三種黏土礦物對蠶豆生長和重金屬含量的影響

張金秀，何永美，李 博，王 燦，李天國，秦 麗，湛方棟*，李 元

（1.云南農業大學資源與環境學院，昆明 650201；2.中國冶金地質總局昆明地質勘查院，昆明 650203）

近年來，由于金屬礦的開采和冶煉導致礦區周邊的農田土壤重金屬污染嚴重[1]，據統計，我國農田土壤受重金屬污染面積高達2.0×107hm2，占總耕地面積的1/5[2]。土壤中重金屬不僅對土壤結構產生負面影響，導致土壤肥力下降，而且以有效態形式被作物吸收富集在體內，降低農作物的產量和品質[3]，因此對重金屬污染土壤修復技術的研究已經引起了國內外的廣泛關注，對重金屬污染土壤進行修復，減少作物對重金屬的吸收，已成為我國一項十分緊迫的任務[4]，而原位鈍化修復技術[5]是目前應用比較廣泛的重金屬污染土壤修復方法之一。

原位鈍化修復是向污染土壤中施加活性鈍化修復材料，如沸石、鈉基膨潤土、硅藻土等黏土礦物是常用的土壤重金屬鈍化劑[6]。沸石[7]比表面積大，吸附性能好，表面可以形成水合氧化物覆蓋層出現游離負離子，通過絡合作用吸附重金屬離子，降低重金屬有效性，提高其穩定性。鈉基膨潤土具有良好的離子交換性和吸附性，對重金屬離子具有很好的吸附去除作用[8-9]。硅藻土[10]是一種多孔性硅質巖黏土礦物，比表面積大、吸附能力強，致使其對重金屬的吸附能力強。以上3種鈍化劑與重金屬之間可以通過溶解沉淀，離子交換吸附，氧化還原和有機絡合等一系列物理化學反應過程[11]，改變重金屬在土壤中的存在形態，降低重金屬在土壤中的生物有效性和遷移性，減少作物對重金屬的吸收，減緩重金屬對作物生長的毒害作用[12]。黏土礦物資源易得、價廉，利用黏土礦物復治理重金屬污染土壤修是一條值得推廣的有效途徑[13]。

云南省會澤縣位于云南省東部，是我國鉛鋅的重要場地之一[14]。會澤鉛鋅礦是我國鉛鋅礦的典型代表，礦產工業大量生產與冶煉對礦區及周邊農田土壤造成不同程度的重金屬污染[15]。農田土壤與人類生產生活息息相關，具有不可替代的作用，如何有效快速地修復重金屬污染農田土壤，增加農作物的產量，改善農作物品質，是一項重要任務[16]。以往學者大多偏于研究黏土礦物對單一金屬元素的影響，對多種金屬元素共同影響的研究較少，但自然界中土壤不只受一種重金屬污染，對受多種重金屬污染的土壤進行修復治理應該得到全世界的廣泛關注。本文選用會澤鉛鋅礦區周圍田地土，研究黏土礦物對蠶豆生長、礦質營養和積累重金屬（鎘、鉛、銅、鋅）的影響。為農產品增產增收、改善品質和多種重金屬污染土壤的鈍化修復及修復機理提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蠶豆（Vicia fabaL.）為云豆147，所選種子大小一致且籽粒飽滿。

供試土壤為山原紅壤，采集自云南省曲靖市會澤鉛鋅礦區重金屬污染農田，土壤pH為5.74，有機質含量為 28.12 g·kg-1，鎘、鉛、銅、鋅全量分別為 4.51、268.89、85.81、301.75 mg·kg-1，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為35.04、19.72 mg·kg-1和125.07 mg·kg-1。

供試黏土礦物，鈉基膨潤土pH為9.2，孔隙度為92%；硅藻土pH為7.1，孔隙度為91%；沸石pH為5.8，孔隙度為92%。

1.2 試驗處理

將所選種子放入1%次氯酸鈉（NaClO）溶液中并在超聲波清洗機中處理1 min后取出，用無菌蒸餾水沖洗種子表面上殘留的NaClO溶液，沖洗干凈后，放入75%的乙醇溶液中并在超聲波清洗機中處理3 min，然后用無菌蒸餾水漂洗至無色，放入墊有浸濕濾紙已滅菌的培養皿中，在25℃溫度下恒溫培養3 d，待種子萌發長成幼苗時，挑選無污染且生長一致的幼苗備用。供試土壤采回后，經自然風干，剔除雜物，搗碎研磨后過1 mm尼龍篩混勻保存，待用。

