常會(huì)慶，徐富錦，潘亞杰

(河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

土壤中的鉻(Cr)主要來(lái)自于原生母質(zhì)[1]，但采礦、冶煉、污水灌溉和磷肥施用等人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)，使得大量的Cr進(jìn)入土壤并產(chǎn)生富集，然后通過(guò)食物鏈對(duì)植物或人體造成危害[2-4]。土壤Cr污染的毒害效應(yīng)可以通過(guò)植物生理特征指標(biāo)變化快速反映[5]。當(dāng)Cr進(jìn)入植物細(xì)胞后，會(huì)破壞組織和器官結(jié)構(gòu)，影響膜流動(dòng)性和酶活性，誘導(dǎo)自由基形成，引起氧化應(yīng)激反應(yīng)等不同的生理效應(yīng)[6-7]。因此，研究Cr對(duì)作物生理效應(yīng)的影響，可為外源Cr毒害程度的判斷提供依據(jù)。

土壤中Cr污染治理的重要途徑之一就是原位固定修復(fù)。通過(guò)向污染土壤中加入不同的鈍化材料，可調(diào)控Cr在土壤中的存在形態(tài)，降低其在土壤中的有效性和遷移能力，從而減少Cr對(duì)植物的危害[8-9]。較為常用的鈍化材料有碳酸鈣類、磷酸鹽類、黏土礦物和氧化類物質(zhì)等，其中碳酸鈣類鈍化劑主要是通過(guò)提高酸性土壤pH值，降低土壤中的有效態(tài)Cr含量而發(fā)揮鈍化作用的[10]。殼聚糖作為一種天然的高分子有機(jī)物，對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的螯合性能，且來(lái)源廣泛、價(jià)廉易得，廣泛應(yīng)用于水體和土壤中重金屬的污染修復(fù)[11-13]。碳酸鈣作為修復(fù)材料現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于酸性土壤重金屬污染修復(fù)中[14-16]，但它在石灰性(堿性)土壤中能否對(duì)鉻起到鈍化作用，尤其是與殼聚糖聯(lián)合使用的效果如何，尚沒(méi)有明確答案。為此，本研究采用田間小區(qū)試驗(yàn)方法，探究碳酸鈣及其與殼聚糖聯(lián)用對(duì)石灰性土壤中Cr污染的鈍化效應(yīng)，以期為Cr污染石灰性土壤的安全利用和修復(fù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤系取自洛陽(yáng)市的典型石灰性土壤。土壤基本理化性質(zhì)如下：pH值8.31，有機(jī)質(zhì)11.69 g·kg-1，速效氮31.52 mg·kg-1，速效磷15.23 mg·kg-1，全氮4.76 g·kg-1，全磷3.15 g·kg-1。供試土壤水溶態(tài)、交換態(tài)、還原態(tài)、氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cr含量分別為0.25、4.73、4.79、9.61、50.51 mg·kg-1。

供試玉米品種為鄭單958。試驗(yàn)選用碳酸鈣和殼聚糖作為鈍化材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：(1)對(duì)照(CK)；(2)Cr污染(Cr)；(3)Cr污染+碳酸鈣(Cr+Ca)；(4)Cr污染+碳酸鈣+殼聚糖(Cr+Ca+C)。每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)處理的小區(qū)面積為2 m2。

Cr污染土壤的培養(yǎng)：以CrCl3作為外源污染物，通過(guò)外源Cr的添加使得土壤Cr污染水平控制在土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2018)篩選值(250 mg·kg-1)的2.2倍左右(即約550 mg·kg-1，低于管控值的1 000 mg·kg-1)。播種前90 d進(jìn)行Cr污染老化處理：首先把小區(qū)0～20 cm土層全部移入到不透水的塑料膜上，通過(guò)人工翻堆使相應(yīng)濃度的Cr溶液與表層土壤混合均勻，然后再回填到相應(yīng)小區(qū)中。10月份種植玉米前，在相應(yīng)小區(qū)中按照表土質(zhì)量添加0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳酸鈣、0.12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的殼聚糖。同時(shí)，添加尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀作為基肥使用(N 0.15 g·kg-1，P2O50.10 g·kg-1，K2O 0.15 g·kg-1)。

