沼肥/钙镁磷肥对土壤-菠菜中重金属Cd的影响

李 轶，张轩轩，郭敬阳，崔铁浩，荣方舟，谷士艳

（沈阳农业大学工程学院,沈阳 110161）

目前，我国土壤重金属污染状况日益加剧[1]，不仅造成土壤肥力退化、作物减产、品质下降[2]，甚至会随着食物不断积累最终对人类造成不可逆伤害[3]。其中，重金属Cd 的污染问题尤为严重[4]，联合国将其列为全球性危险化学物质首位[5]。当植物中重金属含量过高，将影响植物生长，甚至死亡[6-8]。如人类摄入过量的重金属Cd会影响人体的生殖器官、生殖系统、免疫系统，还会造成“疼痛病”等疾病[9-10]。因此对重金属Cd 污染的土地进行修复治理迫在眉睫。

沼肥由沼渣和沼液两部分组成。沼肥中含有大量的N、P、K 等微量元素和多种氨基酸、维生素、水解酶类[11]，不仅可以对作物的生长发育起到促进作用[12]，还可以改善土壤的理化性质[13]。另外，添加改良材料可降低土壤重金属活性[14]，抑制作物对土壤重金属的吸收，是重金属污染土壤修复和持续利用的重要途径之一[15]。钙镁磷肥作为常用的无机钝化材料被广泛用于重金属污染修复[16]。黄继川等[17]通过大田灌施沼液试验，发现灌施沼液后稻田土壤重金属Cd 含量仍符合国家土壤质量标准，无重金属污染风险（GB15618-1995）[18]；金柯达等[19]通过在大棚里连续进行3季种植蔬菜试验，发现施加沼肥对土壤重金属Cd含量的变化没有显著影响；LIU等[20]的小麦田间试验研究表明，施用沼液能使土壤中可交换态Cd转化为较为稳定的形态，从而降低土壤Cd的有效性；李晔等[21]研究发现，钙镁磷肥通过自身丰富的磷酸根与Cd反应生成难溶性的磷酸盐沉淀，以此来降低重金属Cd 活性和生物毒性；宋肖琴等[22]研究发现，钙镁磷肥等不同钝化剂能显著降低土壤有效态Cd 的含量；敖明等[23]通过向Cd污染土壤中添加不同比例的钙镁磷肥，有效态Cd的钝化效果随钙镁磷肥的增加而增加。

到目前为止，研究多集中在单独施用沼肥和钙镁磷肥对土壤和作物重金属的影响，但对沼肥和钙镁磷肥的耦合对土壤重金属的影响及对土壤重金属钝化机理鲜有研究。因此，本试验通过施用沼肥及钙镁磷肥，研究沼肥及沼肥＋钙镁磷肥对土壤重金属Cd及菠菜中重金属含量的影响，并通过腐殖质与重金属的结合机制及傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)检测技术，探索钝化重金属的机制，旨在为沼肥利用及土壤重金属污染治理提供科学数据及理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验中所种植的作物选用菠菜；试验所用土壤，取自辽宁省沈阳细河附近小于村土壤，为棕壤土，多年采用污水灌溉种植作物；污水来自沈阳细河里的水，与本研究相符合；土壤均取自0~20 cm的土壤，风干后过2 mm筛备用；试验所用沼肥，取自辽宁省沈阳市祝家镇正常发酵的农户沼气池，包括沼渣和沼液；试验中所用钝化剂为钙镁磷肥，购于市售（P2O5≥12%，pH值8.5）。土壤和沼肥养分含量见表1。

表1 土壤和沼肥养分含量Table 1 Nutrient content of soil and fertilizer

1.2 试验方案

本试验采用盆栽试验，以菠菜为种植作物，选取污灌区棕壤土，试验用盆规格为直径21 cm，高为15 cm。每盆添加土样为1 kg，试验设置3 个处理，每组处理重复5 次。沼渣用于基肥，沼液用于追肥，钝化剂钙镁磷肥添加比例为5 g·（kg干土）-1。

