李賽慧， 陳麗芬， 王會來， 褚軍杰， 霍希妮， 王海瑞， 鄒平， 馬進(jìn)川*

(1.麗水市蓮都區(qū)土肥能源發(fā)展中心, 浙江 麗水 323000； 2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 浙江 杭州 311300；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河南 鄭州 450046； 4.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所, 浙江 杭州 310021)

鎘是一種具有高動植物毒性的金屬元素。鎘在人體的富集會引起嚴(yán)重的健康問題，如佝僂病、肺水腫、腎臟損傷、前列腺癌、男性生育能力降低等[1-2]。人體對鎘吸收的主要途徑是通過食用含鎘的食物，如鎘大米。水稻是我國主要的糧食作物，稻米消費(fèi)量約占總谷物消費(fèi)量的55%[3]。我國稻米鎘超標(biāo)率高達(dá)10%，稻田鎘污染已嚴(yán)重威脅我國的糧食安全[4-6]。

有效態(tài)鎘是作物吸收的主要形態(tài)，降低稻田土壤有效態(tài)鎘含量可以最大限度地減少水稻對鎘的吸收，進(jìn)而阻控鎘向食物鏈的遷移。土壤中有效態(tài)鎘含量很大程度上取決于鎘的溶解度，土壤中鎘的溶解度受多種因素的影響，如pH、土壤有機(jī)質(zhì)含量和氧化還原電位等[7-8]。為實(shí)現(xiàn)受污染耕地的“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”，目前，常用的降低土壤有效態(tài)鎘含量的措施有：土壤重金屬原位鈍化技術(shù)，如施用石灰、生物炭等，主要通過改變土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量來降低土壤中有效態(tài)鎘的含量；水分調(diào)控，主要通過改變土壤氧化還原電位、有效硫含量、pH等，促使鎘形成CdS沉淀，降低鎘的生物有效性[9]。Fulda等[10]通過X射線吸收光譜進(jìn)一步證明了還原條件下CdS的形成。上述措施在降低土壤有效態(tài)鎘含量、實(shí)現(xiàn)受污染稻田安全利用方面具有良好的效果。然而長期外源物料的輸入不僅會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，引起土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)和活性的改變，同時具有造成二次污染的風(fēng)險；水分管理則易受水源條件的限制。因此，探尋一種高效、低風(fēng)險、低成本的修復(fù)途徑具有重大意義。

秸稈還田是培肥地力和農(nóng)業(yè)廢棄物資源化的一項(xiàng)重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，秸稈還田不僅影響著土壤中有機(jī)質(zhì)含量、微環(huán)境的pH，同時對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性均有一定的影響。微生物作為土壤中最敏感的群體，其群落結(jié)構(gòu)是反映土壤健康的重要因子。潛在的毒性金屬污染物在一定程度上會影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化[11]。與脫氮有關(guān)的亞消化單胞菌科、硝化螺菌屬、不動桿菌屬、聚磷菌等微生物的相對豐度隨著鎘濃度的增加而顯著降低[12]。與此類似，Xie等[11,13]揭示了土壤微生物群落受潛在毒性金屬的影響，潛在的重金屬污染能夠降低土壤微生物多樣性。土壤重金屬污染在改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的同時也受微生物的影響。微生物在一定程度上影響土壤中重金屬元素的存在狀態(tài)。楊卓等[14]研究表明，巨大芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌的混合微生物制劑在促進(jìn)植物生長的同時還可以促進(jìn)土壤中鎘、鉛和鋅的活化，使其活性分別提高15.02%、7.65%和2.23%；李潔等[15]研究認(rèn)為，功夫菊酯不僅能夠提高微生物群落對鎘的抗性能力，還可以提高鎘的生物可利用性，對提高鎘在植物中的累積也具有一定作用；劉紅娟等[16]從鎘污染土壤中分離出蠟狀芽孢桿菌并揭示其對鎘具有高抗性，表明其參與積累的化學(xué)官能團(tuán)有羥基、羰基、酰胺基等。因此，物料還田將直接或間接地影響土壤中鎘的形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性。本研究擬采用室內(nèi)土壤培養(yǎng)方式，探討蒲公英、白花蛇舌草、水稻秸稈還田對土壤微生物、土壤pH以及土壤中有效態(tài)鎘含量的影響，以探尋一種經(jīng)濟(jì)、安全、有效的降低土壤中有效性鎘含量的方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為鎘污染水稻土，采自浙江省某地鎘污染稻田表層(0～20 cm)土壤。將所取稻田土壤樣品于室內(nèi)風(fēng)干、粉碎、過10目篩(孔徑2.00 mm)。取土壤樣品，根據(jù)鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》方法對土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果鎘總量0.64 mg·kg-1，有效態(tài)鎘0.34 mg·kg-1，全氮3.15 g·kg-1，堿解氮189.28 mg·kg-1，速效磷22.58 mg·kg-1，速效鉀46.00 mg·kg-1，pH 6.06，陽離子交換量14.89 cmol·kg-1。

