蛭石修復城郊鎘污染菜地土壤研究

李劍睿，徐應明

(1.太原工業學院，山西太原 030008；2.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191)

隨著我國經濟的快速發展和城鎮人口數量的大幅增加，城郊農業在農業生產全局中的地位日益凸顯。2020年，蔬菜種植面積超2 000萬hm，總產量超7億t，其中，山東省、河南省和江蘇省位列前三。全國范圍看，約20%的菜地土壤鎘含量超過環境質量二級標準(GBⅡ 15618—1995)限量值(0.60 mg/kg)。鎘是土壤中移動性和生物毒性最大的重金屬元素，易被農作物根系吸收而在體內可食部位累積超標，最終造成人體鎘暴露的潛在風險。

污染農田修復技術包括植物提取、客土法、微生物修復等，然而，因其修復成本高、治理效率低、對環境有害，在大田修復示范推廣中受到不同程度的限制。化學鈍化修復技術因低成本、易操作和高效率而受到廣泛關注。其中，黏土類礦物在自然中儲量豐富，是一些含鋁、鎂等為主的含水硅酸鹽礦物，其結構層帶負電、比表面積和陽離子交換量較大，是理想的土壤重金屬陽離子鈍化劑。然而，重金屬污染菜地農藝措施(如作物品種篩選)聯合黏土類礦物施加的修復報道較少，如何發揮農藝措施對化學修復的協同強化作用、提高化學修復的效率是該研究關注的重點。

作為我國餐桌蔬菜消費的主角，與根莖和豆科類相比，葉菜對鎘的吸收能力較強。筆者在盆栽不同油菜品種種植試驗條件下，研究黏土類礦物蛭石施用對土壤有效鎘含量、油菜生物量和油菜體內不同部位鎘含量，以及對土壤指示酶活性、油菜葉片抗氧化酶活性的影響，為鎘污染菜地修復提供參考。

1 材料與方法

黏土類礦物蛭石購于河北省，用作土壤鎘的鈍化劑。蛭石形成過程中，Al在晶體結構四面體位置取代Si，Mg和Fe在八面體位置取代Al，其氧化物組成為SiO、AlO、MgO和FeO。蛭石的pH和陽離子交換量(CEC)分別為9.03和421.8 mmol/kg，具體分析方法參照文獻[13]執行。蛭石對鎘的鈍化主要通過結構表面的負電荷離子與Cd的靜電吸附反應和Al/Si-O與Cd的內絡合物形成反應來實現。

供試土壤采自山西省城郊菜地，土壤污染主要由農藥化肥施用和城鎮廢水灌溉引起。菜地土壤總鎘含量為1.83 mg/kg，高于土壤環境質量三級標準(GB Ⅲ 15618—1995)限量值(1.00 mg/kg)。供試土壤pH和CEC分別為7.22和122.1 mmol/kg。

供試作物油菜(L.)華駿2號和寒綠屬于葉菜類蔬菜，當地氣候條件下的平均生育期為60 d。

盆栽試驗隨機區組排列，供試土壤風干后過2 mm篩后裝入塑料盆中(高15 cm，直徑20 cm)，每盆裝土1.5 kg。2021年4月，蛭石與盆內土壤混合均勻，蛭石施用劑量設0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 6個水平，田間持水量下穩定30 d。2021年5月，經消毒、浸泡處理的油菜種子播種于盆內，待幼苗4片真葉時每盆間苗2株。2021年7月收獲植物，65 ℃烘箱內烘至恒重備用。植物樣品用不銹鋼研缽粉碎，土樣過2 mm篩后進行化學提取態鎘的分析，土樣過0.15 mm篩后進行全鎘的測定。

土壤、植物樣品全鎘含量分別采用HNO-HClO和HNO消解、原子吸收分光光度計(AA6880，日本島津)測定。土樣有效態鎘含量采用0.025 mol/L HCl提取法測定，即5.0 g土樣加25 mL提取劑，振蕩1 h后離心取上清液待測。

植物收獲后采集新鮮土樣用于土壤酶活性測定。脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定，磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸二鈉比色法測定。0.5 g新鮮植物葉片冰鎮條件下磷酸緩沖液粉碎處理、4 ℃離心處理后獲得上清液，作為抗氧化酶待測原液。超氧化物歧化酶(SOD)活性以抑制NBT光化學還原能力來計算，過氧化物酶(POD)活性以470 nm波長下吸光度的增加來評價。

