復合鈍化劑對原位鎘污染土壤的鈍化效果及其對白菜鎘富集的影響

關鍵詞：Cd 污染；土壤修復；復合鈍化劑；白菜；土壤酶活性；鈍化效果；富集

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A

土壤是動植物生存的重要資源，而重金屬在土壤中逐漸積累會影響土壤質量，重金屬通過生物富集及生物放大作用，影響農產品的品質，最終間接或直接對人類健康產生危害。根據《全國土壤污染狀況調查公報》，我國輕微鎘（Cd）污染土壤點位超標率為5.2%，輕度Cd污染土壤點位超標率為0.8%，中度Cd 污染土壤點位超標率為0.5%，重度Cd 污染土壤點位超標率為0.5%。依據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018），農用地土壤Cd污染風險篩選值為0.3mg/kg（pH≤5.5），Cd 污染風險管制值為1.5 mg/kg（pH≤5.5），Cd含量高于風險篩選值時具有潛在土壤污染風險，達到風險篩選值的3～5倍時為中度污染。

鈍化劑的使用是有效降低土壤有效Cd含量及植物Cd含量的重要途徑，通過前人的研究，鈍化劑可分為有機型鈍化劑、無機型鈍化劑和復合型鈍化劑等，土壤的內環境和外環境復雜多樣，而復合型鈍化劑具有新結構和新功能的特點，這就使復合型鈍化劑的綜合性能優于單一鈍化劑的性能，在實際應用中，復合型鈍化劑具有單一鈍化劑所沒有的優勢，通過使用復合型鈍化劑最后達到較為理想的修復效果[1-2]。李曉鋒等[3]研究表明，在受重金屬污染的土壤中添加不同種類、不同比例的鈍化劑能提高土壤酶活性，有效降低土壤中Cd、As 等重金屬的有效態，降低其在植物中的富集，從而達到農產品安全的目的。李穎華等[4]研究表明，有機和無機鈍化劑的單獨和聯合施用可有效減少土壤中Cd 含量，同時還可減少Cd 在白菜中的積累，康亞鑫等[5]也得到相同的研究結果。王林等[6]的研究表明，鈍化劑復配處理比單一處理能更有效降低土壤和水稻Cd 含量，同時對水稻還有更高的增產作用，且鈍化劑復配可以降低強堿性鈍化劑對土壤理化性質的破壞程度，進一步提高鈍化效率[7]。

近年來，中輕度Cd 污染農田土壤修復成為中國當前亟待解決的環境問題之一。為了降低土壤和農產品中的Cd 含量，近20 年我國科技工作者進行了廣泛研究，已初步形成種植低吸收作物品種、工程措施、化學修復、生物修復和農藝調控等土壤修復技術[8]。而《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）將受污染耕地分為“優先保護、安全利用和嚴格管控”三類，本研究全區域Cd 含量為0.81 mg/kg，屬于安全利用區，存在一定風險。同時由于化學修復高效、快捷，使其成為目前土壤重金屬污染修復的熱點；因此，應考慮鈍化劑種類的選擇、用量的準確、添加的比例等因素，在修復重金屬污染土壤的同時防止二次污染，避免給土壤理化性質和環境質量帶來負面影響。另一方面，目前的大量研究均基于盆栽或者土培的方式，其研究結果并不能很好地反映大田試驗結果。本研究以貴州省六盤水水城區黃壤為研究對象，在前期的研究基礎上選取5 種最優的復合鈍化劑對Cd 污染農田土壤進行原位鈍化修復，在大田作物統一管理下，探討其對中輕度Cd 污染農田土壤的修復效果，以期為中輕度Cd 污染農田土壤原位鈍化修復提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區在貴州省六盤水市水城區米蘿鎮（26°21′25″～26°23′6″N， 104°59′51″～105°0′38″E），地處貴州高原向云南高原過渡地帶，屬喀斯特巖溶地區，主要土壤類型為黃壤，土壤中含沙，偏酸性，土層深厚。平均海拔為1107 m，年平均日照時數為1367.5 h，年平均降水量約1200 mm。境內地下礦藏有煤炭、石灰石、銅、鐵、硒、大理石等。已探明煤炭儲量達4.9 億t，可開采量4 億t。由于大量開采地下礦物，導致重金屬污染嚴重。研究區耕作層土壤理化性質：pH 4.64，全Cd 含量為0.81 mg/kg，有機質含量為34.21 g/kg，全氮含量為2.51 g/kg，全磷含量為0.3 g/kg，全鉀含量為10.34 g/kg，堿解氮含量為165.44 mg/kg，速效磷含量為128.00 mg/kg，速效鉀含量為19.02 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 供試白菜品種為晉菜三號，該品種具有高產、高抗病毒病和霜霉病，適應性強、品質好、耐貯存等特點。

