淺析石灰施用對土壤鎘活性的影響

摘 要 鎘污染是我國所面臨的主要土壤污染問題，其危害性極大，能對作物的正常生長造成危害，同時通過作物的吸收轉(zhuǎn)移至食物鏈，威脅到糧食安全，因此土壤鎘污染的治理是當今的一大熱點。石灰具有效果顯著、施用方便、成本低廉等優(yōu)點，常被人們用于減輕土壤重金屬污染。為給土壤鎘污染治理提供參考，結(jié)合國內(nèi)外文獻，從土壤鎘污染的現(xiàn)狀、鎘在土壤中的形態(tài)變化、石灰對鎘污染土壤的修復機理等方面綜述施用石灰對土壤鎘活性影響的研究進展，并進行展望。

關(guān)鍵詞 土壤；石灰；鎘活性；修復機制

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.15.021

土壤鎘污染不僅阻礙作物正常生長，而且會威脅人類健康。鎘主要是通過工業(yè)、人類大量使用農(nóng)用化學品排放的[1]。在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，鎘污染位于土壤重金屬污染之首，其在耕地土壤中的污染率達到25.20%[2]。在我國西南部和沿海地區(qū)，土壤鎘濃度嚴重超標，對人類的身體健康構(gòu)成了威脅。鎘污染具有范圍廣、持續(xù)時間長、無法被生物降解等特點，土壤一旦被鎘污染就很難修復，因此修復鎘污染土壤一直是學術(shù)界研究的熱點。

目前，人們可通過物理、化學、生物等修復技術(shù)降低鎘活性，修復鎘污染土壤。物理修復方法有客土法和換土法。客土法就是將未被污染的土壤覆蓋在受污染的土壤上。換土法就是將受污染的土壤挖除，然后覆蓋未被污染的土壤，達到更換土壤的目的。不管是客土法還是換土法，其機理都是將被鎘污染的土壤與生物圈盡可能隔離，以減少植物根系與土壤中的重金屬接觸的可能，進而保證動植物的安全。然而，應用物理修復方法不能從根本上去除污染土壤中的鎘，且需要耗費大量人力、物力，不適用于大規(guī)模的鎘污染土壤修復。生物修復方法主要是利用植物修復技術(shù)，即利用植物的吸附或降解作用，使土壤中的鎘轉(zhuǎn)移至土體外，從而達到降低土壤鎘含量的目的。化學修復方法即將化學改良劑施用于受污染土壤，對鎘進行固定、轉(zhuǎn)換、溶解、絡合，降低土壤中鎘的活性。其中，施用石灰降低鎘活性的原位修復技術(shù)已成為一種經(jīng)濟有效的污染治理方式。曾秀君等研究表明，施用石灰不僅能降低土壤中鎘的活性，還可明顯改善土壤的理化性質(zhì)[3]。

筆者根據(jù)國內(nèi)外文獻，綜述施用石灰對土壤鎘活性影響的研究進展，重點歸納整理我國土壤鎘污染現(xiàn)狀、鎘在土壤中的形態(tài)變化、石灰對鎘污染土壤的修復機理等方面，旨在為研究和開展石灰施用影響土壤鎘活性試驗提供參考依據(jù)。

1 "我國土壤鎘污染現(xiàn)狀

土壤母質(zhì)決定土壤中重金屬的含量[4]。近年來，我國工業(yè)化進程加快，廢棄物排放量不斷增加，加之農(nóng)業(yè)中大量化學藥品的使用，我國土壤受到了嚴重的重金屬污染。據(jù)報道，我國耕地受到重金屬污染的面積達到0.23億hm2。鎘作為“五毒”元素之首，在地殼中的平均濃度為0.1～0.4 mg·kg-1[5]。在我國，從西北到東南、從東北到西南，土壤中鎘的含量呈增加趨勢，鎘背景值在0.001～13.400 mg·kg-1[6]。在我國西南地區(qū)，貴州省屬于鎘重污染區(qū)域。龔思同等研究表明，在貴州省以黃壤為主的區(qū)域，可交換態(tài)鎘占比平均值為17.52%～22.83%，屬于中風險水平[7]。而位于我國中南地區(qū)的湖南省也是鎘重污染區(qū)之一，其中株洲市鎘污染超標5倍以上的土地面積達到160.00 km2，其中重度污染土地面積達34.41 km2[8]。王娟恒等研究表明，廣東省揭陽市土壤鎘含量均值為0.09 mg·kg-1，高于該地區(qū)土壤背景值[9]。

