生物質(zhì)炭對鎘鉛污染土壤線蟲群落的影響

摘要：為研究連續(xù)施用改性生物質(zhì)炭對農(nóng)田鎘鉛污染土壤修復及線蟲群落的影響，以改性生物質(zhì)炭為材料，開展連施改性生物質(zhì)炭2、3、4和5年的定位試驗。通過測定小麥籽粒和土壤有效態(tài)鎘鉛含量，探究改性生物質(zhì)炭持續(xù)鈍化土壤鎘鉛的能力，并利用高通量測序技術，探究改性生物質(zhì)炭對土壤線蟲群落的影響。結(jié)果表明，改性生物質(zhì)炭能顯著降低小麥籽粒和土壤有效態(tài)鎘鉛含量，其中，小麥籽粒鎘含量降幅為21%～35%，小麥籽粒鉛含量降幅為27%～39%；土壤有效態(tài)鎘鉛含量降幅分別為21%～43%和15%～28%。施用改性生物質(zhì)炭降低食真菌土壤線蟲滑刃屬（Aphelenchoides）豐度，而植物寄生性土壤線蟲默林屬（Merlinius）、針屬（Paratylenchus）等占比均增至40%以上。土壤中線蟲c-p2類群的比例大幅降低，而c-p3類群占比增加；自由生活線蟲成熟指數(shù)減少，植物寄生類線蟲成熟指數(shù)增加，表明不同營養(yǎng)類群、不同生活史的土壤線蟲對重金屬污染的反應特性不同。整體而言，連施不同年限處理間線蟲群落變化不明顯。以上表明，小麥籽粒鎘含量在連續(xù)施用改性生物質(zhì)炭4年達到最低，小麥籽粒鉛含量施用改性生物質(zhì)炭2年即可低于GB 2762—2017限值0.2 mg·kg-1。施入改性生物質(zhì)炭可調(diào)節(jié)線蟲群落結(jié)構，從而影響土壤環(huán)境，在重金屬污染土壤綜合利用與修復方面具有較強的應用價值。

關鍵詞：改性生物質(zhì)炭；土壤重金屬；土壤線蟲；高通量測序doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0321

中圖分類號：S154 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2025）02‐0201‐10

鎘和鉛在土壤中具有較強的隱蔽性，易累積于植物體內(nèi)影響作物生長，并通過食物鏈威脅人類健康[1]。生物質(zhì)炭是在限氧或缺氧條件下生物質(zhì)熱裂解得到的產(chǎn)物，具有比表面積大、孔隙結(jié)構發(fā)達、功能團豐富等特點[2]，在土壤改良[3]、重金屬鈍化[4]等方面具有廣闊的應用前景。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭可在短時間內(nèi)鈍化土壤中的鎘鉛[5]，但植株中鎘含量的降幅因施炭量不同而有所變化[6]。土壤pH和陽離子交換量（cation exchangecapacity，CEC）在連施生物質(zhì)炭3年后依舊顯著提高，但其效應存在一定的滯后性[7]。因此，研究施用不同年限生物質(zhì)炭對污染土壤鎘鉛鈍化效果具有較強的實踐價值。此外，長期施用生物質(zhì)炭可調(diào)節(jié)污染土壤微生物群落結(jié)構，提升微生物多樣性。楊素勤等[8]研究發(fā)現(xiàn)，改性生物質(zhì)炭能調(diào)節(jié)土壤細菌和真菌群落結(jié)構，對土壤質(zhì)量有明顯影響。

