凹凸棒復(fù)合土壤調(diào)理劑對(duì)苦蕎產(chǎn)量及重金屬吸收量的影響

陳 馨，藺海明，劉 恬，湯 超，王玉鵬，杜 松，魏公河

（1.甘肅西部凹凸棒石應(yīng)用研究院，甘肅 白銀 730900；2.甘肅省凹凸棒石工程技術(shù)研究中心，甘肅 白銀 730900；3.北京化工大學(xué)化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市100029；4.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000，5.甘肅萃華生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司，甘肅 白銀 730900；6.甘肅省凹凸棒石礦產(chǎn)資源綜合利用工程研究中心，甘肅 白銀 730900；7.山東萬(wàn)新威納材料科技有限公司，山東 臨沂 276000）

20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初，白銀市東大溝重金屬污染廢水的排放嚴(yán)重影響了兩岸農(nóng)民的正常生產(chǎn)和生活，污水灌溉導(dǎo)致部分耕地成為重金屬污染的重災(zāi)區(qū)。重金屬元素不能進(jìn)一步降解，并且可以通過(guò)植物、微生物等生物體吸收進(jìn)入食物鏈，長(zhǎng)期積聚將危及人體健康［1］，尋求合適的、有效的、環(huán)保的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)已刻不容緩。凹凸棒石（Attapulgite）是一種富含鎂鋁的黏土礦物，本身具有良好的吸附性和離子交換性［2-3］。凹凸棒石晶體直徑一般為幾十納米，長(zhǎng)度短數(shù)百納米，長(zhǎng)約幾微米。理論化學(xué)式為Mg5Si8O20（OH）2（OH2）4·4H2O，富含金屬陽(yáng)離子（如Si、Al、Mg等），有較大的離子交換容量，可以與土壤中的重金屬離子發(fā)生交換；且單晶體內(nèi)部為蜂窩狀內(nèi)孔道，單晶纖維以平行排列的形式存在，并且單晶纖維之間存在很多空隙，可以有效吸附重金屬離子［4］。使用凹凸棒石復(fù)合土壤修復(fù)調(diào)理劑可以有效修復(fù)重金屬污染農(nóng)田土壤，調(diào)理土壤，增加土壤生物量，有助于作物增產(chǎn)。我們以白銀區(qū)四龍鎮(zhèn)雙合村重金屬污染農(nóng)田種植的苦蕎麥為指示作物，采用凹凸棒石和土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01為試驗(yàn)材料，對(duì)指示作物苦蕎的產(chǎn)量及根、莖和籽粒中重金屬吸收量進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01，由江蘇隆昌化工有限公司/北京化工大學(xué)提供；改性凹凸棒石粉（PAL），由甘肅萃華生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司提供。指示作物為苦蕎麥。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于白銀區(qū)四龍鎮(zhèn)雙合村，地勢(shì)平坦，灌溉渠系配套，西側(cè)為東大溝。東大溝地區(qū)作為白銀市的主要工業(yè)區(qū)之一，流域內(nèi)分布著以資源開(kāi)發(fā)、加工為主的有色金屬、化工行業(yè)企業(yè)，流域周邊企業(yè)排放的廢水和廢渣中含有大量重金屬。重金屬具有高度遷移性，長(zhǎng)期堆置不僅造成大量有價(jià)金屬流失，而且對(duì)土壤、地下水等周邊生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在污染威脅［5］。因此選擇東大溝的農(nóng)田作為試驗(yàn)地具有很強(qiáng)的代表性。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因子隨機(jī)排列，共設(shè)置4個(gè)處理。處理1為施土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01 3 000 kg/hm2，處理2為施土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L013000kg/hm2＋凹凸棒石 1 500 kg/hm2，處理3為施凹凸棒石3 000 kg/hm2，處理4（CK）為不施土壤調(diào)理劑。3次重復(fù)。小區(qū)面積為17.5 m2（3.5 m×5.0 m），小區(qū)間設(shè)0.5 m的隔離帶。試驗(yàn)于2019年7月24日條播，行距20 cm，播種量128.6 kg/hm2，播種深度5 cm，種植前底肥為史丹利復(fù)合肥（NP2O5-K2O 為 18-18-18）750 kg/hm2。其他田間管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?0月12日收獲，在苦蕎收獲前，挑選完整的苦蕎植株分根、莖、籽粒進(jìn)行重金屬含量檢測(cè)，每個(gè)小區(qū)取1 m2苦蕎植株測(cè)產(chǎn)。分別于2019年8月20日、9月17日、10月12日在每個(gè)小區(qū)中間位置取土，混合取得土樣后采用四分法減量并標(biāo)記。重金屬吸收量由北京化工大學(xué)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量

