關(guān)鍵詞 鎘； 生物有機(jī)肥； 白腐菌； 土壤鎘形態(tài)； 鎘污染土壤； 土壤重金屬污染修復(fù)； 玉米

土壤是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量關(guān)系人類生存和健康，隨著我國工業(yè)化規(guī)模擴(kuò)大，產(chǎn)生了大量重金屬污染物［1］。據(jù)估計(jì)，我國耕地重金屬污染面積達(dá)20 萬 hm2 ［2］，國家環(huán)境保護(hù)部和國土資源部對(duì)我國24 個(gè)省市548 hm2農(nóng)田土壤污染調(diào)研表明，我國土壤重金屬（汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅和鎳）污染占全國超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%［3］，在所有的重金屬污染中，以土壤鎘（Cd）污染最嚴(yán)重，點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%［4-5］。鎘元素移動(dòng)性強(qiáng)、具有較高的生物毒性，其污染持久且易在土壤中積累而被植物吸收［6］。耕地土壤受到Cd 污染后，會(huì)在農(nóng)作物體內(nèi)富集，達(dá)到一定濃度后，造成作物發(fā)育延遲、呼吸與光合作用受到抑制、酶活性減弱，造成作物品質(zhì)下降，并通過食物鏈影響人類健康［7-8］。

針對(duì)重金屬污染修復(fù)問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。目前修復(fù)重金屬污染土壤通常采用化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)等方法，但這些技術(shù)具有成本高、耗時(shí)長等缺點(diǎn)，因此，難以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上推廣。而生物修復(fù)具有對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響小、成本低且無二次污染風(fēng)險(xiǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在鎘污染土壤治理方面展現(xiàn)出巨大潛力。

生物有機(jī)肥是以特定功能微生物及動(dòng)植物殘?bào)w為原材料，兼具微生物肥料和有機(jī)肥效應(yīng)的多功能肥料［9］，具有提高土壤肥力、改善土壤微生物結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物生產(chǎn)，降低重金屬污染等功能［10-11］。前人研究表明，生物有機(jī)肥可明顯改善土壤微生物結(jié)構(gòu)，提高微生物活性，同時(shí)促進(jìn)高毒性金屬轉(zhuǎn)化為低毒性狀態(tài)。顯著降低水稻籽粒重金屬Cd 含量，提高水稻產(chǎn)量［12-13］。

白腐菌作為一種高效吸附重金屬的絲狀真菌，在污染治理領(lǐng)域的研究主要集中在污水中的有機(jī)物和重金屬以及土壤中的有機(jī)物修復(fù)上，而針對(duì)土壤重金屬修復(fù)的研究尚顯不足［14-16］。因此本研究采用接種白腐菌的生物有機(jī)肥進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，旨在探究該型生物有機(jī)肥治理鎘污染土壤的可行性及其對(duì)土壤重金屬修復(fù)的效果，為接種白腐菌的生物有機(jī)肥應(yīng)用于環(huán)境污染的有效治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試鎘污染土壤樣品2 種，均采自河南省淅川縣，土壤類型為黃棕壤，風(fēng)干后過2 mm 篩，基本理化性狀見表1。供試作物為中農(nóng)甜488 玉米品種。供試生物有機(jī)肥由河南淅川縣物華生物科技有限公司提供（白腐菌1.47×108 CFU/g）；供試三元復(fù)合肥（NP-K：26-10-15）、商品有機(jī)肥采購自湖北莊園肥業(yè)股份有限公司（N-P2O5-K2O：18-8-6）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2022 年7-11 月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室大棚進(jìn)行。每盆分裝7.5 kg 土壤，種植1 株玉米。2 種鎘污染土壤分別設(shè)置6 個(gè)處理：CK 處理（不施用任何物料）、NPK 處理（常規(guī)施NPK 肥，每盆施用2.9 g 三元復(fù)合）、NPK+0.5% OF 處理（常規(guī)施肥+0.5% 商品有機(jī)肥）、NPK+1% OF 處理（NPK+1% 商品有機(jī)肥）、NPK+0.5% BF 處理（NPK+0.5% 生物有機(jī)肥）和NPK+1% BF 處理（NPK+1% 生物有機(jī)肥）。所有肥料做基肥與土壤充分混勻，每處理重復(fù)4 次，完全隨機(jī)區(qū)組排列 。按照優(yōu)質(zhì)玉米生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行管理。