供試水稻秸稈來源于無鎘污染稻田收獲的水稻秸稈，試驗(yàn)用白花蛇舌草和蒲公英全草均來自于市售全草。為提高物料在土壤培養(yǎng)過程中的腐解速度，保證還田物料的均勻度和代表性，將水稻秸稈、白花蛇舌草和蒲公英全草于烘箱中75 ℃烘干至恒重，粉碎后過10目篩備用。測得3種供試材料鎘含量：白花蛇舌草為1.31 mg·kg-1；蒲公英為3.12 mg·kg-1；水稻秸稈為0.04 mg·kg-1。

1.2 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)方式，在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所實(shí)驗(yàn)室恒溫培養(yǎng)箱中(20 ℃)進(jìn)行培養(yǎng)。設(shè)置4個處理：空白對照；添加蒲公英；添加白花蛇舌草；添加水稻秸稈。其中秸稈添加量均為培養(yǎng)土壤質(zhì)量的0.6%。將秸稈與水稻土混合均勻，置于廣口瓶中，分別加水直至土壤全部濕潤，表面形成1～2 cm水層，共計(jì)加水約1 200 mL；用塑料薄膜覆蓋瓶口，防止水分過快蒸發(fā)。每處理重復(fù)15次，隨機(jī)區(qū)組排列。所用灌溉水為自來水(pH 6.67)，未檢出鎘污染。對每個處理進(jìn)行稱重編號，于8月28日開始培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中保持每個培養(yǎng)瓶恒重，及時補(bǔ)充蒸發(fā)水分，保持2 cm水層覆蓋。

1.3 測定方法

1.3.1 不同物料還田對土壤微生物的影響

取室內(nèi)培養(yǎng)14 d的土壤樣品，分析不同物料還田對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。微生物多樣性分析采用MicroRespTM技術(shù)和Shannon-Winner香農(nóng)多樣性指數(shù)法。MicroRespTM技術(shù)是一種基于土壤微生物的代謝功能研究土壤微生物生態(tài)的方法，其利用土壤在不同碳源誘導(dǎo)下的CO2產(chǎn)生情況來表征土壤生物群落水平的生理特性。MicroRespTM技術(shù)可以克服傳統(tǒng)微生物平板法只能測定可培養(yǎng)微生物、Biolog微平板法只能依賴土壤懸浮提取物和細(xì)胞后續(xù)生長情況及多重底物誘導(dǎo)呼吸自動化程度低等缺點(diǎn)，是研究原位土壤微生物群落水平生理特征的一種比較靈敏、快捷的測定方法[17]。

Shannon-Winner香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù))是指整個生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物群落所利用碳源類型的多少，即功能多樣性。生態(tài)系統(tǒng)中香農(nóng)指數(shù)數(shù)值與該生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)功能多樣性成正相關(guān)，香農(nóng)指數(shù)越大，微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性越高。Pielou物種均勻度指數(shù)(Evenness指數(shù))是指通過香農(nóng)多樣性指數(shù)計(jì)算出來的均度，包括2個因素：一是種類數(shù)目，即豐富度；另一個是種類中個體分布的均勻度。種類數(shù)目越多，多樣性就越大[18]。

1.3.2 不同物料還田對土壤pH和生物有效性鎘含量的影響

試驗(yàn)期間分別在土壤淹水0、7、14、21、28和35 d時取出培養(yǎng)土壤，將土壤樣品置于室內(nèi)風(fēng)干，粉碎，分別過10目篩，充分混勻，測定土壤中有效態(tài)鎘含量、pH。土壤重金屬有效態(tài)鎘采用DTPA(二乙胺三胺五乙酸)浸提后，用原子吸收光譜儀(石墨爐)法進(jìn)行分析測定，土壤pH采用電位法進(jìn)行分析測定。植株全量鎘采用HNO3-H2O2微波法進(jìn)行樣品消解，原子吸收光譜儀(石墨爐)進(jìn)行分析測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤微生物活性的影響

