凹凸棒石施用對(duì)鎘污染土壤理化性質(zhì)及小白菜生長的影響

李婧　陳森　周艷文　高小杰　張權(quán)

摘要 [目的] 明確凹凸棒石對(duì)重金屬污染土壤中鎘的治理效果。[方法] 以小白菜為試驗(yàn)材料， 開展小白菜盆栽試驗(yàn)，分析施用凹凸棒石后小白菜的長勢(shì)、土壤養(yǎng)分和土壤重金屬鎘含量。 [結(jié)果]適量添加凹凸棒石可有效增加小白菜的產(chǎn)量，提高酸性土壤的pH，但過量[≥2.0%（m/m）]添加會(huì)導(dǎo)致土壤速效養(yǎng)分降低；施用凹凸棒石對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)具有顯著效果，可有效降低土壤有效鎘含量和小白菜對(duì)鎘的吸收。[結(jié)論]試驗(yàn)推薦凹凸棒石添加比例為1.0%。

關(guān)鍵詞 凹凸棒石；鎘污染；有效鎘；小白菜

中圖分類號(hào) S156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）29-0101-03

Effects of Attapulgite Application on Cd Contaminated Soils Physical and Chemical Properties and Chinese Cabbages Growth

LI Jing， CHEN Sen， ZHOU Yanwen et al

（Nanjing Research Institute of Environmental Protection，Nanjing， Jiangsu 210013）

Abstract [Objective]The objective was to pinpoint the harness effect of Cd in soil by attapulgite .[Method]Using Chinese cabbage as test material， pot experiment was carried out. Growth vigor of Chinese cabbage and nutrient and heavy metal Cd content in soil were analyzed.[Result] Moderate addition of attapulgite could enhance the output of Chinese cabbage effectively， as well as soil pH ，while overdose of attapulgite （≥2.0%（m/m））could lead to the decline of soil available nutrients. Application of attapulgite showed significant effect on remediation of Cd contaminated soil， which could reduce the content of available Cd in soil and the absorption of Cd in Chinese cabbage. [Conclusion]Recommended adding proportion of attapulgite was 1.0 %（ m/m） in this article.

Key words Attapulgite；Cd contamination；Availability Cd；Chinese cabbage

基金項(xiàng)目 南京市環(huán)境保護(hù)局2013年度環(huán)?？蒲姓n題計(jì)劃（201306）。

作者簡介 李婧（1984—），女，江蘇漣水人，工程師，碩士，從事農(nóng)田、工業(yè)土壤污染修復(fù)及固體廢棄物處置技術(shù)研究。

收稿日期 2017-09-08

近年來，隨著工業(yè)化、城市化和交通運(yùn)輸業(yè)等的發(fā)展，工業(yè)廢水、廢氣和廢渣排放量的增加，固體廢棄物處理不善，以及人們向土壤投入大量的農(nóng)藥、化肥等化學(xué)物質(zhì)，造成土壤污染日益嚴(yán)重，其中農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)象尤為突出，我國部分耕地和很多城市近郊農(nóng)田都受到了不同程度的重金屬污染[1]，其中重金屬鎘污染尤為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅20世紀(jì)90年代初我國鎘污染耕地達(dá)1.3萬hm2，受污染土壤的鎘含量高達(dá)2.5～23.0 mg/kg [2]。鎘作為一種活潑的重金屬元素，可經(jīng)食物鏈在人體中富集，對(duì)人體有很高的毒性和致病性，易引發(fā)人群健康風(fēng)險(xiǎn)，如日本神通川流域的“痛痛病”事件等[3]。

