蚯蚓粪生物炭配施对铅污染土壤养分和生菜生长的影响

郭茹 洪坚平 沈江龙

摘    要：為了研究蚯蚓粪生物炭配施对铅污染土壤及生菜生长的影响，本试验利用盆栽方法以不同水平蚯蚓粪（4%E、8%E、12%E）与生物炭（2.4%B、4.8%B、7.2%B）配施处理Pb污染土壤，以不施蚯蚓粪和生物炭为对照（CK），分别测定了土壤的基本化学性质、重金属铅含量，以及生菜生物量和地上部重金属铅含量。结果显示：与对照相比较，蚯蚓粪生物炭配施显著提高了铅污染土壤中有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量及生菜生物量（P<0.05）;随着蚯蚓粪和生物炭施用量的增加，铅污染土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量均呈增加趋势，生菜中铅含量呈降低趋势，说明二者对上述指标的影响存在加和效应，而对铅污染土壤全磷、全钾、有效磷、铅含量及生菜生物量的影响存在互作效应，分别以4%E+7.2%B，12%E+7.2%B，12%E+4.8%B，12%E+7.2%B，8%E+7.2%B最高。综合而言，适宜的蚯蚓粪生物炭配施有助于改善土壤理化性质，提高铅污染土壤铅的固定，降低生菜铅含量并提高生菜产量，本试验以蚯蚓粪8%～12%处理配施生物炭7.2%效果较好。

关键词：蚯蚓粪;生物炭;重金属Pb;土壤化学性状;生菜

中图分类号：S154.3;S636.2         文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.08.005

Abstract：  In order to study the effects of biochar with earthworm manure application on Pb contaminated soil and the growth of lettuce， the experiment was conducted with combining application of earthworm manure （4%E， 8%E， 12%E） and biochar （2.4%B， 4.8%B， 7.2%B） to treat Pb contaminated soil through pots experiment， no earthworm manure and biochar was as control （CK）， the soil basic chemical properties， soil Pb content， lettuce biomass and plant Pb content were determined. The results showed that compared with the control， the contents of organic matter， total nitrogen， alkali-hydrolyzed nitrogen， available phosphorus， available potassium and lettuce biomass in the Pb-contaminated soil were significantly increased by the combined application of earthworm manure and biochar （P<0.05）. With the increasing of earthworm manure and biochar application amount， the content of organic matter， total nitrogen， alkali-hydrolyzed nitrogen and available potassium in Pb contaminated soil increased while the lettuce Pb content decreased， indicating that the combined application of earthworm manure and biochar had an additive effect on the above indices. However， the combined application of earthworm manure and biochar had an interaction effects on the total phosphorus， total potassium， available phosphorus， Pb content and lettuce biomass in Pb contaminated soil， of which the maximum value were occurred at 4%E+7.2%B，

12%E+7.2%B，12%E+4.8%B，12%E+7.2%B，8%E+7.2%B，respectively. In summary， proper combined application of earthworm manure and biochar was helpful to improve the physical and chemical properties and even the Pb fixation of Pb contaminated soil， reduce the lettuce Pb content and increase the lettuce yield. In this experiment， the comprehensive effects were optimal when the earthworm manure application amounts were between 8% and 12%.and the biochar application amount was 7.2%

Key words： earthworm manure; biochar; Pb; soil chemical propertie; lettuce

铅是生态环境中的污染元素之一，近年来随着工业的发展，铅以废气、废水、废渣等各种形式进入土壤，造成大面积污染[1]。生长在这部分土壤上的作物，在吸收养分的同时，重金属也被吸收，最終进入食物链，危害人类身体健康[2-4]。蚯蚓粪是一种黑色或灰黑色、有自然泥土味的细碎物质，农作物秸秆、禽畜粪便、污泥等有机废弃物经过蚯蚓的吞食，在蚯蚓消化系统蛋白酶、脂肪酶、纤维酶和淀粉酶，以及蚯蚓与环境中微生物的协同作用下，经消化分解的代谢过程，转化成为自身或易于其他土壤生物利用的营养物质，排出体外后成为蚯蚓粪[5]。蚯蚓粪自身的物理、化学、生物性质和近些年的相关研究结果表明，蚯蚓粪能够降低土壤中重金属的有效性，具有修复土壤重金属污染的潜力[6]。生物炭是在无氧或缺氧环境条件下高温裂解产生的黑色轻而柔软的粉末状固体物质[7]，具有比表面积大、孔隙度好、吸附能力强的特点，并且含有较多的有机碳、矿质养分等，是一种集肥料、吸附剂和改良剂于一体的新型土壤改良材料。有研究表明，添加生物炭能改善土壤酸碱度、控制温室气体排放、改善土壤物理结构、养分状况及微生物多样性和群落结构等，对植株生长有促进作用，并且生物炭能够吸附和固定重金属，控制重金属污染物迁移[8-10]。因此，探究蚯蚓粪、生物炭配施对于重金属污染土壤性状和蔬菜的影响，有助于其在土壤改良、蔬菜种植领域的应用。

