師巾國(guó),向 陽,茹旭東,趙貴哲,劉亞青
(中北大學(xué)山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心/中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030051)
我國(guó)經(jīng)濟(jì)近幾十年來迅速發(fā)展,但同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。例如廢氣、污水和固體廢物的排放,以及肥料、農(nóng)藥的不適當(dāng)使用,使受重金屬污染的農(nóng)田占全國(guó)耕地總面積將近16%[1-2]。重金屬污染不僅導(dǎo)致土壤肥力下降,而且還可能使農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),危害人畜健康,嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此研究重金屬在土壤中的有效性、遷移性以及對(duì)植物生長(zhǎng)的影響勢(shì)在必行。
重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)主要分為原位治理和異位治理兩大類[1,3]。原位治理更為經(jīng)濟(jì),設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便,但治理周期比較長(zhǎng);異位治理的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)低,系統(tǒng)處理預(yù)測(cè)性比較高,但成本高且操作復(fù)雜??偟膩砜?,原位治理中的化學(xué)穩(wěn)定修復(fù)是最節(jié)省人力物力財(cái)力的方法。
目前,國(guó)內(nèi)外常用的改良重金屬污染土壤的材料主要包括納米鐵、堿性物質(zhì)、無機(jī)粘土礦物、含磷化合物[4](如納米羥基磷灰石、磷酸鹽礦石等)、植物殘?bào)w、生物炭、碳黑/改性碳黑、污泥、堆肥[5]、高分子聚合物等。研究者們常用的有機(jī)改良劑基本都是含有氨基、多羧基化合物、腐殖酸富里酸。此外還有少量的生物聚合物[6-7];余貴芬等通過室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用腐殖酸可以很大程度轉(zhuǎn)化紅壤中Cd和Pb形態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示重金屬從殘?jiān)鼞B(tài)向有機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化,還發(fā)現(xiàn)胡敏酸可以抑制和固化可交換態(tài)的Cd和Pb[8];有研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用紫云英、稻草等天然有機(jī)材料可以通過改變土壤的理化性質(zhì)如pH值、氧化還原電位等,從而使土壤中重金屬有效態(tài)含量顯著降低等等[9]。生物降解高分子材料可以改善人們生活質(zhì)量、提高環(huán)境相容性、減少“白色污染”,目前已成為相當(dāng)熱門的研究課題。然而,到目前為止,生物降解高分子材料對(duì)重金屬固定影響的研究還鮮有報(bào)道。
針對(duì)上述問題,我們通過番茄盆栽試驗(yàn)對(duì)含有營(yíng)養(yǎng)元素氮磷鉀的生物降解高分子緩釋肥(SRPFNPK)和具有吸水功能的生物降解高分子緩釋肥(SRPFWA)進(jìn)行了重金屬污染土壤修復(fù)研究,重點(diǎn)研究了兩種緩釋肥處理后的土壤養(yǎng)分含量(全氮、有效磷,速效鉀)和有機(jī)質(zhì)含量以及重金屬的有效態(tài)含量、番茄各組織積累的重金屬含量、番茄產(chǎn)量等,以進(jìn)一步驗(yàn)證高分子聚合物的治理效果,為污染農(nóng)田的原位化學(xué)修復(fù)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。
土壤樣品采自山西省太原市的耕地,供試土壤風(fēng)干后過2 mm篩,復(fù)合污染土壤處理中Cd、Cu、Pb、Zn分別投加相當(dāng)于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618,1995)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值 10、1、2、1.5倍的量。重金屬形態(tài)分別為 CdCl2·2.5H2O、CuSO4·5H2O、Pb(CH3COO)2·3H2O、ZnSO4·7H2O,均為分析純?cè)噭7謩e以固態(tài)加入到土壤中,混勻,含水率調(diào)節(jié)到40%,室內(nèi)培養(yǎng)30 d,自然風(fēng)干,得到試驗(yàn)用重金屬復(fù)合污染土壤。土壤基本理化性狀為砂粒38%、粉粒50%、粘粒12%,pH 8.2,有機(jī)質(zhì)含量17.69 g/kg,全氮含量190 mg/kg、有效磷含量15.73 mg/kg、速效鉀含量73.09 mg/kg,實(shí)測(cè)得到重金屬的含量分別為Cd 15.22 mg/kg、Cu 385.96 mg/kg、Pb 1245.78 mg/kg、Zn 712.87 mg/kg。
