狗牙根根际土壤pH、有机质含量及重金属形态分布

张云，费艳旭,孙琪旗，蒋芳舒，陈金发

(1.西昌学院资源与环境学院,四川 西昌 615000；2.凉山州林业和草原局，四川 西昌 615000)

铜冶炼渣是铜冶炼行业中一种主要的固体废弃物，组成成分复杂，渣中不但含铜、铁、锌、金、银等有色金属，也含有砷、铅等剧毒原物物质[1]。铜冶炼废渣因露天堆放，不但占用大量的土地资源，废渣中的重金属也会随着雨水冲蚀及地表径流进入土壤中。土壤重金属污染会影响植物的生理生化过程且会通过植物进入食物链，最终进入人体，而当人体重金属浓度超过安全阈值时，就会引发癌症、免疫系统疾病、神经疾病和糖尿病等多种健康问题[2]。环境科学研究表明，土壤中重金属元素除了总浓度外，还应该测定元素的存在形态，才能全面地评价重金属元素对环境和生态体系的影响[3]。国内外学者对重金属的形态类型进行了不同的分类，1979年，Tessier等[4]提出的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态；1985年，欧共体标准测量与检测局(Bureau Community of Reference，BCR)提出BCR三步提取法[5]，1999年，Rauret等[6]提出改进的BCR形态分析法，将重金属形态分为弱酸提取态、可还原态，可氧化态和残渣态。重金属对环境的影响和生物毒性不仅与重金属总量息息相关，还与重金属的形态密不可分，土壤中有害重金属元素的弱酸提取态、可还原态，可氧化态均为不稳定形态，易在环境中迁移转化而对生物产生危害，而土壤中的残渣态相对比较稳定，不易被植物吸收[7]。土壤重金属各形态的含量受土壤理化性质影响，其中土壤pH与其关系密切[8]，而土壤有机质因含有羟基、羧基、甲氧基及胺基等功能基团，能与重金属进行交换吸附或发生络合反应，对重金属在土壤中的存在形态也有一定影响[8-10]。重金属在土壤中能够被植物吸收的主要是其活性部分，即有效态部分，重金属形态变化会影响到其对生物的毒性及植物对其的吸收[11]。故明确土壤植物修复过程中pH和有机质对重金属形态转化的影响，才能更好地了解植物修复重金属污染土壤过程中的影响因素，对重金属污染土壤的植物修复提供更多理论基础。

植物修复与其他土壤治理方法如化学修复技术、物理修复技术、固化/稳定修复技术相比，具有高效、安全及生态协调性等优势[12]。狗牙根(Cynodondactylon)，隶属于禾本科(Gramineae)狗牙根属，是暖季型草种之一，广泛分布在热带、亚热带及温带沿海地区。狗牙根具有耐践踏、耐盐碱、耐旱、适应性强、繁殖快、根茎发达等特点。李凤梅等[13]研究发现狗牙根体内重金属镉、锰、铅和锌的含量均高于正常植物重金属含量，为重金属耐性物种。狗牙根也被诸多学者列为矿山修复的优选植物之一[14]。本文选择狗牙根进行盆栽试验，研究狗牙根对不同基质内重金属形态及基质化学性质的影响，为重金属污染土壤的修复、治理提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 供试土壤

供试土壤分别取自西昌市某冶炼厂矿渣堆放地和西昌学院校内空地，土壤分别为矿渣土和自然土，采集时取0～20 cm的表层土壤。采样时间均为2018年10月13日，采集后马上运至实验室，自然风干，捡出里面的石块和植物残体，过10目尼龙筛备用。

1.2 供试狗牙根

供试狗牙根分别采集于西昌市某冶炼厂矿渣堆放地和西昌学院校内，挑选长势相近的茎秆，截取5 cm长的狗牙根茎，保留2个芽点。将其扦插进预先准备好的盛有营养土的育苗盘中，放在实验室阴凉处，进行培育。喷水十次/d，保持土壤微微湿润。40 d左右，将成活后外形相近的植株移栽进塑料盆中。

