賈亞敏，劉偉，王琪，張永波，王建武，楊永亮，李京玲*

（1. 太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原 030024；2. 山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西太原 030006）

據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》和《中國耕地地球化學調(diào)查報告（2015）》，我國土壤污染超標率為16. 1%，其中中度、輕度和輕微污染土壤占比15%，超標點數(shù)占全部的82. 8%，并以鎘、銅、鋅、鉛等重金屬污染為主［1，2］。由于工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)廢水的農(nóng)業(yè)灌溉、化肥和殺蟲劑的大量使用，銅和鋅等重金屬對生物圈的污染急劇增加［3］?！锻寥牢廴痉乐涡袆佑媱潯访鞔_提出針對污染土壤應“著力推進安全利用”，“到2020 年，輕度和中度污染耕地實現(xiàn)安全利用的面積達到4 000 萬畝”［4］，現(xiàn)已進入農(nóng)田重金屬污染防治的關(guān)鍵時期，亟待安全高效的可持續(xù)利用措施的實踐應用［5］。

植物修復是一種綠色經(jīng)濟的土壤修復技術(shù)，廣泛用于重金屬中輕度超標土壤的修復改良［6，7］，但受氣候及污染特征影響，存在修復植株生長緩慢、生物量低且對重金屬積累具有專一性，極大地限制了植物修復的大規(guī)模應用［8，9］。選取適宜的修復植物并探索能促進其在重金屬污染環(huán)境中適應生長的有效途徑具有實踐意義。紫花苜蓿能夠在中度污染的土壤中耐受和生長［10］，并在根部大量富集鎘、銅和鋅等重金屬［11］，修復過程中可借助接種有益微生物［3，12］或施用有機肥［13］等輔助強化方法，促進苜蓿植株生物量積累并提高其對重金屬污染物的富集轉(zhuǎn)運以調(diào)控植物修復過程。

蚯蚓肥也稱“有機肥之王”，是蚯蚓攝食土壤中有機質(zhì)后消化排出的糞便，具有獨特的物理、化學和生物活性，施入土壤后可改變重金屬生物有效性［14］，在重金屬污染土壤的高效修復中具有應用潛力［15］。劉偉等［16］研究發(fā)現(xiàn)，施用蚯蚓肥可促進污染環(huán)境中紫花苜蓿生長并有效提升植株的重金屬富集能力。對于蚯蚓肥在植物修復中是發(fā)揮肥力作用，還是調(diào)控土壤重金屬的生物有效性，或是綜合作用，尚無直接證據(jù)，有待進一步研究。

本研究以Cu 和Zn 復合污染農(nóng)田土壤為修復對象，選取北方適生紫花苜蓿（Medicago sativaL.）為修復植物，以不同用量蚯蚓肥作為強化措施，研究蚯蚓肥對紫花苜蓿生長、重金屬轉(zhuǎn)運及土壤中重金屬賦存形態(tài)占比的影響，以期揭示其對土壤-修復植物系統(tǒng)中重金屬轉(zhuǎn)運的調(diào)控過程。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省忻州市繁峙縣砂河鎮(zhèn)，屬典型北溫帶大陸性氣候。該區(qū)土質(zhì)類型為砂壤土，耕層（0～20 cm）土壤pH 值為8. 0，有機質(zhì)含量（OMC）為14. 11 g·kg-1，土壤脲酶活性為545 U·g-1，陽離子交換量（CEC）為102. 63 mm·kg-1。0～100 cm 深土壤樣品中主要重金屬含量見表1，Cu、Zn、As、Hg 和Cd 等重金屬不同程度高于農(nóng)用地土壤污染風險篩選值（GB15618-2018），As、Hg 和Cd 含量未高于風險管制值。

表1 研究區(qū)不同土層土壤中重金屬含量的分布特征Table 1 Characteristics of heavy metal content in different soil layers in the study area

1. 2 試驗材料及小區(qū)布設

試驗所用蚯蚓肥購自河北省三河沃龍蚯蚓養(yǎng)殖場，基本性質(zhì)為：pH 7. 05，有機質(zhì)含量280. 55 g·kg-1，全氮1. 96 g·kg-1，全磷3. 42 g·kg-1，全鉀10. 15 g·kg-1，堿解氮435. 65 mg·kg-1，速效磷460. 15 mg·kg-1，銅、鋅、砷、汞、鉛和鎘全量含量分別為38. 12、132. 04、3. 13、0. 09、9. 62 和0. 32 mg·kg-1。 紫花苜蓿種子購自當?shù)剞r(nóng)資市場。

