楊謹(jǐn)銘， 羅沐欣鍵， 柴冠群， 劉桂華，瞿 飛， 范成五， 秦 松

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所， 貴陽(yáng) 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所， 貴陽(yáng) 550006)

據(jù)2014年全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，我國(guó)有超過(guò)7%的耕地土壤受到不同程度重金屬Cd污染[1]。對(duì)貴州省土壤環(huán)境質(zhì)量的調(diào)查結(jié)果顯示，貴州省土壤Cd超標(biāo)嚴(yán)重，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于地質(zhì)高背景值[2]。受重金屬污染的土壤難以通過(guò)自身凈化作用將重金屬離子排除，必須采取治理措施來(lái)保障農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)。施加鈍化劑是一種有效的重金屬污染耕地治理方法，具有成本低、過(guò)程簡(jiǎn)單、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，能有效降低重金屬的生物有效性[3]。目前已發(fā)現(xiàn)許多適合作為重金屬Cd鈍化劑的材料，但鮮見(jiàn)選用具有地方特色鈍化劑來(lái)解決當(dāng)?shù)刂亟饘貱d耕地污染的報(bào)道。貴州作為我國(guó)三大磷礦集中產(chǎn)區(qū)，具有豐富的磷礦資源。有研究表明，磷礦粉是一種高效的重金屬鈍化劑，磷礦粉中含有的磷酸根能與重金屬離子形成磷酸鹽沉淀，降低重金屬的生物有效性[4-6]。硅鈣肥是磷化工生產(chǎn)黃磷副產(chǎn)物，主要成分是硅、鈣的氧化物，硅鈣肥中所含的硅酸根離子與重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硅酸鹽沉淀；同時(shí)硅鈣肥能提高土壤pH值，使土壤顆粒攜帶更多的負(fù)電荷，促進(jìn)土壤顆粒對(duì)重金屬離子的吸附，降低重金屬的生物有效性[7-8]。有研究者發(fā)現(xiàn)，生物炭能有效吸附受污染土壤中的重金屬離子，降低重金屬的生物有效性[9-10]。近年來(lái)研究報(bào)道鈍化劑合理配施較單施的鈍化效果更好[11-13]。本研究依據(jù)取材方便、變廢為寶、經(jīng)濟(jì)廉價(jià)的原則，選取磷礦粉、硅鈣肥兩種無(wú)機(jī)材料，貴州特有酒糟、茶樹(shù)廢枝炭化的生物炭，進(jìn)行單施與配施對(duì)土壤Cd生物有效性及莧菜吸收鎘的影響研究，以期為當(dāng)?shù)谻d污染土壤的修復(fù)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在貴州省土壤肥料研究所試驗(yàn)大棚進(jìn)行，供試土壤采自貴陽(yáng)市開(kāi)陽(yáng)縣，選擇鎘污染程度為中度污染的農(nóng)田的表層(0～20 cm)土壤，基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。土壤采回后平鋪于牛皮紙上，去除碎石和植物根系等雜物，待其自然風(fēng)干，磨細(xì)過(guò)100目尼龍篩，裝袋保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

供試材料包括磷礦粉、硅鈣肥、酒糟生物炭、茶樹(shù)廢枝生物炭。供試材料的理化性質(zhì)見(jiàn)表2，所有鈍化劑均磨細(xì)過(guò)100目尼龍篩保存?zhèn)溆?。其中，磷礦粉和硅鈣肥由貴州省開(kāi)磷集團(tuán)公司提供；酒糟和茶樹(shù)廢枝由貴州省土壤肥料研究所采購(gòu)，使用馬弗爐在350 ℃條件下厭氧燒4 h制成生物炭。

