全 文 ：猪粪和稻草对镉污染黄泥土生物活性的影响 3
张亚丽　沈其荣 3 3 　谢学俭　孙兆海
(南京农业大学资源与环境科学学院 ,农业部作物生长调控重点实验室 ,南京 210095)
【摘要】　通过培养试验研究了猪粪和稻草对 Cd 污染黄泥土生物活性的影响. 结果表明 ,Cd 污染土壤的生
物活性下降. 施用有机肥料后 ,土壤有效态 Cd 含量降低 ,降幅约为 40 % ;微生物量 C、N、P 和脱氢酶、过氧
化氢酶的活性增高 ,增幅为 30 %～100 % ,其中微生物量 C、N 与土壤有效态 Cd 之间有显著的负相关关系 ,
可作为污染土壤的生物指标.
关键词 　猪粪 　稻草 　镉污染黄泥土 　生物活性
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 11 - 1997 - 04 　中图分类号 　S141 　文献标识码 　A
Effect of pig manure and rice stra w on biological activity of Cd2contaminated soil. ZHAN G Yali , SHEN
Qirong , XIE Xuejian , SUN Zhaohai ( College of Resources and Envi ronmental Sciences , M OA Key L aboratory
of Plant Grow th Regulation , N anjing A gricultural U niversity , N anjing 210095 , China) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2003 ,14 (11) :1997～2000.
Studies on the effects of pig manure and rice straw on the biological activity of Cd2contaminated permeable paddy
soil showed that Cd2contaminated soil had a declined biological activity. After applying organic manure , the con2
tent of soil available Cd decreased significantly , being about 40 % , and soil microbial C , N and P and soil dehy2
drogenase and catalase activities increased 30 %～100 %. There existed a negative correlation between soil avail2
able Cd and soil microbial C and N , indicating that microbial C and N could be used as an index of Cd2contami2
nated soil.
Key words 　Pig manure , Rice straw , Cd2contaminated permeable paddy soil , Biological activity.
3 国家自然科学基金重点项目 (39830220)和国家科技部 863 资助项
目 (2001AA246081) .3 3 通讯联系人.
2002 - 12 - 26 收稿 ,2003 - 03 - 11 接受.
1 　引 　　言
土壤生物几乎与所有的土壤过程有关. 土壤微
生物作为有机质降解和转化的动力 ,是重要的植物
养分贮库 ,对植物养分转化、有机碳代谢和污染物的
降解具有十分重要的作用 ;土壤酶则通过催化多数
土壤反应而在土壤中发挥重要作用. 与通常是土壤
变化产物的土壤有机质或养分不同 ,土壤生物及其
活动能被用作土壤变化的早期预警的生物指标 ,尤
其是因污染、土壤管理措施引起的农业土壤变化.
目前 ,我国部分地区农田土壤受 Cd 的污染已
很严重. 土壤过量的 Cd 会抑制作物生长 ,在可食部
分的残留还会通过食物链影响人体的健康 ,故 Cd
污染土壤的治理已引起国内外广泛重视. 研究表明 ,
有机肥料的施用可钝化土壤中的有效态 Cd ,从而降
低植物对 Cd 的吸收 ,是一种较理想的治理措施[14 ] .
有机肥料的施用对重金属 Cd 污染土壤生物活性影
响的研究尚不多见[2 ,11 ] . 本文通过培养实验研究了
猪粪和稻草对 Cd 污染黄泥土的微生物量和酶活性
的影响 ,探讨微生物量 C、N、P 和酶活性作为污染土
壤生物指标的可行性和以此来监测土壤肥力改善的
可能性.
2 　材料与方法
211 　供试材料
21111 土壤 　供试土壤为水稻土 ,采自江苏省宜兴市 ,采样
深度 0～20cm. 土样经风干磨细后 ,分别过 2 和 0. 15mm 筛
备用. 土壤有机碳 13. 2 g·kg - 1 ,全 N1. 5 g·kg - 1 ,速效 P7
mg·kg - 1 ,速效 K 77 mg·kg - 1 ,总 Cd 0. 11 mg·kg - 1 ,p H (2. 5
∶1) 5. 03 , 游离铁 120 mg·kg - 1 ,游离锰 114 mg·kg - 1 .
