全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2008, 35 (11) : 1561 - 1566
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2008 - 06 - 16; 修回日期 : 2008 - 09 - 16
基金项目 : 国家自然科学基金项目 (30671452; 30571285)3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: hqyang@ sdau1edu1cn)
蚯蚓和有效微生物群对果园土壤镉吸附 —解吸及苹
果镉含量的影响
申为宝 1, 2 , 杨洪强 1, 33 , 申　洁 4 , 乔海涛 1
(1 山东农业大学园艺科学与工程学院 , 山东泰安 271018; 2 山东省临沂市农业局 , 山东临沂 276001; 3 作物生物学国
家重点实验室 , 山东泰安 271018; 4 浙江大学竺可桢学院 , 杭州 310058)
摘 　要 : 以果园棕壤土和 3年生盆栽苹果 (M alus dom estica Borkh. ) 为试验材料 , 研究引入蚯蚓和有
效微生物群 ( EM ) 后 , 土壤对镉离子 (Cd2 + ) 的吸附 —解吸行为及苹果根系和果实镉含量的变化。结果
表明 , 随着土壤 Cd2 +含量增加 , 土壤对 Cd2 +的吸附率降低 , 解吸率提高 ; Langmuir方程显示 , 经过蚯蚓和
EM处理的土壤对 Cd2 +的吸附强度和对 Cd2 +的最大缓冲容量 (MBC) 下降 ; 在土壤 Cd2 +含量较高时 , 蚯
蚓和 EM降低了土壤对 Cd2 +的吸附率 , 提高了解吸率 , EM效果更明显。苹果根系和果实镉含量随着土壤
施 Cd2 +而增加 , 蚯蚓和 EM明显促进根系对镉的吸收及镉在果实中的积累 , 在土壤镉含量较高时 , 蚯蚓和
EM的作用更显著。
关键词 : 苹果 ; 蚯蚓 ; 微生物 ; 镉 ; 吸附 ; 解吸
中图分类号 : S 66111　　文献标识码 : A　　文章编号 : 05132353X (2008) 1121561206
The Effects of Earthworm s and Effective M icroorgan ism s on the Adsorption -
D esorption of Cadm ium in O rchard So ils and Cadm ium Accum ula tion in
Apple
SHEN W ei2bao1, 2 , YANG Hong2qiang1, 33 , SHEN J ie4 , and Q IAO Hai2tao1
(1 College of Horticulture Science and Engineering, Shandong A gricultural U niversity, Taipian, Shandong 271018, Ch ina; 2L iny i
A gricultural B ureau, L iny i, Shandong 276001, Ch ina; 3 S ta te Key Laboratory of C rop B iology, Taipian, Shandong 271018,
China; 4 Chu Kochen Honors College, Zhejiang U niversity, Hangzhou 310058, China)
Abstract: The Cd2 + adsorp tion - desorp tion in soil and the content of Cd2 + in roots and fruits were stud2
ied by treatment with the earthworm and effective m icroorganism s ( EM ) , using the orchard brown soils and
potted three2year2old app le trees (M a lus dom estica Borkh. ) as materials. The results showed that the adsorp2
tion ratio of the Cd2 + in the soils reduced and the desorp tion ratio of Cd2 + enhanced as the soil Cd2 + concen2
tration increasing. According to the Langmuir equation, the adsorp tion strength and the maximum buffering ca2
pacity (MBC) of the soil to Cd2 + decreased after the soil was treated with the earthworm and EM. The earth2
worm and EM reduced the adsorp tion ratio of the soil for Cd2 + and increased Cd2 + desorp tion ratio in the soil
of higher Cd2 + concentration. And the EM had more obvious effect compared with earthworm. In the root and
fruit, Cd content increased with Cd2 + concentration increasing in the soil. The earthworm and EM significantly
p romoted the up take of Cd2 + in the root and the accumulation of Cd2 + in the fruit, and the effect was more re2
markable when the Cd2 + concentration was higher in the soil.
