土壤pH对蚯蚓生长及Cd、Pb吸收的影响

陈雪雪，刘前亮，简槐良，罗 洋

(贵州师范学院 地理与资源学院，贵州 贵阳 550018)

土壤是粮食、蔬菜、水果等作物生长的大本营，是人们能够生存繁衍的基础。但是随着经济迅速发展，技术手段不断更新，化肥、农药、工矿、石油等行业的全球发展，大量的重金属进入大气、水体，最终通过沉降、吸附、络合-螯合等形式进入土壤并超过土壤的自净能力，从而造成土壤重金属污染。2014年颁布的《土壤污染调查公报》中表明：中国大陆地区受重金属污染较为严重，全国总土壤超标率为16.1%，其中 Cd的点位超标率为7%、Pb为1.5%[1]。沉积在土壤中的重金属通过植物的吸收与植物根部进行离子交换进入植物体内，再通过摄食进入人体，且因不能被降解而在人体内富集，引起致癌、致畸和致突变等系列后果，最终危害人体健康[2-4]。

蚯蚓是土壤中体型最大、数量最多的无脊椎动物，由于体内含有多种特殊酶，可分解落叶，残渣等有机物，有助于解决环境污染问题[5-6]。有研究表明，蚯蚓能富集土壤中的锌(Zn)、铅(Pb)和镉(Cd)等微量重金属[7]，可以用于畜禽粪便、重金属污染土壤和城市污泥等污染的处理当中[8-9]。蚯蚓靠皮肤感知外界温度、酸碱度以及进行呼吸，当土壤中酸碱度偏高、偏低时，蚯蚓可能会出现脱水萎缩、体色变黑等症状，抑制其生存[10]，进而影响对重金属的修复效果。本研究采用盆式养殖的方法，通过对不同pH条件下模拟Cd、Pb污染土壤中蚯蚓生物量、蚯蚓体内Cd、Pb含量以及土壤有效态Cd、Pb含量等指标的测定，探讨土壤酸碱度对蚯蚓生长及Cd、Pb吸收的影响，以期为受重金属污染的土壤修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤：取自贵阳市乌当区鱼洞峡后山农用地，挖取耕作层15～20 cm的土壤，分装入袋，带回实验室后，去除其中混杂的植物根茎物质和大块石头，置于阴暗、通风条件下自然风干，过5 mm筛备用。

供试蚯蚓：赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)，网上购买，其基本特征如下：表栖型，体长35～130 mm，一般短于70 mm，宽3～5 mm，体节数80～110，其活动主要集中在腐殖质层[11]。

1.2 污染土壤的制备

参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》管制值，以乙酸铅(优级纯)、氯化镉(优级纯)溶液形式制备模拟Cd、Pb复合污染土壤。制备后土壤有效态Cd、Pb含量分别为3.48 mg/kg和2215.62 mg/kg。将土壤置于上口直径23 cm，盆高22 cm，盆底直径18 cm的花盆中，每盆装土2.5 kg，老化1个月。

1.3 试验设计

本试验共6个处理，分别为：(1)C1：Cd、Pb污染，土壤pH值为6.72；(2)C2：Cd、Pb污染，土壤pH值为7.81；(3)C3：Cd、Pb污染，土壤pH值为9.04；(4)D1：无污染，土壤pH值为6.72；(5)D2：无污染，土壤pH值为7.81；(6)D3：无污染，土壤pH值为9.04。每个处理均设置三个重复，每盆接种25 g赤子爱胜蚓，均覆盖一层筛网，防止蚯蚓逃跑并进行遮光处理，蚯蚓饲养盆放置于阴凉的实验室内，在自然环境温度条件下培养，蚯蚓饲养盆底部设有透气孔，为防止蚯蚓从透气孔逃逸，在容器底部放置细孔纱布。盆内土壤湿度大致控制在田间持水量的50%～60%，培养50 d后，试验结束，捡出蚯蚓，计算活体蚯蚓数量并称重。将称重后的蚯蚓，先进行吐泥处理，再将蚯蚓冷冻至死，然后至于烘箱中105℃、8 h烘干并研磨成粉。