于2016年10月9日在云南農業大學實驗大棚內開始試驗，試驗設4個處理（對照、鈉基膨潤土、硅藻土、沸石），每個處理4個平行，共16份盆栽，每盆添加原土3 kg。除對照外，另外3組處理在原土基礎上分別加入5%的鈉基膨潤土、硅藻土和沸石混勻待播種。每盆播種蠶豆苗7株，實驗過程中不施用化肥和農藥，采用自然光照，期間根據盆栽土壤水分狀況澆灌去離子水，保持土壤濕潤，培育60 d后采樣。

將蠶豆整株取出，抖去根部附著比較疏松的土壤，采集與根系緊密結合的根際土壤（厚度約為1 mm），自然風干搗碎研磨后裝袋備用。將蠶豆植株分為地上部莖葉和地下部根系，用蒸餾水漂洗干凈，晾干，于105℃殺青30 min，再經75℃烘干72 h至恒質量，碾磨粉碎備用[15]。

1.3 測定方法

用直尺測量株高，地上部和地下部干重用電子秤稱量。采用分光光度法測定葉綠素，英國PP-System公司CIRAS-1型全自動便攜式光合測定系統測定[17]光合作用參數。

分別采用堿解擴散比色法、0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法、1 mol·L-1NH4OAC浸提-火焰光度法測定土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量[18]。

H2SO4-H2O2消煮，比色法測定植株全氮、全磷、全鉀。HNO3-HClO4消煮，原子吸收分光光度法測定植物鎘、鉛、銅、鋅，稱取備用的植物放入消解管中，加入10 mL濃硝酸和4 mL高氯酸，消解，用原子吸收分光光度計測定吸光值。0.1 mol·L-1HCl浸提，原子分光光度法測定土壤有效態鎘、鉛、銅、鋅，稱取10.0 g備用根際土，加入50.0 mL 0.1 mol·L-1HCl，振蕩，過濾，用原子吸收分光光度計測定濾液吸光值[19]。

1.4 統計分析

實驗數據運用Microsoft Excel 2013進行處理，計算平均值和標準差，用IBM SPSS Statistics V 21.0數據處理軟件進行統計分析，用Duncan（D）法檢驗各處理平均值在0.05水平的差異性，用OriginPro 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 3種黏土礦物對蠶豆植株光合生理和生長的影響

鈉基膨潤土顯著增加蠶豆葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量，分別增加20%、21.7%和20%；硅藻土顯著增加蠶豆葉片葉綠素b含量，增加13%，沸石增加蠶豆葉片葉綠素b和類胡蘿卜素含量，分別增加17%和13.5%（圖1）。可見，3種黏土礦物不同程度地增加蠶豆葉片光合色素的含量。

鈉基膨潤土和沸石顯著增加蠶豆胞間CO2濃度，分別增加18.2%和17.4%；3種黏土礦物都能顯著增加蠶豆蒸騰速率、氣孔導度、光合速率，增幅分別為22.4%～58.2%、27.3%～54.5%、28.6%～41.8%（圖2）。可見重金屬脅迫下，施加黏土礦物不同程度地增加蠶豆光合作用速率。

3種黏土礦物顯著增加蠶豆的株高，增幅為122%～162%，以及顯著增加蠶豆地上部和地下部的生物量，增幅分別為15%～60%和11%～39%（圖3）。可知，施加黏土礦物顯著增加蠶豆株高和生物量。

2.2 3種黏土礦物對土壤-蠶豆體系養分含量的影響

鈉基膨潤土、硅藻土、沸石顯著降低土壤堿解氮含量，分別降低45.2%、25.8%、12.5%。硅藻土顯著降低土壤速效磷含量，降低48%。鈉基膨潤土和硅藻土顯著降低土壤速效鉀含量，降幅分別為25%和12%（圖4）。可知，黏土礦物降低土壤速效養分的含量，但影響效應存在差異。

圖1 不同黏土礦物對蠶豆葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量的影響Figure 1 Effects of different clay minerals on chlorophyll and carotenoid content of Vicia faba leaves

硅藻土顯著增加蠶豆全磷、全鉀以及地下部全氮含量，增幅高達83%，沸石顯著增加蠶豆地下部全磷含量，增加23%，但鈉基膨潤土顯著降低蠶豆地上部全氮、全磷、全鉀含量（圖5）。由此可知，施加黏土礦物能不同程度地改變蠶豆對養分的吸收。

2.3 3種黏土礦物對土壤pH值和重金屬有效態含量的影響

鈉基膨潤土顯著升高土壤pH值，升高22%，硅藻土和沸石對土壤酸堿性沒有顯著性影響（圖6）。

圖2 不同黏土礦物對蠶豆光合指標的影響Figure 2 Effects of different clay minerals on the photosynthetic indicators of Vicia faba

