生物有机肥对土壤镉形态及玉米镉积累的影响

关键词 镉； 生物有机肥； 白腐菌； 土壤镉形态； 镉污染土壤； 土壤重金属污染修复； 玉米

土壤是社会经济可持续发展的重要物质基础，土壤质量关系人类生存和健康，随着我国工业化规模扩大，产生了大量重金属污染物［1］。据估计，我国耕地重金属污染面积达20 万 hm2 ［2］，国家环境保护部和国土资源部对我国24 个省市548 hm2农田土壤污染调研表明，我国土壤重金属（汞、砷、铜、铅、铬、锌和镍）污染占全国超标点位的82.8%［3］，在所有的重金属污染中，以土壤镉（Cd）污染最严重，点位超标率达7.0%［4-5］。镉元素移动性强、具有较高的生物毒性，其污染持久且易在土壤中积累而被植物吸收［6］。耕地土壤受到Cd 污染后，会在农作物体内富集，达到一定浓度后，造成作物发育延迟、呼吸与光合作用受到抑制、酶活性减弱，造成作物品质下降，并通过食物链影响人类健康［7-8］。

针对重金属污染修复问题，国内外学者做了大量的研究。目前修复重金属污染土壤通常采用化学修复、物理修复等方法，但这些技术具有成本高、耗时长等缺点，因此，难以在农业生产上推广。而生物修复具有对土壤生态系统影响小、成本低且无二次污染风险等诸多优点，在镉污染土壤治理方面展现出巨大潜力。

生物有机肥是以特定功能微生物及动植物残体为原材料，兼具微生物肥料和有机肥效应的多功能肥料［9］，具有提高土壤肥力、改善土壤微生物结构、促进作物生产，降低重金属污染等功能［10-11］。前人研究表明，生物有机肥可明显改善土壤微生物结构，提高微生物活性，同时促进高毒性金属转化为低毒性状态。显著降低水稻籽粒重金属Cd 含量，提高水稻产量［12-13］。

白腐菌作为一种高效吸附重金属的丝状真菌，在污染治理领域的研究主要集中在污水中的有机物和重金属以及土壤中的有机物修复上，而针对土壤重金属修复的研究尚显不足［14-16］。因此本研究采用接种白腐菌的生物有机肥进行盆栽试验，旨在探究该型生物有机肥治理镉污染土壤的可行性及其对土壤重金属修复的效果，为接种白腐菌的生物有机肥应用于环境污染的有效治理提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试镉污染土壤样品2 种，均采自河南省淅川县，土壤类型为黄棕壤，风干后过2 mm 筛，基本理化性状见表1。供试作物为中农甜488 玉米品种。供试生物有机肥由河南淅川县物华生物科技有限公司提供（白腐菌1.47×108 CFU/g）；供试三元复合肥（NP-K：26-10-15）、商品有机肥采购自湖北庄园肥业股份有限公司（N-P2O5-K2O：18-8-6）。

1.2 试验设计

盆栽试验于2022 年7-11 月在华中农业大学温室大棚进行。每盆分装7.5 kg 土壤，种植1 株玉米。2 种镉污染土壤分别设置6 个处理：CK 处理（不施用任何物料）、NPK 处理（常规施NPK 肥，每盆施用2.9 g 三元复合）、NPK+0.5% OF 处理（常规施肥+0.5% 商品有机肥）、NPK+1% OF 处理（NPK+1% 商品有机肥）、NPK+0.5% BF 处理（NPK+0.5% 生物有机肥）和NPK+1% BF 处理（NPK+1% 生物有机肥）。所有肥料做基肥与土壤充分混匀，每处理重复4 次，完全随机区组排列 。按照优质玉米生产技术进行管理。

1.3 检测指标及取样方法

于玉米成熟后采集整株植物样及根际土壤，每株玉米用自来水和纯水清洗，分别采集分装根、茎、叶、籽粒，于105 ℃杀青30 min 后，在65 ℃下烘干至恒质量，经粉碎机粉碎后过0.150 mm 筛备用；去除玉米植株根系大块土壤后，收集根系表面2 mm 的根际土壤，装入50 mL 离心管，风干后分别过0.850 和0.150 mm 筛备用。

土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解N、速效P、速效K 含量参照文献［18］的方法进行测定。采用微波消解-石墨炉原子吸收分光光度法测定玉米植株样品各部位的镉含量。土壤有效镉采用DTPACaCl2-TEA 浸提法提取［18］；土壤总镉含量按GB/T17141-1997《土壤质量 铅、镉的测定》中石墨炉原子吸收分光光度法微波消解-石墨炉原子吸收分光光度法测定；土壤镉形态分级采用BCR 连续提取法［19］。

1.4 数据处理

试验处理的测定结果采用Excel 进行整理，SPSS 软件进行显著性和相关性分析，采用Origin 绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对镉污染土壤有效态Cd 的影响

有机物料主要通过增加土壤有机质含量以及影响土壤pH 的方式抑制土壤有效Cd。由表2 可知，相较于CK 处理，施用商品有机肥处理pH 值均有所下降，土壤Ⅰ、Ⅱ的pH 值分别下降了0.41～0.49、0.32～0.61 个单位，这可能是由于商品有机肥由秸秆腐熟，C/N 值较高，在土壤中分解速度较慢，释放更多有机酸，造成土壤pH 值降低；而施用生物有机肥的土壤pH 值有所升高。

