不同土壤鈍化劑對土壤鎘生物有效性的影響

李婧　陳森　周艷文

摘要[目的]尋找有效控制Cd污染土壤上小白菜對重金屬Cd吸收的技術(shù)方法。[方法]2015年進行小白菜盆栽試驗，選取生物質(zhì)炭、凹凸棒石、石灰石作為土壤Cd鈍化劑。于小白菜收獲時，取樣分析小白菜產(chǎn)量、株高，以及小白菜和土壤中Cd含量。[結(jié)果]施用3種鈍化劑均增加土壤速效鉀含量，提高土壤pH，促進小白菜生長；施用3種鈍化劑可顯著增加土壤對Cd的吸持固定，降低土壤生物有效性Cd含量，顯著降低小白菜地上部Cd含量和小白菜對Cd的富集系數(shù)；3種鈍化劑對Cd污染土壤的治理效果表現(xiàn)為：石灰石>凹凸棒石>生物質(zhì)炭。[結(jié)論]該研究可為污染土壤上農(nóng)作物的安全生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞Cd污染；生物有效性Cd；鈍化劑；小白菜

中圖分類號S157.9；X53文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）36-0094-04

Abstract[Objective]To find an effective technical method to control the absorbtion of Cd in soil by Chinese cabbage.[Method]A pot experiment was carried out，in which biochar，attapulgite and limestone was used as passivators of Cd in soil.The output，plant height of Chinese cabbage，and Cd content in plant and soil were analyzed.[Result]All of the three passivators increased the available potassium content，the cadmium content and pH in soil，and promoted the growth of Chinese cabbage； while reduced the bioavailable Cd content in soil，the Cd content in overground part of Chinese cabbage and the enrichment factor of Cd by Chinese cabbage.The governance effects of three passivators in this experiment showed limestone>attapulgite> biochar.[Conclusion]The research can provide reference for crop producing safely in polluted soil.

Key wordsCd contaminant；bioavailable Cd；Passivators；Chinese cabbage

近年來，隨著工業(yè)化、城市化和交通運輸業(yè)等的發(fā)展，土壤環(huán)境受到日益嚴重的重金屬污染[1]。據(jù)我國環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合開展的全國土壤污染狀況調(diào)查情況顯示，我國部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，耕地土壤污染點位超標率為19.4%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴，其中Cd污染物點位超標率最高，為7.0%[2]。土壤重金屬不僅造成農(nóng)作物減產(chǎn)，同時還降低作物的衛(wèi)生品質(zhì)，并通過食物鏈最終危害人體健康[3-4]。因此，如何修復重金屬污染土壤、減少作物對重金屬的吸收、保障食品安全和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展已成為我們當前的重要工作。

土壤原位鈍化修復技術(shù)是一種適合于大面積推廣利用的重金屬污染治理方法，它是一種基于添加外源修復劑，與重金屬發(fā)生系列反應，改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，以降低其在土壤中移動性和生物有效性的技術(shù)[5]。目前，常用的重金屬鈍化修復劑主要包括石灰類物質(zhì)、黏土礦物、有機物料、生物炭等。已有的研究表明，施用相應的鈍化劑能夠增強土壤對重金屬的吸持固定，降低土壤重金屬的生物有效性，減少植物對重金屬的吸收和積累，降低土壤重金屬的生態(tài)風險[6]。但不同鈍化劑對土壤重金屬的修復效果差異顯著，其修復效果與土壤性質(zhì)、重金屬污染種類和程度、鈍化劑種類和用量等密切相關(guān)[7-8]。因此，該研究通過Cd污染土壤的盆栽試驗，選用生物質(zhì)炭（biochar，BC）、凹凸棒石（attapulgite clay，AC）、石灰石（linestone，LS）作為外源修復劑，以小白菜為指示植物，研究其對土壤pH、有效態(tài)Cd含量以及對小白菜生物量及其Cd含量的影響，探討不同鈍化劑對Cd污染土壤的治理效果，篩選出具有較好治理效果的鈍化劑，以期為當?shù)谻d污染土壤的原位鈍化修復及小白菜的安全生產(chǎn)提供科學依據(jù)，該研究結(jié)果對于在污染土壤上開展的其他農(nóng)作物的安全生產(chǎn)也具有一定的參考價值。

