碳酸鈣對(duì)潮土Cd2+的固定及土壤酶活性的影響*

黃 擎 劉博睿 王夢(mèng)遠(yuǎn) 賈 茹 郭 相 邰麗梅 桂明英(.北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京 0008；.中華全國(guó)供銷合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明 6503)

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，大氣沉降和污水、污泥、畜禽糞便的排放以及農(nóng)業(yè)化肥的使用造成了嚴(yán)重的土壤重金屬污染[1-3]。土壤重金屬污染的修復(fù)方法有多種，其中化學(xué)固定技術(shù)最常見，即通過化學(xué)添加劑降低土壤中重金屬元素的離子態(tài)含量，抑制其向農(nóng)作物體內(nèi)遷移，從而降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。研究表明，多種化學(xué)物質(zhì)可以作為土壤重金屬固定劑使用，包括粉煤灰[6-7]、石灰[8]653，[9]、沸石[10]、碳酸鈣[11]、乙二胺四乙酸(EDTA)[12]以及有機(jī)酸[13]等，其中碳酸鈣的固定效果較好[14]24，且易獲取、成本低，具有廣泛應(yīng)用的潛力。此外，化學(xué)固定劑的使用可能伴隨產(chǎn)生相應(yīng)的土壤理化性質(zhì)及微生物代謝過程變化(重點(diǎn)表現(xiàn)在土壤酶活性改變)。脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶常用于表征土壤氮素、磷素轉(zhuǎn)化及化合物氧化過程，在一定程度上反映了土壤微生物過程的強(qiáng)度以及肥力水平[15]96，[16]1142，[17]246。本研究以潮土Cd2+為研究對(duì)象，探究在種植小白菜的情況下，碳酸鈣施加對(duì)潮土中Cd2+的固定作用，以及該過程中土壤理化指標(biāo)、植物生物量和土壤酶(脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶)活性變化，綜合評(píng)價(jià)碳酸鈣作為土壤重金屬離子固定劑的使用效果，為土壤重金屬污染防治工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試土壤為采集自北京市房山區(qū)的潮土(采集深度為0～20 cm，其理化性質(zhì)參數(shù)如表1所示)，在室溫下風(fēng)干2 d，研磨并過2 mm篩，待用。Cd2+固定劑采用碳酸鈣(分析純)；小白菜種子購買于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉市場(chǎng)。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)參數(shù)Table 1 Background properties of experimental soil

表2 每組處理的CdCl2及碳酸鈣施加量Table 2 Concentrations of CdCl2 and calcium carbonate for each treatment

1.2 種植實(shí)驗(yàn)

每組處理的CdCl2(以Cd2+濃度表征)及碳酸鈣施加量如表2所示。種植實(shí)驗(yàn)采用12 cm×Φ10 cm的花盆，每盆裝入風(fēng)干土壤樣品330 g。種植前，向每盆加入尿素、磷酸二氫鈉和硫酸鉀溶液，使土壤總氮、總磷、總鉀質(zhì)量濃度分別達(dá)到3.067、1.027、0.157 g/kg[18]。物料添加完成后的土壤樣品需陳化1周，待各物質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定后開始種植實(shí)驗(yàn)。每個(gè)處理均設(shè)置3個(gè)平行樣。實(shí)驗(yàn)過程中所有花盆均采用玻璃膠封底，防止Cd2+及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失。

種植實(shí)驗(yàn)按照5組(A～E組)進(jìn)行。其中A組不播種，直接對(duì)土壤樣品進(jìn)行采集，作為種植0 d的分析樣本；B～E組直接播種，播種量為5顆/盆。播種后，采用蒸餾水進(jìn)行澆灌以防止外源Cd2+引入。種植過程保證充足的光照，溫度設(shè)定為28 ℃(14 h)、15 ℃(10 h)循環(huán)進(jìn)行[19]。小白菜的生長(zhǎng)周期為40 d，在第10天進(jìn)行間苗操作。B～E組分別于播種后第10、20、30、40天停止實(shí)驗(yàn)，并對(duì)土壤樣品進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)E組成熟的小白菜植株進(jìn)行整體采集，待測(cè)。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 待測(cè)樣品預(yù)處理

所有土壤樣品在室溫下風(fēng)干2 d后進(jìn)行研磨操作，并過1 mm篩，待測(cè)；用蒸餾水對(duì)植物樣品進(jìn)行清洗，并分離為根部、莖部、葉片，隨后在105 ℃條件下進(jìn)行烘干，研磨，并過2 mm篩，待測(cè)。