線蟲相比于其他微生物具有獨特的土壤生態(tài)功能，不同種群的土壤線蟲在食物網(wǎng)中的營養(yǎng)級不同[9]，且具備分布廣、數(shù)量多、世代周期短等優(yōu)點，常作為指示土壤健康狀況的優(yōu)選生物[10]。Zhang等[11]研究顯示，生物質(zhì)炭增加食真菌線蟲比例的同時減少了植物寄生性線蟲的比例。楊貝貝等[12]發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭增加了土壤中食細真菌線蟲數(shù)量，降低了植物寄生性線蟲比例。然而，就生物質(zhì)炭在未受污染區(qū)對線蟲群落的影響而言，相關研究結(jié)果并不完全一致。牛亞茹[13]研究表明，食細真菌線蟲占比隨生物質(zhì)炭的施入而降低，但植物寄生性線蟲的占比無明顯變化。Domene等[14]發(fā)現(xiàn)，施用較低水平的生物質(zhì)炭可促進植物寄生性線蟲的增加。由此判斷，生物質(zhì)炭、土壤和線蟲之間存在復雜的互作關系，探究施用生物質(zhì)炭對土壤線蟲群落結(jié)構的改變具有重要意義。

線蟲群落結(jié)構的變化也可較靈敏地響應土壤污染狀況。Ren?o等[15]研究表明，線蟲的豐度、分類群數(shù)量以及線蟲群落的營養(yǎng)復雜性隨土壤污染程度的加深顯著降低；鄧普榮等[16]分析3種修復措施對鎘污染水稻農(nóng)田線蟲群落的影響發(fā)現(xiàn)，土壤線蟲的成熟指數(shù)等生活史策略指數(shù)存在顯著差異。由此可見，研究施用不同年限生物質(zhì)炭對污染土壤線蟲群落結(jié)構的影響可為闡明生物質(zhì)炭長期施用下污染土壤生態(tài)特征和功能變化提供參考依據(jù)。本研究以磷酸改性稻殼生物質(zhì)炭為材料，設置連施2、3、4和5年的田間定位試驗，探討改性生物質(zhì)炭對污染土壤鎘鉛的鈍化效果及小麥籽粒鎘鉛積累水平，同時借助高通量測序技術，探究改性生物質(zhì)炭對土壤線蟲群落結(jié)構的影響，為改性生物質(zhì)炭長期施用條件下污染土壤生態(tài)特征和功能變化提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為改性稻殼生物質(zhì)炭，購于鄭州博奧農(nóng)業(yè)科技有限公司，經(jīng)磷酸改性pH為5.5，鎘和鉛含量分別為0.08 和1.75 mg·kg-1，比表面積為76.6 m2·g-1，施用量11.19 t·hm-2·a-1。

1.2 試驗設計

試驗地點位于豫北某冶煉廠周邊的污染農(nóng)田。土壤類型為褐土，耕層土壤pH 7.71，鎘含量達2.34 mg·kg-1，鉛含量為181.42 mg·kg-1，參照GB 15618—2018[17]，屬安全利用類耕地。

試驗于2015—2019年進行，以未施加改性生物質(zhì)炭為對照區(qū)（CK），設置改性生物質(zhì)炭連施2（Y15-16）、3（Y15-17）、4（Y15-18）和5年（Y15-19）后停施，共計5 個處理，每個處理重復3 次，各處理間均設置50 cm的保護行。

1.3 樣品采集及指標測定

在2022年小麥成熟季，采集點對點土壤?小麥樣品。小麥籽粒洗凈、烘干后粉碎過篩，用于測定小麥籽粒中的鎘鉛含量。取耕作層土壤（0—20 cm），混勻后部分土樣冷凍暫存，用于分離線蟲；其余土樣風干、研磨過篩，用于測定土壤理化指標。

1.3.1 土壤pH 的測定 按照水土比2.5∶1.0，采用pH計測定[18]。

1.3.2 鎘鉛含量的測定 土壤鎘鉛含量通過X射線熒光重金屬分析儀（E-max 700 Plus，佳譜科技）測定，選用土壤標準物質(zhì)GBW07423、GBW07426、GBW07385 進行質(zhì)量控制，準確度92%～105%，精密度1%～11%；土壤有效態(tài)鎘鉛含量參照GB/T 23739—2009[19]，通過二乙三胺五乙酸（diethylenetriaminepentaacetic acid，DTPA）提取劑浸提，采用X射線熒光重金屬分析儀測定；小麥籽粒中的鎘鉛含量通過HNO3-HClO4法消解，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定[20]。

