含鈣無機鈍化劑與米糠聯用對鎘污染土壤的原位修復

舒冉君，呂文英，余樂洹，龔玉蓮，佘婷婷，李云輝，黃更生

(1.廣東第二師范學院 生物與食品工程學院，廣州 510303：2.廣東工業大學 環境科學與工程學院， 廣州 510006；3.廣東高校應用生態工程技術開發中心，廣州 510303)

1 引言

鎘(Cd)是一種高毒性、分布普遍的重金屬，土壤中Cd污染主要來源于采礦、有色金屬冶煉以及污水、農藥化肥廢棄物等生產活動。土壤受重金屬Cd污染，往往導致土壤肥力退化，農作物重金屬含量超標。Cd會毒害植物生長或者通過食物鏈的傳遞危害人體健康[2]。我國華南地區土壤以赤紅壤、紅壤和磚紅壤為典型代表[3]，酸性或弱酸性的土壤環境更有利于Cd的釋放、遷移，從而進一步加劇其生態毒性效應。

土壤重金屬穩定化技術是在土壤中添加無機或有機物質作為鈍化劑將土壤中高生物有效性的重金屬含量降低，以減少對生態系統以及人體危害。國內外已進行了大量關于鈍化劑修復重金屬污染土壤的研究，常見的鈍化劑包括無機鈍化劑(如磷酸鹽、堿性物質、碳酸鹽、硫化物、硅酸鹽等)和有機鈍化劑(如有機酸、有機肥料、有機質、生物乳化劑等)兩大類[4]。然而使用單一鈍化劑，存在修復效果低，易破壞土壤生態環境體系平衡，或僅對部分重金屬具有選擇性修復效果，難以滿足實際污染土壤的改良修復要求等弊端，因而復配鈍化劑的施用成為近年來研究的熱點。

農業副產物在土壤中長期施用是一個類似堆肥的過程，能夠產生腐殖質從而促進重金屬與土壤的團聚、降低重金屬生物有效性，同時其使用成本低廉，具備良好的應用潛力，受到研究者的青睞[5]。已有研究表明，復配使用生石灰+有機肥[6]、熟石灰+蠶沙[7]、石灰+豬糞[8]、海泡石+磷酸鹽[9]對Cd污染土壤進行修復比單獨使用其中一種鈍化劑在修復效果、土壤性能改善、經濟效益等方面都更具優勢。而從前期的研究[10]也發現，米糠(rice bran，RB)作為復配鈍化劑的成分之一用于土壤鉛(Pb)污染修復獲得了令人滿意的修復效果，但用于Cd污染修復尚未見類似報道。如上所述，華南紅壤區重金屬污染脅迫壓力大，同時Cd的生物毒性當量較Pb更高，對Cd污染土壤的原位修復技術研究因此十分必要且緊迫。本文以米糠與氧化鈣(CaO)和過磷酸鈣(SSP)復配為鈍化材料，用于Cd污染土壤的修復，在探究鈍化效果的同時考察復配鈍化劑對土壤理化性質的改良程度，為米糠的資源化利用和酸性土壤的Cd污染修復提供參考。

2 材料與方法

2.1 材料

供試土壤樣品取自廣州大學城林地表層(5～10 cm)，為赤紅壤，經自然風干、除雜、粉碎、過篩等處理后備用。測得原始土樣pH值為5.6，有機質含量為45.30 g/kg。以硝酸鎘溶液形式加入Cd元素，于室溫下陳化90 d，制得Cd污染土樣。測定其基本理化性質如下：pH值為5.5，有機質含量為35.38 g/kg，總Cd 9.28 mg/kg，總Pb 24.13 mg/kg，總Cu 29.36 mg/kg，總Zn 44.52 mg/kg。

米糠是稻谷制作成大米過程中的副產物，主要成分為纖維素、蛋白質、氨基酸等，有機質含量超過99%，未檢出重金屬Cd；CaO、SSP購自廣州化學試劑公司，為分析純級別。

2.2 實驗設計

依據課題前期試驗結果[11]確定米糠的最佳投加量為供試土壤質量的6%時，對土壤理化性質的改良效果以及經濟效益較為合適，參考文獻氧化鈣的添加量為2%。實驗設置6個處理組，每個處理組3個重復，分別為：①對照組；②6%RB處理組；③2%CaO處理組；④0.6%SSP處理組；⑤6%RB+2%CaO處理組；⑥6%RB+0.6%SSP處理組。按上述實驗方案將土壤與鈍化劑充分混合均勻，室溫下放置，保持50%左右的含水率，分別在第20 d、40 d、60 d時取樣，測定Cd的不同形態的濃度及其浸出毒性，并檢測pH值、有機質含量及酶活性(過氧化氫酶、脲酶)等土壤理化性質指標。