所有處理重復3次，數據均值和標準差采用Microsoft Office Excel 2010計算，采用SAS 9.1進行方差分析。同一品種各指標差異顯著性采用LSD(least significant difference)檢驗進行多重比較分析，品種間各指標差異顯著性采用檢驗分析(<0.05)。

2 結果與分析

從表1可看出，土壤未施加蛭石下，華駿2號、寒綠種植下的土壤有效鎘含量無顯著差異，有效態鎘含量占總鎘含量的比例約30.0%，遠低于酸性土壤中近50%的可提取鎘比例。華駿2號種植下，蛭石施用可降低有效鎘4.8%～17.7%(<0.05)。土壤鈍化處理后，寒綠種植下的土壤有效鎘降低了5.9%～25.0%(<0.05)。

由表2可知，土壤未施加蛭石下，華駿2號、寒綠地上部生物量無統計學意義差異。施加0.5%～1.5%蛭石下，華駿2號、寒綠地上部生物量分別增加了14.8%～33.3%和20.8%～45.8%(<0.05)。施用量超過2.0%時，地上部生物量受到抑制。顯然，適量的蛭石施用促進了油菜地上部生長，鎘對植株生長的氧化脅迫效應下降。土壤鈍化處理后，華駿2號、寒綠根系生物量最大增幅分別為83.3%和100.0%(<0.05)，根系生物量的增幅遠高于地上部。蛭石處理土壤鎘的生物有效性顯著下降，減輕了鎘對油菜生長的毒害，生物量大幅增加。

表1 不同油菜品種土壤有效鎘含量

表2 油菜不同部位生物量

從圖1可以看出，油菜體內鎘含量按根系、地上部次序遞減，華駿2號和寒綠地上部、根系鎘含量均差異顯著。土壤未施加蛭石下，華駿2號、寒綠地上部鎘分別為0.37和0.52 mg/kg，均超過國家標準(GB 2762—2012)限量值(0.20 mg/kg)。蛭石施加顯著降低了油菜地上部鎘含量，華駿2號、寒綠地上部鎘分別降低了16.2%～56.8%和11.5%～48.1%(<0.05)。2.0%蛭石處理的華駿2號地上部鎘含量低于0.20 mg/kg，2.5%處理下的寒綠地上部鎘含量仍高于0.20 mg/kg。因此，單一的蛭石鈍化或品種篩選難以獲得油菜安全生產所需的修復效果，蛭石施加聯合華駿2號種植可以實現油菜的安全生產。此外，隨著蛭石施用量的增加，根系鎘含量逐步下降，華駿2號、寒綠的根系鎘含量分別降低了9.6%～39.4%和7.0%～39.2%(<0.05)。

鎘轉移因子為地上部和根系的鎘含量比值，是評價植物體內鎘累積和轉運效率的重要指標。從表3可以看出，土壤未施加蛭石下，華駿2號和寒綠的轉移因子無顯著差異(>0.05)。土壤鈍化處理后，鎘轉移因子明顯下降；2.5%施用量下，華駿2號和寒綠的轉移因子分別為未施加蛭石處理的63.9%和87.9%(<0.05)。

注：不同小寫字母表示同一品種不同蛭石施用量間差異顯著(P<0.05，LSD檢驗)，不同大寫字母表示同一蛭石施用量不同品種間差異顯著(P<0.05，t檢驗)Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different vermiculite additions of the same variety(P<0.05，LSD test)，and different capital letters indicate significant differences among different varieties of the same vermiculite addition(P<0.05，t test)圖1 油菜不同部位鎘含量Fig.1 Cadmium content in different parts of rape

根系凈吸收鎘為植株地上部和根系鎘的總累積量與根系干重的比值，其控制著植株地上部鎘含量。由表3可知，土壤未鈍化處理下，華駿2號的根系凈吸收鎘僅為寒綠的66.8%，表明華駿2號根系對土壤鎘的吸收能力較弱。蛭石處理的根系凈吸收鎘明顯下降，華駿2號和寒翠的根系凈吸收鎘分別降低了18.1%～60.9%和12.3%～63.0%。

