韋小了,牟 力,付天嶺,李相楹,張 弛,何騰兵,

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025;3.貴州大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴州 貴陽(yáng) 550025; 4.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

土壤重金屬污染已經(jīng)成為我國(guó)面積最廣、危害最大的環(huán)境問題之一[1]。宋偉等[2]對(duì)近20 a來土壤重金屬污染研究的總結(jié)顯示，我國(guó)城市、城郊和農(nóng)村均存在不同程度的農(nóng)田重金屬污染問題，涉及全國(guó)83.9%省份和22.5%的地級(jí)市。2014年原環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)》[3]顯示，全國(guó)土壤重金屬污染狀況嚴(yán)峻，Pb、Zn超標(biāo)率分別為1.5%、0.9%[2]，同時(shí)指明，我國(guó)西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)程度較大[4]。重金屬在土壤中以不同的化學(xué)形態(tài)存在，影響其在土壤-植物系統(tǒng)的吸收轉(zhuǎn)移并產(chǎn)生生物毒性[5-7]。因此，對(duì)重金屬污染農(nóng)田土壤的修復(fù)迫在眉睫。在眾多土壤修復(fù)方法中，原位固定化成為最具成本效益的方法之一[8]。土壤鈍化劑可通過調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)，使重金屬產(chǎn)生吸附-絡(luò)合及氧化還原等反應(yīng)，改變重金屬化學(xué)形態(tài)，使其由毒性較高態(tài)轉(zhuǎn)為毒性低態(tài)或者無毒態(tài)，以達(dá)到降低重金屬毒性目的[9]。利用復(fù)合型鈍化劑對(duì)環(huán)境中的復(fù)合重金屬污染進(jìn)行修復(fù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)[10]，常用的鈍化劑種類包括無機(jī)、有機(jī)以及無機(jī)-有機(jī)組合。無機(jī)鈍化劑主要有石灰、碳酸鈣、粉煤灰、磷酸鹽、膨潤(rùn)土以及無機(jī)硅肥等，有機(jī)鈍化劑主要有農(nóng)家肥、草炭、作物秸稈等，無機(jī)-有機(jī)混合鈍化劑主要有污泥、堆肥等[11-12]。一些科研工作者開展了將多種鈍化劑混合或組配來進(jìn)行重金屬污染土壤修復(fù)的研究。幾種有機(jī)殘留物(動(dòng)物糞便、生物固體等)已被廣泛用于修復(fù)土壤重金屬污染[13]。李泰平等[14]研究表明，施用磷礦粉和鈣鎂氧化物，在一定程度上能有效鈍化土壤中的Pb、Zn、Cd等，不同無機(jī)材料混配復(fù)合改性后施入土壤，能夠有效減少土壤重金屬在植物中的積累[15]；但迄今關(guān)于重金屬污染土壤修復(fù)中無機(jī)和有機(jī)材料在不同混合模式下固定化效率的研究較少[16]。鑒于此，為驗(yàn)證有機(jī)和無機(jī)材料鈍化劑在不同混合模式下降低土壤重金屬有效性的效果，以盆栽試驗(yàn)研究無機(jī)和有機(jī)材料組合對(duì)水稻土壤Pb、Zn賦存形態(tài)及水稻根系富集能力的影響，以期篩選出有效的無機(jī)和有機(jī)材料的重金屬鈍化劑組合，為貴州山區(qū)稻田重金屬污染土壤改良及鈍化劑的安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤來源于貴州省遵義市播州區(qū)鴨溪鎮(zhèn)內(nèi)(106°36′25″E、27°34′47″N)，為由砂頁(yè)巖風(fēng)化物發(fā)育而成的黃壤經(jīng)水耕熟化形成的潴育型水稻土壤，肥力較高。將土壤運(yùn)回盆栽場(chǎng)進(jìn)行自然風(fēng)干，剔出根系和碎石等，過2 cm篩混勻，用于盆栽試驗(yàn)。取1 kg土壤樣品備用用于測(cè)定其基本理化性質(zhì)，見表1。

供試水稻品種：宜香優(yōu)725。該品種由綿陽(yáng)市農(nóng)科所利用宜香1A與自選恢復(fù)系綿恢725組配而成，屬秈型雜交水稻。株高106.2 cm，穗長(zhǎng)24.8 cm，實(shí)粒數(shù)130.3粒，結(jié)實(shí)率78.2%。

