外源铅在土壤中的年际变化及对土壤有机碳矿化和速效养分的影响

刁 展，吕家珑，安凤秋

(西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室， 陕西 杨凌 712100)

外源铅在土壤中的年际变化及对土壤有机碳矿化和速效养分的影响

刁 展，吕家珑，安凤秋

(西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室， 陕西 杨凌 712100)

外源铅；有机碳；微生物量碳；速效养分

1 材料与方法

1.1 供试土壤

1.2 研究方案

试验设3个处理：(1) 对照CK(Pb0：背景值);(2) 0.5倍国家土壤环境质量二级标准(Pb1：175 mg·kg-1+背景值);(3) 1.0倍国家土壤环境质量二级标准(Pb2：350 mg·kg-1+背景值)。重金属Pb以Pb(NO3)2溶液形式于播种前2个半月添加进土壤耕层，通过人工耕翻使0～20 cm表层土壤混合均匀；每处理设3个重复，共计9个小区。每个小区长2 m，宽1 m，小区进行隔板埋设，防止小区之间相互污染。水泥隔板的厚度未单独列出，均计入小区间的垄沟里。保持土壤含水量为田间持水量的80%。老化3个月，自2010年秋开始实施小麦—玉米轮作试验。小麦、玉米品种分别为小偃22和陕单16。试验前土壤中施加了氮磷钾底肥，底肥施入量为：N：尿素0.15 g·kg-1土；P：Ca(H2PO4)20.05 g·kg-1土，K：K2SO40.10 g·kg-1土。

1.3 土壤取样及分析测定

土壤样品的采集分别于2011、2012年和2013年小麦收获季(6月份)，取各小区耕层(0～20 cm)混合土壤样品，样品经风干，除去样品中石块和根系残渣等异物后，分别过1、0.25 、0.149 mm筛备用。

土壤基本理化性质的测定：阳离子交换量(CEC)的测定选择醋酸铵法；土壤有机碳(SOC)的测定选用高锰酸钾外加热法；速效钾的测定用火焰光度法；速效磷的测定采用0.5 mol·L-1的NaHCO3溶液浸提，用钼锑抗比色法测定；碱解氮的测定采用碱解扩散法测定；测定pH值的水土比为1∶2.5，土样与去离子水充分混匀，静置30 min 后测定。

土壤重金属含量测定：铅全量测定采用HNO3-HCl-HClO4消解火焰原子吸收光谱法。有效态铅的测定采用0.05M EDTA浸提，火焰原子吸收光谱仪法测定。

微生物生物量碳(MBC, Cmic)的测定：氯仿熏蒸浸提法浸提。其中浸提液中的溶解性有机碳(DOC)采用总有机碳分析仪测定，由熏蒸与未熏蒸土样的DOC差值计算得到微生物量碳(MBC)，用Cmic=Fc/0.45计算。其中，Cmic为微生物生物量碳，Fc为熏蒸土壤和未熏蒸土壤总有机碳之差。微生物商(Cmic/Corg，qM)用qM=Cmic/TOC计算，式中，TOC为土壤总有机碳，用重铬酸钾氧化法测定。

1.4 数据处理

数据经Excel 2013处理，利用SPSS 19.0统计软件对所测定的数据进行描述性统计和单因素方差分析(One-Way ANOVA)，并进行LSD检验(lowest standard deviation test)。各个指标之间采用Pearson相关系数法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 田间耕作条件下外源铅的年际变化

注：同一处理数据后标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。
Note: within the same treatment, different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05), the same below.

图1 土壤铅含量年际变化

Fig.1 Annual variability of soil lead

同期小麦籽粒中铅含量的测定显示，每季小麦籽粒中铅的含量大致相同，Pb1、Pb2处理下小麦籽粒铅含量均值分别为0.146 mg·kg-1和0.467 mg·kg-1，富集系数(BCF)分别为0.026和0.015；同一年份中，随着土壤中铅浓度的增加，小麦籽粒中铅含量均升高，在Pb2处理下小麦籽粒Pb含量超过食品安全标准(0.2 mg·kg-1)。该实验中土壤铅含量的下降可能由植物吸收导致。土壤阳离子交换量(CEC)和可溶铅盐在土壤水中的饱和度影响着土壤中有效铅的含量，铅为二价阳离子，水合离子半径较小，交换能力较强，可以被土壤胶体大量吸附，同时铅的某些化合物能以较高浓度存在于土壤水中。因此，可交换态铅的含量可在一定范围内不断增加[9]。土壤中有效铅含量随外源铅浓度增大而增高，正是说明了这一点。同时，有效铅的年际变化表明，外源铅在第一年中转化较为明显，可见其固定主要发生在外源铅加入土壤初期的快速反应，这与徐明岗[10]研究结果相一致。