1材料與方法

1.1供試材料

試驗盆栽用土取自某地農(nóng)田的表層土壤（0～20 cm）。將采集的土壤風干、粉碎、過2 mm篩，備盆栽試驗用。供試土壤的基本理化性質(zhì)：pH 6.96，有機碳14.54 g/kg，總氮1.68 g/kg，堿解氮96.18 mg/kg，有效磷141 mg/kg，速效鉀269 mg/kg，總Cd 0.465 mg/kg，生物有效Cd 0.169 mg/kg，具體檢測過程見王成等[9]的研究。

選取生物質(zhì)炭、凹凸棒石、石灰石作為土壤重金屬鈍化劑，其基本性狀分別為，生物質(zhì)炭：pH 10.03，陽離子交換量3.41 cmol/kg，比表面積16.66 m2/g，全氮10.35 g/kg，全磷55.63 g/kg，全鉀15.87 g/kg；凹凸棒石：pH 8.46，陽離子交換量219.6 mol/kg，比表面積369 m2/g，K2O 3.49 mg/kg，P2O5 50.2 mg/kg；石灰石：pH 9.13，各種鈍化劑均過1 mm篩后備用。供試作物為小白菜。

1.2試驗設計試驗于2015年8月1日至9月14日在南京農(nóng)業(yè)大學開展，試驗周期為46 d。試驗將鈍化劑分別與供試土壤均勻混合，設4個處理：CK，不添加鈍化劑；BC，添加生物質(zhì)炭；AC，添加凹凸棒石；LS，添加石灰石。3次重復，鈍化劑添加比例均為0.5%，施肥量相同。將混合均勻的土壤添加硝酸鎘溶液調(diào)節(jié)土壤總Cd含量至1.5 mg/kg，然后裝入直徑30 cm、高30 cm的花盆中，每盆裝土2.0 kg，每盆播種菜籽20粒，出芽均勻后保留長勢相同的3棵小白菜，期間每日早晚以清水澆透土壤，每周一以1/4Hogland營養(yǎng)液代替清水進行澆灌，小白菜生長周期共46 d。

為了模擬大田環(huán)境下植物的生長情況，試驗在露天環(huán)境下開展，手工除蟲，未進行避雨遮陽等處理。

1.3測定方法

在小白菜生長46 d后采樣，量取植株最高點的高度作為株高，植株樣品先用自來水沖洗干凈，再用去離子水潤洗，洗凈后用吸水紙擦干，分為地上部和根部，稱鮮重。在105 ℃殺青0.5 h，然后75 ℃烘干至恒重，稱干重，樣品粉碎備用。在小白菜收獲后采集盆中土樣，風干后過篩備用。

土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法測定，小白菜重金屬Cd含量測定采用HNO3-HClO4混合法消解，土壤重金屬采用HF-HClO4-HNO3消解，土壤有效態(tài)Cd含量采用DTPA提取，含量測定采用高頻耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES），樣品測定結(jié)果以鮮重表示。在重金屬分析測定過程中，以標準物質(zhì)GBW10011和GBW-07404為參照，對分析過程進行質(zhì)量控制來確保分析結(jié)果的可靠性和準確性。

1.4數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Office 2010 Excel 進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用SPSS 13.0 進行不同處理之間的差異顯著性分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同鈍化劑對小白菜長勢的影響盆栽46 d后，收獲并測定各處理中小白菜的株高及地上部鮮重，具體數(shù)據(jù)見圖1。方差分析表明，添加不同種類的鈍化劑均對小白菜株高產(chǎn)生一定的影響，其中添加生物質(zhì)炭后小白菜的株高顯著增加，增幅達12.29%，添加凹凸棒石處理和石灰石處理較CK處理分別增加3.82%、3.09%，凹凸棒石處理和石灰石處理間沒有顯著差異。表明在Cd污染土壤上添加3種鈍化劑均有利于小白菜株高的增長，其中生物質(zhì)炭的增加效果最好。

