零價鐵對灘涂土壤重金屬鎘形態及有效性的影響

臧彩云+沈袁玲+顧敏京+黃顧林+左文剛+柏彥超+單玉華

摘要：沿海灘涂鹽土是重要的后備耕地資源，但新圍墾的灘涂并非農用耕地，需要投入大量的有機物料加以熟化改良，而大量有機物料的加入容易導致土壤重金屬鎘（Cd）污染，這成為灘涂土壤改良的重要限制因素之一。由于零價鐵可以降低土壤重金屬活性，研究施用零價鐵對灘涂土壤鎘形態變化以及植株鎘累積的影響。結果表明，隨著零價鐵施用量的增加，灘涂土壤有效態鎘含量逐漸降低，易被植株吸收的酸溶態和可還原態鎘含量整體上均有所下降，而較穩定不易被植株吸收的可氧化態及殘渣態鎘含量都有所增加；植株體內鎘累積量也在一定范圍內隨著零價鐵施用量的增加呈下降趨勢。

關鍵詞：灘涂鹽土；零價鐵；重金屬鎘；有效性；鎘形態；污染

中圖分類號： S156；X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0249-02

收稿日期：2016-03-22

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（15）1005]。

作者簡介：臧彩云（1993—），女，江蘇如皋人，主要從事植物營養、重金屬污染土壤改良方面的研究。E-mail：1070813932@qq.com。

通信作者：單玉華，博士，教授，主要從事農田生態環境與農業資源利用方面的研究。Tel：（0514）87979645；E-mail：shanyuhua@gmail.com。 土壤是人類生存與發展的基礎，隨著工業、農業的迅速發展，受重金屬污染的土壤面積不斷擴大，我國耕地資源緊缺，有限的耕地資源隨著人口的不斷增長，以及工礦、交通、城市建設用地的不斷增加，產生的人地矛盾形勢嚴峻[1-3]。我國東部沿海每年可以形成約2萬hm2的淤泥質灘涂，改造后可為全國特別是沿海省份的長期發展提供較為實際可靠的后備資源[4]。灘涂鹽土屬于特殊原始土壤，最顯著的特征就是鹽分含量偏高，有機質含量極低，耕作層次尚未形成，結構差，通氣保水性差，養分含量低且易流失，供應能力差，微生物區系組成單一，需要通過投入大量的有機物料加以熟化改良[5-6]。有研究表明，長期施用高量有機肥會增加土壤中的鎘（Cd）含量，而在灘涂鹽土改造的過程中，會不可避免地使用各種肥料，這就為灘涂鹽土受重金屬鎘的污染帶來了可能性[7-9]。同時由于工農業的迅速發展，重金屬的排放量也在急劇增加，長期受環境的影響，灘涂鹽土也勢必會受重金屬鎘的污染[10-11]。當土壤中的鎘過量時，會出現破壞葉片中葉綠素、減少根系對養分和水分的吸收、抑制根系對氮的固定等不良現象[12-13]。而通過食物鏈，這些污染土壤中長出的植物會攜帶有害物質，使其最終被人體吸收，誘發各種疾病，從而對人體產生危害[14-18]。所以，有效地控制及治理土壤鎘污染，提高土壤質量會成為生態環境保護中一項非常重要的工作。目前，原位修復方法是治理重金屬污染土壤的重要方法之一[19]。原位修復中經常被利用的物質是具有物理化學吸附和固持能力的有機質、鐵錳氧化物等，該方法非常適用于修復重金屬輕污染的大面積土壤，因其技術具有快速、經濟、有效等優點，越來越受到人們的歡迎[20-21]。零價鐵能夠專性吸附重金屬離子，將其固定到氧化物晶格層間，能使還原性鐵粉生物有效性降低[22]。原位零價鐵修復技術雖然已被大范圍使用，但在灘涂鹽土上的應用較為罕見。本研究通過模擬盆栽試驗，研究施用零價鐵對灘涂土壤中不同形態鎘含量及植株體內累積量的影響，以期為鎘污染鹽土的修復提供參考依據，從而為灘涂鹽土的改良提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試灘涂鹽土采自江蘇省南通市如東縣兆盈農場。采集0～20 cm 表層土壤，經自然風干后，過2 mm篩，備用。

