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蚯蚓及蚓粪对植物修复Cu、Zn污染土壤的影响

王丹丹  
【摘要】: 近年来,蚯蚓在污染土壤修复中的应用得到了较多关注。有研究证实蚯蚓一方面可以改善土壤条件,促进植物生长;另一方面可通过肠道消化和养分富集等过程提高重金属的生物有效性从而提高重金属污染土壤的植物修复效率。但是以往的研究中只涉及了耐性植物,而没有将超积累植物和蚯蚓结合起来修复污染土壤。同时对于蚯蚓活动在Cu、Zn污染土壤中对微生物数量、活性以及酶活性的改善作用也关注较少。而且以往用蚯蚓修复污染土壤的研究中,由于没有向土壤中加入有机物,往往出现培养结束后,蚯蚓活性和体重明显下降的现象,影响了蚯蚓的修复效果。据此,为了进一步完善蚯蚓-植物修复污染土壤的体系,本文设置了一系列培养和盆栽试验,主要研究:(1)蚯蚓(Pheretima sp.)对黑麦草(L.multiflorum)和印度芥菜(Brassica juncea)修复Zn污染土壤的影响;(2)蚯蚓-秸秆及其相互作用对黑麦草修复Cu污染土壤的影响;(3)蚯蚓-秸秆及其相互作用对Cu污染土壤中微生物区系及微生物活性的影响;(4)蚓粪对铜矿尾矿砂中黑麦草生长及其铜吸收量的影响,试图揭示蚯蚓-植物相互作用在修复Cu、Zn污染土壤中的作用、影响因素与机理。主要结果如下: 1.研究发现供试蚯蚓(Pheretima sp.)能存活于设定浓度的Cu、Zn污染土壤中,对重金属污染的有一定的耐受性。蚓体对Cu、Zn的富集系数为0.18-0.31,0.21-0.29,且富集系数随重金属污染浓度升高而降低,同时蚓粪中重金属浓度高于蚓体,表明蚯蚓对Cu、Zn没有强烈的富集作用,可通过排泄等机制将吸收的Cu、Zn排出体外。然而重金属污染仍明显抑制了蚯蚓的生长,蚯蚓生长率随污染浓度升高而下降,同时Cu污染土壤中蚯蚓生物量降幅较大,表明Cu污染对蚯蚓的毒害作用较Zn污染强。此外,施用秸秆为蚯蚓提供了食源,并在一定程度上缓解了Cu对蚯蚓的毒害作用,使蚯蚓富集系数降低,有利于提高蚯蚓的活性。 2.蚯蚓活动提高了Zn各处理土壤的速效态N、P和NO_3~--N含量,而对速效K和NH_4~+-N含量影响不大。蚯蚓对土壤速效养分的提高作用对提高植物产量具有非常重要的意义 3.接种蚯蚓对印度芥菜和黑麦草地上部和地下部生物量及土壤中的植物有效态Zn含量(DTPA-Zn)均有提高作用,并促进了两种植物对土壤Zn的吸收,使其分别比对照提高了57.8%-131.6%、51.4%~150.5%。虽然黑麦草植株的Zn浓度明显低于印度芥菜,但因黑麦草的生物量较高,其Zn累积量高于印度芥菜,加之黑麦草对生长条件要求不高,可多次刈割,因而对中轻度Zn污染土壤具有更大的修复潜力。 4.单施秸秆处理(M)对植物地上部生物量无显著影响,但提高了植物地下部生物量。只加蚯蚓处理(E)则显著提高了地上部生物量,而对地下部生物量影响不大。单独加蚯蚓和单施秸秆处理都提高了植物体地上部和地下部Cu浓度,且单独加蚯蚓处理的提高作用较单施秸秆处理的高。同时接种蚯蚓和秸秆处理(ME)的黑麦草生物量及其对Cu的修复效率不如单独加蚯蚓处理的高,主要是由于秸秆C/N比较高,在分解过程中固持了许多速效养分。