石灰对铅污染土壤修复效果评价

杜瑞英, 王艳红, 唐明灯, 李盟军, 艾绍英

广东省农业科学院农业资源与环境研究所, 农业部南方植物营养与肥料重点实验室; 农业部农产品质量安全风险评估实验室(广州), 广州 510640

石灰对铅污染土壤修复效果评价

杜瑞英, 王艳红, 唐明灯, 李盟军, 艾绍英*

广东省农业科学院农业资源与环境研究所, 农业部南方植物营养与肥料重点实验室; 农业部农产品质量安全风险评估实验室(广州), 广州 510640

为了研究铅污染菜地土壤施用石灰对小白菜-土壤生态系统的影响及持续效果，探讨石灰修复铅污染菜地土壤的可行性，采集铅污染菜地土壤开展连续盆栽试验，设置5个石灰用量处理(0、1.5 g/kg、3.0 g/kg、4.5 g/kg、6.0 g/kg)。石灰施入土壤中平衡2周后移栽小白菜，连续种植3茬。同时采集小白菜样本和土壤样本，测定土壤pH、土壤Pb有效态含量和微生物活性等指标，并分别测定小白菜地上和地下部的生物量和铅含量。结果显示：石灰对降低土壤铅有效态和小白菜中铅含量的持效性较差，但施用石灰可增加土壤中的微生物活性，特别是种植小白菜后对增加土壤中微生物活性效果更明显，研究发现对羧酸类和胺类等碳源利用能力强的微生物可增加土壤中铅有效态的含量，对聚合物类、糖类、氨基酸类和其他类碳源利用能力强的微生物可以降低小白菜中的铅含量。研究结果为石灰修复重金属污染土壤的使用提供了更合理的理论支撑。

石灰；铅污染；菜地土壤；修复效果

在社会经济快速发展的过程中,由于对自然资源的合理利用以及生态环境的保护重视不足，工农业废弃物的不合理排放已对耕地土壤和灌溉水造成了严重的不良影响，农田生态环境污染日趋严重，土壤质量下降日益明显，对农产品安全生产和供应构成了重大威胁。由此引发的健康危害事件呈逐年上升态势，科学而有效地修复重金属污染的土壤，成为迫切需要解决的现实环境问题[1]。

土壤中的铅属于持久性污染物，能够通过吸收作用在作物可食部位大量积累，最终通过食物链危及动物和人类的健康[2,3]。目前，土壤重金属修复技术主要通过物理、化学、生物修复方法等来改善土壤，降低土壤中重金属的有效态含量[4]。如石灰等碱性物质主要通过改变土壤pH影响重金属在土壤中的有效态含量，添加石灰可以降低土壤中铅的植物吸收量的91%[5]；有机肥的吸附机理主要是通过腐植酸与重金属离子形成螯合物，促进重金属离子吸附到土壤中[6]。目前关于修复技术的研究往往只根据土壤中重金属有效态含量、植物生物量和重金属含量等指标来判断修复效果，而忽略了对土壤健康质量的影响，这对于生态系统的恢复是不全面的，而且改良剂的不合理选择和施用还可能给土壤带来“二次污染”。

珠江三角洲地区凭借丰富的水热条件和物质资料的大量投入等措施，高度强化了土地产出，已成为我国环境污染比较严重的地区之一，近郊的农田土壤铅、镉等重金属污染问题比较突出[7,8]，这不仅影响了作物的产量和质量，而且威胁到人类的健康。因此本研究以珠江三角洲铅污染农田土壤为对象，系统地研究了不同用量的石灰对土壤、植物和微生物的影响，以及石灰的持效性，对石灰的使用提供了更合理的科学依据，也为重金属污染土壤生态修复领域的发展提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

盆栽试验土壤取自广州市近郊，以沉积物发育而来的普通肥熟旱耕土为主，取0～20 cm风干，过1 cm筛备用。土壤的部分性状如下:pH 5.80，有机质23.4 g/kg，碱解氮119 mg/kg，有效磷135 mg/kg，速效钾362 mg/kg，全Pb含量82 mg/kg。超过GB15618-2008中土壤二级质量标准菜地土壤Pb全量50 mg/kg的限量值。设置4个改良剂梯度石灰用量：0、1.5 g/kg(石灰/土)、3.0 g/kg、4.5 g/kg、6.0 g/kg，每盆用5 kg土，重复3次。石灰施入土壤中平衡2周后移栽蔬菜，6月20日移栽第1茬，收获后15 d内移栽下一茬蔬菜，连续种植3茬，到12月21日收获第3茬。

