申鑫雨，張千喜，王 涌，孫 滔，劉園園

（太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008）

引言

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)了解，中國(guó)土壤被鎘污染的面積達(dá)兩千萬(wàn)公頃，占總耕地面積的1/6，影響了11個(gè)省市的25 個(gè)地區(qū)[1]。重金屬Cd 在農(nóng)產(chǎn)品中是一個(gè)毒性很強(qiáng)的元素，農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到影響，且會(huì)通過(guò)食物鏈從植物可食部分被人體所吸收。因此，人們已經(jīng)高度重視鎘污染土壤的改良和修復(fù)問(wèn)題。

降低Cd 在食物鏈中的含量方法主要有：培育優(yōu)良的植物品種如對(duì)鎘的吸收少或吸收后作物的可食用的部位鎘含量較低；采用農(nóng)業(yè)工程措施，比如在土壤中噴灑改良劑，土壤中的重金屬會(huì)被改良劑的頡頏作用、吸附作用和沉淀作用停留在改良劑的表面或內(nèi)部，進(jìn)而土壤中Cd 的生物有效性和擴(kuò)散性被降低[2]。海泡石是一種纖維狀的礦物，含水鎂硅酸鹽，擁有較強(qiáng)的吸附能力的重要原因是巨大的內(nèi)、外表面積[2]。本研究旨在利用海泡石優(yōu)良的吸附作用，借助花盆栽種的試驗(yàn)，研究添加海泡石對(duì)被重金屬污染土壤的修復(fù)效果，為鎘污染土壤的鈍化修復(fù)及海泡石的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)的方法和理論指導(dǎo)，由此可在大范圍的農(nóng)田中推廣。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：于山西省太原市尖草坪區(qū)的北固碾附近開(kāi)采。

供試植物：白菜，品牌：長(zhǎng)耕。

海泡石為河北鑫鋮礦產(chǎn)公司生產(chǎn)。它的分子結(jié)構(gòu)為四面體型，結(jié)構(gòu)特征是鏈?zhǔn)降?，四面體各條帶之間由硅氧鍵相連接。外表面積可達(dá)400 m2/g，內(nèi)表面積可達(dá)500 m2/g，所以海泡石有較大的比表面積，可達(dá)800 m2/g～900 m2/g。海泡石的特殊性能由其大的比表面積所決定，所以良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性是海泡石所具有的特點(diǎn)，進(jìn)而表現(xiàn)出的吸附性能和催化性能較為良好。

1.2 研究方法

由表1 可知，土壤中Cd 設(shè)立了3 個(gè)含量梯度：1 mg·kg-1，2 mg·kg-1，5 mg·kg-1。Cd 的投放形態(tài)為CdSO4，混合均勻后，放置15 d。將白菜種子在蛭石中培育，7 d 后，根據(jù)白菜幼苗的長(zhǎng)勢(shì)移至盆中，每盆污染土壤250 g，定苗3 株，保持土壤濕潤(rùn)，30 d 后收獲。實(shí)驗(yàn)分為12 組，每組重復(fù)3 次，共2 個(gè)因子。

表1 250 g 土壤實(shí)驗(yàn)處理因素水平表

1.3 土壤和作物樣品分析方法

采取自來(lái)水沖洗的方式去除附著在收獲植物表面的污染物。再用去離子水沖洗后,表面附著的水分用濾紙吸干，烘干，稱(chēng)量樣品干重。采用HNO3-HClO4消解法，原子分光光度計(jì)測(cè)定白菜內(nèi)Cd 含量。采用火焰法、HF-HClO4-HNO3消化法，原子分光光度計(jì)及石墨爐無(wú)火焰裝置測(cè)定土壤中Cd 含量，土壤被風(fēng)干后，水土質(zhì)量比以1∶2.5 混勻，pH 計(jì)經(jīng)校正后測(cè)量pH。氨與苯酚-次氯酸鈉反應(yīng)生成藍(lán)色的靛酚，可以用來(lái)分析土壤中脲酶的活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 海泡石的添加對(duì)生物量的影響