在重金屬超標田間布設蚯蚓肥調(diào)控紫花苜蓿修復生長隨機區(qū)組試驗，僅種植紫花苜蓿且不施用任何肥料處理作為對照（CK），施用不同用量蚯蚓肥為處理，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種前一次性施入，種植期間不再施用任何肥料。各處理設3 次重復，小區(qū)面積5 m×5 m。紫花苜蓿為穴播種植后間苗定植，每穴留苗5 株，穴間距30 cm。試驗時間為2019 年5 月～10 月，5 月15 日播種，10 月15 日整株收獲。在紫花苜蓿生長的苗期（T1）、分枝現(xiàn)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）、最后收獲（T5，第二次刈割后30 d，整株收獲）五個時期進行樣品采集和相應指標測定，測量指標包括株高、地上和地下部分生物量干重及銅和鋅全量含量；收集根際土壤樣品，用于土壤理化性質(zhì)、銅和鋅各賦存形態(tài)含量和脲酶活性測定。

1. 3 分析測定方法

紫花苜蓿株高采用卷尺測量植株基部到最高分枝處高度；生物量以單株計，地上部分為不同采收期留茬10 cm 收割所獲，地下部分為最后采收時獲得，用蒸餾水清洗后干燥至恒重后測得，單株生物量為生長修復期內(nèi)兩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。干燥后植株樣品經(jīng)粉碎后于干燥容器中保存。

紫花苜蓿修復生長結(jié)束后，連根拔出植株后抖動收集根際土壤并用小毛刷將根系土壤刷下，用于測定根際土壤pH 值、陽離子交換量、脲酶活性、土壤有機質(zhì)含量以及銅和鋅不同賦存形態(tài)含量。植物中銅和鋅全量含量測定時應用HNO3和HClO4進行消化樣品，通過原子吸收分光光度計測定。

土壤pH、氮、磷、鉀等常規(guī)指標測定參考GB/T 17767. 1-2008 進行。

土壤脲酶活性委托青島某質(zhì)量檢測有限公司采用酶聯(lián)免疫法測定。

土壤重金屬賦存形態(tài)分析參照改進BCR 連續(xù)提取法進行［16，17］，土壤中重金屬的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)含量測定應用原子吸收分光光度計測得，各重金屬含量總量為四種不同賦存形態(tài)含量之和。

計算植物重金屬轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF：Translocation factor）（植物地上、地下部分重金屬質(zhì)量分數(shù)之比）和重金屬富集系數(shù)（BF：Bioconcentration factor）（植株收獲部分重金屬含量與土壤中同種重金屬含量之比）［18］并比較植株的重金屬富集和轉(zhuǎn)運特征。

1. 4 統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2013 中單因素方差分析進行統(tǒng)計分析，最小顯著差數(shù)法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗。運用Origin 8. 0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2. 1 蚯蚓肥用量對紫花苜蓿株高和生物量的影響

分別于苗期、現(xiàn)蕾期、初花期、第二次刈割和收獲時5 個階段比較不同處理對株高的影響（圖1）。在紫花苜蓿生長的苗期，不同處理對紫花苜蓿株高未產(chǎn)生顯著差異（P＜0. 05）；分枝現(xiàn)蕾期、初花期第一次刈割以及第二次刈割時，與對照處理相比，施用蚯蚓肥的各處理均可有效促進株高增加（P＜0. 05）；不同用量蚯蚓肥處理之間，中和高用量處理間植株株高有顯著差異（P＜0. 05）；T5 時期，各處理之間株高無顯著差異。在紫花苜蓿分枝現(xiàn)蕾期和初花期，蚯蚓肥對株高的促進作用，表現(xiàn)出隨蚯蚓肥用量增加，促進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過刈割前植株株高，收獲時紫花苜蓿株高未超過前次刈割時植株株高；不同蚯蚓肥用量對株高的影響在苜蓿生長后期逐漸減小。