表2 供試材料理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

培養(yǎng)試驗(yàn)：稱取100 g充分混勻過(guò)100目尼龍篩的供試土壤于培養(yǎng)杯中，設(shè)未施鈍化劑的處理為空白對(duì)照(ck)，鈍化劑按照表3的添加量，準(zhǔn)確稱取至培養(yǎng)杯中與土樣充分混勻，用保鮮膜封住杯口，均勻扎出4～5個(gè)小孔，每個(gè)處理重復(fù)3次，定期加入去離子水，使土壤濕度保持在田間持水量的60%～70%，在室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，在第60天時(shí)取出分析土壤pH、有效態(tài)Cd含量。

表3 鈍化劑添加量

盆栽試驗(yàn)：將3 kg供試土壤(同室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn))裝入盆栽，置于溫室大棚中，設(shè)置培養(yǎng)試驗(yàn)中得出的鈍化效果較好的鈍化劑配施組合T 5、T 6和ck，共3個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，待供試材料與土壤充分混勻后加入去離子水，使土壤含水率保持在田間持水量的60%～70%，平衡老化1個(gè)月后，將莧菜苗移栽入盆栽中，每盆定植4株。日常進(jìn)行盆栽管理，待莧菜成熟后，測(cè)量莧菜的農(nóng)藝性狀指標(biāo)，并在收獲莧菜時(shí)取盆栽土樣，分析莧菜地下、地上部Cd含量、土壤pH和有效態(tài)Cd含量。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤基本理化性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定參照鮑士旦[14]的方法，pH采用電位測(cè)定法(水土比為2.5∶1.0)，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀—油浴法，CEC采用EDTA-銨鹽快速法，堿解氮含量采用擴(kuò)散吸收法，速效磷含量采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法，有效鉀含量采用鹽酸浸提—原子吸收分光光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定。土壤有效態(tài)Cd采用DTPA浸提—石墨爐原子吸收光譜法，全Cd含量采用石墨爐—原子吸收光譜法。莧菜Cd采用三酸消解—原子吸收光譜法，葉綠素含量采用SPAD-502 PLUS手持葉綠素儀測(cè)定，測(cè)出的葉綠素含量為相對(duì)含量。使用卷尺測(cè)量莧菜株高和株幅，使用百分天平稱莧菜重量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019、SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用單因素方差分析法分析不同處理間的差異，采用Duncan法進(jìn)行多重比較分析。采用Origin 2019 b軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加鈍化劑對(duì)土壤pH的影響

如圖1所示，所有處理均可提高土壤pH，使土壤pH較ck提高4.16%～33.68%。其中，T 1～T 4處理使土壤pH提高4.16%～33.68%，使土壤pH從4.81提高到5.01～6.43；T 5～T 10處理使土壤pH提高4.57%～19.96%，使土壤pH從4.81提高到5.03～5.77。T 1～T 4處理中，T 2對(duì)土壤pH的影響最大，增幅高達(dá)33.68%，經(jīng)T 2處理后的土壤pH達(dá)6.43；T 3對(duì)土壤pH影響最低，增幅達(dá)4.16%，經(jīng)T 3處理后的土壤pH僅達(dá)5.01。T 5～T 10處理中，T 8對(duì)土壤pH的影響最大，增幅高達(dá)19.96%，經(jīng)T 8處理后的土壤pH達(dá)5.77；對(duì)土壤pH影響最低的為T(mén) 5處理，增幅僅4.57%，經(jīng)T 5處理后的土壤pH為5.03。

圖1 鈍化劑對(duì)土壤pH的影響

2.2 施加鈍化劑對(duì)土壤有效態(tài)Cd的影響

如圖2所示，10個(gè)處理均能不同程度降低土壤有效態(tài)Cd，使土壤有效態(tài)Cd較ck降低19.00%～53.58%，有效態(tài)Cd含量從0.321 mg/kg降至0.149～0.249 mg/kg。T 1～T 4處理中，T 1、T 3和T 4處理的降幅為19.00%～26.48%，低于T 5～T 10處理的降幅33.02%～40.81%，T 2土壤有效態(tài)Cd較ck降低53.58%，降幅最大。T 1、T 3和T 4中，T 3的降幅最低，為19.00%；T 1的降幅最高，為26.48%。將T 5～T 10對(duì)土壤有效態(tài)Cd的降幅按升序進(jìn)行排序，依次為T(mén) 10、T 8、T 7、T 6、T 9、T 5，降幅分別為33.02%、34.89%、38.01%、38.63%、39.25%和40.81%。

