形態(tài)，易在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化而對生物產(chǎn)生危害，而土壤中的殘渣態(tài)相對比較穩(wěn)定，不易被植物吸收[7]。土壤重金屬各形態(tài)的含量受土壤理化性質(zhì)影響，其中土壤pH與其關(guān)系密切[8]，而土壤有機質(zhì)因含有羥基、羧基、甲氧基及胺基等功能基團，能與重金屬進(jìn)行交換吸附或發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，對重金屬在土壤中的存在形態(tài)也有一定影響[8-10]。重金屬在土壤中能夠被植物吸收的主要是其活性部分，即有效態(tài)部分，重金屬形態(tài)變化會影響到其對生物的毒性及植物對其的吸收[11]。故明確土壤植物修復(fù)過程中pH和有機質(zhì)對重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響，才能更好地了解植物修復(fù)重金屬污染土壤過程中的影響因素，對重金屬污染土壤的植物修復(fù)提供更多理論基礎(chǔ)。

植物修復(fù)與其他土壤治理方法如化學(xué)修復(fù)技術(shù)、物理修復(fù)技術(shù)、固化/穩(wěn)定修復(fù)技術(shù)相比，具有高效、安全及生態(tài)協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢[12]。狗牙根(Cynodondactylon)，隸屬于禾本科(Gramineae)狗牙根屬，是暖季型草種之一，廣泛分布在熱帶、亞熱帶及溫帶沿海地區(qū)。狗牙根具有耐踐踏、耐鹽堿、耐旱、適應(yīng)性強、繁殖快、根莖發(fā)達(dá)等特點。李鳳梅等[13]研究發(fā)現(xiàn)狗牙根體內(nèi)重金屬鎘、錳、鉛和鋅的含量均高于正常植物重金屬含量，為重金屬耐性物種。狗牙根也被諸多學(xué)者列為礦山修復(fù)的優(yōu)選植物之一[14]。本文選擇狗牙根進(jìn)行盆栽試驗，研究狗牙根對不同基質(zhì)內(nèi)重金屬形態(tài)及基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的影響，為重金屬污染土壤的修復(fù)、治理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

供試土壤分別取自西昌市某冶煉廠礦渣堆放地和西昌學(xué)院校內(nèi)空地，土壤分別為礦渣土和自然土，采集時取0～20 cm的表層土壤。采樣時間均為2018年10月13日，采集后馬上運至實驗室，自然風(fēng)干，撿出里面的石塊和植物殘體，過10目尼龍篩備用。

1.2 供試狗牙根

供試狗牙根分別采集于西昌市某冶煉廠礦渣堆放地和西昌學(xué)院校內(nèi)，挑選長勢相近的莖稈，截取5 cm長的狗牙根莖，保留2個芽點。將其扦插進(jìn)預(yù)先準(zhǔn)備好的盛有營養(yǎng)土的育苗盤中，放在實驗室陰涼處，進(jìn)行培育。噴水十次/d，保持土壤微微濕潤。40 d左右，將成活后外形相近的植株移栽進(jìn)塑料盆中。

1.3 盆栽實驗

塑料盆內(nèi)分別盛過篩后的礦渣土(標(biāo)記K)、自然土(標(biāo)記Z)500 g，每個塑料盆(內(nèi)徑12.5 cm)內(nèi)種植1株成活的狗牙根，共設(shè)4個處理：采用自然土的狗牙根-自然土(標(biāo)記ZZ)、采自自然土的狗牙根-礦渣土(標(biāo)記ZK)、采自礦渣土的狗牙根-自然土(標(biāo)記KZ)和采自礦渣土的狗牙根-礦渣土(標(biāo)記KK)，每個處理設(shè)置10個平行樣，置于實驗室內(nèi)培養(yǎng)，每天用去離子水澆透，100 d后收集植物根系土壤。采用抖落法分別取每個處理存活植株的根際土壤混合樣，置于牛皮紙上自然風(fēng)干，風(fēng)干土壤分成2份，1份過20目篩用于測定pH值和有機質(zhì)，1份過100目篩用于測定土壤重金屬全量及各形態(tài)含量。