1.4 测定项目

蚯蚓重量：采用随机挑选15条，用万分之一天平称重，得出单条重量； 蚯蚓体内Cd、Pb含量：采用HNO3+H2O2体系，置于微波消解仪经表1程序消解，转移定容后，原子吸收分光光度法测定；土壤有效态Cd、Pb含量测定：采取0.1 mol/L盐酸浸提，原子吸收分光光度法测定；土壤酸碱度测定：采用去CO2水浸提(水土比2.5∶1)，pH电极测定。

表1 蚯蚓样品微波消解温度与时间

1.5 数据分析

所得数据先用Excel2016求平均值与标准差，然后用SPSS 19.0软件进行方差分析，用LSD法进行多重比较，差异显著水平为5%。

2 结果与分析

2.1 不同土壤pH条件下蚯蚓生长状况

试验后所有处理的蚯蚓数量相较于试验前均呈下降趋势(表2)。无重金属污染时，三个pH条件下蚯蚓的存活率分别为8.33%(D1)、80.60%(D2)和68.92%(D3)。当土壤pH值为6.72时，蚯蚓生长状况最差，其重量比pH值为7.81和9.04时显著降低了93.77%和92.35%(P<0.05)，存活率比pH值为7.81和9.04时显著降低了89.67%与87.91%。当土壤受到Cd-Pb复合污染后，蚯蚓的生长进一步受到抑制。通过观察和计算发现，C1处理组土壤中蚯蚓全部死亡，而C2、C3处理组蚯蚓的数量平均只有45和21条，比对应的无污染的D2、D3处理组少了13.33和26.33条；蚯蚓的重量相比无污染处理组分别少了3.78 g和5.20 g，存活率也相对降低了24.02%和43.24%。当污染程度一致时，蚯蚓存活率在不同pH值条件下的大小顺序为pH值7.81> pH值9.04> pH值6.72，各处理间差异达到显著水平(P<0.05)。

表2 试验前后蚯蚓生长状况

2.2 不同土壤pH值条件下蚯蚓体内Cd、Pb含量

从表3可以看出，无重金属污染时，三个pH值条件下蚯蚓体内Cd含量分别为1.28(D1)、3.89(D2)和3.34 mg/kg(D3)，各处理间差异不显著(P>0.05)；Pb含量分别为0.00(D1)、24.24(D2)和3.30 mg/kg(D3)，D1与D3差异不显著，但D2显著高于其余两个处理(P<0.05)。土壤受到Cd-Pb复合污染后，蚯蚓体内的两种重金属含量也相应增加。除pH值为6.72时蚯蚓全部死亡无法测得其体内Cd、Pb含量以外，土壤pH值为7.81与9.04时蚯蚓Cd含量分别是无污染处理组的19.53倍和39.43倍，Pb含量分别是无污染处理组的83.08倍和526.04倍。

表3 不同pH值条件下蚯蚓体内Cd、Pb含量

2.3 不同pH值条件下土壤有效态Cd、Pb含量

试验后各处理的土壤有效态Cd、Pb含量状况见表4。无污染时，三个pH值条件下土壤Cd的有效态含量与试验前相比分别减少61.54%(D1)、0%(D2)和53.85%(D3)，各处理间差异不显著(P>0.05)；土壤Pb的有效态含量无明显差异，但与试验前相比分别减少58.79(D1)、58.22(D2)与58.57 mg/kg(D3)。土壤受Cd-Pb复合污染后，其有效态Cd 、Pb含量在不同pH值之间无明显差异(P>0.05)，但与试验前相比有效态Cd含量分别减少6.61%(C1)、8.05%(C2)和4.89%(C3)；有效态Pb含量减少9.19%(C1)、2.50%(C2)与3.62%(C3)。

