三种有机物料对铬污染土壤理化性质及小麦生长发育特征的影响

邵 云，王文斐，李学梅，马守臣,王敬婼，陈静雯

(1.河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453000； 2.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000)



三种有机物料对铬污染土壤理化性质及小麦生长发育特征的影响

邵 云1，王文斐1，李学梅1，马守臣2,王敬婼1，陈静雯1

(1.河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453000； 2.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000)

摘要：为研究玉米秸秆、菌渣和生物炭对Cr污染土壤的修复效果及相应小麦植株的响应，于2013-2014年在河南师范大学网室进行盆栽试验，在250 mg·kg-1和400 mg·kg-1Cr污染土壤中添加一定剂量的上述3种有机物料，研究它们对不同时期的土壤理化性质、小麦生长发育特征、土壤Cr生物有效性以及小麦籽粒Cr积累的影响。结果表明，添加玉米秸秆(6 g·kg-1)和生物炭(50 g·kg-1)可使土壤pH降低，添加菌渣(140 g·kg-1)可显著提高250 mg·kg-1Cr污染土壤pH值，但对400 mg·kg-1Cr污染土壤pH值没有明显的促进作用；添加3种有机物料均可显著提高土壤有机质含量，促进小麦株高增加、叶绿素含量升高，使其光抑制减弱、光合活性增强，有效提高小麦产量，降低土壤有效态Cr和小麦籽粒Cr含量，但总体上菌渣作用效果最佳，生物炭次之，玉米秸秆最差。

关键词：铬；小麦；土壤；秸秆；生物炭；菌渣

随着金属矿藏开发、城市化建设进程不断加快、固体废弃物堆置日益增多，以及为了提高农业生产而过量使用化肥、农药、污泥、污水等，重金属污染逐渐产生，且污染状况日益加剧[1-2]。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国农田土壤点位超标率接近19.5%，其中，中度污染点位比例达到1.8%，重度污染点位比例达到1.1%，主要污染物为重金属[3]。铬(Cr)是危害植物的主要重金属元素之一，当土壤中的重金属积累到一定程度，就会对土壤-植物系统产生毒害，对植物的生长发育及土壤性状产生影响[4]，导致土壤退化及农作物产量和品质降低；通过直接的接触或食物链进入人体，能在人体的分泌腺、胰以及肺中积累，最终导致过敏性哮喘或癌症[5-6]。

土壤重金属的原位固定修复是向污染土壤中添加修复材料，来改变土壤中重金属存在形态，降低重金属的生物可利用性和浓度，减少重金属向食物链的迁移，进而达到土壤修复的目的[7-8]。在我国，秸秆作为一种最普遍的有机物料，每年大约有7亿t的产出[9]。有研究表明，施加秸秆可显著增加土壤对Pb、Cu和Cd的吸持能力[10]。生物炭对污染土壤的稳定化试验结果表明，添加100 g·kg-1生物炭能够使土壤中残渣态Cr含量增大59.51 mg·kg-1[11]。随着人们对食用菌的需求量增加，菌渣的产出也越来越多，仅2011年，我国食用菌菌渣产出就高达1 600万t[12]，菌渣的堆置及利用也逐渐被重视，有学者发现向铅锌尾矿中添加菌渣，可有效降低重金属的生物可利用性[13]。越来越多的研究表明，有机物料作为重金属修复剂效果显著，同时这也促进了秸秆、菌渣等有机废弃物的资源化利用，减少了资源浪费，避免了废弃物堆积带来的环境污染。小麦作为我国三大粮食作物之一，小麦籽粒中重金属含量与人类身体健康密切相关。本研究在Cr污染土壤中添加玉米秸秆、麦秸生物炭和平菇菌渣3种有机物料，观测其对污染土壤理化性质、小麦生长发育特征、土壤中Cr生物有效性及小麦籽粒中Cr积累的影响，以期为减少粮食中重金属对人类健康的潜在危害以及有机废弃物的有效利用提供技术指导和理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试土壤取自河南师范大学小麦试验田，挖取耕层(0～20 cm)土壤，过5 mm筛，其基本理化性状见表1。供试小麦品种为矮抗58，由河南科技学院小麦育种中心提供。供试有机物料包括玉米秸秆、麦秸生物炭和平菇菌渣，其中，玉米秸秆取自河南新乡获嘉县前李村试验田，粉碎后过1 mm 筛；麦秸生物炭从商丘三利生物公司购买，为粉末状；平菇菌渣取自河南新乡原阳县的现代农业研究开发基地，菌渣碾碎后过5 mm筛。土壤及3种有机物料Cr背景含量见表2。供试铬试剂Cr2(SO4)3为分析纯。