鈍化劑種類：赤泥購自遵義鋁業股份有限公司，pH 10.42，鎘含量為0.12 mg/kg；磷礦粉購自山東裕泰化工有限公司， pH 9.76 ， 鎘含量為0.09 mg/kg；石灰購自惠灰實業有限公司，pH 12.88，鎘含量為0.11 mg/kg；腐殖酸購自深圳市杜高生物新技術有限公司，pH 9.86，鎘含量為0.15 mg/kg；生物炭購自鞏義市北山口鴻昌凈水材料廠，pH11.93，鎘含量為0.05 mg/kg；海泡石購自拓億新材料有限公司，pH 10.12，鎘含量為0.10 mg/kg。

根據前期的室內土壤培養試驗結果，在濃度為1 mg/kg 的Cd 污染土壤中，赤泥添加量為1.5%、磷礦粉添加量為1.5%、海泡石添加量為1.5%、腐殖酸添加量為1.5%、生物炭添加量為2.5%時，Cd 的鈍化率在40%以上，根據室內土壤培養試驗結果對6 種鈍化劑的添加量復配進行盆栽試驗，結果以表1 中的5 種復配鈍化劑的鈍化效果最優，白菜富集Cd 的能力最小。在大田試驗中設置T₁、T₂、T₃、T₄、T₅ 共5 種復合鈍化劑組合（表1），以不施復合鈍化劑為對照（CK），共6 個處理，每個處理重復3 次，18 個小區，每個小區面積為60 m²。每個小區按每666.67 m2 施加比例為N∶P₂O₅∶K2O=15∶15∶15 的硫酸鉀型復合肥50 kg，每666.67 m² 復合鈍化劑的添加量為333.33 kg，稱取復合肥、復合鈍化劑，在白菜直播前7 d 施入耕作層并翻耕混勻。

1.2.2 樣品采集 土壤樣品采集：白菜收獲時采集各小區內耕作層土壤，共18 個樣品。土壤樣品的采集采用“S”形取樣法，取土時去除碎石和枯枝、落葉等，裝袋，做好標記。將采集的土樣帶回實驗室，一部分土樣置于冰箱中4 ℃保存，一部分在通風陰涼處風干。于4 ℃保存的樣品過20目篩，風干土樣分別過100、20 目篩。土壤樣品嚴格按照《農田土壤環境質量監測技術規范》（NY/T 395—2012）進行制備。

白菜樣品采集：各小區采用“S”形取樣法采集白菜，將白菜整株裝入網袋，做好標記，帶回實驗室，用蒸餾水清洗并擦干，根、莖、葉分別裝入牛皮紙袋，置于60 ℃烘箱中烘干，白菜樣品嚴格按照《農、畜、水產品污染監測技術規范》（NY/T 398—2000）進行制備。

