氯化銨和茶皂素單獨(dú)與復(fù)合施用土壤中鎘賦存形態(tài)的差異

王茹 劉翔麟 周志強(qiáng) 李云云 陳炎輝 陳錦 王果

摘? 要：為探討氯化銨（NH4Cl）和茶皂素（tea saponin， TS）對鎘（Cd）賦存形態(tài)的影響，以礦區(qū)Cd污染農(nóng)田土壤為試驗(yàn)材料，采用室內(nèi)土壤培養(yǎng)方法，模擬不同劑量的無機(jī)氮肥NH4Cl和TS單施及復(fù)合施加對Cd污染農(nóng)田土壤理化性質(zhì)及Cd有效性的影響。結(jié)果表明：單獨(dú)施加NH4Cl和TS促進(jìn)了土壤中殘?jiān)鼞B(tài)Cd向弱酸提取態(tài)及可還原態(tài)Cd的轉(zhuǎn)化，提高了土壤中Cd的生物有效性，且高劑量（60?mg/kg）NH4Cl施加要優(yōu)于低劑量（20?mg/kg）NH4Cl;NH4Cl（40 mg/kg）和TS（4 mg/kg）復(fù)合施加同樣促進(jìn)了土壤中殘?jiān)鼞B(tài)Cd向弱酸提取態(tài)Cd的轉(zhuǎn)化，增加Cd的有效性，且增加效果等同于高劑量的NH4Cl和TS單獨(dú)施加。逐步回歸分析表明，pH和Cl是影響土壤中Cd有效性的2個關(guān)鍵因子。因此，在實(shí)際植物修復(fù)工作中可通過適當(dāng)?shù)霓r(nóng)藝措施提高土壤Cl降低土壤pH以增加植物對Cd的累積量。此外，低劑量的NH4Cl配施TS可顯著增加土壤中Cd的生物有效性，避免高施用量NH4Cl引起的土壤環(huán)境惡化。

關(guān)鍵詞：氯化銨;茶皂素;土壤;鎘形態(tài)

中圖分類號：X53????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： In order to investigate the effect of ammonium chloride （NH4Cl） and tea saponin （TS） on cadmium speciations in soil， the Cd-contaminated agricultural soils around mining areas were used as the experimental material. The effects of different doses of NH4Cl， TS and mixed application on the physical chemical properties of the Cd polluted agricultural soil and Cd availability were simulated. The chemical of cadmium speciations was transformed from residual fractions into acid extractable or oxidizable fractions by adding NH4Cl or TS singly. NH4Cl obviously improved available Cd in soil， and high （60 mg/kg） concentration of NH4Cl was better than low （20 mg/kg）. Moreover， the chemical cadmium speciations was transformed from residual fractions into acid extractable fractions and improved available Cd by adding the combination of NH4Cl （40 mg/kg） and TS （4 mg/kg）， and mixed application had the same effect with NH4Cl or TS. Stepwise regression analysis showed that pH and Cl were the two key factors affecting Cd availability in soil. In the actual phytoremediation work， in order to increase the Cd content of plants， we could take appropriate agronomic measures to increase Cl or decrease pH in soil. Low concentration NH4Cl and TS mixed application significantly would improve the Cd bioavailability and avoid soil environment destruction caused by high concentration NH4Cl application.

Keywords： ammonium chloride; tea saponin; soil; cadmium speciation

鎘（cadmium， Cd）是一種有毒重金屬元素。2014年環(huán)境保護(hù)部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示我國土壤Cd的超標(biāo)率為7.0%[1]。土壤中的Cd可被農(nóng)作物吸收并通過食物鏈進(jìn)入人體，極大的危害著人體健康[2]。對Cd污染土壤的主要修復(fù)方法是完全去除和鈍化土壤中重金屬。植物提取修復(fù)是一種環(huán)境友好，極具前景的土壤修復(fù)技術(shù)[3]。植物Cd的含量與土壤Cd的有效性密切相關(guān)。研究表明，植物蓄積Cd與土壤中交換態(tài)和酸溶態(tài)成正相關(guān)[4]。而土壤中的Cd主要以殘?jiān)鼞B(tài)或吸咐在土壤顆粒表面的形式存在，不易被植物吸收富集，這極大的限制了植物提取效率[5-6]。此外，有研究表明，土壤中可溶性鹽分的伴隨陰離子[7-8]（如Cl、SO42）以及可溶性有機(jī)碳[9]（TOC）因易與Cd絡(luò)合形成穩(wěn)定、可溶的復(fù)合物，可增加土壤Cd的有效性，因而常采用施肥、添加螯合劑等措施來提高土壤Cd的有效性進(jìn)而提高植物對Cd的吸收[10]。