Key words: app le; earthworm; m icroorganism; cadm ium; adsorp tion; desorp tion
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园 　　艺 　　学 　　报 35卷
　　镉是一种毒性很强的重金属 , 易为植物吸收并可通过食物链危及人体健康。镉在土壤中的吸附和
解吸行为控制了镉的迁移及其在生物链中的传递 (陈怀满 , 1998)。关于土壤中镉的研究主要集中在
pH值、温度、土壤胶体以及有机质等物理和化学因素对 Cd2 +吸附 —解吸规律的影响 (焦文涛 等 ,
2005; 丁永祯 等 , 2006) , 而土壤生物因素尤其是蚯蚓对镉吸附 —解吸行为的影响尚未见报道。蚯蚓
是土壤中的有益动物 , 可以改善土壤结构 , 转化有机物料 , 促进养分周转等 (Basker et al. , 1992;
Edwards, 2004)。有效微生物群 ( effective m icroorganism s, EM ) 是一种活体微生物制剂 , 能增加土壤
有机质和氮素含量 , 提高土壤养分有效性等 (同小娟 等 , 2003)。在农田中引入蚯蚓和 EM , 是一项
改善土壤结构 , 调控土壤养分的重要技术 (Basker et al. , 1992; 同小娟 等 , 2003) , 但也可能对土壤
重金属的生物有效性产生影响。
由于环境污染、肥料和农药的不当使用 , 果园土壤重金属含量不断提高 , 已开始威胁果品安全生
产。有报道显示 , 我国部分地区生产的苹果 , 其果实 Cu、Zn、Hg、Cr、Pb、Cd等重金属的检出率达
93155% ～100% , 个别果园 Cd超标 113倍 (冯建国 等 , 1998; 聂继云和董雅凤 , 2002)。果树为多
年植物 , 长期生长在含重金属的土壤 , 更容易富积 , 因此 , 果园土壤重金属污染研究应引起足够的重
视。本研究中以果园棕壤土和 3年生盆栽苹果为试材 , 探讨蚯蚓和 EM对土壤 Cd2 +的吸附 —解吸行
为及苹果根系与果实 Cd2 +积累的影响 , 以期为果园土壤管理提供依据。
1　材料与方法
111　试验材料
试验于 2006年 9月至 2007年 10月在山东农业大学果树生物学实验室和山东临沂果茶示范园进
行。试验树为长势相近的 3年生盆栽 ‘冬红果 ’苹果 (M alus dom estica ‘W inter Red Fruit’) , 砧木为
‘平邑甜茶’ (M. hupenhensis Rhed. )。盆口直径为 30 cm, 高 30 cm。蚯蚓品种为 ‘进农 6号 ’; 有效
微生物群 ( EM ) 由山东临沂意康有机农业科技园有限公司提供 , 菌液 pH值 3125 ±0104, 乳酸菌
(2140 ±0136) ×108 cfu·mL - 1 , 酵母菌 (1120 ±0120) ×107 cfu·mL - 1 , 光合菌 (4100 ±0180) ×106
cfu·mL - 1 , 放线菌 (9160 ±0180) ×105 cfu·mL - 1。试验土壤为棕壤土 , 采自山东临沂果茶示范园 ,
有机质含量 1612 g·kg- 1 , CEC 20183 cmol·kg- 1 , 镉背景值为 01115 mg·kg- 1 , pH 6115; 加入 EM
前后土壤 pH值差异不显著。
112　蚯蚓和 EM 对土壤的处理
取果园土壤去除杂质 , 过 20目筛 , 用水湿润 , 每 700 g接种吐土后的蚯蚓 50条 , 48 h (处理 A)
和 96 h (处理 B ) 后捡出蚯蚓 , 土样混匀风干 , 进行等温吸附 —吸附试验 ; 同时 , 在等温吸附试验吸
附前向风干土样加 EM (处理 C) , 以未经蚯蚓和 EM处理的果园风干土样为对照 (处理 D)。
113　蚯蚓和 EM 对盆栽苹果树的处理
按照添加剂量 0、5和 15 mg·kg- 1 , 将氯化镉溶液与棕壤土混匀。秋季换盆时 , 用水冲去原土 ,
用上述土壤装填 , 每盆 15 kg。翌年春季每盆引入蚯蚓 10条或 EM菌液 10 mL。定植后第 2年 8月采
样 , 样品洗净 , 105 ℃杀青 , 70 ℃烘干 , 粉碎后待测。单株小区 , 5次重复。
114　土壤 Cd2 +等温吸附试验
取土样每份 015 g, 置于 100 mL塑料离心管中 , 其中处理 C加入 EM 315μL。每只离心管按 1∶20
土水质量比 , 分别加入 0101 mol·L - 1 NaNO3配制的系列 Cd2 +溶液中 , 土壤 Cd2 +的含量分别为 215、
