有机物料与NPK配施对多重金属污染土壤及甜高粱生长生理的影响

邢缤侥，陈永山，叶丽丽，李海翔, 3，蒋金平, 3*

(1. 桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2. 泉州师范学院资源与环境科学学院，福建 泉州 362000；3. 桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

【研究意义】根据我国2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》，全国耕地土壤点位超标率为19.4 %，其中主要为重金属污染[1]。重金属具有高毒性、不被降解及生物蓄积等特点，因此很容易被作物累积而进入人类食物链，威胁人类健康，同时也导致农产品品质下降，造成很大的经济损失。甜高粱是一种能源植物，能够吸收土壤中的重金属，具有一定的重金属污染土壤修复潜力[2]，但在重金属污染较为严重的土壤中其生长受到抑制。有机物料既能增加土壤有机质含量，其分解产物又能与重金属发生络合反应，进而影响重金属的迁移和生物有效性。是重金属污染土壤修复常用的固定剂之一。因此，研究有机物料对重金属污染农田的修复作用，对我国的粮食安全具有重要意义。【前人研究进展】有研究表明，在重金属污染土壤中施入秸秆能显著提高土壤中有机质含量，降低铜和镉的生物有效性[3-4]。生物质炭具有表面官能团丰富，比表面积大等特性，能显著影响重金属在土壤中的形态与迁移，且与施用量及粒径大小等显著相关[5-6]。有机肥富含有机质及微量元素，能够为作物生长提供充足养分，在物质循环及提升土壤肥力上发挥重要作用，也能够与重金属离子反应从而限制其生物有效性。【本研究切入点】前人多集中于研究添加单一有机物料对单一重金属的作用及对作物的生长影响，本研究则通过在同等多重金属污染水平下分别添加不同种类和施入量的有机物料，同期横向对比在不同有机物料作用下土壤重金属的变化趋势以及作物的生长情况。【拟解决的关键问题】通过外施有机物料并配施化学肥料，研究在多金属严重污染的土壤中外施有机物料并配施化学肥料对甜高粱生长和生理特性的影响，为多金属严重污染土壤的边修复边利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自广西某重金属复合污染地区，该地属亚热带季风气候，年平均气温19 ℃，年平均降雨量1640 mm，无霜期302 d。

秸秆为当地的水稻秸秆，烘干粉碎并过2 mm筛。生物质炭是由该粉碎的水稻秸秆在马弗炉350 ℃缺氧状态下燃烧3 h制成，出炭率为45 %。有机肥购于当地，主要成分是有机质。供试土壤和有机物料的具体理化性质如表1，土壤重金属污染物含量见表2。由表2可知，供试土壤除了As浓度没有超过环境质量标准外，其余4种重金属全量均超过土壤环境质量标准，其中Cd和Pb分别超过土壤环境质量标准限值25和3倍多。

1.2 试验方法

供试土壤除去石子等杂物并风干，过2 mm筛，装于塑料盆(28 cm×17 cm×30 cm)，每盆4 kg土。除设置不添加任何肥料的对照土壤(CK)外，还设置磷钾肥(PK)和氮磷钾肥(NPK)各一组处理，分别混合施入尿素0.34 g(N: 46.67 %)，过磷酸钙0.44 g(P2O5：36 %)和硫酸钾0.30 g(K2O：54.02 %)。其余设计9组不同有机物料及添加量与NPK肥配合处理，分别为S1：NPK+5 t·hm-2St，S2：NPK+10 t·hm-2St，S3：NPK+15t·hm-2St，F1：NPK+10 t·hm-2F，F2：NPK+20 t·hm-2F，F3：NPK+30 t·hm-2F，B1：NPK+10 t·hm-2BC，B2：NPK+20 t·

表1 供试土壤和有机物料基本理化性质

注：表中数据为平均值±标准差。同列数据后不同小写字母表示经LSD多重比较差异显著(P< 0.05)。下同。

Note：Values are mean ± SD. Values with different lowercase letters in same column mean significant difference atP< 0.05 level analyzed by LSD method. The same as below.