1.3 樣品采集和分析

選用玉米灌漿期的棒三葉，分析其丙二醛、可溶性蛋白含量和過(guò)氧化氫酶活性。丙二醛含量采用雙組分分光光度法測(cè)定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定。

在玉米收獲期采集玉米根、莖、葉、籽粒，用去離子水沖洗干凈，殺青后在70 ℃烘箱內(nèi)烘干，粉碎備用。同時(shí)采集收獲玉米后的土壤樣品，測(cè)定土壤pH值，用BCR法提取不同形態(tài)的Cr[17]。所有作物和土壤樣品的Cr含量均采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(島津ICP 7000型)測(cè)定，以標(biāo)準(zhǔn)參考土壤樣品(GBW07440)和谷物樣品(GBW10046)作為質(zhì)量控制，重金屬的回收率要求達(dá)到80%以上。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用富集系數(shù)(BCF)反映作物從土壤中吸收重金屬的能力[18]，富集系數(shù)=作物地上部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)/土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

采用轉(zhuǎn)移系數(shù)反映作物將重金屬?gòu)牡叵孪虻厣喜糠诌\(yùn)輸?shù)哪芰19]，轉(zhuǎn)移系數(shù)=作物地上部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)/根部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

分配系數(shù)(%)=某形態(tài)Cr含量/總Cr含量，其中總Cr含量為各形態(tài)Cr含量的總和。

生物活性系數(shù)(MF，%)=(水溶態(tài)Cr含量+交換態(tài)Cr含量)/總Cr含量[20]。

鈍化率(%)=(原土壤中Cr的MF-鈍化后土壤中Cr的MF)/原土壤中Cr的MF[21]。

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析，對(duì)有顯著(P<0.05)差異的，采用Tukey法進(jìn)行多重比較。用Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤pH值和總鉻含量的影響

外源添加Cr會(huì)顯著(P<0.05)降低土壤的pH值(圖1)。與CK相比，Cr、Cr+Ca和Cr+Ca+C處理的土壤pH值分別顯著(P<0.05)降低0.27、0.10、0.17個(gè)pH單位。Cr+Ca分別與Cr和Cr+Ca+C處理相比，其pH值顯著(P<0.05)增加了0.17和0.07個(gè)pH單位?？梢?jiàn)，添加碳酸鈣有利于增加土壤pH值，但聯(lián)用殼聚糖后土壤pH值下降。

柱上無(wú)相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.圖1 不同處理對(duì)土壤pH值的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil pH

外源Cr進(jìn)入土壤后會(huì)與土壤發(fā)生氧化、還原、沉淀、吸附等多種反應(yīng)，最終影響Cr在土壤中的移動(dòng)和積累(圖2)。本研究中，CK中土壤總Cr含量為67.11 mg·kg-1。參照GB 15618—2018，該含量在我國(guó)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值以下。與Cr處理相比，Cr+Ca+C處理的土壤總Cr含量顯著(P<0.05)增加了7.81%，推測(cè)是碳酸鈣與殼聚糖聯(lián)用減少了Cr在土壤中的移動(dòng)性和作物的吸收，導(dǎo)致土壤中總Cr含量增加。

圖2 不同處理對(duì)土壤總Cr含量的影響Fig.2 Effect of different treatments on soil total Cr content

