功能性材料對玉米和大豆吸收土壤重金屬的影響

郭思巖 景生鵬

摘要：通過室內(nèi)盆栽實驗，研究了粉煤灰、沸石、腐殖酸和保水劑等功能性材料對玉米、大豆吸收重金屬Pb、Cd的影響。結(jié)果表明， 供試功能性材料能有效降低玉米、大豆對重金屬污染土壤中重金屬Pb、Cd的吸收，復(fù)合材料效果優(yōu)于單個材料，復(fù)合材料以粉煤灰+保水劑+腐殖酸+沸石、粉煤灰+保水劑+腐殖酸為最佳。

關(guān)鍵詞：功能性材料；重金屬；Pb；Cd；玉米；大豆；影響；研究

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-1463（2017）08-0040-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.08.010

Study on the Effects of Functional Materials on Heavy Metal in Corn and Soybean

GUO Siyan， JING Shengpeng

（Gansu Institute of Land Resources Planning and Research， Lanzhou Gansu 730000， China）

Abstract：In this study， the effects of functional materials such as fly ash， zeolite， humic acid and water retaining agent on the absorption of heavy metals Pb and Cd in maize and soybean are studied by pot experiments. The result shows that the tested functional materials can effectively reduce the absorption of corn， soybean on heavy metals in Pb contaminated soil and Cd， the effect is better than that of single composite materials， composite materials with fly ash + water retention agent + humic acid + zeolite， fly ash + water retention agent + humic acid is the best insurance agent.

Key words： Functional materials；Heavy metals；Pb；Cd；Corn；Soybean；Effects；study

在我國西北地區(qū)，由于土質(zhì)疏松風(fēng)沙大，造成大量的土壤沙化，同時土壤中金屬污染加劇，而且這種趨勢還在不斷的加大[1 ]。這給我國農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重的影響，大大制約了西北部的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。功能性材料是一些具有特殊化學(xué)特性和功能的材料，種類多、應(yīng)用廣泛。部分功能性材料作為退化土壤和污染土壤的改良制劑，具有改善土壤結(jié)構(gòu)、土壤水分、土壤肥力、土壤重金屬污染的生態(tài)環(huán)境功能，稱為生態(tài)環(huán)境功能材料，如沸石、保水劑、腐殖酸、粉煤灰等。沸石是一種架狀構(gòu)造的由堿金屬和堿土金屬構(gòu)成的含水的鋁硅酸鹽礦物，天然沸石由于具有很強(qiáng)的吸附能力，分子中具有獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)以及孔道中含有大量可用于交換的陽離子，使沸石具有很高的選擇性陽離子交換性能量，其中改進(jìn)型的Na型沸石對重金屬Pb、Cd的吸附值尤為明顯[2 - 3 ]。保水劑（SAP）具有良好的絮凝性，能和水中懸浮的固體顆粒相結(jié)合[4 ]。腐殖酸是復(fù)雜的、分子量不均一的羥基苯羧酸的混合物[5 ]，其表面積大，粘度較高，吸附力強(qiáng)[6 ]，同時腐殖酸水溶肥對植物生長有良好的促進(jìn)作用[7 ]。粉煤灰是沙粒和粘粒的組成結(jié)構(gòu)，在重金屬污染土壤中使其具有超強(qiáng)的自凈能力，且具有儲量豐富、價格低廉、高的比表面積、良好的化學(xué)機(jī)械穩(wěn)定性、特殊的晶層結(jié)構(gòu)、良好的環(huán)境兼容性等優(yōu)點[8 ]，近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，開展了大量將其應(yīng)用于重金屬污染土壤修復(fù)的研究[9 - 10 ]。