3 个试验处理分别为：（1）CK：空白对照组，菠菜整个生长周期内只浇灌水；（2）ZF：施用沼肥，沼渣（3%）作为基肥，沼液作为追肥（250 mL）;（3）ZD：施用沼肥+钙镁磷肥处理组，沼渣（3%）作为基肥，沼液作为追肥（250 mL），并添加钝化剂钙镁磷肥5 g·（kg干土）-1。

1.3 试验方法

将风干的土壤碾压过2 mm 筛网，称取1 kg 通过筛网后的土壤，按照试验方案与沼渣或沼渣和钙镁磷肥混合均匀，装在直径为21 cm的盆中菠菜出苗后，保留长势相近的菠菜幼苗3株，其余幼苗移除，成熟后将其收获。具体试验内容：（1）土壤中重金属Cd 各形态含量变化：分别测定种植菠菜前后土壤中重金属Cd 各形态含量变化，研究添加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥对土壤中重金属Cd 各形态的变化的影响；（2）菠菜各部位中重金属Cd 含量：在菠菜成熟后采摘，确保菠菜整株的完整性，进行洗净、擦干、杀青等处理，测定菠菜样品中根、茎、叶部位的重金属Cd含量；（3）研究土壤重金属Cd与腐殖质结合机制；分析添加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥对土壤腐殖质与重金属的结合机制，通过傅里叶红外光谱对试验前后土壤中重金属Cd进行分析。

1.4 测定项目及方法

在试验过程中，土壤总固体（total solid，TS）的测定采用质量法；土壤pH 值采用电位法，用数字pH 计（PHS-25）测定；有机质的测定采用重铬酸钾加热法；土壤中全氮的测定采用凯氏定氮法；重金属含量的消解采用王水+HClO4法、HNO3+H2O2法；土壤腐殖质提取采用腐殖质组成修改法，上机使用原子吸收分光光度计（GFA-7000A）测量；土壤样品光谱特性采用傅立叶红外光谱仪（NicoletIS50）测定。

1.5 数据分析

采用Excel 2019软件进行数据的处理分析，采用Origin软件进行制图，采用SPSS 24.0软件进行方差分析及最小显著差异法(least significance difference,LSD)多重比较。

2 结果与分析

2.1 沼肥/钙镁磷肥对土壤重金属Cd腐殖质分级提取形态变化的影响

利用蒸馏水、KCL、Na4P2O7、NaOH、HNO3、HClO4和HNO3消煮对样品进行分级提取，分别测定各级提取液中的腐殖质和重金属含量，沼肥/钙镁磷肥对土壤重金属Cd腐殖质分级提取各形态所占比例如图1。

图1 试验前后土壤重金属Cd腐殖质分级提取各形态所占比例Figure 1 Proportion of form of humic substances extracted from soil cadmium before and after the experiment

由图1 可知，试验前Cd 各形态的分配率由高到低的顺序为：有机络合态（31.47%）>有机结合态（30.55%）>可交换态（13.58%）>残渣态（10.49%）>矿物质态（9.6%）>水溶态（4.32%），种植菠菜试验后各处理中土壤重金属Cd 主要以有机结合态和有机络合态为主。对重金属Cd 各形态进行方差分析可知，试验后各处理土壤重金属Cd的水溶态和可交换态比例显著降低（p＜0.05），降低幅度分别为0.28%~1.86%和1.16%~10.55%；施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥处理组中土壤重金属Cd 的水溶态和可交换态所占比例低于对照（CK）组，说明施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥有利于降低土壤重金属Cd 的水溶态和可交换态比例；施加沼肥＋钙镁磷肥（ZD）组中土壤重金属Cd 的水溶态和可交换态Cd 所占比例低于施加沼肥（ZF）组，表明在施加沼肥的基础上添加钙镁磷肥有利于降低土壤重金属Cd 水溶态和可交换态所占比例，施加沼肥+钙镁磷肥（ZD）组中重金属Cd 的水溶态和可交换态含量比例最低。而试验后各处理土壤重金属Cd 的有机络合态、有机结合态和残渣态所占比例显著升高（p＜0.05），上述3 种形态升高幅度分别为0.52%~4.49%、0.51%~3.43%和0.69%~5.93%；施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥处理组中土壤重金属Cd的有机络合态、有机结合态和残渣态所占比例高于对照（CK）组，说明施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥有利于提高土壤中重金属Cd 的有机络合态、有机结合态和残渣态所占比例；沼肥+钙镁磷肥（ZD）组中土壤重金属Cd的有机络合态、有机结合态和残渣态所占比例高于施加沼肥（ZF）组，表明在施加沼肥的基础上添加钙镁磷肥有利于提高种植菠菜土壤重金属Cd的有机络合态、有机结合态和残渣态所占比例，施加沼肥+钙镁磷肥（ZD）组上述各形态含量比例最高。而试验后各处理土壤中矿物质态重金属Cd 呈小幅度降低趋势，降低幅度为0.05%~1.45%，但各处理的降低幅度相差不明显（p>0.05）。