圖3 不同黏土礦物對蠶豆株高和生物量的影響Figure 3 Effects of different clay minerals on plant height and biomass of Vicia faba

鈉基膨潤土和沸石顯著減少土壤有效態鎘的含量，分別減少20%和12%；鈉基膨潤土、硅藻土和沸石顯著降低土壤有效態鉛和有效態銅含量，降幅分別為18%～28%和14%～23%，但3種黏土礦物對土壤有效態鋅沒有顯著影響（圖7）。可知，黏土礦物對重金屬具有選擇抑制性。

2.4 黏土礦物對蠶豆植株重金屬含量和累積量的影響

鈉基膨潤土、硅藻土和沸石3種黏土礦物均顯著降低蠶豆植株的鋅含量，以及顯著降低蠶豆地下部的鉛和銅含量，降幅以沸石處理較大。此外，鈉基膨潤土和沸石處理顯著降低蠶豆地上部的鎘含量，硅藻土和沸石顯著降低蠶豆地上部的鉛含量和地下部的鎘含量（圖8）。可見，施加黏土礦物能不同程度地降低蠶豆植株中鎘、鉛、銅、鋅的含量。

鈉基膨潤土和沸石顯著降低蠶豆地上部鎘累積量，降幅為34%～50%，且顯著降低蠶豆植株鉛累積量，分別降低25%和30%。3種黏土礦物都能顯著降低地下部銅累積量，降幅為10%～15%，也能顯著降低蠶豆植株鋅累積量，地上部和地下部降幅分別為10%～15%和10%～18%（圖9）。可知施加黏土礦物不同程度地降低蠶豆對鎘、鉛、銅、鋅的累積，其中沸石的效應最大，其次是鈉基膨潤土。

圖4 不同黏土礦物對土壤速效養分含量的影響Figure 4 Effects of different clay minerals on soil available nutrient content

2.5 相關分析

相關分析表明，土壤有效態鎘含量與蠶豆地上部鎘含量（r=0.646，P＜0.01）、有效態銅含量與蠶豆地下部銅含量（r=0.652，P＜0.01）呈極顯著正相關，有效態鋅含量與蠶豆地上部鋅含量（r=0.614，P＜0.05）、地下部鋅含量（r=0.608，P＜0.05）均呈顯著正相關。

3 討論

3.1 重金屬污染脅迫下黏土礦物對植物生長的影響

圖5 不同黏土礦物對蠶豆植株養分含量的影響Figure 5 Effects of different clay minerals on nutrient content of Vicia faba plants

圖6 不同黏土礦物對土壤pH值的影響Figure 6 Effects of different clay minerals on soil pH value

葉綠素和類胡蘿卜素是作物進行光合作用的重要色素因子，光合作用是作物生長發育的基礎[20]，胞間CO2濃度、蒸騰速率和氣孔導度是影響凈光合速率的重要因素，在光合作用過程中需要它們的協同作用，才能使作物的光合作用順利進行[21-22]。本次實驗研究結果得出，重金屬脅迫下施用黏土礦物（鈉基膨潤土、硅藻土、沸石）顯著增加蠶豆葉綠素和類胡蘿卜素含量，提高胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導度和光合速率。因為黏土礦物通過礦物表面的吸附、離子交換固定重金屬，降低重金屬向作物體內的遷移，減少作物體內重金屬的含量，減弱葉綠體基質的毒害，增加作物的光合作用[23]。研究表明在重金屬的脅迫下，嚴重傷害葉片中的葉綠體和線粒體，而葉綠體和線粒體是植物光合作用和呼吸作用的重要場所[24]，葉綠體基質受到破壞會抑制作物葉片中葉綠素和類胡蘿卜素的合成，導致作物光合速率降低[25]，施用鈍化劑（黏土礦物）會降低這種毒害作用，促進作物的光合作用。作物光合作用增加，產生大量能量提供給根系，用于對土壤中養分（氮、磷、鉀）的吸收，土壤中養分的含量減少，提高作物養分（氮、磷、鉀）累積量，促進作物的生物量和產量[26]。對一些作物的研究發現：硅藻土可促進雀稗對氮磷鉀的吸收，沸石和膨潤土可提高玉米和小白菜植株中氮磷鉀的含量[27-29]。土壤中施加膨潤土對油菜生長影響的研究表明，施加膨潤土顯著提高油菜的葉綠素含量和生物量[30]，與本實驗得出的重金屬脅迫下，施加黏土礦物蠶豆養分（全氮、全磷、全鉀）累積量增加，提高蠶豆的生物量和產量的結果相一致。

