发酵鸡粪和有机磷肥对土壤中Pb、Cd污染的影响*

周影茹 刘 思 马陶武 屈 毅

(1.吉首大学生物资源与环境科学学院，湖南 湘西 416000；2.吉首市环境监测站，湖南 湘西 416000)

土壤重金属污染已经成为威胁我国土壤质量和农产品安全的重要问题。土壤重金属污染往往具有隐蔽性、累积性和不可逆性等特点[1]，而且存在多种重金属复合污染的问题[2]。Pb和Cd易在土壤中积累，Pb、Cd复合污染土壤是土壤污染领域的研究热点[3]。

有研究表明，有机肥能降低土壤中的可交换态Pb[4]；含磷物质能有效地控制土壤中Pb、Cd等重金属的转移[5]。发酵鸡粪和有机磷肥是湘西地区农业生产中常用的有机肥，研究发酵鸡粪和有机磷肥对Pb、Cd复合污染土壤中Pb和Cd的影响，对于指导重金属背景值偏高的湘西地区农业生产具有现实意义[6]25。

因此，本研究探究了发酵鸡粪和有机磷肥对不同程度Pb、Cd复合污染土壤中Pb和Cd的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为一年生黑麦草(LoliumperenneL.)，是湘西地区一种常见且高产的牧草，能够耐受重金属污染[7]2115。供试土壤为取自吉首市马颈坳镇某农业菜地0～20 cm的表层土，过2 mm筛后风干备用。供试土壤总Cd(0.42 mg/kg)超过了《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中的其他地风险筛选值(0.3 mg/kg)，这是因为湘西地区土壤重金属背景值较高，与湘西地区丰富的矿产资源及多年来的采矿活动有关[6]24。

1.2 实验设计

用Cd(CH3COO)2·2H2O(分析纯)和Pb(CH3COO)2·3H2O(分析纯)配制不同总Pb、总Cd浓度的溶液用于制备3个水平的模拟污染土壤：供试土壤不加任何处理(GS)，供试土壤中总Pb、总Cd加入质量浓度分别为200、2 mg/kg(L)、供试土壤中总Pb、总Cd加入质量浓度分别为400、4 mg/kg(H)，分别模拟不同程度Pb、Cd复合污染的土壤。

处理后的土壤老化30 d，分装入塑料花盆，每个水平的模拟污染土壤中设3个处理：不加任何有机肥作为对照(CK)、加发酵鸡粪(CM)、加有机磷肥(PF)，发酵鸡粪和有机磷肥的添加量均为30 g/kg，共计9个处理，每个处理做3个重复。

每个处理在土壤深度1～2 cm处播种黑麦草种子20粒，待种子萌发后每盆保留长势相近的幼苗15株，在温度28 ℃、相对湿度70%的条件下培养。

70 d后，收获黑麦草，叶部与根部分开，清洗干净后，吸干表面游离水，称鲜重。然后105 ℃下杀青30 min，再80 ℃下烘干至恒重，粉碎后装于塑料封口袋中保存，用于测定植物总Pb和总Cd。采集两份土样，一份4 ℃保存用于土壤酶活性测定；一份风干后过100目尼龙筛，用于pH、有机质、乙三胺五醋酸(DTPA)提取态Pb(DTPA-Pb)和DTPA提取态Cd(DTPA-Cd)测定。

1.3 指标测定

土壤pH按土∶水=1 g∶2.5 mL采用pH计(梅特勒-托利多FE20K Plus)测定；土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化/容量法测定[8]107-108。

土壤DTPA-Pb、DTPA-Cd的测定：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的振荡速度下浸提2 h，过滤后取上清液用原子吸收光谱仪(岛津AA6300C)测定[9]。该方法测得的重金属形态包括溶解态、可交换态、吸附态、有机结合态和部分氧化态。

土壤脱氢酶活性用1 g土壤在1 h内生成的三苯基四氮唑氯化物质量表征，脲酶活性用1 g土壤在2 h内生成的氨氮质量表征，碱性磷酸酶活性用1 g土壤在1 h内生成的对硝基苯酚质量表征，测定方法参考文献[10]。土壤蔗糖酶活性用1 g土壤在24 h内生成的葡萄糖质量表征，测定方法参考文献[11]。

植物鲜重采用电子天平(奥豪斯EX4202)称量。植物总Pb、总Cd含量的测定：植物经HNO3-HClO4消解[8]334，消解液采用原子吸收光谱仪测定。

2 结果与讨论

2.1 发酵鸡粪和有机磷肥对土壤重金属有效性的影响

由表1可见，在不同程度Pb、Cd复合污染的土壤中，与CK相比，CM和PF均可以提高土壤pH。原始供试土壤pH为4.50，原始发酵鸡粪和原始有机磷肥的pH分别为6.93、7.37，均高于供试土壤，可用于调节供试土壤酸碱性。土壤pH对土壤重金属钝化有重要影响，改良酸性土壤能增强对重金属的钝化，降低其有效性[12]。