本研究通过温室中盆栽试验，研究了蚯蚓粪生物炭配施后土壤的基本化学性质、重金属含量、生菜产量和生菜地上部叶片中重金属含量变化情况，旨在进一步弄清楚重金属在不同类型土壤中的环境化学行为，为污染土壤的质量评价及建立有效的土壤重金属污染修复方案提供一定的理论依据，对应用蚯蚓粪、生物炭在农田环境中的影响和修复农田土壤重金属污染具有重要的意义。

1 材料和方法

1.1 材 料

供试土壤采自山西农业大学资源环境学院试验田0～20 cm表层土，属黄土母质发育的石灰性褐土，质地为轻壤土，其基本化学性质为有机质4.98 g·kg-1，全氮0.63 g·kg-1，全磷0.68 g·kg-1，全钾44.6 g·kg-1，速效氮34.8 mg·kg-1，有效磷30.9 mg·kg-1，速效钾288.8 mg·kg-1，铅350.0 mg·kg-1，pH值7.6。

供试生菜：在太谷县巨鑫实验基地育苗，品种为意大利耐抽苔型生菜。

供试材料：蚯蚓粪购置于太谷成宏农业科技有限公司，pH值8.727，有机质含量16.78%，N含量1.47%，P2O5含量0.60%，K2O含量0.95%;生物炭为小麦秸秆炭，购置于太谷成宏农业科技有限公司，裂解温度550～600 ℃，有机质含量57.2%，N含量0.26%，P2O5含量1.33%，K2O含量4.52%;尿素：N含量46.67%;过磷酸钙：P2O5含量18%;硫酸钾：K2SO4含量45%。

1.2 试验方法与设计

1.2.1 试验方案    本试验采用温室盆栽法进行研究，试验设计为两因素完全随机区组设计，种植作物为生菜。蚯蚓粪设置3个水平：4%，8%，12%;生物炭设置3个水平：2.4%，4.8%，7.2%。每个水平组合设置3次重复，以不施蚯蚓粪和生物炭为对照（CK），也设3次重复，共30盆，每盆土壤质量2.5 kg。

1.2.2 试验过程    2018年4月13日，将供试土壤过1 cm筛去除杂物。14日将乙酸铅[（CH3COO）2Pb]、尿素、过磷酸钙、硫酸钾分别以350 mg·kg-1（农田土壤环境质量二级标准）、0.625 g·kg-1、1.875 g·kg-1和0.44 g·kg-1的添加量加入供试土壤中，充分混匀后，静置3 d使重金属与土壤充分反应，模拟实际铅污染土壤。于4 月16日按配施处理加入蚯蚓粪、生物炭充分混匀、称重、装盆。4月19日移苗，浇水400 mL。在生菜生长期间，每天晚上浇水200 mL，定期松土，天气炎热时浇水量适当增加到400 mL。于5月19日收获，植株用自来水和蒸馏水冲洗，用吸水纸吸干水分，采集鲜样测定作物的鲜质量，而后105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干，直至恒质量，称取干质量后用石英研钵粉碎，装于纸袋，处于干燥器中待测。将每盆试验土壤置于塑料袋中，自然风干、磨碎、过筛后置于自封袋中，待测。

1.3 测定指标与方法

土壤有机质：重铬酸钾容量法-稀释热法;土壤全氮含量：半微量开氏法;土壤全磷含量：NaOH熔融分光光度计;土壤全钾含量：NaOH熔融火焰光度计;土壤碱解氮含量：碱解扩散法;土壤有效磷：NaHCO3浸提法;土壤速效钾：NH4OAc浸提火焰光度法测定;土壤和生菜中的铅：ICP/OES;生菜生物量：电子分析天平测定。

1.4 数据处理与分析

数据用平均值表示，采用Microsoft Excel 2010进行试验结果的数据整理，用Sigma Plot 12.0进行图表制作，用SPSS19.0软件进行统计分析，用Ducan检验法进行显著性分析，然后对结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓粪生物炭配施对铅污染土壤化学性质的影响

