含腐植酸風化煤對土壤-蔬菜系統重金屬鎘污染修復效果研究

李 通 陳士更 魏玉蓮 蘇秀榮 丁方軍，5*

(1 中國科學院沈陽應用生態研究所 沈陽 110016

2 中國科學院大學 北京 100049

3 山東農大肥業科技有限公司 泰安 271000

4 山東農業大學化學與材料學學院 泰安 271018

5 山東農業大學資源與環境學院 泰安 271018)

含腐植酸風化煤對土壤-蔬菜系統重金屬鎘污染修復效果研究

李 通1，2陳士更3魏玉蓮1蘇秀榮4丁方軍3，5*

(1 中國科學院沈陽應用生態研究所 沈陽 110016

2 中國科學院大學 北京 100049

3 山東農大肥業科技有限公司 泰安 271000

4 山東農業大學化學與材料學學院 泰安 271018

5 山東農業大學資源與環境學院 泰安 271018)

為了探索含腐植酸風化煤對土壤-蔬菜系統重金屬鎘(Cd)的修復效果，采用盆栽試驗，研究不同濃度活化的和未活化的含腐植酸風化煤對Cd脅迫下土壤pH、Cd形態及分布、小白菜生物量及小白菜體內全Cd含量的影響。結果表明：活化的含腐植酸風化煤比未活化的含腐植酸風化煤對土壤重金屬Cd鈍化作用顯著；從小白菜體內全Cd含量分析看，3 mg/kg Cd脅迫下的2HA1+3Cd處理較2HA2+3Cd處理小白菜體內全Cd含量降低17.22%，表明活化的含腐植酸風化煤能有效降低小白菜對Cd的吸收；從小白菜生物量看，4HA1+3Cd處理較CK1+3Cd處理小白菜生物量增加最多，為62.3%，4HA1+10Cd處理較CK2+10Cd處理小白菜生物量增加最多，為32.7%，表明4 g/kg活化的含腐植酸風化煤能有效提高小白菜生物量。

腐植酸 風化煤 小白菜 重金屬鎘 鈍化

土壤重金屬鎘(C d)污染已經引起社會各界的高度關注。歐共體標準物質局(European Communities Bureau of Reference)認為，土壤重金屬元素形態主要有4種：可交換及碳酸鹽結合態(酸溶態)、鐵(Fe)/錳(Mn)氧化物結合態(可還原態)、有機物及硫化物結合態(可氧化態)以及殘渣態[1]。其中，酸溶態可直接毒害土壤微生物和植物，破壞土壤生態結構，還可通過食物鏈遷移轉化，危害人體健康[2]。研究表明，含腐植酸風化煤可以抑制重金屬在植株體內的遷移富集，增強植物抗逆性[3]，同時具有改良土壤、保護土壤環境、促進植物生長發育等功能[4]。本研究采用小白菜盆栽試驗，探討了不同濃度Cd污染條件下活化和未活化的含腐植酸風化煤對土壤－小白菜系統中Cd遷移及生態效應的影響，以期為含腐植酸風化煤在無公害蔬菜生產應用上提供參考借鑒。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

供試土壤為棕壤，采自山東省肥城市農業科技試驗田，取0～20 cm表層土壤，去除動植物殘體、礫石后自然風干，過2 mm篩，置于聚乙烯袋中，干燥陰暗處保存。供試土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本理化性質Tab.1 The basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 供試含腐植酸風化煤

HA1為對未經活化的含腐植酸風化煤進行人工處理，即采用氫氧化鉀和熔融尿素的活化及絡合工藝，對風化煤中的惰性腐植酸進行脲堿雙效活化；HA2為未經活化的含腐植酸風化煤(由新疆雙龍腐植酸有限公司提供)。二者基本理化性質見表2。

表2 供試含腐植酸風化煤基本理化性質Tab.2 The basic physical and chemical properties of tested weathered coal including humic acid

1.3 供試作物

供試作物為白菜，品種為“四季小白菜”。

1.4 試驗方案

于2015年4月在山東農大肥業科技有限公司試驗田大環境中(接近于大田的自然生長狀態)進行盆栽小白菜人工模擬外源施加Cd污染土壤試驗。選擇直徑12 cm，高20 cm的塑料花盆，按含腐植酸風化煤不同添加量分別與2.5 kg人工制備Cd污染土壤摻混均勻，將前期用育苗缽培育的小白菜幼苗移栽在盆中央，不再外源施加任何肥料。每盆移栽2棵幼苗，用16 g左右土加以覆蓋。生長周期為35～37天，整個周期以自來水澆灌，保持田間持水量為75%左右[7]。整個試驗過程遇降雨共計4次，降雨量約為32～35 mm；澆水共計7次，每次澆水量為150毫升/次，澆水量合計1050毫升/盆。

