三種黏土礦物對蠶豆生長和重金屬含量的影響

張金秀，何永美，李 博，王 燦，李天國，秦 麗，湛方棟*，李 元

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.中國冶金地質(zhì)總局昆明地質(zhì)勘查院，昆明 650203）

近年來，由于金屬礦的開采和冶煉導(dǎo)致礦區(qū)周邊的農(nóng)田土壤重金屬污染嚴(yán)重[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)田土壤受重金屬污染面積高達(dá)2.0×107hm2，占總耕地面積的1/5[2]。土壤中重金屬不僅對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致土壤肥力下降，而且以有效態(tài)形式被作物吸收富集在體內(nèi)，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[3]，因此對重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究已經(jīng)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，對重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，減少作物對重金屬的吸收，已成為我國一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)[4]，而原位鈍化修復(fù)技術(shù)[5]是目前應(yīng)用比較廣泛的重金屬污染土壤修復(fù)方法之一。

原位鈍化修復(fù)是向污染土壤中施加活性鈍化修復(fù)材料，如沸石、鈉基膨潤土、硅藻土等黏土礦物是常用的土壤重金屬鈍化劑[6]。沸石[7]比表面積大，吸附性能好，表面可以形成水合氧化物覆蓋層出現(xiàn)游離負(fù)離子，通過絡(luò)合作用吸附重金屬離子，降低重金屬有效性，提高其穩(wěn)定性。鈉基膨潤土具有良好的離子交換性和吸附性，對重金屬離子具有很好的吸附去除作用[8-9]。硅藻土[10]是一種多孔性硅質(zhì)巖黏土礦物，比表面積大、吸附能力強(qiáng)，致使其對重金屬的吸附能力強(qiáng)。以上3種鈍化劑與重金屬之間可以通過溶解沉淀，離子交換吸附，氧化還原和有機(jī)絡(luò)合等一系列物理化學(xué)反應(yīng)過程[11]，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，降低重金屬在土壤中的生物有效性和遷移性，減少作物對重金屬的吸收，減緩重金屬對作物生長的毒害作用[12]。黏土礦物資源易得、價(jià)廉，利用黏土礦物復(fù)治理重金屬污染土壤修是一條值得推廣的有效途徑[13]。

云南省會澤縣位于云南省東部，是我國鉛鋅的重要場地之一[14]。會澤鉛鋅礦是我國鉛鋅礦的典型代表，礦產(chǎn)工業(yè)大量生產(chǎn)與冶煉對礦區(qū)及周邊農(nóng)田土壤造成不同程度的重金屬污染[15]。農(nóng)田土壤與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)，具有不可替代的作用，如何有效快速地修復(fù)重金屬污染農(nóng)田土壤，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，改善農(nóng)作物品質(zhì)，是一項(xiàng)重要任務(wù)[16]。以往學(xué)者大多偏于研究黏土礦物對單一金屬元素的影響，對多種金屬元素共同影響的研究較少，但自然界中土壤不只受一種重金屬污染，對受多種重金屬污染的土壤進(jìn)行修復(fù)治理應(yīng)該得到全世界的廣泛關(guān)注。本文選用會澤鉛鋅礦區(qū)周圍田地土，研究黏土礦物對蠶豆生長、礦質(zhì)營養(yǎng)和積累重金屬（鎘、鉛、銅、鋅）的影響。為農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增收、改善品質(zhì)和多種重金屬污染土壤的鈍化修復(fù)及修復(fù)機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蠶豆（Vicia fabaL.）為云豆147，所選種子大小一致且籽粒飽滿。

供試土壤為山原紅壤，采集自云南省曲靖市會澤鉛鋅礦區(qū)重金屬污染農(nóng)田，土壤pH為5.74，有機(jī)質(zhì)含量為 28.12 g·kg-1，鎘、鉛、銅、鋅全量分別為 4.51、268.89、85.81、301.75 mg·kg-1，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為35.04、19.72 mg·kg-1和125.07 mg·kg-1。