圖1 不同蚯蚓肥用量處理下紫花苜蓿株高變化Fig.1 Plant height changes of M. Sativa treated with different amount of vermicompost

與對照相比（表2），苗期不同用量蚯蚓肥處理對紫花苜蓿植株地上部分生物量未產(chǎn)生顯著影響；分枝現(xiàn)蕾期、開花期、第二次刈割和最后收獲的4 個時期，與對照相比，施用蚯蚓肥可顯著促進植株地上部分生物量積累（P＜0. 05），且低用量和中用量處理之間有統(tǒng)計學差異（P＜0. 05），但中用量和高用量蚯蚓肥處理之間，對紫花苜蓿植株地上部生物量積累未產(chǎn)生顯著差異，但對地下部分生物量積累有顯著影響（P＜0. 05）。

2. 2 蚯蚓肥用量對紫花苜蓿植株中銅和鋅富集和轉(zhuǎn)運特征的影響

生產(chǎn)實踐中紫花苜蓿生長到初花期時才能確保一定的生物量積累，此時采收具有經(jīng)濟效益。因此，設定初花期為第一次刈割采收期，并比較T3、T4 和T5 時期地上和地下部分干物質(zhì)積累及重金屬富集特征的差異。與對照相比（表3），施用蚯蚓肥對植株地上部分中Cu 含量、植株對Cu 的轉(zhuǎn)運和富集系數(shù)均有顯著影響（P＜0. 05），可不同程度地提高紫花苜蓿對土壤中Cu 的轉(zhuǎn)運和富集；不同用量蚯蚓肥處理之間，低和中用量蚯蚓肥處理間植株地上部分中Cu 含量有顯著差異（P＜0. 05），但中和高水平蚯蚓肥處理對植株地上部分Cu 含量未產(chǎn)生顯著差異（P＜0. 05）。與各時期對照相比，施用蚯蚓肥均能促進植株地下部分Cu 含量增高（P＜0. 05）；與低水平蚯蚓肥用量相比，中和高水平蚯蚓肥用量可顯著促進植株地下部分Cu 含量增高（P＜0. 05）；而在T4 和T5 時期，不同用量蚯蚓肥處理間均有顯著差異（P＜0. 05）；紫花苜蓿植株在T3 時期的轉(zhuǎn)運和富集系數(shù)均大于T4 和T5 時期。蚯蚓肥可提高紫花苜蓿植株對Cu 的轉(zhuǎn)運系數(shù)，并將轉(zhuǎn)運系數(shù)提高到0. 70，富集系數(shù)提高到0. 13，但生長后期差距變小。

蚯蚓肥對紫花苜蓿地上和地下部分Zn 含量影響如表3 所示，與對照處理相比，施用蚯蚓肥對各采樣時期植株地上和地下部分Zn 含量、植株對Zn 的轉(zhuǎn)運和富集系數(shù)均產(chǎn)生顯著影響（P＜0. 05）；不同用量處理間，蚯蚓肥對紫花苜蓿植株地上、地下部分Zn 含量、植株對Zn 的轉(zhuǎn)運和富集系數(shù)無顯著影響（P＜0. 05）；T5 時期，與低用量處理相比，中和高用量蚯蚓肥處理可促進植株地上部分Zn 含量增高（P＜0. 05）。不同用量的蚯蚓肥處理，對植株地上和地下部分中Zn 含量影響稍有不同。蚯蚓肥處理可提高紫花苜蓿植株對Zn 的轉(zhuǎn)運系數(shù)，并將轉(zhuǎn)運系數(shù)提高到0. 90，在T3 時期將Zn 的富集系數(shù)提升到0. 61，不同處理間轉(zhuǎn)運和富集系數(shù)的差異隨著生長時間推進而縮小，到T5 時期各處理間富集系數(shù)無顯著差異。

根據(jù)紫花苜蓿生長修復各時期生物量積累及植株富集重金屬銅和鋅的含量變化，估算并比較一個修復生長季后單株紫花苜蓿富集重金屬的能力。如圖2 所示，與對照相比，施用蚯蚓肥可顯著促進植株對銅和鋅的富集量（P＜0. 05）；不同用量蚯蚓肥處理之間，中和高用量蚯蚓肥可顯著提高植株對銅和鋅的富集量（P＜0. 05），但中和高用量處理之間無顯著差異。蚯蚓肥處理下單株紫花苜蓿富集銅和鋅總量分別為0. 57 和1. 12 mg，是對照處理的2. 19 和1. 78 倍。

