不同鈍化材料對土壤鎘活性和大白菜鎘吸收影響的比較

張富林　夏賢格　劉婷婷　楊利　熊桂云　范先鵬　劉冬碧　余延豐　張繼銘

摘要：采用盆栽試驗的方法對比研究了石灰、偏硅酸鈉、生物炭及其混合材料對土壤鎘活性和大白菜（Brassica rapa pekinensis）鎘吸收的影響。結果表明，施用生物炭、偏硅酸鈉以及二者與石灰組成的混合材料都對土壤鎘活性和大白菜鎘吸收有抑制作用，而且抑制效果基本相當；這些材料對土壤鎘活性的抑制效果都低于石灰，但對大白菜鎘吸收的抑制效果與石灰基本相當；偏硅酸鈉和石灰抑制土壤鎘活性的機制主要是降低了土壤pH，而生物炭對土壤鎘活性的降低不僅與其降低土壤pH有關，也與其對鎘的吸附有關；施用3種鈍化材料及其混合材料都對大白菜產量沒有明顯影響。

關鍵詞：生物炭；偏硅酸鈉；石灰；鎘；土壤；大白菜（Brassica rapa pekinensis）

中圖分類號：S634.1；X171.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）24-6211-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.028

Abstract： The effects of lime， sodium metasilicate， biochar and their mixtures on soil cadmium availability and cadmium uptake of Chinese cabbage were studied comparatively using pot experiment method in this paper. The results showed that biochar， sodium metasilicate and their mixtures with lime all could inhibit the availability of soil cadmium and the uptake of Chinese cabbage on cadmium evidently， and their inhibiting capacities were almost equivalent. The inhibiting capacities of these passivators on soil cadmium availability were weaker than that of lime， but their capacities of inhibiting the cadmium uptake of Chinese cabbage were almost equivalent to that of lime. The inhibiting mechanisms of sodium silicate and lime to soil cadmium activity were decreasing the soil pH value， and the inhibition of biochar was not only related to the decrease of soil pH value， but also to the adsorption to cadmium. These passivators and their mixtures had no significant effect on the yield of Chinese cabbage.

Key words：biochar； sodium metasilicate； lime； cadmium； soil； Chinese cabbage

鎘是一種危險的環境污染物質，土壤中的鎘可以通過食物鏈進入人體中，進而引發多種疾病，如高血壓、骨痛病等。中國土壤鎘污染狀況不容樂觀，據全國土壤污染狀況調查公報[1]，中國土壤鎘的點位超標率高達7.0%。因此，研發控制土壤和農產品鎘污染的技術具有重要的意義。目前，控制土壤和農產品鎘污染的主要技術有：客土、換土等工程技術，種植超累積植物等生物技術，添加石灰、蒙脫石等化學制劑的化學鈍化技術等，其中化學鈍化技術因操作簡單、成本較低且見效快已被廣泛應用于鎘污染治理。在化學鈍化技術中，施用石灰是使用比較普遍的一項技術。但長期施用石灰會對土壤結構、土壤肥力乃至作物品質產生一定不良影響。邱靜等[2]研究發現施用石灰會降低土壤供磷量及子粒莧生物量。因此，探究控制鎘污染效果好、且對土壤和植物影響小的鈍化材料是很有必要的。生物炭具有化學穩定性高[3，4]、比表面積大、表面負電荷大以及電荷密度高的特性[5]，并且有較強的堿性和固碳減排作用，偏硅酸鈉是農業生產中比較常用的一種硅肥，其有較強的堿性，這兩種材料都可作為良好的鎘鈍化材料。試驗對比研究了石灰、生物炭、偏硅酸鈉及其混合物對土壤鎘活性和大白菜（Brassica rapa pekinensis）鎘吸收的影響，以期為提出較環保的控制鎘污染技術奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試大白菜品種為山東臨朐華良種業有限公司生產的華良早五號；鈍化材料生物炭、偏硅酸鈉、石灰均從市場購買，干燥后過0.25 mm篩備用；供試土壤為黃棕壤，其理化性質如下：pH 6.71（水∶土=5∶1）， 有機質27.02 g/kg，全氮1.74 g/kg，硝態氮30.80 mg/kg，銨態氮15.20 mg/kg，總鎘0.25 mg/kg，有效鎘0.10 mg/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 鎘污染土壤的制備 供試土壤分別按0.6 mg Cd/kg和3.0 mg Cd/kg的量加入氯化鎘（分析純），維持土壤含水量為田間持水量的60%，在自然條件下平衡14 d，形成鎘低污染和鎘高污染土壤。