供試黏土礦物，鈉基膨潤土pH為9.2，孔隙度為92%；硅藻土pH為7.1，孔隙度為91%；沸石pH為5.8，孔隙度為92%。

1.2 試驗(yàn)處理

將所選種子放入1%次氯酸鈉（NaClO）溶液中并在超聲波清洗機(jī)中處理1 min后取出，用無菌蒸餾水沖洗種子表面上殘留的NaClO溶液，沖洗干凈后，放入75%的乙醇溶液中并在超聲波清洗機(jī)中處理3 min，然后用無菌蒸餾水漂洗至無色，放入墊有浸濕濾紙已滅菌的培養(yǎng)皿中，在25℃溫度下恒溫培養(yǎng)3 d，待種子萌發(fā)長成幼苗時(shí)，挑選無污染且生長一致的幼苗備用。供試土壤采回后，經(jīng)自然風(fēng)干，剔除雜物，搗碎研磨后過1 mm尼龍篩混勻保存，待用。

于2016年10月9日在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)大棚內(nèi)開始試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理（對照、鈉基膨潤土、硅藻土、沸石），每個(gè)處理4個(gè)平行，共16份盆栽，每盆添加原土3 kg。除對照外，另外3組處理在原土基礎(chǔ)上分別加入5%的鈉基膨潤土、硅藻土和沸石混勻待播種。每盆播種蠶豆苗7株，實(shí)驗(yàn)過程中不施用化肥和農(nóng)藥，采用自然光照，期間根據(jù)盆栽土壤水分狀況澆灌去離子水，保持土壤濕潤，培育60 d后采樣。

將蠶豆整株取出，抖去根部附著比較疏松的土壤，采集與根系緊密結(jié)合的根際土壤（厚度約為1 mm），自然風(fēng)干搗碎研磨后裝袋備用。將蠶豆植株分為地上部莖葉和地下部根系，用蒸餾水漂洗干凈，晾干，于105℃殺青30 min，再經(jīng)75℃烘干72 h至恒質(zhì)量，碾磨粉碎備用[15]。

1.3 測定方法

用直尺測量株高，地上部和地下部干重用電子秤稱量。采用分光光度法測定葉綠素，英國PP-System公司CIRAS-1型全自動便攜式光合測定系統(tǒng)測定[17]光合作用參數(shù)。

分別采用堿解擴(kuò)散比色法、0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法、1 mol·L-1NH4OAC浸提-火焰光度法測定土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量[18]。

H2SO4-H2O2消煮，比色法測定植株全氮、全磷、全鉀。HNO3-HClO4消煮，原子吸收分光光度法測定植物鎘、鉛、銅、鋅，稱取備用的植物放入消解管中，加入10 mL濃硝酸和4 mL高氯酸，消解，用原子吸收分光光度計(jì)測定吸光值。0.1 mol·L-1HCl浸提，原子分光光度法測定土壤有效態(tài)鎘、鉛、銅、鋅，稱取10.0 g備用根際土，加入50.0 mL 0.1 mol·L-1HCl，振蕩，過濾，用原子吸收分光光度計(jì)測定濾液吸光值[19]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用Microsoft Excel 2013進(jìn)行處理，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，用IBM SPSS Statistics V 21.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan（D）法檢驗(yàn)各處理平均值在0.05水平的差異性，用OriginPro 9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種黏土礦物對蠶豆植株光合生理和生長的影響

鈉基膨潤土顯著增加蠶豆葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量，分別增加20%、21.7%和20%；硅藻土顯著增加蠶豆葉片葉綠素b含量，增加13%，沸石增加蠶豆葉片葉綠素b和類胡蘿卜素含量，分別增加17%和13.5%（圖1）?？梢?，3種黏土礦物不同程度地增加蠶豆葉片光合色素的含量。

鈉基膨潤土和沸石顯著增加蠶豆胞間CO2濃度，分別增加18.2%和17.4%；3種黏土礦物都能顯著增加蠶豆蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、光合速率，增幅分別為22.4%～58.2%、27.3%～54.5%、28.6%～41.8%（圖2）。可見重金屬脅迫下，施加黏土礦物不同程度地增加蠶豆光合作用速率。