表3 根系凈吸收鎘和轉移因子

土壤中金屬污染物與酶的活性基團結合形成不溶性絡合物或破壞氫鍵而使酶失活，土壤重金屬的鈍化促進了農田生態系統功能的恢復，土壤生物活性、肥力指標顯著改善。從圖2可以看出，施用蛭石后，脲酶活性隨施用量的增加呈現先下降后上升的趨勢，華駿2號種植下，2.0%蛭石處理的脲酶活性最大，增幅達23.7%；寒綠種植下，2.5%處理的脲酶活性最高，增加了30.2%(<0.05)。此外，磷酸酶活性隨施用量的增加而逐漸升高，與未鈍化處理相比，華駿2號、寒綠種植下的磷酸酶活性分別增加了15.2%～66.7%和16.0%～80.0%(<0.05)。

植物在重金屬脅迫下會產生破壞細胞膜的氧自由基(O)。SOD能催化O生成HO來降低氧自由基濃度，POD能催化HO水解生成HO和O。蛭石施用對土壤鎘的生物有效性產生影響，導致植物生理指標發生變化。由圖3可知，蛭石處理使華駿2號、寒綠葉片SOD活性分別提高了17.1%～50.4%和16.8%～54.0%。0.5%～1.5%低蛭石施用量下，油菜葉片POD活性明顯增強，華駿2號、寒綠葉片POD活性分別增加了3.8%～26.6%和5.6%～27.9%。

3 討論

不同基因型葉菜的鎘累積能力差異明顯。土壤未施加蛭石下，華駿2號地上部鎘含量低于寒綠，由于華駿2號和寒綠地上部生物量和轉移因子無差異，因此，根系凈吸收鎘是影響油菜地上部鎘含量的主導因素。植物體鎘累積主要受與根系鎘吸收相關的載體蛋白表達、與土壤鎘生物有效性有關的根系分泌物和根系形態等因素控制。

蛭石是鈍化土壤鎘的理想材料，蛭石施用降低了油菜根系、地上部鎘含量，且華駿2號地上部鎘含量的降幅高于寒綠，表明華駿2號體內鎘累積對土壤有效鎘含量的變化較敏感。研究發現，蛭石處理土壤中生菜、菠菜體內鎘含量低于對照組，當蛭石施用量為10%時，植株地上部鎘含量降幅均超60%。試驗表明，土壤黏土類礦物施加量為3%～9%時，葉菜地上部鎘含量降低了8.6%～27.9%，根系鎘含量下降了7.1%～13.4%，重金屬鎘的環境潛在風險大幅降低。

注：不同小寫字母表示同一品種不同蛭石施用量間差異顯著(P<0.05，LSD檢驗)Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different vermiculite additions of the same variety(P<0.05，LSD test)圖2 不同蛭石施用量下土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activities under different vermiculite addition

圖3 華駿2號(A)和寒綠(B)葉片抗氧化酶活性Fig.3 The activities of antioxidant enzymes in leaves of Huajun-2(A) and Hanlü(B)

土壤鎘生物有效性的降低導致土壤酶活性的變化。研究表明，黏土類礦物施加改善了土壤環境質量，過氧化氫酶、脲酶活性以及細菌和放線菌數量顯著增加，蔗糖酶活性、真菌數目較對照組無顯著變化，土壤指示酶活性、微生物種群和植物營養元素有效性等都有改善，污染農田土壤生態系統功能逐步恢復。此外，蛭石處理的土壤中，油菜對重金屬鎘脅迫抗性顯著提高。田間示范修復發現，重金屬污染土壤1.0～3.0 kg/m的黏土礦物施用緩解了鎘對植物生長的氧化脅迫，因其提高了根和葉片抗氧化酶的活性和巰基化合物的含量，鎘誘導產生的氧自由基對植物細胞的損傷作用明顯減輕。顯然，鈍化處理后顯著增加的油菜生物量是土壤-作物系統功能向好的重要指標。

4 結論

土壤蛭石施加聯合華駿2號種植技術使油菜地上部鎘含量低于我國食品中污染物標準(GB 2762—2012)限量值(0.20 mg/kg)，其為推薦的鎘污染菜地土壤修復技術。土壤鈍化處理后，華駿2號地上部鎘含量的降幅高于寒綠，蛭石鈍化土壤鎘的修復效果較好。施加蛭石后，土壤指示酶活性、油菜葉片抗氧化酶活性整體升高，土壤作物系統功能逐步恢復。