1.2.2 試驗設計 采用盆栽試驗，鎘低污染和高污染土壤分別設置不施入任何材料（CK）、100%石灰（LM）、100%偏硅酸鈉（SM）、100%生物炭（BC）、50%石灰+30%偏硅酸鈉+20%生物炭（M1）、30%石灰+50%偏硅酸鈉+20%生物炭（M2）6個處理，每個處理3次重復。每盆裝鎘污染土壤1 149.2 g（烘干重），并按烘干土重的0.5%施入鈍化材料，加入鈍化材料后充分攪拌，再加水200 mL平衡7 d。平衡后，移栽大白菜（葉齡為3葉1心），每盆移栽3株。大白菜生長期間，采用稱重澆水的辦法進行水分管理，移栽一個月后收獲大白菜。

1.2.3 測定指標及方法 在大白菜收獲后測定土壤有效鎘含量和pH，并測定大白菜鎘含量。土壤有效鎘是用pH 7.3的DTPA（0.005M）-CaCl2（0.01M）-TEA（0.1M）提取，原子吸收光譜法測定。大白菜鎘含量用原子吸收光譜法測定。土壤pH用酸度計測定，水土比為5∶1。

1.3 數據處理

用Excel軟件進行數據整理和作圖，用SPSS11.5軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同鈍化材料處理對土壤鎘活性的影響

從表1可知，無論在鎘低污染還是高污染土壤上，施用石灰、偏硅酸鈉、生物炭以及由這3種材料組成的混合材料都會明顯降低土壤鎘活性。在低污染土壤上，施用等量石灰、生物炭以及由石灰、偏硅酸鈉、生物炭組成的混合材料對土壤鎘活性的降低作用較強，尤其施用石灰后，土壤有效鎘含量的降幅高達29.5%，而施用偏硅酸鈉的降低作用相對較弱，活性鎘含量的降幅為12.9%；在鎘高污染土壤上，施用等量的3種鈍化材料及其組合物也都會明顯降低土壤鎘的活性，其中，施用偏硅酸鈉、生物炭以及二者與石灰組成的混合材料對降低土壤鎘活性的效果基本相當，但低于施用石灰的效果。綜合2種土壤的結果可知，施用偏硅酸鈉、生物炭以及二者與石灰組成的混合材料都對土壤鎘活性有基本相當的降低作用，但都低于施用石灰的效果。

2.2 不同鈍化材料處理對土壤pH的影響

未添加鈍化材料的鎘低污染和高污染土壤的pH分別為5.90和6.02，添加石灰、偏硅酸鈉、生物炭以及由這3種材料組成的混合材料后，2種土壤的pH均顯著升高，其中以添加石灰的升幅最高，分別為27.6%和26.6%，生物炭的升幅最小，分別為4.1%和3.3%，其余幾種材料對土壤pH的影響介于二者之間（表2）。

2.3 不同鈍化材料處理對大白菜產量的影響

添加不同鈍化材料對大白菜產量的影響見圖1。與對照相比，雖然在鎘低污染土壤上，添加各種鈍化材料后，大白菜的鮮產量都有增加的趨勢，但差異并不明顯；在鎘高污染土壤上，添加生物炭以及添加混合材料后，大白菜鮮產量有增加的趨勢，但差異同樣不明顯。

2.4 不同鈍化材料處理對大白菜鎘含量的影響

從圖2可以看出，在不添加鈍化材料的鎘低污染和高污染土壤上，大白菜鎘含量分別為0.220和0.585 mg/kg，當添加鈍化材料后，2種土壤大白菜的鎘含量都降低，分別降到0.20和0.43 mg/kg以下，且施用偏硅酸鈉、生物炭以及二者與石灰組成的混合材料對降低大白菜鎘含量的效果與單施石灰基本相當。