3種黏土礦物顯著增加蠶豆的株高，增幅為122%～162%，以及顯著增加蠶豆地上部和地下部的生物量，增幅分別為15%～60%和11%～39%（圖3）。可知，施加黏土礦物顯著增加蠶豆株高和生物量。

2.2 3種黏土礦物對土壤-蠶豆體系養(yǎng)分含量的影響

鈉基膨潤土、硅藻土、沸石顯著降低土壤堿解氮含量，分別降低45.2%、25.8%、12.5%。硅藻土顯著降低土壤速效磷含量，降低48%。鈉基膨潤土和硅藻土顯著降低土壤速效鉀含量，降幅分別為25%和12%（圖4）。可知，黏土礦物降低土壤速效養(yǎng)分的含量，但影響效應(yīng)存在差異。

圖1 不同黏土礦物對蠶豆葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量的影響Figure 1 Effects of different clay minerals on chlorophyll and carotenoid content of Vicia faba leaves

硅藻土顯著增加蠶豆全磷、全鉀以及地下部全氮含量，增幅高達(dá)83%，沸石顯著增加蠶豆地下部全磷含量，增加23%，但鈉基膨潤土顯著降低蠶豆地上部全氮、全磷、全鉀含量（圖5）。由此可知，施加黏土礦物能不同程度地改變蠶豆對養(yǎng)分的吸收。

2.3 3種黏土礦物對土壤pH值和重金屬有效態(tài)含量的影響

鈉基膨潤土顯著升高土壤pH值，升高22%，硅藻土和沸石對土壤酸堿性沒有顯著性影響（圖6）。

圖2 不同黏土礦物對蠶豆光合指標(biāo)的影響Figure 2 Effects of different clay minerals on the photosynthetic indicators of Vicia faba

圖3 不同黏土礦物對蠶豆株高和生物量的影響Figure 3 Effects of different clay minerals on plant height and biomass of Vicia faba

鈉基膨潤土和沸石顯著減少土壤有效態(tài)鎘的含量，分別減少20%和12%；鈉基膨潤土、硅藻土和沸石顯著降低土壤有效態(tài)鉛和有效態(tài)銅含量，降幅分別為18%～28%和14%～23%，但3種黏土礦物對土壤有效態(tài)鋅沒有顯著影響（圖7）?？芍?，黏土礦物對重金屬具有選擇抑制性。

2.4 黏土礦物對蠶豆植株重金屬含量和累積量的影響

鈉基膨潤土、硅藻土和沸石3種黏土礦物均顯著降低蠶豆植株的鋅含量，以及顯著降低蠶豆地下部的鉛和銅含量，降幅以沸石處理較大。此外，鈉基膨潤土和沸石處理顯著降低蠶豆地上部的鎘含量，硅藻土和沸石顯著降低蠶豆地上部的鉛含量和地下部的鎘含量（圖8）?？梢姡┘羽ね恋V物能不同程度地降低蠶豆植株中鎘、鉛、銅、鋅的含量。

鈉基膨潤土和沸石顯著降低蠶豆地上部鎘累積量，降幅為34%～50%，且顯著降低蠶豆植株鉛累積量，分別降低25%和30%。3種黏土礦物都能顯著降低地下部銅累積量，降幅為10%～15%，也能顯著降低蠶豆植株鋅累積量，地上部和地下部降幅分別為10%～15%和10%～18%（圖9）?？芍┘羽ね恋V物不同程度地降低蠶豆對鎘、鉛、銅、鋅的累積，其中沸石的效應(yīng)最大，其次是鈉基膨潤土。

圖4 不同黏土礦物對土壤速效養(yǎng)分含量的影響Figure 4 Effects of different clay minerals on soil available nutrient content