綜上來看，我國土壤受鎘污染的范圍較廣，污染現(xiàn)狀不容樂觀，對糧食安全構(gòu)成了直接威脅。隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，土壤鎘污染日益加劇。因此，基于現(xiàn)狀治理土壤鎘污染是一項必要的任務。

2 "鎘在土壤中的形態(tài)和轉(zhuǎn)化

現(xiàn)有研究得出，環(huán)境中的鎘對生物體產(chǎn)生的危害與毒性主要在于鎘在環(huán)境中的存在形態(tài)及其含量，而不是總鎘含量。不同形態(tài)的鎘的吸附、解吸、轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)化能力各不相同，對作物的影響也不相同。利用土壤鎘形態(tài)轉(zhuǎn)化特點，采取適宜的修復方法，促使土壤鎘形態(tài)向失活性轉(zhuǎn)化將有助于土壤鎘污染的治理。

2.1 "鎘在土壤中的形態(tài)

鎘的存在形式?jīng)Q定其在土壤中的活性。在土壤和沉積物等的研究中，廣泛采用Tessier連續(xù)提取法區(qū)分重金屬元素的化學形態(tài)。該方法將沉積物或土壤中重金屬的化學形態(tài)定義為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機質(zhì)結(jié)合態(tài)及殘渣態(tài)5種[10]。可交換態(tài)鎘在環(huán)境中的活性高，易發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，且能被植物吸收；碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘對環(huán)境pH值特別敏感，在pH值較低的環(huán)境中易重新釋放進入環(huán)境；鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘和有機質(zhì)結(jié)合態(tài)鎘主要為潛在可利用態(tài)，在酸性介質(zhì)下可釋放出來，可反映人類活動對環(huán)境的污染程度；而殘渣態(tài)鎘較穩(wěn)定，在土壤中遷移轉(zhuǎn)化作用弱，較難被植物吸收。

2.2 "鎘在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化

鎘在土壤中的移動性較弱，主要積累在0～20 cm深的耕作層中，很難遷移至40 cm以下的土壤中[11]。土壤中的鎘會不斷積累，且不易治理和恢復。土壤-植物系統(tǒng)對鎘吸收、累積受土壤中的水分、質(zhì)地、pH值、有機質(zhì)等因素的影響，尤其pH值影響最大[12]。竇韋強等研究表示，當土壤pH值為4.0時，鎘的溶出率達到50%；而土壤pH值為7.5時，鎘幾乎不溶出或很難溶出[13]。鎘的溶解與沉淀受土壤pH值的影響，土壤溶液中鎘離子可以隨水流遷移至地面水體，或被吸附于土壤膠體表面隨塵土機械搬運。鎘易與土壤無機膠體結(jié)合，發(fā)生非專性或?qū)Ｐ晕剑蛘弑煌寥烙袡C膠體絡合和螯合[14]。鎘在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化過程有水-土壤生態(tài)系統(tǒng)、土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)等，一般鎘進入土壤后先被土壤膠體吸附，之后轉(zhuǎn)變成其他形態(tài)。土壤中的鎘還可以通過植物根系的吸收而遷移至植物體中并積累起來，最終威脅人類健康安全。因此，研究鎘遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，并使用適宜修復技術(shù)，可有效降低鎘危害，使糧食安全得到保障。

3 "施用石灰對鎘污染土壤的修復機理

在土壤中添加石灰，可以將鎘從可移動的形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢梢苿拥男螒B(tài)。陳遠其等研究表明，施用石灰降低土壤鎘活性主要是通過改變土壤pH值、土壤膠體對陽離子的吸附量及土壤的氧化還原電位等，改變鎘在土壤中的吸附、沉淀、絡合等作用[15]。Zhang等研究也表示，土壤中鎘的主要修復機理可以歸因于調(diào)節(jié)土壤pH值、表面吸附的相互作用、離子交換等作用[16]。