不同物料添加處理對土壤微生物活性的影響如圖1所示，不同處理土壤中微生物群落碳氮源利用能力表現(xiàn)為：蒲公英>白花蛇舌草≈水稻秸稈>空白對照。其中，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸稈處理土壤CO2釋放率分別為1.70、1.12和1.09 μg·g-1·h-1，與空白對照相比差異顯著，分別提高了122.6%、46.9%和43.5%。說明物料處理可以顯著提高土壤微生物的代謝能力，其中，蒲公英全草還田對土壤微生物代謝的影響最大。

柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖1 各時期不同處理土壤CO2釋放速率的變化

2.2 對土壤微生物群落多樣性的影響

不同物料添加處理對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響如表1所示。結(jié)果表明，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸稈處理在一定程度上增加了Shannon指數(shù)，分別為27.09、17.92和17.53，與空白對照相比差異均達(dá)顯著水平。不同處理土壤微生物Simpson指數(shù)、Evenness指數(shù)分別為：蒲公英0.979和0.931、白花蛇舌草0.982和0.932、水稻秸稈0.983和0.932、空白對照0.991和0.935。與空白對照相比，不同物料處理的Simpson指數(shù)和Evenness指數(shù)均有不同程度的降低，其中蒲公英處理土壤微生物Simpson指數(shù)和Evenness指數(shù)降低最多，分別為1.21%和0.43%。總體而言，物料添加處理在一定程度上提高了土壤微生物群落多樣性，卻導(dǎo)致均勻度略有降低。在所有物料處理中，蒲公英處理對土壤微生物群落功能多樣性的影響最大，這可能與蒲公英所含有的獨(dú)特化學(xué)成分有關(guān)。

表1 不同處理基于MicroRespTM的土壤微生物群落代謝多樣性分析

2.3 對土壤pH的影響

不同處理對土壤pH的影響如圖2所示。與空白對照相比，水稻秸稈、蒲公英和白花蛇舌草處理均顯著提高土壤pH，這可能與有機(jī)物料的添加增加了土壤對酸堿的緩沖能力有關(guān)。不同物料處理對土壤pH的影響依次為：蒲公英>白花蛇舌草>水稻秸稈。蒲公英處理對土壤pH提升最大，水稻秸稈處理對土壤pH的提升最小。在土壤培養(yǎng)過程中，不同處理土壤pH均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；其中空白對照土壤pH的增加主要與淹水條件下土壤微生物厭氧發(fā)酵有關(guān)，該結(jié)果與已有報道一致[8]。在土壤培養(yǎng)28 d時，水稻秸稈、蒲公英和白花蛇舌草處理土壤pH均達(dá)到最大值，分別為7.22、8.28和7.49，其中蒲公英處理土壤pH升高最多，比空白對照增加了22.5%。不同物料處理間土壤pH存在明顯差異，可能與不同物料中碳氮含量的差異有關(guān)。周領(lǐng)[19]認(rèn)為，秸稈還田后土壤pH的升高程度與秸稈中的含氮量(或N/C比)呈正相關(guān)。

相同培養(yǎng)時間柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2 各時期不同處理土壤pH的變化

2.4 對土壤有效態(tài)鎘含量的影響

不同處理對土壤有效態(tài)鎘含量的影響見圖3。結(jié)果表明，經(jīng)過35 d的培養(yǎng)，蒲公英、白花蛇舌草和水稻秸稈處理土壤中有效態(tài)鎘含量分別為0.19、0.29和0.26 mg·kg-1，與空白對照相比，蒲公英和水稻秸稈處理分別使土壤有效態(tài)鎘含量降低29.6%和3.7%，而白花蛇舌草處理則導(dǎo)致土壤有效態(tài)鎘含量增加7.4%。與其他處理相比，蒲公英處理可以明顯降低土壤中有效態(tài)鎘含量，這可能與蒲公英處理能夠顯著改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、提高土壤微生物活性和土壤pH緊密相關(guān)。土壤pH能夠在一定程度上影響土壤有效態(tài)鎘含量，土壤pH升高，會使H+的競爭能力變?nèi)?，土壤膠體電荷增加，從而使重金屬更牢固地與膠體結(jié)合，形成難溶性的氫氧化物、磷酸鹽、碳酸鹽等，大大降低鎘的生物有效性，減少植物對鎘的吸收和積累[20]。蒲公英和白花蛇舌草處理土壤有效態(tài)鎘含量呈現(xiàn)先急劇增加、再降低的趨勢，則可能與秸稈腐解過程中植株所含鎘的活化有關(guān)；與空白對照相比，水稻秸稈處理土壤中有效態(tài)鎘含量呈現(xiàn)降低、增加、再降低的趨勢。