2.1.1 土壤有机质含量    由图1可知，与CK相比，蚯蚓粪与生物炭配施均可提高铅污染土壤中有机质含量，其中除4%E+2.4%B处理外其他处理均与CK差异显著（P<0.05），且随着蚯蚓粪和生物炭施用量的增加有机质含量均有增加的趋势，说明二者在提高铅污染土壤有机质含量方面有加和效应;在4%E和12%E处理下，各生物炭处理土壤中有机质含量差异显著（P<0.05），在8%E施加量处理，4.8%B与7.2%B处理差异不显著（P>0.05），二者与2.4%B处理差异显著（P<0.05）;在2.4%B和4.8%B处理，蚯蚓粪处理间土壤有机质含量差异显著（P<0.05），在7.2%B处理，4%E和8%E处理差异不显著（P>0.05），二者与12%E处理差异显著（P<0.05）。

2.1.2 土壤全氮含量    由表1可知，与CK相比，蚯蚓粪生物炭配施可提高铅污染土壤全氮含量，其中除4%E+2.4%B处理外各处理与CK差异均显著（P<0.05），且随着蚯蚓粪和生物炭施加量的增加全氮含量增加，说明二者在提高铅污染土壤全氮含量方面有加和效应;在4%E和12%E处理，各生物炭處理土壤全氮含量差异显著（P<0.05），在8%E处理，2.4%B和4.8%B处理差异不显著（P>0.05），但二者与7.2%B处理差异显著（P<0.05）;在2.4%B处理，各蚯蚓粪处理土壤全氮含量差异显著（P<0.05），在4.8%B处理，4%E和8%E处理差异不显著（P>0.05），但二者与12%E处理差异显著（P<0.05），在7.2%B处理，8%E和12%E处理差异不显著（P>0.05），但二者与4%差异显著（P<0.05）。

2.1.3 土壤全磷含量    与CK相比，除4%E+2.4%B和12%E+2.4%B处理铅污染土壤全磷含量显著降低（P<0.05）外，其他处理均显著升高（P<0.05）。蚯蚓粪和生物炭处理间存在互作效应，表现为在4%E和12%E处理随着生物炭施加量的增加，铅污染土壤全磷含量呈升高趋势，而8%E处理则呈先降后升的趋势;在2.4%B处理随着蚯蚓粪施加量的增加，铅污染土壤全磷含量呈先升后降的趋势，而4.8%B和7.2%B处理则均呈下降趋势;互作效应导致各蚯蚓粪生物炭配施处理中以4%E+7.2%B处理土壤全磷含量最高，其次是4%E+4.8%B处理，二者差异不显著（P>0.05），但均显著高于其他各处理（P<0.05）。

2.1.4 土壤全钾含量    与CK相比，蚯蚓粪生物炭配施中4%E+2.4%B、4%E+4.8%B、8%E+2.4%B、12%E+2.4%B、12%E+4.8%B处理铅污染土壤全钾含量显著降低（P<0.05），4%E+7.2%B处理略有升高但差异不显著（P>0.05），其余3个处理均显著升高（P<0.05）。蚯蚓粪与生物炭处理间存在互作效应，表现为在相同的蚯蚓粪施加量，随着生物炭的增加铅污染土壤全钾含量呈升高趋势，但在相同的生物炭施加量，随着蚯蚓粪的增加2.4%B和4.8%B处理呈先升后降趋势而7.2%B处理呈升高趋势，导致各蚯蚓粪生物炭配施处理中以12%E+7.2%B处理铅污染土壤全钾含量最高，其次是8%E+7.2%B，二者与8%E+4.8%B处理差异不显著（P>0.05），但显著高于其他处理（P<0.05）。

2.1.5 土壤碱解氮含量    与CK相比，蚯蚓粪生物炭配施均可显著提高铅污染土壤碱解氮含量;随着蚯蚓粪施加量的增加碱解氮含量显著提高（P<0.05）;随着生物炭施加量的增加土壤碱解氮含量亦有升高的趋势，但4%E+2.4%B与4%E+4.8%B、8%E+4.8%B与8%E+7.2%B、12%E+2.4%B与12%E+4.8%B处理间差异均不显著（P>0.05）。综合而言，蚯蚓粪和生物炭在提高铅污染土壤碱解氮含量方面存在一定的加和效应，故各处理以12%E+7.2%B处理铅污染土壤碱解氮含量最高，显著高于其他处理（P<0.05）。

