發酵雞糞和有機磷肥對土壤中Pb、Cd污染的影響*

周影茹 劉 思 馬陶武 屈 毅

(1.吉首大學生物資源與環境科學學院，湖南 湘西 416000；2.吉首市環境監測站，湖南 湘西 416000)

土壤重金屬污染已經成為威脅我國土壤質量和農產品安全的重要問題。土壤重金屬污染往往具有隱蔽性、累積性和不可逆性等特點[1]，而且存在多種重金屬復合污染的問題[2]。Pb和Cd易在土壤中積累，Pb、Cd復合污染土壤是土壤污染領域的研究熱點[3]。

有研究表明，有機肥能降低土壤中的可交換態Pb[4]；含磷物質能有效地控制土壤中Pb、Cd等重金屬的轉移[5]。發酵雞糞和有機磷肥是湘西地區農業生產中常用的有機肥，研究發酵雞糞和有機磷肥對Pb、Cd復合污染土壤中Pb和Cd的影響，對于指導重金屬背景值偏高的湘西地區農業生產具有現實意義[6]25。

因此，本研究探究了發酵雞糞和有機磷肥對不同程度Pb、Cd復合污染土壤中Pb和Cd的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為一年生黑麥草(LoliumperenneL.)，是湘西地區一種常見且高產的牧草，能夠耐受重金屬污染[7]2115。供試土壤為取自吉首市馬頸坳鎮某農業菜地0～20 cm的表層土，過2 mm篩后風干備用。供試土壤總Cd(0.42 mg/kg)超過了《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中的其他地風險篩選值(0.3 mg/kg)，這是因為湘西地區土壤重金屬背景值較高，與湘西地區豐富的礦產資源及多年來的采礦活動有關[6]24。

1.2 實驗設計

用Cd(CH3COO)2·2H2O(分析純)和Pb(CH3COO)2·3H2O(分析純)配制不同總Pb、總Cd濃度的溶液用于制備3個水平的模擬污染土壤：供試土壤不加任何處理(GS)，供試土壤中總Pb、總Cd加入質量濃度分別為200、2 mg/kg(L)、供試土壤中總Pb、總Cd加入質量濃度分別為400、4 mg/kg(H)，分別模擬不同程度Pb、Cd復合污染的土壤。

處理后的土壤老化30 d，分裝入塑料花盆，每個水平的模擬污染土壤中設3個處理：不加任何有機肥作為對照(CK)、加發酵雞糞(CM)、加有機磷肥(PF)，發酵雞糞和有機磷肥的添加量均為30 g/kg，共計9個處理，每個處理做3個重復。

每個處理在土壤深度1～2 cm處播種黑麥草種子20粒，待種子萌發后每盆保留長勢相近的幼苗15株，在溫度28 ℃、相對濕度70%的條件下培養。

70 d后，收獲黑麥草，葉部與根部分開，清洗干凈后，吸干表面游離水，稱鮮重。然后105 ℃下殺青30 min，再80 ℃下烘干至恒重，粉碎后裝于塑料封口袋中保存，用于測定植物總Pb和總Cd。采集兩份土樣，一份4 ℃保存用于土壤酶活性測定；一份風干后過100目尼龍篩，用于pH、有機質、乙三胺五醋酸(DTPA)提取態Pb(DTPA-Pb)和DTPA提取態Cd(DTPA-Cd)測定。

1.3 指標測定

土壤pH按土∶水=1 g∶2.5 mL采用pH計(梅特勒-托利多FE20K Plus)測定；土壤有機質采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化/容量法測定[8]107-108。

土壤DTPA-Pb、DTPA-Cd的測定：用DTPA浸提液(含0.005 mol/L DTPA，0.1 mol/L CaCl2，0.01 mol/L三乙醇胺，pH 7.3)以1 g∶2 mL的土水比于180 r/min的振蕩速度下浸提2 h，過濾后取上清液用原子吸收光譜儀(島津AA6300C)測定[9]。該方法測得的重金屬形態包括溶解態、可交換態、吸附態、有機結合態和部分氧化態。

