吳苗苗， 葉佳潤， 劉 慧， 周孟椋， 劉世亮， 趙 穎， 劉 芳

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002)

隨著我國工業(yè)化和農(nóng)業(yè)化的快速發(fā)展，土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重，根據(jù)國家自然資源部報(bào)告，2020年我國重金屬土壤污染面積約為2 000萬hm。宋偉等對(duì)全國138個(gè)典型區(qū)域耕地重金屬污染案例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，Cd污染發(fā)生概率超過25%，涉及11個(gè)省的25個(gè)地區(qū)。由于Cd污染問題突出，Cd污染土壤的修復(fù)研究也得到了廣泛關(guān)注。石灰性土壤重金屬的有效性較低，可以通過外源添加其他物質(zhì)以改變土壤的化學(xué)性質(zhì)或土壤中重金屬的形態(tài)，提高土壤中Cd的溶解性和遷移性。許偉偉等研究表明，添加檸檬酸、木醋液等可不同程度提高土壤Cd的生物有效性；韓洋等研究表明，草酸可活化土壤固相Cd，提高土壤液相Cd離子濃度，促進(jìn)了土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd向可交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化；陳衛(wèi)平等研究表明，添加有機(jī)酸調(diào)節(jié)土壤pH，可使土壤中Cd形態(tài)發(fā)生改變，從而改變Cd的生物有效性和毒性。

木醋液是廢棄木材或秸稈等通過熱解、碳化或干餾的過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過冷凝回流得到的有機(jī)副產(chǎn)品，成分以乙酸為主，并由醇、酚、酮、醛及其衍生物混合而成的紅褐色有機(jī)混合物。日本早在1960年就研究出了多種用途的專用木醋液，我國于20世紀(jì)80年代開始對(duì)木醋液的加工、成分分析、抑菌效果以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用進(jìn)行研究。已有研究表明，木醋液既可作為植物生長調(diào)節(jié)劑、土壤消毒劑、預(yù)防種子立枯?。挥挚勺鳛橥寥栏牧紕?、微肥、藥肥，增加土壤肥力。曾婕等研究表明，不同濃度的木醋液能改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分含量，提高土壤酶活性，促進(jìn)植物生長和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。目前，我國對(duì)木醋液的研究主要集中在促進(jìn)植物生長和影響土壤理化性質(zhì)上，將其用于重金屬污染土壤修復(fù)方面的研究鮮有報(bào)道。本研究旨在向石灰性Cd污染土壤中添加不同稀釋倍數(shù)的木醋液，探索木醋液對(duì)土壤Cd形態(tài)的影響以及對(duì)土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響，以期為石灰性重金屬污染土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自河南省某污灌農(nóng)田耕層0—20 cm土壤，類型為砂質(zhì)潮土。土壤pH為7.79，為0.11 mS/cm，有機(jī)質(zhì)為9.96 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀、Cd總量、Cd有效態(tài)含量分別為9.75，23.45，354.67，2.98，1.39 mg/kg。

木醋液購自石家莊宏森有限公司成品，由優(yōu)質(zhì)果殼提煉而成，有機(jī)酸、酮類、酯類、苯酚及衍生物相對(duì)含量分別為46.06%，3.10%，7.34%，32.70%。pH為4.18，為3.50 mS/cm，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為57.75，2.69，0.81，0.09 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將供試土樣含水量調(diào)節(jié)至田間持水量的50%，于25 ℃，60%濕度條件下恒溫預(yù)培養(yǎng)7天，消除干濕效應(yīng)。稱取預(yù)培養(yǎng)土壤210 g于帶蓋有孔塑料盒中。試驗(yàn)按照體積分?jǐn)?shù)設(shè)置7個(gè)不同稀釋倍數(shù)木醋液處理，分別為Wv100(稀釋100倍)、Wv50(稀釋50倍)、Wv20(稀釋20倍)、Wv10(稀釋10倍)、Wv5(稀釋5倍)、Wv0(木醋液原液)，對(duì)照CK以去離子水代替，每個(gè)處理重復(fù)3次。每次加入木醋液溶液20 mL，連續(xù)3天等量加入，共60 mL。培養(yǎng)過程中保持60%田間持水量。各處理在25 ℃，60%濕度的恒溫箱中進(jìn)行培養(yǎng)，每隔1天用稱重法補(bǔ)充水分。在培養(yǎng)的第1，3，5，7，10，20天進(jìn)行破壞性取樣，測(cè)定土壤Cd有效態(tài)含量，待培養(yǎng)結(jié)束后(第20天)測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)、酶活性及Cd化學(xué)形態(tài)。