圖1 不同處理方法標(biāo)識示意圖Fig.1 Identification diagram of different treatment methods

1.4 測定指標(biāo)與方法

土壤的pH值采用去離子水提取，電位法測定(液土比為2.5∶1)；土壤有機質(zhì)(SOM)采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法[16]測定；土壤中Pb、Zn、Cd、Cr和Cu全量采用微波消解儀(上海屹堯 WX-4000)用HNO3-HCl-HF(6 mL+3 mL+2 mL)進(jìn)行消解后趕酸，定容后用原子吸收分光光度法(北京普析 TAS-990)測定；土壤中Pb、Zn、Cd、Cr和Cu的化學(xué)形態(tài)采用改進(jìn)BCR連續(xù)提取法[17]測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值和有機質(zhì)變化

狗牙根培養(yǎng)100 d后，供試土壤的pH都降低。種植于自然土的狗牙根100 d后，土壤pH值分別下降了0.22、0.10，相對變化率為2.87%、1.31%，而種植于礦渣土的狗牙根100 d后，土壤pH值分別下降了0.23、0.25，相對變化率為2.96%、3.21%，其中KK處理pH值相對變化率最大，KZ處理pH值相對變化率最小，狗牙根在原生環(huán)境中pH值變化更明顯。有機質(zhì)卻呈現(xiàn)相反的趨勢，種植于自然土的狗牙根100 d后，土壤有機質(zhì)含量分別上升了0.300%、0.373%，相對變化率為7.42%、9.23%，種植于礦渣土的狗牙根100 d后，土壤有機質(zhì)含量分別上升了0.296%、0.523%，相對變化率為6.58%、11.63%，其中KK處理有機質(zhì)相對變化率最大，ZK處理有機質(zhì)相對變化率最小(表1)。

表1 土壤pH和有機質(zhì)含量

2.2 不同處理重金屬全量結(jié)果和顯著性分析

對種植前后土壤中Pb、Zn、Cd、Cr和Cu重金屬全量進(jìn)行測定，2種基質(zhì)中5種重金屬含量特征表現(xiàn)不一致。自然土中5種重金屬全量特征為Zn>Cu>Pb>Cr>Cd，礦渣土為Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。狗牙根種植100 d后，土壤的Pb、Cu、Zn、Cd和Cr 5種重金屬含量都有降低，相對變化分別為4.74%～6.75%、3.77%～7.95%、2.16%～13.84%、10.14%～24.39%、7.46%～10.50%。2種土壤重金屬變化特征也不一致，自然土中5種重金屬變化特征為Cd>Zn>Cr>Pb>Cu，而在礦渣土中變化特征為Cd>Cr>Cu>Pb>Zn，自然土中KZ處理Cd相對變化率最大，礦渣土中ZK處理Cd相對變化率最大。狗牙根種植前后相比，除種植于自然土中的狗牙根根際土壤重金屬Zn存在顯著差異外，兩種土壤基質(zhì)中重金屬全量在同種土壤基質(zhì)不同處理間都不存在顯著差異(表2)。

表2 土壤重金屬全量

2.3 土壤重金屬的形態(tài)變化

對種植前土壤以及狗牙根培養(yǎng)后根際土壤中的Pb、Cu、Zn、Cd和Cr重金屬各形態(tài)進(jìn)行測量，其中F1為弱酸提取態(tài)、F2為可還原態(tài)、F3為可氧化態(tài)、F4為殘渣態(tài)。

2.3.1 Pb形態(tài)變化 在自然土中，Pb以殘渣態(tài)為主，其次是可還原態(tài)，而弱酸提取態(tài)和可氧化態(tài)占比都較低。在礦渣土中，Pb同樣以殘渣態(tài)為主，而可氧化態(tài)含量比可還原態(tài)高(圖2)，可還原態(tài)含量又比弱酸提取態(tài)高。在狗牙根種植100 d后，兩種土壤弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)的含量均降低，而殘渣態(tài)含量都升高。其中，弱酸提取態(tài)變化最明顯，為26.06%～35.26%。在自然土中，可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)的變化分別為9.88%～13.33%、16.40%～21.04%、2.07%～3.21%，而礦渣土為18.94%～20.19%、1.76%～2.17%、0.27%～0.66%。

圖2 不同移栽方式下土壤中Pb的含量Fig.2 Percentage of different forms of soil Pb content under different transplanting methods