氯化銨（NH4Cl）是一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的氮肥。Liu等[11]研究發(fā)現(xiàn)，施加NH4Cl可顯著提高銅、鉻和鎳等重金屬在土壤中的生物有效性。在土壤植物系統(tǒng)中施加NH4Cl也可促進(jìn)根際土壤Cd的溶出，且隨著NH4Cl施加量的增加對Cd的活化作用越顯著[12]。然而過量施用NH4Cl易引起土壤鹽漬化、酸化、阻礙植物生長以及降低土壤細(xì)菌豐度等[13]。此外，過量的氮肥使用也會引起水體的富營養(yǎng)化及地下水污染。

與CK相比，除N-20組外，單施NH4Cl土壤中DOC含量均顯著增加。N-40和N-60組在10、25、40 d分別增加了24.48%、35.61%、49.91%和37.50%、62.64%、99.43%。單施TS，整個過程中對土壤DOC含量并無顯著影響。與CK相比，NH4Cl和TS復(fù)合施加顯著增加了土壤DOC的含量，在10、25、40 d分別增加了19.91%、25.52%、56.11%。上述結(jié)果說明，單施NH4Cl可增加土壤DOC的含量，而單獨(dú)施加TS對土壤DOC并無影響，NH4Cl和TS復(fù)合添加可增加土壤中DOC的含量。

2.2? NH4Cl與TS單施和復(fù)施對土壤Cl和SO42的影響

NH4Cl與TS單施和復(fù)施對土壤Cl和SO42的影響如表3所示。與CK相比，單施NH4Cl，顯著增加土壤中Cl含量，且隨時間的變化，土壤中Cl含量逐漸降低。N-20、N-40和N-60在10～40 d降低幅度分別為57.86%、62.39%和57.07%。單施TS顯著降低土壤中Cl含量，T-2、T-4和T-6在10～40?d土壤Cl降低幅度分別為47.79%、50.91%和51.91%。NH4Cl與TS復(fù)合施加顯著增加了土壤中Cl的含量，在整個土壤模擬階段，土壤Cl含量逐漸降低。

與CK相比，單施NH4Cl土壤中SO42含量顯著降低。N-20、N-40、N-60在10、25和40 d SO42降低幅度分別為23.79%～36.38%、18.78%～28.52%和17.52%～24.86%。單施TS顯著降低土壤SO42（0～10 d）含量，T-2、T-4和T-6降低幅度分別為2.37%、8.71%和17.27%，而25～40 d，SO42含量與CK無顯著差異。此外，NH4Cl與TS復(fù)合施加（10～40?d）同樣降低了土壤中SO42含量，降低幅度為21.28%。上述結(jié)果表明，NH4Cl的施入帶入大量的Cl但同時也引起了SO42的降低，TS的施

2.3? NH4Cl和TS單施及復(fù)合施加對土壤中Cd形態(tài)的影響

NH4Cl和TS單施及復(fù)合施加對土壤中Cd形態(tài)的影響如圖1所示。由圖1可知，土壤中Cd的存在形態(tài)均為：弱酸提取態(tài)>殘?jiān)鼞B(tài)>可還原態(tài)>可氧化態(tài)。與CK相比，單施高劑量NH4Cl（>40?mg/kg）顯著增加了土壤中弱酸提取態(tài)Cd、可還原態(tài)Cd，降低了殘?jiān)鼞B(tài)Cd（圖1A）。其中N-20、N-40、N-60組弱酸提取態(tài)Cd增幅分別為4.16%、13.56%、14.74%。其說明高劑量NH4Cl（>40 mg/kg）可促進(jìn)土壤中Cd向弱酸提取態(tài)Cd的轉(zhuǎn)化。單施高劑量TS（>4 mg/kg）同樣增加了土壤中弱酸提取態(tài)Cd，降低可還原態(tài)Cd及殘?jiān)鼞B(tài)Cd，其中T-2、T-4、T-6組弱酸提取態(tài)Cd增幅分別為4.12%、14.50%、13.92%。其說明TS施加后促進(jìn)了土壤中Cd的生物有效性。NH4Cl和TS復(fù)合施加增加了土壤中弱酸提取態(tài)Cd（增幅為14.22%），降低了殘?jiān)鼞B(tài)Cd。與對照相比，25 d（圖1B）的NH4Cl和TS處理下，N-40、N-60、T-4、N+TS組弱酸提取態(tài)Cd顯著增加，增幅分別為7.28%、9.07%、9.93%、5.69%。40 d（圖1C），土壤中弱酸提取態(tài)Cd進(jìn)一步增加，其中N-60、T-6、N+TS組的弱酸提取態(tài)Cd占到土壤總Cd的61.56%、62.22%、68.56%。其說明NH4Cl和TS復(fù)合施加對Cd的活化效果等同于高劑量的NH4Cl（>40?mg/kg）和TS（>4?mg/kg）單施組。