1.2 土壤与植物金属含量测定

采集小白菜样本同时采集土壤样本，自然风干，过1 mm尼龙筛，用1 mol/L的中性盐乙酸铵(分析纯)溶液浸提土壤，过滤液待测。采集生菜地上部和根，自来水冲洗干净，去离子水泡洗2次，擦干表面水分，记录鲜重后用塑料打浆机匀浆制成鲜样，称取10.00 g于三角瓶中，加入10.0 mL混酸(体积比HNO3∶HClO4=9∶1，优质纯试剂)，消煮、定容到25 mL，消解液待测。用石墨炉原子吸收分光光度计(Hitachi Z-2000)测定溶液中的Pb含量。

1.3 微生物功能参数分析

微生物代谢功能多样性研究采用美国BioLog公司生产的96孔ECO微平板进行分析。ECO微平板上被划分为3个区，每个区32个孔。每个区除了1个孔不含碳源(空白)以外，其余31个孔分别含有31种不同的碳源。将ECO板每个区中的31种碳源按化学组成划分为6类化合物[9]：糖类(carbohydrates)、羧酸(carboxylic acids)、聚合物(polymers)、氨基酸(amino acids)、胺类 (amines) 和其他(miscellaneous)，将72 h的各孔吸光值进行标准化，根据每一类化合物所包括碳源的AWCD(average well color development，AWCD)值分别计算它们的总AWCD值。

1.4 数据分析

采用SPSS 16.0和SAS 8.1统计软件对所测定的数据进行单因素方差分析，对6类碳源利用和土壤重金属有效态、植物重金属含量进行相关性分析，相关程度用Pearson相关系数表示，相关显著性用双尾检验测定。

2 结果与分析

2.1 石灰不同用量对土壤pH的影响及其持效性

由表1可知，施用石灰后，土壤pH随石灰施用量的增加而显著升高(P<0.05)，石灰处理的土壤pH快速升高0.65～1.06。但随着种植茬数的增加，土壤pH整体呈降低趋势，石灰处理的土壤第1茬收获后pH迅速降低0.72～0.89，但处理值仍显著高于对照。连续种植第3茬，所有处理的土壤pH整体呈降低趋势，但石灰处理的土壤pH降低幅度小于对照处理。施用石灰处理与对照比较对土壤有机质含量没有显著影响(P<0.05)。这可能与石灰的成分和性质有关。

表1 施用不同量石灰后3茬盆栽土壤的pH

注：表中数据为平均值±标准误;同列数据后的不同字母表示在P<0.05水平上显差异著。

2.2 石灰不同用量对土壤铅有效态含量的影响

由表2可知，铅污染土壤添加石灰后，土壤中Pb有效态含量随着石灰施用量的增加而降低。但在连茬种植小白菜后，石灰处理的土壤Pb有效态含量与对照处理间无显著差异(P<0.05)，且含量呈持续增加趋势。在种植第1茬时，各处理土壤中的有效态Pb含量增加与对照间无显著性差异，到种植第2茬、第3茬时各处理土壤中的有效态Pb含量高于对照处理。第3茬与种植前相比，CK与L1～L4土壤中的有效态Pb含量分别增加了14.9%、40.9%、57.5%、121.6%和74.3%。这表明石灰对土壤中铅有效态影响的持效性较差，而且随着时间的延长，效果逐渐消失。

表2 石灰对土壤中铅有效态含量的影响(mg/kg)

注：表中数据为平均值±标准误;同列数据后的不同字母表示在P<0.05水平显差异著。

2.3 石灰不同用量对小白菜鲜重和Pb含量的影响

由表3可知，施用石灰后，第1茬小白菜的生物量与对照相比都有增加，但只有L1处理的生物量显著高于对照处理，不同石灰处理间无显著性差异；处理的小白菜中Pb含量均未检出，低于对照处理。到第2茬时石灰处理的小白菜生物量显著高于对照处理；但到第3茬时各处理间小白菜生物量差异不显著(P>0.05)。从第2茬开始小白菜中Pb含量呈增加趋势，这也与土壤中Pb有效态增加的趋势一致，但小白菜中Pb含量都低于蔬菜中重金属食品卫生标准限值。第3茬小白菜中铅含量全部超过国家限量标准[10]，而且处理间差异也不显著。结果表明石灰的作用随种植茬数的增多逐渐消弱，到第3茬种植时消失。