1.2 試驗設計

試驗于2015年2—6月在揚州大學環境科學與工程學院試驗大棚內進行。采用盆栽種植方法，每盆填土1 kg，參照GB 15618—1995 《土壤環境質量標準》，設置土壤的重金屬含量為鎘30.0 mg/kg土，重金屬鎘以氯化鎘的形態加入盆栽土中，干濕交替培養1個月后得到鎘污染土樣，老化完成后測得土樣全量鎘含量為28.14 mg/kg。分別按添加量為土壤質量的0.5%、1.0%、2.0%、4.0%添加改良劑零價鐵，分別為05、10.0、20.0、40.0 g/盆，共4個不同施用量處理（T1～T4），同時添加空白對照組，記為CK，將零價鐵與污染土樣混合均勻后裝入直徑15 cm、高18 cm的食品級聚氯乙烯（PVC）盆中，每個處理3次重復。裝盆預培養1個月后播種，另留部分土樣在室溫下自然風干后用于有關性質的測定。每盆選6粒飽滿的玉米種子均勻撒播后在表面覆蓋0.5 cm厚的土層。播種4 d出苗后進行間苗，每盆保留3株均勻分布、大小一致的植株。在自然光照條件下生長，每2 d用去離子水澆灌1次，調節土壤含水量在最大持水量的60%左右。2015年6月9日種植，2015年7月24日收割，共計45 d。

1.3 測定項目及方法

供試土樣的測定采用土壤農化常規分析法：速效重金屬含量采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提法，全量重金屬含量采用HCl-HNO3-HClO4消煮法，重金屬的形態采用歐共體標準物質局（BCR） 4步法，均用火焰原子吸收分光光度計（Model SOLAAR M6，Thermo Elemental，Thermo Fisher Scientific Inc，美國）測定[23]。

玉米植株收割后用去離子水洗凈，置于105 ℃烘箱中殺青1 h，在65 ℃條件下烘干至恒質量，稱量干質量，粉碎，待測。植株體內鎘含量采用干灰化法，用火焰原子吸收分光光度計測定[23]。

試驗數據采用Excel 2007和SPSS 19.0進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 零價鐵對污染灘涂鹽土中速效鎘的影響endprint

圖1顯示，隨著零價鐵施用量的增加，土壤中速效鎘含量不斷降低，且各處理間差異顯著。與CK相比，處理T4的速效鎘含量由13.18 mg/kg降到5.23 mg/kg。可見零價鐵的施用有助于灘涂鹽土速效鎘含量的降低，這是由于零價鐵可以吸附土壤有效重金屬，顯著降低土壤有效重金屬含量。

2.2 零價鐵對污染灘涂鹽土中鎘形態的影響

施用零價鐵后，土樣中重金屬鎘的形態變化特征見圖2。可以看出，隨著還原性鐵粉施用量的增加，酸溶態（EX）含量占全量的比例呈下降趨勢，且變化幅度較大，從T1到T4處理其所占比例依次為61.6%、49.9%、42.2%、33.6%，較對照處理的65.8%均有所下降，且趨勢明顯。可還原態（OXI）含量占全量的比例呈先上升后下降的趨勢，變化幅度不是很大，從T1到T4處理其所占比例依次為19.7%、20.9%、21.6%、20.7%，對照處理為17.1%，當零價鐵施用量達到T3處理（2.0%）時，達到最大值。可氧化態（ORG）含量占全量的比例呈上升趨勢，且趨勢明顯，從T1到T4處理其所占比例依次為11.2%、195%、24.2&、27.0%，較對照處理的12.6%除T1處理外均有所上升；殘渣態（RES）含量占全量的比例也呈逐漸上升趨勢，幅度較大，從T1到T4處理其所占比例依次為7.5%、9.7%、12.0%、18.8%，較對照處理的4.6%均有所上升。

2.3 零價鐵對玉米植株鎘吸收的影響

施用零價鐵對玉米植株鎘吸收的影響見圖3，可見隨著施用量的增加，與對照組相比，植株鎘含量呈先上升后下降的趨勢，當達到處理T2（1.0%）時達到最大值，之后逐漸下降。

3 結論與討論

沿海新圍墾灘涂土壤的培肥熟化，需要投入大量的有機物料，而大量有機物料的添加會使土壤中的重金屬鎘含量增加，這成為灘涂土壤改良的重要限制因素之一。鎘污染灘涂鹽土經過施用零價鐵后，土壤中的鎘形態分布發生了明顯的變化，零價鐵的施用對土壤鎘活性的降低效果極顯著，對可氧化態、殘渣態的相對含量增加效果明顯，與在普通農田土上的施用效果一致[24]。施用零價鐵顯著降低了玉米植株重金屬鎘累積量，主要是因為零價鐵的施用降低了土壤有效態重金屬鎘的含量，與前人研究結果[25]一致。那么，除了施用零價鐵改良效果明顯外，其他原位修復改良劑如生物炭、吸水樹脂等材料的改良效果如何，值得深入研究。

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