土壤脫氫酶活性用1 g土壤在1 h內生成的三苯基四氮唑氯化物質量表征，脲酶活性用1 g土壤在2 h內生成的氨氮質量表征，堿性磷酸酶活性用1 g土壤在1 h內生成的對硝基苯酚質量表征，測定方法參考文獻[10]。土壤蔗糖酶活性用1 g土壤在24 h內生成的葡萄糖質量表征，測定方法參考文獻[11]。

植物鮮重采用電子天平(奧豪斯EX4202)稱量。植物總Pb、總Cd含量的測定：植物經HNO3-HClO4消解[8]334，消解液采用原子吸收光譜儀測定。

2 結果與討論

2.1 發酵雞糞和有機磷肥對土壤重金屬有效性的影響

由表1可見，在不同程度Pb、Cd復合污染的土壤中，與CK相比，CM和PF均可以提高土壤pH。原始供試土壤pH為4.50，原始發酵雞糞和原始有機磷肥的pH分別為6.93、7.37，均高于供試土壤，可用于調節供試土壤酸堿性。土壤pH對土壤重金屬鈍化有重要影響，改良酸性土壤能增強對重金屬的鈍化，降低其有效性[12]。

在不同程度Pb、Cd復合污染的土壤中，與CK相比，CM和PF能在一定程度上提高土壤有機質含量。

隨著Pb、Cd污染程度的加大，土壤中DTPA-Pb、 DTPA-Cd含量逐漸增大。對于GS土壤，CM和PF不能降低DTPA-Pb和DTPA-Cd含量，與CK相比，CM使DTPA-Cd含量顯著增加，而PF使DTPA-Pb含量顯著增加，這可能是由于發酵雞糞和有機磷肥本身分別含有一定量的DTPA-Cd和DTPA-Pb。對于L土壤，與CK相比，PF使DTPA-Pb、DTPA-Cd質量濃度分別降低9.15%、26.67%，說明有機磷肥能夠在低污染水平下鈍化土壤中的Pb和Cd。但是對于H土壤，與CK相比，PF僅能降低DTPA-Pb的含量，而DTPA-Cd的含量反而增加，這是因為可交換態的Cd2+、Pb2+均帶正電荷，會競爭陽離子結合點位，Pb2+的水合半徑小于Cd2+，電負性強于Cd2+，解離常數又低于Cd2+，因此Pb2+更易于與有機磷肥發生吸附或絡合作用[13-14]，當有機磷肥添加量有限時，首先對Pb2+進行鈍化，導致對Cd2+的鈍化能力不足。然而，在不同程度Pb、Cd復合污染的土壤中，與CK相比，CM均使得DTPA-Pb、DTPA-Cd含量增加。

CM和PF均可改良酸性土壤。CM雖能顯著提高土壤有機質，但不能鈍化土壤DTPA-Pb和DTPA-Cd。PF有助于鈍化DTPA-Pb、DTPA-Cd，同時對有機質的影響不大，但是對于污染水平相對較高的土壤鈍化效果有限，且優先鈍化DTPA-Pb。有研究表明，有機磷肥含有大量的重金屬結合位點[15]，并可與重金屬形成難溶性磷酸鹽沉淀[16]，從而能夠將土壤中重金屬鈍化，降低其有效性。FANG等[17]利用3種不同的磷添加劑(磷灰石礦尾料、重過磷酸鈣磷肥及兩者混合物)修復Pb、Cu、Zn復合污染土壤發現，它們均能顯著的降低CaCl2提取態Pb。