根據(jù)第307 頁(yè)圖1 可以得出，在海泡石未添加時(shí)，隨鎘濃度的增加白菜生物量最大下降了38.9%，當(dāng)添加海泡石后，白菜的生物量有著較明顯的增加，其中在海泡石添加量為7.5%的時(shí)，白菜生物量在81.3%～90.9%。其添加海泡石和未添加海泡石對(duì)比，白菜生物量的最大下降也有所減緩，最小下降了30%?？梢钥闯?，隨海泡石的添加，土壤中鎘離子對(duì)白菜的生長(zhǎng)的影響有所減弱，且白菜的生物量也在不斷增加。改良劑和重金屬的互相作用，可以使土壤中的重金屬有效性降低和理化性質(zhì)的改善，進(jìn)而植物對(duì)重金屬的吸收被抑制，植物被重金屬的毒害有所減輕，進(jìn)而生物量有所增加[3]。

據(jù)王長(zhǎng)偉等的研究和圖1 白菜生物量受海泡石添加的影響柱形圖，白菜生物量隨海泡石添加量的增加而增加，是海泡石和Cd 的互相作用，改變土壤的性質(zhì)，降低土壤中有效鎘的含量，減少對(duì)作物生長(zhǎng)的抑制作用，促進(jìn)生物量的增加。

圖1 海泡石的添加對(duì)白菜生物量的影響

2.2 海泡石的添加對(duì)土壤pH 的影響

由圖2 海泡石的添加對(duì)土壤pH 的影響可知，土壤呈堿性，海泡石也為弱堿性，添加海泡石后，土壤pH 有上升趨勢(shì)，但pH 總體維持在7.7 到8.11 之間，變化不明顯；隨海泡石的添加量分梯度增加，土壤的pH 值會(huì)越來(lái)越高。土壤pH 的升高與海泡石較強(qiáng)的堿性是密不可分的，海泡石的pH 大多為10.1[3]。海泡石在pH 較高的環(huán)境下對(duì)重金屬離子的吸附能力增強(qiáng)，當(dāng)pH 越高時(shí)，土壤中的有效態(tài)鎘含量有明顯的降低，解吸量下降的趨勢(shì)明顯。海泡石表面的可變負(fù)電荷在較高的pH 下會(huì)有所增加，導(dǎo)致其凈吸附量的增加[4]。重金屬污染的土壤修復(fù)的效果和植物生長(zhǎng)受到酸堿度的影響，pH 值對(duì)土壤中有效的營(yíng)養(yǎng)成分和微生物的活性有不可忽略的作用，同時(shí)決定著土壤膠體的交換性離子組成和土壤溶液中離子組成[5]。

由圖2 和孫鐵珩等和張強(qiáng)等的研究發(fā)現(xiàn)，海泡石的投放會(huì)引起土壤的pH 上升，且在作物生長(zhǎng)允許pH 的范圍內(nèi)，海泡石的投放量愈多，其對(duì)重金屬的吸附能力愈強(qiáng)。

圖2 海泡石的添加對(duì)土壤pH 的影響

2.3 海泡石的添加對(duì)土壤脲酶活性的影響

脲酶活性-標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定，吸收氮的標(biāo)準(zhǔn)溶液梯度0、1、3、5、7、10、13 mL，配置好標(biāo)準(zhǔn)系列溶液后，吸光度值在578 nm 處用分光光度計(jì)測(cè)定。