1.3.3 土壤線蟲高通量測序 PCR 擴增引物采用NF1F（5’-GGTGGTGCATGGCCGTTCTTAGTT-3’）和18Sr2bR（5’-TACAAAGGGCAGGGACGTAAT-3’），每個樣本3個重復，待PCR產(chǎn)物檢測定量后利用Illumina Miseq測序儀進行測序（上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司）。土壤線蟲高通量測序數(shù)據(jù)利用Uparse（version 7.0）進行OTU（operational taxonomicunits）分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

小麥、土壤樣品數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0、Origin2022進行統(tǒng)計、分析和繪圖，采用Duncan法檢驗各處理間的差異（Plt;0.05）。土壤線蟲樣品數(shù)據(jù)采用生物云平臺分析制圖。

土壤線蟲多樣性生態(tài)指數(shù)采用線蟲營養(yǎng)類群多樣性和生活史多樣性[21]。營養(yǎng)類群多樣性是根據(jù)線蟲的食性特征劃分為食細菌線蟲（becterivores， Ba）、食真菌線蟲（fungivores， Fu）、植物寄生性線蟲（plant-parasites， Pp）和捕食/雜食性線蟲（predators/omnivores， Om）[22]。生活史多樣性是根據(jù)線蟲生活史策略不同，劃分5 個c-p（colonizer persister）類群，c-p值越小代表世代繁殖時間越短、產(chǎn)卵量越大、代謝越快、耐環(huán)境壓力越強[23]。

土壤線蟲生態(tài)指數(shù)通過豐富度指數(shù)（Chao指數(shù)、Ace 指數(shù)）、均勻度指數(shù)（Simpsoneven 指數(shù)、Shannoneven 指數(shù)）、多樣性指數(shù)（Simpson 指數(shù)、Shannon 指數(shù)）、自由生活線蟲成熟指數(shù)（maturityindex of free-living，MI）和植物寄生性線蟲成熟指數(shù)（maturity index of plant parasitic，PPI） 進行表征，并利用距離矩陣進行土壤線蟲群落主坐標分析（principal coordinate analysis，PcoA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥籽粒及土壤有效態(tài)鎘鉛含量分析

由圖1可知，施用不同年限改性生物質(zhì)炭處理的小麥籽粒鎘鉛含量均顯著低于對照，小麥籽粒鎘含量降幅為21%～35%。其中，連施改性生物質(zhì)炭4年后（Y15-18），小麥籽粒中的鎘含量最低，相比于對照降幅為35%，且這一處理與其他不同年限（Y15-16，Y15-17，Y15-19）處理相比，差異顯著（Plt;0.05）。小麥籽粒鉛含量隨改性生物質(zhì)炭施用年限不同均有不同程度降低，降幅為27%～39%，且均低于GB2762—2017[24]規(guī)定的限值（0.2 mg·kg-1），但施用改性生物質(zhì)炭的處理間差異不顯著。

土壤有效態(tài)鎘鉛含量在施用改性生物質(zhì)炭處理后均顯著低于對照，土壤有效態(tài)鎘鉛含量降幅分別為21%～43% 和15%～28%，且隨改性生物質(zhì)炭施用年限增加略有降低。就土壤有效態(tài)鎘而言，相比于2年連施（Y15-16）處理，連施3年（Y15-17）處理顯著降低，但繼續(xù)施加改性生物質(zhì)炭（Y15-18、Y15-19）其有效態(tài)鎘含量無顯著降低。土壤有效態(tài)鉛含量在連施改性生物質(zhì)炭5年后（Y15-19）達到最低值，為33.87 mg·kg-1，相比于對照，降幅達28%。然而，連施3年以上的3個處理（Y15-17、Y15-18、Y15-19）間土壤有效態(tài)鉛含量差異不顯著。