2.5 相關(guān)分析

相關(guān)分析表明，土壤有效態(tài)鎘含量與蠶豆地上部鎘含量（r=0.646，P＜0.01）、有效態(tài)銅含量與蠶豆地下部銅含量（r=0.652，P＜0.01）呈極顯著正相關(guān)，有效態(tài)鋅含量與蠶豆地上部鋅含量（r=0.614，P＜0.05）、地下部鋅含量（r=0.608，P＜0.05）均呈顯著正相關(guān)。

3 討論

3.1 重金屬污染脅迫下黏土礦物對植物生長的影響

圖5 不同黏土礦物對蠶豆植株養(yǎng)分含量的影響Figure 5 Effects of different clay minerals on nutrient content of Vicia faba plants

圖6 不同黏土礦物對土壤pH值的影響Figure 6 Effects of different clay minerals on soil pH value

葉綠素和類胡蘿卜素是作物進(jìn)行光合作用的重要色素因子，光合作用是作物生長發(fā)育的基礎(chǔ)[20]，胞間CO2濃度、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度是影響凈光合速率的重要因素，在光合作用過程中需要它們的協(xié)同作用，才能使作物的光合作用順利進(jìn)行[21-22]。本次實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果得出，重金屬脅迫下施用黏土礦物（鈉基膨潤土、硅藻土、沸石）顯著增加蠶豆葉綠素和類胡蘿卜素含量，提高胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和光合速率。因?yàn)轲ね恋V物通過礦物表面的吸附、離子交換固定重金屬，降低重金屬向作物體內(nèi)的遷移，減少作物體內(nèi)重金屬的含量，減弱葉綠體基質(zhì)的毒害，增加作物的光合作用[23]。研究表明在重金屬的脅迫下，嚴(yán)重傷害葉片中的葉綠體和線粒體，而葉綠體和線粒體是植物光合作用和呼吸作用的重要場所[24]，葉綠體基質(zhì)受到破壞會抑制作物葉片中葉綠素和類胡蘿卜素的合成，導(dǎo)致作物光合速率降低[25]，施用鈍化劑（黏土礦物）會降低這種毒害作用，促進(jìn)作物的光合作用。作物光合作用增加，產(chǎn)生大量能量提供給根系，用于對土壤中養(yǎng)分（氮、磷、鉀）的吸收，土壤中養(yǎng)分的含量減少，提高作物養(yǎng)分（氮、磷、鉀）累積量，促進(jìn)作物的生物量和產(chǎn)量[26]。對一些作物的研究發(fā)現(xiàn)：硅藻土可促進(jìn)雀稗對氮磷鉀的吸收，沸石和膨潤土可提高玉米和小白菜植株中氮磷鉀的含量[27-29]。土壤中施加膨潤土對油菜生長影響的研究表明，施加膨潤土顯著提高油菜的葉綠素含量和生物量[30]，與本實(shí)驗(yàn)得出的重金屬脅迫下，施加黏土礦物蠶豆養(yǎng)分（全氮、全磷、全鉀）累積量增加，提高蠶豆的生物量和產(chǎn)量的結(jié)果相一致。

3.2 重金屬污染脅迫下黏土礦物對土壤-作物體系重金屬遷移的影響

重金屬在土壤中以不同化學(xué)形態(tài)存在[31]，如：有效態(tài)（水溶態(tài)、交換態(tài)），緩溶態(tài)（Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)）和無效態(tài)（殘?jiān)鼞B(tài)），僅金屬有效態(tài)能被植物吸收并累積在體內(nèi)。如何降低土壤重金屬的生物有效性是重金屬污染土壤修復(fù)需要解決的根本問題。本實(shí)驗(yàn)分析得出，在重金屬污染脅迫下施用黏土礦物（鈉基膨潤土、硅藻土、沸石）對土壤中的重金屬（鎘、鉛、銅）有顯著鈍化作用，但對鋅鈍化效果不顯著。鈉基膨潤土、沸石和硅藻土主要成分中富含大量的不穩(wěn)定活性基團(tuán)，通過離子交換吸附-配合-共沉淀作用，促使土壤中的重金屬由交換態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)變，從而降低重金屬（鎘、鉛、銅）的生物有效性與遷移性。有學(xué)者研究表明[32]施加海泡石、磷酸鹽可顯著增加水稻生物量，降低鎘、鉛有效態(tài)含量。Usman等[33]在重金屬污染土壤（鋅、鎘、銅、鎳）中施加黏土礦物（鈉基膨潤土、鈣基膨潤土和沸石），得出施加黏土礦物可顯著降低土壤有效態(tài)鋅、鎘、銅、鎳的含量。

