蚯蚓肥对铜锌污染土壤中紫花苜蓿生长及重金属累积的影响

贾亚敏，刘伟，王琪，张永波，王建武，杨永亮，李京玲*

（1. 太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024；2. 山西省地质调查院，山西太原 030006）

据《全国土壤污染状况调查公报》和《中国耕地地球化学调查报告（2015）》，我国土壤污染超标率为16. 1%，其中中度、轻度和轻微污染土壤占比15%，超标点数占全部的82. 8%，并以镉、铜、锌、铅等重金属污染为主［1，2］。由于工业生产和工业废水的农业灌溉、化肥和杀虫剂的大量使用，铜和锌等重金属对生物圈的污染急剧增加［3］。《土壤污染防治行动计划》明确提出针对污染土壤应“着力推进安全利用”，“到2020 年，轻度和中度污染耕地实现安全利用的面积达到4 000 万亩”［4］，现已进入农田重金属污染防治的关键时期，亟待安全高效的可持续利用措施的实践应用［5］。

植物修复是一种绿色经济的土壤修复技术，广泛用于重金属中轻度超标土壤的修复改良［6，7］，但受气候及污染特征影响，存在修复植株生长缓慢、生物量低且对重金属积累具有专一性，极大地限制了植物修复的大规模应用［8，9］。选取适宜的修复植物并探索能促进其在重金属污染环境中适应生长的有效途径具有实践意义。紫花苜蓿能够在中度污染的土壤中耐受和生长［10］，并在根部大量富集镉、铜和锌等重金属［11］，修复过程中可借助接种有益微生物［3，12］或施用有机肥［13］等辅助强化方法，促进苜蓿植株生物量积累并提高其对重金属污染物的富集转运以调控植物修复过程。

蚯蚓肥也称“有机肥之王”，是蚯蚓摄食土壤中有机质后消化排出的粪便，具有独特的物理、化学和生物活性，施入土壤后可改变重金属生物有效性［14］，在重金属污染土壤的高效修复中具有应用潜力［15］。刘伟等［16］研究发现，施用蚯蚓肥可促进污染环境中紫花苜蓿生长并有效提升植株的重金属富集能力。对于蚯蚓肥在植物修复中是发挥肥力作用，还是调控土壤重金属的生物有效性，或是综合作用，尚无直接证据，有待进一步研究。

本研究以Cu 和Zn 复合污染农田土壤为修复对象，选取北方适生紫花苜蓿（Medicago sativaL.）为修复植物，以不同用量蚯蚓肥作为强化措施，研究蚯蚓肥对紫花苜蓿生长、重金属转运及土壤中重金属赋存形态占比的影响，以期揭示其对土壤-修复植物系统中重金属转运的调控过程。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

研究区位于山西省忻州市繁峙县砂河镇，属典型北温带大陆性气候。该区土质类型为砂壤土，耕层（0～20 cm）土壤pH 值为8. 0，有机质含量（OMC）为14. 11 g·kg-1，土壤脲酶活性为545 U·g-1，阳离子交换量（CEC）为102. 63 mm·kg-1。0～100 cm 深土壤样品中主要重金属含量见表1，Cu、Zn、As、Hg 和Cd 等重金属不同程度高于农用地土壤污染风险筛选值（GB15618-2018），As、Hg 和Cd 含量未高于风险管制值。

表1 研究区不同土层土壤中重金属含量的分布特征Table 1 Characteristics of heavy metal content in different soil layers in the study area

1. 2 试验材料及小区布设

试验所用蚯蚓肥购自河北省三河沃龙蚯蚓养殖场，基本性质为：pH 7. 05，有机质含量280. 55 g·kg-1，全氮1. 96 g·kg-1，全磷3. 42 g·kg-1，全钾10. 15 g·kg-1，碱解氮435. 65 mg·kg-1，速效磷460. 15 mg·kg-1，铜、锌、砷、汞、铅和镉全量含量分别为38. 12、132. 04、3. 13、0. 09、9. 62 和0. 32 mg·kg-1。 紫花苜蓿种子购自当地农资市场。

在重金属超标田间布设蚯蚓肥调控紫花苜蓿修复生长随机区组试验，仅种植紫花苜蓿且不施用任何肥料处理作为对照（CK），施用不同用量蚯蚓肥为处理，其中Q-L：1 kg·m-2、Q-M：2. 0 kg·m-2、Q-H：4. 0 kg·m-2，蚯蚓肥于紫花苜蓿播种前一次性施入，种植期间不再施用任何肥料。各处理设3 次重复，小区面积5 m×5 m。紫花苜蓿为穴播种植后间苗定植，每穴留苗5 株，穴间距30 cm。试验时间为2019 年5 月～10 月，5 月15 日播种，10 月15 日整株收获。在紫花苜蓿生长的苗期（T1）、分枝现蕾期（T2）、初花期（T3，第一次刈割，留茬10 cm）、第二次刈割（T4，第一次刈割后30 d，留茬10 cm）、最后收获（T5，第二次刈割后30 d，整株收获）五个时期进行样品采集和相应指标测定，测量指标包括株高、地上和地下部分生物量干重及铜和锌全量含量；收集根际土壤样品，用于土壤理化性质、铜和锌各赋存形态含量和脲酶活性测定。