土壤原位鈍化修復(fù)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種適合于大面積的推廣和利用的重金屬污染治理方法[4]。它是一種基于添加外源修復(fù)劑，與重金屬發(fā)生系列反應(yīng)，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(dòng)性和生物有效性的技術(shù)[5]。目前，常用的重金屬鈍化修復(fù)劑主要包括石灰類物質(zhì)、黏土礦物、有機(jī)物料、生物炭等。凹凸棒石（attapulgite clay，AC）是一種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸黏土礦物，具有吸水性、黏結(jié)性、良好的離子交換性能和吸附性能力[6]，有關(guān)研究表明，施用凹凸棒石能調(diào)節(jié)并保持土壤肥力，促進(jìn)植物生長[7]。而有關(guān)凹凸棒石作為重金屬原位鈍化的外源修復(fù)劑的研究較少。為此，通過盆栽試驗(yàn)，研究了施用凹凸棒石作為外源修復(fù)劑原位鈍化土壤重金屬鎘的效果，并分析對(duì)小白菜生長的影響，為我國重金屬污染土壤的治理提供新思路和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)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(fēng)干、粉碎、過2 mm篩，備盆栽試驗(yàn)用，供試作物為小白菜，試驗(yàn)施用的凹凸棒石為某廠家生產(chǎn)的凹土，過1 mm篩后備用。供試土壤基本性質(zhì)：

有機(jī)質(zhì)14.54 g/kg，全氮1.68 g/kg，堿解氮96.18 mg/kg，速效磷141 mg/kg，速效鉀269 mg/kg，

pH 6.96，總鎘 0.465 mg/kg，有效鎘0.169 mg/kg。

凹凸棒石的基本性質(zhì)：

比表面積369 m2/g，膨脹容積6 mL/g，吸水率202%，吸濕率15.57%，CEC 2 196 mol/100 g，K2O 3.49 mg/kg，P2O5 50.2 mg/kg，pH 8.46。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年8月1日至9月14日在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)開展，試驗(yàn)周期為45 d。試驗(yàn)將凹凸棒石與供試土壤按不同干重比例混合，共設(shè)5個(gè)處理，分別為0%凹凸棒石（CK）、0.5%凹凸棒石（0.5%AC）、1.0%凹凸棒石（10%AC）、2.0%凹凸棒石（2.0%AC）、5.0%凹凸棒石（50%AC）。每處理重復(fù)3次，施肥量相同。將混合均勻的土壤添加硝酸鎘溶液調(diào)節(jié)土壤總鎘含量至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(shì)相同的3株小白菜，其生長周期共46 d，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(jìn)行澆灌。

為了模擬大田環(huán)境下植物的生長情況，所有花盆都露天擺放，手工除蟲，未進(jìn)行避雨遮陽等處理。

1.3 測(cè)定方法

在小白菜生長46 d后取小白菜地上部分，量取植株最高點(diǎn)高度作為株高，并稱其鮮重及烘干重。在小白菜收獲后采集盆中土樣，土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法測(cè)定。

小白菜和土壤重金屬鎘采用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)鎘含量采用DTPA提取，含量測(cè)定采用高頻耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES），樣品測(cè)定結(jié)果以鮮重表示。在重金屬分析測(cè)定過程中，以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10011和GBW-07404為參照，對(duì)分析過程進(jìn)行質(zhì)量控制以確保分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office 2010 Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和基本運(yùn)算，采用SPSS 13.0 進(jìn)行不同處理之間的差異顯著性分析，采用Origin 8.0 進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用凹凸棒石對(duì)小白菜長勢(shì)的影響

盆栽46 d后，收獲并測(cè)定各處理中小白菜的株高及地上部鮮重，具體產(chǎn)量見圖1。從圖1a可以看出，與CK相比較，0.5%AC處理和10%AC處理中小白菜的株高均有不同程度的增高，增幅分別為3.86%、6.07%，2.0%AC處理和5.0%AC處理中小白菜的株高均有不同程度的降低，降幅隨凹凸棒石添加比例的增加而增加。表明適量添加凹凸棒石有利于小白菜的長勢(shì)，過量添加會(huì)抑制小白菜的生長，試驗(yàn)中1.0%AC處理下小白菜株高最高，為16.0 cm。

