貴州特色鈍化劑對鎘生物有效性及莧菜吸收鎘的影響

楊謹銘， 羅沐欣鍵， 柴冠群， 劉桂華，瞿 飛， 范成五， 秦 松

(1.貴州大學農學院， 貴陽 550025； 2.貴州省農業科學院土壤肥料研究所， 貴陽 550006；3.貴州省農業科學院園藝所， 貴陽 550006)

據2014年全國土壤污染狀況調查公報顯示，我國有超過7%的耕地土壤受到不同程度重金屬Cd污染[1]。對貴州省土壤環境質量的調查結果顯示，貴州省土壤Cd超標嚴重，其環境風險主要來自于地質高背景值[2]。受重金屬污染的土壤難以通過自身凈化作用將重金屬離子排除，必須采取治理措施來保障農業的安全生產。施加鈍化劑是一種有效的重金屬污染耕地治理方法，具有成本低、過程簡單、效果顯著等優點，能有效降低重金屬的生物有效性[3]。目前已發現許多適合作為重金屬Cd鈍化劑的材料，但鮮見選用具有地方特色鈍化劑來解決當地重金屬Cd耕地污染的報道。貴州作為我國三大磷礦集中產區，具有豐富的磷礦資源。有研究表明，磷礦粉是一種高效的重金屬鈍化劑，磷礦粉中含有的磷酸根能與重金屬離子形成磷酸鹽沉淀，降低重金屬的生物有效性[4-6]。硅鈣肥是磷化工生產黃磷副產物，主要成分是硅、鈣的氧化物，硅鈣肥中所含的硅酸根離子與重金屬發生化學反應，形成硅酸鹽沉淀；同時硅鈣肥能提高土壤pH值，使土壤顆粒攜帶更多的負電荷，促進土壤顆粒對重金屬離子的吸附，降低重金屬的生物有效性[7-8]。有研究者發現，生物炭能有效吸附受污染土壤中的重金屬離子，降低重金屬的生物有效性[9-10]。近年來研究報道鈍化劑合理配施較單施的鈍化效果更好[11-13]。本研究依據取材方便、變廢為寶、經濟廉價的原則，選取磷礦粉、硅鈣肥兩種無機材料，貴州特有酒糟、茶樹廢枝炭化的生物炭，進行單施與配施對土壤Cd生物有效性及莧菜吸收鎘的影響研究，以期為當地Cd污染土壤的修復研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在貴州省土壤肥料研究所試驗大棚進行，供試土壤采自貴陽市開陽縣，選擇鎘污染程度為中度污染的農田的表層(0～20 cm)土壤，基本理化性質見表1。土壤采回后平鋪于牛皮紙上，去除碎石和植物根系等雜物，待其自然風干，磨細過100目尼龍篩，裝袋保存備用。

表1 供試土壤基本理化性質

供試材料包括磷礦粉、硅鈣肥、酒糟生物炭、茶樹廢枝生物炭。供試材料的理化性質見表2，所有鈍化劑均磨細過100目尼龍篩保存備用。其中，磷礦粉和硅鈣肥由貴州省開磷集團公司提供；酒糟和茶樹廢枝由貴州省土壤肥料研究所采購，使用馬弗爐在350 ℃條件下厭氧燒4 h制成生物炭。

表2 供試材料理化性質

1.2 試驗方法

培養試驗：稱取100 g充分混勻過100目尼龍篩的供試土壤于培養杯中，設未施鈍化劑的處理為空白對照(ck)，鈍化劑按照表3的添加量，準確稱取至培養杯中與土樣充分混勻，用保鮮膜封住杯口，均勻扎出4～5個小孔，每個處理重復3次，定期加入去離子水，使土壤濕度保持在田間持水量的60%～70%，在室內進行培養，在第60天時取出分析土壤pH、有效態Cd含量。

表3 鈍化劑添加量

盆栽試驗：將3 kg供試土壤(同室內培養試驗)裝入盆栽，置于溫室大棚中，設置培養試驗中得出的鈍化效果較好的鈍化劑配施組合T 5、T 6和ck，共3個處理，每個處理重復3次，待供試材料與土壤充分混勻后加入去離子水，使土壤含水率保持在田間持水量的60%～70%，平衡老化1個月后，將莧菜苗移栽入盆栽中，每盆定植4株。日常進行盆栽管理，待莧菜成熟后，測量莧菜的農藝性狀指標，并在收獲莧菜時取盆栽土樣，分析莧菜地下、地上部Cd含量、土壤pH和有效態Cd含量。

