土壤藻结皮对高镉农田表层土壤的改良作用研究

李鎏爽,谢作明,2*,裴福文,毛 青

(1.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430078;2.中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室,湖北 武汉 430078)

镉(Cd)是我国农业土壤中最常见的金属污染物[1]。农业土壤中的镉主要来自大气沉降和农业活动的施肥、添加污泥及污水灌溉[2-4]。镉被作物吸收进入食物链并在人体内富集[5-6]，导致人类罹患骨骼和肾脏疾病[7]。近年来，人们采用多种物理、化学和生物方法修复镉污染土壤[8]，其中生物修复被认为是一种成本低、效益高、环境友好的治理途径[9]。

土壤藻结皮(Soil Algal Crust，SAC)是土壤藻入侵土壤表面并经过一段时间生长发育后形成的一种生物土壤结皮[10]。生物土壤结皮由藻类、真菌、细菌和苔藓等生物与土壤颗粒胶结在一起而形成[11]。生物土壤结皮覆盖约12%的陆地面积[12]，在地表稳定[13]、地表径流的水分再分配[14]、水分蒸发[15]、碳氮固定[16]以及维管植物萌发和生长中发挥着重要的作用[17]。因此，生物土壤结皮被认为是生态系统工程师[18]。近年来，大量新的研究表明生物土壤结皮不仅是一种有效的盐碱地土壤修复方法[19]，还可以通过胞外聚合物(EPS)结合、细胞表面吸收、细胞内吸收和生物矿化[20]作用来有效修复稻田系统中的镉污染[21-23]，并通过重建受损土壤微生态、扩大不同微生物群落的发展、增强固氮酶活性，从而提高土壤的修复效率[24-25]。

本研究通过向高镉农田土壤表面接种土壤蓝藻，培植土壤藻结皮的盆栽实验，探究土壤藻结皮对高镉农田表层土壤的理化性质和镉污染修复的作用。该研究结果可为深入认识高镉农田土壤藻结皮的生态功能提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤蓝藻的筛选与培养

从湖北省大冶市松山村(30°10′41″N，114°52′33″E)采集自然土壤藻结皮样品，快速运回实验室备用。选取5 g新鲜土壤藻结皮置于500 mL的无菌三角锥形瓶中，并加入450 mL已灭菌的BG11培养基，实验室内光照、通气培养3 d，取藻悬液涂布在BG11固体培养基上，置于光照培养箱中培养，温度为25℃，光照强度为100 μmol/(m2·s)，光、暗周期为14 h∶10 h。当固体培养基表面出现单藻落时，挑取单藻落接种到BG11液体培养基中，按照上述方式继续纯化培养2次。显微镜镜检显示为一株丝状土壤藻，用于后续实验。经北京六合华大基因科技有限公司鉴定该藻为与Leptolyngbyasp.UIC 10068亲缘关系最近的细鞘丝藻。

1.2 土壤藻结皮盆栽实验

土壤样品采自湖北省大冶市松山村(30°10′41″N，114°52′33″E)农田表层0～20 cm土壤，土壤样品的理化性质见表1。根据《土壤污染风险管控标准 农用地土壤污染风险筛选值和管制值》(GB 15618—2018)，该土壤中Cd含量为2.53 mg/kg，已高于农用地土壤污染风险管制值2.0 mg/kg(5.5

表1 土壤样品的理化性质

将筛选的细鞘丝藻接种到BG11液体培养基中，按照上述条件培养至对数生长期，过滤后用去离子水清洗3次，重新悬浮于去离子水中，备用。将5 mL叶绿素含量为5.03 μg/mL的细鞘丝藻悬浮液均匀接种到培养皿中的土壤表面作为处理组；对照组土壤表面均匀添加等量去离子水。所有培养皿在25 ℃、100 μmol/(m2·s)光照强度和光暗周期 14 h∶10 h下连续培养，试验过程中通过恒重法保持土壤含水率为22.2%。处理组和对照组分别设4个平行对照，每隔20 d按照土壤表层以下0～0.5 cm、0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分层取样，每次土样取整体1/4，并用回填土保持完整性，使用薄膜将回填土和实验土隔开。

