活化磷礦粉對土壤鎘形態(tài)轉(zhuǎn)化和辣椒鎘吸收的影響

柴冠群，楊嬌嬌，王 麗，劉桂華，羅沐欣鍵，秦 松，范成五

（貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006）

由于前期工業(yè)粗放式發(fā)展，鋼鐵廠、化工廠、電鍍廠等企業(yè)產(chǎn)生的重金屬造成土壤重金屬污染[1]，我國耕地受重金屬污染問題嚴峻，其中以鎘（Cd）超標(biāo)為主[2]。Cd是一種對人體無任何生物學(xué)功能的高毒性元素，其通過食物鏈進入人體后會影響人體對鈣的吸收，導(dǎo)致骨痛病發(fā)生[3]。辣椒作為一種常用調(diào)味品，在我國尤其西南地區(qū)受到民眾的廣泛喜愛。西南地區(qū)是我國辣椒主產(chǎn)區(qū)，其中，2020 年貴州辣椒栽培面積為3.7×105hm2[4]。貴州屬于高Cd地球化學(xué)異常區(qū)，其耕地土壤總Cd 平均含量為0.659 mg/kg，遠高于我國耕地土壤Cd 平均含量（0.27 mg/kg）[5]。有報道顯示辣椒屬于Cd高富集作物[4，6‐7]，在高Cd 耕地上種植辣椒勢必增加其超標(biāo)風(fēng)險。因此，亟需在耕地資源緊缺的貴州開發(fā)“邊生產(chǎn)、邊修復(fù)”的辣椒Cd安全生產(chǎn)技術(shù)研究。

原位鈍化技術(shù)是一種具有見效快、操作簡單、修復(fù)成本低等優(yōu)點的污染土壤修復(fù)措施[8‐9]，其通過向污染土壤中添加外源鈍化材料（例如石灰性材料、有機質(zhì)材料、黏土礦物、含磷礦物等），調(diào)節(jié)和改變重金屬在土壤中的物理化學(xué)性質(zhì)，使其產(chǎn)生沉淀、吸附等一系列反應(yīng)，改變化學(xué)形態(tài)，從而有效降低其遷移性、毒性及生物有效性[1，8‐10]。磷酸鹽是常見的重金屬鈍化材料，可通過調(diào)控土壤pH 值、有效磷含量等降低土壤Cd 活性，從而降低植物對Cd 的吸收[1，10‐12]。我國磷礦儲量豐富，居世界第二，其中中低品位磷礦（P2O5<18%）占比90%以上[13]，加強含磷物質(zhì)修復(fù)土壤重金屬污染的研究，對充分利用我國中低品位磷礦資源以及有效治理我國重金屬污染具有重要意義。

中低品位磷礦粉作為重金屬鈍化材料，需要添加活化劑對其進行改性，目前主要依靠解磷微生物或小分子有機酸作用于磷礦粉，釋放其鈣離子與磷酸根，從而通過吸附或沉淀等作用降低重金屬活性[14‐17]。這些報道多是圍繞酸性污染土壤修復(fù)或提高有效磷活性開展研究，鮮有中堿性污染土壤修復(fù)的相關(guān)報道。因此，擬通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗和盆栽試驗研究不同小分子有機酸活化磷礦粉對Cd 污染石灰土的鈍化效果及對辣椒Cd吸收的影響，以期為貴州辣椒安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試磷礦粉：由貴州磷化集團提供，在105 ℃條件下烘至恒質(zhì)量，研磨過0.15 mm 尼龍篩備用，其P2O5含量為15.8%，總Cd含量為0.035 mg/kg。

供試土壤：采集貴州普定縣某地耕作層土壤，過5 mm 篩自然風(fēng)干備用，基本理化性質(zhì)見表1。依據(jù)《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準（試行）》（GB 15618—2018）[18]劃分標(biāo)準，該土壤屬Cd 安全利用類。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

供試作物：辣椒（Capsicum annuumL.）品種為青紅元帥，其為貴州主栽的指形朝天椒之一，購自貴州科奧農(nóng)資銷售有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 磷礦粉活化 草酸活化磷礦粉（CPR）：配制0.5 mol/L 草酸溶液，磷礦粉∶草酸溶液為1∶10，攪拌均勻，反應(yīng)6 d 之后，將浸泡后的磷礦粉用蒸餾水洗至中性，收集固體物質(zhì)[15]。