Pb不是植物生長發(fā)育的必需元素，當(dāng)Pb被動進(jìn)入植物根、樹皮或葉片后，積累在根、莖和葉片中，使根細(xì)胞的有絲分裂緩慢，直接影響細(xì)胞的代謝作用，引發(fā)活性氧對代謝酶系統(tǒng)的破壞作用，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育，使植物受害，嚴(yán)重的會使植物根冠膨大變黑、腐爛，甚至枯萎、死亡[11 - 12 ]。Cd是危害植物生長發(fā)育的有害元素，土壤中過量的Cd會對植物生長發(fā)育產(chǎn)生明顯的危害， Cd脅迫時會破壞葉片的葉綠素結(jié)構(gòu)，降低葉綠素含量，葉片發(fā)黃，嚴(yán)重時幾乎所有葉片都出現(xiàn)褪綠現(xiàn)象，導(dǎo)致葉綠素嚴(yán)重缺 乏[13 ]。為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展[14 ]，我們采用盆栽實驗的方法，選取不同的功能性材料，通過測定玉米、大豆植物生長過程中對土壤中重金屬的吸附量，研究了不同功能性材料對土壤重金屬的固化作用，為重金屬污染土壤的治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤取自甘肅省慶陽市西峰區(qū)項目示范區(qū)田間表土。供試功能性材料包括粉煤灰（FM），由91%的粉沙粒和9% 的粘粒組成，表面顏色為灰色，pH為8.3，山西大同煤礦集團(tuán)有限公司提供；保水劑（SAP），經(jīng)高純度聚丙烯酸鹽（鉀鹽）和聚丙烯酰胺通過多反應(yīng)官能團(tuán)的交聯(lián)劑進(jìn)行網(wǎng)狀化反應(yīng)而成的陰離子強(qiáng)吸水性聚合物，由法國SNF公司提供；沸石（FS）礦物，沸石（主要以斜發(fā)沸石為主）占90%，蒙脫石占8%，石英占2%，粒度為100目，河南信陽淮業(yè)礦物有限公司提供；褐煤，腐殖酸（HA）約占8%，內(nèi)蒙古霍林河煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司提供。指示大豆品種為臺灣292（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供）、玉米品種紀(jì)元1號（河北新紀(jì)元種業(yè)有限公司提供）。

1.2 實驗設(shè)計

在溫室內(nèi)進(jìn)行盆栽實驗。Pb、Cd為復(fù)合材料，Pb、Cd含量分別為500 mg/kg、20 mg/kg，以Pb（NO3）2、CdCl2·2.5H2O分析純化學(xué)試劑均勻加入（表1），各功能材料按占土壤的比例：粉煤灰5%、腐殖酸0.005%、保水劑0.1%、沸石1%加入即可，7個處理外加一個空白，共8個處理，重復(fù)3次，兩種作物總計48盆。

先將供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干、搗碎、剔除雜物后過 2 mm 篩，加入尿素0.5 g/kg、磷酸二銨0.3 g/kg混勻后裝盆。每盆裝土7 kg，每盆播種供試作物3穴，每穴2株，苗齊后每盆保苗3株。盆栽水分控制在最大持水量的100%，隔天稱盆重，并記錄重量。田間持水量下降到50%左右時澆水至最大持水量，準(zhǔn)確記錄每次澆水量。澆水時間為8：00時以前，或17：00時以后，并記錄溫室的溫濕度，保證溫室正常的溫濕度。玉米和大豆生長中期（生長50～60 d）取樣，每盆取2株供室內(nèi)分析測定重金屬含量。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 測定指標(biāo) 每次測溶液中重金屬濃度及植物樣品處理后的重金屬含量。

1.3.2 測定方法 采用干灰化法，用質(zhì)譜吸收儀ICP-MS（ppb）測定重金屬含量。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線 采用Pb、Cd混標(biāo)。Pb標(biāo)液用硝酸鉛、Cd標(biāo)液用氯化鎘分別配制（0、20、60、100、140、180、200 ng/mL）。

1.3.4 樣品處理 剪掉植物根上部分，75 ℃下烘干24 h后稱重記錄。用50 mL瓷坩堝可調(diào)節(jié)電爐碳化直至無煙，放入馬弗爐在500 ℃下灰化8 h以上，取出后用硝酸（1∶5）進(jìn)行溶解，溶不掉的用硝酸+高氯酸（1+1）在電爐上加熱溶解。然后用濾膜（0.22～0.48）過濾，25 mL容量瓶定容，轉(zhuǎn)入25 mL塑料方盒中4 ℃下保存待測。用ICP-MS測定樣液中Pb、Cd含量，在測定過程中要間隔性的回測。樣品中Pb、Cd的計算公式如下。