由图1 可见，与CK、NPK 处理相比，施用有机肥和生物有机肥后土壤有效态Cd 含量显著下降，不同施肥处理抑制效果差异明显，其中添加生物有机肥效果最好，其次是商品有机肥；不同用量处理对土壤有效Cd 影响也不同，生物有机肥用量由0.5% 增加至1%，2 类土壤有效态Cd 降幅分别由21.60% 增加至31.57%、8.81% 增加至18.58%；商品有机肥用量由0.5% 增加至1%，2 类土壤有效态Cd 降幅分别由12.61% 增加至14.74%、7.67% 增加至12.37%。因此，生物有机肥对土壤有效Cd 抑制效果好于商品有机肥。

2.2 不同施肥处理对土壤Cd 形态的影响

采用BCR 连续提取法测定了土壤中镉形态，并将弱酸提取态、可还原态、可氧化态归为生物有效性镉，而将残渣态镉归为非生物有效性组分。如图2 所示，土壤Ⅰ施用有机物料后，弱酸提取态Cd 占比下降，可还原态及可氧化态Cd 比例无明显变化，残渣态Cd 占比增加。相比于CK 处理，施用有机物料处理间的弱酸提取态Cd 含量无明显差异，下降8～11百分点；NPK+1.0% BF 处理残渣态Cd 比例变化最明显，上升15 百分点；NPK+0.5% OF、NPK+1.0% OF、NPK+0.5% BF 处理之间无明显差异，残渣态Cd 比例上升9～11 百分点。而土壤Ⅱ中CK 处理弱酸提取态Cd 比例仅为5%，残渣态Cd 占比约85%，土壤Ⅱ相比土壤Ⅰ的Cd 污染程度较低。综上，施用有机物料促进土壤中Cd 由生物有效性向非生物有效性转化。相比商品有机肥，施用生物有机肥转化效率更高，对减轻玉米生长发育过程中的Cd胁迫更有效。

2.3 不同处理对玉米镉吸收的影响

图3 为不同施肥处理对Cd 污染土壤上玉米籽粒及根系Cd 含量的分布。试验中发现，CK 处理玉米生长不佳，导致玉米根系、籽粒含量均低于NPK 处理，因此，本研究将NPK 处理作为玉米镉吸收的对照。由图3 可见，NPK 处理下Cd 含量最高，施用有机物料后，不同程度抑制了玉米根、籽粒对Cd 的吸收。与NPK 处理相比，施用有机物料后土壤Ⅰ玉米根系、籽粒中Cd 含量降低，幅度分别为22.95%～34.41%、14.77%～31.59%。施用有机物料各处理间差异显著，其中以NPK+1.0% BF 处理玉米根系、籽粒Cd 含量最低，分别为1.41、0.47 mg/kg，与NPK 处理相比降低34.41%、31.59%；对土壤Ⅱ来说，土壤中残渣态Cd 含量占比约80%，因此，施用无机物料后，玉米根系Cd 含量无明显差异，但施用有机物料各处理玉米籽粒镉含量均显著降低，其中以NPK+1.0%BF 处理籽粒Cd 含量最低，降幅21.49%。本试验结果表明，接种白腐菌的生物有机肥，对抑制镉污染土壤玉米体内Cd 含量的效果要优于普通的商品有机肥。

3 讨论

施用有机物料对镉污染土壤的改良途径可能有3 个方面，一是施用有机物料后，其增加的土壤有机质具有较大的比表面积，表面附着大量活性基团，对土壤中镉离子有较强的吸附作用［20］；二是有机质降解形成的腐殖酸，作为配位体与镉离子发生络合，降低镉离子的生物活性，减轻镉对作物的毒害［21］。三是有机质影响土壤pH 值，而土壤pH 值的变化会影响土壤中Cd 的迁移、化学形态及毒性，提高土壤pH 可降低土壤有效态Cd 含量，增加残渣态镉含量，减少土壤镉的迁移［22］。普遍认为重金属的生物毒性与其形态有关，而植物对不同化学形态Cd 吸收效率不同，水溶态镉因其高溶解度和易于被植物吸收的特性，表现出最大的毒性；残渣态Cd 因不利于植物吸收，生物毒性相对较低。而有机肥能直接或间接影响土壤重金属的化学行为，有机质可与Cd 发生螯合，阻碍植物吸收，使Cd 生物活性降低。

白腐菌是一类对重金属具有优异吸附能力的丝状真菌［23-24］，主要依赖其细胞壁上的氨基、羧基和羰基等官能团，对重金属进行吸附和络合，并能够吸收、积累重金属至细胞内，从而达到去除镉的效果［15］。白腐菌还可通过胞外聚合物（EPS）中的多糖黏附镉离子沉淀，达到去除镉的效果。

本研究结果表明，施用有机物料均显著降低了土壤中有效态镉含量，促进土壤弱酸提取态镉向残渣态镉转化，降低镉危害。接种白腐菌的有机肥，相比市面上商品有机肥，显著降低了土壤中有效Cd、弱酸提取态Cd 含量，提高了残渣态镉含量，且明显降低玉米籽粒中镉含量。此外，土壤Ⅰ施用商品有机肥后土壤pH 值显著降低，这可能导致有机质-重金属络合物的稳定性降低，造成生物有效性镉的含量提高，不利于土壤中镉离子钝化。

综上，在镉污染土壤中施用生物有机肥，可显著降低土壤有效态镉含量，促进土壤弱酸提取态镉向残渣态镉转化，降低镉危害；玉米根系及籽粒镉含量均显著下降，综合治理效果表现为生物有机肥优于商品有机肥。