供試鈍化劑及來源：雞糞(貴州省鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣黔發(fā)復(fù)合肥廠，雞糞以干質(zhì)量計(jì)算)、生石灰(鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣龍朝杰石灰廠)、鈍化劑D1(深圳百樂寶公司)、鈍化劑D2(廣東大眾農(nóng)科公司)、鈍化劑D3(湖南美鑫隆生態(tài)環(huán)保科技有限公司)、鈍化劑D4(湖南測(cè)智科技有限公司)，其基本理化性質(zhì)見表2。

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

表2 鈍化劑基本理化性質(zhì)Tab.2 Basic physical and chemical properties of the passivators

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2017年5—10月在貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院盆栽場(chǎng)進(jìn)行，設(shè)置1個(gè)空白對(duì)照和15種不同鈍化劑組合，分別為空白(CK)、生石灰(L)、雞糞(M)、D1、D2、D3、D4、生石灰+雞糞(L+M)、生石灰+D1(L+D1)、生石灰+D2(L+D2)、生石灰+D3(L+D3)、生石灰+D4(L+D4)、生石灰+D1+雞糞(L+D1+M)、生石灰+D2+雞糞(L+D2+M)、生石灰+D3+雞糞(L+D3+M)、生石灰+D4+雞糞(L+D4+M)，每個(gè)組合設(shè)置3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3。

前期準(zhǔn)備與材料施用：2017年5月23日，將風(fēng)干土壤過2 cm篩，反復(fù)攪拌混勻。采用直徑20 cm、高22 cm白色塑料盆盛裝土壤，每盆裝土壤5 000 g，共48盆。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)基施雞糞和鈍化劑，化肥分2次施用，尿素1 g、過磷酸鈣0.74 g、氯化鉀0.93 g作基肥，插秧前與土壤混合，放置7 d，在水稻孕穗初期每盆施用尿素1 g。采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部推薦的“VIP+N”技術(shù)方案，生石灰在水稻分蘗末期(移栽后約1個(gè)月)，按表3的用量一次性撒施。

水稻移栽與水分管理：2017年5月31日，將水稻移栽于塑料盆中，每盆2株，生育期間保持淹水狀態(tài)，水層3～4 cm。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.3 Design of the experiment g/kg

1.3 樣品采集與保存

土壤樣品：水稻收獲后，將每盆土壤樣品倒在白色塑料薄膜上，充分混合后用四分法取舍，保留1 kg土壤樣品裝入布袋并標(biāo)記，共48個(gè)樣品。將土壤樣品攤放在潔凈牛皮紙上，清除根系等雜物，在陰涼處自然風(fēng)干。將試驗(yàn)后的土樣研磨，分別過2、0.25、0.149 mm尼龍篩，密封4 ℃保存、備用。

水稻樣品：水稻成熟時(shí)，把每盆水稻樣品全部連根拔起，用超純水反復(fù)沖洗干凈，裝入尼龍網(wǎng)袋中并標(biāo)記，共48個(gè)樣品。105 ℃殺青2 h后在70 ℃條件下烘干，然后將根系、用不銹鋼植物粉碎機(jī)粉碎，過0.425 mm尼龍篩并分別裝入密封袋4 ℃保存。

1.4 測(cè)定方法

土壤可交換態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)Pb、Zn采用改進(jìn)的BCR(European community bureau of reference)法提取[17]，殘?jiān)鼞B(tài)Pb、Zn采用差值法計(jì)算。土壤中Pb、Zn采用HNO3-HF-HClO4消解，總水稻各部位中Pb、Zn用HNO3-H2O2消解，總Pb、Zn含量均采用電感耦合等離子體光譜儀測(cè)定。土壤pH值用電位測(cè)定[水∶土(質(zhì)量比)為2.5∶1]，土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)用乙酸銨-EDTA交換法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)(OM)含量用重鉻酸鉀-硫酸消化法測(cè)定[18]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 21.0和Microsoft Excel 2010，并進(jìn)行不同處理間差異的顯著性(P<0.05)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈍化劑組合對(duì)水稻土壤總Pb、總Zn含量及基本理化性質(zhì)的影響

