2023, Vol. 44
2. 桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心, 桂林 541004;
3. 桂林理工大学旅游与风景园林学院, 桂林 541004;
4. 桂林理工大学植物与生态工程学院, 桂林 541004
2. Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;
3. College of Tourism & Landscape Architecture, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;
4. College of Plant and Ecological Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China
重金属污染是全球当前最突出的土壤环境污染问题之一[1, 2].文献[3]显示, 我国耕地点位超标率为19.4%, 以重金属污染为主, 其中镉(Cd)、铅(Pb)和锌(Zn)污染严重.土壤中的重金属被作物吸收或被其他物质吸附通过食物链进入人体, 因不能被降解而在人体内富集, 引起致癌、致畸和致突变等系列后果, 最终危害人体健康[4~6].为了保证粮食安全, 2014年我国启动重金属污染耕地修复综合治理工作.
植物修复技术(phytoremediation)是一种友好且低成本的绿色土壤重金属修复技术, 该技术主要利用重金属富集植物将土壤中的污染物转移到植物的地上部, 然后收获植物达到修复污染土壤的目的[7].少花龙葵(Solanum photeinocarpum)是一种具有污染耐性强、生长速度快等特点的Cd超富集植物, 对高Cd污染土壤有很强的修复潜力[8].翅果菊(Pterocypsela indica)是西南地区常见的牧草, 最近被发现是一种Cd富集植物, 其对土壤中的Cd、Zn有很强的提取和去除能力, 能够有效修复Cd和Zn污染土壤[9].然而, 由于超富集植物生物量较小, 单纯依靠植物自身对重金属的提取能力修复效率往往比较低, 修复年限较长, 通过不同调控措施有效提升植物修复效率以缩短重金属污染土壤的修复时间十分必要.
目前植物修复的调控措施主要包括动物联合修复、种植方式管理、活化剂活化和改良剂改良等[10].植物间作以及外源添加秸秆、蚯蚓和柠檬酸等措施能够显著提高重金属污染土壤的植物修复效率, 但其作用效果因土壤环境和修复植物不同而不同[11~14].蒋成爱等[15]研究发现, 将Zn超富集植物东南景天与玉米、大豆混作能显著增加东南景天地上部对Zn的富集量.Tang等[11]研究发现, Cd超富集植物龙葵与茄子间作能够显著提高龙葵对Cd的吸收, 但降低茄子对Cd的吸收.秸秆含有丰富的有机物质, 秸秆还田可以改变土壤pH和有机质.贾乐等[16]研究发现秸秆还田显著提高了土壤pH值, 还田玉米和菜豆秸秆显著提高了土壤中醋酸铵提取态Cd和DTPA提取态Cd含量.潘逸等[12]发现秸秆与无机肥配施使土壤耕作层交换性Cd含量增加43.2%, 且使小麦根、茎和籽粒Cd含量分别增加89%、147%和52%.蚯蚓活动可以通过改变土壤pH和有机质含量等增加或减少植物对重金属的富集.有研究发现蚯蚓显著增加了玉米和小麦地上部和根部Cd、Pb和Zn浓度[17].Ma等[18]研究发现蚯蚓能提高Pb-Zn土壤中活性N、P浓度和Pb、Zn的生物有效浓度, 使植物生物量提高10%~30%, 并直接增加植物的重金属吸收量.王孜楠等[13]研究发现, 在西南地区常湿淋溶土添加赤子爱胜蚓使伴矿景天对Cd去除量增加106%, 在水耕人为土添加赤子爱胜蚓的同时加入秸秆使伴矿景天对Cd的去除量增加66.4%.Elyamine等[19]研究发现蚯蚓使向日葵(Helianthus annuus)和燕麦(Avena sativa)地上部Cd积累量分别增加37%和20%, 但添加秸秆会导致向日葵和燕麦地上部Cd积累量分别显著降低26%和35%.宋波等[14]通过大田试验发现, 往Cd污染农田中添加乙二胺四乙酸(EDTA)和柠檬酸能显著促进籽粒苋对土壤Cd的富集.
目前, 关于添加秸秆、蚯蚓和柠檬酸调控少花龙葵和翅果菊修复重金属污染土壤的研究鲜见报道, 秸秆、蚯蚓和柠檬酸对不同种植方式下少花龙葵和翅果菊修复重金属污染土壤的作用效果尚不清楚.本文以阳朔县思的村受铅锌矿影响的Zn、Pb和Cd复合污染农田土壤为研究对象, 选择少花龙葵单作、翅果菊单作和少花龙葵与翅果菊间作这3种种植方式, 分析蚯蚓/秸秆/柠檬酸和植物间作对植物修复Zn、Pb和Cd复合污染土壤的影响, 寻找最佳的植物修复调控措施及组合, 以期为土壤重金属污染治理提供理论依据和技术支持.