1.3 測(cè)定方法

pH用pH計(jì)測(cè)定；土壤電導(dǎo)率()測(cè)定用電導(dǎo)率儀測(cè)定；有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀分別采用重鉻酸鉀外加熱法、堿解擴(kuò)散法、0.5 mol/L NaHCO浸提—鉬銻抗分光光度法、NHOAc浸提—火焰光度法測(cè)定。

脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性分別采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法、3,5—二硝基水楊酸比色法、紫外分光光度法測(cè)定。土壤有效態(tài)Cd采用DTPA浸提—原子吸收光譜儀測(cè)定。土壤Cd化學(xué)形態(tài)分布采用Tessier五步提取法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用SPSS 20軟件的LSD法進(jìn)行差異比較；采用Origin Pro 8.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 木醋液對(duì)土壤pH、EC的影響

由圖1可知，隨著木醋液濃度的增加，除Wv100、Wv50處理外，其余處理pH顯著下降(<0.05)，分別下降了0.13，0.18，0.22，1.53個(gè)單位，其中Wv0處理pH最低，降至6.25。除Wv0處理土壤呈現(xiàn)弱酸性，其他處理培養(yǎng)后土壤仍為弱堿性。木醋液的pH為4.18，主要成分為乙酸等弱有機(jī)酸，本試驗(yàn)所用土壤為石灰性土壤，pH為7.79，其鹽基高度飽和，呈中性至堿性反應(yīng)，有一定的緩沖能力，可見添加適量濃度的木醋液不會(huì)導(dǎo)致土壤pH的急劇下降。

與CK(為0.11 mS/cm)相比，Wv100～Wv5處理均無顯著差異，不會(huì)對(duì)土壤造成鹽害；Wv0處理其pH最低，且木醋液(3.5 mS/cm)較高，施入土壤后會(huì)導(dǎo)致土壤溶解的鹽類增多，使顯著上升(<0.05)，達(dá)到0.42 mS/cm。因此，向石灰性土壤添加適當(dāng)濃度的木醋液，不會(huì)導(dǎo)致鹽害。

注：圖柱上方不同小寫字母表示不同培養(yǎng)處理間顯著差異性(P<0.05)。下同。

2.2 木醋液對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表1可知，Wv100～Wv20處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK略有增加但差異不顯著，Wv10～Wv0處理有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，分別增加了26.90%，25.80%，66.64%，Wv0處理達(dá)到最高，為18.83 g/kg。木醋液本身含有有機(jī)酸、醇類、酯類等有機(jī)物質(zhì)，隨著施入土壤木醋液濃度的增加，有機(jī)質(zhì)含量隨之增加。

表1 不同處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

與CK相比，除Wv10、Wv5處理，各處理堿解氮含量顯著升高(<0.05)，增幅為9.74%～96.10%。其中Wv0處理含量最高，為19.12 mg/kg。由于木醋液對(duì)氮有固持作用且本身含有氮元素，施入土壤會(huì)提高堿解氮含量。