從表4可知，鈍化劑影響土壤pH值、CEC、OM含量。施用鈍化劑后，土壤pH值上升0.25～1.04，除M組合外，其他組合的土壤pH值與CK之間均存在顯著差異。其中，CK土壤pH值最低，為6.59，L+D4+M組合土壤pH值最高，達(dá)到了7.63。不同鈍化劑組合使CEC上升2.65%～50.96%，除L、M、D1、D2、D3、L+D2組合外，其他組合CEC與CK之間均存在顯著差異。其中，CK CEC最低，為13.58 cmol/kg，L+D2+M組合CEC最高，達(dá)到了20.50 cmol/kg。施用鈍化劑后，OM含量上升了0.22%～17.20%，但各組合間無顯著差異，其中，CK OM含量最低，為60.18 g/kg，L+D3+M組合OM含量最高，達(dá)到了70.53 g/kg。施用鈍化劑后，總Pb、總Zn含量無明顯變化。

表4 不同鈍化劑組合對(duì)土壤基本理化性質(zhì)及總Pb、總Zn含量的影響Tab.4 Effects of the passivator combinations on basic physical and chemical properties and total content of Pb,Zn in the soil

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同組合間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between different combinations(P<0.05),the same below.

2.2 不同鈍化劑組合對(duì)水稻土壤不同賦存形態(tài)Pb、Zn含量的影響

從表5可知，CK中可交換態(tài)Pb含量為0.377 mg/kg，施用鈍化劑后，可交換態(tài)Pb含量均有所下降，其下降幅度介于14.59%～27.06%。其中，可交換態(tài)Pb含量下降幅度最低、最高的分別是L+D1、L+D1+M組合。一元組合中，L、M、D1、D2、D3、D4組合可交換態(tài)Pb含量相比CK分別降低23.34%、20.42%、15.12%、21.49%、15.92%、15.92%，一元組合相比CK均可顯著降低可交換態(tài)Pb含量；二元組合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4組合可交換態(tài)Pb含量相比CK分別降低26.53%、14.59%、17.77%、18.57%、19.63%，二元組合相比CK均可顯著降低可交換態(tài)Pb含量；三元組合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M組合可交換態(tài)Pb含量相比CK分別降低27.06%、18.30%、19.10%、20.16%，三元組合相比CK均可顯著降低可交換態(tài)Pb含量。CK中可還原態(tài)Pb含量為3.240 mg/kg，施用鈍化劑后，可還原態(tài)Pb含量均有所增加，增加幅度介于7.99%～17.65%。相比CK，只有D1組合使可還原態(tài)Pb含量顯著增加。相比CK，各組合可還原態(tài)Pb含量增加幅度最低、最高的分別是L+D4、D1組合。一元組合中，L、M、D1、D2、D3、D4組合可還原態(tài)Pb含量相比CK分別增加15.37%、12.10%、17.65%、15.83%、15.15%、12.31%；二元組合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4組合可還原態(tài)Pb含量相比CK分別增加10.77%、14.44%、14.60%、9.29%、7.99%；三元組合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M組合可還原態(tài)Pb含量相比CK分別增加13.70%、15.28%、15.74%、15.43%。施用鈍化劑組合對(duì)可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Pb含量無顯著影響。

表5 不同鈍化劑組合對(duì)水稻土壤不同賦存形態(tài)Pb含量的影響Tab.5 Effects of different passivator combinations on different combined forms of Pb in paddy soil mg/kg

