零价铁与腐殖质复合调理剂对稻田镉砷污染钝化的效果研究

王向琴，刘传平*，杜衍红，刘晓文，谭均，刘代欢，李芳柏

1. 广东省生态环境技术研究所/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；2. 环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655；3. 中向旭曜科技有限公司，江苏 江阴 214000；4. 永清环保股份有限公司，湖南 长沙 410300

重金属镉、类金属砷是毒性较强的两种化学元素。目前，中国稻田土壤受镉、砷污染日益严重（曾希柏等，2013）。水稻具有较强的吸收积累镉和砷的特性，土壤中的镉、砷不仅能降低稻米的产量和质量，而且会通过食物链迁移，危害人类健康（徐珺等，2018）。稻田镉/砷从土壤颗粒表面迁移至水稻根表的过程，是决定其有效性的关键。这一过程与两种元素的形态、价态有关，受土壤氧化还原状态（Eh）、酸碱性质决定（Li et al.，2017；Kumarathilaka et al.，2018）。一般地，随着土壤Eh的升高，镉的移动性逐步增强，而砷的移动性逐步降低；随着土壤pH的升高，镉的移动性逐步下降，而砷的移动性逐步增强。可见，在稻田淹水-落干的特殊生境中，镉/砷行为受 Eh-pH影响表现出几乎完全相反的行为特征，这也成为镉、砷复合污染稻田修复的难点（于焕云等，2018）。

镉是中国稻米超标最严重的元素（Ke et al.，2015），因此，土壤钝化技术大多是围绕钝化镉而研发的（于焕云等，2018）。pH值和阳离子交换量（CEC）是影响土壤中镉有效性的关键因素，通过向土壤中施加碱性物质或者具有较大吸附容量的吸附材料，使镉与这些物质产生吸附、络合、沉淀和离子交换等一系列反应，降低其在土壤环境中的生物有效性和可迁移性（詹杰等，2012）。然而，以提高土壤pH和CEC为切入点的钝化技术，会造成砷的活化等次生问题，如有机吸附材料易与镉生成金属-有机络合物并增强粘土矿物对镉的吸附作用（余贵芬等，2002），但可能会通过电子穿梭或还原作用促进砷的还原溶解（Mladenov et al.，2010）。因此，宜开发环境友好的稻田镉/砷同步钝化技术。

稻田土壤铁循环是连接碳氮养分循环与镉/砷行为的枢纽，通过利用这些循环过程，可高效定向同步调控镉/砷活性，抑制稻米镉/砷的积累。可利用以下原理同步钝化镉和砷（Yu et al.，2016；Zhu et al.，2014）：（1）土壤异化铁还原过程消耗 H+，致使pH升高，促进镉的固定；（2）异化铁还原过程产生的亚铁离子吸附于三价铁氧化物表面，可催化氧化铁晶相转变为氧化能力较强的新鲜态三价铁，将三价砷氧化为五价砷，促进砷的固定；（3）水稻根际泌氧，与亚铁发生类Fenton反应生成氧化铁，促进根表铁膜形成，进而吸附固定生物有效性镉和砷。基于此，可以含铁物质为核心，将其与碱性材料或容量较大的吸附材料进行结合，研发两两组合或三者组合的复合材料，以有效促进稻田镉砷的同步钝化。

本研究以前期研制的零价铁与腐殖质复合材料作为钝化剂，以水稻为模式作物，选取广东省韶关市某典型镉砷复合污染稻田作为污染土壤修复区域，开展稻田镉砷的同步钝化修复田间试验。在阐述原位钝化修复效果的同时，关注钝化修复对土壤中有效态砷和镉、pH值和水稻根表铁膜中铁、镉和砷等土壤理化性质指标的影响，初步分析其钝化机理，为稻田镉砷原位钝化修复提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料及基本特征

零价铁粉中总铁质量分数为 93.04%，硫为0.01%，碳为2.43%，不溶成分为2.15%，购自日本同和控股(集团)有限公司，型号为E-200；腐殖质来源于木本泥炭，原产印度尼西亚，胡敏酸质量分数为 105.9 mg·kg-1，胡敏素为 69.5 mg·kg-1，富里酸为 12.4 mg·kg-1；按照零价铁与腐殖质的质量比为12.5∶87.5配制复合调理剂，由江苏旭曜科技有限公司生产，为粉剂。

1.2 供试土壤和水稻

供试田间试验点位于广东省韶关市某镉砷复合污染水稻田。稻田土壤为典型红壤，属花岗岩发育土类，土层深厚，质地较粘重。粘粒质量分数为438.6 g·kg-1，沙粒为 166.2 g·kg-1。供试土壤基本理化性质见表1。供试早稻水稻（Oryza sativa L.）品种为天优998，晚稻品种为五优613。

1.3 试验设计

共设置4个处理，分别为对照，添加1968.75 kg·hm-2腐殖质、281.25 kg·hm-2零价铁粉和 2250 kg·hm-2复合材料，每个处理设置3个重复。各试验小区面积为30 m2，小区周边设置保护行，小区间田埂用塑料薄膜覆盖，埋深25 cm，防止小区间窜水。水稻种植前将各种材料分别撒施在土壤表面，利用旋耕犁将其与表层土壤（0~20 cm）充分混合，淹水自然老化7 d后，进行水稻栽培。各个处理进行常规施肥，氮、磷和钾肥施用量分别为 N 240 kg·hm-2，P2O542 kg·m-2和 K2O 90 kg·m-2。除草和灌溉等田间管理与当地常规管理一致。分别于2015年4月初和7月中旬栽培早稻和晚稻，2015年7月初和10月中旬进行收获。