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤采自广西阳朔县思的村附近受铅锌矿污染农田(24°58′53″N, 110°33′31″E)采集的表层土(0~20 cm), 其理化性质及重金属的背景值为：pH 5.63, ω(有机质)2.49%, ω(碱解氮)71.40 mg·kg-1, ω(有效磷)284.27 mg·kg-1, ω(速效钾)30.80 mg·kg-1, ω(总Cd)2.43 mg·kg-1, ω(总Pb)761.15 mg·kg-1, ω(总Zn)1 118.87 mg·kg-1.供试土壤中Zn、Pb和Cd含量是农用地土壤污染风险筛选值(GB 15618-2018)的5.59、7.61和6.08倍[20], 属于Zn、Pb和Cd严重污染土壤.少花龙葵和翅果菊种子采自野外.赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)购于江苏王军蚯蚓养殖基地, 该蚯蚓具有分布范围广泛和环境适应力强等特点, 是一种理想的土壤修复试验蚓[21~23].水稻秸秆从桂林市当地农田采集.
1.2 试验设计盆栽试验在桂林理工大学植物修复温室大棚进行.植物修复种植方式设置4种, 分别为：无植物、少花龙葵单作、翅果菊单作和少花龙葵与翅果菊间作.土壤处理措施设置6种, 分别为：无添加、秸秆、蚯蚓、柠檬酸、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸.各植物种植方式分别与各个土壤处理措施进行完全正交设计, 设置3个重复, 共72盆.无孔花盆(高：16.2 cm, 口径：29.5 cm)中每盆装入4.0 kg风干土, 自然放置2 d.秸秆拌入量为2%(质量分数)、蚯蚓添加量为每盆7 g(在将蚯蚓放入盆之前, 用去离子水清洗蚯蚓, 并在湿滤纸上清肠24 h)均匀混入相应土壤中.间作的盆栽被分成两带, 每带各种植一种对应的植物.盆中土壤水分含量尽量控制在土壤田间持水量的60%~70%.待植物出芽生长5 d后, 进行间苗, 单作盆栽每盆留6棵苗, 间作盆栽每盆每种植物分别留3棵苗.在植物出苗10 d后, 柠檬酸以溶液的形式添加至相应土壤中, 其质量摩尔浓度为1 mmol·kg-1.待植物出芽生长60 d后, 收获植物并将蚯蚓从含蚯蚓处理的盆栽中取出, 测定分析各相关数据.
1.3 样品分析土壤样品的pH、有机质和氮磷钾的测定均参考文献[24]的方法进行测定; 土壤重金属有效态含量采用DTPA提取-电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, PE-Optima7000DV, 美国)测定.植物样品的处理方式如下：用剪刀将植物地上部的茎与叶分开, 再用自来水将植物各部位冲洗干净后, 用去离子水将各部位冲洗3遍备用.将植物放入烘箱中, 先在105℃下杀青30 min, 再用75℃烘干至恒重.烘干后, 用电子天平测定植物各部位干重.然后, 再将植物彻底粉碎、过筛(100目)并装入自封袋中保存备用.蚯蚓样品收获后用自来水冲洗干净并清肠24 h, 滤纸吸干称重, 70℃烘干至恒重并称重.土壤、植物和蚯蚓样品采用美国环保局(USEPA)推荐的HNO3+H2O2的电热板加热湿法消解体系(USEPA 3050B)进行消解：称取0.50 g风干样品于50 mL三角烧瓶, 加入优级纯硝酸, 于电热板加热回流至无棕色气体放出, 加入30%优级纯H2O2继续加热回流至锥形瓶中, 消解完全后, 将消解液和洗涤液转移至25 mL比色管中, 用超纯水定容, 同时做空白对照, 采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定.植物、动物和土壤样品分别采用国家标准物质: 生物成分标准物质(GBW 07603)和土壤标准物质(GBW 07407)进行质量控制, 植物Zn、Pb和Cd回收率分别为101.68%~102.91%、90.30%~93.05%和93.32%~103.29%, 土壤Zn、Pb和Cd回收率分别为91.80%~101.76%、88.53%~106.73%和96.85%~110.17%.