2.4 石灰对土壤微生物平均吸光值AWCD的影响

BIOLOG盘中每孔的平均吸光值(AWCD)是反映土壤微生物群落生理功能多样性的一个重要指标，对土壤环境胁迫的反应比较敏感[11]。图1中AWCD值可反映土壤微生物对BIOLOG平板中单一碳源的总体利用能力。加改良剂15 d后，AWCD值表现为：L1>L4>L3>L2>CK，说明L1处理微生物的代谢活性高于其他处理。第1茬蔬菜收获后，AWCD值明显升高，但不同石灰浓度处理间的值比较接近，L2处理AWCD值处于较高水平，而CK处理AWCD值偏低，说明此时L2处理的微生物代谢活性高于其他处理。第2茬蔬菜收获后，各处理的AWCD值继续升高，不同处理间AWCD值表现为：L3>L1>L4>CK>L2。第3茬蔬菜收获后，AWCD值与第2茬相比有所降低，不同处理间AWCD值表现为：L1>L2、L3、L4>CK。

表3 不同石灰用量对小白菜鲜重和Pb含量的影响

注:“N.d.”表示未检出；“—”表示无结果。同列数据后的不同字母表示在P<0.05水平显差异著。

图1 石灰对土壤微生物活性的影响

2.5 石灰对土壤微生物利用6类碳源能力的影响

研究土壤微生物对6类碳源利用能力的不同，可以深入了解群落功能的差异。BioLog ECO板上31种单一碳源分为六大类，不同处理对6类碳源利用结果见图2。施用石灰后，土壤微生物对6类碳源的利用能力逐渐增强，这与植物根系分泌物种类和数量增加有关；到第2茬收获时土壤微生物对各类碳源的利用能力整体达到最高水平，第3茬蔬菜收获后土壤微生物对各类碳源的利用能力整体降低，可能与pH降低造成土壤重金属有效态含量增加和连茬种植土壤微生物多样性减少有关。在种植蔬菜前，L1处理下微生物对糖类、氨基酸类和其他类碳源利用能力较强，L4处理对胺类碳源利用能力较强；种植蔬菜后，各处理对各类碳源的利用能力均高于对照处理，对胺类碳源的利用能力增强最为显著。

2.6 不同类碳源AWCD值与土壤、植株指标的相关性分析

对6类碳源与土壤中金属有效态含量和植物体内金属含量进行相关性分析，结果(表4)表明：6类碳源与土壤中铅有效态和植株鲜重呈正相关，其中羧酸类和胺类碳源与土壤中铅有效态含量呈显著性正相关，聚合物类碳源与植株鲜重呈显著性正相关(P<0.05)。对6类碳源的利用能力与植株地上部铅含量呈负相关关系，聚合物和糖类碳源对抑制小白菜吸收铅有显著效果(P<0.05)；氨基酸和其他类碳源与小白菜地上部铅含量的相关系数分别达到-0.662和-0.695，对抑制小白菜吸收铅的能力达到极显著水平(P<0.01)。

图2 石灰处理对土壤微生物利用碳源底物能力的影响

表4 不同类碳源AWCD值与土壤中有效态铅、植物鲜重和铅含量相关性分析

Table 4 Relationship between AWCD and Pb available content in the soil and plant and plant fresh weight.

碳源土壤有效态铅含量植株地上部鲜重植株地上部铅含量聚合物类0.4060.616*-0.584*糖类0.3180.263-0.612*羧酸类0.516*0.411-0.406胺类0.527*0.395-0.127氨基酸0.4100.378-0.662**其他类0.2770.430-0.695**