1. 3 分析测定方法

紫花苜蓿株高采用卷尺测量植株基部到最高分枝处高度；生物量以单株计，地上部分为不同采收期留茬10 cm 收割所获，地下部分为最后采收时获得，用蒸馏水清洗后干燥至恒重后测得，单株生物量为生长修复期内两次刈割地上部分和最后一次收割的整株部分生物量干重之和。干燥后植株样品经粉碎后于干燥容器中保存。

紫花苜蓿修复生长结束后，连根拔出植株后抖动收集根际土壤并用小毛刷将根系土壤刷下，用于测定根际土壤pH 值、阳离子交换量、脲酶活性、土壤有机质含量以及铜和锌不同赋存形态含量。植物中铜和锌全量含量测定时应用HNO3和HClO4进行消化样品，通过原子吸收分光光度计测定。

土壤pH、氮、磷、钾等常规指标测定参考GB/T 17767. 1-2008 进行。

土壤脲酶活性委托青岛某质量检测有限公司采用酶联免疫法测定。

土壤重金属赋存形态分析参照改进BCR 连续提取法进行［16，17］，土壤中重金属的弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态含量测定应用原子吸收分光光度计测得，各重金属含量总量为四种不同赋存形态含量之和。

计算植物重金属转运系数（TF：Translocation factor）（植物地上、地下部分重金属质量分数之比）和重金属富集系数（BF：Bioconcentration factor）（植株收获部分重金属含量与土壤中同种重金属含量之比）［18］并比较植株的重金属富集和转运特征。

1. 4 统计与分析

数据采用Excel 2013 中单因素方差分析进行统计分析，最小显著差数法对数据进行差异显著性检验。运用Origin 8. 0 作图。

2 结果与分析

2. 1 蚯蚓肥用量对紫花苜蓿株高和生物量的影响

分别于苗期、现蕾期、初花期、第二次刈割和收获时5 个阶段比较不同处理对株高的影响（图1）。在紫花苜蓿生长的苗期，不同处理对紫花苜蓿株高未产生显著差异（P＜0. 05）；分枝现蕾期、初花期第一次刈割以及第二次刈割时，与对照处理相比，施用蚯蚓肥的各处理均可有效促进株高增加（P＜0. 05）；不同用量蚯蚓肥处理之间，中和高用量处理间植株株高有显著差异（P＜0. 05）；T5 时期，各处理之间株高无显著差异。在紫花苜蓿分枝现蕾期和初花期，蚯蚓肥对株高的促进作用，表现出随蚯蚓肥用量增加，促进植株株高增加的作用越大；刈割一次后，紫花苜蓿株高未能超过刈割前植株株高，收获时紫花苜蓿株高未超过前次刈割时植株株高；不同蚯蚓肥用量对株高的影响在苜蓿生长后期逐渐减小。

图1 不同蚯蚓肥用量处理下紫花苜蓿株高变化Fig.1 Plant height changes of M. Sativa treated with different amount of vermicompost

与对照相比（表2），苗期不同用量蚯蚓肥处理对紫花苜蓿植株地上部分生物量未产生显著影响；分枝现蕾期、开花期、第二次刈割和最后收获的4 个时期，与对照相比，施用蚯蚓肥可显著促进植株地上部分生物量积累（P＜0. 05），且低用量和中用量处理之间有统计学差异（P＜0. 05），但中用量和高用量蚯蚓肥处理之间，对紫花苜蓿植株地上部生物量积累未产生显著差异，但对地下部分生物量积累有显著影响（P＜0. 05）。