添加木醋液各處理有效磷和速效鉀含量較CK均顯著提高(<0.05)，分別提高31.71%～56.64%，8.34%～30.87%。其中Wv0處理含量均為最高，分別為38.58，407.01 mg/kg。本試驗(yàn)所用土壤為石灰性土壤，對(duì)磷有較強(qiáng)的固定作用，且石灰性土壤中鉀的貯量比較多，其移動(dòng)性也比較弱，向土壤中施加木醋液，可以達(dá)到解磷解鉀的作用。

綜上所述，木醋液的施加，可促進(jìn)養(yǎng)分活化，提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，不同處理間的養(yǎng)分含量均以Wv0處理最高。

2.3 木醋液對(duì)土壤酶活性的影響

由圖2可知，脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性隨木醋液濃度的增加均呈先升高后降低趨勢(shì)。與CK相比，Wv100和Wv50處理顯著提高了土壤脲酶活性，能夠加快氮素的循環(huán)，其中，Wv100處理脲酶活性最高為0.52 mg/(g·24 h)，顯著增加79.30%(<0.05)。隨著木醋液濃度的升高，脲酶活性逐漸下降，Wv20、Wv10處理較CK差異不顯著，從Wv5處理開始顯著抑制土壤脲酶活性(<0.05)，Wv0處理脲酶活性最低為0.06 mg/(g·24 h)，降低77.60%。

注：土壤脲酶活性單位表示24 h后1 g土壤中NH4+-N的質(zhì)量(mg)；土壤蔗糖酶活性單位表示24 h后1 g干土生成葡萄糖質(zhì)量(mg)；土壤過氧化氫酶活性單位表示20 min內(nèi)1 g土壤分解的H2O2的質(zhì)量(mg)。

蔗糖酶與脲酶活性隨木醋液濃度提高變化趨勢(shì)基本一致，除Wv20和Wv10處理外，其他處理較CK均差異顯著(<0.05)。Wv100和Wv50顯著提高了蔗糖酶活性(<0.05)，且Wv100處理蔗糖酶活性最高，為37.72 mg/(g·24 h)，較CK增加63.29%；Wv5和Wv0處理與CK相比顯著降低27.23%，62.86%(<0.05)，僅為16.81，8.58 mg/(g·24 h)，顯著抑制了蔗糖酶活性。

過氧化氫酶活性也隨木醋液濃度的增加呈先升高后降低趨勢(shì)，Wv100～Wv10處理較CK均顯著提高了過氧化氫酶活性(<0.05)，上升幅度為31.91%～65.96%，Wv50處理最高，為0.78 mg/(g·20 min)，Wv100僅次于Wv50處理，為0.77 mg/(g·20 min)。而Wv0處理由于木醋液濃度過高，抑制了微生物活性，與CK相比降低53.19%，其酶活性最低。

綜上所述，木醋液對(duì)土壤酶活性具有雙重性，低濃度的木醋液Wv100～Wv50處理提高了土壤脲酶和蔗糖酶活性，高濃度的木醋液Wv5、Wv0處理抑制了土壤脲酶和蔗糖酶活性，并且隨著濃度增大，其酶活性逐漸下降，可見脲酶、蔗糖酶耐酸性較差。中低濃度的木醋液Wv100～Wv10處理對(duì)過氧化氫酶活性有明顯的促進(jìn)作用，其耐酸性較好，木醋液原液對(duì)過氧化氫酶活性顯著抑制(<0.05)。

2.4 木醋液對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量和Cd化學(xué)形態(tài)分布變化

2.4.1 木醋液對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量變化 由圖3可知，木醋液的添加顯著提高了土壤有效態(tài)Cd含量(<0.05)。第1天時(shí)，各處理有效態(tài)Cd含量較CK均顯著增加(<0.05)，增幅為9.86%～25.35%。Wv100～Wv10處理間差異不顯著，Wv5、Wv0處理較其他處理差異顯著(<0.05)，Wv0處理含量最高，為1.78 mg/kg。第3天與第1天基本一致，與CK相比，各處理有效態(tài)Cd含量均顯著增加(<0.05)，增幅為4.73%～26.35%。Wv100～Wv5各處理間差異不顯著，但與Wv0處理差異顯著(<0.05)，Wv0處理含量最高，為1.87 mg/kg?？梢娔敬滓杭尤氤跗?，能顯著增加土壤有效態(tài)Cd含量(<0.05)。