2.3 測定方法與數據處理

土壤pH值[12]和土壤有機質含量[13]測定均采用相應的國標方法；土壤過氧化氫酶和脲酶活性測定采用滴定法[14]；土壤重金屬總量提取用四酸消解法[15]；Cd形態用BCR法[16]提取，Cd的浸出濃度用TCLP法[17]提取，用火焰原子吸收分光光度計(日立Z-2000)測定BCR和TCLP提取液中的Cd濃度，所有溶液上機前過0.45 μm濾膜。

采用Origin進行作圖，采用SPSS 25.0進行數據的統計分析。各處理組各測定指標之間的比較采用單因素方差分析(ANOVA)，兩兩比較采用LSD事后檢驗，顯著性水平設為0.05。

3 結果與討論

3.1 對土壤有機質的影響

土壤有機質具有的活性位點對陽離子能產生吸附作用，從而能降低土壤中可活躍態Cd的含量[18]。由圖1可知，與對照組相比，單獨添加6%米糠可顯著提高土壤有機質含量(+90.02 %，p<0.05)，單獨施用無機鈍化劑則對土壤有機質含量沒有顯著影響(0.6%SSP處理組和2 %CaO處理組，p>0.05)。當無機鈍化劑與米糠聯用后，與單施2 %CaO和單施0.6%SSP相比，有機質含量分別增加了70.33%和73.55%，表明米糠的添加可以有效緩解CaO對土壤有機質的破壞；米糠與過磷酸鈣聯用，不僅能提高土壤有機質含量，從而提高磷肥的利用效率，反過來磷還可促進米糠在土壤中的腐殖化[19]。

圖1 不同鈍化劑對Cd污染土壤有機質含量的影響(60 d)

3.2 對土壤pH值的影響

pH值大小與重金屬在土壤中的環境化學行為息息相關。土壤pH值的改變，一方面會影響土壤膠體表面電荷的分布[20]，從而影響重金屬的吸附-解吸平衡；另一方面，重金屬磷酸鹽、碳酸鹽等難溶物的溶解度也會隨土壤pH值變化而產生變化，從而改變重金屬在土壤中的賦存形式，因而在重金屬鈍化研究中是一個重要的觀測指標。總體上，較高的pH值有利于包括Cd在內的大部分重金屬的固定。而有機物添加到土壤中可通過改變土壤pH值和氧化還原電位，從而影響重金屬的沉淀-溶解平衡[21]。由圖2可以看出，不同鈍化劑的施用不同程度地提高了土壤的初始pH值，以CaO的調節效果最為顯著，與已有的研究結果相符[11]。與單獨投加CaO相比，米糠的加入使得土壤pH值有所降低，且隨時間的推移pH值下降明顯(圖2)。米糠本身含有羧基(-COOH)[22]，在施加了CaO的堿性土壤環境中會中和一部分OH-，同時米糠腐熟后形成的腐殖質物質含有的酸性官能團也可與OH-反應，從而導致pH值較單施CaO時降低。過磷酸鈣與米糠復配使用，則一定程度上較單獨施用過磷酸鈣對土壤pH值有一定的改善效果(圖2)，盡管不顯著(p>0.05)。

3.3 對土壤酶活性的影響

土壤酶活性反映了土壤中進行各種生物化學過程的動力和強度，許多研究均表明土壤酶活性可以作為土壤肥力、土壤質量和微生物活性的重要指標[23]。經過60 d的鈍化，各處理組土壤的脲酶和過氧化氫酶活性如圖3所示。

注：A～D、a～f分別表示初始和60天時的 各實驗組數據的差異情況

注： a～f、A～F分別表示過氧化氫酶和脲酶活性各實驗組 數據的差異情況

不同鈍化劑存在的土壤環境中，脲酶活性從大到小依次為：6 %RB處理組(2.59×10-3mg/g)>6%RB+0.6%SSP處理組(1.63×10-3mg/g)>6%RB+2%CaO處理組(5.77×10-4mg/g)>對照組(4.53×10-4mg/g)> 0.6%SSP處理組(3.26×10-4mg/g)> 2%CaO處理組(2.39×10-4mg/g)。脲酶活性通常反映土壤對氮元素的轉化能力，與土壤的微生物量、有機質含量等指標正相關[24]。本研究中不同處理組土壤有機質含量大小與脲酶活性高低表現出高度一致的趨勢，印證了兩者的相關關系。米糠中含有大量酶，對土壤酶量有增加作用[25,26]；另一方面米糠能夠為產酶微生物提供豐富的營養來源，有利于微生物的繁殖[27,28]，這些因素都促進了脲酶活性的提高。