表2 供试土壤重金属含量

hm-2BC，B3：NPK+30 t·hm-2BC，其中St代表秸秆，F代表有机肥，BC代表生物质炭。各处理下均设置种植甜高粱的平行组和不种植甜高粱的空白对照组，每组各3盆，共计72盆。土壤处理之后适当润湿并稳定7 d，2017年5月5日播入甜高粱种子(购于北京克劳沃草业技术开发中心)，甜高粱生长期间进行严格管理。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标的测定 生长2个月后，收割并测定植株地上部分的株高，清洗后在105 ℃下杀青30 min，并在80 ℃下烘干至恒重。

1.3.2 生理指标的测定 甜高粱新鲜叶片清洗后于-20 ℃冷冻冰箱中保存，用于生理指标测定。丙二醛(MDA)含量测定采用李合生等[7]的硫代巴比妥酸法，分别在532、600及450 nm波长下测其吸光度。叶绿素(Chl)测定采用陈伟等[8]的方法，称取0.1 g新鲜叶片，95 %乙醇于研钵研磨，过滤定容后于665、649及470 nm波长下测量吸光值。使用超氧化物岐化酶(Superoxide dismutase, SOD)试剂盒和过氧化物酶(Peroxidase, POD)试剂盒(南京建成生物工程研究所)测定SOD和POD活性。

1.3.3 土壤样品的测定 土壤pH值使用pH计测定(水土比2.5∶1)。按照陈玲桂等[9]的方法测定秸秆和生物质炭的pH值。土壤化学性质测定参照《土壤农业化学分析方法》[10]。土壤重金属铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)全量采用HNO3-30 %H2O2体系消解，电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定[11]。砷(As)和汞(Hg)全量采用王水水浴消解，原子荧光分光光度计(AS-20)测定。土壤重金属提取态采用DTPA浸提法测定，土壤重金属形态分析采用BCR法测定。样品均加入标准物质GBW07407(GSS-7)和GBW10015(GSB-6)进行加标回收率分析以控制测定质量。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SPSS 20.0软件对试验数据进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 有机物料配施化学肥料处理对土壤重金属提取态和形态特征的影响

外施有机物料及化学肥料配施处理后，土壤重金属DTPA提取态含量见表3。无任何肥料处理的对照土壤(CK)中Pb、Zn和Cd提取态含量均超过重金属全量的10.000 %，而As和Hg提取态含量分别仅占全量的2.857 %和0.002 %，所有肥料处理土壤中As和Hg的DTPA提取态含量影响差异不显著。单施加化学肥料的土壤中重金属Zn和Pb提取态含量相比对照均出现显著下降(P<0.05，下同)，Cd提取态也有一定程度的下降。有机物料配施化学肥料均导致土壤中重金属DTPA提取态含量不同程度下降，特别是有机肥配施NPK对重金属Zn和Cd的提取态影响最大。3种有机物料不同施加量也对土壤重金属DTPA提取态有一定的影响，随有机物料施加量的增加，土壤中Zn、Pb和Cd提取态含量也逐渐降低，提取态Zn含量在F3处理下最低为87.09 mg·kg-1，提取态Cd在F3处理下最低为1.68 mg·kg-1，和对照处理相比下降了37.3 %。有效态Pb含量在NPK处理下最低为198.30 mg·kg-1，但提取态Pb在各有机质处理之间差异不显著，有机肥对提取态重金属含量降低效果最好。

表3 盆栽土壤重金属DTPA提取态含量

图1 土壤重金属形态Fig.1 Speciation of heavy metals in soils

有机物料配施化学肥料处理下土壤重金属(Zn、Pb和Cd)形态变化分析如图1所示。与CK相比，有机物料配施化学肥料处理均能降低土壤中重金属Zn、Pb和Cd弱酸提取态百分比，提高残渣态百分比。与单施PK和NPK处理比较，有机物料与NPK配施对弱酸提取态重金属比例影响差异并不显著。随配施处理中有机肥和生物质炭添加量的增加，土壤中可氧化态、可还原态与弱酸提取态3者百分比均呈显著降低趋势，而秸秆配施NPK处理下则呈先增后降趋势。

2.2 有机物料配施化学肥料处理对多重金属污染土壤中甜高粱生长特征的影响

甜高粱苗期植株高度和生物量见图2。CK中甜高粱苗期生长缓慢，植株比较弱小，有机物料配施NPK肥料处理显著促进了甜高粱的生长，其株高显著高于CK和化学肥料单施处理。所有有机物料处理中，有机肥配施NPK对甜高粱植株生长促进效果最明显，其次为生物质炭配施NPK，秸秆配施NPK效果较低。除秸秆配施NPK肥外，其他处理下的甜高粱株高均随有机物料施加量的增加而逐渐增加且差异显著。PK与NPK处理下的株高较CK分别增长2.5 %和8.9 %。有机肥配施NPK肥处理下株高最高，F1、F2和F3处理下的株高分别较CK增长了67.2 %、73.9 %及81.3 %。单施NPK与有机物料配施NPK处理下的甜高粱生物量均高于CK。除秸秆处理外，有机肥和生物质炭处理下的生物量随施入量呈递增关系，并较CK具显著性差异。