第5～20天土壤有效態(tài)Cd含量變化與之前不同。除Wv5處理外，其余處理較CK均呈現(xiàn)顯著差異(<0.05)，Wv100～Wv5處理有效態(tài)Cd含量先升高后降低，與土壤酶活性趨勢(shì)一致，低濃度木醋液促進(jìn)微生物活性，有效態(tài)Cd含量隨之升高，高濃度木醋液抑制微生物活性，有效態(tài)Cd含量隨之下降。Wv0處理為木醋液原液，使土壤由弱堿性變?yōu)槿跛嵝?，短時(shí)間無法回升，造成有效態(tài)Cd含量仍為最高。

綜上所述，添加適當(dāng)濃度木醋液能夠增加土壤有效態(tài)Cd含量，提高其生物有效性和遷移能力。

圖3 不同處理對(duì)土壤有效態(tài)Cd的影響

2.4.2 木醋液對(duì)土壤Cd化學(xué)形態(tài)的影響 由圖4可知，培養(yǎng)20天后，土壤Cd形態(tài)含量變化明顯。與CK相比，土壤可交換態(tài)Cd(EX)含量呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，其中，Wv0處理最高，為1.41 mg/kg，較CK顯著提高72.40%(<0.05)，Wv50處理次之，為1.28 mg/kg，較CK顯著增加48.30%(<0.05)。碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd(CA)、鐵錳氧化物態(tài)Cd(OX)及有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd(OM)含量較CK均顯著增加(<0.05)，分別為6.67%～196.70%，16.24%～80.09%，31.51%～70.32%。CA態(tài)Cd含量和OX態(tài)Cd含量分別以Wv0和Wv5處理含量最高；OM態(tài)Cd含量以Wv0處理含量最高，Wv100處理次之。殘?jiān)鼞B(tài)Cd(RE)含量與CK相比均顯著降低(<0.05)，其中，Wv0處理降幅最大，降幅為59.93%，Wv50處理次之。綜上所述，施加木醋液能夠活化土壤Cd，可使殘?jiān)鼞B(tài)Cd向有效態(tài)Cd遷移轉(zhuǎn)化，提高土壤Cd活性。

圖4 不同處理對(duì)土壤Cd化學(xué)形態(tài)的影響

3 討 論

3.1 不同濃度的木醋液對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

本試驗(yàn)表明，木醋液施入石灰性土壤后能降低土壤pH，各處理(除原液外)均無顯著變化。木醋液中含有46.06%有機(jī)酸，加入土壤中降低了土壤pH，這與李忠徽等研究結(jié)果一致。常青等研究表明，向土壤中添加木醋液原液使土壤pH和變化顯著，造成使土壤內(nèi)部性質(zhì)不均勻，不適宜作物根系的生長，與本研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中不同濃度木醋液的施加，可以活化養(yǎng)分，提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，不同處理間的養(yǎng)分含量均以Wv0處理含量最高。一方面可能是木醋液本身含有有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等養(yǎng)分，隨加入木醋液量的提高，帶入養(yǎng)分量也就越多，因此土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀等含量均有上升，這與覃青青等研究結(jié)果一致；另一方面，因?yàn)槟敬滓菏┤胪寥篮?，也與養(yǎng)分活化、刺激微生物活動(dòng)密切相關(guān)，添加木醋液能夠?yàn)橥寥乐械奈⑸锾峁┨荚?，增加溶磷溶鉀等功能性?xì)菌的數(shù)量，促進(jìn)解磷解鉀，從而提高有效磷和速效鉀的含量，這與Kaur等、龔芳芳等研究結(jié)果一致。