3 小結與討論

施用生物炭、偏硅酸鈉以及二者與石灰組成的混合材料都對土壤鎘活性和大白菜鎘吸收有抑制作用，而且抑制效果基本相當；這些鈍化材料對土壤鎘活性的抑制效果都低于石灰，但對大白菜鎘吸收的抑制效果與石灰基本相當；偏硅酸鈉和石灰對土壤鎘活性的抑制主要是通過降低土壤pH實現的，而生物炭對土壤鎘活性的抑制不僅與其降低土壤pH有關，也與其對鎘的吸附有關；施用3種鈍化材料及其混合材料都對大白菜產量沒有明顯影響。

大白菜是中國廣泛栽培和食用的葉菜類蔬菜，極易受到土壤中鎘的毒害，表現出生長緩慢、植株矮小、退綠等癥狀。又由于根系是土壤鎘的最先接納者，因此，大白菜根系受到土壤鎘的傷害要比地上部明顯。王小晶等[6]研究表明，在低鎘和高鎘脅迫下，大白菜地上部分部僅降低2.6%和7.1%，而地下部鮮重則分別降低了19.8%和45.5%。在本研究中，添加鈍化材料后，雖然土壤有效鎘含量明顯降低，但大白菜鮮產量沒有明顯增加，這可能與地上部生長發育受土壤中鎘影響相對較小有關，也可能與本研究中大白菜生長期較短有關。

土壤有效鎘是易被植物吸收從而受害的主要形態，降低土壤有效鎘含量是防控鎘污染的關鍵。土壤pH是影響土壤有效鎘含量的重要因素之一，隨著pH的升高，土壤對鎘的吸附量和吸收能力增強，最終發生沉淀[7]。本研究中石灰、偏硅酸鈉和生物炭均屬堿性材料，均使土壤的pH明顯升高，從而使得土壤有效鎘含量都明顯降低。此外，生物炭不僅是堿性材料，同時還具有巨大的比表面積和大量的表面負電荷[5]，能夠吸附土壤中的鎘，前期研究表明，生物炭對鎘的吸附能力與蒙托石、伊利石和高嶺石等常用作鈍化劑的材料相當[8]，因而，生物炭不僅可以通過提高土壤pH來降低土壤鎘的活性，也可以通過吸附土壤中鎘來降低鎘活性。這也是本研究中雖然生物炭對土壤pH的提高幅度較低，但對土壤有效鎘含量的降低效果與偏硅酸鈉基本相當的原因所在。

在本研究中，施用偏硅酸鈉、生物炭對降低土壤鎘活性的作用基本相當，特別是在鎘高污染土壤上，且降低效果都低于施用石灰，但這2種材料對抑制大白菜鎘吸收的作用卻與石灰基本相當。之所以出現這種差異，可能與偏硅酸鈉中的硅抑制作物鎘向地上部轉運、生物炭對土壤鎘活性降低方式有關。有研究表明，加硅能緩解鎘對植物體內礦質營養元素平衡的破壞，減輕鎘對葉片和根系抗氧化酶系統酶活性和超微結構的影響，抑制鎘向地上部遷移[9-11]。因此，雖然施用偏硅酸鈉后土壤活性鎘含量較施用石灰的高，但偏硅酸鈉中的硅還會抑制土壤鎘向大白菜地上部轉運，這使得施用偏硅酸鈉的大白菜鎘累積量與施用石灰的基本相當。生物炭對土壤鎘活性的降低一方面是通過提高土壤pH實現的，另一方面是因為其有巨大的比表面積和大量的表面負電荷，會吸附大量的鎘，而石灰降低土壤鎘活性主要是通過提高土壤pH來實現的。通過提高pH降低活性的鎘會隨著pH的降低而重新恢復活性，因而一旦土壤pH降低，石灰鈍化的鎘被激活的量要多于生物炭的。有研究表明，大白菜會分泌草酸等低分子量有機酸[12]，有機酸的分泌會使其根際酸化，因此，雖然石灰對土壤鎘活性的降低作用強于生物炭，但其對大白菜鎘吸收的抑制作用與石灰基本相當。這也說明，不能直接通過比較對土壤活性鎘含量降低程度的高低來判定鈍化材料抑制作物鎘吸收作用的強弱。

此外，鈍化材料抑制作物鎘吸收能在不同作物上表現不一樣。李佳華等[13]研究表明，石灰抑制玉米吸收鎘的能力強于硅肥，而曹仁林等[14]研究表明，硅肥對提高土壤pH、降低土壤有效鎘和稻米鎘含量的作用要強于石灰。

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