综上所述，以菠菜为种植作物，土壤中施加沼肥或沼肥+钙镁磷肥，试验后各处理土壤重金属Cd 主要以有机结合态和有机络合态为主，添加沼肥及钙镁磷肥能够降低土壤重金属Cd 的水溶态和可交换态分配比，增加有机结合态、有机络合态和残渣态分配比，对矿物质态影响不大。土壤中施加沼肥及钙镁磷肥，土壤重金属Cd趋于稳定，而且施加沼肥+钙镁磷肥时重金属Cd更稳定。

2.2 沼肥/钙镁磷肥对菠菜各部位重金属Cd含量的影响

土壤施加沼肥和钙镁磷肥对菠菜各部位重金属Cd 含量的影响如图2。由图2 可知，菠菜不同部位重金属富集程度相差较大，整体呈现出菠菜不同部位对重金属Cd累计量为根>茎>叶，这与孙尚省等研究在叶菜中不同部位重金属Cd含量多少为根>茎>叶结果相一致[24]。对菠菜根茎叶部位重金属Cd含量进行方差分析，与CK组相比，ZD 组的菠菜根部重金属Cd 含量下降24.5%，表明在施加沼肥的基础上添加钙镁磷肥降低菠菜根部重金属Cd 的含量，且效果显著（p＜0.05），ZF 组的菠菜根中重金属Cd 含量升高2.5%，这可能是由于沼肥本身重金属Cd 元素的含量通过土壤被菠菜根系吸收固定[25]；与对照组相比，ZF、ZD 组菠菜茎、叶中重金属Cd 含量显著降低（p＜0.05），降低幅度分别为8.33%~28.3%和25%~50%，其中施加沼肥或沼肥＋钙镁磷肥降低幅度更大，说明添加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥能减少菠菜茎、叶部对重金属Cd 的吸收。钙镁磷肥中所含的Ca2+、Mg2+对重金属离子具有拮抗作用，参与竞争植物上的吸收点位，抑制植物对重金属Cd 的吸收，从而提高重金属Cd 的钝化效果[26]，这与汪洪等[27]的研究，即提高Ca 的含量可以减少土壤对Cd 的吸附，从而降低Cd 对植物有效性的研究结果一致。综上所述，在土壤种植菠菜中加入沼肥或沼肥＋钙镁磷肥能减少菠菜对重金属Cd 的富集，且沼肥＋钙镁磷肥对菠菜中重金属Cd含量的减少效果更好。

图2 菠菜根、茎、叶部重金属Cd的含量Figure 2 Cd content of heavy metals in roots, stems and leaves of spinach