2. 2 蚯蚓肥用量对紫花苜蓿植株中铜和锌富集和转运特征的影响

生产实践中紫花苜蓿生长到初花期时才能确保一定的生物量积累，此时采收具有经济效益。因此，设定初花期为第一次刈割采收期，并比较T3、T4 和T5 时期地上和地下部分干物质积累及重金属富集特征的差异。与对照相比（表3），施用蚯蚓肥对植株地上部分中Cu 含量、植株对Cu 的转运和富集系数均有显著影响（P＜0. 05），可不同程度地提高紫花苜蓿对土壤中Cu 的转运和富集；不同用量蚯蚓肥处理之间，低和中用量蚯蚓肥处理间植株地上部分中Cu 含量有显著差异（P＜0. 05），但中和高水平蚯蚓肥处理对植株地上部分Cu 含量未产生显著差异（P＜0. 05）。与各时期对照相比，施用蚯蚓肥均能促进植株地下部分Cu 含量增高（P＜0. 05）；与低水平蚯蚓肥用量相比，中和高水平蚯蚓肥用量可显著促进植株地下部分Cu 含量增高（P＜0. 05）；而在T4 和T5 时期，不同用量蚯蚓肥处理间均有显著差异（P＜0. 05）；紫花苜蓿植株在T3 时期的转运和富集系数均大于T4 和T5 时期。蚯蚓肥可提高紫花苜蓿植株对Cu 的转运系数，并将转运系数提高到0. 70，富集系数提高到0. 13，但生长后期差距变小。

蚯蚓肥对紫花苜蓿地上和地下部分Zn 含量影响如表3 所示，与对照处理相比，施用蚯蚓肥对各采样时期植株地上和地下部分Zn 含量、植株对Zn 的转运和富集系数均产生显著影响（P＜0. 05）；不同用量处理间，蚯蚓肥对紫花苜蓿植株地上、地下部分Zn 含量、植株对Zn 的转运和富集系数无显著影响（P＜0. 05）；T5 时期，与低用量处理相比，中和高用量蚯蚓肥处理可促进植株地上部分Zn 含量增高（P＜0. 05）。不同用量的蚯蚓肥处理，对植株地上和地下部分中Zn 含量影响稍有不同。蚯蚓肥处理可提高紫花苜蓿植株对Zn 的转运系数，并将转运系数提高到0. 90，在T3 时期将Zn 的富集系数提升到0. 61，不同处理间转运和富集系数的差异随着生长时间推进而缩小，到T5 时期各处理间富集系数无显著差异。

根据紫花苜蓿生长修复各时期生物量积累及植株富集重金属铜和锌的含量变化，估算并比较一个修复生长季后单株紫花苜蓿富集重金属的能力。如图2 所示，与对照相比，施用蚯蚓肥可显著促进植株对铜和锌的富集量（P＜0. 05）；不同用量蚯蚓肥处理之间，中和高用量蚯蚓肥可显著提高植株对铜和锌的富集量（P＜0. 05），但中和高用量处理之间无显著差异。蚯蚓肥处理下单株紫花苜蓿富集铜和锌总量分别为0. 57 和1. 12 mg，是对照处理的2. 19 和1. 78 倍。

图2 生长修复后单株紫花苜蓿富集Cu 和Zn 的总量Fig.2 The concentration of heavy metals Cu and Zn in M. Sativa after one growing season

2. 3 蚯蚓肥用量对耕层土壤中重金属生物有效性的影响

本研究中所测4 种重金属赋存形态中，残渣态和氧化态较为稳定，还原态和弱酸态重金属具有较强的生物有效性。蚯蚓肥辅助紫花苜蓿修复铜锌污染土壤的过程中，不同用量蚯蚓肥处理对耕层土壤中各形态Cu 占比的影响：T1 时期，对照处理中残渣态和氧化态铜占比均较高，还原态和弱酸态占比较低；经过蚯蚓肥处理后，残渣态和氧化态铜占比减少，还原态和弱酸态铜占比增加；随着修复生长时间增加，不同处理下各形态铜占比情况类似，表现出残渣态和氧化态铜占比减少，还原态和弱酸态铜占比增加趋势（图3）。紫花苜蓿生长及蚯蚓肥施入可促进耕层土壤中残渣态及氧化态Cu 向还原态及弱酸态Cu 转化，使土壤中Cu 的生物有效性增强。与各时期对照相比，不同用量蚯蚓肥施用对土壤中Cu 各形态占比影响较小。

图3 不同蚯蚓肥用量及紫花苜蓿生长对耕层土壤Cu 各赋存形态占比的影响Fig.3 Effects of different amounts of vermicompost treatment and M. Sativa growth on Cu occurrence mode in topsoil

紫花苜蓿生长修复各时期，不同用量蚯蚓肥对耕层土壤中各形态Zn 占比：T1 时期，各处理中残渣态和氧化态Zn 占比均较高，而还原态和弱酸态占比较低，从T2 时期到收获，各处理中残渣态和氧化态Zn 占比均减少，还原态Zn 占比增加趋势明显，弱酸态Zn 占比也呈增加趋势；耕层土壤中Zn 以还原态为主。与对照相比，不同用量蚯蚓肥处理中，残渣态和氧化态Zn 占比较低，还原态和弱酸态Zn 占比稍高；各时期氧化态Zn 占比变化不大，主要在于残渣态Zn 的活化（图4）。紫花苜蓿生长及蚯蚓肥施入，促进耕层土壤中残渣态和氧化态向还原态及弱酸态转化，使土壤中Zn 的生物有效性增强。与各时期对照相比，不同用量蚯蚓肥施用对土壤中Zn 各赋存形态占比均有影响。