通過(guò)表1可以看出，增施土壤調(diào)理劑的各處理均能提高苦蕎產(chǎn)量。其中以處理2產(chǎn)量最高，為1 491.4 kg/hm2，較處理4（CK）增產(chǎn)400.0kg/hm2，增產(chǎn)率36.65%；其次是處理3，為 1 211.4 kg/hm2，較處理 4（CK）增產(chǎn)120.0 kg/hm2，增產(chǎn)率 11.00%；處理 1為1 142.9 kg/hm2，較處理4（CK）增產(chǎn)4.72%。對(duì)苦蕎產(chǎn)量進(jìn)行方差分析表明，處理2與其余各處理差異極顯著；處理3與處理1差異不顯著，與處理4（CK）差異顯著；處理1與處理4（CK）差異不顯著。進(jìn)一步分析認(rèn)為，處理2能顯著提高苦蕎的產(chǎn)量，其主要原因是凹凸棒石本身含有植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，發(fā)揮了調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分供給能力；處理1、處理3均可增加苦蕎產(chǎn)量，但處理3增產(chǎn)的幅度較處理1高6.28百分點(diǎn)，充分印證了凹凸棒石的增產(chǎn)作用。施用土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01能增加產(chǎn)量，原因可能是對(duì)土壤中重金屬起到鈍化作用，降低了苦蕎對(duì)重金屬的吸收量，繼而達(dá)到增產(chǎn)的效果。

2.2 苦蕎莖重金屬吸收量

從表2可以看出，苦蕎莖中的Cu含量以處理1最少，為6.09 mg/kg，較CK減少23.20%；其次是處理3，為6.97 mg/kg，較CK減少12.10%；Cu含量處理1低于處理3，說(shuō)明處理1對(duì)土壤中Cu離子有較好的鈍化效應(yīng)。Zn含量處理1、處理3、處理2分別較處理4（CK）降低28.40%、13.26%、4.13%。Cd含量處理1、處理2、處理3較處理4（CK）分別降低48.27%、36.22%和33.15%，均表現(xiàn)出較理想的效果，可望成為治理土壤Cd污染的有效材料。Pb含量變化趨勢(shì)與Cu相似，處理1、處理3較處理4（CK）分別降低23.36%、6.15%，處理2的Pb含量不降反升。由此可得，處理1可顯著降低苦蕎莖中各種重金屬離子的吸收量，各處理對(duì)Cd離子吸收量的影響均超過(guò)30%。

2.3 苦蕎根重金屬含量

從表3可以看出，處理1苦蕎根中的Cu、Pb含量分別較處理4（CK）增加5.13%、11.35%，而Zn、Cd含量分別較T4（CK）減少8.88%、5.36%。處理3苦蕎根中的Cu、Zn、Cd、Pb含量均較處理4（CK）減少，分別減少21.91%、5.42%、10.61%、1.51%，其中Cu最敏感，Cd次之。處理2促進(jìn)了苦蕎根對(duì)各種重金屬的吸收，但根系是栽培作物的非食用部分，積累在根系中的重金屬在收獲時(shí)會(huì)被帶出土壤，反而有利于修復(fù)污染土壤。