檸檬酸活化磷礦粉（NPR）：配制0.5 mol/L 檸檬酸溶液，磷礦粉∶檸檬酸溶液為1∶10，攪拌均勻，反應(yīng)6 d 之后，將浸泡后的磷礦粉用蒸餾水洗至中性，收集固體物質(zhì)[15]。

1.2.2 土壤室內(nèi)培養(yǎng)試驗 稱取200 g 供試土壤于塑料杯（直徑80 mm×高100 mm）中，選取磷礦粉及活化磷礦粉作為供試材料，開展室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗。如表2所示，共設(shè)4個處理，每個處理重復(fù)3次，在塑料杯中添加一定質(zhì)量的磷礦粉或活化磷礦粉（磷礦粉與土壤質(zhì)量比為0.5%）與土壤混合均勻，采用稱質(zhì)量法控制其含水量為田間持水量的60%，在（25±5）℃的條件下恒溫培養(yǎng)90 d。對照（CK）不施磷礦粉。分別在培養(yǎng)15、30、60、90 d 時取樣，將其風(fēng)干，過2 mm篩，備用。

表2 不同處理鈍化材料類型及施用量Tab.2 Different treatment passivation material types and application dosages

1.2.3 辣椒盆栽試驗 盆栽試驗于2020 年2—10月在貴州省土壤肥料研究所溫室大棚開展，試驗處理與土壤室內(nèi)培養(yǎng)試驗相同，每盆裝入過5 mm 篩充分混勻的風(fēng)干土5 kg，每盆施肥量為N 0.2 g/kg、P2O50.15 g/kg、K2O 0.2 g/kg，分別以分析純尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鉀形式加入，鈍化材料與肥料在移栽前一次性施入土壤，并與其混合均勻。試驗盆缽為PVC 材質(zhì)（直徑30 cm×高25 cm）。于2月20日開始育苗，辣椒種子用1% NaClO 浸泡表面消毒30 min，撒播于裝有基質(zhì)的托盤中，在溫室內(nèi)漂浮育苗50 d，于4 月10 日選取五葉一心、長勢良好、大小一致的辣椒幼苗進行移栽，每盆移栽1株，用去離子水澆灌，保持土壤田間持水量的60%。

1.3 樣品采集與處理

辣椒樣品：辣椒果實樣品共4次完成采集，其出現(xiàn)轉(zhuǎn)紅后便統(tǒng)一采集。最后一次采集果實的同時采集辣椒根、莖與葉，各部位樣品用去離子水清洗干凈，吸水紙擦干。辣椒果實鮮樣在冷凍干燥機中冷凍干燥備用，其余部位置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中，105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干至恒質(zhì)量。稱量辣椒果實鮮質(zhì)量及各部位干質(zhì)量。用三維震擊式球磨儀將辣椒各部位粉碎，保存?zhèn)溆谩?/p>

土壤樣品：采集不同培養(yǎng)時間的土壤樣品與辣椒最后一次收獲時的盆栽土樣，于室內(nèi)自然風(fēng)干，用研缽研磨，過2 mm、0.15 mm 尼龍篩裝入自封袋中保存，分別用于土壤pH值、Cd含量測定。

1.4 測試項目和方法

土壤pH 值測定：采用電位法測定，土水比為1∶2.5[19]。

土壤Cd含量測定：土壤有效Cd含量采用DTPA浸提法浸提[20]。土壤中Cd 形態(tài)分級參照歐共體標(biāo)準測量與檢測局BCR 法，將土壤Cd 分為弱酸提取態(tài)Cd（Acid extractable fraction，F(xiàn)1）、可還原態(tài)Cd（Easily reducible fraction，F(xiàn)2）、可 氧 化 態(tài)Cd（Oxidizable fraction，F(xiàn)3）與 殘 渣 態(tài)Cd（Residual fraction，F(xiàn)4），其中F1 與F2 為易被作物吸收利用的活性態(tài)Cd，F(xiàn)3 與F4 為不易被作物吸收利用的惰性態(tài)Cd[21]。土壤Cd 含量均采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀（Elan 9000 型，美國珀金埃爾默股份有限公司）測定，全程做空白試驗。

辣椒樣品中Cd 含量測定：用HNO3-HClO4（體積比4∶1）消解，稀HCl定容[22]，電感耦合等離子質(zhì)譜儀（Elan 9000 型，美國珀金埃爾默股份有限公司）測定，用大米GBW（E）100348 進行質(zhì)控，回收率為96.8%～100.9%，全程做空白試驗。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 軟件計算處理，運用IBM SPSS 20 Statistics 軟件統(tǒng)計分析，應(yīng)用Sigmaplot 14.0 軟件作圖。差異顯著性分析采用Duncan’s法；相關(guān)性分析采用Pearson雙側(cè)檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 活化磷礦粉對辣椒生物量的影響