2.2 發酵雞糞和有機磷肥對黑麥草生長及重金屬累積的影響

由表2可見，在不同程度Pb、Cd復合污染的土壤中，與CK相比，CM和PF能顯著提高黑麥草的鮮重，這可能與這兩個處理能提高土壤營養元素有關。

黑麥草根部、葉部重金屬含量總體表現為根部>葉部，這也是黑麥草耐受重金屬脅迫，常被用作重金屬污染土壤修復的重要原因[6]46,[7]2117,[18]。對于GS土壤，與CK相比，CM和PF均提高了黑麥草葉部和根部的總Pb、總Cd含量。但對于L和H土壤，與CK相比，CM和PF基本均顯著降低了黑麥草葉部和根部的總Pb、總Cd含量。與土壤中DTPA-Pb、DTPA-Cd不同的是，CM使得黑麥草體內重金屬含量總體低于PF，這可能與有機肥不同引起的土壤酶活性差異有關，導致植物吸收差異。因此，雖然PF能更有效的鈍化土壤DTPA-Pb、DTPA-Cd，但對于黑麥草種植來說CM更合適。

表1 發酵雞糞和有機磷肥對土壤的影響1)

注：1)字母不同表示處理之間差異顯著(p<0.05)。下同。

表2 發酵雞糞和有機磷肥對黑麥草的影響

圖1 發酵雞糞和有機磷肥對土壤酶活性的影響Fig.1 Effects of fermented chicken manure and organic phosphate fertilizer on soil enzymes activities

2.3 發酵雞糞和有機磷肥對土壤酶活性的影響

土壤酶參與土壤系統中多種重要代謝過程，是土壤肥力穩定的重要因素，其活性對多種重金屬污染敏感[19]，是評價土壤健康狀況的重要指標。

堿性磷酸酶與土壤中有機磷的礦化有關，參與土壤磷循環。由圖1(a)可以看出，在不同程度Pb、Cd復合污染的土壤中，與CK相比，CM均顯著增加了土壤堿性磷酸酶活性，而PF無顯著差異。

脫氫酶能促進土壤中有機物的脫氫反應，通常被用來評價土壤微生物代謝活動。從圖1(b)來看，在不同程度Pb、Cd復合污染的土壤中，與CK相比，CM和PF總體上均能提高土壤脫氫酶活性。

脲酶能促進土壤中尿素分解，與土壤中氮素轉化有重要關系。從圖1(c)來看，隨著Pb、Cd污染程度的加大，與其他酶不同，CK中脲酶活性逐漸升高，表現出一定的刺激效應，這可能與植物的根際效應有關[20]。不同程度Pb、Cd復合污染土壤中施用CM和PF均能顯著性增加土壤脲酶活性。

蔗糖酶參與土壤碳循環，促進土壤有機碳的分解和轉化。分析圖1(d)，土壤蔗糖酶活性受有機肥的添加和土壤污染程度影響不顯著，規律不明顯。

總體而言，有機肥對土壤酶活性有促進作用，特別是發酵雞糞。

3 結 論

(1) 發酵雞糞和有機磷肥均能顯著提高土壤pH，改善酸性土壤，還能在一定程度上提高土壤有機質含量。PF對于總Pb、總Cd加入質量濃度分別為200、2 mg/kg的土壤，能有效鈍化DTPA-Pb、DTPA-Cd，但對于總Pb、總Cd加入質量濃度分別為400、4 mg/kg的土壤鈍化效果有限，優先鈍化DTPA-Pb。而CM不能有效鈍化土壤DTPA-Pb和DTPA-Cd。

(2) 發酵雞糞和有機磷肥均能顯著提高黑麥草鮮重。雖然PF能更有效地鈍化土壤DTPA-Pb、DTPA-Cd，但CM能更有效地降低黑麥草對Pb和Cd的積累，使其主要積累在根部。

(3) 發酵雞糞對土壤堿性磷酸酶、脫氫酶和脲酶活性有顯著的促進作用。因此，對于湘西地區種植牧草黑麥草而言，施用發酵雞糞比較合適，能有效改善酸性土壤，提高黑麥草鮮重，提高土壤酶的活性，降低黑麥草對Pb和Cd的積累。