通过对2013年供试土壤有机碳(SOC)、土壤溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、微生物商(qM)的分析表明，不同污染水平的外源铅处理对土壤有机碳质量产生着显著影响。

由表1可知，土壤的有机碳含量发生了较大变化，其含量为7.24～8.67 g·kg-1，变异系数为7.83%。与对照相比，Pb1、Pb2处理下土壤有机碳平均含量分别下降了16.30%和11.86%，达到显著水平(P<0.05)，但两处理间差异不显著。Pb1、Pb2处理下DOC平均含量分别下降了4.05%和7.34%，各处理间差异显著，整体呈现下降趋势。这表明，当土壤遭受铅污染后，会造成土壤有机碳和溶解性有机碳含量的下降，但影响程度因污染物浓度不同而不同。

试验所测得的土壤微生物量碳(MBC)含量及占土壤总碳的百分比存在较大差异。试验土样中土壤微生物量碳含量范围168.55～284.32 mg·kg-1，平均为216.35 mg·kg-1，变异系数为15.68%。与对照相比，土壤微生物量碳含量虽在一定程度上有所上升，但差异不显著(见表1)。

表1 外源铅对土壤有机碳矿化的影响/(g·kg-1)

由表1可见，与对照相比，外源铅污染导致了土壤有机碳和溶解性有机碳含量的下降，这与其他的研究结果相似[11]。这说明铅污染加快了土壤碳库的分解，从而可能对土壤长期的固碳潜力产生重要影响，导致土壤供给作物养分能力的下降，威胁农业生态系统的生产力。

由于湿度、温度等环境因子以及管理措施等均会对土壤微生物量碳产生影响，低浓度外源铅的加入对微生物量碳影响不显著。有研究表明，由于重金属污染改变了土壤有机碳的有效性，土壤微生物受重金属胁迫，进而影响细胞的代谢及功能，会导致微生物种群发生改变[12]，其机理有待进一步研究。曾路生[13]、谢正苗[14]等研究结果显示，水稻土壤中微生物量碳随铅处理水平的增大而增加，多数指标在300～500 mg·kg-1铅处理时出现峰值。然后随铅水平的增加而降低，它们的转折点受土壤性质影响。

微生物商(qM)即微生物生物量碳和土壤总碳的比值，能够较好地反映重金属污染对微生物的胁迫程度。不同铅污染水平下微生物商达到重度变异，变异系数为19.80%。其在无污染土壤中数值低于污染土壤，与土壤微生物量碳的变化趋势一致。相关分析显示微生物商与土壤微生物量碳之间相关性极强(0.915**)。Pb1处理下土壤微生物商与对照间差异显著，比微生物量碳敏感性更强，可以作为指示铅污染的可靠生物学指标[15]。

图2 外源铅对土壤速效养分的影响

Fig.2 Effects of exogenous lead on soil available nutrients

2.3.3 外源铅对土壤中速效钾的影响 由图2c可见，外源铅的加入，导致土壤中速效钾含量升高，且速效钾含量均呈现随着铅离子浓度的增大而增加的趋势。以2011年Pb2处理与对照相比，土壤速效钾含量增加了12.56 mg·kg-1，差异达到显著水平(P<0.05)。土壤中钾离子在没有持续施肥的情况下，其来源可能是在铅离子的作用下，土壤胶体上吸附的钾离子被置换进入土壤溶液，从而提高了土壤速效钾含量，该结果与朱红[9]等研究相一致。熊明彪[18]研究认为，重金属提高了土壤交换位点对K+的选择性，从而减少阳离子交换位点对K+的吸附。也可发现，第一年中土壤速效钾含量普遍较高，而后两年土壤中速效钾平均含量较低，这可能是由于试验前施加钾肥的缘故，同时也有研究表明，钾元素在黄土区也存在流失现象，流失量与降雨量有着重要的联系[19-20]，试验地位于半干旱半湿润地区，钾元素也极易受雨水条件影响。

2.4 土壤铅污染与土壤因子间的相关性

从表2可以看出，土壤铅污染与多种土壤生物化学指标有密切关系。随着外源铅污染浓度的上升以及重金属在大田环境中的迁移转化，土壤微生物量碳和微生物商等呈现上升趋势，与土壤总铅、有效态铅均呈现显著性正相关。因此，微生物量碳和微生物商可以作为铅污染的可靠生物学指标。

表2 外源铅与土壤因子之间的相关系数

注：*表示在0.05水平下显著相关；**表示在0.01水平下显著相关。

Note: *, ** are significantly correlated at 0.05 and 0.01 level, respectively.