2.1.6 土壤有效磷含量    与CK相比，蚯蚓粪生物炭配施可显著提高铅污染土壤有效磷含量（P<0.05）;蚯蚓粪和生物炭处理间存在互作效应，表现为随着蚯蚓粪施加量的增加，铅污染土壤有效磷含量随生物炭施加量的增加陆续出现升高、先升后降、先降后升的趋势，反之亦然，导致各蚯蚓粪生物炭配施处理中以12%E+2.4%B处理土壤有效磷含量最高，与8%E+4.8%B处理差异不显著（P>0.05），但显著高于其他处理（P<0.05）。

2.1.7 土壤速效钾含量    与CK相比，蚯蚓粪生物炭配施可显著提高铅污染土壤速效钾含量（P<0.05）;随着生物炭施加量的增加，速效钾含量显著升高（P<0.05），随着蚯蚓粪施加量的增加，速效钾含量亦呈升高趋势，但在2.4%B和4.8%B处理，各蚯蚓粪处理差异不显著（P>0.05），在7.2%B处理，4%E和8%E处理无显著差异（P>0.05），但二者与12%E处理差异显著（P<0.05）。综合说明蚯蚓粪和生物炭在提高铅污染土壤速效钾含量方面存在一定的加和效应，故各处理中以12%E+7.2%B处理铅污染土壤速效钾含量最高，显著高于其他处理（P<0.05）。

2.2 蚯蚓粪生物炭配施对铅污染土壤铅含量的影响

由图2可知，与CK相比，蚯蚓粪生物炭配施处理中8%E+7.2%B和12%E+7.2%B处理土壤铅含量显著升高（P<0.05），其他处理均无显著差异（P>0.05）。4%E处理，随着生物炭施用量的增加，土壤铅含量略有降低但差异不显著（P>0.05）;8%E和12%E处理，土壤铅含量均随生物炭施加量的增加而增加，均表现为2.4%B和4.8%B处理间差异不显著（P<0.05），但与7.2%B处理差异显著（P<0.05）。在各生物炭处理，土壤铅含量均随蚯蚓粪施用量的增加而增加，其中2.4%B处理，各蚯蚓粪处理间差异不显著（P>0.05），4.8%B处理，4%E与12%E差异显著（P<0.05）;7.2%B处理，各蚯蚓粪处理间差异显著（P<0.05）。说明适宜的蚯蚓粪生物炭配施能够增强对重金属铅的固定作用。

2.3 蚯蚓粪生物炭配施对铅污染土壤中生菜地上部铅含量的影响

由图3可知，与CK相比，蚯蚓粪生物炭配施中4%E+2.4%B、4%E+4.8%B、8%E+2.4%B处理生菜铅含量显著提高（P<0.05），4%E+7.2%B、8%E+4.8%B处理变化不显著（P>0.05），其他处理均显著减少（P<0.05）;随着蚯蚓粪和生物炭施加量的增加，生菜中铅含量均显著降低（P<0.05），说明二者在降低生菜铅含量中存在加和效应。

2.4 蚯蚓粪生物炭对铅污染土壤中生菜生物量的影响

由图4可知，与CK相比，蚯蚓粪生物炭配施可显著增加铅污染土壤种植生菜的地上部生物量（P<0.05），说明其能显著缓解重金属对生菜生长的胁迫;随着生物炭施加量的增加，在4%E处理生菜生物量显著减少（P<0.05），8%E处理则显著增加，而12%E处理先显著增加（P<0.05）后略有减少但差异不显著（P>0.05）;随着蚯蚓粪施加量的增加，2.4%B处理生菜生物量呈先显著减少后显著增加的趋势（P<0.05），4.8%B处理则显著增加（P<0.05），7.2%B处理先显著增加后显著减少（P<0.05）。综合蚯蚓粪和生物炭对生菜生物量的互作效应，以8%E+7.2%B处理生菜生物量最高，显著高于其他处理（P<0.05）。

3 结论与讨论

生物炭能够吸附土壤有机分子，通过表面催化活性形成土壤有机质[11]，Grossman等[12]研究发现生物炭可影响微生物的群落结构组成，增强土壤物理性质，促进生物炭在土壤中的各种反应，使得种植作物后土壤有机质含量进一步升高。张敏[13]研究发现，生物炭的施加能够提高土壤氮含量，促进微生物硝化作用，抑制反硝化作用，增加土壤 NH4+-N含量，避免土壤氮素流失。这应该是由于生物炭具有丰富的孔隙结构和有机大分子[14]以及较大的表面积[15]，将其施入到土壤后更容易形成较大的团聚体，促进土壤氮素的吸附和固持作用，并使氮在土壤中缓慢释放，故最终表现为土壤氮素含量的增加。本试验结果亦表明，生物炭可显著提高铅污染土壤中有机质和全氮含量，二者均随着生物炭施用量的增加而增加。