2.3 沼肥/钙镁磷肥对土壤重金属Cd与腐殖质结合机制的研究

2.3.1 对土壤重金属Cd与腐殖质结合的影响 土壤中腐殖质经Na4P2O7和NaOH提取后，与重金属Cd结合的形态包括富里酸结合态（FA-Cd）和胡敏酸结合态（HA-Cd）。沼肥/钙镁磷肥对土壤重金属Cd结合态比例的变化如图3。由图3可知，试验前土壤中腐殖质中重金属Cd主要以FA-Cd的形式存在，试验前土壤中腐殖质中FACd 所占比例高达95%，而HA-Cd 所占比例只有5%；试验后HA-Cd 呈显著升高的趋势，试验后土壤3组土壤处理腐殖质HA-Cd 所占比例分别提升至8.35%、13.18%和16.37%。在腐殖质中HA 比FA 拥有更高的分子量和更稳定的结构，所以与HA 结合的重金属更稳定[28]，即施加沼肥或沼肥+钙镁磷肥可促使土壤重金属Cd 向稳定态转化。LSD 多重比较分析可知，施加沼肥处理（ZF）HA-Cd 所占比例显著高于对照处理（CK）（p＜0.05），施加沼肥+钙镁磷肥（ZD）HA-Cd 所占比例显著高于施用沼肥（ZF）（p＜0.05）。施加沼肥+钙镁磷肥（ZD）促使土壤腐殖质中的胡敏酸与重金属Cd结合生成HA-Cd，促进有效态Cd向稳定态Cd转化。因此表明土壤中施加沼肥及钙镁磷肥，土壤重金属Cd趋于稳定，而且施加沼肥+钙镁磷肥重金属Cd更稳定。

图3 土壤中Cd在Na4P2O7和NaOH提取的腐殖质中的分布Figure 3 Distribution of Cadmium in soil humus extracted by Na4P2O7 and NaOH

2.3.2 沼肥/钙镁磷肥对土壤影响的红外光谱分析 沼肥/钙镁磷肥对试验前后土壤的FTIR变化情况如图4。由图4 可知，各处理组试验前后土壤的红外光谱具有较为相似的光谱特征，仅在相对强度上存在一定的差异。其中变化较为明显的具有代表性的峰值，分别为：3 450~3 408，1 430~1 400，1 080~1 030 cm-1。

图4 不同处理土壤试验前后红外光谱图Figure 4 Infrared spectra of different soil treatments before and after the experiment

在3 450~3 408 cm-1处是碳水化合物、酰胺化合物、蛋白质类物质的-OH伸缩振动峰，试验结束后各处理在该处的吸收峰均有所降低，这表明土壤中该类化合物在土壤种植过程逐渐分解为简单化合物，导致羟基基团不断减少，降低幅度由大到小分别为不施肥、沼肥、沼肥＋钙镁磷肥；通过吸收峰强度分析结果可知：CK组降低幅度最大主要原因是土壤中碳水化合物、酰胺化合物、蛋白质等物质不断分解而没有补充[29]，ZD组（施加沼肥+钙镁磷肥）在该处的吸收峰强度高于ZF（沼肥组），说明在施用沼肥的基础上添加钙镁磷肥，土壤中碳水化合物、酰胺化合物、蛋白质等物质含量较高。

1 430~1 400 cm-1处是芳香族的C=C、N-H 伸缩振动以及羧酸类的C=O 和-COO¯伸缩峰。试验结束后各处理在该处的吸收峰均有所增强，这表明试验后土壤中木质素和纤维素等有机物不断被降解，它们经过复杂的反应形成腐殖质，导致腐殖质含量增加[30]。增加幅度由大到小分别为施加沼肥+钙镁磷肥、沼肥、不施肥；施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥在该处的吸收峰强度高于处理组CK，说明施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥处理土壤中腐殖质含量提高，施加沼肥＋钙镁磷肥处理组在该处的吸收峰强度高于施加沼肥组，说明在施加沼肥的基础上添加钙镁磷肥能促进土壤中腐殖质含量提高。通过吸收峰强度分析结果可知，施加沼肥及钙镁磷肥可促进土壤中腐殖质的形成，而且沼肥+钙镁磷肥效果更好。

1 080~1 030 cm-1处是多糖、多糖类物质C-O、OH 伸缩振动峰。试验结束后各处理在该处的吸收峰均有所降低，这表明土壤中此类物质随着土壤种植过程其含量不断降低，降低幅度由大到小分别为无施肥、沼肥、沼肥＋钙镁磷肥，施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥在该处的吸收峰强度高于对照组CK，说明在土壤中施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥处理的土壤中糖类等物质含量较高；施加沼肥＋钙镁磷肥在该处的吸收峰强度高于沼肥组，表明在施加沼肥的基础上添加钙镁磷肥能提高土壤中糖类的物质；通过吸收峰强度分析结果可知，CK 组降低幅度最大主要原因是土壤中多糖类物质不断分解而没有补充[29]，施加沼肥及钙镁磷肥可促进土壤中糖类物质的形成，而且沼肥＋钙镁磷肥土壤中糖类等物质的含量较高。