收獲時不同處理中小白菜的地上部生物量（鮮重）見圖1。方差分析表明，添加不同鈍化劑均對小白菜生物量產(chǎn)生顯著影響，生物質(zhì)炭處理、凹凸棒石處理、石灰石處理分別較CK處理小白菜增產(chǎn)54.6%、212.57%、285.66%。不同鈍化劑處理對小白菜產(chǎn)量的增產(chǎn)效果不同，凹凸棒石處理和石灰石處理下小白菜產(chǎn)量顯著高于生物質(zhì)炭處理，凹凸棒石處理和石灰石處理間產(chǎn)量差異不顯著。該試驗中鈍化劑對小白菜的增產(chǎn)效果呈以下規(guī)律：石灰石處理≥凹凸棒石處理>生物質(zhì)炭處理>CK處理。這是因為適量施用（0.5%，施用比例）生物質(zhì)炭[10]、凹凸棒石[11-12]、石灰石[13-14]均可調(diào)節(jié)土壤肥力，有利于小白菜的生長。因此，施用適量的3種鈍化劑均能有效增加小白菜的產(chǎn)量，結(jié)合小白菜株高數(shù)據(jù)，石灰石處理小白菜生物量最高。

2.2不同鈍化劑對土壤養(yǎng)分的影響

小白菜收獲后，采集各處理土壤樣品，檢測其養(yǎng)分含量，測定結(jié)果見表1。土壤全氮測定結(jié)果表明，與CK處理相比較，僅石灰石處理下土壤全氮有明顯的增加，生物質(zhì)炭處理和凹凸棒石處理全氮含量略有降低，但沒有顯著差異性；堿解氮測定結(jié)果表明，施用鈍化劑后，生物質(zhì)處理下土壤堿解氮均有較明顯的下降，凹凸棒石處理和石灰石處理略有下降?？傮w而言，施用石灰石處理下土壤氮素有所增加，凹凸棒石處理和生物質(zhì)炭處理變化不明顯或略有下降。這主要是因為在酸性土壤上施用石灰石可以促進土壤氮素的釋放[15]，而生物質(zhì)炭和凹凸棒石均具有很強的吸附能力[16-17]，土壤氮素易被吸附固定，導致養(yǎng)分含量降低。速效磷測定結(jié)果表明，生物質(zhì)炭處理和石灰石處理速效磷均有所降低，生物質(zhì)炭處理中速效磷下降是由于生物質(zhì)炭的吸附固定[16]，石灰石處理速效磷下降是因為施入石灰石后土壤pH上升產(chǎn)生的氫氧化鋁膠體具有很強的吸附性能[18]。土壤速效鉀在3種鈍化劑處理中含量均有所增加，生物質(zhì)炭處理和凹凸棒石處理是因為材料本身含有一定量的鉀素，且鉀素易釋放，從而導致土壤速效鉀含量增加，石灰石處理速效鉀含量增加，主要是因為施用石灰石增加了土壤中Ca2+濃度，Ca2+對土壤吸附位的親和力強于K+，從而提高土壤溶液中K+濃度[19]。

測定結(jié)果表明，施用3種鈍化劑后土壤pH均有所提高，生物質(zhì)炭處理、凹凸棒處理、石灰石處理較CK處理pH增幅依次為0.06、0.13、0.02，這是因為3種鈍化劑本身呈堿性[20-22]，因此向酸性土壤中施用3種鈍化劑均可提高土壤pH，可有效抵抗土壤酸化。

2.3不同鈍化劑對土壤Cd含量的影響

小白菜收獲后，測定土壤中重金屬Cd全量及生物有效性Cd含量，結(jié)果見圖2。方差分析表明，不同處理間土壤Cd含量差異顯著。表明3種鈍化劑對土壤Cd含量有顯著的影響。CK處理中土壤Cd全量最低，為1.138 mg/kg，生物質(zhì)炭處理、凹凸棒石處理、石灰石處理分別較CK處理含量增加1.58%、3.51%、7.73%。因此，從土壤Cd全量來看，3種鈍化劑對Cd的鈍化效果為：石灰石>凹凸棒石>生物質(zhì)炭。土壤中生物有效性Cd含量變化趨勢與全量相反，CK處理土壤中生物有效性Cd含量最高，為0.990 mg/kg，顯著高于施用鈍化劑處理。3種鈍化劑處理土壤生物有效性Cd含量較CK處理分別降低21.21%、5.45%、11.92%，從土壤生物有效性Cd含量來看，3種鈍化劑對土壤Cd的鈍化效果不一致，這是因為在不同鈍化劑處理中小白菜長勢不一致，故小白菜在生育過程中吸收的土壤生物有效性Cd的量不同。