21112 有机肥料 　选用未经预处理的猪粪、稻草. 其基本性
质见表 1.
212 　培养试验
　　试验共设置 7 个处理 :对照 (CK) ,5 mg·kg - 1 Cd (Cd1) ,
猪粪 + 5 mg·kg - 1 Cd ( P2Cd1) ,稻草 + 5 mg·kg - 1 Cd ( ST2
Cd1) ,10 mg·kg - 1Cd(Cd2) ,猪粪 + 10 mg·kg - 1 Cd ( P2Cd2) ,
稻草 + 10 mg·kg - 1Cd(ST2Cd2) . 有机肥料用量为 2 %. 按试
验处理称取肥料加入 1kg 土壤中 ,充分混匀后装入大烧杯
中 ,于 2000 年 2 月 20 日投加重金属 ,陈化 1 周后加水调节
至田间持水量的 50 % ,恒温 (25 ±1 ℃)恒湿培养 ,重复 5 次.
应 用 生 态 学 报 　2003 年 11 月 　第 14 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2003 ,14 (11)∶1997～2000
分别于第 15 天、30 天、60 天、90 天、120 天取样.
表 1 　供试有机肥料的基本性状
Table 1 Some properties of organic manure used in the experiments
有机肥料
Organic
manure
全 C
Total C
(g·kg - 1)
全 N
Total N
(g·kg - 1)
全 P
Total P
(g·kg - 1)
全 K
Total K
(g·kg - 1)
C/ N C/ P Cd(mg
·kg - 1)
猪 粪 Pig manure 330 12. 8 12. 6 7. 6 26 26 0
稻草 Rice straw 382 6. 0 3. 7 17. 5 64 103 0
213 　分析方法
　　土壤微生物 C、N、P 量用灭菌2提取法 ( FE) 进行测
定[3 ,4 ,12 ,15 ] . 土壤酶的测定参照文献[8 ] . 土壤中有效态 Cd
用 0. 05 mol·L - 1CaCl2 浸提 (土液比为 1∶5) ,振荡 90 min 过
滤 ,滤液中的 Cd 用原子吸收分光光度法测定. 其它均采用常
规分析方法[10 ] .
3 　结果与讨论
311 　猪粪和稻草对污染土壤有效态 Cd 的影响
　　从表 2 可以看出 ,在本试验条件下 ,与对照相
比 ,施用猪粪和稻草可降低土壤有效态 Cd 含量 ,降
幅在 30 %～50 %. 两种有机肥料在 Cd 添加水平不
同时 ,二者的抑制效果均差异显著 (表 2) . 猪粪的效
果较好 ,降幅在 45 %左右 ; 稻草次之 ,降幅约为
35 %. 有机肥料的施用对 Cd 污染土壤的改良原理
主要有两个方面[14 ] :一是有机肥料施入土壤后增加
的土壤有机质可络合 Cd2 + ,降低 Cd2 + 有效性. 二是
有机肥料影响土壤其它基本性状 (如理化性质)所产
生的间接作用. 土壤中金属离子的活动很大程度上
受土壤 p H 的影响. 土壤 p H 升高 ,土壤胶体负电荷
表 2 　有机肥料对污染土壤中有效态 Cd的影响( mg·kg - 1)
Table 2 Effect of organic manure on available Cd in Cd2contaminated
soil
处理
Treatment
培养时间 Incubation time(d)
15 30 60 90 120
平均值
Average
降幅
Decreased
percentage ( %)
Cd1 2. 61 ±0. 10 2. 95 ±0. 09 3. 01 ±0. 11 2. 45 ±0. 08 2. 10 ±0. 04 2. 62a
P2Cd1 1. 14 ±0. 10 1. 32 ±0. 02 1. 81 ±0. 03 1. 30 ±0. 01 1. 23 ±0. 06 1. 36c 48. 1
ST2Cd1 1. 20 ±0. 08 1. 45 ±0. 01 2. 01 ±0. 03 1. 70 ±0. 06 1. 8 ±0. 06 1. 63b 37. 8
Cd2 5. 40 ±0. 12 6. 35 ±0. 16 7. 25 ±0. 23 5. 75 ±0. 11 5. 10 ±0. 22 5. 97a
P2Cd2 2. 21 ±0. 21 3. 52 ±0. 03 3. 93 ±0. 02 3. 61 ±0. 12 4. 01 ±0. 11 3. 46c 42. 1
ST2Cd2 2. 92 ±0. 03 3. 61 ±0. 04 4. 03 ±0. 05 4. 91 ±0. 23 4. 90 ±0. 13 4. 07b 31. 9
a ,b ,c代表 LSD0. 05差异显著性.