图中不同小写字母表示经LSD多重比较差异显著(P < 0.05)。下同Different lowercase letters in the figures mean significantly difference at P< 0.05 level analyzed by LSD method. The same as below图2 生长2个月的甜高粱株高和生物量(干重)Fig.2 Plant height and biomass(dry weight) of sweet sorghum after growing 2 months

图3 甜高粱苗期过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性Fig.3 POD and SOD activity during seedling stage in leaf of sweet sorghum

2.3 有机物料配施化学肥料处理对多重金属污染土壤中甜高粱生理特征的影响

2.3.1 甜高粱苗期酶活性 从不同甜高粱苗期叶片中POD和SOD活性变化(图3)可知，和CK相比，单施化学肥料处理后SOD活性降低，最低为NPK处理，活性为545.4 U·gprot-1，而有机物料配施NPK处理SOD活性有一定的起伏，和CK相比差异不显著，但活性均比单施化学肥料处理高，其中B3处理下SOD活性最高，为757.3 U·gprot-1。随有机物料施用量增加，SOD活性呈升高趋势。单施NPK以及其与生物质炭配施处理后，甜高粱叶片中POD活性均显著高于CK，并随生物质炭施入量的增加而不断升高，在B3处理下达到最大值0.3 U·mgprot-1。

2.3.2 甜高粱苗期叶绿素及丙二醛含量 从不同苗期甜高粱叶片中叶绿素和丙二醛变化(图4)可知，在化学肥料单施和有机物料配施NPK处理后，甜高粱叶片中叶绿素含量较CK均有增加，除单施PK外，其余处理均显著增加，其中有机肥配施NPK处理下的甜高粱叶片叶绿素含量较其他处理高，在F3处理下达到最大值9.9 mg·g-1。叶片中叶绿素含量随外源有机物料添加量的增加而增加。和CK相比，多金属污染土壤单施化学肥料及有机物料配施NPK处理后，甜高粱叶片中丙二醛含量均下降。其中有机肥配施NPK处理下的降低量最大，并且随有机肥施用量的增加而显著下降。在同种有机物料的3种添加量处理中，10 t·hm-2秸秆和20 t·hm-2生物质炭分别与NPK配施处理下的甜高粱叶片中丙二醛含量均最低。

2.4 重金属有效态与甜高粱生长生理指标的相关性分析

多金属污染土壤处理后，重金属有效态与甜高粱生理指标相关性分析结果(表4)可见，Zn有效态与甜高粱株高、叶绿素含量及丙二醛含量呈极显著负相关性(P<0.01，下同)，与生物量呈显著负相关性(P<0.05，下同)。Pb有效态与MDA和POD呈负相关。Cd有效态与株高，生物量，Chl呈极显著负相关性，与MDA呈极显著正相关性。As有效态与株高，生物量，Chl呈极显著正相关性，与SOD呈显著正相关性，与MDA呈极显著负相关性。

3 讨 论

3.1 有机物料配施化学肥料对土壤重金属形态的影响

施入土壤的有机物料通过腐殖化作用转变成为富含官能团和配位体的腐殖质，能够螯合土壤中的游离态的重金属离子，从而改变重金属形态，影响土壤重金属环境行为。研究表明，生物质炭可以使提取态Pb含量减少18.8 %～77.0 %[12]，有机肥能显著降低土壤中提取态Cd含量[13]。单施化学肥料也可以影响土壤中重金属形态，研究表明尿素能够显著降低土壤中Pb和Cd水溶交换态的含量，原因是氮肥能增加土壤溶液电导率，改变pH值，进而增强离子强度[14]，而磷肥能够降低土壤中的重金属离子浓度是因为形成了难溶的磷酸盐。在本试验多金属严重污染的土壤中，有机肥、秸秆和生物质炭3种有机物料配施NPK肥处理下的重金属提取态均有不同程度下降，其中有机肥配施NPK处理土壤中Zn和Cd提取态明显降低，而与单施NPK肥相比，秸秆和生物质炭分别配施NPK对重金属提取态的降低效果不明显，表明有机物料配施NPK对土壤重金属提取态含量并无显著加和效应。有机物料配施化学肥料对Cd和Zn的固定作用相对其他3种重金属更为显著。土壤中重金属弱酸提取态百分比随有机物料随施加量增加变化较大，但对重金属污染严重的土壤来说，其变化量比例差异并不显著。