在不同程度Pb、Cd复合污染的土壤中，与CK相比，CM和PF能在一定程度上提高土壤有机质含量。

随着Pb、Cd污染程度的加大，土壤中DTPA-Pb、 DTPA-Cd含量逐渐增大。对于GS土壤，CM和PF不能降低DTPA-Pb和DTPA-Cd含量，与CK相比，CM使DTPA-Cd含量显著增加，而PF使DTPA-Pb含量显著增加，这可能是由于发酵鸡粪和有机磷肥本身分别含有一定量的DTPA-Cd和DTPA-Pb。对于L土壤，与CK相比，PF使DTPA-Pb、DTPA-Cd质量浓度分别降低9.15%、26.67%，说明有机磷肥能够在低污染水平下钝化土壤中的Pb和Cd。但是对于H土壤，与CK相比，PF仅能降低DTPA-Pb的含量，而DTPA-Cd的含量反而增加，这是因为可交换态的Cd2+、Pb2+均带正电荷，会竞争阳离子结合点位，Pb2+的水合半径小于Cd2+，电负性强于Cd2+，解离常数又低于Cd2+，因此Pb2+更易于与有机磷肥发生吸附或络合作用[13-14]，当有机磷肥添加量有限时，首先对Pb2+进行钝化，导致对Cd2+的钝化能力不足。然而，在不同程度Pb、Cd复合污染的土壤中，与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虽能显著提高土壤有机质，但不能钝化土壤DTPA-Pb和DTPA-Cd。PF有助于钝化DTPA-Pb、DTPA-Cd，同时对有机质的影响不大，但是对于污染水平相对较高的土壤钝化效果有限，且优先钝化DTPA-Pb。有研究表明，有机磷肥含有大量的重金属结合位点[15]，并可与重金属形成难溶性磷酸盐沉淀[16]，从而能够将土壤中重金属钝化，降低其有效性。FANG等[17]利用3种不同的磷添加剂(磷灰石矿尾料、重过磷酸钙磷肥及两者混合物)修复Pb、Cu、Zn复合污染土壤发现，它们均能显著的降低CaCl2提取态Pb。

2.2 发酵鸡粪和有机磷肥对黑麦草生长及重金属累积的影响

由表2可见，在不同程度Pb、Cd复合污染的土壤中，与CK相比，CM和PF能显著提高黑麦草的鲜重，这可能与这两个处理能提高土壤营养元素有关。

黑麦草根部、叶部重金属含量总体表现为根部>叶部，这也是黑麦草耐受重金属胁迫，常被用作重金属污染土壤修复的重要原因[6]46,[7]2117,[18]。对于GS土壤，与CK相比，CM和PF均提高了黑麦草叶部和根部的总Pb、总Cd含量。但对于L和H土壤，与CK相比，CM和PF基本均显著降低了黑麦草叶部和根部的总Pb、总Cd含量。与土壤中DTPA-Pb、DTPA-Cd不同的是，CM使得黑麦草体内重金属含量总体低于PF，这可能与有机肥不同引起的土壤酶活性差异有关，导致植物吸收差异。因此，虽然PF能更有效的钝化土壤DTPA-Pb、DTPA-Cd，但对于黑麦草种植来说CM更合适。

表1 发酵鸡粪和有机磷肥对土壤的影响1)

注：1)字母不同表示处理之间差异显著(p<0.05)。下同。

表2 发酵鸡粪和有机磷肥对黑麦草的影响

图1 发酵鸡粪和有机磷肥对土壤酶活性的影响Fig.1 Effects of fermented chicken manure and organic phosphate fertilizer on soil enzymes activities

2.3 发酵鸡粪和有机磷肥对土壤酶活性的影响

土壤酶参与土壤系统中多种重要代谢过程，是土壤肥力稳定的重要因素，其活性对多种重金属污染敏感[19]，是评价土壤健康状况的重要指标。

碱性磷酸酶与土壤中有机磷的矿化有关，参与土壤磷循环。由图1(a)可以看出，在不同程度Pb、Cd复合污染的土壤中，与CK相比，CM均显著增加了土壤碱性磷酸酶活性，而PF无显著差异。

脱氢酶能促进土壤中有机物的脱氢反应，通常被用来评价土壤微生物代谢活动。从图1(b)来看，在不同程度Pb、Cd复合污染的土壤中，与CK相比，CM和PF总体上均能提高土壤脱氢酶活性。

脲酶能促进土壤中尿素分解，与土壤中氮素转化有重要关系。从图1(c)来看，随着Pb、Cd污染程度的加大，与其他酶不同，CK中脲酶活性逐渐升高，表现出一定的刺激效应，这可能与植物的根际效应有关[20]。不同程度Pb、Cd复合污染土壤中施用CM和PF均能显著性增加土壤脲酶活性。

蔗糖酶参与土壤碳循环，促进土壤有机碳的分解和转化。分析图1(d)，土壤蔗糖酶活性受有机肥的添加和土壤污染程度影响不显著，规律不明显。

总体而言，有机肥对土壤酶活性有促进作用，特别是发酵鸡粪。

3 结 论

(1) 发酵鸡粪和有机磷肥均能显著提高土壤pH，改善酸性土壤，还能在一定程度上提高土壤有机质含量。PF对于总Pb、总Cd加入质量浓度分别为200、2 mg/kg的土壤，能有效钝化DTPA-Pb、DTPA-Cd，但对于总Pb、总Cd加入质量浓度分别为400、4 mg/kg的土壤钝化效果有限，优先钝化DTPA-Pb。而CM不能有效钝化土壤DTPA-Pb和DTPA-Cd。

(2) 发酵鸡粪和有机磷肥均能显著提高黑麦草鲜重。虽然PF能更有效地钝化土壤DTPA-Pb、DTPA-Cd，但CM能更有效地降低黑麦草对Pb和Cd的积累，使其主要积累在根部。

(3) 发酵鸡粪对土壤碱性磷酸酶、脱氢酶和脲酶活性有显著的促进作用。因此，对于湘西地区种植牧草黑麦草而言，施用发酵鸡粪比较合适，能有效改善酸性土壤，提高黑麦草鲜重，提高土壤酶的活性，降低黑麦草对Pb和Cd的积累。