過氧化氫酶在防止活性氧對生物體造成損傷方面發揮著重要作用，其活性大小一定程度上反映土壤的生物代謝能力[29]，是影響土壤肥力的一個關鍵酶。經過60天鈍化處理，過氧化氫酶活性相比對照組均有所增加，且復配鈍化劑處理組比單獨施用過磷酸鈣或米糠表現出更好的改善效果(圖4)。單施CaO處理組的過氧化氫酶活性最大(3.81 mg/g)，其次是RB+CaO處理組(3.00 mg/g)，這是因為過氧化氫酶活性受pH值影響較大，pH值在6～10時的活性最佳，過高或過低的pH值都會使其活性受到抑制[30]。結合本實驗不同處理組的土壤pH值(圖2)，此結果符合預期。

3.4 對Cd穩定效率的影響

土壤中重金屬的穩定效率是評判鈍化材料鈍化效果的重要指標，由下式計算得到：

(1)

式(1)中:ci和ce分別為污染土壤鈍化前、后某種金屬元素的浸出濃度(mg/L)。

注：a～c,a1～e1,a2～e2等分別表示不同鈍化時間 各實驗組之間數據的差異情況

從圖4可以看出，復配鈍化劑的使用對Cd的穩定效果總體上均好于單一鈍化劑，在短期內(20 d)穩定效率就分別達到25.42%(6%RB+2%CaO)和21.11%(6%RB+0.6%SSP)，較單一鈍化作用提高了106.00%(6%RB+2%CaO vs. 2%CaO)和76.36%(6%RB+0.6%SSP vs. 0.6%SSP)。對于6%RB+2%CaO的復配鈍化劑，米糠加入土壤后形成的有機質有利于Cd在土壤膠體表面的吸附絡合[31]，同時CaO的加入提高了土壤pH值，使Cd的遷移性減小。對于6%RB+0.6%SSP復配鈍化劑，其鈍化效果的改善可能有三部分原因：一是過磷酸鈣對Cd的直接沉淀作用[32]，二是米糠的吸附和絡合作用，三是過磷酸鈣對米糠腐殖化的促進，腐殖質中的富里酸能與Cd形成難溶絡合物，降低土壤中Cd的遷移性[33]。對添加不同鈍化劑土壤顆粒表面形貌進行電鏡掃描(圖5)，顯示米糠的存在使得土壤顆粒表面紋理更粗糙，可能促進了土壤團聚體的形成，有利于Cd的穩定。

3.5 對Cd形態分布的影響

已有研究表明，土壤中重金屬的酸可提取態為生物可利用態，可還原態為潛在生物可利用態，氧化態、殘渣態為穩定狀態，植物難以直接吸收[34]。由圖6可知，土壤中Cd形態主要以弱酸提取態和可還原態為主，但與對照相比，鈍化劑的加入均不同程度地促進了Cd形態向可氧化態和殘渣態轉化。米糠上含有近25%的羥基、羰基等含氧官能團[13]，能夠與Cd發生表面絡合和吸附；另一方面投加米糠使土壤pH值有所增高，也是引起土壤中Cd鈍化的一個原因。對于含鈣無機鈍化劑而言，Cd形態的轉化則主要是由于水解產生的Ca2+和Cd2+發生共沉淀而導致的[35]。與單獨施加CaO相比，米糠和CaO復配處理組土壤中Cd的比例，酸可提取態減少了15.00%殘渣態增加了113.30%；而與單獨施加過磷酸鈣相比，米糠和過磷酸鈣復配處理組Cd的比例酸可提取態減少了16.80%，殘渣態增加了88.35%，表明米糠與這兩種無機鈍化劑聯用可對降低土壤Cd的生物可利用性起到一定的協同作用(圖6)。

4 結論

(1)含鈣無機鈍化劑與米糠聯用，對土壤pH值具有緩沖作用，可提高弱酸性土壤的pH值，降低堿性土壤的pH值。

(2)在CaO鈍化劑環境中的米糠的加入，可有效提升有機質的含量，能促進土壤中2種重要酶(過氧化氫酶和脲酶活性)的活性，能有效改善土壤生態體系。

圖5 添加不同鈍化劑土壤的掃描電鏡(SEM)

圖6 不同鈍化劑對重金屬Cd形態分布的影響(60 d)

(3)米糠的加入使得無機鈍化劑CaO、過磷酸鈣對土壤中Cd的鈍化效果，優于它們單獨施用時的效果，其中以米糠與CaO聯用效果最佳。但考慮到CaO的施用通常較易導致土壤的板結，而過磷酸鈣除了起到鈍化的作用外還作為磷肥使用，因此在實際應用時應結合所要修復土壤的類型、理化性質以及水熱狀況選擇合適的復配鈍化劑。