試驗采用裂區設計，設外源性Cd污染為主處理。Cd污染土壤制備：以3CdSO4·8H2O作為外源Cd，參考任學軍等[8]的研究，設置3、10 mg/kg兩個濃度水平，向每盆供試土壤澆入200 mL含Cd水溶液，自然淋溶混合，自然條件下放置15天，老化后備用。設置施用活化和未活化的含腐植酸風化煤兩類處理，每類各設2、4 g/kg兩個添加量水平，共設10個處理：(1) CK1+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，不施加任何含腐植酸風化煤；(2) 2HA1+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，施入2 g/kg活化含腐植酸風化煤；(3) 4HA1+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，施入4 g/kg活化含腐植酸風化煤；(4) 2HA2+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，施入2 g/kg未活化含腐植酸風化煤；(5) 4HA2+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，施入4 g/kg未活化含腐植酸風化煤；(6) CK2+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，不施加任何含腐植酸風化煤；(7) 2HA1+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，施入2 g/kg活化含腐植酸風化煤；(8) 4HA1+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，施入4 g/kg活化含腐植酸風化煤；(9) 2HA2+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，施入2 g/kg未活化含腐植酸風化煤；(10) 4HA2+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，施入4 g/kg未活化含腐植酸風化煤。每個處理4次重復，共計40個處理。

1.5 測定指標與方法

1.5.1 植物樣品采集與測定

于小白菜收獲(生長37天)時，采集地上部和地下部，用自來水和去離子水清洗干凈葉片和根部后，稱量鮮重，獲得其生物量。采用王水-高氯酸消化(GB/T 17140-1997[9])，使用原子吸收分光光度計(日本島津AA-7000F)測定小白菜體內全Cd含量。

1.5.2 土壤樣品采集與測定

根據小白菜的生長周期，分別于試驗第0、17、37天采集盆中0～10 cm的土壤，相同處理的土壤樣品混合后，作為1個土壤樣品，風干，研磨，分別過1 mm和0.15 mm篩，備用(測土壤pH、土壤中重金屬Cd的形態及含量[10])。土壤中重金屬Cd的形態及含量測定采用改進后的BCR連續提取法[11]，將其分為酸溶態、可還原態、可氧化態、殘渣態4種形態，用原子吸收分光光度計(日本島津AA-7000F)測定。

1.5.3 數據處理分析

采用Spss 19.0中文版和Excel 2003進行數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 含腐植酸風化煤對Cd脅迫下土壤性質的影響

2.1.1 含腐植酸風化煤對土壤pH值影響

3 mg/kg和10 mg/kg Cd脅迫下，不同處理對土壤pH值影響見圖1、圖2。在3 mg/kg Cd脅迫下，CK1+3Cd處理土壤pH值呈現緩慢上升趨勢；2HA1+3Cd、4HA1+3Cd處理土壤pH值在0～17天上升速度較快，17～37天上升平行放緩，且在0～37天成比例增加；2HA2+3Cd、4HA2+3Cd處理土壤pH值在0～17天緩慢上升，17～37天緩慢下降，第37天時明顯低于供試土壤pH值(6.54)。在10 mg/kg Cd脅迫下，土壤pH值變化規律與3 mg/kg Cd脅迫處理基本一致。3 mg/kg和10 mg/kg Cd脅迫下，2HA1和4HA1處理土壤pH值均向弱堿性方向發展，2HA2和4HA2處理土壤pH值均向酸性方向發展。

2.1.2 含腐植酸風化煤對土壤Cd形態分布影響

不同處理對小白菜生長第17天、第37天土壤中Cd各形態影響見圖3、圖4。由圖可知，第37天各處理土壤中重金屬Cd各形態含量與第17天相比較，含腐植酸風化煤處理下的土壤酸溶態Cd含量均顯著下降，殘渣態Cd含量均顯著增加，可還原態和可氧化態Cd含量均變化不大。其中，2HA1+3Cd、4HA1+3Cd、2HA2+3Cd、4HA2+3Cd處理酸溶態C d含量分別下降16.3%、21.3%、7.75%、13.05%；2HA1+10Cd、4HA1+10Cd、2HA2+10Cd、4HA2+10Cd處理酸溶態Cd含量分別下降7.2%、13.2%、9.15%、21.05%。