不同小寫字母表示同一形態(tài)不同處理差異顯著（P<0.05）;F1、F2、F3、F4分別表示弱酸提取態(tài)鎘、可還原態(tài)鎘、可氧化態(tài)鎘、殘?jiān)鼞B(tài)鎘;A、B、C分別代表10、25、40 d土壤

不同形態(tài)Cd含量變化。

The different smallletters indicate significant difference at 0.05 level at the same fraction with different treatments; F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4 represent exchangeable and acid-soluble Cd， reducible Cd， oxidizable Cd， residual Cd; A， B， C represent the changes of different speciation of Cd content in soil at 10， 25 and 40 d.

2.4? NH4Cl與TS單獨(dú)及復(fù)合施加對CaCl2提取的Cd含量的影響

如圖2所示，處理10 d后，CK組0.01 mol/L CaCl2提取的有效Cd為0.374 mg/kg。與CK相比，NH4Cl單施顯著增加了土壤中有效Cd，增加率分別為10.70%（N-20）、13.37%（N-40）、28.88%（N-60）。TS單施同樣增加了土壤中Cd的有效量，增加率分別為5.51%（T-2）、2.37%（T-4）、9.65%（T-6）。NH4Cl與TS復(fù)和施加后土壤中Cd的有效量為0.518?mg/kg，增加了38.45%。處理25 d后，CK 0.01?mol/L CaCl2提取的有效Cd為0.418 mg/kg。與CK相比，單施NH4Cl增加土壤中有效Cd，增加率分別為2.07%（N-20）、11.63%（N-40）、30.01%（N-60）。單施TS同樣增加了土壤中Cd的有效量，增加率分別為0.77%（T-2）、5.51%（T-4）、9.51%（T-6）。NH4Cl與TS復(fù)施后土壤中Cd的有效量為0.490?mg/kg，增加了17.29%。處理40 d，CK 0.01?mol/L CaCl2提取的有效Cd為0.637 mg/kg。與CK相比，單施NH4Cl顯著增加土壤有效Cd，增加率分別為8.07%（N-20）、9.81%（N-40）、14.61%（N-60）。TS單施同樣增加了土壤中Cd的有效量，增加率分別為3.13%（T-2）、9.10%（T-4）、6.78%（T-6）。NH4Cl與TS復(fù)施后土壤中Cd的有效量為0.690?mg/kg，增加率為8.42%。以上結(jié)果表明，隨著時間的變化，土壤有效Cd含量隨之增加。高劑量NH4Cl（>40?mg/kg）和高劑量TS（>4?mg/kg）可顯著增加Cd的有效性。NH4Cl和TS復(fù)合施加對土壤有效Cd含量的增加效果等同于高劑量NH4Cl和TS。

不同小寫字母表示同一時間不同處理差異顯著（P<0.05）。

Different smallletters indicate significant difference at 0.05 level in different treatments.

2.5? 土壤理化性質(zhì)與不同形態(tài)Cd之間的相關(guān)性

將土壤pH、DOC、Cl、SO42與土壤有效Cd和各形態(tài)之間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果如表4所示，有效Cd與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Cl呈顯著正相關(guān)，與SO42、DOC呈顯著負(fù)相關(guān);弱酸提取態(tài)Cd、可還原態(tài)Cd與pH呈極顯著負(fù)