2.3.2 Cu形態(tài)變化 在自然土中，Cu以殘渣態(tài)為主，其次是可氧化態(tài)、可還原態(tài)，而弱酸提取態(tài)的占比最低。在礦渣土中，Cu同樣以殘渣態(tài)為主，其次是可氧化態(tài)，而弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)占比相差不大且相對較低(圖3)。在狗牙根種植100 d后，兩種土壤的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)含量相較于之前都有降低，而殘渣態(tài)的含量都升高。其中，弱酸提取態(tài)變化最突出，為20.17%～30.34%，其次是可還原態(tài)，為9.15%～21.73%，可氧化態(tài)變化是6.12%～8.95%，殘渣態(tài)變化最不明顯，為0.66%～1.33%。

圖3 不同移栽方式下土壤中Cu的含量Fig.3 Percentage of different forms of soil Cu content under different transplanting methods

2.3.3 Zn形態(tài)變化 在自然土中，Zn以殘渣態(tài)為主，其次是可還原態(tài)，弱酸提取態(tài)和可氧化態(tài)占比相差不大且相對較低。在礦渣土中，Zn同樣以殘渣態(tài)為主，其次是可氧化態(tài)、可還原態(tài)，而弱酸提取態(tài)的占比最低。在狗牙根種植100 d后，兩種土壤的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)含量相較于之前都有所降低，而殘渣態(tài)的含量都有升高。其中，弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)的變化比較明顯，分別為21.93%～30.59%、24.12%～28.59%，可氧化態(tài)和殘渣態(tài)變化相對不顯著，自然土的變化分別是5.20%～7.94%、6.03%～9.47%，礦渣土為1.13%～1.30%和0.59%～0.65%。

圖4 不同移栽方式下土壤中各形態(tài)Zn的含量Fig.4 Percentage of different forms of soil Zn content under different transplanting methods

2.3.4 Cd形態(tài)變化 在自然土和礦渣土中，Cd均以殘渣態(tài)為主，其次是可還原態(tài)、可氧化態(tài)，而弱酸提取態(tài)的占比最低(圖5)。在狗牙根種植100 d后，2種土壤的4種形態(tài)含量都有降低。而弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)的變化相對明顯，分別為35.45%～46.31%、17.92%～42.14%和12.96%～40.44%，殘渣態(tài)變化相對不明顯，為0.55%～2.61%。

圖5 不同移栽方式下土壤中Cd的含量Fig.5 Percentage of different forms of soil Cd content under different transplanting methods

2.3.5 Cr形態(tài)變化 在自然土和礦渣土中，Cr以殘渣態(tài)為主，其次是可氧化態(tài)、弱酸提取態(tài)，而可還原態(tài)的占比最低(圖6)。在狗牙根種植100 d后，兩種土壤的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)的含量相較于之前都有降低，而殘渣態(tài)的含量都升高。在自然土中，可氧化態(tài)的變化明顯，為27.07%～28.49%，其次是弱酸提取態(tài)，為22.23%～25.10%，可還原態(tài)的變化為12.24%～15.66%，殘渣態(tài)變化最不顯著，為0.46%～1.75%。在礦渣土中，弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)的變化明顯，分別為22.24%～30.77%、28.97%～31.10%，其次是可氧化態(tài)，為7.79%～9.73%，殘渣態(tài)變化也不明顯，為0.23%～0.55%。

圖6 不同移栽方式下土壤中各形態(tài)Cr的含量Fig.6 Percentage of different forms of soil Cr content under different transplanting methods

在同種土壤5種重金屬殘渣態(tài)所占比例均最大，而弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)在不同的重金屬中呈現(xiàn)出不同的占比。而在兩種土壤中，同一重金屬的各形態(tài)占比也表現(xiàn)出不同的趨勢。相較于狗牙根種植前，在栽培100 d后，兩種土壤中重金屬的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)含量均有下降。除重金屬Cd的殘渣態(tài)含量下降外，其他4種重金屬殘渣態(tài)含量上升。分析狗牙根種植前后土壤重金屬各形態(tài)含量，兩種土壤在狗牙根種植后與種植前相比，5種重金屬的殘渣態(tài)基本不存在顯著差異，而其他3種形態(tài)大多表現(xiàn)出顯著差異，同種土壤不同處理間重金屬各形態(tài)含量的差異顯著性表現(xiàn)不同。