富集系数(BCF)=植物地上部重金属含量/土壤重金属含量
转运系数(TF)=植物地上部重金属含量/植物根部重金属含量
重金属提取量(μg)=植物重金属含量×植物干重
1.4 数据处理与分析所有数据使用Excel 2003和SPSS 23.0进行整理与统计分析, 采用单因素方差分析中的LSD进行多重比较, 显著性水平设为P＜0.05, 采用Origin 9.6作图.采用富集系数、转运系数和重金属提取量评估植物对重金属的富集能力、转运能力和修复效率.
2 结果与分析 2.1 土壤pH与有机质蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下土壤pH和土壤有机质的变化如图 1所示.与无植物土壤相比, 植物种植显著提高土壤pH.无植物的土壤中, 蚯蚓、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理显著提高土壤pH; 柠檬酸处理显著降低土壤有机质含量.翅果菊种植的土壤中, 所有外源添加处理对土壤pH无显著影响; 秸秆和柠檬酸处理显著提高土壤有机质含量.少花龙葵种植的土壤中, 秸秆和秸秆+柠檬酸处理显著降低土壤pH值, 蚯蚓、柠檬酸和秸秆+蚯蚓显著提高土壤pH值; 所有外源添加处理显著提高土壤有机质含量.少花龙葵与翅果菊间作的土壤中, 秸秆、蚯蚓、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理显著降低土壤pH值; 秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理显著提高土壤有机质含量.
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数据为平均值(n=3),误差线为标准误差, 不同小写字母表示差异显著(P＜0.05),下同 图 1 蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下土壤pH及有机质含量 Fig. 1 Soil pH and organic matter content under earthworm, straw, and citric acid addition treatments |
蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下土壤重金属有效态含量如图 2所示.不同外源物质添加处理下土壤Zn、Pb和Cd有效态含量分别在41.55~65.39、106.18~189.48和1.43~2.02 mg·kg-1之间.无植物的土壤中, 柠檬酸处理对土壤Zn、Pb和Cd有效态含量和秸秆处理对土壤Cd有效态含量影响不大, 其他处理显著或者明显降低土壤Zn、Pb和Cd有效态含量.翅果菊种植的土壤中, 秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理显著降低土壤Zn和Pb有效态含量, 秸秆+蚯蚓处理显著降低土壤Cd有效态含量.少花龙葵种植的土壤中, 秸秆和秸秆+蚯蚓处理显著降低土壤Zn和Pb有效态含量, 但所有外源添加处理对土壤Cd有效态含量影响不大.少花龙葵与翅果菊间作的土壤中, 秸秆处理显著降低土壤Zn有效态含量, 柠檬酸处理显著提高土壤Zn、Pb和Cd有效态含量, 秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理显著提高土壤Pb和Cd有效态含量.无添加处理下, 翅果菊与少花龙葵间作土壤Zn、Pb和Cd有效态含量显著低于单作或无植物土壤, 相比单作翅果菊土壤降幅最大, 分别是23.79%、36.70%和16.91%, 相比单作少花龙葵土壤Zn、Pb和Cd有效态含量分别降低21.79%、33.22%和15.26%.
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图 2 蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下土壤Zn、Pb和Cd有效态含量 Fig. 2 Available concentrations of Zn, Pb, and Cd in soil under earthworm, straw, and citric acid addition treatments |
蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下植物生物量如图 3所示.生物量能够直观反映植物的生长状况和对污染的耐受能力.在无添加处理时翅果菊单作、少花龙葵单作和翅果菊与少花龙葵间作这3种种植方式植物生物量相差不大.添加蚯蚓使单作翅果菊地上部和根部生物量增加了16.69%和30.77%, 秸秆+蚯蚓使翅果菊根部干重增加了50.43%, 柠檬酸使翅果菊总干重下降20.12%.土壤添加秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸后少花龙葵地上部干重比对照处理下降57.42%、60.10%和47.76%.秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理使翅果菊与少花龙葵间作植物总干重分别下降46.57%、29.20%和52.57%.