1.3 檢測指標(biāo)及取樣方法

于玉米成熟后采集整株植物樣及根際土壤，每株玉米用自來水和純水清洗，分別采集分裝根、莖、葉、籽粒，于105 ℃殺青30 min 后，在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后過0.150 mm 篩備用；去除玉米植株根系大塊土壤后，收集根系表面2 mm 的根際土壤，裝入50 mL 離心管，風(fēng)干后分別過0.850 和0.150 mm 篩備用。

土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解N、速效P、速效K 含量參照文獻(xiàn)［18］的方法進(jìn)行測定。采用微波消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定玉米植株樣品各部位的鎘含量。土壤有效鎘采用DTPACaCl2-TEA 浸提法提?。?8］；土壤總鎘含量按GB/T17141-1997《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測定》中石墨爐原子吸收分光光度法微波消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定；土壤鎘形態(tài)分級(jí)采用BCR 連續(xù)提取法［19］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)處理的測定結(jié)果采用Excel 進(jìn)行整理，SPSS 軟件進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析，采用Origin 繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)鎘污染土壤有效態(tài)Cd 的影響

有機(jī)物料主要通過增加土壤有機(jī)質(zhì)含量以及影響土壤pH 的方式抑制土壤有效Cd。由表2 可知，相較于CK 處理，施用商品有機(jī)肥處理pH 值均有所下降，土壤Ⅰ、Ⅱ的pH 值分別下降了0.41～0.49、0.32～0.61 個(gè)單位，這可能是由于商品有機(jī)肥由秸稈腐熟，C/N 值較高，在土壤中分解速度較慢，釋放更多有機(jī)酸，造成土壤pH 值降低；而施用生物有機(jī)肥的土壤pH 值有所升高。

由圖1 可見，與CK、NPK 處理相比，施用有機(jī)肥和生物有機(jī)肥后土壤有效態(tài)Cd 含量顯著下降，不同施肥處理抑制效果差異明顯，其中添加生物有機(jī)肥效果最好，其次是商品有機(jī)肥；不同用量處理對(duì)土壤有效Cd 影響也不同，生物有機(jī)肥用量由0.5% 增加至1%，2 類土壤有效態(tài)Cd 降幅分別由21.60% 增加至31.57%、8.81% 增加至18.58%；商品有機(jī)肥用量由0.5% 增加至1%，2 類土壤有效態(tài)Cd 降幅分別由12.61% 增加至14.74%、7.67% 增加至12.37%。因此，生物有機(jī)肥對(duì)土壤有效Cd 抑制效果好于商品有機(jī)肥。

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤Cd 形態(tài)的影響

采用BCR 連續(xù)提取法測定了土壤中鎘形態(tài)，并將弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)歸為生物有效性鎘，而將殘?jiān)鼞B(tài)鎘歸為非生物有效性組分。如圖2 所示，土壤Ⅰ施用有機(jī)物料后，弱酸提取態(tài)Cd 占比下降，可還原態(tài)及可氧化態(tài)Cd 比例無明顯變化，殘?jiān)鼞B(tài)Cd 占比增加。相比于CK 處理，施用有機(jī)物料處理間的弱酸提取態(tài)Cd 含量無明顯差異，下降8～11百分點(diǎn)；NPK+1.0% BF 處理殘?jiān)鼞B(tài)Cd 比例變化最明顯，上升15 百分點(diǎn)；NPK+0.5% OF、NPK+1.0% OF、NPK+0.5% BF 處理之間無明顯差異，殘?jiān)鼞B(tài)Cd 比例上升9～11 百分點(diǎn)。而土壤Ⅱ中CK 處理弱酸提取態(tài)Cd 比例僅為5%，殘?jiān)鼞B(tài)Cd 占比約85%，土壤Ⅱ相比土壤Ⅰ的Cd 污染程度較低。綜上，施用有機(jī)物料促進(jìn)土壤中Cd 由生物有效性向非生物有效性轉(zhuǎn)化。相比商品有機(jī)肥，施用生物有機(jī)肥轉(zhuǎn)化效率更高，對(duì)減輕玉米生長發(fā)育過程中的Cd脅迫更有效。