表4 不同pH条件下土壤有效态Cd、Pb含量

2.4 土壤pH值变化

由表5可知，试验后Cd-Pb复合污染土壤pH值分别为6.88(C1)、7.32(C2)、8.21(C3)，而无污染土壤试验后酸碱度分别为7.24(D1)、7.65(D2)与8.27(D3)。表明三种pH值条件下的土壤，经过试验后其酸碱度总体上呈下降趋势，降幅大小顺序表现为C3>C2>C1和D3>D2>D1。在Cd-Pb复合污染土壤中，C1处理组土壤酸碱度比试验前上升0.16个单位，而C2、C3处理组分别减少0.49和0.83个单位。无污染土壤中，D1处理土壤pH值与试验前相比上升了0.52个单位，D2与D3时分别减少了0.16与0.77个单位。说明一方面，土壤pH值不同，导致蚯蚓的存活状态不同；另一方面，蚯蚓的生命活动，也反作用于土壤酸碱度。

表 5 试验后各处理土壤pH值

3 讨论

根据蚯蚓特化的生态功能和适应能力，Boucher[12]将其划分为表层种、内层种、深层种3种生态类型。本次试验选用的赤子爱胜蚓属于表层种，生活在土壤表层的有机质中，以环境中丰富的有机腐殖质为食。本次试验未外源施加有机质，长时间试验可能导致土壤中有机质含量下降，因此即使无重金属污染处理组蚯蚓生物量相对试验前也呈下降趋势。土壤pH值对蚯蚓的存活状态有很大影响，表现为pH值为6.72时蚯蚓存活率最低，只有8.33%；pH值为7.81时最高，达80.60%，这与张振军[13]等的研究结果不一致，可能与本研究所用土壤类型、其他有害元素的有效性和室内培养环境等因素有关，具体原因有待进一步探索。通过对比本研究中同一酸碱度下土壤中蚯蚓的存活率可知，Cd-Pb复合污染对蚯蚓产生了毒害作用，抑制其生长。可能是Cd-Pb复合污染破坏了蚯蚓体内的抗氧化酶、酸性磷酸酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等酶活性，使其抵抗重金属的能力下降[14-15]。

自发现蚯蚓能够作为土壤重金属污染程度指示动物以来[16-17]，大量研究表明蚯蚓对重金属有富集作用，李敏等[18]发现蚯蚓在污染土壤中，其体内Cd含量最大可达7.92 mg/kg；寇永纲[19]的研究也证明了蚯蚓对Pb的富集量可达0.386 mg/条。本研究中，Cd-Pb复合污染土壤中蚯蚓体内Cd、Pb含量分别为75.98～131.71 mg/kg和1735.93～2013.97 mg/kg，表明蚯蚓对重金属有一定富集作用，且在pH值为7.81时Pb富集量最大，pH值为9.04时Cd富集量最大，这是因为在一定范围内，土壤有效态重金属含量与土壤的pH值呈显著相关关系，影响蚯蚓的吸收[20]。从总量上来看，赤子爱胜蚓更适宜在中性和弱碱性条件下对重金属进行富集，此结果与前人的研究结果一致[21]。

蚯蚓活动可以改变土壤酸碱度[22]，Cheng和Wong[23]等的研究表明高砂土接种蚯蚓后土壤pH值上升，而红壤的pH值则表现为下降。韩桂欧[24]等人在研究林下养殖蚯蚓对盐碱地土壤和苗木生长的影响时，发现蚯蚓可以降低盐碱地土壤的pH值。本研究中，接种蚯蚓后各处理土壤pH值整体上呈现为下降趋势，这可能是由于蚯蚓活动导致土壤中的有机质矿化、氨化、硝化以及反硝化等过程发生改变，对土壤酸碱度起到了调节作用[25]。

4 结论

(1)当pH值为6.72时，蚯蚓在Cd-Pb复合污染土壤中全部死亡；当土壤 pH值为7.81时存活率和单个蚯蚓重量最大。

(2)当Cd-Pb复合污染土壤pH值为9.04和7.81时，蚯蚓对重金属具有一定的吸收能力，且以pH值为7.81时富集总量最大。

(3)当pH值为9.04 时，污染土壤中有效态Cd比另外两个pH值梯度(pH值为6.72和7.81)分别高1.81%和3.32%；当pH值为7.81时，土壤有效态Pb含量比另外两个pH值梯度(pH值为6.72和9.04)高6.86%和1.14%。