增加 , H + 竞争作用减弱 ,作为土壤吸附重金属的主
要载体如有机质、锰氧化物等与重金属结合更牢固 ;
相反 p H 值降低 ,土壤中可溶性和交换性金属离子
的比例会高些. 土壤 p H 值的测定结果表明 ,与未施
用有机肥料的污染土壤相比 ,猪粪处理在整个培养
期都使土壤 p H 值升高约 0. 4 个单位 ;而稻草处理
的增幅比猪粪略小. 这与有机肥料性质及其在土壤
中的腐解速度有关[7 ] . 猪粪 C/ N 低 ,分解速度快 ,由
于有 N H4 +释放会导致土壤 p H 值升高 ;而稻草 C/
N 高达 64 ,其分解速度慢 ,且有机酸释放量多.
312 　猪粪和稻草对 Cd 污染土壤微生物量的影响
31211 　对土壤微生物量 C 的影响 　从图 1 可看
出 ,添加重金属后土壤微生物量 C 显著下降 ,其降
幅随添加浓度的增加而增加. Cd 添加量为 5 mg·
kg - 1时 ,与对照相比土壤微生物量 C 下降约 10 %左
右 ;Cd 为 10 mg·kg - 1时 ,土壤微生物量 C 下降约
20 %左右 ,表明土壤微生物量对重金属 Cd 很敏感.
其原因可能为重金属引起土壤呼吸量成倍增加 ,微
生物在逆境条件下维持其正常生命活动需要消耗更
多的能量[5 ,6 ] . 没有污染的土壤微生物量与土壤有
机碳之间往往有很密切的关系 ,土壤遭到重金属污
染后则这种关系不复存在或很差[9 ] .
图 1 　有机肥料对污染土壤微生物量 C 的影响
Fig. 1 Effect of organic manure on soil microbial C.
Ⅰ. CK , Ⅱ. Cd1 , Ⅲ. Cd2 , Ⅳ. P2Cd1 , Ⅴ. P2Cd2 , Ⅵ. ST2Cd1 , Ⅶ. ST2
Cd2. 下同 The same below.
　　从图 1 还可看出 ,施用猪粪和稻草后 ,污染土壤
的微生物量 C 显著增加 ,甚至比对照还要高. 两种
有机肥料处理其增幅不同 ,稻草处理土壤微生物量
C 的增幅略大于猪粪处理. 与未施有机肥的污染土
壤相比 ,当 Cd 浓度为 5 mg·kg - 1时 ,稻草处理的微
生物量 C 增幅约为 48 % ,猪粪处理的微生物量 C 增
幅在 40 %左右 ;当 Cd 浓度为 10 mg·kg - 1时 ,稻草
处理的微生物量 C 增幅约为 55 % ,猪粪处理的微生
物量 C 增幅在 50 %左右. 由此可看出 ,随着污染水
平的提高 ,有机肥料对土壤微生物量 C 的提高作用
越明显. 施用有机肥料后污染土壤微生物量 C 显著
增加有两个原因 :1) 猪粪和稻草施入土壤后能够直
接供给微生物所需的碳素 ,土壤 微生物大量繁殖 ,
微生物量 C 随之增加. 2) 猪粪和稻草的施用可降低
土壤中有效态 Cd 含量 ,从而减轻了 Cd 对土壤微生
物的毒害. 从图 2 可看出 ,在本实验条件下 ,土壤微
生物量 C 与有效态 Cd 之间呈显著负相关关系.
31212 　对土壤微生物量 N 的影响 　从图 3 可看
出 ,土壤微生物量 N 的变化与微生物量 C 有所相
似 . 添加重金属后土壤微生物量N显著下降 ,其下
8991 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
图 2 　污染土壤有效态 Cd 与微生物量 C 的关系
Fig. 2 Relationship between available C and microbial C.