表1　基础土壤基本理化性状

表2　供试土壤及有机物料Cr含量背景值

1.2试验设计

于2013-2014年在河南师范大学网室内，采用二因素设计进行试验，其中，一个因素为Cr添加浓度，设置2个Cr污染水平：250 mg·kg-1和400 mg·kg-1(以元素计)；另一个因素为3种有机物料，添加浓度分别为：秸秆6 g·kg-1、生物炭50 g·kg-1、菌渣140 g·kg-1，同时以不添加有机物料的Cr污染处理作为对照(CK)；共8个处理，每个处理6次重复。使用Φ30×p2 cm的塑料花盆，各称取土壤10 kg(干土)，与重金属盐及称量好的3种有机物料分别混合均匀，装盆，平衡30 d后选取完整、健康、饱满的小麦种子进行播种，每盆播种30粒，播深3 cm，于小麦三叶期定苗10株，进行正常管理。

于小麦播前(2013-10-29)、苗期(2013-12-21)、拔节期(2014-03-30)、开花期(2014-04-14)及成熟期(2014-05-27)采集土壤样品。采集时敲打盆壁，使土壤松动，抖动小麦植株，抖落根部土壤，将盆中土壤混合均匀，采用四分法得到土壤样品，自然风干土样，磨碎并过筛，用于测定土壤pH值、有机质含量及有效态Cr含量。在小麦苗期、拔节期和开花期测定小麦株高、小麦倒一叶的叶绿素相对含量(SPAD值)及叶绿素荧光参数。待小麦成熟后，调查每盆的穗数、穗长、结实小穗数、穗粒数、穗粒重、千粒重和产量。将获得的小麦籽粒先后用自来水、蒸馏水、去离子水冲洗，烘干，粉碎，用于测定籽粒中Cr含量。

1.3指标测定方法

土壤pH：采用pH计对经无CO2水浸提后的浸提液pH进行测定。土壤有机质含量：采用重铬酸钾容量法-稀释热法进行测定。小麦叶片SPAD值：采用叶绿素含量测定仪(SPAD-502，日本)进行测定。小麦叶绿素荧光参数：采用便携式植物荧光仪(Pocket PEA，英国)进行测定。籽粒重金属Cr含量：称取小麦籽粒样品1 g左右放入50 mL三角瓶中，加入HNO3-HClO3混合溶液，在电热板上消解完全，用去离子水将其转入25 mL容量瓶中并定容，过滤后，用原子吸收光谱仪(ZEEnit 700P，德国)测定滤液中Cr含量。土壤有效态Cr含量：称取土壤样品5 g，放入100 mL三角瓶中，加入25 mL二乙三胺五乙酸(DTPA)提取剂，放在振荡箱内，室温下每分钟往复振荡180次，浸提2 h后过滤，弃去最初5 mL左右的滤液，再滤下的滤液用原子吸收光谱仪测定其中Cr含量。

1.4数据分析

所测数据使用Excel 2010整理、作图，用SPSS软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1有机物料对Cr污染土壤pH的影响