1.3 指標測定

土壤基本理化性質指標測定參照鮑士旦[14]的方法，pH采用電位測定法(水土比為2.5∶1.0)，有機質含量采用重鉻酸鉀—油浴法，CEC采用EDTA-銨鹽快速法，堿解氮含量采用擴散吸收法，速效磷含量采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法，有效鉀含量采用鹽酸浸提—原子吸收分光光度計法進行測定。土壤有效態Cd采用DTPA浸提—石墨爐原子吸收光譜法，全Cd含量采用石墨爐—原子吸收光譜法。莧菜Cd采用三酸消解—原子吸收光譜法，葉綠素含量采用SPAD-502 PLUS手持葉綠素儀測定，測出的葉綠素含量為相對含量。使用卷尺測量莧菜株高和株幅，使用百分天平稱莧菜重量。

1.4 數據分析

采用Excel 2019、SPSS 19軟件進行數據處理，用單因素方差分析法分析不同處理間的差異，采用Duncan法進行多重比較分析。采用Origin 2019 b軟件進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 施加鈍化劑對土壤pH的影響

如圖1所示，所有處理均可提高土壤pH，使土壤pH較ck提高4.16%～33.68%。其中，T 1～T 4處理使土壤pH提高4.16%～33.68%，使土壤pH從4.81提高到5.01～6.43；T 5～T 10處理使土壤pH提高4.57%～19.96%，使土壤pH從4.81提高到5.03～5.77。T 1～T 4處理中，T 2對土壤pH的影響最大，增幅高達33.68%，經T 2處理后的土壤pH達6.43；T 3對土壤pH影響最低，增幅達4.16%，經T 3處理后的土壤pH僅達5.01。T 5～T 10處理中，T 8對土壤pH的影響最大，增幅高達19.96%，經T 8處理后的土壤pH達5.77；對土壤pH影響最低的為T 5處理，增幅僅4.57%，經T 5處理后的土壤pH為5.03。

圖1 鈍化劑對土壤pH的影響

2.2 施加鈍化劑對土壤有效態Cd的影響

如圖2所示，10個處理均能不同程度降低土壤有效態Cd，使土壤有效態Cd較ck降低19.00%～53.58%，有效態Cd含量從0.321 mg/kg降至0.149～0.249 mg/kg。T 1～T 4處理中，T 1、T 3和T 4處理的降幅為19.00%～26.48%，低于T 5～T 10處理的降幅33.02%～40.81%，T 2土壤有效態Cd較ck降低53.58%，降幅最大。T 1、T 3和T 4中，T 3的降幅最低，為19.00%；T 1的降幅最高，為26.48%。將T 5～T 10對土壤有效態Cd的降幅按升序進行排序，依次為T 10、T 8、T 7、T 6、T 9、T 5，降幅分別為33.02%、34.89%、38.01%、38.63%、39.25%和40.81%。

圖2 鈍化劑對土壤有效態Cd的影響

2.3 施加鈍化劑對莧菜農藝性狀及Cd鈍化效果的影響

如表4所示，T 5、T 6處理對莧菜生物量、株高、株幅等農藝性狀指標均具有顯著影響(p<0.05)。T 5、T 6處理后的莧菜生物量、株高及株幅較ck增加。T 5處理使莧菜生物量增加7.94 g，增幅達72.84%；株高增加1.9 cm，增幅達18.27%；株幅增加4 cm，增幅達37.38%。T 6使莧菜生物量增加6.76 g，增幅達62.02%；株高增加2.4 cm，增幅達23.08%；株幅增加10 cm，增幅達93.46%。

表4 鈍化劑對莧菜生理指標的影響

由圖3可知，莧菜地下部Cd含量高于地上部。比較T 5、T 6處理與ck間莧菜Cd含量的差異，T 5、T 6處理后，莧菜地上部和地下部Cd含量均降低，差異顯著(p<0.05)。其中，T 5使莧菜地上部Cd含量降低0.003 8 mg/kg，降幅達64.41%；使莧菜地下部Cd含量降低0.005 7 mg/kg，降幅達67.86%。T 6使莧菜地上部Cd含量降低0.002 6 mg/kg，降幅達44.07%；使莧菜地下部Cd含量降低0.004 1 mg/kg，降幅達48.81%。