5、10、15、20、25、50和 100 mg·kg- 1。25 ℃振荡 2 h, 静置 24 h, 离心 , 取上清液测定 Cd2 +的浓
度。离心管中沉淀土样 , 留作解吸试验。
按公式 X = (Co - C) ×V /m计算土壤 Cd2 +吸附量。其中 , X为平衡时土壤对 Cd2 +的吸附量 , Co
为加入液中 Cd2 +浓度 , C为平衡液中 Cd2 +浓度 , V为平衡液体积 , m为干土质量。土壤中 Cd2 +的吸
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　11期 申为宝等 : 蚯蚓和有效微生物群对果园土壤镉吸附 —解吸及苹果镉含量的影响 　
附率为土壤中 Cd2 +吸附量与添加量比值的百分数。
115　土壤 Cd2 +等温解吸试验
将上述等温吸附试验离心后的土样 , 用 011 mol·L - 1的 NaNO3溶液做解吸剂 , 按 1∶20土水质量
比 , 经充分混匀后 , 25 ℃振荡 2 h, 离心 , 测定上清液 Cd2 +浓度。土壤中 Cd2 +解吸率为土壤中 Cd2 +
解吸量和吸附量比值的百分数。
116　数据处理方法
镉含量按照国家标准 GB /T17141用原子吸收分光光度计测定 , 由山东农业大学中心实验室完成。
差异显著性检验采用 Duncanpis法 , 数据处理和 Langmuir方程拟合采用 SPSS1510 软件 , 作图用
M icrosoft Excel 2003进行。
2　结果与分析
211　蚯蚓和 EM 对土壤 Cd2 +吸附行为的影响
在 215～100 mg·kg- 1范围内 , 随着土壤 Cd2 +含量的提高 , 不论蚯蚓还是 EM处理或对照 , 土壤
对 Cd2 +的吸附率呈降低趋势 (表 1) , 尤其是在土壤 Cd2 +含量达到 50 mg·kg- 1及其以上时 , 土壤对
Cd2 +的吸附率下降更为显著。
与对照比较 , 当土壤 Cd2 +含量低于 50 mg·kg- 1时 , 蚯蚓对土壤 Cd2 +吸附率影响不显著 , 但当
土壤 Cd2 +含量达到 100 mg·kg- 1时 , 蚯蚓处理显著降低了土壤对 Cd2 +的吸附率。对于 EM处理 , 当
土壤 Cd2 +含量大于或等于 15 mg·kg- 1 , 土壤 Cd2 +的吸附率显著降低。
表 1　蚯蚓及 EM 对土壤 Cd2 +吸附率的影响
Table 1　The effects of earthworm s and EM on Cd2 + adsorption ra tio in the so il /%
土壤 Cd2 +含量 / (mg·kg - 1 )
Cd2 + content in soil
A
蚯蚓处理 48 h
Earthworm s 48 h
B
蚯蚓处理 96 h
Earthworm s 96 h
C
有效微生物群处理
EM
D
对照
Control
　215 99100 a ( a) 99112 a ( a) 98160 a ( a) 99108 ab ( a)
　5 99138 a ( a) 99136 a ( a) 98174 a ( b) 99112 a ( ab)
10 97116 b ( ab) 96185 c ( bc) 96163 bc ( c) 97138 cd ( a)
15 98123 ab ( ab) 97185 b ( ab) 97111 b ( b) 98153 abc ( a)
20 97169 b ( a) 97167 bc ( a) 96130 bc ( b) 97181 bcd ( a)
25 97104 b ( a) 97122 bc ( a) 95147 c ( b) 97122 d ( a)
50 93120 c ( a) 93140 d ( a) 90160 d ( b) 93160 e ( a)
100 81135 d ( b) 81150 e ( b) 79180 e ( c) 83100 f ( a)
　　注 : 同一列 (同一行 ) 数据后字母不同表示在 P < 0105水平差异显著。括号内为横向比较。下同。
Note: Values followed by different letters indicate significantly differences at P < 0105 level in columns ( rows) . It was horizontal comparison
in the bracket. The same below.