图 3 　有机肥料对污染土壤微生物 N 的影响
Fig. 3 Effect of organic manure on microbial N.
降幅度随添加浓度的增加而增加. 与对照相比 ,Cd
添加量为 5 mg·kg - 1时 ,添加重金属后土壤微生物
量 N 下降约 15 %左右 ; Cd 为 10 mg·kg - 1时 ,土壤
微生物量 N 下降约 30 %左右. 这表明土壤微生物量
N 对重金属 Cd 也很敏感.
　　施用有机肥料后 ,污染土壤的微生物量 N 显著
增加. 不同有机肥料种类其增幅不同 ,猪粪处理效果
优于稻草处理. 与未施有机肥的污染土壤相比 ,Cd
浓度为 5 mg·kg - 1时 ,猪粪处理的微生物量 N 增幅
约为 50 % ,稻草处理的微生物量 N 增幅约为 30 % ;
Cd 浓度为 10 mg·kg - 1时 ,猪粪处理的微生物量 N
增幅约为 70 % ,稻草处理的微生物量 N 增幅约为
50 %. 可见 ,随着污染程度的加大 ,有机肥料对土壤
微生物量 N 的提高作用越显著. 其原因主要有 :1)
猪粪和稻草施入土壤后能够直接供给微生物所需的
碳素 ,土壤微生物大量繁殖 ,微生物量 N 随之增加 ,
且猪粪 C/ N 要比稻草低得多 ,在分解过程中可释放
出较多的 N 供微生物利用. 2) 猪粪和稻草的施用可
降低土壤中有效态 Cd 含量 ,从而减轻了 Cd 对土壤
微生物的毒害. 从表 2 可知 ,猪粪对土壤有效态 Cd
抑制效果好于稻草. 两方面的正交互效应导致猪粪
处理效果优于稻草处理. 在本实验条件下 ,相关分析
表明 ,污染土壤有效态重金属 Cd 与微生物量 N 之
间存在显著负相关关系 (图 4) .
31213 　对土壤微生物量 P 的影响 　从图 5 可看出 ,
添加重金属后土壤微生物量P显著下降 ,其下降幅
图 4 　污染土壤有效态 Cd 与微生物量 N 的关系.
Fig. 4 Relationship between available Cd and microbial N.
度随添加浓度的增加而增加. 与对照相比 ,Cd 添加
量为 5 mg·kg - 1时 ,添加重金属后土壤微生物量 P
下降约 15 % ;Cd 为 10 mg·kg - 1时 ,土壤微生物量 P
下降约 30 %. 施用有机肥料后 ,污染土壤的微生物
量 P 显著增加. 不同有机肥料种类其增幅不同 ,施
猪粪处理效果优于稻草处理. 与未施有机肥的污染
土壤相比 ,Cd 浓度为 5 mg·kg - 1时 ,猪粪处理的微
生物量 P 增幅约为 50 % ,稻草处理的微生物量 P 增
幅约为 30 %. 其原因主要有 :1) 猪粪和稻草施入土
壤后能够直接供给微生物所需的碳素 ,土壤微生物
大量繁殖 ,微生物量P随之增加 ;且猪粪C/ P要比
图 5 　有机肥料对污染土壤微生物 P 的影响
Fig. 5 Effect of organic manure on microbial P.
稻草低得多 ,分解可释放出较多的 P 供微生物利
用 ;2) 猪粪和稻草的施用可降低土壤中有效态 Cd
含量 ,从而减轻了 Cd 对土壤微生物的毒害. 从图 6
可看出 ,土壤中有效态 Cd 含量与微生物量 P 之间
有一定的负相关关系 ,但未达显著水平.
图 6 　污染土壤有效态 Cd 与微生物量 P 的关系.
Fig. 6 Relationship between available Cd and microbial P.