圖2 鈍化劑對(duì)土壤有效態(tài)Cd的影響

2.3 施加鈍化劑對(duì)莧菜農(nóng)藝性狀及Cd鈍化效果的影響

如表4所示，T 5、T 6處理對(duì)莧菜生物量、株高、株幅等農(nóng)藝性狀指標(biāo)均具有顯著影響(p<0.05)。T 5、T 6處理后的莧菜生物量、株高及株幅較ck增加。T 5處理使莧菜生物量增加7.94 g，增幅達(dá)72.84%；株高增加1.9 cm，增幅達(dá)18.27%；株幅增加4 cm，增幅達(dá)37.38%。T 6使莧菜生物量增加6.76 g，增幅達(dá)62.02%；株高增加2.4 cm，增幅達(dá)23.08%；株幅增加10 cm，增幅達(dá)93.46%。

表4 鈍化劑對(duì)莧菜生理指標(biāo)的影響

由圖3可知，莧菜地下部Cd含量高于地上部。比較T 5、T 6處理與ck間莧菜Cd含量的差異，T 5、T 6處理后，莧菜地上部和地下部Cd含量均降低，差異顯著(p<0.05)。其中，T 5使莧菜地上部Cd含量降低0.003 8 mg/kg，降幅達(dá)64.41%；使莧菜地下部Cd含量降低0.005 7 mg/kg，降幅達(dá)67.86%。T 6使莧菜地上部Cd含量降低0.002 6 mg/kg，降幅達(dá)44.07%；使莧菜地下部Cd含量降低0.004 1 mg/kg，降幅達(dá)48.81%。

注：圖中不同小寫(xiě)字母代表不同處理之間對(duì)莧菜Cd含量的影響差異達(dá)到顯著水平(p<0.05,n=3)。圖3 鈍化劑對(duì)莧菜Cd含量的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 鈍化劑對(duì)土壤pH的影響

通過(guò)提高土壤pH來(lái)降低土壤重金屬Cd的生物有效性是原位鈍化修復(fù)的重要機(jī)理。土壤pH值的升高不僅能提高土壤顆粒對(duì)Cd2+的吸附量，還能增加土壤溶液中氫氧根與碳酸根離子的濃度，使Cd2+與氫氧根、碳酸根等離子結(jié)合生成難溶的氫氧化物、碳酸鹽沉淀，降低Cd生物有效性[15-16]。隨著土壤pH的提高，Cd的活性降低，對(duì)重金屬Cd生物有效性的研究離不開(kāi)土壤pH[17-18]。本試驗(yàn)所有處理均可提高供試黃壤pH，使土壤pH提高4.16%～33.68%。單施5%添加量鈍化劑可提高土壤pH 4.16%～33.68%。4個(gè)鈍化劑中，硅鈣肥因本身pH值最高，5%硅鈣肥提高土壤pH 33.68%%，高于其他材料。值得注意的是，硅鈣肥中含有大量的Ca2+、Mg2+和Na+，過(guò)度施用使土壤中的Ca2+、Mg2+和Na+在全鹽中所占比例極大增加，土壤pH大幅改變，將會(huì)給土壤環(huán)境帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[19]，在實(shí)際生產(chǎn)中，必須嚴(yán)格控制鈍化劑的用量。磷礦粉作為Cd高效改良劑，自身pH較高，將其施入土壤可以提高土壤pH[20]，5%磷礦粉使土壤pH增幅高達(dá)13.10%。生物炭雖具有豐富的官能團(tuán)，具有能中和土壤酸堿度的作用[21]，但在酸性黃壤中，提高土壤pH的效果不及硅鈣肥和磷礦粉。5%酒糟生物炭和5%茶樹(shù)廢枝生物炭?jī)H能提高土壤pH 4.16%、6.24%。本研究發(fā)現(xiàn)，配施鈍化劑對(duì)土壤pH的提升效果總是小于無(wú)機(jī)鈍化劑而大于有機(jī)鈍化劑，例如1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭能提高土壤pH 4.57%，大于5%酒糟生物炭而小于5%磷礦粉，這可能是由于鈍化劑的混合施用中和了其中的堿性物質(zhì)，降低了無(wú)機(jī)鈍化劑的酸堿度而升高了有機(jī)鈍化劑的酸堿度造成的。配施鈍化劑能使土壤pH提高4.57%～19.96%。其中，1.5%硅鈣肥+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭提高土壤pH幅度最大，使土壤pH提高19.96%。0.75%磷礦粉+0.75%硅鈣肥+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭使土壤pH增幅達(dá)18.71%，效果僅低于1.5%硅鈣肥+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭。其后1.5%硅鈣肥+3.5%酒糟生物炭、0.75%磷礦粉+0.75硅鈣肥+3.5%酒糟生物炭、1.5%磷礦粉+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭、1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭處理對(duì)土壤pH增幅依次降低，依次分別為15.80%、13.72%、7.48%、4.57%。