1.3 盆栽实验

塑料盆内分别盛过筛后的矿渣土(标记K)、自然土(标记Z)500 g，每个塑料盆(内径12.5 cm)内种植1株成活的狗牙根，共设4个处理：采用自然土的狗牙根-自然土(标记ZZ)、采自自然土的狗牙根-矿渣土(标记ZK)、采自矿渣土的狗牙根-自然土(标记KZ)和采自矿渣土的狗牙根-矿渣土(标记KK)，每个处理设置10个平行样，置于实验室内培养，每天用去离子水浇透，100 d后收集植物根系土壤。采用抖落法分别取每个处理存活植株的根际土壤混合样，置于牛皮纸上自然风干，风干土壤分成2份，1份过20目筛用于测定pH值和有机质，1份过100目筛用于测定土壤重金属全量及各形态含量。

图1 不同处理方法标识示意图Fig.1 Identification diagram of different treatment methods

1.4 测定指标与方法

土壤的pH值采用去离子水提取，电位法测定(液土比为2.5∶1)；土壤有机质(SOM)采用水合热重铬酸钾氧化-比色法[16]测定；土壤中Pb、Zn、Cd、Cr和Cu全量采用微波消解仪(上海屹尧 WX-4000)用HNO3-HCl-HF(6 mL+3 mL+2 mL)进行消解后赶酸，定容后用原子吸收分光光度法(北京普析 TAS-990)测定；土壤中Pb、Zn、Cd、Cr和Cu的化学形态采用改进BCR连续提取法[17]测定。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值和有机质变化

狗牙根培养100 d后，供试土壤的pH都降低。种植于自然土的狗牙根100 d后，土壤pH值分别下降了0.22、0.10，相对变化率为2.87%、1.31%，而种植于矿渣土的狗牙根100 d后，土壤pH值分别下降了0.23、0.25，相对变化率为2.96%、3.21%，其中KK处理pH值相对变化率最大，KZ处理pH值相对变化率最小，狗牙根在原生环境中pH值变化更明显。有机质却呈现相反的趋势，种植于自然土的狗牙根100 d后，土壤有机质含量分别上升了0.300%、0.373%，相对变化率为7.42%、9.23%，种植于矿渣土的狗牙根100 d后，土壤有机质含量分别上升了0.296%、0.523%，相对变化率为6.58%、11.63%，其中KK处理有机质相对变化率最大，ZK处理有机质相对变化率最小(表1)。

表1 土壤pH和有机质含量

2.2 不同处理重金属全量结果和显著性分析

对种植前后土壤中Pb、Zn、Cd、Cr和Cu重金属全量进行测定，2种基质中5种重金属含量特征表现不一致。自然土中5种重金属全量特征为Zn>Cu>Pb>Cr>Cd，矿渣土为Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。狗牙根种植100 d后，土壤的Pb、Cu、Zn、Cd和Cr 5种重金属含量都有降低，相对变化分别为4.74%～6.75%、3.77%～7.95%、2.16%～13.84%、10.14%～24.39%、7.46%～10.50%。2种土壤重金属变化特征也不一致，自然土中5种重金属变化特征为Cd>Zn>Cr>Pb>Cu，而在矿渣土中变化特征为Cd>Cr>Cu>Pb>Zn，自然土中KZ处理Cd相对变化率最大，矿渣土中ZK处理Cd相对变化率最大。狗牙根种植前后相比，除种植于自然土中的狗牙根根际土壤重金属Zn存在显著差异外，两种土壤基质中重金属全量在同种土壤基质不同处理间都不存在显著差异(表2)。

表2 土壤重金属全量

2.3 土壤重金属的形态变化

对种植前土壤以及狗牙根培养后根际土壤中的Pb、Cu、Zn、Cd和Cr重金属各形态进行测量，其中F1为弱酸提取态、F2为可还原态、F3为可氧化态、F4为残渣态。

2.3.1 Pb形态变化 在自然土中，Pb以残渣态为主，其次是可还原态，而弱酸提取态和可氧化态占比都较低。在矿渣土中，Pb同样以残渣态为主，而可氧化态含量比可还原态高(图2)，可还原态含量又比弱酸提取态高。在狗牙根种植100 d后，两种土壤弱酸提取态、可还原态和可氧化态的含量均降低，而残渣态含量都升高。其中，弱酸提取态变化最明显，为26.06%～35.26%。在自然土中，可还原态、可氧化态和残渣态的变化分别为9.88%～13.33%、16.40%～21.04%、2.07%～3.21%，而矿渣土为18.94%～20.19%、1.76%～2.17%、0.27%～0.66%。