1.3.2 指標(biāo)分析方法

植物樣品分析指標(biāo)為不同部位(根部、莖部、葉片)的生物量以及Cd2+濃度。生物量分析采用直接稱重法，以各部位的鮮質(zhì)量表示；Cd2+濃度分析采用硝酸-高氯酸-氫氟酸(體積比8∶2∶8)聯(lián)合消解法，選用安捷倫7500C型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)。

土壤樣品的分析指標(biāo)包括pH、有機(jī)碳濃度、脲酶活性、堿性磷酸酶活性、過氧化氫酶活性。pH采用玻璃電極法測(cè)定；有機(jī)碳濃度采用重鉻酸鉀氧化—分光光度法測(cè)定；脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定[17]246-247，[20-21]。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理方法

所有指標(biāo)測(cè)定結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，所得數(shù)據(jù)的繪圖采用Origin 9.1軟件。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析處理，包括單因素方差分析、相關(guān)分析以及回歸分析，均采用SPSS 20.0軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸鈣對(duì)潮土中Cd2+的固定作用

不同CdCl2和碳酸鈣施加量下植株各部位的Cd2+濃度如圖1所示。由圖1(a)可知，在無外源Cd2+的條件下，碳酸鈣施加不會(huì)對(duì)植物體內(nèi)的Cd2+濃度產(chǎn)生顯著影響；而CdCl2施加量越大，植物體內(nèi)的富集水平越高(P<0.05)，其在根部和葉片中的濃度顯著高于莖部中的濃度(P<0.05)，與陳青云等[22]的研究結(jié)果一致。存在外源Cd2+的條件下，碳酸鈣的施加會(huì)顯著降低植株各部位的Cd2+濃度(P<0.05)，其原因可能在于兩方面：(1)碳酸鈣會(huì)促進(jìn)土壤中CdCO3沉淀的形成，抑制其向植物體內(nèi)遷移[23]；(2)碳酸鈣的施加提高了土壤中的Ca2+濃度，在植物吸收方面加強(qiáng)了與Cd2+的競(jìng)爭(zhēng)，降低了Cd2+在植物中的富集水平[8]654。而隨著碳酸鈣施加 注：圖中的字母標(biāo)記為單因素方差分析多重比較結(jié)果，同組字母標(biāo)記完全不同者表示具有顯著差異(P<0.05)，標(biāo)有相同字母者表示差異不顯著，圖2至圖7同。

圖1不同CdCl2和碳酸鈣施加量下植株各部位的Cd2+質(zhì)量濃度

Fig.1 Dynamic change of Cd2+concentration in each part of mature pakchoies under different CdCl2and calcium carbonate treatments

量的增加，植株各部位的Cd2+濃度呈先減小后增大的趨勢(shì)(P<0.05)，原因可能在于碳酸鈣施加量較大時(shí)，Ca2+引入過多，與土壤中的結(jié)合態(tài)Cd2+競(jìng)爭(zhēng)吸附點(diǎn)位，導(dǎo)致過多的Cd2+得到釋放并向植株體內(nèi)遷移[24-25]。由此可推斷植株體內(nèi)Cd2+濃度極小值出現(xiàn)在碳酸鈣施加量為6～9 g/kg，與張亮[14]25的研究結(jié)果一致。

2.2 施加碳酸鈣對(duì)潮土理化性質(zhì)及植物生物量的影響

在不同的Cd2+濃度下，碳酸鈣施加量與土壤樣品pH及有機(jī)碳濃度的關(guān)系如圖2和圖3所示。由圖2可知，土壤pH不會(huì)隨Cd2+濃度、碳酸鈣施加量和種植時(shí)間發(fā)生顯著變化，均在7.5～8.5，表明實(shí)驗(yàn)過程中潮土呈堿性環(huán)境。如圖3(a)所示，在無外源Cd2+的條件下，土壤樣品有機(jī)碳濃度不隨碳酸鈣施加量及種植時(shí)間發(fā)生顯著變化；根據(jù)圖3(b)和圖3(c)可知，外源Cd2+的施加達(dá)到一定濃度會(huì)降低土壤樣品中的有機(jī)碳濃度(P<0.05)，原因可能在于土壤有機(jī)碳濃度與微生物活性存在正相關(guān)關(guān)系[15]99，而Cd2+的施加抑制了土壤微生物活性，造成有機(jī)碳濃度降低。存在外源Cd2+的條件下，隨碳酸鈣施加量的增加，土壤有機(jī)碳濃度呈先增加后減小的趨勢(shì)，且極大值出現(xiàn)在施加量為6～9 g/kg(P<0.05)。由圖1可知，隨碳酸鈣施加量的增加，植株中Cd2+濃度呈先減小后增大的趨勢(shì)，即土壤中Cd2+的植物有效性呈同樣的變化趨勢(shì)[26-28]；而根據(jù)WANG等[29]和SUN等[30]的研究結(jié)果，土壤中重金屬離子的植物有效性等同于微生物有效性(毒性)。因此，可以判斷隨碳酸鈣施加量的增加，土壤中Cd2+的微生物毒性同樣呈先減小后增大的趨勢(shì)，影響了微生物活性，造成了土壤有機(jī)碳濃度的改變。