不同處理辣椒生物量如表3 所示，與CK 相比，施用磷礦粉、活化磷礦粉均顯著增加辣椒果實干質(zhì)量，增幅為13.99%～41.79%，其中NPR-0.5%處理增幅最大。NPR-0.5%處理辣椒葉、莖與根干質(zhì)量顯著高于其他處理，與CK 處理相比，其葉、莖與根干質(zhì)量增幅分別為29.96%、38.29%、73.52%。綜上，NPR-0.5%處理能夠顯著促進辣椒生物量增加，生物量增幅最大。

表3 不同處理辣椒生物量Tab.3 Biomass of pepper under different treatments

2.2 活化磷礦粉對土壤Cd形態(tài)的影響

2.2.1 活化磷礦粉對土壤有效Cd 含量的影響不同時期各處理對土壤有效Cd含量的影響如圖1A所示，隨培養(yǎng)時間的延長，土壤有效Cd 含量明顯降低。與培養(yǎng)0 d 相比，培養(yǎng)90 d 后，CK、PR-0.5%、CPR-0.5%、NPR-0.5%處理土壤有效Cd 降幅分別為26.67%、26.67%、31.11%、35.56%。由圖1B可知，培養(yǎng)90 d 后，CPR-0.5%與NPR-0.5%處理有效Cd含量均顯著低于CK與PR-0.5%處理，NPR-0.5%處理有效Cd 含量最低。綜上，施用草酸、檸檬酸活化磷礦粉均能夠加速鈍化土壤Cd 活性，以NPR-0.5%處理鈍化效果最強。

圖1 不同處理對不同培養(yǎng)時期土壤有效Cd含量的影響Fig.1 Effect of different treatments on available cadmium content in soil at different culture time

2.2.2 活化磷礦粉對土壤Cd 形態(tài)的影響 盆栽試驗辣椒收獲后，不同處理對土壤Cd形態(tài)的影響如圖2A 所示，與CK 相比，施用磷礦粉、活化磷礦粉處理土壤弱酸提取態(tài)Cd（F1）含量、可還原態(tài)Cd（F2）含量均顯著降低，可氧化態(tài)Cd（F3）含量、殘渣態(tài)Cd（F4）含量均顯著增加。不同處理中，NPR-0.5%處理弱酸提取態(tài)Cd（F1）含量與可還原態(tài)Cd（F2）含量均最低，可氧化態(tài)Cd（F3）含量與殘渣態(tài)Cd（F4）含量均最高。不同處理土壤Cd 形態(tài)分布特征如圖2B所示，與CK 相比，施用磷礦粉、活化磷礦粉處理土壤活性態(tài)Cd（F1+F2）含量占比降低，惰性態(tài)Cd（F3+F4）含量占比增加，其中NPR-0.5%處理活性態(tài)Cd占比為46.22%，與CK 相比，降低了16.45個百分點。這與2.2.1中施用草酸、檸檬酸活化磷礦粉均能夠加速鈍化土壤Cd 活性，NPR-0.5%處理鈍化效果最強的結(jié)果相一致。綜上，施用磷礦粉、活化磷礦粉處理可促進土壤Cd 向惰性態(tài)轉(zhuǎn)化，其中NPR-0.5%處理土壤活性態(tài)Cd含量最低。

圖2 不同處理對土壤Cd形態(tài)及Cd形態(tài)分布的影響Fig.2 Effect of different treatments on content of different Cd fraction and Cd fraction distribution

2.3 活化磷礦粉對辣椒果實Cd含量的影響

不同處理辣椒果實Cd 含量如圖3 所示，CK 處理辣椒果實Cd 含量為0.057 mg/kg，超過《食品安全國家標(biāo)準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中Cd 限值（0.05 mg/kg）[23]14.0%，施用磷礦粉、活化磷礦粉處理辣椒果實Cd含量均滿足安全生產(chǎn)，且顯著低于CK 處理，降幅為14.04%～31.58%，NPR-0.5%處理辣椒果實Cd含量降幅最大。

圖3 不同處理辣椒果實Cd含量差異（鮮質(zhì)量）Fig.3 Difference in cadmium content of pepper fruits under different treatments（fresh weight）