2.2 土壤線蟲群落組成分析

該研究檢測到的OTU 分屬于3 綱、8 目、26科、46 屬、61 種。其中，Y15-16 處理OTU 數(shù)最多；OTU數(shù)量最少的是Y15-18 處理。屬水平主要土壤線蟲群落組成見表1，滑刃屬（Aphelenchoides）線蟲在對照區(qū)占比最高，達72.54%，施加改性生物質(zhì)炭后大幅降低，在Y15-17 處理中最低，僅為0.23%。默林屬（Merlinius）和針屬（Paratylenchus）線蟲在施用改性生物質(zhì)炭的處理中占絕對優(yōu)勢，其中默林屬（Merlinius）在Y15-17 處理中占比最高，達43.45%，針屬（Paratylenchus）在Y15-18 處理中占比最高，達41.88%。

在土壤線蟲營養(yǎng)類群方面（圖2A），食細菌線蟲（Ba）在各處理間差異不明顯。但對照區(qū)的食真菌土壤線蟲（Fu）占比較高，隨改性生物質(zhì)炭的施入這一比例大幅降低，在Y15-17 處理達到最低值。未施加改性生物質(zhì)炭的污染土壤中（對照區(qū)）植物寄生性線蟲（Pp）群落受明顯抑制，占比僅為5.52%，隨改性生物質(zhì)炭的施用植物寄生性線蟲群落占比有不同程度的提升，在Y15-18處理占比最高，達84.60%。捕食/雜食類土壤線蟲（Om）隨改性生物質(zhì)炭施入有所提高，但提升幅度有限。

就線蟲生活史策略而言（圖2B），無論施加改性生物質(zhì)炭與否，土壤線蟲群落以c-p2和c-p3類群為主，二者之和高于86%。對照區(qū)土壤線蟲c-p2群落占比最高，達84.47%，隨改性生物質(zhì)炭施入這一比例大幅下降；與c-p2變化狀況相反，土壤線蟲c-p3類群在對照區(qū)中僅為3.67%，改性生物質(zhì)炭施入后這一比值迅速升高，說明線蟲生活史策略對環(huán)境變化較敏感，改性生物質(zhì)炭的施入可使線蟲生活史由r-策略者向k-策略者轉(zhuǎn)移，土壤生態(tài)環(huán)境狀況趨于好轉(zhuǎn)。土壤線蟲c-p5類群占比狀況與營養(yǎng)類群中的捕食/雜食類相似。土壤線蟲c-p1和c-p4類群占比均低于1%。

2.3 土壤線蟲生態(tài)指數(shù)

土壤線蟲生態(tài)指數(shù)見表2，相較于對照區(qū)，施入改性生物質(zhì)炭后土壤線蟲Simpson多樣性指數(shù)顯著降低，Shannon 多樣性指數(shù)、Simpsoneven 和Shannoneven均勻度指數(shù)均有不同程度升高，說明本研究中的改性生物質(zhì)炭可提高土壤線蟲群落的多樣性和均勻度，但連施不同年限改性生物質(zhì)炭處理間差異不明顯。

土壤中自由生活線蟲成熟指數(shù)（MI）在對照區(qū)較高，達1.79，隨改性生物質(zhì)炭施入MI顯著降低，降幅在57%～76%。植物寄生性線蟲成熟指數(shù)（PPI）在未施加改性生物質(zhì)炭的污染土壤中（對照區(qū)）僅為0.14，施入改性生物質(zhì)炭后顯著增加，相較于MI指數(shù)其變幅較大，是對照區(qū)的12～15倍。由以上可知，鎘鉛復合污染土壤在改性生物質(zhì)炭施入后，自由生活線蟲和植物寄生性線蟲等不同生活史的土壤線蟲反應各異，土壤線蟲群落結(jié)構出現(xiàn)不同程度的改變。