在未添加海泡石時(shí)，土壤的脲酶活性隨土壤鎘濃度的增大最大下降了68.58%，而添加同一質(zhì)量的海泡石后，脲酶活性的最大下降量為28.68%，同一土壤污染濃度下1 mg/kg、2 mg/kg，5 mg/kg 的土壤添加4 個(gè)水平的海泡石后，土壤脲酶的活性分別增加了77.16%、268.1%、266.6%，說(shuō)明有效態(tài)鎘離子在土壤中的含量隨海泡石的添加顯著下降，進(jìn)而土壤的肥力也有所上升。重金屬濃度的變化會(huì)影響土壤脲酶的活性,且基本表現(xiàn)的是抑制作用。土壤中被摻入單因素金屬Cd 后，在不同階段，土壤脲酶活性都存在著明顯下降階段,即重金屬對(duì)土壤脲酶具有一定抑制作用。另外，微生物和農(nóng)作物的根部分泌是脲酶的主要來(lái)源，重金屬的存在使得土壤中的微生物的生長(zhǎng)活動(dòng)受到抑制，作物體內(nèi)酶的合成以及分泌量的減少。進(jìn)而降低了土壤的脲酶活性[6]。

觀察海泡石的添加對(duì)土壤脲酶活性影響的柱形圖和王家等研究，可以得出，海泡石添加對(duì)土壤中Cd 的濃度有下降的調(diào)節(jié)作用，從而緩解了重金屬Cd 對(duì)土壤脲酶活性的影響，進(jìn)而出現(xiàn)了脲酶活性增加的現(xiàn)象。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=61.767x-3.952 5，其中，y 為氮工作液量，mL，x 為吸光度（A）。由標(biāo)準(zhǔn)曲線方程和土壤脲酶活性的計(jì)算公式，可以進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 海泡石的添加對(duì)土壤脲酶活性的影響

2.4 海泡石的添加對(duì)白菜體內(nèi)鎘含量的影響

在未添加海泡石時(shí)，隨污染濃度的增加，白菜對(duì)有效鎘吸收增加了148.7%，在不同濃度的鎘污染土壤中，施加4 個(gè)水平的海泡石后，濃度分別下降了35.89%、44.53%、47.42%，可以看出，隨海泡石添加量的增加，白菜對(duì)土壤中鎘離子的固定有所增強(qiáng)，致使白菜對(duì)土壤中的鎘離子吸收濃度降低，白菜體內(nèi)有效鎘含量有著明顯的下降。硅氧四面體和鎂氧八面體膠體組成了海泡石的晶體，內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)的大小為0.37 nm×1.06 nm，其離子交換能力強(qiáng)、吸附容量大，土壤中重金屬因和其發(fā)生離子交互作用，從而鑲嵌在海泡石晶格中，土壤中的重金屬的有效態(tài)下降。大量羥基存在海泡石表面，可以與溶夜中的OH-共同作用，促使士壤溶液中的重金屬闊離子在海泡石表面沉泥生成氫氧收鎘，且海泡石中伴生碳酸鈣為堿性材料，亦可促使土壤溶液中的鎘離子形成碳酸鎘沉淀，降低士壤中鎘的生物有效性[7-10]。

根據(jù)圖4 和孫約兵等研究表明，因土壤中含有的有效態(tài)鎘下降，提升了土壤的肥力，降低了鎘對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的脅迫作用，促進(jìn)了的白菜的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而白菜的生物量出現(xiàn)了一定程度的增加。

圖4 海泡石的添加量對(duì)白菜體內(nèi)鎘含量的影響

3 結(jié)論

本文在不同濃度的鎘污染土壤中，分4 個(gè)水平添加海泡石，結(jié)果表明：

1）白菜的生物量增加，未出現(xiàn)明顯下降；

2）白菜體內(nèi)的鎘含量比未添加海泡石顯著下降；

3）土壤脲酶活性有著明顯的提高，并隨海泡石的添加增大；

4）土壤的pH 隨海泡石添加變化不大。

以上說(shuō)明，通過(guò)對(duì)土壤添加海泡石，利用其吸附性強(qiáng)的特性吸附并固定土壤中的鎘離子，能夠有效降低白菜體內(nèi)鎘含量，改善作物的生長(zhǎng)狀況和土壤的理化性質(zhì)，土壤的環(huán)境質(zhì)量在一定程度上有所改善，土壤的肥力有所上升。海泡石是一種良好的治理土壤鎘污染的鈍化修復(fù)劑。