2.4 苦蕎籽粒中重的金屬含量

從表4可以看出，處理1、處理2與處理4（CK）相比，苦蕎籽粒中Cu的含量分別降低12.77%、24.02%，Zn含量分別降低24.50%、14.33%，Cd含量分別降低45.56%、26.39%，Pb含量分別增加15.96%、16.22%。處理2與處理4（CK）比較，苦蕎籽粒中的Zn、Cd、Pb含量分別降低20.78%、57.89%、48.66%，而Cu增加了98.89%，各處理對(duì)Cd均有較為理想的降低效果。從植物學(xué)的角度進(jìn)一步分析，土壤被重金屬污染后，離子態(tài)的重金屬首先會(huì)被根系吸收，然后傳導(dǎo)給莖葉，最后輸導(dǎo)到籽粒，積聚在籽粒中重金屬量應(yīng)比莖葉和根中的少，本試驗(yàn)的結(jié)果印證了這一觀點(diǎn)。

表2 不同處理苦蕎莖中重金屬的含量

表3 苦蕎根中重金屬的含量

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)表明，無(wú)論土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01單施、凹凸棒石單施，還是土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01和凹凸棒石復(fù)合施用均有提高苦蕎產(chǎn)量的效果。其中凹凸棒石粉（3 000 kg/hm2）＋土壤修復(fù)調(diào)理劑 LC-L01（1 500 kg/hm2）復(fù)合施用時(shí)苦蕎產(chǎn)量較不施添加劑提高36.65%；施土壤修復(fù)調(diào)理劑 LC-L01（3 000 kg/hm2）、凹凸棒石（3 000 kg/hm2）分別較不施添加劑增產(chǎn)11.00%、4.72%。凹凸棒石＋土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01復(fù)合施用時(shí)可有效減少苦蕎籽粒中重金屬離子Zn、Cd、Pb的吸收量，分別較不施添加劑降低20.78%、57.89%、48.66%；單施土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01可顯著降低苦蕎莖中重金屬離子的吸收量，Cu、Zn、Cd、Pb的吸收量較不施添加劑分別降低23.20%、28.40%、48.27%、23.36%。凹凸棒石復(fù)合土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01可顯著降低苦蕎籽粒中的重金屬含量。這是由于凹凸棒石本身含有植物所需的多種微量元素，可有效補(bǔ)充作物生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求，這與前人凹凸棒石可保持并調(diào)節(jié)土壤肥力進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)的結(jié)論一致［6］。可見(jiàn)，凹凸棒石與土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01可促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。

凹凸棒石在重金屬污染土壤修復(fù)中能夠有效地降低重金屬的生物有效性和遷移性，最終阻礙重金屬轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)。但天然凹凸棒石吸附重金屬污染物的選擇性及其產(chǎn)物的穩(wěn)定性均不夠強(qiáng)［7］，而凹凸棒石復(fù)合土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01，通過(guò)其結(jié)構(gòu)與功能調(diào)節(jié)，可用于選擇性吸附鈍化土壤中的重金屬離子，長(zhǎng)效性和穩(wěn)定性非常高，大大減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)。土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01的結(jié)構(gòu)中含有高活性的堿性中心，對(duì)土壤重金屬污染物有極強(qiáng)的吸附鈍化作用，通過(guò)表面礦化固定后的重金屬很難再被釋放到土壤中，從而保證作物不再大量吸收有害的重金屬離子。

凹凸棒石復(fù)合土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01對(duì)減少苦蕎根中重金屬吸收量的效果不是很理想，這需要進(jìn)一步研究。本研究主要檢測(cè)了Cu、Zn、Cd和Pb重金屬離子，而未對(duì)其他重金屬離子以及其他復(fù)合重金屬離子進(jìn)行研究，尚需要進(jìn)一步拓展研究。重金屬離子鈍化過(guò)程的影響條件、凹凸棒石與土壤修復(fù)調(diào)理劑LC-L01更佳配比等仍需進(jìn)一步探究，以接近實(shí)際應(yīng)用。