生物降解高分子緩釋肥,由中北大學(xué)山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心提供。制備生物降解高分子緩釋肥SRPFNPK的原料為尿素、甲醛、磷酸二氫鉀等[10];制備生物降解高分子緩釋肥SRPFWA的原料為尿素、甲醛、磷酸二氫鉀、高嶺土、丙烯酸、丙烯酰胺等[11]。兩種緩釋肥N-P2O5-K2O 的含量為22-20-13。
供試作物番茄品種為白果強(qiáng)豐。
試驗(yàn)于2017年5~9月在山西太原中北大學(xué)復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心進(jìn)行。盆栽試驗(yàn)選用規(guī)格60 cm×38 cm×28 cm的塑料箱,每箱裝入高為25 cm的土壤,重45 kg。污染土壤裝箱時(shí),首先裝入高度為5 cm的土壤(按照體積和容重?fù)Q算重量,然后稱重裝入),然后再將20 cm的土壤稱出(按體積和容重?fù)Q算),與所施緩釋肥混合均勻,再裝入箱中,表層土壤鋪平,然后澆入相當(dāng)于25 cm土壤的最大持水量,即澆透,24 h后在日照強(qiáng)度小的時(shí)候進(jìn)行番茄幼苗移栽。選取生長(zhǎng)一致的5葉1心幼苗定植,每箱定植1株,沿箱中心種植,以后定期并定量澆水,使土壤相對(duì)含水量保持在40%~80%,每個(gè)處理澆水量均相同。
試驗(yàn)設(shè)生物降解高分子緩釋肥SRPFNPK、SRPFWA和空白對(duì)照3個(gè)處理,3次重復(fù)。肥料添加量按照番茄的需肥規(guī)律N∶P2O5∶K2O=1∶1∶2,具體為每公頃施N 240 kg、P2O5219 kg、K2O 460.5 kg。
土壤樣品采集:在苗期、開花期、結(jié)果期避開植物根系按S型法在垂直面取土。土樣風(fēng)干后,過篩保存,用于土壤基本理化性質(zhì)和重金屬的測(cè)定。
植株樣品采集:植株樣品先用自來水洗去粘附的泥土,然后用去離子水洗凈,105℃殺青后80℃烘干至恒重,分成根、莖、葉片、果實(shí)4個(gè)部分,分別稱重、粉碎、裝瓶備用。
土壤樣品基本理化性質(zhì):土壤砂粒、粉粒、粘粒、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀按照常規(guī)方法測(cè)試[12]。過氧化氫酶活性的測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法[13]。脲酶活性的測(cè)定采用次氯酸鈉-苯酚鈉比色法[14]。重金屬全量用鹽酸、硝酸、高氯酸、氫氟酸消煮、定容、過濾上清液[15],用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP 6300,Thermo,USA)測(cè)試。重金屬有效態(tài)含量測(cè)定采用0.01 mol/L CaCl2浸提,水土比為5∶1,室溫下180 r/min震蕩2 h,離心,0.45 μm濾膜過濾[16],用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP 6300,Thermo,USA)測(cè)試。
植株各組織重金屬含量:稱取0.5 g植物樣品,采用HNO3-HClO4混合酸(5∶1)進(jìn)行濕式消解[17],定容,過濾上清液,用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP6300,Thermo,USA)測(cè)試。
生物學(xué)產(chǎn)量:番茄果實(shí)收獲后按照處理收集入塑封袋中并標(biāo)記,分別用電子天平稱重,記錄產(chǎn)量,并記錄結(jié)果數(shù)。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 24軟件,作圖采用Origin 8.0軟件。
2.1.1 土壤全氮(TN) 土壤氮和有機(jī)質(zhì)的消長(zhǎng)共同決定微生物的分解作用。氮含量是土壤培肥的一個(gè)重要方面。由表1可知,SRPFNPK和SRPFWA處理土壤的全氮含量比空白處理高,原因在于SRPFNPK和SRPFWA中的氮主要以聚酰胺形式存在,酰胺結(jié)構(gòu)在酶作用下水解成含氮小分子有機(jī)物,最終被植物吸收利用。氮含量也與2.4中酶活性是相關(guān)的,高分子緩釋肥的施入使重金屬活性降低,從而增加酶活性,提高酰胺鍵的水解速度,使土壤全氮含量明顯增加。