公式中，X為試樣中Pb、Cd含量（ug/kg），C1為測定樣液中Pb、Cd含量（ng/mL），C0為空白液中Pb、Cd含量（ng/mL），V為試樣消化液體積（mL），m為試樣質(zhì)量（g）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)錄入采用Excel，統(tǒng)計分析采用SPSS 13.0，考慮95%的置信水平，進(jìn)行LSD單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同功能性材料對玉米吸收重金屬Pb、 Cd的影響

在重金屬污染土壤中種植玉米會使得玉米莖葉和籽粒中吸收大量的重金屬元素，給人們的健康和食品安全造成威脅。從表2可以看出，不同材料組合處理對玉米地上部分吸收重金屬元素、Cd的劑量的影響不同。其中對重金屬元素Pb的吸收效果以組合材料F1處理最好，Pb含量較對照F8處理下降了69.5%；其次是組合材料F2，較對照F8處理下降了66.9%。F5處理是單一材料處理中對重金屬元素Pb的固化效果最明顯的，重金屬元素Pb含量較對照F8下降了70.5%；其次是F6處理，較對照F8處理下降了65.5%。相對來說，單個材料F7處理、F4處理效果不是很明顯，較對照F8處理分別下降5.13%和8.43%。對Cd的吸收效果以組合材料F3處理最好，較對照F8處理下降了81.8%；其次是組合材料F2處理，較對照F8處理下降了79.6%。單個材料仍然是F5處理效果明顯，較對照F8處理下降了84.1%?？傮w看來，各功能性材料的加入均使得玉米對重金屬元素Pb、Cd的吸收有所下降。單個材料F5處理的效果最好，組合材料F3處理、F2處理 、F1處理其次。由此可以看出，化學(xué)改良材料的加入對土壤中重金屬元素Pb、Cd有良好的固化作用，可以有效地減少植物對重金屬元素的吸收。而且，單個材料中F5處理（保水劑）的固化效果好，復(fù)合材料中F3處理（粉煤灰、腐殖酸和保水劑的混合體）效果明顯，可以有效地減少玉米對重金屬Pb、Cd的吸收。

2.2 不同功能性材料對大豆吸收重金屬Pb、Cd的影響

大豆對土壤中重金屬的吸收明顯，尤其是對Cd的吸收，Cd主要集中在大豆的莖葉部分。由表3可以看出，與玉米上的測定結(jié)果總體趨勢一致，復(fù)合材料F1處理下的大豆對土壤中重金屬元素Pb的吸收效果最好，較對照F8處理下降了76.3%；其次是復(fù)合材料F2處理、F3處理，較對照F8處理分別下降了69.3%和68.8%。單個材料中效果明顯的是F5處理和F7處理，較對照F8處理分別下降了69.2%和71.3%。對Cd含量的影響效果復(fù)合材料F3處理效果最為明顯，較對照F8處理下降了54.5%；單個材料F5處理效果明顯，較對照F8處理下降了57.8%。其它單個材料和組合材料均對土壤中重金屬元素Pb、Cd有一定的固化效果，對大豆吸收土壤中重金屬元素有效的抑制作用?？傮w看來，保水劑和沸石是單材料中對土壤中重金屬固化效果最好的，復(fù)合材料中依然是F1處理、F3處理（粉煤灰、腐殖酸和保水劑混合體）的效果最好。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，在單個功能性材料中，保水劑降低玉米和大豆中Pb、Cd含量的效果明顯好于加入其他單個材料；其次是沸石。復(fù)合材料對Pb、Cd的吸收效果從大到小依次為粉煤灰+保水劑+腐殖酸、粉煤灰+保水劑+腐殖酸+沸石、沸石+腐殖酸+保水劑，其中對玉米Pb、Cd吸收量最好的是粉煤灰+保水劑+腐殖酸，對大豆Pb、Cd吸收量最好的是粉煤灰+保水劑+腐殖酸+沸石，其次是粉煤灰+保水劑+腐殖酸。總之，復(fù)合材料的效果優(yōu)于單材料，而復(fù)合材料中以粉煤灰+保水劑+腐殖酸+沸石、粉煤灰+保水劑+腐殖酸最佳。

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（本文責(zé)編：楊 杰）