图2 不同移栽方式下土壤中Pb的含量Fig.2 Percentage of different forms of soil Pb content under different transplanting methods

2.3.2 Cu形态变化 在自然土中，Cu以残渣态为主，其次是可氧化态、可还原态，而弱酸提取态的占比最低。在矿渣土中，Cu同样以残渣态为主，其次是可氧化态，而弱酸提取态和可还原态占比相差不大且相对较低(图3)。在狗牙根种植100 d后，两种土壤的弱酸提取态、可还原态和可氧化态含量相较于之前都有降低，而残渣态的含量都升高。其中，弱酸提取态变化最突出，为20.17%～30.34%，其次是可还原态，为9.15%～21.73%，可氧化态变化是6.12%～8.95%，残渣态变化最不明显，为0.66%～1.33%。

图3 不同移栽方式下土壤中Cu的含量Fig.3 Percentage of different forms of soil Cu content under different transplanting methods

2.3.3 Zn形态变化 在自然土中，Zn以残渣态为主，其次是可还原态，弱酸提取态和可氧化态占比相差不大且相对较低。在矿渣土中，Zn同样以残渣态为主，其次是可氧化态、可还原态，而弱酸提取态的占比最低。在狗牙根种植100 d后，两种土壤的弱酸提取态、可还原态和可氧化态含量相较于之前都有所降低，而残渣态的含量都有升高。其中，弱酸提取态和可还原态的变化比较明显，分别为21.93%～30.59%、24.12%～28.59%，可氧化态和残渣态变化相对不显著，自然土的变化分别是5.20%～7.94%、6.03%～9.47%，矿渣土为1.13%～1.30%和0.59%～0.65%。

图4 不同移栽方式下土壤中各形态Zn的含量Fig.4 Percentage of different forms of soil Zn content under different transplanting methods

2.3.4 Cd形态变化 在自然土和矿渣土中，Cd均以残渣态为主，其次是可还原态、可氧化态，而弱酸提取态的占比最低(图5)。在狗牙根种植100 d后，2种土壤的4种形态含量都有降低。而弱酸提取态、可还原态和可氧化态的变化相对明显，分别为35.45%～46.31%、17.92%～42.14%和12.96%～40.44%，残渣态变化相对不明显，为0.55%～2.61%。

图5 不同移栽方式下土壤中Cd的含量Fig.5 Percentage of different forms of soil Cd content under different transplanting methods

2.3.5 Cr形态变化 在自然土和矿渣土中，Cr以残渣态为主，其次是可氧化态、弱酸提取态，而可还原态的占比最低(图6)。在狗牙根种植100 d后，两种土壤的弱酸提取态、可还原态和可氧化态的含量相较于之前都有降低，而残渣态的含量都升高。在自然土中，可氧化态的变化明显，为27.07%～28.49%，其次是弱酸提取态，为22.23%～25.10%，可还原态的变化为12.24%～15.66%，残渣态变化最不显著，为0.46%～1.75%。在矿渣土中，弱酸提取态和可还原态的变化明显，分别为22.24%～30.77%、28.97%～31.10%，其次是可氧化态，为7.79%～9.73%，残渣态变化也不明显，为0.23%～0.55%。

图6 不同移栽方式下土壤中各形态Cr的含量Fig.6 Percentage of different forms of soil Cr content under different transplanting methods

在同种土壤5种重金属残渣态所占比例均最大，而弱酸提取态、可还原态和可氧化态在不同的重金属中呈现出不同的占比。而在两种土壤中，同一重金属的各形态占比也表现出不同的趋势。相较于狗牙根种植前，在栽培100 d后，两种土壤中重金属的弱酸提取态、可还原态和可氧化态含量均有下降。除重金属Cd的残渣态含量下降外，其他4种重金属残渣态含量上升。分析狗牙根种植前后土壤重金属各形态含量，两种土壤在狗牙根种植后与种植前相比，5种重金属的残渣态基本不存在显著差异，而其他3种形态大多表现出显著差异，同种土壤不同处理间重金属各形态含量的差异显著性表现不同。