3.1 "調(diào)節(jié)土壤pH值

影響土壤鎘活性的一個重要因素就是土壤pH值，土壤pH值對土壤吸附-解吸和沉淀-溶解平衡等化學行為產(chǎn)生重要影響。其變化會導致鎘的吸附位點、吸附表面的穩(wěn)定性和存在形態(tài)等發(fā)生變化[13]。韋小了等的研究表明，在土壤中施用石灰后，土壤pH值上升0.25～1.04個單位，土壤陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC）明顯增加[17]。pH值升高使土壤中的黏土礦物、水合氧化物、有機質(zhì)表面的負電荷增加，進而提高了對土壤中鎘離子的吸附力，使土壤中鎘離子的濃度降低[18]。利用石灰中和土壤的酸性，不僅操作簡便，而且使用效果明顯。陳楠等研究表明，隨著土壤pH值的升高，土壤中有效性高的可交換態(tài)鎘含量降低，有效性低的可還原態(tài)鎘、殘渣態(tài)鎘含量升高[19]。劉勇等研究表明，在鎘污染土壤中添加石灰，土壤pH值明顯升高，鎘的化學形態(tài)呈現(xiàn)由水溶態(tài)、交換態(tài)等活性態(tài)轉(zhuǎn)向有機態(tài)、殘渣態(tài)等非活性態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，其生物活性、遷移能力也有所下降[20]。

3.2 "化學沉淀反應與離子吸附交換作用

當土壤淹水時，土壤處于還原狀態(tài)，土壤中的三價鐵離子、四價錳離子、硫酸根離子被還原成二價鐵離子、二價錳離子、硫離子，最后生成硫化鐵、硫化錳等難溶或不溶的化合物，使鎘元素向非活性方向發(fā)展[21]。官迪等研究表明，土壤中氫氧根離子含量累積到一定濃度時，氫氧根離子會與鎘離子形成不溶于水和堿的氫氧化鎘沉淀，從而使鎘的活性降低[22]。土壤中游離的鎘離子是植物最易吸收利用的形態(tài)，而施用石灰可使土壤顆粒表面負電荷增加，促使土壤中游離的鎘離子（陽離子）生成氫氧化物或碳酸鹽結(jié)合態(tài)鹽類沉淀[23]。此外，石灰降低了土壤中氫離子濃度，氫離子在土壤膠體表面的競爭作用減弱，被鈣離子等取代，土壤固相中的陽離子交換量增加，使重金屬元素與其主要吸附載體更加牢固地結(jié)合，從而實現(xiàn)土壤中重金屬有效態(tài)降低[24]。

3.3 "增加土壤有機質(zhì)含量

石灰施用于土壤能顯著加快有機質(zhì)轉(zhuǎn)化。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用石灰能改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤有機質(zhì)含量[25]。土壤有機質(zhì)主要通過絡合作用與鎘離子相結(jié)合，而降低土壤鎘的活性。土壤中有機質(zhì)上的主要官能團羧基和羥基反應，促使土壤表面帶負電荷，同時黏土礦物表面羧基與氫氧根發(fā)生反應，使表面羥基帶負電荷，因此土壤表面可變電荷增加，從而降低了土壤鎘的專性吸附比例。韋小了等針對鈍化劑的研究表明，施用石灰可使土壤有機質(zhì)含量提升4.32%，土壤可交換態(tài)鎘含量降低13.08%[26]。

4 "展望

從國內(nèi)外的研究結(jié)果可以看出，施用石灰對降低土壤鎘的活性具有重要作用，其作用機理可以從調(diào)節(jié)土壤pH值、化學沉淀反應與離子吸附交換作用、增加土壤有機質(zhì)含量3個方面得以顯現(xiàn)。通過從土壤鎘污染的現(xiàn)狀、鎘在土壤中的形態(tài)變化、石灰對鎘污染土壤的修復機理等方面總結(jié)了施用石灰對土壤鎘活性的影響，提出下一步的研究方向。

1）目前，利用原位鈍化技術(shù)修復鎘污染土壤在國內(nèi)外比較普遍，但針對施用石灰修復鎘活性土壤的研究尚少。因此，針對開展石灰修復鎘污染土壤試驗的數(shù)據(jù)有局限性、理論支撐不足，下一步應針對性開展施用石灰對鎘污染土壤的修復研究。

2）關(guān)于施用石灰對土壤鎘活性影響的機理有了部分報道，但石灰的施用量、施用方式尚不明確，需進一步研究。

3）石灰對鎘污染土壤的修復屬于原位鈍化方法，主要是將鎘固定于土壤中，未實現(xiàn)真正去污化，且對作物的生長效應影響報道不多，需針對性開展相關(guān)研究。

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（責任編輯：張春雨）

收稿日期：2024-07-13

作者簡介：李慧（1982—），本科，農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)技術(shù)研究。E-mail：87112310@qq.com。