2. 4 蚯蚓肥用量对土壤性质的影响

为进一步探明种植紫花苜蓿和施用蚯蚓肥对铜锌污染土壤理化性质的影响，选取并计算修复后土壤性质各指标的变化量，结果如表4 所示，仅种植紫花苜蓿的对照中，修复结束时土壤pH 值轻微下降；施用蚯蚓肥的处理下土壤pH 值下降幅度在-2. 27～-2. 13；与对照相比，施用蚯蚓肥可促进耕层土壤中阳离子交换量显著增加（P＜0. 05），不同用量蚯蚓肥处理之间，对阳离子交换量的影响无显著差异；与对照相比，施用蚯蚓肥可促进耕层土壤有机质含量显著增加（P＜0. 05），同时，不同用量蚯蚓肥处理之间，对阳离子交换量有显著影响（P＜0. 05）；与对照相比，施用蚯蚓肥对土壤脲酶活性影响无显著差异，不同用量蚯蚓肥处理之间，也无显著差异。表明一个生长季后，仅种植紫花苜蓿以及增施蚯蚓肥的各处理，土壤pH 值较修复前降低了1. 81～2. 27 个单位，土壤阳离子交换量及有机质含量增加6. 04%～15. 19%，土壤脲酶活性提升19. 07%～22. 21%。

表4 不同蚯蚓肥用量对土壤pH 值、阳离子交换量、有机质含量及脲酶活性的影响Table 4 Effects of different amounts of vermicompost on soil pH value，cation exchange capacity（CEC），organic matter con⁃tent（OMC）and urease activity（UA） 单位：%

3 讨论

紫花苜蓿对不同程度铜污染［19］，铅污染［20］，镉、铅、铜、锌复合污染［21］，多环芳烃［22］等多种污染类型的土壤均有修复应用潜力，对其适时刈割［23］，或在根际接种促生菌［24］等措施，能改善并提高紫花苜蓿对污染环境的适应和修复能力。本研究通过分析蚯蚓肥对紫花苜蓿生物量积累和重金属转运等特征的影响，表明以2 kg·m-2蚯蚓肥用量作底肥，可促进紫花苜蓿生物量显著增加，与将蚯蚓肥用于桂牧1 号象草研究结果类似［25］，施用2. 55 kg·m-2蚯蚓肥能有效促进牧草产量增加和品质改善。

植株重金属转运系数被认为是评价植物提取重金属潜力的重要指标［26］。在紫花苜蓿修复铜污染土壤中，混合接种黏菌芽孢杆菌和耐重金属根瘤菌，可将紫花苜蓿对铜元素的转运系数提高到0. 65［27］。本研究首次发现施用蚯蚓肥可促进紫花苜蓿植株地上、地下部分对铜和锌的积累和转运，对重金属铜和锌的转运系数分别达到0. 70 和0. 90。表明在紫花苜蓿修复中，辅以一定用量的蚯蚓肥基肥处理，可促进紫花苜蓿在根部富集重金属并向地上部分转运。

本研究发现仅种植紫花苜蓿以及辅以蚯蚓肥的各处理，对紫花苜蓿根际土壤阳离子交换量、有机质含量和脲酶活性有不同程度的提升效应，可降低土壤pH 值并改变根系土壤中重金属生物有效性，表明了铜和锌污染土壤修复中紫花苜蓿与蚯蚓肥的复杂协同效应，蚯蚓肥既发挥肥力作用，促进植株生长，还可改善根际重金属污染环境，促进土壤中铜和锌从稳定形态向活性形态转变。这可能与蚯蚓肥施入后土壤微生物活性及苜蓿植株适应重金属胁迫环境的可塑性有关。蚯蚓肥对土壤重金属生物有效性的改变，也可能与元素种类及其在土壤中的赋存形态有关，需进一步开展蚯蚓肥与修复植物根际微环境间的交互作用研究。

4 结论

将蚯蚓肥以2 kg·m-2用量水平的底肥形式施入，可有效促进紫花苜蓿在铜锌超标土壤环境中株高、地上和地下部分生物量增加，同时将植株对土壤中重金属铜和锌的转运系数提高到0. 70 和0. 90；蚯蚓肥施入可促进土壤中残渣态和氧化态赋存形态的重金属向还原态和弱酸形态转变，改变根际土壤的重金属生物有效性。重金属污染环境的植物修复应用中可将提升土壤肥力，改变土壤中重金属生物有效性及刈割等多种调控措施联合应用。此外，也可结合生产实践中刈割后追肥的措施以提高生物量积累，最终达到提高植物修复重金属污染土壤的目的。