1.2.3 指標測定 pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量采用常規分析法測定[9]。過氧化氫酶活性采用容量法測定，脲酶、蔗糖酶活性采用比色法測定，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定， 土壤微生物碳（MBC）、微生物氮（MBN）采用氯仿熏蒸提取法測定，土壤全Cd 含量采用HNO₃-HClO₄-HF 消化法測定，土壤有效Cd 含量采用DTPA 溶液浸提法測定，Cd 形態含量采用BCR 連續提取法測定[10]，白菜樣Cd 含量采用HNO₃-H₂O₂ 聯合消煮法測定，以上各提取液均采用ICP-MS 測定Cd 含量。土壤樣品Cd 分析用標準物質（GBW07410）進行質量控制；白菜樣品Cd 分析用標準物質（GBW10049）進行質量控制，Cd 元素的回收率控制在95%～105%之間。

1.3 數據處理

采用Excel 2019、DPS 7.05 軟件進行數據處理，數據以平均值±標準誤差表示，通過LSD 法進行差異顯著性檢驗，采用SPSS 軟件進行相關性分析，利用Origin 2022 軟件制圖。相關計算公式如下：生物富集系數（BF）=植物各部位Cd 含量/土壤中Cd 含量；轉運系數（TF）=植物地上部分Cd 含量/植物地下部分Cd 含量。

2 結果與分析

2.1 復合鈍化劑對農田土壤pH、有機質、有效態Cd 含量的影響

如表2所示，在耕作層土壤中，T₃、T₄、T₅處理顯著提高了土壤pH（Plt;0.05），與CK 相比，土壤pH 分別提高了17.10%、17.53%、16.45%，T₁、T₂ 處理與CK 之間無顯著差異，這可能與鈍化劑之間發生的拮抗作用有關。復合鈍化劑處理的耕作層土壤有機質含量與CK 之間均無顯著差異，說明復合鈍化劑的施加與土壤有機質含量無相關性。與CK 相比，T₂、T₃、T₄、T₅ 處理顯著降低了土壤有效態Cd含量（Plt;0.05），分別降低12.03%、12.17%、13.90%、16.21%，但T₂、T₃、T₄、T₅ 處理之間無顯著性差異，T₁ 處理與CK 間無顯著性差異，這可能與鈍化劑自身的pH 有關。

2.2 復合鈍化劑對不同形態Cd含量的影響

如表3 所示，復合鈍化劑對土壤各形態Cd含量的影響有一定差異。施用復合鈍化劑后，弱酸提取態Cd 含量和可還原態Cd 含量呈降低趨勢，與CK 相比，T₅ 顯著降低了弱酸提取態Cd含量和可還原態Cd 含量（Plt;0.05），分別降低了42.43%和24.99%。而施用復合鈍化劑后，可氧化態Cd 含量和殘渣態Cd 含量呈增高趨勢，但與CK 相比，各個處理的可氧化態Cd 含量均無顯著性差異，T₅ 處理的殘渣態Cd 含量顯著升高82.61%（Plt;0.05）。說明T₅ 處理對Cd 的溶解態向非溶解態的轉化影響最大。

2.3 復合鈍化劑對土壤酶活性的影響

如圖1 所示，與CK 相比，T₁、T₃、T₄、T₅處理顯著提高土壤蔗糖酶活性（Plt;0.05），分別提高132.67%、48.23%、42.06%、152.46%；與CK 相比，T₁、T₂、T₃、T₄ 處理顯著提高土壤脲酶活性（Plt;0.05），分別提高35.19%、25.47%、18.93%、18.43%，而T₅ 處理顯著降低10.70%（Plt;0.05）；與CK 相比，T₁、T₃、T₄、T₅ 處理顯著提高土壤酸性磷酸酶活性（Plt;0.05），分別提高26.48%、23.10%、21.35%、15.95%；與CK相比，T₃、T₄ 處理顯著提高過土壤氧化氫酶活性（Plt;0.05），分別提高18.78%、19.01%。說明在復合鈍化劑處理下，土壤酶活性均有不同程度變化。