2.4 土壤線蟲群落主坐標分析

土壤線蟲群落主坐標分析（PcoA）見圖3，2個主坐標軸分別解釋74.59%和8.36%的變異信息。施用不同年限改性生物質(zhì)炭的處理間土壤線蟲群落結(jié)構較相似，且均與對照有明顯不同。施用改性生物質(zhì)炭的處理間，主成分1（principalcomponent 1，PC1）顯著分離了Y15-16 與Y15-18 處理，說明Y15-16 處理的土壤線蟲群落組成與Y15-18 處理具有顯著差異。

2.5 環(huán)境因子對土壤線蟲群落的影響

對豐度前30的線蟲屬與環(huán)境因子進行冗余分析（ redundancy analysis，RDA）結(jié)果如圖4所示，土壤線蟲群落的相對豐度在第1主軸（X 軸）方差解釋度為70.56%，在第2主軸（Y 軸）為2.11%，總的方差解釋度達72.67%。其主要的影響因子集中于第1主軸的土壤有效態(tài)鎘、有效態(tài)鉛以及土壤pH。其中，這些主要影響因子與滑刃屬（Aphelenchoides）呈正相關，與默林屬（Merlinius）和針屬（Paratylenchus）呈明顯負相關。

屬水平土壤線蟲與環(huán)境因子相關性分析如圖5所示，環(huán)境因子中的土壤pH、土壤有效態(tài)鎘、土壤有效態(tài)鉛含量均與滑刃屬、棱咽屬（Prismatolaimus）、螺旋屬（Helicotylenchus）呈極顯著正相關，與默林屬、針屬呈極顯著負相關，與Pristionchus、狹咽屬（Discolaimium）呈顯著正相關；而土壤總鎘含量只與棱咽屬呈正相關。在上述土壤線蟲中，棱咽屬和螺旋屬對環(huán)境因子響應較為一致，Pristionchus 和狹咽屬以及默林屬和針屬也有相似結(jié)果。此外，土壤有效態(tài)鎘、有效態(tài)鉛相較于土壤總鎘、總鉛含量對線蟲影響較大，整體表現(xiàn)為土壤有效態(tài)鎘gt;土壤有效態(tài)鉛gt;土壤總鎘gt;土壤總鉛。

3 討論

重金屬由土壤轉(zhuǎn)運至作物可食用部位受多個環(huán)節(jié)控制，如重金屬在土壤中的存在狀態(tài)[25]、重金屬被吸收后存儲于根細胞液泡中[26]、作物莖葉部位對重金屬的阻隔[27]等。本研究采用的生物質(zhì)炭經(jīng)磷酸改性后，比表面積顯著增大，更利于穩(wěn)定土壤中的鎘鉛離子，降低土壤有效態(tài)鎘鉛含量；磷酸改性生物質(zhì)炭施用后土壤中有效態(tài)鎘鉛含量明顯降低。課題組在前期研究中發(fā)現(xiàn)，磷酸改性生物質(zhì)炭可降低土壤鎘鉛的弱酸提取態(tài)、還原態(tài)，增加殘渣態(tài)，且隨施用量增加更明顯[28]；同時碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘較高比例的降低，也有PO34-與重金屬離子生成沉淀的參與[8]。土壤重金屬形態(tài)的變化可能與生物質(zhì)炭中磷素的存在有一定關系。磷酸二氫鉀施入土壤后X射線衍射分析顯現(xiàn)新的衍射峰，經(jīng)圖譜物相鑒定為重金屬?磷化合物的特征峰[29]。付煜恒等[30]分析磷酸鹽對鎘鉛復合污染土壤的鈍化效果，也證實這一效果的主要原因是難溶性羥基金屬礦和磷酸鹽沉淀的形成。

本研究中，施用改性生物質(zhì)炭后小麥籽粒中的鎘鉛含量顯著降低，其中小麥籽粒中的鉛含量在施用改性生物質(zhì)炭后均符合GB 2762—2017[24]的規(guī)定，鎘含量略高于GB 2762—2017[24]的限值0.1 mg·kg-1，表明本研究所施用的改性生物質(zhì)炭在土壤鈍化重金屬方面效果顯著。此外，連施不同年限改性生物質(zhì)炭的處理間，小麥籽粒鎘鉛含量也有不同。