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图 3 蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下植物生物量 Fig. 3 Plant biomass under earthworm, straw, and citric acid addition treatments |
蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下植物Zn、Pb和Cd含量如图 4.植物中重金属含量与土壤重金属有效态含量有着密切的联系.经相关分析发现, 单作翅果菊地上部Zn和Pb含量与土壤Zn和Pb有效态含量之间呈显著相关, 相关系数分别为0.777(P < 0.01)和0.516(P < 0.05); 单作少花龙葵地上部Zn含量与土壤Zn有效态含量呈显著正相关, 相关系数是0.571(P < 0.05); 间作中两种植物地上部Zn、Pb和Cd含量与土壤Zn、Pb和Cd有效态含量均无显著相关性.翅果菊单作时, 秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理显著降低翅果菊地上部Zn、Pb和Cd含量以及根的Zn和Cd含量, 蚯蚓和柠檬酸对翅果菊地上部的Zn、Pb和Cd含量以及对根的Zn和Cd含量影响不大; 秸秆和蚯蚓处理对翅果菊根Pb含量影响不大, 但柠檬酸、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理显著提高翅果菊根Pb含量.少花龙葵单作时, 蚯蚓和秸秆+蚯蚓处理显著降低少花龙葵地上部的Zn、Pb和Cd含量, 蚯蚓处理显著降低根部Cd含量, 秸秆+蚯蚓处理显著降低根部Zn含量, 而秸秆和秸秆+柠檬酸处理显著或明显提高少花龙葵地上部和根部Cd含量.少花龙葵与翅果菊间作时, 秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸显著降低间作翅果菊地上部Zn、Pb和Cd含量与根的Zn和Cd含量, 秸秆+柠檬酸处理显著增加间作翅果菊根Pb含量, 增幅98.21%; 秸秆和秸秆+蚯蚓处理显著降低间作少花龙葵地上部和根Zn含量, 蚯蚓显著提高间作少花龙葵地上部Cd含量和根Pb含量.在无添加处理下, 无论是单作还是间作, 翅果菊地上部Zn和Cd含量均显著高于少花龙葵.土壤无添加处理下, 单作翅果菊地上部Zn和Cd含量分别是单作少花龙葵的2.77倍和1.61倍, 间作翅果菊地上部Zn和Cd含量是间作少花龙葵的3.69倍和1.86倍.说明翅果菊对Zn和Cd的富集能力强于少花龙葵.间作对翅果菊地上部和少花龙葵地上部重金属含量影响不大, 但是在无添加、蚯蚓和柠檬酸处理间作显著提高翅果菊根部Zn、Pb和Cd含量, 分别增加53.08%~88.87%、47.72%~98.08%和35.67%~66.77%, 明显提高少花龙葵根部Zn、Pb和Cd含量, 分别增加10.33%~20.57%、56.64%~114.26%和10.46%~58.04%.以上结果表明, 蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加与间作能有效影响少花龙葵和翅果菊对重金属的富集, 但是因植物和重金属的种类不同而不同.
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图 4 蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下植物Zn、Pb和Cd含量 Fig. 4 Zn, Pb, and Cd concentrations of plants under earthworm, straw, and citric acid addition treatments |
蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下植物对Zn、Pb和Cd的富集系数(BCF)和转运系数(TF)如表 1所示.不同处理下植物Cd的BCF均大于1, 而Pb的BCF较低, 均小于0.01.植物对重金属的富集系数表现为: BCF-Cd>BCF-Zn>BCF-Pb.翅果菊对Zn、Pb和Cd的BCF高于少花龙葵, 说明翅果菊对Zn、Pb和Cd的富集能力大于少花龙葵.翅果菊Zn和Cd的TF显著高于少花龙葵, Pb的TF与少花龙葵相差不大, 表明翅果菊对Zn和Cd的转运能力也比少花龙葵强.间作明显提高翅果菊的BCF和TF, 对少花龙葵的BCF和TF影响较小.
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表 1 蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下植物对Zn、Pb和Cd的富集系数与转运系数1) Table 1 BCF and TF of Cd, Pb, and Zn by plants under earthworm, straw, and citric acid addition treatments |
翅果菊单作时, 在蚯蚓和柠檬酸处理下Cd的BCF较无添加处理大, 而各添加处理下单作翅果菊Pb的BCF与无添加处理没有显著差异, 在含秸秆处理下Cd的BCF显著低于无添加处理.间作翅果菊, 在含秸秆处理下对Zn、Pb和Cd的BCF较无添加处理显著降低.少花龙葵单作时, 在蚯蚓处理下, 对Zn、Pb和Cd的BCF显著小于无添加处理; 在秸秆和秸秆+柠檬酸处理下, 对Cd的BCF显著大于无添加处理下单作少花龙葵对Cd的BCF, 分别为9.39和11.92; 在柠檬酸处理下, 对Cd的BCF较无添加处理也略有增大, 但差异不显著.这说明外源添加蚯蚓, 可以促进翅果菊对Zn和Cd的吸收, 而抑制少花龙葵对Zn、Pb和Cd的吸收; 秸秆促进少花龙葵对Zn、Pb和Cd的吸收而抑制翅果菊的吸收; 柠檬酸可以促进两种植物对Cd的吸收, 土壤同时添加柠檬酸和秸秆时对少花龙葵的促进作用增强.