2.2 對(duì)土壤Cr形態(tài)的影響

土壤Cr污染對(duì)作物生長(zhǎng)的影響程度除了與總Cr含量有關(guān)以外，還與Cr在土壤中的賦存形態(tài)有關(guān)。CK處理的水溶態(tài)、交換態(tài)Cr含量較低，殘?jiān)鼞B(tài)鉻含量最高，分別占總Cr含量的0.41%、0.58%、71.28%(圖3)。Cr處理顯著(P<0.05)增加了土壤中各形態(tài)Cr的含量，其中以氧化態(tài)Cr的含量增加最多(表1)。和Cr處理相比，Cr+Ca和Cr+Ca+C處理的水溶態(tài)鉻含量分別顯著(P<0.05)降低了38.97%和54.94%。與Cr+Ca處理相比，Cr+Ca+C處理顯著(P<0.05)降低了交換態(tài)Cr含量，增加了還原態(tài)Cr含量。

表1 不同處理對(duì)各形態(tài)Cr的影響Table 1 Effects of different treatments on various forms of chromiummg·kg-1

土壤中各形態(tài)Cr的分配系數(shù)也由于外源Cr的添加發(fā)生了變化(圖3)。與CK相比，其他處理的水溶態(tài)和氧化態(tài)Cr分配系數(shù)增加，而交換態(tài)、還原態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cr的分配系數(shù)降低。與Cr處理相比，鈍化劑添加使得水溶態(tài)、交換態(tài)Cr的分配系數(shù)降低，而殘?jiān)鼞B(tài)Cr的分配系數(shù)增加，尤其是碳酸鈣-殼聚糖進(jìn)一步降低了水溶態(tài)和交換態(tài)Cr的分配系數(shù)。本研究中，當(dāng)采用碳酸鈣或碳酸鈣-殼聚糖進(jìn)行鈍化處理后，Cr的鈍化率較Cr處理分別增加21.64和35.44個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 不同處理下土壤各形態(tài)鉻的分配系數(shù)Fig.3 Distribution coefficient of various forms of Cr under different treatments

2.3 對(duì)玉米生理指標(biāo)的影響

如圖4所示，與CK相比，Cr處理的玉米葉片丙二醛含量顯著(P<0.05)增加57.39%，添加鈍化劑后，Cr+Ca和Cr+Ca+C處理的玉米葉片中丙二醛含量較Cr處理分別顯著(P<0.05)下降20.57%和31.92%。與CK相比，Cr處理的玉米葉片過(guò)氧化氫酶活性顯著(P<0.05)增加78.18%，添加鈍化劑后，與Cr處理相比，Cr+Ca+C處理的玉米葉片過(guò)氧化氫酶活性顯著(P<0.05)降低18.35%。相較于CK，其他處理的玉米葉片可溶性蛋白含量均顯著(P<0.05)升高。在Cr污染土壤上，添加鈍化劑前后玉米葉片的可溶性蛋白含量無(wú)顯著變化。

圖4 不同處理下玉米葉片的丙二醛、可溶性蛋白含量和過(guò)氧化氫酶活性Fig.4 Content of malondialdehyde， soluble protein and catalase activity in maize leaves under different treatments

2.4 對(duì)玉米Cr含量的影響

如表2所示，玉米各部位的Cr含量在各處理中都表現(xiàn)為根>葉>莖>籽粒。與CK相比，Cr處理會(huì)顯著(P<0.05)增加玉米根、莖、葉、籽粒中的Cr含量，其中Cr處理的玉米籽粒Cr含量超出GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》要求(1.0 mg·kg-1)。與Cr處理相比，Cr+Ca和Cr+Ca+C處理的玉米籽粒Cr含量分別顯著(P<0.05)降低13.21%和30.19%，且均降至該食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量要求以下。

表2 不同處理下玉米各部位的Cr含量Table 2 Chromium content in different parts of maize under different treatmentsmg·kg-1

與Cr處理相比：Cr+Ca和Cr+Ca+C處理的玉米根Cr含量分別顯著(P<0.05)降低了11.61%和26.93%；Cr+Ca+C處理的玉米莖Cr含量顯著(P<0.05)下降；Cr+Ca和Cr+Ca+C處理的玉米葉片Cr含量顯著(P<0.05)降低。