图4 甜高粱苗期叶片中叶绿素和丙二醛含量Fig.4 Chl and MDA content during seedling stage in leaf of sweet sorghum

重金属Heavy metals株高Plant height生物量Biomass叶绿素Chl丙二醛MDA超氧化物歧化酶SOD过氧化物酶PODZn-0.807**-0.697*-0.909**0.860**-0.3660.357Pb0.4320.4390.324-0.5340.364-0.365Cd-0.818**-0.722**-0.880**0.834**-0.4990.264As0.854**0.852**0.795**-0.821**0.617*0.093Hg0.1770.241-0.027-0.202-0.0600.372

注：重金属有效态包含弱酸提取态、可还原态和可氧化态。*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。

Note: Heavy metals extraction fraction including acid extraction, reducible and oxidizable fraction. * indicates significant difference atP<0.05 level, ** indicates significant difference atP<0.01 level.

3.2 外源有机物料对甜高粱苗期生长的影响

研究表明，添加有机物料处理能降低土壤中重金属有效态含量，减少对植物的伤害。土壤施入秸秆有机质能够维持土壤中碳氮平衡，氮素不但影响重金属有效态，也是作物生长必需的营养元素。韩新忠等[15]研究表明，秸秆能显著提高土壤截留氮素的能力，增肥提产；还有研究发现秸秆有机质配施适量氮肥可提高作物产量[16]。生物质炭自身优良特性能有效降低土壤中重金属生物有效性，其浓度对苗期甜高粱株高影响较大，在一定范围内呈正相关关系[17]。本试验结果表明，秸秆、有机肥及生物质炭配施NPK肥处理能显著降低土壤重金属有效性，甜高粱的株高和生物量也随施入量的增加而增加，这可能是由于有机物料含有大量的有机碳及养分，能增加土壤中有机质含量，降低重金属毒性，改善植物生长条件。不同有机肥施用量处理对甜高粱各生长指标具有显著促进作用，株高和生物量均随有机肥施用用量的增加呈递增趋势，这与邢秀芹等[18]的研究结果一致。

3.3 外源有机质对甜高粱生理指标的影响

重金属对植株毒害主要途径是过量重金属导致氧化胁迫，发生脂质和生物大分子过氧化反应，严重破坏细胞膜结构[19]。叶绿素是植物进行光合作用的重要场所，其含量的高低直接反应植物光合作用的强弱，当植物受重金属胁迫时会导致其含量下降。在本试验中，外源秸秆、有机肥及生物质炭分别与NPK配施处理能降低土壤中重金属有效态Pb、Zn和Cd含量，减缓重金属对甜高粱的胁迫，因而植物叶片中叶绿素含量也随之增加。也有研究认为叶片中叶绿素含量的增加可能与外源有机质能截留土壤中的氮素有关[20]。MDA作为膜脂过氧化指标之一，其含量高低反映植物膜脂的过氧化程度。植物在重金属胁迫下产生更多氧自由基，加剧了膜脂过氧化，破坏膜系统，因此，MDA含量越低，植物抗胁迫能力越强[21]。本研究中，添加不同外源有机质物料均能降低重金属有效态含量，显著增强植物抗胁迫能力。施加的有机肥及生物质炭含量越高，MDA含量越低；施用秸秆的甜高粱叶片中MDA含量先增后减。还有研究表明，在重金属胁迫环境下，植物中叶绿素含量的增加与MDA含量的降低呈负相关关系[22]，这与本研究结果相似。

SOD和POD是能够灵敏反映植物对多种逆境胁迫适应性的酶类，在保护植物防御胁迫等方面起着重要作用。研究表明植物在逆境条件下体内会直接或者间接产生过量活性氧自由基(ROS)，而SOD能够消除超氧物自由基，减轻重金属对植物脂质过氧化作用和膜伤害，其保护作用发生在作物受胁迫前期[19, 23]。POD的活性变化则与植物中重金属含量呈线性相关关系[24]。本研究结果表明，多金属污染农田土壤中，3种有机物料与化学肥料配施均能提高植物中SOD活性，并且随有机物料施用量的增加，甜高粱苗期叶片中SOD活性逐渐增加。POD活性规律与SOD活性保持一致，可能是因为外源有机质的添加强化了抗氧化酶编码基因的表达，同时提升了POD和SOD的活力，能够去除植物体内产生过量的ROS[24]。

4 结 论

添加外源有机物料可较大程度提高甜高粱苗期株高以及生物量，其中添加有机肥效果最佳。随各外源有机物料施入量的增加，甜高粱抗胁迫能力呈递增趋势，Chl含量随施入量的增加而增加，MDA反之。SOD活性和POD活性在各处理下差异不显著。外源有机物料显著影响土壤中重金属形态比例，随秸秆施入量的增加，重金属Zn、Pb和Cd可提取态均呈先增后降趋势；添加有机肥和生物炭处理下，土壤中Pb、Zn和Cd可提取态均随施入量的增加而减少。

参考文献：

[1]中华人民共和国环境保护部和国土资源部. 全国污染调查公报[EB]. 2014:1-5.