外源添加蚯蚓、秸秆和柠檬酸处理促进单作翅果菊将Cd从根部向地上部转运.添加蚯蚓或秸秆+蚯蚓会抑制少花龙葵对Zn和Pb的转运, 在秸秆+蚯蚓处理下, 翅果菊也受到了同样的抑制.单作翅果菊对Cd的TF各处理间差异不显著, 在不含秸秆处理下均显著高于单作/间作少花龙葵.在含秸秆处理中, 少花龙葵对Cd的TF较无添加处理增加, 在秸秆+柠檬酸处理时显著高于无添加处理, 进一步说明秸秆和柠檬酸促进少花龙葵对Cd的吸收和转运.在不同处理下, 单作翅果菊对Zn的TF显著高于单作少花龙葵, 单作翅果菊对Cd的TF则显著高于间作翅果菊, 而少花龙葵的单作与间作之间没有显著差异.在无添加、蚯蚓和柠檬酸处理下单作翅果菊对Cd的TF显著高于单作少花龙葵, 不同种植方式对植物转运Pb的TF没有显著差异.
2.6 植物Zn、Pb和Cd提取量植物对重金属的提取量体现了其对污染土壤的修复能力, 蚯蚓/秸秆/柠檬酸添加处理下植物对Zn、Pb和Cd提取量如图 5.少花龙葵和翅果菊对Zn和Cd的提取主要集中在地上部, 而对Pb的提取主要集中在根系.植物对Zn和Cd提取量为：单作翅果菊>间作>单作少花龙葵.秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理显著降低单作翅果菊与间作植物地上部对Zn和Cd的提取量以及单作少花龙葵地上部对Zn的提取量.蚯蚓处理使单作翅果菊Zn、Pb和Cd总提取量分别提高12.49%、35.89%和29.01%.秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理可以使翅果菊根部Pb提取量分别提高128.8%和95.8%, 使翅果菊Pb总提取量分别增加87.21%和67.58%.几乎所有处理对单作少花龙葵地上部和根系Zn提取量有不同程度的抑制作用.秸秆、蚯蚓和秸秆+蚯蚓显著降低单作少花龙葵地上部与根系Pb和Cd提取量.秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理均显著降低少花龙葵和翅果菊间作植物地上部与根Zn、Pb和Cd总提取量.对于整株植物Zn和Cd提取量而言, 翅果菊+蚯蚓处理最高, 少花龙葵+秸秆+蚯蚓和间作+秸秆+柠檬酸最低; 对于整株植物Pb提取量而言, 翅果菊+秸秆+蚯蚓和间作+蚯蚓最高, 少花龙葵+秸秆和少花龙葵+秸秆+蚯蚓最低.无添加处理时, 间作使植物对Cd和Zn的提取量比少花龙葵单作分别高21.65%和51.82%, 使植物对Pb的提取量比单作翅果菊和单作少花龙葵分别增加31.56%和31.22%.
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1.无添加, 2.秸秆, 3.蚯蚓, 4.柠檬酸, 5.秸秆+蚯蚓, 6.秸秆+柠檬酸; 不同小写字母标注为各处理间植物总提取量的显著差异; 误差线地上部显示为正误差, 根部显示为负误差 图 5 蚯蚓、秸秆和柠檬酸添加处理下植物Zn、Pb和Cd的提取量 Fig. 5 Zn, Pb, and Cd accumulation in plants under earthworm, straw, and citric acid addition treatments |
蚯蚓的生物量如图 6所示.由于本试验土为Zn、Pb和Cd严重污染土壤, 蚯蚓生物量在重金属污染土壤中培养后显著低于培养前, 下降40.86%~82.29%, 表明蚯蚓受到土壤重金属的毒害严重.但是添加秸秆后蚯蚓的生物量显著提高, 增幅22.29%~223.87%, 表明秸秆可以有效缓解土壤重金属对蚯蚓的毒害并促进其生长.不添加秸秆时, 蚯蚓生物量大小为：少花龙葵单作>间作>翅果菊单作>无植物.添加秸秆后, 蚯蚓生物量大小为：翅果菊单作>无植物>间作>少花龙葵单作.