1.3 土壤理化性质测定方法

土壤分层样品经自然风干，研磨后过10目和100目筛，分析土壤的物理化学性质。土壤藻结皮层中叶绿素a含量采用乙醇提取-紫外分光光度法测定[26]；土壤的pH值采用电位法测定，提取剂为0.01 mol/L CaCl2溶液(土水比为1∶2.5)；土壤的含水率采用重量法测定；土壤中Cd含量经HNO3-HCl-HF体系微波消解，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定；土壤中阳离子交换量(CEC)采用三氯化六氨合钴浸提-紫外分光光度法测定；土壤中有机质含量采用重铬酸钾容量法测定；土壤中碱解氮含量采用碱解扩散法测定。

2 结果与讨论

2.1 土壤藻结皮层生物量

土壤藻结皮层生物量用叶绿素a含量表示。土壤表面接种细鞘丝藻后，0～0.5 cm土壤藻结皮层生物量随时间的变化曲线，见图1。

图1 0～0.5 cm土壤藻结皮层生物量随时间的变化曲线

由图1可知:在前20 d内0～0.5 cm土壤藻结皮层生物量缓慢增加；随着土壤藻结皮的发育，其生物量快速增加，在第20～40 d内，土壤藻结皮层生物量由0.10 mg/g DWSAC(干重藻结皮)增加至0.73 mg/g DWSAC；随后，土壤藻结皮层生物量继续增加，并在第80 d达到最大值(0.95 mg/g DWSAC)。可见，土壤藻结皮可以在高镉农田中正常生长。

2.2 土壤藻结皮对土壤中有机质含量的影响

土壤样品中有机质初始含量为22.6 g/kg(见表1)，土壤表面接种细鞘丝藻后，各分层土壤中有机质含量随时间和土壤埋深的变化趋势，见图2。

图2 土壤中有机质含量随时间和土壤埋深的变化趋势图

由图2可知，土壤表面接种细鞘丝藻后，各分层土壤中有机质含量均呈现随时间逐步增长的趋势。其中，最表层0～0.5 cm土壤中有机质含量增长最快，80 d后土壤中有机质含量达到36.5 g/kg，增加了61.5%;0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分层土壤中有机质含量最高值分别为29.6 g/kg、25.2 g/kg、24.7 g/kg和23.2 g/kg,表明土壤藻结皮以下土壤中有机质含量随土壤埋深的增加而越少。

土壤藻结皮具有“生物肥料”功能，可为土壤补充营养物质[27]。一方面，土壤藻结皮中叶绿素a含量随藻结皮的发育呈现增加的趋势，光合作用和固氮作用使土壤中有机质逐渐增多[28];另一方面，土壤藻结皮分泌物和残体等被微生物不断分解形成腐殖质，有效地促进了土壤中有机质和土壤养分的积累[29]。此外,土壤藻结皮层生物量的增加和水热因子的变化促进了土壤微生物生物量和多样性的增加[30-31]，进一步促进了土壤中碳、氮、磷和硫等养分的积累[32]。

2.3 土壤藻结皮对土壤pH值的影响

土壤表面接种细鞘丝藻后，各分层土壤pH值随时间和土壤埋深的变化趋势，见图3。

图3 土壤pH值随时间和土壤埋深的变化趋势图

由图3可知，土壤藻结皮各分层土壤的pH值均随着土壤藻结皮的发育而升高。其中，0～0.5 cm分层土壤的pH值增长最快，最高达7.02，0.5～1.5 cm、1.5～3 cm和3～5 cm分层土壤的pH值升高到6.56、6.38、6.29，5～7 cm分层土壤的pH值几乎没有变化，表明土壤pH值随着土壤埋深的增加，呈现pH值升高逐渐减缓的趋势。这可能是因为土壤藻的光合作用消耗了大量的CO2[33]，经过微生物分解后的有机酸如醋酸、琥珀酸和柠檬酸等也可以作为土壤藻的碳源，合成有机物，从而导致土壤的pH值上升。因此，生物藻结皮能有效改善高镉农田土壤的酸性问题。