2.3 不同處理對(duì)玉米鎘吸收的影響

圖3 為不同施肥處理對(duì)Cd 污染土壤上玉米籽粒及根系Cd 含量的分布。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，CK 處理玉米生長不佳，導(dǎo)致玉米根系、籽粒含量均低于NPK 處理，因此，本研究將NPK 處理作為玉米鎘吸收的對(duì)照。由圖3 可見，NPK 處理下Cd 含量最高，施用有機(jī)物料后，不同程度抑制了玉米根、籽粒對(duì)Cd 的吸收。與NPK 處理相比，施用有機(jī)物料后土壤Ⅰ玉米根系、籽粒中Cd 含量降低，幅度分別為22.95%～34.41%、14.77%～31.59%。施用有機(jī)物料各處理間差異顯著，其中以NPK+1.0% BF 處理玉米根系、籽粒Cd 含量最低，分別為1.41、0.47 mg/kg，與NPK 處理相比降低34.41%、31.59%；對(duì)土壤Ⅱ來說，土壤中殘?jiān)鼞B(tài)Cd 含量占比約80%，因此，施用無機(jī)物料后，玉米根系Cd 含量無明顯差異，但施用有機(jī)物料各處理玉米籽粒鎘含量均顯著降低，其中以NPK+1.0%BF 處理籽粒Cd 含量最低，降幅21.49%。本試驗(yàn)結(jié)果表明，接種白腐菌的生物有機(jī)肥，對(duì)抑制鎘污染土壤玉米體內(nèi)Cd 含量的效果要優(yōu)于普通的商品有機(jī)肥。

3 討論

施用有機(jī)物料對(duì)鎘污染土壤的改良途徑可能有3 個(gè)方面，一是施用有機(jī)物料后，其增加的土壤有機(jī)質(zhì)具有較大的比表面積，表面附著大量活性基團(tuán)，對(duì)土壤中鎘離子有較強(qiáng)的吸附作用［20］；二是有機(jī)質(zhì)降解形成的腐殖酸，作為配位體與鎘離子發(fā)生絡(luò)合，降低鎘離子的生物活性，減輕鎘對(duì)作物的毒害［21］。三是有機(jī)質(zhì)影響土壤pH 值，而土壤pH 值的變化會(huì)影響土壤中Cd 的遷移、化學(xué)形態(tài)及毒性，提高土壤pH 可降低土壤有效態(tài)Cd 含量，增加殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量，減少土壤鎘的遷移［22］。普遍認(rèn)為重金屬的生物毒性與其形態(tài)有關(guān)，而植物對(duì)不同化學(xué)形態(tài)Cd 吸收效率不同，水溶態(tài)鎘因其高溶解度和易于被植物吸收的特性，表現(xiàn)出最大的毒性；殘?jiān)鼞B(tài)Cd 因不利于植物吸收，生物毒性相對(duì)較低。而有機(jī)肥能直接或間接影響土壤重金屬的化學(xué)行為，有機(jī)質(zhì)可與Cd 發(fā)生螯合，阻礙植物吸收，使Cd 生物活性降低。

白腐菌是一類對(duì)重金屬具有優(yōu)異吸附能力的絲狀真菌［23-24］，主要依賴其細(xì)胞壁上的氨基、羧基和羰基等官能團(tuán)，對(duì)重金屬進(jìn)行吸附和絡(luò)合，并能夠吸收、積累重金屬至細(xì)胞內(nèi)，從而達(dá)到去除鎘的效果［15］。白腐菌還可通過胞外聚合物（EPS）中的多糖黏附鎘離子沉淀，達(dá)到去除鎘的效果。

本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)物料均顯著降低了土壤中有效態(tài)鎘含量，促進(jìn)土壤弱酸提取態(tài)鎘向殘?jiān)鼞B(tài)鎘轉(zhuǎn)化，降低鎘危害。接種白腐菌的有機(jī)肥，相比市面上商品有機(jī)肥，顯著降低了土壤中有效Cd、弱酸提取態(tài)Cd 含量，提高了殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量，且明顯降低玉米籽粒中鎘含量。此外，土壤Ⅰ施用商品有機(jī)肥后土壤pH 值顯著降低，這可能導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)-重金屬絡(luò)合物的穩(wěn)定性降低，造成生物有效性鎘的含量提高，不利于土壤中鎘離子鈍化。

綜上，在鎘污染土壤中施用生物有機(jī)肥，可顯著降低土壤有效態(tài)鎘含量，促進(jìn)土壤弱酸提取態(tài)鎘向殘?jiān)鼞B(tài)鎘轉(zhuǎn)化，降低鎘危害；玉米根系及籽粒鎘含量均顯著下降，綜合治理效果表現(xiàn)為生物有機(jī)肥優(yōu)于商品有機(jī)肥。