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1为蚯蚓处理, 2为秸秆+蚯蚓处理, 下同 图 6 蚯蚓添加处理下蚯蚓的鲜重 Fig. 6 Fresh weight of the earthworms under earthworm addition treatments |
蚯蚓的重金属的含量及富集系数如图 7所示.单一添加蚯蚓处理时, 蚯蚓的Zn、Pb和Cd的最高含量分别为147.82、198.34和36.64 mg·kg-1, 最低含量分别为75.88、79.84和13.31 mg·kg-1, 富集系数分别为0.07~0.14、0.11~0.26和5.64~15.52.以上结果说明蚯蚓对土壤Cd具有很强的富集能力.秸秆的加入会显著降低蚯蚓Zn、Pb和Cd的含量和富集系数, 蚯蚓Zn、Pb和Cd的含量降幅分别为12.84%~38.80%、8.15%~55.96%和26.75%~62.58%.但是添加秸秆在间作会明显增加蚯蚓Zn的含量和富集系数, 蚯蚓Zn的含量增幅为41.86%.
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图 7 蚯蚓的重金属含量和富集系数 Fig. 7 Heavy metal concentrations and BCF of earthworms |
土壤pH是影响土壤元素形态的一个重要因素, 合适的pH利于土壤微生物活性与植物生长, 影响土壤重金属的生物有效性, 从而影响修复效果.土壤有机质含量不仅影响植物生长, 还会影响土壤pH和重金属的生物有效性[25~27].添加秸秆处理, 无植物土壤pH略有增加, 但与蚯蚓或柠檬酸联合施用后土壤pH显著提高; 秸秆使单作少花龙葵和间作土壤pH显著下降0.14和0.21, 但对单作翅果菊土壤pH没有显著影响.可能由于不同植物根际环境以及蚯蚓和柠檬酸的添加导致秸秆的腐解程度不同, 王娇等[28]研究认为添加秸秆可以提高土壤酸碱缓冲性能, 但是秸秆对土壤pH的影响与其添加量与腐解程度有关[29, 30].添加蚯蚓可以显著提高无植物和少花龙葵土壤pH, 这与张孟豪等[21]的研究结果相似, 赤红壤接种赤子爱胜蚓后使收集的蚓粪和未吞食的土壤pH分别提高1.27和0.55个单位.这可能是由于蚯蚓活动排放的碱性排泄物产生NH3提升土壤pH[31].此外, 蚯蚓的钙腺可以释放碳酸钙使土壤Ca2+等阳离子交换量增加, pH升高[21].柠檬酸会使单作翅果菊土壤pH降低, 但显著提高单作少花龙葵土壤pH.柠檬酸施入土壤可以为土壤提供H+, 随着柠檬酸的加入导致土壤pH降低.土壤pH与土壤有效磷呈显著负相关[32~35].也有研究发现柠檬酸的加入会改变土壤磷的有效性以及使H+被土壤中的细小颗粒上的阴离子位点吸附, 造成H+的大量减少, 使土壤pH随时间增加而上升, 甚至高于对照处理[36, 37].柳小兰等[38]研究发现不同种植方式会影响土壤理化性质改变.本研究结果显示土壤pH为：间作＞翅果菊≈少花龙葵＞无植物土壤.同时, 秸秆和蚯蚓在无植物和植物单作时能显著提高土壤有机质含量, 这与李辉信等[39]的研究结果相似, 施用秸秆可以显著提高土壤有机碳和全氮含量, 接种蚯蚓可以补偿一部分消耗的有机质, 提高土壤微生物C含量, 促进植物生长.柠檬酸在植物单作时能够显著提高土壤有机质, 但在无植物时显著降低土壤有机质含量.柠檬酸处理使无植物土壤有机质含量显著降低, 这可能是由于有机酸的加入破坏土壤矿物质与有机质之间的“键桥”, 使有机金属络合物解离, 金属物质与柠檬酸结合, 导致土壤中固相有机质含量减少, 而溶解性有机物质含量增多, 导致土壤有机质被微生物分解利用而流失, 有机质含量下降[40~42].这与唐棋等[33]的研究结果相似, 柠檬酸的施用加速土壤有机质的消耗, 在低和中这两个柠檬酸施用梯度下, 土壤有机质含量较对照组分别显著(P < 0.05)下降14.02%和10.66%.以上结果表明植物种植方式会显著影响秸秆、蚯蚓和柠檬酸对土壤pH和有机质的效应.此外, 无添加处理中种植植物的土壤有机质较无植物土壤低, 这可能是植物种植引发根际激发效应, 有机质被分解, 导致土壤有机质含量降低.根际激发效应是在相同的环境下, 植物活根和相关根际生物对土壤有机物的分解.Cheng等[43]研究结果显示, 根际激发效应对土壤有机质分解速率具有显著影响.莫朝阳等[44]研究发现, 种植作物显著增强了土壤有机质的分解, 释放CO2, 但不同种类植物的根际激发效应强度不同.