注：圖中不同小寫字母代表不同處理之間對莧菜Cd含量的影響差異達到顯著水平(p<0.05,n=3)。圖3 鈍化劑對莧菜Cd含量的影響

3 討論與結論

3.1 鈍化劑對土壤pH的影響

通過提高土壤pH來降低土壤重金屬Cd的生物有效性是原位鈍化修復的重要機理。土壤pH值的升高不僅能提高土壤顆粒對Cd2+的吸附量，還能增加土壤溶液中氫氧根與碳酸根離子的濃度，使Cd2+與氫氧根、碳酸根等離子結合生成難溶的氫氧化物、碳酸鹽沉淀，降低Cd生物有效性[15-16]。隨著土壤pH的提高，Cd的活性降低，對重金屬Cd生物有效性的研究離不開土壤pH[17-18]。本試驗所有處理均可提高供試黃壤pH，使土壤pH提高4.16%～33.68%。單施5%添加量鈍化劑可提高土壤pH 4.16%～33.68%。4個鈍化劑中，硅鈣肥因本身pH值最高，5%硅鈣肥提高土壤pH 33.68%%，高于其他材料。值得注意的是，硅鈣肥中含有大量的Ca2+、Mg2+和Na+，過度施用使土壤中的Ca2+、Mg2+和Na+在全鹽中所占比例極大增加，土壤pH大幅改變，將會給土壤環境帶來風險[19]，在實際生產中，必須嚴格控制鈍化劑的用量。磷礦粉作為Cd高效改良劑，自身pH較高，將其施入土壤可以提高土壤pH[20]，5%磷礦粉使土壤pH增幅高達13.10%。生物炭雖具有豐富的官能團，具有能中和土壤酸堿度的作用[21]，但在酸性黃壤中，提高土壤pH的效果不及硅鈣肥和磷礦粉。5%酒糟生物炭和5%茶樹廢枝生物炭僅能提高土壤pH 4.16%、6.24%。本研究發現，配施鈍化劑對土壤pH的提升效果總是小于無機鈍化劑而大于有機鈍化劑，例如1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭能提高土壤pH 4.57%，大于5%酒糟生物炭而小于5%磷礦粉，這可能是由于鈍化劑的混合施用中和了其中的堿性物質，降低了無機鈍化劑的酸堿度而升高了有機鈍化劑的酸堿度造成的。配施鈍化劑能使土壤pH提高4.57%～19.96%。其中，1.5%硅鈣肥+3.5%茶樹廢枝生物炭提高土壤pH幅度最大，使土壤pH提高19.96%。0.75%磷礦粉+0.75%硅鈣肥+3.5%茶樹廢枝生物炭使土壤pH增幅達18.71%，效果僅低于1.5%硅鈣肥+3.5%茶樹廢枝生物炭。其后1.5%硅鈣肥+3.5%酒糟生物炭、0.75%磷礦粉+0.75硅鈣肥+3.5%酒糟生物炭、1.5%磷礦粉+3.5%茶樹廢枝生物炭、1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭處理對土壤pH增幅依次降低，依次分別為15.80%、13.72%、7.48%、4.57%。