3? 討論

3.1? NH4Cl對土壤Cd形態(tài)及有效性的影響

本研究結(jié)果顯示，施加NH4Cl后促進(jìn)了土壤中殘?jiān)鼞B(tài)Cd向弱酸提取態(tài)Cd的轉(zhuǎn)化，增加土壤中有效Cd的含量，這與早期的研究結(jié)果一致[24-26]。首先NH4Cl作為一種酸性肥料，施加NH4Cl的濃度為43 mg/kg的時候，土壤pH可降低0.72個單位。低的pH能促進(jìn)土壤中金屬有機(jī)螯合物的溶解釋放可溶性有機(jī)質(zhì)（DOC），并釋放部分Cd2+[27]。本研究結(jié)果顯示，與CK相比，施加NH4Cl后土壤中DOC含量均顯著增加。這是因?yàn)镹H4Cl施入土壤后降低土壤pH，引起DOC含量的增加，這也間接說明NH4Cl的施入會增加土壤中Cd的有效性。其次，NH4Cl施加也顯著增加了土壤中的Cl，Cl可與Cd2+形成CdCl20、CdCl+等可溶性的復(fù)合物，從而促進(jìn)Cd從土壤顆粒表面的解析，增加土壤有效Cd的含量[8]。此外，有研究表明土壤中的SO42與Cd2+通過形成可溶性的CdSO4，增加Cd的有效性[28]。但本研究結(jié)果顯示，NH4Cl施加降低了SO42的含量。相關(guān)性結(jié)果顯示，土壤有效Cd與Cl、SO42、DOC均呈顯著相關(guān)性（R2=0.939，P<0.01;R2=0.476，R2=0.464，P<0.05）。進(jìn)一步將pH、SO42、Cl、DOC等因素進(jìn)行逐步回歸分析，探究其因素對土壤有效Cd含量的影響，得到如下回歸模型[Cd]=0.349+0.01×[Cl]，R2=0.954

通過以上模型可以發(fā)現(xiàn)，施加NH4Cl，Cl是引起土壤有效Cd含量變化的主要因素，且土壤有效Cd含量隨Cl的增加而增加。以上結(jié)果提示，在采用植物提取修復(fù)改善Cd污染土壤時，可適當(dāng)添加無機(jī)肥料NH4Cl作為強(qiáng)化劑，提高植物對Cd的吸收。

3.2? TS對土壤Cd形態(tài)及有效性的影響

本研究結(jié)果表明，施加高濃度的TS（>4?mg/kg）顯著促進(jìn)了可還原態(tài)Cd向弱酸提取態(tài)Cd的轉(zhuǎn)化（圖1A，圖1C），從而增加了土壤中有效Cd的含量，這與陳志良等[28-29]的研究結(jié)果一致。首先，TS同時具有親水和疏水基團(tuán)，可改變土壤固液相之間的表面張力，使土壤中的Cd更容易解析。其次，TS分子中的羧基與Cd2+形成可溶性絡(luò)合物，降低土壤溶液中Cd2+濃度，促進(jìn)土壤表面Cd的解吸[30]。有研究表明，土壤溶液中離子強(qiáng)度的降低會通過溶劑化作用增加TS的有效濃度，TS中的羧基在pH 3～5條件下易發(fā)生解離，解離后的羧基可以通過與重金屬離子（Pb2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+）絡(luò)合[30]，進(jìn)而促進(jìn)它們在土壤中的移動。本研究中，單獨(dú)施加TS對土壤pH沒有顯著影響，土壤pH≈5。而TS和NH4Cl復(fù)合施加后，引起了土壤pH的降低。因此，TS與NH4Cl復(fù)合施加可更顯著促進(jìn)TS中羧基的解離，增加TS與Cd2+的絡(luò)合，從而增加土壤Cd的有效量，尤其是培養(yǎng)初期。采用逐步回歸方法，進(jìn)一步分析pH、SO42、Cl和DOC共4個因素對土壤有效Cd含量的影響，得到如下回歸模型：[Cd]=0.408+0.014[Cl]0.171[pH]，R2=0.993

以上回歸模型說明，施加TS后，土壤pH、Cl-是引起土壤有效Cd含量變化的主要因子。相對于單獨(dú)施加TS，TS和NH4Cl復(fù)合施加可以通過增加土壤中Cl、降低pH來增加有效Cd的含量。因此，低劑量NH4Cl（<40 mg/kg）配施適量的TS不僅可獲得與高劑量NH4Cl和TS單獨(dú)施加在促進(jìn)Cd溶出方面相同的效果，更重要的是兩者混合施加可顯著降低大量NH4Cl的施用引起的土壤環(huán)境惡化。

4? 結(jié)論

（1）NH4Cl和TS單獨(dú)施加均提高了土壤中有效Cd的含量，兩者復(fù)合施加也提高了土壤中Cd的有效量，尤其是培養(yǎng)初期（0～10?d）。土壤中有效鎘含量與Cl的含量成顯著正相關(guān)，和土壤pH成顯著負(fù)相關(guān)。

（2）NH4Cl和TS單獨(dú)或者復(fù)合施加均增加了土壤中弱酸吸附態(tài)Cd的含量。

（3）NH4Cl（40?mg/kg）和TS（4?mg/kg）復(fù)施對Cd的活化效果等同于NH4Cl（60 mg/kg）單施。因此，將NH4Cl和TS復(fù)合施加可通過低劑量NH4Cl（<40 mg/kg）的肥料用量實(shí)現(xiàn)高的植物重金屬提取量。

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