土壤有机碳、溶解性有机碳、碱解氮、速效磷和速效钾等经常被用作指示土壤肥力和土壤健康状况，其含量与土壤中铅含量相关分析表明，随着外源铅的加入，土壤有机碳、溶解性有机碳、碱解氮和速效磷与土壤铅含量呈现显著负相关，说明重金属铅的加入，对土壤碳、氮循环造成了一定程度的影响，加速了土壤有机质的矿化和分解；速效钾含量同土壤铅含量呈显著正相关，可知铅和土壤胶体或土壤矿物晶格中K+发生代换，这种交换作用使土壤胶体对K+的吸附功效受到影响，失去了其对植物肥效的缓效功能。Dumat等[21]认为，重金属污染会影响土壤有机碳的周转，从而影响土壤有机碳在不同组分中的分配。当土壤受到轻污染干扰时，土壤中有机碳将向活性较高的组分转化，从而变得较易为微生物所利用和分解。

3 结 论

外源铅的加入对土壤碳、氮循环产生了一定的影响，加入初期土壤中碱解氮含量下降明显；可溶态铅与土壤溶液中的磷酸根生成难溶性盐，使土壤速效磷含量减少，不利于植物的利用；铅离子与土壤胶体或土壤矿物晶格中的K+发生置换，使土壤中速效钾含量升高，加大了其流失的倾向性。

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Annual variability of exogenous lead in the soil and its effect on soil organic carbon mineralization and available nutrients

DIAO Zhan, LU Jia-long, AN Feng-qiu

(CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity;MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofPlantNutritionandAgri-environmentinNorthwestChina,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to evaluate the response of loess soil to medium-low concentration lead and provide reasonable basis for early warning and controlling of lead pollution, we studied the annual changes of exogenous lead under field condition and the effect of lead pollution on soil organic carbon mineralization and soil available nutrients. Exogenous lead was added into the top layer of the loess soil, the wheat-corn rotation test began in the autumn of 2010. In the wheat season of 2011—2013, the top layer soil (0～20 cm) was collected for analysis of total lead, available lead, soil organic carbon (SOC), dissolubility organic carbon (DOC), microbial biomass carbon (MBC), available N、P and K. The results showed that the total lead and available lead was decreased by 13.22% and 30.65%, respectively in three years, and it had a tendency to decrease by years Compared with the control (CK), Pb pollution was decreased SOC by 16.30% and 11.86% and DOC by 4.05% and 7.34%, in Pb1 and Pb2 levels, respectively, and showed significant negative correlation with soil lead levels. The content of soil microbial quotient (qM) were increased, and there was no significant differences in soil microbial biomass carbon. In addition, the soil available nitrogen content showed a dramatic decline after the exogenous lead addition, with the largest reduction for Pb1. The content of soil available phosphorus was decreased with the increase of soil lead, while the soil available potassium was increased. The study showed that the accumulation and stability of soil organic carbon pool was affected by heavy metal contamination, thus affecting the soil carbon and nitrogen cycling. Lead ions would react with phosphate ions to form indissoluble salts, and the K+in soil colloids and mineral lattice can be replaced by lead ions, which could pose risk of loss of available nutrients.

exogenous lead; soil organic carbon; microbial biomass carbon; soil available nutrients

1000-7601(2017)04-0010-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.02

2016-04-20

公益性行业(农业)科研专项“主要农产品产地土壤重金属污染阈值研究与防控技术集成示范”(200903015)

刁 展(1991—)，男，河南兰考人，硕士研究生，主要从事土壤重金属污染及修复研究。 E-mail：diao.hao.zhan@163.com。

吕家珑(1962—)，男，甘肃山丹人，教授，博士生导师，主要从事土壤环境化学研究。 E-mail：ljlll@nwsuaf.edu.cn。

S153; S154.34

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