土壤生物群落特征的變化常用于反映土壤的健康水平[31]。其中，土壤小型動物主要是捕食、食腐、食真菌或食細菌的動物，包括線蟲等。線蟲是土壤動物的優(yōu)勢類群，在食物網(wǎng)中的營養(yǎng)級有所不同，可以綜合反映土壤環(huán)境的物理、化學和生物學特性的細微變化[32‐33]。根據(jù)土壤線蟲對重金屬的響應狀況，線蟲群落可分為極度敏感型、中度敏感型和不敏感型[34]。食細菌和食真菌線蟲對污染環(huán)境具有一定耐受性。此外，它們可以驅(qū)動并加速土壤氮的礦化和硝化過程，從而促進作物對氮的吸收和生長[35‐36]。王贏利等[37]和成碧君等[38]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬污染越重的土壤食細真菌線蟲在線蟲總數(shù)中占比越高。本研究對照區(qū)的食細真菌線蟲也符合這一特點。分析以上結(jié)果，其原因可能是由于在污染土壤中滑刃屬對鎘鉛耐性較強，相比之下，該類線蟲比例有所增加。研究表明，食細菌線蟲擬麗突屬（Acrobeloides）、食真菌線蟲滑刃屬、真滑刃屬（Aphelenchus）對重金屬污染物具有一定的耐受性[39-42]。

本研究中，施加改性生物質(zhì)炭的處理植物寄生性土壤線蟲占比相較于對照區(qū)變化較大。王贏利等[37]發(fā)現(xiàn)，隨著污染指數(shù)的增加，植物寄生性線蟲數(shù)量減少且PPI豐度降低，說明在重金屬污染的土壤中植物寄生類線蟲較為敏感。而施加生物質(zhì)炭后鎘鉛鈍化、毒性降低，植物寄生性線蟲占比隨之增加。研究表明，生物質(zhì)炭會促進寄生性線蟲的增加，如Domene等[14]發(fā)現(xiàn)，植物寄生性線蟲與生物質(zhì)炭施用量有關，低水平的施入量將促進植物寄生性線蟲比例的增加，而較高水平的施入量結(jié)果與其相反。此外，植物寄生性土壤線蟲以取食作物根部為生，其類群與作物根系生長狀況相關。李孟潔[43]研究發(fā)現(xiàn)，植物寄生性土壤線蟲在作物成熟期數(shù)量達到最大。與此同時，生活在土壤顆粒表面水膜中的自由生活線蟲，由于受小麥生長對水分的消耗，生存環(huán)境受限在一定程度上致使其比例降低[44]。但植物寄生類土壤線蟲危害作物的生長，特別是根結(jié)線蟲、孢囊線蟲[45]以及粒線蟲，其比例增加將危害作物生長甚至影響產(chǎn)量，本研究中未檢測到孢囊線蟲、根結(jié)線蟲和粒線蟲。但默林屬、針屬占比較大，其與孢囊線蟲、根結(jié)線蟲等植物內(nèi)寄生病原線蟲不同，二者均屬于外寄生類[46]土壤線蟲，且在土壤中廣泛存在，目前對小麥的影響尚不清楚，仍需進一步研究。

本研究中，施用改性生物質(zhì)炭能明顯改變土壤線蟲群落，但連施改性生物質(zhì)炭不同年限處理間線蟲群落變化不明顯。其中，環(huán)境因子中的土壤有效態(tài)鎘、有效態(tài)鉛、土壤pH均與螺旋屬呈極顯著正相關。螺旋屬對較高含量鉛仍具有耐受性[47]。同時這些環(huán)境因子與默林屬、針屬呈極顯著負相關，說明污染土壤中鎘鉛有效態(tài)比其全量更大程度上影響土壤線蟲群落結(jié)構。

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