從表6可知，CK中可交換態(tài)Zn 含量為5.358 mg/kg，施用鈍化劑后，可交換態(tài)Zn含量顯著降低，其下降幅度介于12.58%～33.30%。其中，各組合可交換態(tài)Zn含量下降幅度最低、最高的分別是D2、L+D3+M。一元組合中，L、M、D1、D2、D3、D4組合可交換態(tài)Zn含量相比CK分別降低17.23%、22.42%、19.86%、12.58%、25.35%、16.89%；二元組合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4組合可交換態(tài)Zn含量相比CK分別降低20.98%、23.37%、29.17%、24.73%、21.07%；三元組合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M組合可交換態(tài)Zn含量相比CK分別降低28.09%、22.77%、33.30%、29.28%。CK中可還原態(tài)Zn含量為5.035 mg/kg，施用鈍化劑后，可還原態(tài)Zn含量相比CK均有所增加，增加幅度介于1.35%～22.40%，除L+D1+M組合外，其他組合可還原態(tài)Zn含量相比CK均未達(dá)到顯著差異。其中，可還原態(tài)Zn含量相比CK增加幅度最低、最高的分別是D4、L+D1+M組合。一元組合中，L、M、D1、D2、D3、D4組合可還原態(tài)Zn含量相比CK分別增加6.12%、7.81%、17.95%、7.13%、7.31%、1.35%;二元組合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4組合可還原態(tài)Zn含量相比CK分別增加2.86%、9.57%、3.04%、4.05%、5.32%;三元組合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M可還原態(tài)Zn含量相比CK分別增加22.40%、4.49%、14.00%、19.11%。除L、L+D1、L+D2、L+D3外，其他組合均使可氧化態(tài)Zn含量相比CK有所增加，增加幅度介于1.62%～41.82%，但未達(dá)到顯著水平。一元組合中，除L組合外，其他組合使可氧化態(tài)Zn含量相比CK分別增加35.35%、3.74%、19.09%、25.66%、12.22%。二元組合中，L+M、L+D4組合使可氧化態(tài)Zn含量相比CK分別增加17.27%、1.62%。三元組合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M組合使可氧化態(tài)Zn含量相比CK分別增加4.55%、32.02%、41.82%、24.95%。CK中殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量為129.211 mg/kg，除D2組合外，施用鈍化劑后，殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量相比CK均有所增加，但未達(dá)到顯著水平。除D2組合外，其他組合殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量相比CK增加幅度最大、最小分別是D3、D1組合。一元組合中，L、M、D1、D3、D4組合殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量相比CK分別增加0.20%、0.12%、0.01%、1.81%、0.65%。二元組合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4組合殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量相比CK分別增加0.18%、1.14%、1.16%、0.34%、1.36%；三元組合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M組合殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量相比CK分別增加0.88%、0.78%、0.68%、0.32%。

表6 不同鈍化劑組合對(duì)水稻土壤不同賦存形態(tài)Zn含量的影響 Tab.6 Effects of different passivator combinations on different combined forms of Zn in paddy soil mg/kg

2.3 不同鈍化劑組合對(duì)水稻根系中Pb、Zn含量及富集系數(shù)的影響

從表7中可知，施用鈍化劑后，相比CK均能降低水稻根系中Pb含量，下降幅度介于8.53%～68.97%，除D4組合外，其他鈍化劑組合相比CK均能顯著降低水稻根系中Pb含量。施用鈍化劑后，水稻根系中Pb含量最大、最小的分別是D4、L+D2+M組合，含量分別為7.803、2.647 mg/kg。一元組合中，L、M、D1、D2、D3、D4組合使水稻根系中Pb含量相比CK分別下降44.38%、46.51%、34.09%、47.40%、28.71%、8.53%。二元組合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4組合使根系中Pb含量相比CK分別下降34.98%、29.09%、45.75%、45.57%、52.54%。三元組合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M組合使根系中Pb含量相比CK分別下降43.54%、68.97%、64.86%、62.02%。施用鈍化劑后，相比CK均能降低水稻根系中Zn含量，下降幅度介于6.45%～57.89%，其中，除L+M、L+D1、L+D2組合外，其他組合相比CK均能顯著減低水稻根系中Zn含量。一元組合中，L、M、D1、D2、D3、D4組合使水稻根系中Zn含量相比CK分別下降20.41%、36.77%、23.84%、28.39%、31.74%、42.39%。二元組合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4組合使水稻根系中Zn含量相比CK分別下降12.85%、15.15%、6.45%、44.90%、30.74%。三元組合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M組合使水稻根系中Zn含量相比CK分別下降54.27%、57.89%、45.40%、50.66%。施用鈍化劑后，相比CK均能降低水稻根系中Pb、Zn富集系數(shù)，其下降幅度分別介于5.00%～70.00%、4.55%～59.09%。除D4組合外，其他鈍化劑組合相比CK均能顯著降低水稻根系中Pb富集系數(shù)。除L+M、L+D1、L+D2組合外，其他組合相比CK均能顯著減低水稻根系Zn富集系數(shù)，其中，三元組合對(duì)降低水稻根系中Pb、Zn含量及富集系數(shù)具有較好的效果。

表7 不同鈍化劑組合對(duì)水稻根系中Pb、Zn含量及富集系數(shù)的影響Tab.7 Effects of different passivator combinations on content and bioconcentration factor of Pb and Zn in rice root