由图1可知，250 mg·kg-1Cr污染处理下，小麦各个生育时期，添加秸秆的土壤pH值在各时期均低于对照，在苗期和成熟期差异达显著水平；添加生物炭的土壤pH值在苗期大于对照且差异达显著水平，在其他时期均小于对照；添加菌渣的土壤pH值在各生育时期均显著高于对照。由图2可知，400 mg·kg-1Cr污染处理下，添加秸秆的土壤pH值在苗期显著高于对照，在其余生育时期均低于对照，且在开花期与对照差异达显著水平；添加生物炭的土壤pH值仅在苗期高于对照，且差异达显著水平，在其他生育时期均低于对照，且在开花期达到显著水平；添加菌渣的土壤pH值在播前、苗期和拔节期高于对照，苗期和拔节期与对照差异达显著水平，在开花期则显著小于对照，在成熟期稍小于对照。由试验结果可知，添加菌渣可显著提高250 mg·kg-1Cr污染下的土壤pH值，但对提高400 mg·kg-1Cr污染下的土壤pH值贡献不大；添加生物炭和秸秆在2个浓度的Cr污染下，除个别时期外，对土壤pH值表现为降低作用。

图中不同小写字母表示处理间差异达显著水平(P<0.05)。下同

The different small letters in the figure mean significant difference among the treatments at 0.05 level.The same as in the following figures and tables

图1250 mg·kg-1Cr浓度下添加有机物料对土壤pH值的影响

Fig.1Effect of three organic materials on pH value in soil under 250 mg·kg-1Cr pollution

图2　400 mg·kg-1 Cr浓度下添加有机物料对土壤pH值的影响

图3　250 mg·kg-1 Cr浓度下添加有机物料对土壤有机质含量的影响

2.2有机物料对Cr污染土壤有机质的影响

由图3和图4可知，250及400 mg·kg-1Cr污染处理下，在小麦各个生育时期，添加3种有机物料的土壤有机质含量均大于对照，添加秸秆、生物炭和菌渣的处理与对照差异均达显著水平，添加菌渣的处理显著高于秸秆和生物炭。由试验结果可知，在2个浓度的Cr污染下，由于添加的修复剂均为有机物料，各处理均能使土壤有机质含量显著提高，且在本试验中，不同处理的有机质含量大小依次表现为：菌渣>生物炭>秸秆。

2.3有机物料对Cr污染土壤上小麦株高的影响

由图5可知，250 mg·kg-1Cr污染处理下，与对照相比，添加秸秆、生物炭和菌渣后，苗期小麦株高均低于对照，且差异显著；在小麦拔节期和开花期，各有机物料处理小麦株高均大于对照，其中，添加生物炭和菌渣的处理在拔节期与对照差异显著，添加菌渣的处理在开花期与对照差异显著。400 mg·kg-1Cr污染处理下，在小麦苗期，添加秸秆小麦株高稍高于对照处理，但差异不显著，添加生物炭和菌渣后，株高低于对照，且与对照差异显著；在小麦拔节期，添加3种有机物料后，小麦株高均高于对照，其中生物炭和菌渣处理与对照差异显著；在小麦开花期，添加秸秆、生物炭和菌渣均能使小麦株高显著增加。

图4　400 mg·kg-1 Cr浓度下添加有机物料对土壤有机质含量的影响

图5　Cr污染土壤上不同有机物料处理下小麦株高的变化

图6　Cr污染土壤上不同有机物料处理下小麦叶片SPAD值的变化

2.4有机物料对Cr污染土壤上小麦叶片SPAD值的影响

SPAD值反映了叶片中叶绿素含量的相对值，与光合作用密切相关，可用于衡量作物光合作用对环境胁迫的响应[14]。由图6可知，250 mg·kg-1Cr污染下，在小麦苗期和拔节期，添加秸秆、生物炭和菌渣对小麦叶片SPAD值表现为轻度促进作用，均高于对照，但差异并未达到显著水平；在小麦开花期，添加3种有机物料均使小麦叶片SPAD值大于对照，其中秸秆和生物炭处理与对照差异显著。400 mg·kg-1Cr污染处理下，在小麦苗期，添加秸秆、生物炭和菌渣后，小麦叶片SPAD值均高于对照，其中生物炭和菌渣处理与对照差异显著；在小麦拔节期，添加秸秆、生物炭和菌渣后叶片SPAD值均显著高于对照；在小麦开花期，添加秸秆、生物炭和菌渣均可使小麦叶片SPAD值显著高于对照。