圖2 生長修復后單株紫花苜蓿富集Cu 和Zn 的總量Fig.2 The concentration of heavy metals Cu and Zn in M. Sativa after one growing season

2. 3 蚯蚓肥用量對耕層土壤中重金屬生物有效性的影響

本研究中所測4 種重金屬賦存形態(tài)中，殘渣態(tài)和氧化態(tài)較為穩(wěn)定，還原態(tài)和弱酸態(tài)重金屬具有較強的生物有效性。蚯蚓肥輔助紫花苜蓿修復銅鋅污染土壤的過程中，不同用量蚯蚓肥處理對耕層土壤中各形態(tài)Cu 占比的影響：T1 時期，對照處理中殘渣態(tài)和氧化態(tài)銅占比均較高，還原態(tài)和弱酸態(tài)占比較低；經(jīng)過蚯蚓肥處理后，殘渣態(tài)和氧化態(tài)銅占比減少，還原態(tài)和弱酸態(tài)銅占比增加；隨著修復生長時間增加，不同處理下各形態(tài)銅占比情況類似，表現(xiàn)出殘渣態(tài)和氧化態(tài)銅占比減少，還原態(tài)和弱酸態(tài)銅占比增加趨勢（圖3）。紫花苜蓿生長及蚯蚓肥施入可促進耕層土壤中殘渣態(tài)及氧化態(tài)Cu 向還原態(tài)及弱酸態(tài)Cu 轉(zhuǎn)化，使土壤中Cu 的生物有效性增強。與各時期對照相比，不同用量蚯蚓肥施用對土壤中Cu 各形態(tài)占比影響較小。

圖3 不同蚯蚓肥用量及紫花苜蓿生長對耕層土壤Cu 各賦存形態(tài)占比的影響Fig.3 Effects of different amounts of vermicompost treatment and M. Sativa growth on Cu occurrence mode in topsoil

紫花苜蓿生長修復各時期，不同用量蚯蚓肥對耕層土壤中各形態(tài)Zn 占比：T1 時期，各處理中殘渣態(tài)和氧化態(tài)Zn 占比均較高，而還原態(tài)和弱酸態(tài)占比較低，從T2 時期到收獲，各處理中殘渣態(tài)和氧化態(tài)Zn 占比均減少，還原態(tài)Zn 占比增加趨勢明顯，弱酸態(tài)Zn 占比也呈增加趨勢；耕層土壤中Zn 以還原態(tài)為主。與對照相比，不同用量蚯蚓肥處理中，殘渣態(tài)和氧化態(tài)Zn 占比較低，還原態(tài)和弱酸態(tài)Zn 占比稍高；各時期氧化態(tài)Zn 占比變化不大，主要在于殘渣態(tài)Zn 的活化（圖4）。紫花苜蓿生長及蚯蚓肥施入，促進耕層土壤中殘渣態(tài)和氧化態(tài)向還原態(tài)及弱酸態(tài)轉(zhuǎn)化，使土壤中Zn 的生物有效性增強。與各時期對照相比，不同用量蚯蚓肥施用對土壤中Zn 各賦存形態(tài)占比均有影響。

2. 4 蚯蚓肥用量對土壤性質(zhì)的影響

為進一步探明種植紫花苜蓿和施用蚯蚓肥對銅鋅污染土壤理化性質(zhì)的影響，選取并計算修復后土壤性質(zhì)各指標的變化量，結(jié)果如表4 所示，僅種植紫花苜蓿的對照中，修復結(jié)束時土壤pH 值輕微下降；施用蚯蚓肥的處理下土壤pH 值下降幅度在-2. 27～-2. 13；與對照相比，施用蚯蚓肥可促進耕層土壤中陽離子交換量顯著增加（P＜0. 05），不同用量蚯蚓肥處理之間，對陽離子交換量的影響無顯著差異；與對照相比，施用蚯蚓肥可促進耕層土壤有機質(zhì)含量顯著增加（P＜0. 05），同時，不同用量蚯蚓肥處理之間，對陽離子交換量有顯著影響（P＜0. 05）；與對照相比，施用蚯蚓肥對土壤脲酶活性影響無顯著差異，不同用量蚯蚓肥處理之間，也無顯著差異。表明一個生長季后，僅種植紫花苜蓿以及增施蚯蚓肥的各處理，土壤pH 值較修復前降低了1. 81～2. 27 個單位，土壤陽離子交換量及有機質(zhì)含量增加6. 04%～15. 19%，土壤脲酶活性提升19. 07%～22. 21%。