3.2 鈍化劑對土壤有效態Cd的影響

將土壤有效態Cd含量作為評價Cd生物有效性的指標，使用被化學浸提劑提取出的Cd2+濃度代表土壤溶液中移動性與生物有效性高的Cd濃度，是研究生物有效性常用的手段，對評價Cd的生物有效性有重要作用，這種方法稱為化學評價法。化學法具有提取時間短的優點，能用于快速評價鈍化劑的鈍化效果。本研究發現，鈍化劑的單施和配施均可降低土壤有效態Cd含量，使土壤有效態Cd含量較ck降低19.00%～53.58%。除硅鈣肥外，單施鈍化劑能降低土壤中19.00%～26.48%的有效態Cd，效果不及配施。硅鈣肥具有較高的pH和大量的Ca2+，5%硅鈣肥使土壤有效態Cd降幅高達53.58%。磷礦粉中的磷酸根與Cd2+形成磷酸鹽沉淀，降低土壤有效態Cd含量[6]，5%磷礦粉使土壤有效態Cd降幅達26.48%，效果次于硅鈣肥。兩種來源生物炭具有較大的比表面積和孔隙度，能通過吸附、絡合和離子交換等反應降低Cd生物有效性[22-23]，酒糟生物炭與茶樹廢枝生物炭表現出了較好的Cd鈍化效果。但由于來源不同，內部組成存在差異，酒糟生物炭和茶樹廢枝生物炭對Cd生物有效性的影響存在差異[24]。5%茶樹廢枝生物炭使土壤有效態Cd的降幅達22.43%，酒糟生物炭對Cd的鈍化效果不及茶樹廢枝生物炭，5%酒糟生物炭對土壤有效態Cd的降幅達19.00%。總體而言，配施鈍化劑對Cd的鈍化效果好于單施，配施鈍化劑使土壤有效態Cd降幅為33.02%～40.81%。其中，1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭對有效態Cd的降幅最大，降幅高達40.81%；其次，0.75%磷礦粉+0.75%硅鈣肥+3.5%酒糟生物炭處理使有效態Cd降低39.25%；1.5%磷礦粉+3.5%茶樹廢枝生物炭處理使土壤有效態Cd含量的降幅次于前者，但也高達38.63%，考慮到農業生產實際中1無機配施1有機鈍化劑較2無機配施1有機鈍化劑的配施模式更為便捷，在鈍化劑對莧菜Cd鈍化效果的研究中設置ck、1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭和1.5%磷礦粉+3.5%茶樹廢枝生物炭處理。其余配施處理中，1.5%硅鈣肥+3.5%酒糟生物炭、1.5%硅鈣肥+3.5%茶樹廢枝生物炭和0.75%磷礦粉+0.75%硅鈣肥+3.5%茶樹廢枝生物炭對土壤有效態Cd的降幅降低，依次為38.01%、34.89%、33.02%。

3.3 鈍化劑對莧菜農藝性狀的影響

鈍化劑對莧菜農藝性狀及Cd鈍化效果的研究中，除ck外，設1.5%磷礦粉+3.5%酒糟生物炭(T 5)和1.5%磷礦粉+3.5%茶樹廢枝生物炭(T 6)這兩個對土壤Cd鈍化效果較好的配施處理，以研究這兩個處理對莧菜農藝性狀與Cd鈍化效果的影響。在對莧菜農藝性狀的影響研究中發現，鈍化劑能提供作物生長所需養分，通過調節土壤理化性質的方式，直接或間接改善作物生長環境，促進作物生長[25]，莧菜的農藝性狀指標經處理后均發生了改變，差異達顯著水平(p<0.05)。其中，莧菜生物量、株高及株幅較ck有所增加。T 5處理使莧菜生物量的增幅達72.84%；株高的增幅達18.27%；株幅的增幅達37.38%。T 6處理使莧菜生物量的增幅達62.02%；株高的增幅達23.08%；株幅的增幅達93.46%。

3.4 鈍化劑對莧菜Cd鈍化效果的影響

運用化學評價法對Cd生物有效性進行評估在某種意義上只能稱為“化學有效性”，并不能完全代表Cd的生物可利用性。將作物種植在Cd污染土壤，用作物所吸收的Cd含量作為評價Cd的生物有效性的方法，稱之為Cd的生物富集評價法。相較于化學評價法，生物富集評價法能更加準確地反映Cd的生物有效性，本研究旨在使用莧菜體內Cd含量變化準確地反映鈍化劑對Cd的鈍化效果。莧菜地下部Cd含量高于地上部，這是因為植物地下部的凱氏帶可阻止Cd2+進入木質部向地上部運輸，被阻控在地下部的Cd2+通過螯合作用和H+/Cd2+通道區隔于地下部細胞液泡或排出植物體，保護植物免遭Cd脅迫的毒害[26]，這個機制對于莧菜耐Cd逆境起著十分重要的作用。經研究發現，施加鈍化劑不僅能降低莧菜根部Cd含量，還能降低轉移至莧菜地上部的Cd濃度，這是因為鈍化劑中存在的Ca2+和Si2+等與Cd2+共同競爭相同的轉運蛋白，離子之間存在的拮抗作用能阻止Cd的吸收與轉運。本研究中，T 5處理使莧菜地上部Cd含量降低0.003 8 mg/kg，降幅達64.41%；使莧菜地下部Cd含量降低0.005 7 mg/kg，降幅達67.86%，所有差異均達顯著水平。T 6處理使莧菜地上部Cd含量降低0.002 6 mg/kg，降幅達44.07%；使莧菜地下部Cd含量降低0.004 1 mg/kg，降幅達48.81%，所有差異均達顯著水平。