圖1b是收獲時(shí)不同處理中小白菜的地上部生物量（鮮重）。由圖1b可以看出，與CK相比較，0.5%AC處理、1.0%AC處理、2.0%AC處理、5.0% AC處理下小白菜生物量呈增加趨勢(shì)，增幅分別為212.50%、311.35%、123.37%、4183%，表明施用凹凸棒石顯著增加小白菜的生物量，有利于小白菜增產(chǎn)。該試驗(yàn)中1.0%AC處理小白菜的生物量最高，0.5%AC處理小白菜的生物量次之，當(dāng)凹凸棒石施用量為2.0%時(shí)，小白菜生物量開始降低，當(dāng)凹凸棒石施用量為5.0%時(shí)生物量進(jìn)一步減少。這表明，小白菜產(chǎn)量隨著凹凸棒石添加比例的增加呈先升后降的趨勢(shì)，凹凸棒石施用量超過一定水平后，凹凸棒石對(duì)小白菜的增產(chǎn)效果減弱，甚至引發(fā)小白菜減產(chǎn)。這是因?yàn)檫m量施用凹凸棒石可以調(diào)節(jié)土壤肥力，利于作物的生長[8-9]，但隨著施用量的增加，會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，引起土壤板結(jié)，從而抑制作物的生長[10]。因此，施用適宜用量的凹凸棒石能有效增加小白菜的產(chǎn)量，結(jié)合小白菜株高數(shù)據(jù)，該試驗(yàn)中，1.0%AC處理下小白菜長勢(shì)最好，產(chǎn)量最高。

2.2 施用凹凸棒石對(duì)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(cè)其養(yǎng)分含量，測(cè)定結(jié)果見表1。方差分析結(jié)果表明，與CK處理相比較，施用不同比例的凹凸棒石對(duì)土壤全氮含量均沒有顯著影響；0.5%AC處理、1.0%AC處理中堿解氮、速效磷含量沒有差異或者略有增加，2.0%AC處理、5.0%AC處理中堿解氮、速效磷、速效鉀含量降低。這是因?yàn)榘纪拱羰哂泻軓?qiáng)的吸附性，過量施用凹凸棒石會(huì)導(dǎo)致土壤速效養(yǎng)分被吸附，從而使土壤堿解氮、速效磷、速效鉀等有效養(yǎng)分含量降低。袁惠君等[11]的研究也取得了相似的結(jié)論，其指出向灌淤土中施用過量的凹凸棒石可以降低土壤中速效養(yǎng)分的含量。

土壤pH測(cè)定結(jié)果表明，與供試土壤相比較（供試土壤pH=6.96），各處理土壤pH均有明顯的提高。與CK處理相比較，0.5%AC處理、1.0%AC處理、2.0%AC處理、5.0%AC處理土壤pH分別增加0.13、0.10、0.02、0.25，土壤pH隨凹凸棒石添加比例的增加而增加，表明向酸性土壤中施用凹凸棒石可顯著提高土壤的pH。這主要是因?yàn)榘纪拱羰ね脸蕢A性。范迪富等[12]研究認(rèn)為，向土壤中添加凹凸棒石可顯著提高根系土pH。

2.3 施用凹凸棒石對(duì)土壤重金屬鎘含量的影響

小白菜收獲后，測(cè)定土壤中重金屬鎘全量及生物有效性鎘含量，測(cè)定結(jié)果見圖2。CK處理中土壤鎘全量最低（1.138 mg/kg），0.5%、1.0%、2.0%、5.0%凹凸棒石處理下土壤鎘全量依次增加，增幅分別為3.51%、7.64%、1775%、16.78%，表明土壤鎘全量隨凹凸棒石添加比例的增加而增加，凹凸棒石的施用有利于土壤鎘的固定。土壤中有效鎘含量變化趨勢(shì)與全量相反，CK處理中土壤中有效鎘含量最高（0.990 mg/kg），與施用凹凸棒石處理下土壤有效鎘含量差異顯著，其有效鎘含量隨凹凸棒石添加比例的增加呈降低趨勢(shì)，不同凹凸棒石處理下有效鎘含量降幅分別為17.75%、25.83%、34.09%、44.46%，該試驗(yàn)中5.0%AC處理下土壤有效鎘含量降幅最大，可達(dá)44.46%。