图7　Cr污染土壤上不同有机物料处理下小麦叶片Fv/Fm的变化

2.5有机物料对Cr污染土壤上小麦叶片荧光参数的影响

叶绿素荧光系统参数能直接或间接表征逆境中植物光合作用的光合机构、光合电子传递链及暗反应酶活等生理生化指标受到的影响。由图7可知，在250 mg·kg-1Cr污染下，在小麦苗期，添加秸秆、生物炭和菌渣对小麦叶片PSⅡ的最大光能转化效率(Fv/Fm)表现为促进作用，均高于对照，其中秸秆和菌渣处理与对照差异显著；在小麦拔节期，菌渣处理的小麦叶片Fv/Fm值高于对照，秸秆和生物炭处理的小麦叶片Fv/Fm值低于对照，但差异均不显著；在小麦开花期，秸秆处理的小麦叶片Fv/Fm值稍低于对照，生物炭和菌渣处理高于对照，但差异均不显著。400 mg·kg-1Cr污染处理下，在小麦苗期，添加秸秆、生物炭和菌渣对小麦叶片Fv/Fm值表现为促进作用，但差异不显著；在小麦拔节期，秸秆和生物碳处理下小麦叶片Fv/Fm值低于对照，菌渣处理小麦Fv/Fm值高于对照，差异不显著；在小麦开花期，3种有机物料处理下小麦叶片Fv/Fm值均高于对照，仅菌渣处理与对照差异显著。

表3　Cr污染土壤上不同有机物料处理下的小麦产量性状

2.6有机物料对Cr污染土壤上小麦产量性状的影响

土壤Cr污染对小麦生长发育有胁迫效应，进而对小麦产量相关性状有抑制作用[18]。由表3可知，当Cr浓度为250 mg·kg-1时，与对照相比，添加秸秆、生物炭和菌渣对小麦穗数、穗粒数、千粒重表现为促进作用，且差异均达到显著水平，其中，添加秸秆使穗数、穗粒数和千粒重分别提高23.81%、19.62%和4.59%，添加生物炭使穗数、穗粒数和千粒重分别提高36.48%、21.19%和11.59%，添加菌渣使穗数、穗粒数和千粒重分别提高46.00%、16.97%和22.46%。菌渣的促进作用最为明显，使小麦产量提高78.13%。当Cr浓度为400 mg·kg-1时，与对照相比，3种有机物料对小麦的产量性状表现为促进作用，仍以菌渣的促进效果最明显，其中，添加秸秆使穗数、穗粒数和千粒重分别提高13.30%、2.12%和9.29%，使产量提高7.83%；添加生物炭使穗数、穗粒数和千粒重分别提高33.30%、47.72%和13.72%，使产量提高86.89%；添加菌渣使穗数、穗粒数和千粒重分别提高46.70%、51.72%和18.81%，使产量提高95.83%。由试验结果可知，2个Cr污染浓度下，添加3种有机物料均能有效提高小麦产量，对Cr污染造成的胁迫有明显缓解作用。

表4　Cr污染土壤上不同有机物料处理下土壤有效态Cr及小麦籽粒Cr含量

2.7有机物料对土壤有效态Cr及籽粒Cr含量的影响

由表4可知，3种有机物料均可降低Cr污染土壤中有效态Cr含量及小麦籽粒中Cr含量，其中菌渣处理的作用效果最明显。但在两个Cr污染浓度下，3种有机物料均未使小麦籽粒中Cr含量降低到国家食品卫生标准(GB 14961-94)中的1.0 mg·kg-1。

3讨 论

参考国家二级土壤环境质量标准(GB15618-1995)，本试验设置了轻度(250 mg·kg-1)和中度(400 mg·kg-1)两个Cr污染水平，通过检测污染土壤的pH值和有机质含量、小麦株高、叶片SPAD值及叶绿素荧光参数、小麦籽粒Cr含量及土壤有效态Cr含量，来研究3种有机物料对Cr污染土壤理化性质的影响、对Cr污染土壤上小麦所受毒害的缓解作用以及对污染土壤中Cr的固化效果。