3 討論

種植狗牙根后的根際土壤pH值均有下降。郭華等[18]的研究表明，根際土pH值在不同時期變化明顯。本研究發(fā)現(xiàn)根際土壤的pH值均下降，可能是植物在生長過程中植物根系分泌有機酸[19]，或是根際土壤中有數(shù)量較多的微生物，加強了代謝活動，從而影響?zhàn)B分的溶解度，使來自微生物群體的二氧化碳的濃度較高，導(dǎo)致根際土的pH值降低[20-21]。研究結(jié)果表明，狗牙根在原生環(huán)境中pH變化更加明顯，這可能與植物在非原生環(huán)境中需要一段時間來適應(yīng)新環(huán)境，而在原生環(huán)境中不需要適應(yīng)有關(guān)。

根際土壤的有機質(zhì)含量均升高，為0.163%～1.854%，且KK處理組中有機質(zhì)相對變化率最大。這與周蜜等[22]的研究結(jié)論一致，這是因為微生物作為植物根系-土壤系統(tǒng)中的一個重要影響因子，可能是因為植物的生長影響了根系微生態(tài)環(huán)境，從而導(dǎo)致有機質(zhì)增加，其機理有待進(jìn)一步探究。

兩種土壤的Pb、Cu、Zn、Cd和Cr 含量表現(xiàn)出不同的特征，自然土中的含量特征為Zn>Cu>Pb>Cr>Cd，礦渣土為Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。在狗牙根種植100 d后，自然土中重金屬的變化特征為Cd>Zn>Cr>Pb>Cu，而在礦渣土中為Cd>Cr>Cu>Pb>Zn。種植狗牙根前兩種土壤基質(zhì)中Cd濃度最低，種植后Cd降低幅度均最大，這可能是因為一定Cd脅迫能夠促進(jìn)狗牙根的生長[23-24]而導(dǎo)致植物吸收Cd較多，導(dǎo)致土壤中Cd降幅較大。分析比較狗牙根種植前后重金屬含量差異，說明狗牙根是用于重金屬污染土壤修復(fù)的較好物種之一。

兩種土壤的Pb、Cu、Zn、Cd和Cr 均以殘渣態(tài)為主，弱酸提取態(tài)含量在各金屬價態(tài)中占比都較低，這與王昌全等[25]研究稻麥輪作下水稻土重金屬形態(tài)特征的結(jié)果基本一致，這說明植物能夠直接吸收的重金屬含量較低。在狗牙根種植100 d后，四種價態(tài)都有變化，其中弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)含量降低，而除重金屬Cd的殘渣態(tài)含量降低外，其余四種重金屬殘渣態(tài)含量均有升高。結(jié)果表明殘渣態(tài)相對穩(wěn)定性最好，變化范圍為0.23%～9.47%，可氧化態(tài)，可還原態(tài)和弱酸提取態(tài)穩(wěn)定性較差，變化比較突出。其中，弱酸提取態(tài)相對變化最明顯，可能是因為植物根毛直接從土壤中吸附存在于弱酸提取態(tài)中重金屬，從而導(dǎo)致弱酸提取態(tài)的含量降低?？蛇€原態(tài)和可氧化態(tài)在一定條件下可以部分轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)。劉霞等[26]研究表明隨著pH值的下降，鐵錳化物結(jié)合態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)的含量呈現(xiàn)出下降趨勢。因此，可還原態(tài)含量降低可能是受pH值下降的影響，使重金屬部分溶解，轉(zhuǎn)化為離子交換態(tài)被植物吸收。趙冰等[27]研究表明，土壤中有機質(zhì)含量升高可以使某些重金屬如Cd、Zn等的溶解性增加，從而增加植物對重金屬的吸收量。因此，也有可能是受到有機質(zhì)的影響導(dǎo)致其含量下降，或者是兩者共同作用的效果。而除重金屬Cd的殘渣態(tài)含量降低外，其他重金屬殘渣態(tài)含量增加，這可能與植物根系分泌物可增加某些有機物質(zhì)，有機質(zhì)和土壤中的重金屬形成有機絡(luò)合物，形成植物難以吸收利用的形態(tài)有關(guān)。

4 結(jié)論

相較于狗牙根栽培前的土壤，在狗牙根栽植100 d后，KK根際土壤的pH值下降幅度最大，而有機質(zhì)含量上升最多，說明礦渣地栽植的狗牙根在脅迫環(huán)境中形成了適應(yīng)能力。種植狗牙根后，兩種土壤基質(zhì)中重金屬全量均下降，且對Zn、Pb、Cu、Cr、Cd的吸收均以弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)為主，說明狗牙根是重金屬污染土壤修復(fù)的較好物種之一。