3.2 重金屬污染脅迫下黏土礦物對土壤-作物體系重金屬遷移的影響

重金屬在土壤中以不同化學形態存在[31]，如：有效態（水溶態、交換態），緩溶態（Fe/Mn氧化物結合態、有機結合態）和無效態（殘渣態），僅金屬有效態能被植物吸收并累積在體內。如何降低土壤重金屬的生物有效性是重金屬污染土壤修復需要解決的根本問題。本實驗分析得出，在重金屬污染脅迫下施用黏土礦物（鈉基膨潤土、硅藻土、沸石）對土壤中的重金屬（鎘、鉛、銅）有顯著鈍化作用，但對鋅鈍化效果不顯著。鈉基膨潤土、沸石和硅藻土主要成分中富含大量的不穩定活性基團，通過離子交換吸附-配合-共沉淀作用，促使土壤中的重金屬由交換態向殘渣態轉變，從而降低重金屬（鎘、鉛、銅）的生物有效性與遷移性。有學者研究表明[32]施加海泡石、磷酸鹽可顯著增加水稻生物量，降低鎘、鉛有效態含量。Usman等[33]在重金屬污染土壤（鋅、鎘、銅、鎳）中施加黏土礦物（鈉基膨潤土、鈣基膨潤土和沸石），得出施加黏土礦物可顯著降低土壤有效態鋅、鎘、銅、鎳的含量。

圖7 不同黏土礦物對土壤重金屬有效態含量的影響Figure 7 Effects of different clay minerals on soil heavy metals content

圖8 不同黏土礦物對蠶豆植株重金屬含量的影響Figure 8 Effects of different clay minerals on heavy metal content in Vicia faba plants

圖9 不同黏土礦物對蠶豆植株重金屬累積量的影響Figure 9 Effects of different clay minerals on heavy metal accumulation in Vicia faba plants

不同黏土礦物對不同重金屬的吸附能力有差異，由于黏土礦物之間存在理化性質的差異[34]，鈉基膨潤土[8]結構中存在不穩定的Na+，易與其他陽離子發生離子交換；硅藻土[10]自身帶負電荷且表面有大量不同種類的硅羥基光能團；沸石[7]主要成分是四面體網狀結構鋁硅酸鹽，多孔性具有極強的離子交換能力。本試驗得出，對土壤中鉛、銅的吸附效果為，沸石>硅藻土>膨潤土；鈉基膨潤土對鎘的吸附作用最顯著。有學者研究膨潤土與硅藻土對重金屬污染底泥的穩定性發現，高濃度污染脅迫下硅藻土比膨潤土對銅抑制效果更顯著[35]。康宏宇等研究黏土礦物對重金屬鈍化作用中發現，硅藻土對土壤中銅、鉛鈍化效果僅次于沸石[36]。因此針對不同重金屬污染土壤可選用不同黏土礦物進行原位鈍化修復，但黏土礦物長期存留在土壤中對土壤有何影響或者發生何種變化還有待深入研究。

3.3 重金屬污染脅迫下黏土礦物對作物重金屬吸收的影響

土壤中重金屬隨著作物根系對養分的吸收遷移到體內，對作物的新陳代謝、生長發育產生影響。降低重金屬的生物有效性是控制作物對重金屬吸收的關鍵性因素[37]。有學者研究表明施用海泡石顯著降低菠菜地上部、地下部鎘含量；蛭石顯著降低萵苣、菠菜體內重金屬含量[38-41]。硅藻土、沸石等處理顯著降低玉米籽粒對鎘、鉛的吸收量和累積量，鎘含量降低高達89%、鉛含量降低46%[42]。本試驗得出，重金屬脅迫下，施加黏土礦物不同程度降低蠶豆中鎘、鉛、銅和鋅的含量，其中鈉基膨潤土和沸石顯著降低蠶豆地上部有效態鎘含量，分別降低33.8%和63.4%。黏土礦物具有大量的活性官能團，與活性低的重金屬能發生離子交換，將重金屬固定在土壤中，降低重金屬的生物有效性[43]。

4 結論

重金屬污染脅迫下施加黏土礦物能促進蠶豆葉片光合作用，改變蠶豆對土壤養分（氮、磷、鉀）的吸收，提高生物量；降低重金屬在土壤中的有效態含量，減少蠶豆對重金屬的吸收；3種黏土礦物顯著抑制鉛和銅在土壤中的生物有效態，但對土壤有效態鋅沒有顯著影響；鈉基膨潤土對鎘的鈍化效果最顯著。因此針對不同重金屬污染土壤可施用不同種類的黏土礦物，為快速有效治理修復重金屬污染土壤提供理論依據。