注：*表示两者相关性达显著水平(P<0.05)。**表示两者相关性达极显著水平(P<0.01)。

3 讨论

偏酸性Pb污染农田土壤中施用碱性改良剂，可降低土壤酸性和土壤中铅的有效态含量，减轻Pb对作物的伤害，促进作物生长，提高产量和生物量[12～14]。本研究的结果也表明，Pb污染菜地土壤增施石灰后显著提高了土壤pH，降低了土壤有效态Pb含量，而且在种植小白菜后对增加其地上部生物量和降低植株体内Pb含量也有显著效果，但随着种植茬数的增加，改良效果呈逐渐减弱趋势。这个与石灰的缓冲能力有关，对土壤酸碱性影响的持效性也较短。同时也由于高剂量处理中石灰的碱性导致在第1茬种植小白菜时对其根系造成了一定伤害，抑制了小白菜的生长，降低了小白菜的生物量，到第2、3茬时抑制作用减弱，生物量增加。但总体来看，石灰对降低小白菜中铅含量的持效性较差。石灰可以降低土壤铅有效态和小白菜中铅含量，但降低能力随种植茬数增加而降低，持效性较差，4.5 g/kg用量对增加蔬菜生物量和降低蔬菜中铅含量效果较好。

土壤微生物是土壤具有生命力的主要成分，任何改变土壤性质的措施都可能影响到微生物的生长发育，因此微生物也是评价土壤质量和健康状况的重要指标之一[15]。有研究表明[16,17]进入土壤中的重金属能够明显改变土壤微生物的结构和功能，这与土壤中重金属的有效性密切相关。改良剂的投入能沉淀重金属，或者提高土壤对重金属的吸附，从而降低有效态重金属含量[18～20]。本研究结果也表明，施用石灰后土壤微生物活性显著地高于对照土壤，种植小白菜后土壤微生物活性又有了显著的提高，说明石灰减缓了重金属对微生物的毒害。从微生物代谢多样性角度分析，在施用石灰的铅污染土壤上种植小白菜后土壤微生物对6类碳源的利用能力显著提高，4.5 g/kg的石灰用量时对增加土壤中微生物活性效果较好，这表明不仅石灰能够修复铅污染农田土壤，而且种植小白菜也促进了土壤微生物优势种的活性，加速了土壤亚系统的碳素循环。

土壤中微生物对土壤中重金属形态的影响能力不同，有的微生物对重金属有活化作用从而提高重金属的有效态含量，有的则会钝化重金属起到降低有效态含量的作用[21～23]。本研究中，对羧酸类和胺类碳源利用能力强的微生物类群可以提高土壤中铅的有效态含量，聚合物类、糖类、氨基酸类和其他类碳源对抑制小白菜吸收铅有显著效果。

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Remediation Effects Evaluation of Lime on Lead Polluted Soil

DU Rui-ying, WANG Yan-hong, TANG Ming-deng, LI Meng-jun, AI Shao-ying*

KeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizerinSouthRegion;LaboratoryofQualityandSafetyRiskAssessmentforAgro-product(Guangzhou),InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,GuangdongAcademyofAgriculturalSciences,Guangzhou510640,China

Effects of the lime and cabbage application on the lead pollution soil ecosystem and it’s sustainable effects were studied in this paper to discuss the practicability of remediation of lead pollution soil by lime. A pot experiment was carried out in greenhouse to observe the yield. Five levels of lime additions (0, 1.5 mg/kg, 3.0 mg/kg, 4.5 mg/kg and 6.0 mg/kg soil) were added into the soil in the balance after 2 weeks of transplanting cabbage. Cabbage were continuous planted for three batches. Cabbage samples and soil samples were collected at the same time. The soil pH value, soil available lead content, microbial activity etc. indicators were determined. Cabbage of the biomass and the content of lead were also determined. Results showed that lime had no lasting effect on reducing the soil available lead content and cabbage lead content for the lead pollution vegetable soil. But lime could increase the microbial activity in the lead pollution soil. Especially after planted the cabbage, the activity of microbial was obviously increased. Microbe with strong ability of using carboxylic acids and amine carbon source could increase the content of soil available lead. Microbe with utilization ability for polymers, carbohydrates, amino acids and other types of carbon source could reduce the cabbage lead content. The results was expected to provide more reasonable theoretical support for the remediation heavy metal contaminated soil.

lime; lead pollution; vegetable plot soil; remediation effect

2015-09-15; 接受日期：2015-10-09

广东省农业科学院院长基金(201116)；广州市科技计划项目(2014Y2-00521)资助。

杜瑞英，助理研究员，博士，主要从事污染土壤修复和农产品质量安全研究。E-mail:duruiying@163.com。*通信作者：艾绍英，研究员，博士，主要从事农业环境污染治理研究。E-mail: shaoyinai@21cn.com

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.06.11