存在外源Cd2+污染時(shí)，在碳酸鈣施加一定量的情況下，種植40 d后土壤有機(jī)碳濃度顯著提高(P<0.05)。根據(jù)張亮[14]37的研究結(jié)果，在碳酸鈣施加后，潮土中Cd2+的植物有效性隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而降低，即在種植過程中Cd2+對(duì)土壤微生物的毒性會(huì)逐漸降低，由此產(chǎn)生了土壤有機(jī)碳濃度的動(dòng)態(tài)變化。

在不同的Cd2+濃度下，碳酸鈣施加量與植株各部位生物量的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，莖部、葉片的生物量顯著高于根部生物量(P<0.05)。在無外源Cd2+污染的情況下，植株各部位的生物量無顯著變化；而外源Cd2+的引入使得生物量顯著降低，且隨碳酸鈣施加量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，與植物體內(nèi)Cd2+濃度的變化趨勢(shì)完全相反。相關(guān)分析結(jié)果表明(如表3所示)，植株各部位的生物量與碳酸鈣施加量并無顯著相關(guān)關(guān)系，而與各部位對(duì)應(yīng)的Cd2+濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(與根部、莖部、葉片的R2分別為-0.972、-0.963和-0.942，P<0.01)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與郭利敏等[31]和陳曉婷等[32]的研究結(jié)果相對(duì)應(yīng)，Cd2+在植物體內(nèi)的富集會(huì)抑制其生長(zhǎng)，碳酸鈣施加量較小時(shí)，Cd2+的富集受到抑制從而促進(jìn)了植物生長(zhǎng)；而當(dāng)碳酸鈣施加量較大時(shí)，植物中Cd2+濃度反而增加，由此造成生物量降低。

圖2 不同CdCl2和碳酸鈣施加量下的土壤樣品pH動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of soil pH under different CdCl2 and calcium carbonate treatments

圖3 不同CdCl2和碳酸鈣施加量下的土壤樣品有機(jī)碳質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of soil organic carbon concentration under different CdCl2 and calcium carbonate treatments

圖4 不同CdCl2和碳酸鈣施加量下的植物生物量變化Fig.4 Biomass of plants under different CdCl2 and calcium carbonate treatments

表3 不同Cd2+下植物各部位生物量與碳酸鈣施加量的相關(guān)系數(shù)1)Table 3 Correlation coefficient between biomass of each part of the plants and calcium carbonate concentration under various Cd2+ levels

注：1)rroot，y表示根部與碳酸鈣施加量的相關(guān)系數(shù)，rstem，y表示莖部與碳酸鈣施加量的相關(guān)系數(shù)，rleaf，y表示葉片與碳酸鈣施加量的相關(guān)系數(shù)，表4同。

2.3 碳酸鈣施用對(duì)潮土酶活性的影響

不同CdCl2及碳酸鈣施加量下，土壤樣品脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性變化如圖5至圖7所示。在外源Cd2+的條件下，3種酶活性均會(huì)明顯降低(P<0.05)，與KIZILKAYA等[15]100和DENG等[33]的研究結(jié)果基本一致。在無外源Cd2+的條件下，碳酸鈣的施加不會(huì)對(duì)土壤中3種酶活性產(chǎn)生顯著影響；而在有外源Cd2+污染土壤中，3種酶活性均會(huì)隨碳酸鈣施加量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，且極大值出現(xiàn)在施加量為6～9 g/kg(P<0.05)。

造成這種現(xiàn)象的原因，同上文所述，可能與Cd2+的微生物毒性變化有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中的土壤脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均與土壤有機(jī)碳濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.823、0.821、0.762，P<0.05)。土壤有機(jī)碳濃度與微生物活性存在正相關(guān)關(guān)系[15]99，由此可見，土壤微生物活性變化會(huì)引發(fā)酶活性改變；而隨碳酸鈣施加量的增加，Cd2+的微生物毒性呈先減小后增大的趨勢(shì)，由此造成土壤微生物活性及酶活性呈相同變化趨勢(shì)。由圖5至圖7可知，在種植過程中，土壤樣品中3種酶活性均會(huì)隨種植時(shí)間的增加而明顯增大(P<0.05)，與有機(jī)碳濃度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致，其原因同樣可能在于Cd2+的微生物毒性隨種植時(shí)間的增加而減小，進(jìn)而造成土壤酶活性改變。