總體而言，3種鈍化劑對土壤Cd均具有有效的鈍化效果，施用后均可增加土壤對Cd的吸持固定、降低土壤生物有效性Cd含量。該研究認為生物質(zhì)炭和凹凸棒石均具有較大的比表面積和吸附性能，能吸附固定土壤中的可溶性重金屬，從而降低土壤中生物有效性Cd含量[21，23]，其次石灰石、凹凸棒石和生物質(zhì)炭均屬于堿性物質(zhì)，施用這3種鈍化劑后可有效提高土壤pH，降低土壤中H+濃度，增加土壤的陽離子交換量，促進土壤對重金屬Cd的吸附固定[6]。此外，土壤pH提高，有利于生成難溶性的Cd的氫氧化物或者碳酸鹽沉淀，從而減少土壤中生物有效性Cd含量[24-26]。

2.4不同鈍化劑對小白菜地上部吸收Cd的影響

小白菜收獲后，測定小白菜地上部中重金屬Cd含量，測定結(jié)果見圖3a。方差分析表明，不同處理間小白菜地上部Cd含量差異顯著，說明3種鈍化劑均顯著影響小白菜對重金屬Cd吸收。CK處理中小白菜Cd含量最高，為0.281 mg/kg，生物質(zhì)炭處理、凹凸棒石處理、石灰石處理中小白菜Cd含量均低于CK處理，降幅分別為5.34%、12.10%、18.15%，石灰石處理小白菜地上部重金屬含量最低。從小白菜地上部重金屬Cd含量降低效果來看，3種鈍化劑對Cd的鈍化效果為：石灰石>凹凸棒石>生物質(zhì)炭。這與鈍化劑對土壤重金屬Cd含量的影響基本一致。

小白菜對重金屬Cd的富集系數(shù)見圖3b。由圖3b可見，不同處理間小白菜對Cd的富集系數(shù)呈以下規(guī)律：石灰石處理<凹凸棒石處理<生物質(zhì)炭處理凹凸棒石>生物質(zhì)炭。

安徽農(nóng)業(yè)科學2017年

上述結(jié)果表明，施用不同種類的鈍化劑可有效降低小白菜地上部Cd含量和小白菜對Cd的富集系數(shù)，其中石灰石處理下降幅度最大，分別為18.15%和24.01%。這主要是因為生物質(zhì)炭、凹凸棒石、石灰石的施用加強了土壤對土壤Cd的吸持固定，降低了土壤生物有效性Cd含量[21，23-26]；其次施用石灰石增加土壤中Ca2+濃度，Ca2+對土壤溶液中的Cd離子產(chǎn)生拮抗作用，有效抑制植物對重金屬Cd的吸收[27]。

3結(jié)論

該研究基于小白菜的盆栽試驗，分析小白菜產(chǎn)量、株高及其地上部和土壤重金屬含量的變化，探索相關(guān)原因，得到以下結(jié)論：

（1）施用生物質(zhì)炭、凹凸棒石、石灰石等鈍化劑對小白菜的生長具有促進作用，均能增加小白菜的產(chǎn)量，該試驗中，在Cd污染土壤中施用石灰石處理小白菜產(chǎn)量最高，凹凸棒石次之。

（2）施用3種鈍化劑均可提高土壤的pH，同時增加土壤速效鉀含量。

（3）施用生物質(zhì)炭可以降低土壤生物有效Cd含量21.21%、小白菜地上部Cd含量5.34%，小白菜對Cd富集系數(shù)6.81%，施用凹凸棒石分別降低5.45%、12.10%、14.79%，施用石灰石分別降低11.92%、18.15%、24.01%；3種鈍化劑對該試驗中Cd污染土壤的治理效果表現(xiàn)為：石灰石>凹凸棒石>生物質(zhì)炭。

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