999111 期 　　　　　　　　　　　　张亚丽等 :猪粪和稻草对镉污染黄泥土生物活性的影响 　　　　　　　
313 　对土壤酶活性的影响
31311 　对土壤脱氢酶活性的影响 　从图 7 可以看
出 ,添加重金属后土壤脱氢酶活性降低 ,且随着土壤
重金属浓度增大 ,重金属对土壤脱氢酶的抑制作用
增强. 当 Cd 添加水平为 5 mg·kg - 1时 ,土壤脱氢酶
活性约下降 7 % ;Cd 添加水平为 10 mg·kg - 1时 ,脱
氢酶活性下降约 20 %. 重金属对酶的抑制可能在于
使酶蛋白沉淀导致酶失活 ,或由于重金属与某些酶
分子的巯基和胺基结合 ,从而一定程度地抑制了酶
的活性 ;也可能是因为重金属施入土壤后 ,土壤 p H
下降的缘故. Wilke 等[13 ]和Badalucco 等[1 ]的实验证
明 ,土壤 p H 与土壤脱氢酶有一定的正相关关系. 施
用有机肥料后土壤脱氢酶活性显著提高 ,其幅度在
50 %～100 %之间 ,其原因可能有 :一是有机肥料的
施用增加脱氢酶的反应基质如 糖类、有机酸、氨基
酸等 ;二是在本实验条件下施用有机肥料可使土壤
p H 升高约 0. 4 个单位. 不同有机肥料对脱氢酶的影
响不同 ,稻草的效果好于猪粪. 这可能是稻草含碳量
较高 ,能分解出较多的脱氢酶所需的基质. 相关分析
表明 ,有效态 Cd 与脱氢酶活性有一定的负相关关
系 (图 8) ,但未达显著水平.
图 7 　有机肥料对污染土壤脱氢酶的影响
Fig. 7 Effect of organic manure on dehydrogenase activity.
图 8 　土壤有效态 Cd 与脱氢酶的关系
Fig. 8 Relationship between soil available Cd and DHA.
31312 　有机肥料对土壤过氧化物酶活性的影响 　
从表 3 可以看出 ,添加重金属 Cd 后 ,土壤过氧化物
酶的活性有所降低 ,但随着添加浓度的增加 ,土壤过
氧化物酶的活性并未随之降低. 这可能由于土壤是
一个复杂的自然体系 ,过氧化氢酶的活性除受到重
表 3 　有机肥料对污染土壤过氧化物酶活性的影响( 0. 1mol·L - 1
KMnO4 ml·g - 1土)
Table 3 Effect of organic manure on catelase activity in Cd2contaminat2
ed soil
处理
Treatment
培养时间 Incubation time(d)
15 30 60 90 120
平均值
Average
CK 3. 32 ±0. 10 3. 53 ±0. 23 3. 38 ±0. 21 3. 37 ±0. 15 3. 41 ±0. 17 3. 40
Cd1 3. 29 ±0. 09 3. 29 ±0. 11 3. 45 ±0. 19 3. 35 ±0. 13 3. 33 ±0. 18 3. 36
Cd2 3. 28 ±0. 14 3. 49 ±0. 17 3. 41 ±0. 11 3. 32 ±0. 08 3. 36 ±0. 16 3. 36
P2Cd1 4. 72 ±0. 17 4. 50 ±0. 09 4. 05 ±0. 12 4. 73 ±0. 07 4. 74 ±0. 15 4. 55
P2Cd2 4. 48 ±0. 21 4. 44 ±0. 15 3. 79 ±0. 06 4. 40 ±0. 06 4. 24 ±0. 12 4. 27
ST2Cd1 4. 58 ±0. 17 4. 54 ±0. 23 3. 91 ±0. 05 4. 38 ±0. 12 4. 36 ±0. 18 4. 35
ST2Cd2 4. 28 ±0. 11 4. 24 ±0. 13 3. 29 ±0. 13 3. 90 ±0. 13 3. 90 ±0. 17 3. 92
金属Cd的影响外 ,还受到某些土壤理化性质的影
响 ,其原因还有待进一步研究. 施用有机肥料后 ,污
染土壤过氧化物酶的活性明显增加 ,甚至超过对照
处理的活性. 其中猪粪的效果好于稻草.
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作者简介 　张亚丽 ,女 ,1971 生 ,在读博士 ,讲师 ,主要从事
土壤肥力与植物营养研究 ,已发表论文 6 篇 , E2mail : yalizh
@smtp. njau. edu. cn , Tel :02524396228
0002 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