3.2 鈍化劑對(duì)土壤有效態(tài)Cd的影響

將土壤有效態(tài)Cd含量作為評(píng)價(jià)Cd生物有效性的指標(biāo)，使用被化學(xué)浸提劑提取出的Cd2+濃度代表土壤溶液中移動(dòng)性與生物有效性高的Cd濃度，是研究生物有效性常用的手段，對(duì)評(píng)價(jià)Cd的生物有效性有重要作用，這種方法稱為化學(xué)評(píng)價(jià)法?；瘜W(xué)法具有提取時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，能用于快速評(píng)價(jià)鈍化劑的鈍化效果。本研究發(fā)現(xiàn)，鈍化劑的單施和配施均可降低土壤有效態(tài)Cd含量，使土壤有效態(tài)Cd含量較ck降低19.00%～53.58%。除硅鈣肥外，單施鈍化劑能降低土壤中19.00%～26.48%的有效態(tài)Cd，效果不及配施。硅鈣肥具有較高的pH和大量的Ca2+，5%硅鈣肥使土壤有效態(tài)Cd降幅高達(dá)53.58%。磷礦粉中的磷酸根與Cd2+形成磷酸鹽沉淀，降低土壤有效態(tài)Cd含量[6]，5%磷礦粉使土壤有效態(tài)Cd降幅達(dá)26.48%，效果次于硅鈣肥。兩種來(lái)源生物炭具有較大的比表面積和孔隙度，能通過(guò)吸附、絡(luò)合和離子交換等反應(yīng)降低Cd生物有效性[22-23]，酒糟生物炭與茶樹(shù)廢枝生物炭表現(xiàn)出了較好的Cd鈍化效果。但由于來(lái)源不同，內(nèi)部組成存在差異，酒糟生物炭和茶樹(shù)廢枝生物炭對(duì)Cd生物有效性的影響存在差異[24]。5%茶樹(shù)廢枝生物炭使土壤有效態(tài)Cd的降幅達(dá)22.43%，酒糟生物炭對(duì)Cd的鈍化效果不及茶樹(shù)廢枝生物炭，5%酒糟生物炭對(duì)土壤有效態(tài)Cd的降幅達(dá)19.00%。總體而言，配施鈍化劑對(duì)Cd的鈍化效果好于單施，配施鈍化劑使土壤有效態(tài)Cd降幅為33.02%～40.81%。其中，1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭對(duì)有效態(tài)Cd的降幅最大，降幅高達(dá)40.81%；其次，0.75%磷礦粉+0.75%硅鈣肥+3.5%酒糟生物炭處理使有效態(tài)Cd降低39.25%；1.5%磷礦粉+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭處理使土壤有效態(tài)Cd含量的降幅次于前者，但也高達(dá)38.63%，考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中1無(wú)機(jī)配施1有機(jī)鈍化劑較2無(wú)機(jī)配施1有機(jī)鈍化劑的配施模式更為便捷，在鈍化劑對(duì)莧菜Cd鈍化效果的研究中設(shè)置ck、1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭和1.5%磷礦粉+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭處理。其余配施處理中，1.5%硅鈣肥+3.5%酒糟生物炭、1.5%硅鈣肥+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭和0.75%磷礦粉+0.75%硅鈣肥+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭對(duì)土壤有效態(tài)Cd的降幅降低，依次為38.01%、34.89%、33.02%。