從圖中還可以看出，含腐植酸風化煤各處理可以不同程度促進殘渣態Cd含量增加、酸溶態Cd含量減少。在3 mg/kg Cd脅迫下，2HA1+3Cd、4HA1+3Cd、2HA2+3Cd、4HA2+3Cd處理分別較CK1+3Cd處理殘渣態Cd含量增加4.73%、7.66%、4.57%、6.05%，酸溶態Cd含量減少10.08%、17.05%、8.92%、13.2%。在10 mg/kg Cd脅迫下，2HA1+10Cd、4HA1+10Cd、2HA2+10Cd、4HA2+10Cd處理分別較CK2+10Cd處理殘渣態Cd含量增加2.04%、3.51%、3.09%、4.75%，酸溶態Cd含量減少5.7%、12.1%、4.68%、9.24%。兩個濃度Cd脅迫下，分別以4HA1+3Cd和4HA1+10Cd處理下殘渣態Cd含量增加比例較高、酸溶態Cd含量減少比例最多，說明4 mg/kg活化含腐植酸風化煤對土壤的修復效果較好。

2.2 含腐植酸風化煤對Cd脅迫下小白菜生物量和體內全Cd含量的影響

2.2.1 含腐植酸風化煤對小白菜生物量的影響

不同處理對小白菜生物量的影響見圖5。從圖中可知，施加含腐植酸風化煤處理與不添加含腐植酸風化煤處理相比，對小白菜生長均具有不同程度的促進作用。在3 mg/kg Cd脅迫下，4HA1+3Cd處理與4HA2+3Cd處理差異不顯著，與CK1+3Cd、2HA1+3Cd、2HA2+3Cd處理比較差異均顯著，兩個處理小白菜生物量較CK1+3Cd處理分別增加了74%和62.3%。在10 mg/kg Cd脅迫下，4HA1+10Cd處理與CK2+10Cd、2HA2+10Cd處理比較差異顯著，與2HA1+10Cd、4HA2+10Cd處理比較差異不顯著，4HA1+10Cd處理小白菜生物量最高，比CK2+10Cd處理增加了32.7%。綜上結果表明，4 g/kg活化的含腐植酸風化煤能有效提高小白菜的生物量。

2.2.2 含腐植酸風化煤對小白菜體內全Cd含量影響

不同處理對小白菜體內全C d含量影響見圖6。從圖中可知，在3 mg/kg Cd脅迫下，2HA1+3Cd、4HA1+3Cd、4HA2+3Cd處理與CK1+3Cd處理相比，均能顯著降低小白菜體內全Cd含量，但三者之間差異不顯著；2HA2+3Cd處理與CK1+3Cd處理相比，對小白菜體內全Cd含量影響則不明顯；在10 mg/kg Cd脅迫下，2HA1+10Cd、2HA2+10Cd、4HA2+10Cd處理與CK2+10Cd處理相比，均能顯著降低小白菜體內全Cd含量，但三者之間差異不顯著；4HA1+10Cd處理與CK2+10Cd處理相比，對小白菜體內全Cd含量影響則不明顯。

在3 mg/kg Cd脅迫下，2HA1+3Cd處理較2HA2+3Cd處理小白菜體內全Cd含量降低17.22%，4HA1+3Cd處理較4HA2+3Cd處理小白菜體內全Cd含量降低1.47%，兩者差異不顯著；在10 mg/kg Cd脅迫下，2HA1+10Cd處理較2HA2+10Cd處理小白菜體內全Cd含量降低0.84%，兩者差異不顯著；4HA2+10Cd處理較4HA1+10Cd處理小白菜體內全Cd含量降低2.09%。綜上結果表明，活化含腐植酸風化煤對低含量(3 mg/kg)Cd脅迫下小白菜體內全Cd的遷移轉化效果好，未活化含腐植酸風化煤對高含量(10 mg/kg)Cd脅迫下小白菜體內全Cd的遷移轉化[12]效果好。