2.1.2 土壤有效磷(AP) 磷是植物生長(zhǎng)必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一,對(duì)植物的生長(zhǎng)至關(guān)重要,有效磷是反應(yīng)土壤磷素養(yǎng)分水平高低的重要指標(biāo)。表1顯示,SRPFNPK和SRPFWA處理的有效磷含量先增加后降低,而空白對(duì)照的有效磷含量一直降低,原因在于:高分子緩釋肥先是緩慢釋放出P,一方面用于開花期提高作物光合速率,供植物生長(zhǎng),另一方面釋放的P主要是PO43-,會(huì)對(duì)重金屬離子有一定的吸持作用,這與2.3中土壤有效態(tài)重金屬含量明顯減少結(jié)果一致。此外,在結(jié)果期,番茄需要大量吸收土壤中的有效磷為結(jié)果提供充足的養(yǎng)分,所以有效磷含量在結(jié)果期降低。相關(guān)性分析顯示,土壤有效磷含量與土壤中Cu、Zn、Cd、Pb的有效態(tài)含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-0.811**、-0.763*、-0.578、-0.797*。
表1 不同處理對(duì)土壤理化特性以及有效態(tài)重金屬含量的影響
2.1.3 土壤速效鉀(AK) 番茄是需鉀量較大的蔬菜作物,土壤中的速效鉀是容易被植株吸收利用的。從表1可以看出,SRPFNPK和SRPFWA處理的速效鉀含量先增加后減少,而空白對(duì)照的速效鉀含量一直在減少。原因在于:SRPFNPK和SRPFWA先是緩慢釋放出K,但在開花期釋放速度加快,在結(jié)果期由于植物吸收量增大而有所降低[15]。此外,鉀離子是高分子緩釋肥表面最主要的陽離子,可能會(huì)與土壤中的重金屬離子發(fā)生離子交換,從而導(dǎo)致重金屬與高分子緩釋肥表面官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)而形成沉淀等。
土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤肥力密切相關(guān),而且土壤有機(jī)質(zhì)是微生物生命活動(dòng)所需養(yǎng)分和能量的主要來源。從表1可以看出,SRPFNPK和SRPFWA處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于空白對(duì)照,說明高分子緩釋肥的施入增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量,這樣就會(huì)增加與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用的位點(diǎn),從而減少重金屬離子的活性。這與2.3中土壤有效態(tài)重金屬含量明顯減少結(jié)果是一致的。相關(guān)性分析顯示,土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤中Cu、Zn、Cd、Pb的有效態(tài)含量均呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.901**、-0.865**、-0.673*、-0.911**。
從表1可以看出,施用SRPFNPK后,土壤中重金屬有效態(tài)含量極顯著降低。與對(duì)照土壤相比,SRPFNPK處理的有效態(tài)Pb含量在苗期、開花期和結(jié)果期分別下降94.27%、94.87%和98.85%;同樣,在苗期、開花期和結(jié)果期有效態(tài)Cd、Cu、Zn的濃度分別下降53.95%、71.07%和70.83%,92.32%、97.42%和98.80%,81.15%、94.26%和95.17%;與對(duì)照土壤相比,SRPFWA處理的有效態(tài)Pb濃度在苗期、開花期和結(jié)果期分別下降95.11%、95.57%和99.05%;同樣,在苗期、開花期和結(jié)果期有效態(tài)Cd、Cu、Zn濃度分別下降63.72%、78.51%和77.08%,93.44%、97.89%和99.10%,81.85%、95.06%和96.06%。有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤重金屬有效性的重要因素之一,SRPFNPK和SRPFWA施入土壤后,土壤有機(jī)質(zhì)含量升高,促使有機(jī)質(zhì)與重金屬發(fā)生吸附、絡(luò)合作用固定重金屬,從而降低重金屬的有效性[18]。此外,土壤速效磷含量也是影響因素之一,因?yàn)镾RPFNPK和SRPFWA施入土壤后速效磷含量增加,從而增加了土壤表面負(fù)電荷(H2PO4-)的含量,使重金屬以靜電吸附方式吸附在土壤顆粒周圍,此外產(chǎn)生的PO43-會(huì)與土壤中的重金屬離子反應(yīng)形成沉淀,從而降低重金屬毒性[19]。