與CK相比，Cr處理顯著(P<0.05)增加了玉米籽粒對(duì)Cr的富集系數(shù)，但顯著(P<0.05)降低了Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)(表3)。與Cr處理相比，Cr+Ca和Cr+Ca+C處理的玉米籽粒對(duì)Cr的富集系數(shù)分別顯著(P<0.05)降低了17.89%和36.24%。

表3 不同處理下玉米籽粒的Cr富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 3 Enrichment factor and transfer factor of Cr in maize grain under different treatments10-3

3 討論

土壤中的Cr通常以3價(jià)陽(yáng)離子和6價(jià)陽(yáng)離子的形態(tài)存在。不同形態(tài)的Cr離子在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化受土壤酸堿度、濕度、離子組成、有機(jī)質(zhì)含量等條件的影響[22]。研究表明，Cr在土壤中主要以3價(jià)離子的形態(tài)存在，在堿性條件下，3價(jià)Cr化合物進(jìn)入土壤后，90%以上的Cr離子迅速被土壤吸附固定，在土壤溶液中以沉淀物的形式存在，使其在土壤中的遷移難度變大，提高了Cr化合物的穩(wěn)定性[23]。同時(shí)，土壤溶液中的3價(jià)Cr離子和6價(jià)Cr離子可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)存在MnO2時(shí)，土壤溶液中的3價(jià)Cr離子可以迅速轉(zhuǎn)化為6價(jià)離子[24]。本研究中，外源Cr為3價(jià)Cr，向pH值較高的石灰性土壤添加碳酸鈣容易使外源3價(jià)Cr離子形成沉淀物，使其有效態(tài)Cr的含量降低。同時(shí)，碳酸鈣中的Ca離子還可以對(duì)Cr離子產(chǎn)生拮抗作用，抑制玉米對(duì)Cr的吸收[10]。因此，碳酸鈣在石灰性土壤上施用仍然有利于Cr的鈍化。

殼聚糖具有豐富的氨基、羥基等陰離子官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可以與土壤吸附的重金屬陽(yáng)離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，尤其是強(qiáng)活性的氨基和羥基都能對(duì)Cr起到穩(wěn)定作用[25]。宋俊穎等[26]研究表明，殼聚糖及其衍生物對(duì)土壤Cd2+、Pb2+、Zn2+均有穩(wěn)定化作用，其中羧甲基殼聚糖可與土壤中的重金屬離子反應(yīng)生成絡(luò)合物，使污染土壤中重金屬離子的可遷移性和生物有效性明顯降低。但也有研究表明，殼聚糖添加會(huì)提高重金屬的有效性，如楊延彬等[27]研究表明，殼聚糖能在一定程度上增加土壤中有效態(tài)Cu、Zn、Hg的含量。原因在于，殼聚糖具有較強(qiáng)的螯合吸附性能，可使土壤中鍵合的重金屬釋放，從而增加土壤溶液中重金屬的濃度和活性[28-29]。李增新等[30]研究表明，殼聚糖能提高土壤中吸附態(tài)鉛的解吸效率，然后通過(guò)普通植物富集吸收即可達(dá)到修復(fù)土壤的目的。本研究表明，殼聚糖-碳酸鈣聯(lián)用有利于石灰性土壤中Cr的鈍化，其原因可能是殼聚糖與Cr離子形成絡(luò)合物后，通過(guò)形成碳酸鉻沉淀而導(dǎo)致其在土壤中的有效性降低。但殼聚糖在石灰性土壤上單獨(dú)施用對(duì)Cr的鈍化效應(yīng)仍需進(jìn)一步研究。

本研究中外源Cr的添加顯著影響了玉米的生理特征，而且對(duì)玉米的安全生產(chǎn)造成了影響。添加碳酸鈣或碳酸鈣-殼聚糖的鈍化方法可以降低土壤中有效態(tài)Cr和玉米各部位Cr的含量，尤其是碳酸鈣-殼聚糖聯(lián)用對(duì)土壤Cr的鈍化效果較好，說(shuō)明碳酸鈣-殼聚糖聯(lián)用可以作為Cr污染石灰性土壤“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”的措施使用。