3.3 鈍化劑對(duì)莧菜農(nóng)藝性狀的影響

鈍化劑對(duì)莧菜農(nóng)藝性狀及Cd鈍化效果的研究中，除ck外，設(shè)1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭(T 5)和1.5%磷礦粉+3.5%茶樹(shù)廢枝生物炭(T 6)這兩個(gè)對(duì)土壤Cd鈍化效果較好的配施處理，以研究這兩個(gè)處理對(duì)莧菜農(nóng)藝性狀與Cd鈍化效果的影響。在對(duì)莧菜農(nóng)藝性狀的影響研究中發(fā)現(xiàn)，鈍化劑能提供作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，通過(guò)調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)的方式，直接或間接改善作物生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[25]，莧菜的農(nóng)藝性狀指標(biāo)經(jīng)處理后均發(fā)生了改變，差異達(dá)顯著水平(p<0.05)。其中，莧菜生物量、株高及株幅較ck有所增加。T 5處理使莧菜生物量的增幅達(dá)72.84%；株高的增幅達(dá)18.27%；株幅的增幅達(dá)37.38%。T 6處理使莧菜生物量的增幅達(dá)62.02%；株高的增幅達(dá)23.08%；株幅的增幅達(dá)93.46%。

3.4 鈍化劑對(duì)莧菜Cd鈍化效果的影響

運(yùn)用化學(xué)評(píng)價(jià)法對(duì)Cd生物有效性進(jìn)行評(píng)估在某種意義上只能稱為“化學(xué)有效性”，并不能完全代表Cd的生物可利用性。將作物種植在Cd污染土壤，用作物所吸收的Cd含量作為評(píng)價(jià)Cd的生物有效性的方法，稱之為Cd的生物富集評(píng)價(jià)法。相較于化學(xué)評(píng)價(jià)法，生物富集評(píng)價(jià)法能更加準(zhǔn)確地反映Cd的生物有效性，本研究旨在使用莧菜體內(nèi)Cd含量變化準(zhǔn)確地反映鈍化劑對(duì)Cd的鈍化效果。莧菜地下部Cd含量高于地上部，這是因?yàn)橹参锏叵虏康膭P氏帶可阻止Cd2+進(jìn)入木質(zhì)部向地上部運(yùn)輸，被阻控在地下部的Cd2+通過(guò)螯合作用和H+/Cd2+通道區(qū)隔于地下部細(xì)胞液泡或排出植物體，保護(hù)植物免遭Cd脅迫的毒害[26]，這個(gè)機(jī)制對(duì)于莧菜耐Cd逆境起著十分重要的作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，施加鈍化劑不僅能降低莧菜根部Cd含量，還能降低轉(zhuǎn)移至莧菜地上部的Cd濃度，這是因?yàn)殁g化劑中存在的Ca2+和Si2+等與Cd2+共同競(jìng)爭(zhēng)相同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，離子之間存在的拮抗作用能阻止Cd的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究中，T 5處理使莧菜地上部Cd含量降低0.003 8 mg/kg，降幅達(dá)64.41%；使莧菜地下部Cd含量降低0.005 7 mg/kg，降幅達(dá)67.86%，所有差異均達(dá)顯著水平。T 6處理使莧菜地上部Cd含量降低0.002 6 mg/kg，降幅達(dá)44.07%；使莧菜地下部Cd含量降低0.004 1 mg/kg，降幅達(dá)48.81%，所有差異均達(dá)顯著水平。