圖3 各時期不同處理土壤有效態(tài)鎘含量的變化

3 小結(jié)與討論

土壤重金屬鎘污染嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，降低土壤中有效態(tài)鎘含量是實(shí)現(xiàn)受污染耕地安全利用、保障食品安全的重要途徑。土壤中有效態(tài)鎘含量很大程度上取決于鎘的溶解度，而鎘的溶解度決定了鎘的積累、毒性、環(huán)境中以及生物內(nèi)部和生物之間的遷移。作物秸稈還田作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，不僅可以提高土壤肥力、改善土壤理化性質(zhì)、改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性，同時也影響著土壤中有效態(tài)鎘的含量。Zhu等[21]研究表明，作物秸稈及其降解產(chǎn)物(糖類、醇類、低分子量有機(jī)酸、酚醛)可適當(dāng)改變土壤的酸堿性和有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而影響鎘的生物有效性。因此，明確不同物料還田對土壤作物有效態(tài)鎘含量的影響具有重要意義。本研究結(jié)果表明，物料還田對土壤有效態(tài)鎘含量的影響呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，物料還田可以在一定程度上降低土壤中有效態(tài)鎘含量。施用秸稈等有機(jī)物可以原位鈍化土壤中有效態(tài)鎘，主要與秸稈還田后在土壤中的轉(zhuǎn)化過程有關(guān)，腐殖化過程會增加對土壤重金屬的吸附，降低重金屬的有效性，該結(jié)果與已有研究結(jié)果一致[22-23]。物料還田前期增加土壤中有效態(tài)鎘含量可能由以下原因引起：對于無污染的物料而言，是由物料分解時釋放的有機(jī)酸和水溶性有機(jī)碳對土壤中鎘的活化作用所致；對于鎘污染物料而言，一方面受物料分解時釋放的有機(jī)酸和水溶性有機(jī)碳活化土壤中鎘的影響，另一方面，還田物料礦化過程中物料分解后其所含的鎘也會釋放到土壤中，進(jìn)而導(dǎo)致土壤有效態(tài)鎘含量的增加。鑒于水稻秸稈和白花蛇舌草處理在降低土壤有效態(tài)鎘含量方面的作用效果較低，考慮到鎘污染耕地生產(chǎn)的水稻秸稈和白花蛇舌草還田腐解過程中具有增加土壤有效態(tài)鎘含量的風(fēng)險，因此，對于該類作物秸稈應(yīng)進(jìn)行移除并無害化處理。

中草藥在調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性、提升土壤質(zhì)量方面已有較廣泛的應(yīng)用。王振學(xué)等[24]利用中藥柏樹殼、青蒿、澤漆和蒲公英發(fā)明了一種中藥型土壤微生物重茬劑，施入土壤后在殺滅致病菌的同時對土壤中有益菌具有保護(hù)和增效作用，且不會破壞土壤結(jié)構(gòu)。白明生等[25]在鹽堿地施用中藥廢渣后能顯著降低土壤全鹽含量及pH、全面提高土壤養(yǎng)分含量、增加土壤微生物數(shù)量和酶活性。在本研究中，添加蒲公英顯著影響和改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性、土壤pH，降低了土壤有效態(tài)鎘含量。蒲公英添加降低土壤有效態(tài)鎘含量可能與蒲公英獨(dú)特的化學(xué)成分，以及其對土壤微生物、土壤pH等影響的綜合因素有關(guān)。土壤有效態(tài)鎘含量與土壤pH呈緊密的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤微生物對鎘溶解性的影響對調(diào)節(jié)鎘毒性至關(guān)重要[26]。相關(guān)研究結(jié)果從一定層面上揭示蒲公英還田降低土壤有效態(tài)鎘含量的作用途徑，但蒲公英還田降低有效態(tài)鎘含量的具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步明確?；谄压⑻砑犹幚韺ν寥烙行B(tài)鎘含量降低的良好效果，可以利用南方稻田冬季閑田制度，適時播種蒲公英并進(jìn)行全草還田，開展蒲公英還田對土壤有效態(tài)鎘含量的相關(guān)研究。本研究為鎘污染稻田安全利用提供了一種新的可能途徑。