3.2 不同濃度的木醋液對(duì)土壤酶活性的影響

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，木醋液的施入可明顯影響土壤相關(guān)酶活性。低濃度木醋液可使土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性顯著升高，由于低濃度的木醋液為土壤提供了養(yǎng)分且未改變土壤本身性質(zhì)，促進(jìn)了微生物的生長繁殖，微生物分泌代謝物的增加是致使土壤酶活性增加的主要和直接原因，這與鄒小明等研究結(jié)果相符。酶活性的增加提升了土壤環(huán)境的自凈與解毒能力，可增強(qiáng)土壤緩沖性能、規(guī)避土壤酸化。程虎等研究表明，隨著木醋液濃度的升高，土壤酶活性隨之升高。本試驗(yàn)研究表明，在木醋液較高濃度處理下，隨濃度的增加對(duì)土壤酶活性抑制增大，是由于高濃度木醋液可能瞬時(shí)改變土壤微域環(huán)境，且其含有的大量酸類和酚類等有機(jī)物質(zhì)可能會(huì)對(duì)土壤微生物形成毒害作用，從而抑制土壤微生物生長與活性。

3.3 不同濃度的木醋液對(duì)土壤Cd化學(xué)形態(tài)的影響

土壤重金屬形態(tài)及理化性質(zhì)和作物生長發(fā)育等密切相關(guān)，植物對(duì)土壤重金屬的去除效率在很大程度上取決于土壤重金屬生物有效性。可交換態(tài)Cd是Cd活性較高的形態(tài)，能被植物直接吸收，對(duì)植物危害程度較大，且對(duì)土壤環(huán)境變化較敏感，容易被遷移和轉(zhuǎn)化。本研究結(jié)果表明，施加木醋液會(huì)降低土壤pH，在一定范圍內(nèi)能夠增強(qiáng)土壤Cd有效性和可移動(dòng)性，使殘?jiān)鼞B(tài)Cd向可交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化，這與韓洋等、黃敬等研究結(jié)果相符。Passatore等研究表明，有機(jī)酸能夠有效活化吸附在土壤顆粒表面的固相重金屬，提高其液相離子濃度，使固相重金屬轉(zhuǎn)化為易被植物根系吸收的有效形態(tài)，從而提高重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)效率和擴(kuò)散能力，與本研究一致。隨著施入木醋液濃度的升高，殘?jiān)鼞B(tài)Cd向有效態(tài)Cd轉(zhuǎn)化的越多。錢翌等研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)酸對(duì)于土壤中Cd離子的解吸有促進(jìn)作用，且有機(jī)酸濃度越高，解吸作用越強(qiáng)。木醋液能夠參與土壤重金屬與土壤表面、酸堿度、有機(jī)配體的相互作用，從而改變重金屬的溶解性和移動(dòng)性，它本身含有大量的官能團(tuán)，如羧基、羥基等的電離作用與強(qiáng)配位能力，可通過降低土壤pH或與Cd的配合作用而改變Cd在土壤中的賦存形態(tài)，進(jìn)而對(duì)Cd的環(huán)境行為產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

石灰性Cd污染土壤中添加木醋液能夠降低土壤pH，影響土壤，但只有添加木醋液原液才能使土壤pH急劇下降，呈現(xiàn)弱酸性，明顯升高。另外，木醋液還提高了土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。木醋液的施入可明顯影響土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性，在一定范圍內(nèi)能夠增強(qiáng)土壤Cd有效性和可移動(dòng)性，使殘?jiān)鼞B(tài)Cd向可交換態(tài)Cd、碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd、有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd遷移轉(zhuǎn)化。而施加木醋液原液處理會(huì)導(dǎo)致石灰性土壤pH明顯下降，大幅度提升土壤有效態(tài)Cd。