2.4 土壤藻结皮对土壤中碱解氮含量的影响

土壤样品中碱解氮含量初始值为126 mg/kg(见表1)。土壤表面接种细鞘丝藻后，各分层土壤中碱解氮含量随时间和土壤埋深的变化趋势，见图4。

图4 土壤中碱解氮含量随时间和土壤埋深的变化趋势图

由图4可知，各分层土壤中碱解氮含量均呈现随时间逐步增长的趋势。其中，最表层0～0.5 cm土壤中碱解氮含量增长最快，80 d后土壤中碱解氮合量达到214 mg/kg；0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分层土壤中碱解氮含量最高分别为187 mg/kg、151 mg/kg、136 mg /kg和128 mg/kg，表明土壤中碱解氮含量随土壤埋深的增加而减少。

生物固氮是生物土壤藻结皮的主要生态作用之一，很多关于旱地生态系统的研究发现：土壤藻结皮层高生物量有利于土壤中氮素的积累[34]；较高的土壤藻结皮层生物量也可以促进光合作用过程的碳渗出，提高土壤中氮的矿化率[35]。除此之外，生物土壤藻结皮的培植和发育有利于捕获可能富含养分的灰尘沉积物[36]，这也有助于土壤中氮的积累。

2.5 土壤藻结皮对土壤中镉吸附量的影响

土壤藻结皮对土壤中镉的吸附量随时间的变化曲线，见图5。

图5 土壤藻结皮对土壤中镉的吸附量随时间的变化曲线

由图5可知：随着土壤藻结皮的发育，其对0～0.5 cm和0.5～1.5 cm分层土壤中镉的吸附量在20 d后开始逐渐增加，并在第80 d时达到最高，分别为0.55 mg/kg和0.35 mg/kg；土壤藻结皮培植80 d后，其对1.5～3 cm分层土壤中镉的吸附量仅增加0.06 mg/kg，而其对3～5 cm和5～7 cm分层土壤中镉的吸附量几乎没有变化。

土壤藻结皮对土壤中镉的强富集作用机理包括黏土物理化学吸附、微生物吸附与吸收和生物成矿作用，其中生物富集转化作用又包含对镉的吸收再分配。被富集的镉主要分布在生物结皮的三个组分[20]：胞外聚合物(EPS)组分、生物吸附组分和非乙二胺四乙酸(EDTA)可提取组分。土壤藻结皮发育过程中的光暗周期设置为14 h∶10 h，有助于土壤藻向更深层土壤中迁移，以吸附土壤中的金属镉。由于原土壤偏酸性，质子和金属自由离子与土壤颗粒表面结合，形成竞争[37]。而随着土壤pH值的升高，羟基离子增加，从而导致土壤负电荷表面积增加，因而增强了对金属离子的吸附[38]。这是由于土壤藻结皮为生物和土壤矿质的复合体，随着其生物量的增大，生物组分的有机官能团中缔合态和游离态的羟基增多，而游离态的羟基对镉具有强的吸附能力[39]；其次，土壤中有机碳含量的增加既能促进微生物生长，也能减轻镉对土壤微生物的危害。土壤藻结皮仅培植80 d后，其对土壤中镉的吸附量已有明显增加；当藻结皮继续发育且其生物量再次升高时，其对高镉农田土壤中镉的吸附量将会进一步增加。因此，土壤藻结皮可以有效稳定农田土壤中镉的含量，减少镉进入食物链，提高农业食品的安全性，对保证农业的可持续发展具有重要的意义[40]。

3 结 论

本研究利用高镉农田土壤中筛选的土著蓝藻培植的土壤藻结皮，可以有效吸附土壤中的镉，从而稳定农田表层土壤中镉的含量；同时能够改良酸性土壤，通过增加土壤中有机质含量和碱解氮含量来提高土壤肥力，改善农田土壤环境。可见，利用土壤藻培植土壤藻结皮修复镉污染土壤是一种环境友好型的重金属修复方法，该研究结果可为镉污染农田土壤的生物修复提供重要的理论依据。