土壤中养分和重金属的生物有效性主要与土壤溶液和土壤颗粒表面之间的界面反应过程与机制有关, 植物根系分泌的H+可以置换土壤颗粒表面吸附态的金属离子从而提高土壤中重金属的生物有效性[45].有机质能与土壤中的重金属络合形成有机结合态, 有机质中的低分子有机酸对重金属的溶解将其活化[26, 46].在土壤ω(Cd)为5.0 mg·kg-1时, 当土壤有机质含量增加时, 土壤可交换态与铁锰氧化物结合态Cd含量降低, 有机结合态Cd含量升高, 残渣态Cd含量无明显变化[47].土壤pH通过对重金属离子的点位吸附稳定性、有机质含量以及盐基离子的组成的影响改变重金属的生物有效性[48].柠檬酸对单作土壤的重金属有效态含量影响不大, 但显著提高间作土壤的重金属有效态含量, 这可能与间作植物根系的互作效应有关.秸秆降低重金属生物有效性可能是由于秸秆作为原位钝化剂吸附和络合Zn、Pb和Cd[49], 秸秆腐解产生有机酸等降低了土壤pH并提高有机质含量, 使土壤Zn、Pb和Cd有机结合态增加, 减少土壤Zn、Pb和Cd的有效态含量.蚯蚓对土壤Zn、Pb和Cd有效态含量影响不大, 这与已有研究报道蚯蚓对土壤Pb有效态含量影响不大, 对土壤Zn有效态含量的影响随土壤Zn浓度的变化而表现出无影响或者增加效应的结果相近[50].
不同外源物质对植物生物量和植物的重金属含量产生的影响不同.添加秸秆对翅果菊的生长没有显著影响, 但显著抑制少花龙葵的生长.在秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸处理中少花龙葵的地上部干重显著下降.这可能是由于秸秆的加入提高土壤有机质含量的同时秸秆腐解过程还释放一些化感物质, 化感物质对不同植物产生的影响不同.宫再英等[51]研究发现, 菊芋秸秆添加量为1.0%和1.5%时对黄瓜生长为化感促进作用, 而添加量为2.0%时对黄瓜生长为化感抑制作用.张丽娟等[52]研究发现, 玉米秸秆能显著抑制供试杂草胚根的生长, 但对马唐、稗胚芽鞘的生长却无明显的效果.杨思存等[53]研究表明玉米秸秆对小麦幼苗产生化感抑制作用, 使其生物产量减产60.8%, 但对大豆幼苗生长的他感和玉米幼苗的自感为促进作用显著, 使生物产量依次增加18.7%和10.3%.蚯蚓对翅果菊Zn、Pb和Cd含量影响不大, 但显著降低少花龙葵重金属含量.Elyamine等[19]研究发现蚯蚓会显著增加向日葵(Helianthus annuus)和燕麦(Avena sativa)的Cd含量, 徐坤等[50]研究发现蚯蚓对印度芥菜(Brasscia juncea)Pb含量影响不大, 但是显著增加印度芥菜的Zn含量.由此可见, 蚯蚓对植物富集重金属的影响因植物和金属的不同而不同.秸秆抑制单作翅果菊对Zn、Pb和Cd的富集, 这可能是由于秸秆对土壤重金属产生了钝化效应, 降低单作翅果菊土壤Zn、Pb和Cd有效态含量.但是秸秆的钝化效果也受到不同植物效应的影响, 秸秆显著降低单作少花龙葵土壤pH, 但对单作翅果菊土壤pH没有显著影响, 因此会出现秸秆处理对单作翅果菊土壤Cd有效态影响不大并显著促进少花龙葵对Cd富集的现象.有研究报道秸秆会显著促进蚯蚓生长、降低蚯蚓体内Cd含量并降低蚯蚓处理的植物吸收Cd[19], 本研究发现这种效应同样适用于Zn、Pb和Cd复合污染土壤.这主要是由于秸秆不但具有钝化效应, 而且秸秆可以为蚯蚓提供食源[54], 增加蚯蚓生物量, 进一步促进植物修复作用.柠檬酸是常用的土壤金属活化剂和植物富集重金属的强化剂[33].本研究发现柠檬酸仅能在翅果菊和少花龙葵间作时显著提高土壤Zn、Pb和Cd的有效态含量, 在翅果菊和少花龙葵单作时没有显著影响; 同时, 柠檬酸对少花龙葵重金属含量的影响不大, 但是会显著提高翅果菊Pb的含量.这表明植物类型和种植方式会显著影响柠檬酸对土壤重金属的活化效果和植物富集重金属的强化效果.另一方面, 间作会促进翅果菊对Zn、Pb和Cd的富集和转运, 这可能是间作植物根系分泌物对翅果菊土壤的理化性质、酶活性和微生物数量的改变引起的, 与Bian等[55]报道的间作雷竹(Phyllostachys praecox)与伴矿景天(Sedum plumbizincicola)会使伴矿景天Zn、Cd的TF和BCF水平下降的研究结果一致.