2.4 土壤中不同形態(tài)Cd與辣椒Cd含量的相關(guān)性分析

辣椒果實Cd含量與土壤中不同形態(tài)Cd含量的相關(guān)性如表4 所示，辣椒果實Cd 含量與土壤弱酸提取態(tài)Cd（F1）含量、可還原態(tài)Cd（F2）含量及有效Cd含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，而與土壤可氧化態(tài)Cd（F3）含量及殘渣態(tài)Cd（F4）含量相關(guān)性不顯著，說明降低土壤活性態(tài)Cd（F1+F2）含量能夠顯著降低辣椒果實Cd含量。

表4 土壤各形態(tài)Cd含量與辣椒Cd含量之間的相關(guān)性Tab.4 Correlation between cadmium fractions in soil and cadmium content in pepper fruit

3 結(jié)論與討論

磷礦粉含有作物生長所需的磷素，施用磷礦粉能夠促進作物生長。本研究中，與CK 相比，施用磷礦粉、活化磷礦粉處理辣椒果實干質(zhì)量顯著增加，增幅為13.99%～41.79%；施用活化磷礦粉能夠顯著促進辣椒生物量增加，其中NPR-0.5%處理辣椒生物量增幅最大。普通磷礦粉中有效磷含量較低，通過小分子有機酸活化磷礦粉，能夠使其釋放出Ca2+、PO43-等離子促進辣椒生長[15‐16]。張青等[24]的研究結(jié)果表明，施用磷礦粉可促進水稻稻谷產(chǎn)量增加9.70%～26.60%。

作物吸收土壤重金屬不僅與土壤重金屬總量有關(guān)，還與重金屬在土壤中的存在形態(tài)密切相關(guān)[25‐28]。重金屬在土壤中存在形態(tài)與占比直接影響其在土壤中的生物有效性與遷移能力，土壤弱酸提取態(tài)Cd 是植物容易吸收的形態(tài)，土壤可還原態(tài)Cd為潛在可利用態(tài)，可氧化態(tài)Cd 與殘渣態(tài)Cd 有效性較低，幾乎不能被植物吸收利用[21]。本研究中，與CK 相比，施用磷礦粉處理土壤弱酸提取態(tài)Cd、可還原態(tài)Cd 均顯著降低，可氧化態(tài)Cd、殘渣態(tài)Cd 均顯著增加，其中NPR-0.5%處理效果最顯著，與CK 相比，其活性態(tài)Cd 占比降低了16.45 個百分點。前人證實，磷礦粉主要礦物成分有氟磷灰石[Ca10（PO4）6F2]、氯磷灰石[Ca10（PO4）6Cl2]與羥基磷灰石[Ca10（PO4）6（OH）2]，因富含鈣離子與磷酸根，能夠通過Ca 與Cd 的離子交換，將Cd 吸附固定在礦物表面，或者磷酸根與Cd 形成難容沉淀，是一種營養(yǎng)高效型鈍化材料[1，10，24,29]，這可能是施用磷礦粉促進活性態(tài)Cd 向惰性態(tài)Cd 轉(zhuǎn)化的原因。本研究中，相關(guān)性分析也表明，辣椒果實Cd 含量與弱酸提取態(tài)Cd含量、可還原態(tài)Cd 含量及有效Cd 含量呈顯著或極顯著正相關(guān)。此外，與CK 相比，施用磷礦粉能夠顯著降低辣椒果實Cd 含量，實現(xiàn)辣椒Cd 安全生產(chǎn)，NPR-0.5%處理辣椒果實Cd 含量降幅最大。綜上，本研究中，NPR-0.5%處理促進土壤Cd 形態(tài)轉(zhuǎn)化、抑制辣椒Cd吸收效果最佳。

綜上，施用磷礦粉、活化磷礦粉處理辣椒果實干質(zhì)量較CK增幅為13.99%～41.79%，其中NPR-0.5%處理辣椒果實增幅最大。施用草酸、檸檬酸活化磷礦粉均能夠加速鈍化土壤Cd 活性，NPR-0.5%處理鈍化效果最強，其培養(yǎng)90 d 后有效Cd 降幅達35.56%。與CK 相比，施用磷礦粉、活化磷礦粉處理可促進土壤活性態(tài)Cd向惰性態(tài)轉(zhuǎn)化，從而降低辣椒果實Cd含量，NPR-0.5%處理降幅最大（31.58%）。