3 結論

(1) 施用含腐植酸風化煤處理，隨著小白菜生長周期的延長，土壤酸溶態Cd含量均顯著下降，殘渣態Cd含量均顯著增加，可還原態和可氧化態Cd含量均變化不大。4HA1+3Cd和4HA1+10Cd處理土壤殘渣態Cd含量增加比例較高，酸溶態Cd含量減少比例最多，說明4 mg/kg活化含腐植酸風化煤對土壤的修復效果較好。

(2) 10 mg/kg和3 mg/kg Cd脅迫對小白菜生物量有明顯的抑制作用，而且10 mg/kg Cd脅迫較3 mg/kg Cd脅迫對小白菜的生長抑制作用更明顯。施加活化或未活化的含腐植酸風化煤處理對小白菜生物量均有所提高，其中施用4 g/kg活化的含腐植酸風化煤對提高小白菜生物量效果最明顯。

(3) 從小白菜體內全Cd含量分析來看，含腐植酸風化煤能有效降低小白菜對全Cd的吸收。在3 mg/kg Cd脅迫下，活化含腐植酸風化煤對小白菜體內全Cd的遷移轉化效果好；在10 mg/kg Cd脅迫下，未活化含腐植酸風化煤對小白菜體內全Cd的遷移轉化效果好。

[ 1 ]Ure A. M., Quevauvillier P., Muntau H., et al.. Speciation of heavy metals in soils and sediments. An account of the improvement and harmonization of extraction techniques undertaken under the auspices of the BCR of the commission of the European Communities[J]. International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 1993, 51: 135～151

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[ 3 ]韓文質. 腐植酸類肥料對土壤的改良作用及施用方法[J]. 甘肅農業科技，1997，(6)：32～33

[ 4 ]陳溫福，張偉明，孟軍，等. 農用生物炭研究進展與前景[J]. 中國農業科學，2013，46(16)：3324～3333

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[ 6 ]GB/T 11957-2001，煤中風化煤腐植酸測定方法[S].

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[ 12 ]Wang L., Xu Y. M., Sun Y. B., et al.. Identifi cation of pakchoi cultivars with low cadmium accumulation and soil factors that affect their cadmium uptake and translocation. Frontiers of Environmental Science and Engineering, 2014, 8(5): 745～755

Recovery Effect Study on Weathered Coal Including Humic Acid under the Pollution of Heavy Metal Cadmum in Soil-vegetable System

Li Tong1,2, Chen Shigeng3, Wei Yulian1, Su Xiurong4, Ding Fangjun3,5*
(1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, 110016 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049 3 Shandong Agricultural University Fertilizer Science Technology Co. Ltd., Taian, 271000 4 College of Chemistry and Material Science, Shandong Agricultural University, Taian, 271018 5 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian, 271018)

In order to explore the recovery effects of the weathered coal including humic acid on soil heavy metal cadmium (Cd) in soil-vegetable system. A pot experiment was conducted to investigate the effects of different concentration of activated weathered coal including humic acid and non-activated weathered coal including humic acid on soil pH, cadmium form and its distribution, Chinese cabbage biomass and Cd total content in the body of Chinese cabbage under the stress of Cd. The results showed that the activated weathered coal including humic acid had more signifi cant effect on soil heavy metal Cd passivation than the non-activated weathered coal including humic acid. From the analysis of total Cd content in the body of Chinese cabbage, under 3 mg/kg Cd stress, the total Cd content in the body of Chinese cabbage for 2HA1+3Cd treatment decreased by 17.22% compared with 2HA2+3Cd treatment, whichshowed that the activated weathered coal including humic acid could decrease the Cd uptake by Chinese cabbage effectively. From Chinese cabbage biomass, the largest increase of Chinese cabbage biomass were 4HA1+3Cd treatment (62.3%) and CK2+10Cd treatment (32.7%) compared with CK1+3Cd treatment and CK2+10Cd separately. The results indicated that 4 g/kg activated weathered coal including humic acid could effectively improve Chinese cabbage biomass.

humic acid; weathered coal; Chinese cabbage; heavy metal Cadmum; passivation

TQ314.1

A

1671-9212(2016)06-0016-07

國家自然科學基金項目(項目編號31370514)；山東省重點研發計劃“新型土壤調理劑關鍵技術研發與應用”(項目編號2015GGH310001)；山東省自主創新專項“新型多功能微生物肥料研制”(項目編號2014ZZCX07302)。

2016-06-13

李通，男，1992年生，在讀碩士研究生，主要從事生物多樣性研究。*通訊作者：丁方軍，男，教授，E-mail：dfj403@163.com。