2.4 復合鈍化劑對微生物碳、氮含量的影響

如圖2 所示，與CK 相比，T₁、T₂、T₃ 處理顯著提高土壤微生物炭（MBC）含量（Plt;0.05），分別提高48.32%、53.19%、31.83%；與CK 相比，T₂、T₃、T₄ 處理顯著提高土壤微生物氮（MBN）含量（Plt;0.05），分別提高19.14%、53.01%、59.89%。而T5 處理顯著降低MBC含量10.63%（Plt;0.05），T₁ 處理顯著降低MBN 含量35.81%（Plt;0.05）。說明鈍化劑的施加對MBC 含量、MBN 含量有不同影響。

2.5 復合鈍化劑對白菜Cd吸收積累的影響

如圖3 所示，施加復合鈍化劑能有效降低白菜根、莖、葉中的Cd 含量，與CK 相比，T₁、T₄、T₅ 處理顯著降低根部、莖部的Cd 含量（Plt;0.05），根部的Cd 含量分別降低12.44%、17.09%、12.06%，莖部Cd 含量分別降低14.77%、23.37%、38.13%。與CK 相比，5 個復合鈍化劑處理均顯著降低葉部Cd 含量（Plt;0.05），T1～T5 分別降低22.01%、22.15%、14.54%、21.96%、17.00%。說明施用復合鈍化劑降低了土壤有效態Cd 含量，從而減少白菜各部位對重金屬Cd 的吸收。

由表4 可知，施用鈍化劑影響白菜中Cd 的富集系數。與CK 相比，T₁、T₄、T₅ 處理顯著降低白菜根部和莖部Cd 的富集系數（Plt;0.05），根部Cd 的富集系數分別降低10.32% 、17.08% 、12.06%，莖部Cd 的富集系數分別降低14.78%、23.44%、38.16%；與CK 相比，5 個復合鈍化劑處理均顯著降低白菜葉部Cd 的富集系數（Plt;0.05），T₁～T₅ 分別降低22.01%、22.15%、14.53%、21.96%、17.00%，各處理間葉部Cd 的富集系數無顯著差異。說明施加復合鈍化劑降低了土壤重金屬Cd 的生物有效性，限制了Cd 向植物體內遷移。

如表5所示，T5 處理下，莖部Cd 的轉運系數顯著低于CK（Plt;0.05），比CK 低29.54%。T₁、T₂ 處理下，葉部Cd 的轉運系數顯著低于CK（Plt;0.05），比CK 分別低12.93%、19.14%。說明施加復合鈍化劑能降低白菜各部位Cd 的轉運系數，且白菜葉部Cd 的轉運系數高于莖部。

2.6 相關性分析

由表6可知，土壤pH 與土壤過氧化氫酶活性呈極顯著正相關，與白菜莖部Cd 含量呈顯著負相關；土壤蔗糖酶活性與土壤酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關，與白菜莖部Cd 含量呈極顯著負相關；土壤脲酶活性與白菜葉部Cd含量呈顯著負相關；土壤酸性磷酸酶活性與白菜根部Cd含量呈極顯著負相關，與白菜莖部Cd含量呈顯著負相關；白菜根部Cd 含量與莖部Cd 含量呈極顯著正相關，與葉部Cd 含量呈正顯著相關。