由表 2得知 , 通过 Langmuir方程 [ Y = Xm ×k ×c / ( k ×c + 1) ] 对各处理的土壤 Cd2 +吸附过程
进行拟合 , 拟合方程相关系数 r值均大于 0197, 达到极显著水平。由 Langmuir方程求得的有关参数
得知 , 蚯蚓处理 48 h (处理 A ) 和处理 96 h (处理 B ) 后 , 土壤对镉的最大吸附量 (Xm ) 分别比对
照 (处理 D) 低 216%和 118% , 而 EM处理后 , 最大吸附量比对照降低 38%。
Langmuir方程中的 k为吸附—解吸平衡常数 , 表征土壤对 Cd2 +的吸附强度 ; Xm与 k的乘积可反映
土壤对 Cd2 +的最大缓冲容量 (MBC = Xm ×k) , k及 MBC的数值越大 , 表明土壤对 Cd2 +的吸附能力越强。
由表 2可算出 , 各处理 MBC值由大到小为 : 对照 >蚯蚓处理 48 h >蚯蚓处理 96 h > EM处理。表
明蚯蚓处理后 , 土壤对 Cd2 +的吸附能力减弱 , 蚯蚓处理时间越长 , 吸附能力越弱 ; 而 EM处理减弱
土壤吸附 Cd2 +的作用更强。
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表 2　土壤吸附 Cd2 +的 Langm u ir3 方程参数
Table 2　Param eters and correla tion coeff ic ien ts of adsorption of Cd2 + in d ifferen t tested so ils w ith respect to Langm u ir equa tion3
代号
Code
处理
Treatment
最大吸附量 / (mg·kg - 1 )
Xm
平衡常数
k
最大缓冲容量
MBC
相关系数
r
A 蚯蚓 48 h Earthworm s 48 h 174519 01471 82713 019763 3
B 蚯蚓 96 h Earthworm s 96 h 176110 01465 81819 019793 3
C 有效微生物群 EM 179516 01296 53115 019783 3
D 对照 Control 179215 01482 86410 019733 3
　　3 Langmuir方程 : 吸附量 Y (mg·kg - 1 ) = Xm ×k ×c / ( k ×c + 1) ; 3 3 表示在 P < 0101水平相关显著。3 Langmuir equation: Absorp tion quantity Y (mg·kg - 1 ) = Xm ×k ×c / ( k ×c + 1) ; 3 3 indicate significantly correlation at P < 0101
level.
212　Cd2 +解吸行为的影响
蚯蚓和 EM对土壤重金属解吸量反映了重金属对环境以及作物吸收重金属的潜在影响 (焦文涛
等 , 2005)。
由表 3可知 , 随着土壤 Cd2 +含量的增加 , 各处理的土壤镉解吸率总体上呈逐渐增大趋势。在土
壤 Cd2 +达到 100 mg·kg- 1时 , A (蚯蚓 48 h) 及 B (蚯蚓 96 h) 处理显著提高了土壤 Cd2 +的解吸率。
EM处理在 5～100 mg·kg- 1时均显著提高了土壤 Cd2 +的解吸率。
表 3　蚯蚓及 EM 对土壤 Cd2 +解吸率的影响
Table 3　Effects of earthworm s and EM added on desorption ra tio of Cd2 + in the so ils /%
土壤 Cd2 +含量 / (mg·kg - 1 )
Cd2 + content in soil
A
蚯蚓处理 48 h
Earthworm s 48 h
B
蚯蚓处理 96 h
Earthworm s 96 h
C
有效微生物群处理
EM
D
对照
Control
　215 0185 e ( b) 1117 ef ( a) 0189 d ( b) 0185 e ( b)
　5 0189 e ( b) 0197 f ( ab) 1102 d ( a) 1101 e ( a)
10 1173 de ( b) 1186 def ( b) 2119 cd ( a) 1169 de ( b)
15 1164 de ( c) 2117 de ( b) 2162 cd ( a) 1196 de ( b)
20 2155 d ( c) 2158 cd ( c) 4113 cd ( a) 3112 cd ( b)
25 4108 c ( bc) 3165 c ( c) 5167 c ( a) 4132 c ( b)
50 13135 b ( b) 12148 b ( b) 16100 b ( a) 13110 b ( b)
100 21151 a ( ab) 21110 a ( b) 24194 a ( a) 14194 a ( d)
213　土壤 Cd2 +吸附量与解吸量的关系
由图 1可以看出 , 随着 Cd2 +吸附量的增加 ,
解吸量随之提高。
当土壤 Cd2 +的吸附量大于 500 mg·kg- 1时 ,
Cd2 +解吸量的增加尤为显著 , 而此时 , 蚯蚓和
EM处理土壤的 Cd2 +解吸量随着 Cd2 +吸附量的增
加幅度高于对照 , 吸附量越大 , 增幅也越大。