脲酶是一種酰胺酶,能促進(jìn)有機(jī)物分子中酰胺鍵的水解。從圖1土壤脲酶活性的變化來看,空白對(duì)照的脲酶活性出現(xiàn)降低的趨勢(shì),而SRPFNPK和SRPFWA處理的脲酶活性先升高后降低,但均比空白對(duì)照高。原因在于:一方面,施入SRPFNPK和SRPFWA可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量,從而增強(qiáng)脲酶底物的作用,增加土壤微生物數(shù)量,促進(jìn)有機(jī)物分子中酰胺鍵的水解;另一方面,可以減少重金屬的有效態(tài)含量,降低重金屬活性,從而減少重金屬對(duì)脲酶活性的抑制[20-21]。結(jié)果期顯著降低是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)期番茄根系對(duì)養(yǎng)分的吸收速度減慢,番茄生長(zhǎng)代謝活動(dòng)減緩,根系活動(dòng)減弱,分泌物減少,代謝能力下降,致使土壤脲酶活性降低。
土壤過氧化氫酶促進(jìn)過氧化氫的分解,有利于防止其對(duì)生物體的毒害作用。過氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān),與微生物數(shù)量也有關(guān)。從圖1土壤過氧化氫酶活性的變化來看,沒有脲酶活性變化那么顯著,但SRPFNPK和SRPFWA處理的也有微弱的先升高后降低的趨勢(shì)且均比空白處理高,有研究發(fā)現(xiàn)土壤中的Cd、Zn對(duì)過氧化氫酶活性的作用主要為抑制,可能Cd、Zn與酶分子中活性部位巰基和含咪唑的配體等結(jié)合形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物,從而產(chǎn)生與底物的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用[22],并最終導(dǎo)致土壤酶活性下降,而Pb對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響表現(xiàn)為激活作用。但是有研究發(fā)現(xiàn)在復(fù)合污染土壤中,過氧化氫酶活性明顯降低[23]。
圖1 不同處理對(duì)土壤微生物酶活性的影響
圖2 不同處理對(duì)番茄植株各組織重金屬含量的影響
從圖2可以看出,與對(duì)照番茄相比,SRPFNPK處理果實(shí)中Zn和Pb的濃度分別下降76.45%、90.63%并且在果實(shí)中沒有可檢測(cè)到的Cu和Cd;SRPFNPK處理葉片中Cu、Zn、Cd、Pb含量分別下降3.67%、35.84%、10.92%、39.12%;莖桿中Cu、Zn、Cd、Pb含量分別下降6.33%、5.64%、49.89%、5.28%;根部Cu、Zn、Cd、Pb含量分別下降26.81%、18.50%、43.65%、17.16%。SRPFWA處理果實(shí)中Zn和Pb濃度分別下降78.92%、93.80%,并且在果實(shí)中沒有可檢測(cè)到的Cu和Cd;葉片中Cu、Zn、Cd、Pb含量分別下降20.78%、41.66%、28.10%、52.20%;莖桿中Cu、Zn、Cd、Pb含量分別下降16.93%、13.99%、60.88%、15.95%;根部Cu、Zn、Cd、Pb含量分別下降36.97%、27.49%、49.55%、26.40%。由此可見,應(yīng)用高分子緩釋肥處理的番茄各組織中的重金屬含量明顯減少,而且SRPFWA處理的效果明顯優(yōu)于SRPFNPK處理,原因在于:SRPFWA中含有更多的羧酸官能團(tuán),對(duì)重金屬的吸附以及絡(luò)合效應(yīng)更明顯,所以SRPFWA處理土壤重金屬有效態(tài)含量明顯低于SRPFNPK處理,且轉(zhuǎn)移到植株中的含量也明顯低于SRPFNPK處理。更重要的是,高分子緩釋肥處理的番茄果實(shí)中均沒有檢測(cè)到Cu和Cd,達(dá)到食品安全標(biāo)準(zhǔn)和食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)[24]。
由圖3可知,SRPFNPK和SRPFWA處理的產(chǎn)量明顯高于空白對(duì)照。番茄均重可以反映果實(shí)的大小,SRPFNPK和SRPFWA都是緩慢降解的高分子緩釋肥,在番茄生長(zhǎng)的整個(gè)時(shí)期均可供應(yīng)養(yǎng)分,尤其是在后期仍然能夠持續(xù)供應(yīng)養(yǎng)分促進(jìn)果實(shí)發(fā)育。從產(chǎn)量和均重兩方面來看,SRPFWA處理的優(yōu)勢(shì)最明顯。因?yàn)镾RPFWA具有吸水保水功能,在番茄生長(zhǎng)過程中能夠保證其需水量,說明水分是植物生長(zhǎng)必要的因素之一;而且SRPFWA含有更多與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用的羧酸官能團(tuán),對(duì)番茄的生長(zhǎng)抑制作用就更小。總的來說,空白對(duì)照受重金屬的影響顯著,果實(shí)大小明顯受到抑制,且產(chǎn)量也很低。