向Cd污染土壤中施用凹凸棒石可加強(qiáng)土壤對(duì)鎘的吸持固定，降低土壤有效鎘含量。主要有兩方面的原因：一是凹凸棒石屬于高孔道比表面積大的鏈層狀黏土礦物，富含鐵、鎂等常量元素，具有較大的比表面積和很強(qiáng)的吸附性能，能將土壤中的可溶性重金屬鎘吸附在其表面或?qū)⑼寥乐杏坞x的鎘等固定在凹凸棒石礦物的層間結(jié)構(gòu)中，從而降低土壤中有效鎘含量[13]；二是添加的凹凸棒石的pH為8.46，呈堿性，添加凹凸棒石對(duì)調(diào)節(jié)耕層土壤的pH效果相當(dāng)明顯，使酸性土壤環(huán)境向中性-堿性土壤環(huán)境轉(zhuǎn)變，增加土壤膠體的陽離子交換量，導(dǎo)致游離態(tài)鎘被土壤膠體吸附結(jié)合，形成難溶性的氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽，增強(qiáng)土壤對(duì)游離Cd的吸持力[14]。

2.4 施用凹凸棒石對(duì)小白菜地上部重金屬鎘含量的影響

小白菜收獲后，測(cè)定小白菜地上部重金屬鎘含量，測(cè)定結(jié)果見圖3。方差分析表明，不同處理間小白菜地上部鎘含量差異顯著。CK處理中小白菜鎘含量最高（0.281 mg/kg），0.5%AC處理、1.0%AC處理、2.0%AC處理、5.0%AC處理中鎘含量隨凹凸棒石添加比例的增加呈顯著下降趨勢(shì)，降低幅度分別為12.10%、24.56%、37.01%、47.69%。表明施用凹凸棒石可以降低小白菜地上部鎘含量，且效果顯著。范迪富等[12]研究指出，施用凹凸棒石黏土可有效降低蘆蒿中鎘含量，最大降幅為46%[14]。因此，凹凸棒石對(duì)土壤重金屬鎘污染具有一定防控作用。

該研究中施用不同比例的凹凸棒石可有效降低小白菜地上部鎘含量12.10%～47.69%，主要原因是凹凸棒石加強(qiáng)了土壤對(duì)土壤鎘的吸持固定，改變了土壤鎘的活動(dòng)能力，有效降低了土壤有效鎘含量，阻斷或滯緩?fù)寥梨k向植物的遷移[12，14]。

3 結(jié)論

基于小白菜的盆栽試驗(yàn)，通過分析小白菜產(chǎn)量、株高及其地上部和土壤重金屬含量的變化，并初步分析了相關(guān)原因，得到以下結(jié)論：

（1）施用適宜用量的凹凸棒石能有效增加小白菜的產(chǎn)量，該試驗(yàn)中，1.0%AC處理下小白菜產(chǎn)量最高。

（2）施用凹凸棒石可提高酸性土壤的pH，對(duì)土壤養(yǎng)分全量沒有的顯著影響，但過量施用（≥2.0%AC）可導(dǎo)致土壤速效養(yǎng)分下降。

（3）施用不同比例的凹凸棒石可有效降低土壤有效鎘含量，降幅達(dá)17.75%～44.46%，對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)具有顯著效果；有效降低小白菜對(duì)鎘的吸收，降幅達(dá)12.10%～4769%。

結(jié)合小白菜生物量和土壤養(yǎng)分調(diào)查結(jié)果，推薦凹凸棒石添加比例為1.0%，此時(shí)小白菜產(chǎn)量最高，土壤有效鎘降低25.83%，小白菜地上部鎘含量降低24.56%，該研究表明，向鎘污染土壤添加凹凸棒石是一種簡單易行的重金屬污染土壤的原位鈍化修復(fù)技術(shù)方法。

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