3 結(jié)論與討論

施用鈍化劑后，土壤中總Pb和總Zn含量相比CK無明顯變化，但能改善土壤pH值、OM含量、CEC。施用鈍化劑后，一元、二元、三元組合相比CK均能不同程度降低土壤可交換態(tài)Pb、Zn含量及水稻根系Pb、Zn含量，其中，三元組合在降低水稻根系Pb、Zn含量及提高土壤pH值、OM含量、CEC方面的效果較好。本試驗(yàn)施用的鈍化劑主要是生石灰、雞糞、氧化鎂、氧化亞鐵等，都為堿性物質(zhì)，再加上鈍化劑中含有氮、磷、鉀等微量元素，這些物質(zhì)的投入會(huì)使土壤pH值升高[19]。有研究表明，當(dāng)土壤pH值升高時(shí)，土壤中重金屬的有效態(tài)降低[20]，本試驗(yàn)的鈍化劑含有生石灰，屬于強(qiáng)堿性物質(zhì)，施用鈍化劑后，土壤OH-濃度明顯增加，能有效提高土壤pH值，促進(jìn)部分重金屬形成沉淀，降低可交換態(tài)重金屬含量[21-22]。同時(shí)，石灰中Ca2+能交換取代土壤顆粒表面的Na+、K+等低價(jià)陽(yáng)離子，從而降低土壤顆粒擴(kuò)散雙電層厚度，使得土壤親水性降低，而整體穩(wěn)定性提高[23]。另外，石灰能改善土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分循環(huán)，使土壤微生物活性及多樣性改變，并通過生化作用形成大分子物質(zhì)，達(dá)到固定重金屬的效果[24-25]。并且，鈍化劑中的雞糞含大量的OM，OM進(jìn)入土壤后會(huì)轉(zhuǎn)化分解成含有羥基、羧基等不同活性功能基團(tuán)的腐殖質(zhì)，與金屬具有較好的結(jié)合作用[26-28]，且金屬結(jié)合物的穩(wěn)定性會(huì)隨著pH值的增加而增加[29]。王雨薇等[30]研究指明，添加鹿糞和菌肥促進(jìn)了土壤中酸可提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)Pb向殘?jiān)鼞B(tài)Pb轉(zhuǎn)化。劉勇等[31]研究表明，添加石灰后土壤pH值和OM含量均顯著提高，4種重金屬化學(xué)形態(tài)由水溶態(tài)、可交換態(tài)等活性態(tài)，向有機(jī)態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)等非活性態(tài)的轉(zhuǎn)化趨勢(shì)明顯。此外，李造煌等[32]研究表明，施用鈣、鎂、磷肥能顯著提升土壤pH值，降低土壤固體廢物毒性浸出試驗(yàn)中提取態(tài)Cd含量，且降低效果隨著水稻生育期的延長(zhǎng)逐漸增強(qiáng)。采用改進(jìn)的BCR分級(jí)連續(xù)提取法，將重金屬分為可交換態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)[33-36]，根據(jù)生物利用性大小可將各種形態(tài)分為有效態(tài)、潛在有效態(tài)和不可利用態(tài)[37]。其中，可交換態(tài)最易為植物吸收，為有效態(tài)；潛在有效態(tài)包括可還原態(tài)和可氧化態(tài)，屬于較易被植物吸收的形態(tài)；殘?jiān)鼞B(tài)對(duì)生物無效，為不可利用態(tài)[33]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，土壤中Pb、Zn的4種賦存形態(tài)分布總體表現(xiàn)為殘?jiān)鼞B(tài)含量>可還原態(tài)含量>可交換態(tài)含量>可氧化態(tài)含量的趨勢(shì)，施用鈍化劑后，土壤Pb、Zn的4種形態(tài)總體表現(xiàn)為可交換態(tài)含量相比CK顯著降低。說明在鈍化過程中，重金屬形態(tài)分布發(fā)生改變，由可交換態(tài)向穩(wěn)定無毒形態(tài)轉(zhuǎn)化，生物有效性降低[33]。根系是植物最易積累重金屬的部位，通過抑制重金屬由地下部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，可降低重金屬在根、莖、葉中的積累，從而降低糙米的毒害[38]。重金屬富集系數(shù)能直觀地表示植物積累重金屬能力[39]，富集系數(shù)越大，說明重金屬富集能力越強(qiáng)[40-42]，由本試驗(yàn)可知，施用鈍化劑后，水稻根系Pb、Zn富集系數(shù)相比CK均有降低，三元組合在降低水稻根系Pb、Zn含量及富集系數(shù)上具有較好效果。