基于土壤原始pH不同，秸秆还田对土壤pH的影响也有所不同。贾 乐等[15]研究发现，秸秆还田可以显著提高酸性(pH=5.5)土壤pH值，而闫洪亮等[16]则发现秸秆还田会降低碱性(pH=7.7)土壤的pH值。在本研究中，供试土壤为碱性，添加秸秆后，土壤pH值显著降低，与闫洪亮等[16]的研究结果一致，这可能是秸秆的添加使土壤中有机酸含量增加，使得已经呈碱性的土壤酸性增强。由于土壤基本性质不同，添加的生物炭性质也不同，加入生物炭后引起的土壤pH变化也有差异。高瑞丽等[17]和魏 樵等[18]发现向酸性土壤中添加生物炭能显著提高土壤pH，高译丹等[19]则研究发现，向碱性土壤中加入生物炭后，土壤pH先有所升高，后逐渐下降。在本研究中，向土壤中添加生物炭后，土壤pH值仅在小麦苗期高于对照，在小麦成熟期低于对照，且差异不明显，可能是因为一方面生物炭的加入增加了土壤有机酸的含量，另一方面生物炭对土壤溶液pH有一定的缓冲作用。在本研究中，添加菌渣可显著的提高土壤pH值，这与苏祖祥等[20]和杨盛香等[13]以菌渣作为重金属修复剂的研究结果一致。而菌渣提高土壤pH，一方面是因为在最初配制蘑菇基质时，为了达到菌类的生长条件，基质其本身就呈碱性，另一方面，在基质形成过程中，需要高温灭菌，对它的pH值也有所影响[20]。此外，3种有机物料的投入，均使土壤有机质含量得到显著或极显著的提高，有效提高了污染土壤的肥力。

重金属污染会影响作物生长发育，造成植株萎缩，重金属元素进入细胞，会竞争Mg2+结合位点，抑制叶绿素合成相关酶类活性，诱导叶绿素氧化分解，破坏叶绿体结构，造成植株失绿及光合性能下降[21]。Bharwana等[22]研究表明，水培实验中，在50和100 μmol·L-1的铅处理下，棉花幼苗叶绿素含量与对照相比显著降低。已有研究表明，向重金属污染土壤中添加秸秆、菌渣可显著提高小麦叶片叶绿素含量[23-24]。张 青等[25]研究表明，添加菌渣可有效减弱油菜叶片在Cd胁迫下产生的光抑制。在本研究中，向Cr污染土壤中添加秸秆、生物炭、菌渣均可在小麦生育后期显著促进小麦株高伸长，并使小麦叶片SPAD值显著高于对照，提高小麦叶片荧光参数Fv/Fm值，增大叶片PSⅡ的光合活性，有效缓解Cr胁迫对小麦生长的毒害。添加3种有机物料对小麦穗数、穗粒数、千粒重等产量性状均有明显促进作用，均可显著提高小麦产量，降低Cr在小麦籽粒中的积累，其中菌渣的作用最为明显。