3 讨论与结论

以菠菜为种植作物，土壤中施加沼肥或沼肥+钙镁磷肥，试验后各处理土壤中重金属Cd 有效态含量下降，菠菜茎叶部位重金属含量下降，可能是因为沼肥中含有大量的腐殖质，可与重金属发生络合或螯合反应，将有效态的重金属转化为稳定态的重金属，降低了重金属的活性[31]。另外，钙镁磷肥呈碱性，添加钙镁磷肥会升高土壤的pH 值，而pH 值的升高会引起氧化物等表面电荷特性改变，促进胶体与黏粒对重金属离子的吸附，容易形成氢氧化物沉淀[32]。通过腐殖质组成修改法测定腐殖质成分，结果表明土壤中施加沼肥+钙镁磷肥土壤中胡敏酸结合态（HA-Cd）比例多于只施加沼肥和空白对照组，腐殖质中胡敏酸表面含有大量的醇羟基、酚羟基、羧基等官能团[33]，与重金属Cd发生络合反应，具有较好的吸附作用[34-35]，使得土壤中重金属Cd趋于更加稳定。采用FTIR，在土壤种植菠菜的过程中施加沼肥或沼肥＋钙镁磷肥，试验后土壤中碳水化合物、酰胺化合物、蛋白质和多糖类化合物等吸收峰降低，芳香族化合物等吸收峰增强，有机物腐殖化程度提高，施加沼肥＋钙镁磷肥可以提高土壤中的有机物腐殖化程度，促使更多有机物转化腐殖质，腐殖质可与重金属离子牢固螯合的配位体[36]。这表明了施加沼肥/沼肥＋钙镁磷肥能减少土壤中重金属Cd的有效性，且施加沼肥＋钙镁磷肥时土壤重金属Cd更加稳定。

综上所述，在作物种植过程中，施用沼肥或沼肥与钙镁磷肥联合施用更有利于土壤重金属向稳定态转化，从而减少重金属的危害，这对于土壤重金属污染防治及沼肥的利用提供了新的途径和方法，具有较大的科学意义及实际应用价值。

以菠菜为种植作物，土壤中施加沼肥或沼肥+钙镁磷肥，试验后各处理土壤重金属Cd主要以有机结合态和有机络合态为主；水溶态、可交换态均较试验前土壤重金属含量降低，而残渣态含量增加。土壤中施加沼肥及钙镁磷肥，土壤重金属Cd趋于稳定，而且施加沼肥+钙镁磷肥时重金属Cd更稳定。菠菜不同部位对重金属Cd累计量为根>茎>叶，施加沼肥及沼肥＋钙镁磷肥能降低菠菜中茎叶中重金属含量，施加沼肥＋钙镁磷肥时菠菜根茎叶中重金属含量最少。种植菠菜试验后各处理HA-Cd均较试验前所占比例有所增加，HA-Cd所占腐殖质中比例由高到低的顺序为沼肥＋钙镁磷肥、沼肥、不施肥；施加沼肥及沼肥+钙镁磷肥对土壤HA-Cd 比例增加有显著影响（p＜0.05）；施加沼肥+钙镁磷肥时，HA-Cd比例最高，重金属更稳定。FTIR 表明，试验前后各处理土壤的红外光谱具有相似的光谱特征，仅在相对强度上存在一定的差异。施加沼肥处理和施加沼肥+钙镁磷肥处理与不施肥处理的土壤中碳水化合物、蛋白质、糖类等有机物相比所占比例减少，而芳香族等腐殖质所占比例增加。土壤中施加沼肥+钙镁磷肥处理芳香族等腐殖质所占比例最高，腐殖化程度高于只施加沼肥和不施肥处理，土壤腐殖化效果最为显著。