圖7 不同黏土礦物對土壤重金屬有效態(tài)含量的影響Figure 7 Effects of different clay minerals on soil heavy metals content

圖8 不同黏土礦物對蠶豆植株重金屬含量的影響Figure 8 Effects of different clay minerals on heavy metal content in Vicia faba plants

圖9 不同黏土礦物對蠶豆植株重金屬累積量的影響Figure 9 Effects of different clay minerals on heavy metal accumulation in Vicia faba plants

不同黏土礦物對不同重金屬的吸附能力有差異，由于黏土礦物之間存在理化性質(zhì)的差異[34]，鈉基膨潤土[8]結(jié)構(gòu)中存在不穩(wěn)定的Na+，易與其他陽離子發(fā)生離子交換；硅藻土[10]自身帶負(fù)電荷且表面有大量不同種類的硅羥基光能團(tuán)；沸石[7]主要成分是四面體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋁硅酸鹽，多孔性具有極強(qiáng)的離子交換能力。本試驗(yàn)得出，對土壤中鉛、銅的吸附效果為，沸石>硅藻土>膨潤土；鈉基膨潤土對鎘的吸附作用最顯著。有學(xué)者研究膨潤土與硅藻土對重金屬污染底泥的穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，高濃度污染脅迫下硅藻土比膨潤土對銅抑制效果更顯著[35]?？岛暧畹妊芯筐ね恋V物對重金屬鈍化作用中發(fā)現(xiàn)，硅藻土對土壤中銅、鉛鈍化效果僅次于沸石[36]。因此針對不同重金屬污染土壤可選用不同黏土礦物進(jìn)行原位鈍化修復(fù)，但黏土礦物長期存留在土壤中對土壤有何影響或者發(fā)生何種變化還有待深入研究。

3.3 重金屬污染脅迫下黏土礦物對作物重金屬吸收的影響

土壤中重金屬隨著作物根系對養(yǎng)分的吸收遷移到體內(nèi)，對作物的新陳代謝、生長發(fā)育產(chǎn)生影響。降低重金屬的生物有效性是控制作物對重金屬吸收的關(guān)鍵性因素[37]。有學(xué)者研究表明施用海泡石顯著降低菠菜地上部、地下部鎘含量；蛭石顯著降低萵苣、菠菜體內(nèi)重金屬含量[38-41]。硅藻土、沸石等處理顯著降低玉米籽粒對鎘、鉛的吸收量和累積量，鎘含量降低高達(dá)89%、鉛含量降低46%[42]。本試驗(yàn)得出，重金屬脅迫下，施加黏土礦物不同程度降低蠶豆中鎘、鉛、銅和鋅的含量，其中鈉基膨潤土和沸石顯著降低蠶豆地上部有效態(tài)鎘含量，分別降低33.8%和63.4%。黏土礦物具有大量的活性官能團(tuán)，與活性低的重金屬能發(fā)生離子交換，將重金屬固定在土壤中，降低重金屬的生物有效性[43]。

4 結(jié)論

重金屬污染脅迫下施加黏土礦物能促進(jìn)蠶豆葉片光合作用，改變蠶豆對土壤養(yǎng)分（氮、磷、鉀）的吸收，提高生物量；降低重金屬在土壤中的有效態(tài)含量，減少蠶豆對重金屬的吸收；3種黏土礦物顯著抑制鉛和銅在土壤中的生物有效態(tài)，但對土壤有效態(tài)鋅沒有顯著影響；鈉基膨潤土對鎘的鈍化效果最顯著。因此針對不同重金屬污染土壤可施用不同種類的黏土礦物，為快速有效治理修復(fù)重金屬污染土壤提供理論依據(jù)。