植物对重金属的提取量是评估植物修复效率的重要指标.本研究发现蚯蚓加入可以明显提高翅果菊Zn、Pb和Cd提取量, 这与Ruiz等[17]研究的结果一致.这可能是由于蚯蚓能够一定程度上改变翅果菊土壤有机质含量以及提高土壤微生物的活性和根系环境[56~58], 增加单作翅果菊生物量, 从而增加Zn、Pb和Cd提取量.Xu等[59]研究发现, 水稻秸秆可以提高土壤pH和有机质, 增加玉米生物量并降低玉米Pb和Cd吸收量.本研究含秸秆处理显著降低翅果菊的Zn和Cd含量及总提取量, 这主要由于秸秆的加入, 降低翅果菊土壤的pH、提高了土壤有机质含量, 钝化了土壤中的Zn、Pb和Cd.不同处理下, 翅果菊与少花龙葵间作均使得植物对Zn和Cd提取量减少, 这可能是这两种植物间作存在养分竞争、产生某种有机酸[60, 61], 使得土壤Zn和Cd生物有效性降低, 降低植物对Zn和Cd的积累.有研究表明柠檬酸能使象草(Pennisetum purpureum)的Cd总提取量增加34.30%[33], 但是本研究中单独施加柠檬酸并不能提高翅果菊和少花龙葵单作或者间作的植物提取量, 表明柠檬酸不适用于强化翅果菊和少花龙葵的植物修复效率.施加秸秆与蚯蚓、秸秆与柠檬酸能够显著提高翅果菊对Pb的提取量, 这表明秸秆与蚯蚓或者与柠檬酸对翅果菊的Pb的植物修复效率具有协同效应.
4 结论(1) 植物单作和间作明显提高土壤pH、降低土壤有机质.外源添加蚯蚓、秸秆和柠檬酸显著提高土壤有机质含量.秸秆对土壤重金属有效态含量主要表现为钝化作用, 柠檬酸表现为活化作用, 蚯蚓的影响不大.间作显著降低土壤Zn、Pb和Cd有效态含量.
(2) 外源物质添加对单作翅果菊的生长没有显著影响, 秸秆、秸秆+蚯蚓和秸秆+柠檬酸显著抑制单作少花龙葵和间作植物的生长, 间作对植物生物量影响不大.
(3) 秸秆对翅果菊重金属含量表现为抑制作用, 但对少花龙葵Cd含量表现为促进作用.蚯蚓对翅果菊的重金属含量影响不大, 但会降低少花龙葵的重金属含量.柠檬酸对少花龙葵重金属含量影响不大, 但是会显著提高翅果菊Pb的含量.间作明显提高翅果菊重金属含量, 对少花龙葵重金属含量影响不大.
(4) 所有处理中, 翅果菊单作结合蚯蚓处理的Zn和Cd提取量最高, 翅果菊单作结合秸秆+蚯蚓处理、间作结合蚯蚓处理对Pb提取量最高, 是修复土壤重金属污染的最佳组合.
(5) 蚯蚓对Cd的富集系数高、但对Zn、Pb的富集系数低.在Zn、Pb和Cd污染土壤中施加秸秆能有效缓解重金属对蚯蚓的毒害并降低蚯蚓对重金属的富集.
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