表4 不同蚯蚓肥用量對土壤pH 值、陽離子交換量、有機質(zhì)含量及脲酶活性的影響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） 單位：%

3 討論

紫花苜蓿對不同程度銅污染［19］，鉛污染［20］，鎘、鉛、銅、鋅復合污染［21］，多環(huán)芳烴［22］等多種污染類型的土壤均有修復應用潛力，對其適時刈割［23］，或在根際接種促生菌［24］等措施，能改善并提高紫花苜蓿對污染環(huán)境的適應和修復能力。本研究通過分析蚯蚓肥對紫花苜蓿生物量積累和重金屬轉(zhuǎn)運等特征的影響，表明以2 kg·m-2蚯蚓肥用量作底肥，可促進紫花苜蓿生物量顯著增加，與將蚯蚓肥用于桂牧1 號象草研究結(jié)果類似［25］，施用2. 55 kg·m-2蚯蚓肥能有效促進牧草產(chǎn)量增加和品質(zhì)改善。

植株重金屬轉(zhuǎn)運系數(shù)被認為是評價植物提取重金屬潛力的重要指標［26］。在紫花苜蓿修復銅污染土壤中，混合接種黏菌芽孢桿菌和耐重金屬根瘤菌，可將紫花苜蓿對銅元素的轉(zhuǎn)運系數(shù)提高到0. 65［27］。本研究首次發(fā)現(xiàn)施用蚯蚓肥可促進紫花苜蓿植株地上、地下部分對銅和鋅的積累和轉(zhuǎn)運，對重金屬銅和鋅的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別達到0. 70 和0. 90。表明在紫花苜蓿修復中，輔以一定用量的蚯蚓肥基肥處理，可促進紫花苜蓿在根部富集重金屬并向地上部分轉(zhuǎn)運。

本研究發(fā)現(xiàn)僅種植紫花苜蓿以及輔以蚯蚓肥的各處理，對紫花苜蓿根際土壤陽離子交換量、有機質(zhì)含量和脲酶活性有不同程度的提升效應，可降低土壤pH 值并改變根系土壤中重金屬生物有效性，表明了銅和鋅污染土壤修復中紫花苜蓿與蚯蚓肥的復雜協(xié)同效應，蚯蚓肥既發(fā)揮肥力作用，促進植株生長，還可改善根際重金屬污染環(huán)境，促進土壤中銅和鋅從穩(wěn)定形態(tài)向活性形態(tài)轉(zhuǎn)變。這可能與蚯蚓肥施入后土壤微生物活性及苜蓿植株適應重金屬脅迫環(huán)境的可塑性有關(guān)。蚯蚓肥對土壤重金屬生物有效性的改變，也可能與元素種類及其在土壤中的賦存形態(tài)有關(guān)，需進一步開展蚯蚓肥與修復植物根際微環(huán)境間的交互作用研究。

4 結(jié)論

將蚯蚓肥以2 kg·m-2用量水平的底肥形式施入，可有效促進紫花苜蓿在銅鋅超標土壤環(huán)境中株高、地上和地下部分生物量增加，同時將植株對土壤中重金屬銅和鋅的轉(zhuǎn)運系數(shù)提高到0. 70 和0. 90；蚯蚓肥施入可促進土壤中殘渣態(tài)和氧化態(tài)賦存形態(tài)的重金屬向還原態(tài)和弱酸形態(tài)轉(zhuǎn)變，改變根際土壤的重金屬生物有效性。重金屬污染環(huán)境的植物修復應用中可將提升土壤肥力，改變土壤中重金屬生物有效性及刈割等多種調(diào)控措施聯(lián)合應用。此外，也可結(jié)合生產(chǎn)實踐中刈割后追肥的措施以提高生物量積累，最終達到提高植物修復重金屬污染土壤的目的。