3 讨论

种植狗牙根后的根际土壤pH值均有下降。郭华等[18]的研究表明，根际土pH值在不同时期变化明显。本研究发现根际土壤的pH值均下降，可能是植物在生长过程中植物根系分泌有机酸[19]，或是根际土壤中有数量较多的微生物，加强了代谢活动，从而影响养分的溶解度，使来自微生物群体的二氧化碳的浓度较高，导致根际土的pH值降低[20-21]。研究结果表明，狗牙根在原生环境中pH变化更加明显，这可能与植物在非原生环境中需要一段时间来适应新环境，而在原生环境中不需要适应有关。

根际土壤的有机质含量均升高，为0.163%～1.854%，且KK处理组中有机质相对变化率最大。这与周蜜等[22]的研究结论一致，这是因为微生物作为植物根系-土壤系统中的一个重要影响因子，可能是因为植物的生长影响了根系微生态环境，从而导致有机质增加，其机理有待进一步探究。

两种土壤的Pb、Cu、Zn、Cd和Cr 含量表现出不同的特征，自然土中的含量特征为Zn>Cu>Pb>Cr>Cd，矿渣土为Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。在狗牙根种植100 d后，自然土中重金属的变化特征为Cd>Zn>Cr>Pb>Cu，而在矿渣土中为Cd>Cr>Cu>Pb>Zn。种植狗牙根前两种土壤基质中Cd浓度最低，种植后Cd降低幅度均最大，这可能是因为一定Cd胁迫能够促进狗牙根的生长[23-24]而导致植物吸收Cd较多，导致土壤中Cd降幅较大。分析比较狗牙根种植前后重金属含量差异，说明狗牙根是用于重金属污染土壤修复的较好物种之一。

两种土壤的Pb、Cu、Zn、Cd和Cr 均以残渣态为主，弱酸提取态含量在各金属价态中占比都较低，这与王昌全等[25]研究稻麦轮作下水稻土重金属形态特征的结果基本一致，这说明植物能够直接吸收的重金属含量较低。在狗牙根种植100 d后，四种价态都有变化，其中弱酸提取态、可还原态和可氧化态含量降低，而除重金属Cd的残渣态含量降低外，其余四种重金属残渣态含量均有升高。结果表明残渣态相对稳定性最好，变化范围为0.23%～9.47%，可氧化态，可还原态和弱酸提取态稳定性较差，变化比较突出。其中，弱酸提取态相对变化最明显，可能是因为植物根毛直接从土壤中吸附存在于弱酸提取态中重金属，从而导致弱酸提取态的含量降低。可还原态和可氧化态在一定条件下可以部分转化为其他形态。刘霞等[26]研究表明随着pH值的下降，铁锰化物结合态和碳酸盐结合态的含量呈现出下降趋势。因此，可还原态含量降低可能是受pH值下降的影响，使重金属部分溶解，转化为离子交换态被植物吸收。赵冰等[27]研究表明，土壤中有机质含量升高可以使某些重金属如Cd、Zn等的溶解性增加，从而增加植物对重金属的吸收量。因此，也有可能是受到有机质的影响导致其含量下降，或者是两者共同作用的效果。而除重金属Cd的残渣态含量降低外，其他重金属残渣态含量增加，这可能与植物根系分泌物可增加某些有机物质，有机质和土壤中的重金属形成有机络合物，形成植物难以吸收利用的形态有关。

4 结论

相较于狗牙根栽培前的土壤，在狗牙根栽植100 d后，KK根际土壤的pH值下降幅度最大，而有机质含量上升最多，说明矿渣地栽植的狗牙根在胁迫环境中形成了适应能力。种植狗牙根后，两种土壤基质中重金属全量均下降，且对Zn、Pb、Cu、Cr、Cd的吸收均以弱酸提取态、可还原态和可氧化态为主，说明狗牙根是重金属污染土壤修复的较好物种之一。