[2]贺玉姣. 能源植物甜高粱对重金属Pb、Zn、Cu胁迫的生理适应性研究[D]. 南京农业大学硕士学位论文，2008: 1-54.

[3]Lu K, Yang X, Gielen G, et al. Effect of bamboo and rice straw biochars on the mobility and redistribution of heavy metals (Cd, Cu, Pb and Zn) in contaminated soil[J]. Journal of Environmental Management, 2017, 186: 285-292.

[4]Williams P N, Zhang H, Davison W, et al. Organic matter-solid phase interactions are critical for predicting arsenic release and plant uptake in Bangladesh paddy soils[J]. Environment Science & Technology, 2011, 45(14): 6080-6087.

[5]单玉华，李昌贵，陈 晨，等. 施用秸秆对淹水土壤镉、铜溶出的影响[J]. 生态学杂志，2008, 27(8): 1362-1366.

[6]刘晶晶，杨 兴，陆扣萍，等. 生物质炭对土壤重金属形态转化及其有效性的影响[J]. 环境科学学报，2015, 35(11): 3679-3687.

[7]李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

[8]陈 伟. 重金属胁迫对草坪草生长发育及生理特性的影响[D]. 甘肃农业大学博士学位论文，2014: 1-138.

[9]陈玲桂. 生物炭输入对农田土壤重金属迁移的影响研究[D]. 浙江大学硕士学位论文，2013: 1-84.

[10]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版社，2000.

[11]张悠然，李顺安，熊 林，等. 广西石漠化地区多重金属复合胁迫对玉米生长及生理特性影响[J]. 西南农业学报，2016, 29(9): 2079-2085.

[12]Méndez C E, Motto H L, et al. Solubility of lead, zinc and copper added to mineral soils[J]. Environmental Pollution, 2000, 107: 153-158.

[13]贾 乐，朱俊艳，苏德纯. 秸秆还田对镉污染农田土壤中镉生物有效性的影响[J]. 农业环境科学学报，2010, 29(10): 1992-1998.

[14]Tu C, Zheng C R, Chen H M, et al. Effect of applying chemical fertilizers on forms of lead and cadmium in red soil[J]. Chemosphere, 2000, 41: 133-138.

[15]韩新忠，朱利群，杨敏芳，等. 不同小麦秸秆还田量对水稻生长、土壤微生物生物量及酶活性的影响[J]. 农业环境科学学报，2012, 31(11): 2192-2199.

[16]李 玮，乔玉强，陈 欢，等. 秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质及小麦-玉米产量的影响[J]. 生态学报，2014, 34(17): 5052-5061.

[17]李江鹏，于阳雪，孙 璐. 生物炭对甜高粱形态特性的影响[J].安徽农业科学，2015, 3(10): 53-54+90.

[18]邢秀芹，于静娟. 有机肥不同用量对高粱产量及产量性状的影响[J]. 安徽农学通报，2016, 22(17): 66+116.

[19]万永吉，郑文教，方 煜，等. 重金属铬(Ⅲ)胁迫对红树植物秋茄幼苗SOD、POD活性及其同工酶的影响[J]. 厦门大学学报(自然科学版)，2008, 47(4): 571-574.

[20]弓建国，徐松鹤. 氮磷钾有机肥对马铃薯叶绿素含量的影响[J]. 安徽农业科学，2009, 37(23): 10940-10942.

[21]大 宇. 香蒲耐铬毒生理机理及其螯合剂诱导植物萃取污染土壤中重金属的研究[D].浙江大学硕士学位论文，2008: 1-85.

[22]孙 健，铁柏清，钱 湛，等. 复合重金属胁迫对玉米和高粱成苗过程的影响[J]. 山地农业生物学报，2005, 24(6): 514-521.

[23]Van A F, Clijsters H.Effect of metal on enzyme activity in plants[J]. Plant cell and Environment, 1990, 13: 195-206.

[24]高 扬，毛 亮，周 培，等. Pb、Cd复合胁迫下4种植物抗氧化防御差异性研究[J]. 中国生态农业学报，2010, 18(4): 836-842.