重金属的有效态反映了重金属元素被植物吸收的可能性的大小，有效态含量越低，被植物吸收的越少，重金属毒性越弱[26]。已有研究发现，向重金属污染土壤中添加油菜秸秆能有效降低Cr、Pb等的有效性，降低重金属在蔬菜中的积累[27]，施加生物炭则能降低土壤中Cd的有效态含量，降低Cd在花生中的积累[28]，向铅锌尾矿中添加菌渣，能够降低重金属在黑麦草中的积累[29]。在本研究中，添加秸秆、生物炭和菌渣均能降低土壤中有效态Cr含量，有效固定土壤中重金属Cr，并降低Cr在小麦籽粒中的积累。这些有机物料降低土壤重金属有效性的作用机制有很多，通常是多种机制来共同起作用。首先，土壤pH值可以影响重金属在土壤中的溶解度，土壤pH越低，重金属的溶解度越大，有效性越高，反之有效性越低[30-31]；土壤pH还可以通过改变土壤胶体所带的电荷来影响重金属的有效性[11]。菌渣等有机物料可以提高土壤的pH值。而土壤中的有机质可以分解为腐殖质，腐殖质富含多种有机官能团，可以和重金属离子结合形成金属-有机络合物[1,32]，该络合物更为稳定，从而使重金属的有效性减弱。污染土壤中还存在着重金属和有机质相互促进稳定或积累的作用，土壤重金属污染减缓了土壤有机质的矿化，促进有机质的稳定和积累，有机质的积累又加强了对重金属的吸附能力，降低了重金属的有效性[33]。此外，菌渣和玉米秸秆均为植物秸秆，含有大量纤维素，纤维素分子量大，有很高的内聚力，同时，它的扩散能力差，溶解性低，故能牢牢吸持土壤中的重金属元素，使土壤中重金属的有效性降低。而生物炭在环境中具有高度稳定性，有大量孔洞，比表面积大，存在大量高密度负电荷，能有效吸附重金属离子，降低土壤重金属有效性[34-35]。

本研究中，在Cr轻度及中度污染下，添加生物炭和秸秆对土壤pH值有降低作用，添加菌渣可使轻度Cr污染土壤pH值显著增加，对中度Cr污染土壤pH值的促进作用不明显。3种有机物料均可使土壤有机质含量显著提高。添加秸秆、生物炭、菌渣均可促进Cr胁迫下的小麦株高增加，叶绿素含量升高，使其所受光抑制减弱，光合活性增强，使小麦产量提高，并有效降低土壤有效态Cr含量及小麦籽粒Cr含量。3种有机物料对Cr轻度及中度污染均有明显修复作用，其修复效果为菌渣>生物炭>秸秆。但Cr污染程度与各有机物料用量之间的关系不清楚，若要投入实际应用还需进一步研究，此外，各有机物料固定Cr的具体机制并不清楚，需要从各个材料对Cr的吸附解吸等方面进一步研究。

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收稿日期：2015-12-29修回日期：2016-04-27

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD14B08，2013BAD07B14，2013BAD07B07)

中图分类号：S512.1；S330

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)06-0779-10

Effect of Three Organic Materials on Physical and Chemical Properties of Chromium Contaminated Soil and the Growth and Development Characteristics of Wheat

SHAO Yun1,WANG Wenfei1,LI Xuemei1,MA Shouchen2,WANG Jingruo1,CHEN Jingwen1

(1.College of Life Science,Henan Normal University,Xinxiang,Henan 453007,China; 2.School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)

Abstract:In order to study the effect of maize straw,biochar,mushroom residue on the remediation of Chromium(Cr) contaminated soil and the corresponding response of wheat plants,a screen-house pot experiment was conducted in Henan Normal University,in which a dose of the three different organic materials were added to soils polluted by 250 mg·kg-1and 400 mg·kg-1Cr.Physical and chemical properties of contaminated soil,growth and development characteristics of wheat,as well as the effectiveness of soil Cr and the Cr uptake by grains at different growth stages were studied.The results indicated that,adding maize straw(6 g·kg-1) and biochar(50 g·kg-1) both resulted in decrease of soil pH value,adding mushroom(140 g·kg-1) residue could significantly increase the soil pH value of soil polluted by 250 mg·kg-1Cr and had little positive impact on the pH value of soil polluted by 400 mg·kg-1Cr.Furthermore,soil organic matter content was increased significantly by adding all the three organic materials.Under the stress of Cr,by adding straw,biochar and mushroom residue,the elongation of wheat plants was enhanced,and chlorophyll content and photosynthetic activity were increased,and the photo-inhibition of plant was weaken.Meanwhile,wheat yield was significantly increased and the content of available Cr in soil and Cr uptake by grains were decreased.We suggest that the application of the three organic materials could effectively immobilize Cr in soil,with the range of mushroom residue>biochar>maize straw.

Key words:Chromium; Wheat; Soil; Straw; Biochar; Mushroom residue

网络出版时间：2016-05-30

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160530.1549.028.html

第一作者E-mail：shaoyun73@126.com