3 討論

農田土壤重金屬的生物有效性受土壤重金屬全量、重金屬形態的改變、土壤pH、陽離子交換量、有機質含量、養分狀況、存在時間和土地利用方式等諸多因素的影響[11]，施加堿性物質、碳酸鹽礦物、黏土礦物和有機物料可通過改變上述影響因素來降低重金屬的有效性。QIN 等[12]研究表明，Cd的活性越高，越容易從土壤中釋放出來，從而被植物吸收，而土壤pH 可以調控重金屬的形態、分配和生物有效性，因此，通過提高土壤pH 來降低重金屬的生物有效性是原位鈍化的重要機制。本研究中，從施入鈍化劑（2021-10-01）到采樣（2021-12-06）的2個月內，T₃、T₄、T₅處理顯著提高了耕作層土壤pH，土壤pH 的提高可能與鈍化劑自身pH 較高有關，本研究中的鈍化劑有赤泥、石灰、海泡石、生物炭、磷礦粉、腐殖質，除了磷礦粉和腐殖酸，其他鈍化劑pH均大于10。T₂、T₃、T₄、T₅ 處理使土壤有效態Cd含量降低最多，這可能與土壤pH 以及鈍化劑材料有關。一方面，施加鈍化劑后，土壤pH 升高，引起土壤顆粒表面的負電荷增多，土壤中Cd的有效性降低[13]；另一方面，處理中添加的海泡石、生物炭具有較大的比表面積和良好的吸附性能[14-15]。有研究結果表明生物炭和海泡石復配能顯著提高土壤pH，降低土壤重金屬有效態含量，且比單獨施加生物炭、海泡石的鈍化效果好[16]。綜合鈍化效果，復合鈍化劑T₃、T₄、T₅ 處理的修復中輕度Cd 污染土壤效果最佳。此外，鈍化劑的持續改良時間也是研究重點之一，黃雁飛等[17]的研究結果表明，鈍化劑需要在第2 季時及時補充方能持續改良。劉冬冬[18]的研究結果表明，施用鈍化劑120 d 比60 d 時的土壤有效態Cd 含量和白菜Cd 含量低，說明鈍化效果穩定。結合本研究2 個月的鈍化結果來看，鈍化劑的持續改良時間至少應該在3 個月以上，具體時間需要長期試驗驗證。

有研究表明，在低pH 條件下，土壤溶液中的H+濃度增加，被置換下來的Cd²⁺濃度上升，致使土壤中可交換態Cd、可還原態Cd 含量增加；隨著鈍化劑的加入，土壤pH 升高，土壤有機質的溶解度增大，絡合能力增強，致使大量的Cd²⁺被絡合，有利于生成更穩定的有機-Cd 的絡合物以及硫化物結合態Cd，同時Cd（OH）₂ 的比例也逐漸增大，導致有機結合態Cd 及硫化物結合態Cd 的含量迅速增加，有效態Cd 的含量逐漸降低[19-20]。本研究結果與上述研究有一定差異，本研究中，T₃、T₄、T₅ 處理的土壤pH 相差不大，但只有T5處理顯著促進弱酸提取態Cd 和可還原態Cd 逐步向可氧化態Cd 和殘渣態Cd 轉化，其他處理對各種Cd 形態的轉化效率差異均不顯著。這可能與T₅ 處理中添加的磷礦粉有關。磷礦粉的主要成分是氟磷灰石[Ca₁0（PO₄）₆F₂]，在磷礦粉施入土壤中后，磷酸根與土壤中的Cd²⁺反應生成難溶的礦物沉淀，而磷礦粉本身的Ca²⁺還會與土壤中的Cd²⁺發生拮抗作用，最后促進了弱酸提取態Cd 向其他形態轉化。

巨天珍等[21]研究表明，當重金屬含量超過一定量時，會導致土壤中的微生物生物量大幅度減少，活性降低，這種抑制作用甚至可持續數十年甚至上百年之久。CHEN 等[22]和郭暉[23]的研究表明，土壤中重金屬含量過高會抑制土壤酶活性。其原因，一方面可能是土壤中的Cd²⁺會與酶分子的巰基、含咪唑配位體等活性部位結合，形成較穩定的絡合物，從而與底物發生競爭作用，導致土壤酶活性下降；另一方面，重金屬會導致土壤微生物的生存環境受到污染，使其生長和繁殖速率下降，繼而體內酶的分泌和合成減少，導致土壤酶活性下降。本研究中，與CK 相比，T₅ 處理顯著提高土壤蔗糖酶活性，T₁ 處理顯著提高土壤脲酶活性，T₁、T₃、T₄ 處理顯著提高土壤酸性磷酸酶活性，T₃、T₄ 處理顯著提高土壤過氧化氫酶活性；T₁、T₂、T₃ 處理顯著提高土壤微生物碳含量，T₂、T₃、T₄ 處理顯著提高土壤微生物氮含量。說明施加鈍化劑可以有效降低重金屬對土壤酶活性和微生物的影響，提升土壤環境的自凈能力以及解毒能力，這與林小兵等[24]的研究結果一致。AI 等[25]和LLADó 等[26]的研究結果表明，土壤pH 對微生物和酶活性有明顯影響，在合適的酸性介質環境中，土壤微生物分泌酶的速率最高、種類最廣。但是在T₅ 處理下，土壤pH 升高，土壤脲酶活性、土壤微生物碳含量反而降低，這可能與T₅ 處理中加入的磷礦粉有關，具體原因有待進一步研究。