四个处理植物地上部对Cu的富集系数大小顺序为:E>ME>M>CK。 5.对于污染土壤的微生物指标进行研究后,发现Zn污染对土壤微生物数量没有显著抑制作用,Cu污染主要表现出对细菌、放线菌的抑制作用,而对真菌影响不大。当污染浓度为Zn≥300 mg/kg、Cu≥200mg/kg时,微生物生物量碳受到显著抑制。另外,Zn的加入使土壤蔗糖酶、脲酶活性降低,对磷酸酶活性影响不大。以上结果均表明,污染条件下土壤的生态环境受到一定的破坏。而接种蚯蚓后,Cu、Zn污染土壤的细菌、放线菌数量,微生物生物量碳含量显著提高,蚯蚓还显著提高了Zn污染土壤的蔗糖酶、脲酶、磷酸酶等酶活性,一定程度上减轻了重金属对土壤酶活性的抑制作用。秸秆的加入对Cu污染土壤的微生物数量和活性也有促进作用,同时蚯蚓-秸秆交互作用对微生物数量和活性的提高具有协同作用。方差分析显示:蚯蚓、秸秆、Cu污染浓度这三个影响因素中,秸秆因子对三大菌和微生物生物量碳的影响最大,蚯蚓因子其次,表明污染土壤中有机物的供给仍是影响微生物数量和活性的主要因素。因此有机物在改善污染土壤生态环境具有举足轻重的作用。 6.在多数模拟Cu、Zn污染水平下,蚯蚓活动对DTPA态土壤Cu、Zn含量有显著提高作用,相关分析显示植物体重金属浓度与DTPA态重金属含量具有显著正相关。进一步用BCR分级法对污染土壤的重金属形态进行了分析,发现蚯蚓处理(E)中交换态Zn和铁锰氧化态Zn含量显著提高(p<0.05~*),而残渣态Zn含量显著降低。蚯蚓对Cu形态的影响主要是使残渣态Cu向有机结合态、铁锰氧化态和可交换态转变,秸秆使可交换态、铁锰氧化态、残渣态Cu降低,而提高了有机结合态Cu。蚯蚓加秸秆处理(ME)中土壤重金属形态有从残渣态向可交换态、铁锰氧化态、有机结合态转化的趋势,且其转化程度高于单独加蚯蚓处理。上述结果表明蚯蚓活动促进了残渣态Cu向可交换态和铁锰氧化态转变,有利于提高了土壤重金属的生物有效性。另外,土壤DOC(可溶性有机碳)含量是影响土壤中重金属形态的重要因子,秸秆和蚯蚓处理均提高了土壤的DOC含量,同时加蚯蚓和秸秆处理(ME)的提高作用最显著。 7.相对于纯尾矿砂处理,蚓粪和土壤的混入都促进了黑麦草生长,且蚓粪的促进作用较土壤高。另外,蚓粪、土壤与尾矿砂的不同配比对植物的生长和植物对Cu的吸收量影响很大。蚓粪比例为50%时,植株株高达到最大。蚓粪比例为75%时,黑麦草地上部和地下部生物量最高,且地上部的Cu吸收量此时也达到最大。但是黑麦草地下部Cu吸收量和Cu总吸收量在蚓粪比例为25%时达到最大。总体看来,加蚓粪各处理的黑麦草Cu浓度以及Cu吸收量显著高于加土壤的相应处理,不同配比中,以尾矿砂75%+蚓粪25%的处理最为经济、适用。 8.根据上述结果以及前人研究资料,蚯蚓提高植物修复重金属污染效率的机理可归纳为:(1)蚯蚓活动提高了污染土壤的微生物数量和酶活性,加速土壤养分循环并提高养分生物有效性,从而促进了植物生长;(2)蚯蚓活动有助于分解土壤有机物,提高了土壤DOC含量,促进土壤重金属从无效态(残渣态)向有效态(可交换态、铁锰氧化态)转变;(3)蚯蚓活动改善了污染土壤的微生态环境,而微生物的生物吸附、富集以及代谢活动都在一定程度上影响重金属形态的变化。


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