214　蚯蚓和 EM 对苹果根系和果实 Cd含量的影
响
从表 4可以看出 , 苹果根系和果实镉含量均
随土壤镉含量的提高而增加。
在未施用镉的土壤中 , 蚯蚓和 EM 处理后 ,
主根及果实中 Cd含量均有所提高 , 但与对照差
图 1　蚯蚓和 EM 处理下土壤镉吸附和解吸的关系
F ig. 1　Rela tion sh ip of adsorption and desorption of cadm ium
in so il trea ted by earthworm s and EM
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　11期 申为宝等 : 蚯蚓和有效微生物群对果园土壤镉吸附 —解吸及苹果镉含量的影响 　
异不显著。
在土壤外加镉剂量为 5 mg·kg- 1时 , 蚯蚓和 EM处理均显著提高果实 Cd含量 , EM提高幅度更
大 ; 主根中 Cd含量在处理后虽然略有提高 , 但差异不显著。
在土壤外加镉剂量为 15 mg·kg- 1时 , 蚯蚓及 EM处理后 , 主根及果实中 Cd含量均显著提高。
这些结果表明蚯蚓和 EM能够明显增进根系对镉的吸收及镉在果实中的积累 , 尤其在土壤镉含量
较高时 , 作用更显著。
表 4　蚯蚓和 EM 对苹果根系和果实 Cd含量的影响
Table 4　Effects of earthworm s and EM on the con ten t of Cd in applepis root and fru it
土壤外加 Cd2 +剂量 /
(mg·kg - 1 )
Content of Cd2 + added to soil
处理
Treatment
镉含量 / (mg·kg - 1 ) Cd content
主根
Main root
果实
Fruit
0 蚯蚓 Earthworm s 01032 d 01023 e
有效微生物群 EM 01034 d 01025 e
对照 Control 01029 d 01019 e
5 蚯蚓 Earthworm s 01763 c 01563 cd
有效微生物群 EM 01713 c 01688 b
对照 Control 01688 c 01532 d
15 蚯蚓 Earthworm s 11688 a 01738 b
有效微生物群 EM 11113 b 01900 a
对照 Control 01775 c 01600 c
3　讨论
土壤对 Cd2 +的吸附分为两个类型 , 一类是专性吸附 , 结合能较高 , 吸附牢固 , 具有吸附饱和性 ;
另一类是非专性吸附 , 结合能较低 , 易解吸 (宗良纲和徐晓炎 , 2003)。本试验结果显示 , 当土壤镉
含量较低时 (215～25 mg·kg- 1 ) , 土壤对镉的吸附率较高而解吸率较低 , 说明 Cd2 +主要被土壤专性
吸附在高能位点 , 难于解吸。
由于蚯蚓及 EM菌处理的影响 , 部分 Cd2 +未被土壤吸附 , 或被从结合能低的位点上解吸下来 ,
从而降低了土壤对镉的吸附率而提高了解吸率。随着土壤镉含量的提高 , 特别是土壤镉含量达到 50
mg·kg- 1以上时 , 出现了低吸附率和高解吸率的现象 , 说明专性吸附渐趋饱和 , 非专性吸附所占的
比例逐渐增加 , 并且由于蚯蚓及 EM的作用 , 将部分非专性吸附的 Cd2 +解吸下来 , 从而使土壤对镉
吸附率的降低和解吸率的提高达到显著水平。
蚯蚓对土壤镉吸附 —解吸的影响 , 与蚯蚓分泌和排泄过程中所产生的物质含有大量的 - COOH、
- NH2等活性基团 (Lavelle et al. , 1983) 有关 , 这些基团通过络合或螯合作用促进了土壤重金属的
活化 , 从而使土壤对 Cd2 +的吸附能力降低而解吸能力提高。EM含有细菌、酵母菌等多种有效微生
物 , 在吸附和解吸过程中 , 重金属离子与微生物细胞壁表面的一些基团如 - COOH、 - OH、 - NH2、
- SH等通过络合、螯合、离子交换、静电吸附、共价吸附以及无机微沉淀 ( Strandberg et al. , 1981)
等一种或几种方式相结合 , 与土壤中的其他组分竞争吸附重金属离子。土壤引入 EM后 , 由于微生物
的大量增加而降低了土壤对 Cd2 +的吸附率 , 提高了解吸率。
作物从土壤中吸附 Cd2 +的多少取决于土壤溶液中 Cd2 +含量 , 而土壤溶液中 Cd2 +含量主要受吸附
和解吸的制约。
在本试验中 , 蚯蚓和 EM降低了土壤对 Cd的吸附 , 增进了解吸 , 因而提高了土壤溶液中 Cd2 +含
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量 , 促进了苹果根系的吸收 , 增加了果实中的 Cd含量。因此 , 在果园管理过程中 , 应区分果园重金
属污染情况与污染程度 , 采取不同的土壤管理措施。在没有重金属污染的果园 , 通过引入或其他措施
增加蚯蚓或微生物数量与活性 , 改善土壤结构、提高养分有效性等 , 但在受重金属污染的果园 , 引入
蚯蚓和 EM菌会提高土壤重金属的生物有效性 , 增进根系对镉的吸收及镉在果实的积累。因此 , 在重
金属含量较高的果园 , 不宜引入更多的蚯蚓或施用微生物制剂。
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