復合鈍化劑的施用能不同程度提高土壤pH、降低土壤有效態Cd 含量，從而減少白菜根、莖、葉對Cd 的吸收。施用鈍化劑后，T₁、T₄、T₅ 處理的白菜根部、莖部Cd 的富集系數顯著低于CK，T₁～T₅ 處理下白菜葉部Cd 的富集系數顯著低于CK；T₅ 處理下莖部Cd 的轉運系數顯著低于CK，T₁、T₂ 處理下葉部Cd 的轉運系數顯著低于CK。綜上表明，T₄、T₅處理可有效降低白菜對重金屬Cd 的吸收和積累，這與黃安林等[2]的研究結果一致。此外，農作物不同部位對Cd 的富集能力不同，且農作物中可能存在Cd 的主要存儲部位，嚴勛等[27]通過研究表明根是水稻最容易富集Cd的部位，王姍姍等[28]的研究結果表明花生籽粒則對Cd 具有相對較高的富集能力，是花生植株的Cd 存儲部位。本研究中，白菜各部位的Cd 富集系數表現為葉gt;莖、根，說明白菜對Cd 的儲存和富集作用主要集中在葉部。Cd 轉運系數表現為葉gt;莖，說明白菜的地上部吸收重金屬的能力高于地下部，這與陳森等[29]的研究結果一致。

通過相關性分析可知，白菜各部位富集Cd的強弱與土壤酶活性、土壤pH 呈顯著或極顯著負相關。BEHERA 等[30]的研究表明，受重金屬污染的土壤在添加鈍化劑后引起土壤pH 升高，毒性降低；王理德等[31]的研究表明，土壤酶活性在受土壤酸堿度影響的同時也受土壤中重金屬毒性的影響，土壤酶由土壤動物、土壤微生物和植物根系共同作用，且植物根系所分泌的物質是土壤酶活性的主要提供者。說明當土壤pH 升高時，土壤中的重金屬活性降低，白菜根系酶促反應升高，白菜富集Cd 的能力減弱，這與本研究結果一致。但是本研究中土壤過氧化氫酶與白菜各部位富集Cd 無相關性，其原因可能是Cd 與過氧化氫酶分子中活性部位的巰基和含咪唑的配體等結合形成較穩定的絡合物，產生了與底物的競爭性抑制作用，從而鈍化過氧化氫酶活性。

4 結論

在中輕度Cd 污染耕地土壤中，施用復合鈍化劑的T₃、T₄、T₅ 處理可顯著提升耕作層土壤pH，T₂～T₅ 處理顯著降低土壤有效態Cd 含量，土壤中的弱酸提取態Cd 和可還原態Cd 向可氧化態Cd和殘渣態Cd 有不同程度的轉化；除T₅ 處理外，其他處理均可使土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶活性提高，除T1、T₅ 處理外，其他處理均可使土壤微生物碳、土壤微生物氮含量增加。此外，施加復合鈍化劑可有效降低白菜各部位的Cd 含量，降低白菜中Cd 的富集和轉運系數，限制了土壤有效態Cd 向植物體內的遷移，阻礙了植物地下部Cd 向地上部轉移。綜合鈍化效果，針對試驗區的中輕度Cd 污染情況，最佳復合鈍化劑為T₄ 和T₅ 處理，即海泡石+生物炭+赤泥（3∶5∶3）和海泡石+生物炭+磷礦粉（3∶5∶3）。