圖3 不同處理對(duì)番茄產(chǎn)量的影響
在多重重金屬污染土壤中,重金屬是抑制作物生長(zhǎng)的主要因素之一[25],兩種生物降解高分子緩釋肥SRPFNPK和SRPFWA的施入能夠降低土壤有效態(tài)重金屬的含量,這主要?dú)w功于土壤有效磷和有機(jī)質(zhì)含量的增加[26-27]。試驗(yàn)結(jié)果表明,SRPFNPK和SRPFWA對(duì)于改善土壤肥力,提高土壤微生物活性,降低重金屬活性以及減少番茄組織內(nèi)重金屬的累積量、提高番茄產(chǎn)量具有重要意義。
與空白對(duì)照土壤相比,SRPFNPK和SRPFWA處理顯著提高了土壤中氮磷鉀養(yǎng)分的含量,促進(jìn)作物生長(zhǎng),增加了有效磷對(duì)重金屬的吸持作用,之前有研究發(fā)現(xiàn),釋放的PO43-會(huì)與土壤中的OH-離子和土壤中的重金屬形成沉淀[28],尤其是 Pb。 Hettiarachchi研究磷酸鹽改良劑修復(fù)重金屬污染土壤發(fā)現(xiàn),Pb的固定主要是通過溶解-沉淀過程形成羥基亞磷酸鹽沉淀而減少其移動(dòng)性[29],而且本研究中有效態(tài)Pb的減少也是比較顯著的,且相關(guān)分析顯示有效磷與重金屬有效態(tài)含量之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系。
土壤中的有機(jī)質(zhì)含量越高,對(duì)金屬的結(jié)合能力就越強(qiáng)[21],而且有機(jī)質(zhì)含量也反映土壤質(zhì)量的好壞。林和陳的研究發(fā)現(xiàn),隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加,對(duì)重金屬的吸附能力增強(qiáng)[26]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,SRPFNPK和SRPFWA處理的有效態(tài)重金屬含量相比于空白對(duì)照明顯降低,且相關(guān)分析顯示,有機(jī)質(zhì)含量與有效態(tài)重金屬含量之間顯著負(fù)相關(guān)。
在本研究中,空白對(duì)照土壤中番茄生長(zhǎng)嚴(yán)重受到抑制,添加SRPFNPK和SRPFWA后能夠提高土壤有效磷和有機(jī)質(zhì)的含量,而土壤中的PO43-可以與重金屬離子形成沉淀、有機(jī)質(zhì)可以與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用而顯著降低其毒性,從而使番茄各組織內(nèi)重金屬的積累量明顯降低并且產(chǎn)量提升。
酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要角色,其活性是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一[30]。本研究中,SRPFNPK和SRPFWA處理較空白對(duì)照土壤顯著提高了脲酶和過氧化氫酶的活性,說明SRPFNPK和SRPFWA改善了土壤環(huán)境,這主要與降低土壤中有效態(tài)重金屬的含量有關(guān)[27],同時(shí)酶活性的高低也與微生物的生長(zhǎng)繁殖有關(guān),這與李清飛的研究結(jié)果一致[31]。說明生物降解高分子緩釋肥對(duì)污染土壤有明顯改善作用。
本研究結(jié)果表明,施用SRPFNPK和SRPFWA處理番茄果實(shí)中重金屬含量較空白對(duì)照顯著降低,且Cd和Cu的含量均未檢出,與食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)以及食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的限量值相比,Cd和Cu的含量均達(dá)標(biāo),但Zn和Pb的含量均未達(dá)標(biāo)。說明應(yīng)用高分子緩釋肥在混合高濃度重金屬污染土壤上種植農(nóng)作物時(shí),還需要與其他改良劑結(jié)合使用,以進(jìn)一步提高修復(fù)效果,從而達(dá)到國(guó)家食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。
目前緩釋肥在重金屬修復(fù)方面的研究還比較淺顯,通過本研究對(duì)其應(yīng)用在重金屬污染土壤中的穩(wěn)定化研究,發(fā)現(xiàn)緩釋肥不僅可以減少土壤環(huán)境效應(yīng),而且可以持續(xù)提供養(yǎng)分增加作物產(chǎn)量,在農(nóng)業(yè)方面具有深遠(yuǎn)意義。
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