张敏[13]研究还发现，种植作物后，由于生物炭的施加可以提高作物对养分的吸收，尤其是钾的吸收，增长率几乎呈直线上升，因此钾的含量明显降低。但本试验中盆栽生菜铅污染土壤全钾和速效钾含量随着生物炭施加量的增加均有升高的趋势，这一方面与土壤基质性质不同有关，另一方面与所种植植物不同（大豆和生菜）有关，另外应该也与蚯蚓粪配施有关，蚯蚓粪含有丰富的养分，为提高土壤肥力创造了良好的物质基础。王明友等[16]研究发现，施用蚯蚓粪后土壤有机碳、全氮含量较对照显著提高。Gupta等[17]发现产物蚯蚓粪较原始混合物的TN、TP、TK含量均有提高。于跃跃等[18]研究表明，蚯蚓粪对土壤有很好的培肥作用，提高了土壤有机质、速效养分的含量，特别是有效磷含量显著增加。本试验也发现，与对照相比，蚯蚓粪可显著提高铅污染土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量（P<0.05），但全磷和全鉀含量在蚯蚓粪生物炭配施过程中存在互作效应，导致与对照相比，土壤全磷含量在4%E+2.4%B和12%E+2.4%B显著降低（P<0.05），而在其他处理则显著增加（P<0.05），土壤全钾含量在4%E+2.4%B、4%E+4.8%B、8%E+2.4%B、12%E+2.4%B、12%E+4.8%B处理显著降低（P<0.05），在4%E+7.2%B处理略有增加但差异不显著（P>0.05），在其余处理均显著增加（P<0.05），有关二者互作效应机制有待于进一步研究。Topoliantz等[19]研究指出生物炭可以增加有效P、K、Mg和Ca含量。本试验亦表明蚯蚓粪生物炭配施处理土壤速效钾和有效磷含量较对照均显著增加（P<0.05）。

萨拉姆[20]研究表明，土壤中加入生物炭可以有效减少土壤重金属铅有效性，且生物炭施加量越多，效果越好。本试验中在8%E和12%E处理，土壤铅含量随着生物炭添加量的增加呈升高趋势，而在4%E处理，土壤铅含量随着生物炭添加量的增加略有下降，但不显著（P<0.05），各蚯蚓粪生物炭配施处理中除8%E+7.2%B和12%E+7.2%B处理土壤铅含量显著高于对照外，其他处理与对照差异均不显著（P>0.05）。试验结果同时表明随着生物炭和蚯蚓粪施加量的增加，生菜中铅含量均显著降低（P<0.05），其中12%E的各处理及8%E+7.2%B处理较对照显著降低（P<0.05），均说明适宜的蚯蚓粪生物炭配施处理对重金属铅的固定作用明显。添加蚯蚓粪的处理对促进作物生长、提高产量和品质具有重要意义。张聪俐等[21]研究表明，添加蚯蚓粪后，玉米株高、地上和地下部干物质量均随着蚯蚓粪施用量的增加而升高。本试验中，蚯蚓粪生物炭配施亦显著增加了生菜生物量，这与上述研究结果一致;蚯蚓粪和生物炭配施在对生菜生物量的影响上存在交互作用，表现为随着生物炭施加量增加，低蚯蚓粪施加量（4%E）时生菜生物量有减少趋势，中蚯蚓粪施加量（8%E）生菜生物量增加，高蚯蚓粪施加量（12%E）时生菜生物量先增加后减少，当蚯蚓粪8%而生物炭7.2%（8%E+7.2%B）时，生菜生物量最高，显著高于其他处理（P<0.05），二者的互作机理有待于进一步研究。

综合而言，蚯蚓粪生物炭配施在提高铅污染土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量以及降低生菜铅含量方面存在加和效应，而在对土壤全磷、全钾、有效磷和铅含量的影响上存在交互作用，配施处理中仅8%E+7.2%B和12%E+7.2%B处理土壤铅含量的固定效应显著（P<0.05），且其生菜中铅含量较对照显著降低（P<0.05）而生物量显著增加（P<0.05），故本试验中认为生菜田铅污染土壤施用蚯蚓粪8%～12%搭配生物炭7.2%为宜。

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