實(shí)驗(yàn)中土壤酶活性與小白菜的生長(zhǎng)情況存在一定的相關(guān)關(guān)系。成熟小白菜各部位生物量與相應(yīng)種植土(E組)中的3種酶活性相關(guān)系數(shù)如表4所示。實(shí)驗(yàn)中成熟小白菜根部、莖部、葉片的生物量與土壤脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其原因可能與土壤肥力有關(guān)。土壤脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶可以在一定程度上反映土壤微生物過程及肥力水平[15]96，[16]1142，[17]246，3者的活性越大，土壤中微生物的代謝機(jī)能越強(qiáng)，土壤肥力得到相應(yīng)提高，促進(jìn)植物體的生長(zhǎng)過程，因而小白菜的生物量也會(huì)相應(yīng)增加。

圖5 不同CdCl2和碳酸鈣施加量下的土壤樣品脲酶活性變化Fig.5 Dynamic change of soil urease activity under different CdCl2 and calcium carbonate treatments

圖6 不同CdCl2和碳酸鈣施加量下的土壤樣品堿性磷酸酶活性變化Fig.6 Dynamic change of soil alkaline phosphatase under different CdCl2 and calcium carbonate treatments

2.4 碳酸鈣的最佳用量分析

為分析實(shí)驗(yàn)中碳酸鈣的最佳用量，以碳酸鈣施加量為自變量，植株體內(nèi)Cd2+及土壤酶活性分別作為因變量進(jìn)行回歸分析，如表5和表6所示。由表5可知，碳酸鈣施加量為7.5～8.2 g/kg時(shí)，植物體內(nèi)的Cd2+濃度達(dá)到最低水平。由表6可知，碳酸鈣施加量為4.0～8.4 g/kg時(shí)，土壤樣品脲酶活性達(dá)到最大值；碳酸鈣施加量為4.0～8.6 g/kg時(shí)，堿性磷酸酶活性達(dá)到最大值；碳酸鈣施加量為3.2～9.5 g/kg時(shí)，過氧化氫酶活性達(dá)到最大值。綜合分析可知，碳酸鈣施加量為7.5～8.2 g/kg時(shí)，Cd2+的固定效果最佳，同時(shí)土壤酶活性達(dá)到最佳水平。

圖7 不同CdCl2和碳酸鈣施加量下的土壤樣品過氧化氫酶活性變化Fig.7 Dynamic change of soil catalase under different CdCl2 and calcium carbonate treatments

表4 植株各部位生物量與土壤酶活性的相關(guān)系數(shù)1)Table 4 Correlation coefficient between biomass of each part of the plants and soil enzyme activities

注：1)“**”表示具有極顯著相關(guān)性，P<0.01。

3 結(jié) 論

(1) 在Cd2+污染潮土中施加碳酸鈣可以對(duì)Cd2+產(chǎn)生固定作用，同時(shí)也會(huì)影響潮土自身的性質(zhì)。碳酸鈣施加不會(huì)顯著改變潮土pH，而潮土有機(jī)碳濃度隨碳酸鈣施加量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。碳酸鈣施加會(huì)降低植株各部位對(duì)Cd2+的富集水平，且隨碳酸鈣施加量的增大而呈先減小后增大的趨勢(shì)。

表5 植株各部位的Cd2+與碳酸鈣施加量的回歸分析結(jié)果1)Table 5 Regression analysis results of Cd2+ concentrations in each part of the plants and calcium carbonate concentration

注：1)回歸方程為y=ax2+bx+c，其中：a、b、c均為常數(shù)；y為Cd2+質(zhì)量濃度，mg/kg；x為碳酸鈣施加量，g/kg；極值點(diǎn)表示植株體內(nèi)Cd2+濃度最低時(shí)的碳酸鈣施加量。

表6 潮土酶活性與碳酸鈣施加量的回歸分析結(jié)果1)Table 6 Regression analysis results of soil enzyme activities and calcium carbonate concentration

注：1)回歸方程為y1=ax2+bx+c，其中：y1為土壤酶活性，單位根據(jù)酶類型確定，其余同表5。

(2) 碳酸鈣同樣會(huì)影響潮土中脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性，3者的活性均會(huì)隨碳酸鈣施加量的增加而呈先增大后減小的趨勢(shì)。隨著種植時(shí)間的增加，土壤有機(jī)碳濃度及3種酶活性均呈不斷增加的趨勢(shì)。

(3) 各項(xiàng)指標(biāo)與碳酸鈣施加量的回歸分析結(jié)果表明，碳酸鈣作為潮土Cd2+固定劑的最佳施加量為7.5～8.2 g/kg，既可以達(dá)到最佳的Cd2+固定效果，同時(shí)保證微生物酶活性達(dá)到最大值，以保證土壤肥力水平。

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