1.4 样品采集与分析

采用直径较大（20 cm）的PVC管将采集点的稻田表面水排开，用自制采样器（PVC材质，孔径为8 cm，长度约为15 cm）采集土壤-水界面处1 cm以下的土壤，置于干净的50 mL离心管中，离心后取上清液（即为孔隙水），备用。采用“S”形取样法采集试验区内整株水稻（长势一致、籽粒饱满）样品，尽快带回实验室进行处理。水稻根区土壤样品在室温下自然风干，剔除杂物后碾碎混匀，分别过20目和100目筛后保存于封口塑料袋中，备用。水稻样品分别用自来水和去离子水冲洗后，将鲜样分为根、茎叶和籽粒。根系置于250 mL塑料瓶中，加入0.3 mol·L-1柠檬酸三钠和1 mol·L-1碳酸氢钠混合液，浸提10 min后，再加入5 g连二亚硫酸钠浸提根表铁膜中的铁、砷和镉。提取铁膜中铁、砷和镉后，水稻根系经冲洗，和茎叶、籽粒分别装入纸袋，于 60 ℃下烘干至恒重。将水稻籽粒进行脱壳分为谷壳和稻米。分别对根、茎叶、谷壳和稻米进行称重后粉碎并转入自封塑料袋中，备用。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Soil properties of tested soil

土壤pH值采用土水质量比（1∶2.5）进行浸提，使用pH计（HACH，pHC101）进行测定（土水比m∶V为 1∶2.5）；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定（杜彩艳等，2015）；土壤有效态镉采用 DTPA提取（鲍士旦，2000）；有效砷采用磷酸盐溶液提取（Khan et al.，2010），土壤样品用HF-HNO3-HClO4法消解, 水稻各部位样品镉/砷总浓度采用HNO3-HClO4法消解测定。孔隙水、提取液和消解液中的镉使用ICP-OES（OptimalTM8000，USA）进行测定，砷使用原子荧光光谱仪（AFS-933，北京吉天)进行测定，铁含量使用ICP-OES（Optimal TM8000，USA）进行测定。

1.5 数据处理

所有试验数据运用Microsoft Excel 2010进行分析处理；采用SPSS 18.0统计软件中的单因素方差分析法（One-way ANOVA）比较各个处理间的差异，显著性水平为0.05。

2 结果和分析

2.1 零价铁与腐殖质复合调理剂的水稻产量效应

由表2可知，与对照相比，早稻和晚稻期间，施加腐殖质、零价铁和复合调理剂均显著提高了稻米的产量。与对照相比，施加腐殖质，早稻和晚稻分别增产 533 kg·hm-2和 934 kg·hm-2，增幅为 8.4%和 18.3%；施加零价铁，早稻和晚稻分别增产 700 kg·hm-2和 300 kg·hm-2，增幅为 11.4%和 12.1%；施加复合调理剂，早稻和晚稻分别增产 867 kg·hm-2和1367 kg·hm-2，增幅为13.9%和26.8%。这可能与施加调理剂改善土壤性质、增强土壤肥力有关。

2.2 零价铁与腐殖质复合调理剂的稻米镉砷积累效应

各处理水稻各部位镉/砷含量见表3。施加零价铁未对稻米镉含量产生明显影响；施加腐殖质、复合调理剂则明显地降低了水稻各部位镉的含量。与对照相比，施加腐殖质和复合调理剂后，早稻稻米镉含量分别下降14.3%和35.5%；晚稻稻米中镉含量分别下降33.3%和57.4%，差异显著（P<0.05）。施加复合调理剂，早稻稻米镉含量达到食品安全国家标准（GB 2762—2012）。

施加腐殖质、零价铁和复合调理剂均明显降低了水稻各部位砷的含量。与对照相比，施加腐殖质、零价铁粉和复合调理剂后，早稻稻米中砷含量分别下降了29.6%，47.3%和53.8%；晚稻稻米中砷含量分别下降了 24.1%，27.8%和 60.2%，差异显著（P<0.01）。施加复合调理剂，晚稻稻米砷含量达到食品安全国家标准（GB 2762—2012）。

2.3 零价铁与腐殖质复合调理剂的环境友好性能

有效态重金属含量与土壤中重金属的迁移和扩散能力有着密切的关系（刘昭兵等，2011）。因此，其可作为评价土壤治理效果的一个重要指标。图1A所示为不同处理下土壤有效态镉（DTPA提取态镉）的含量变化。由图可知，与对照相比，施用腐殖质和复合调理剂均可有效降低土壤DTPA提取态镉的含量。施加腐殖质和复合调理剂后，早稻土壤DTPA提取态镉（图1A）含量相比对照分别降低了11.3%和37.8%；晚稻土壤DTPA提取态镉分别降低 8.94%和 34.1%，差异显著（P<0.05）。零价铁对水稻土壤 DTPA提取态镉的影响并不显著。

表2 不同处理对早稻、晚稻稻米产量的影响Table 2 Biomass of brown rice at the early rice and late rice maturing stage

表3 早稻和晚稻水稻各器官中砷和镉质量分数Table 3 As and Cd mass fractions in rice tissues at the early rice and late rice maturing stage

图1 早稻、晚稻水稻成熟期稻田土壤中磷酸盐提取态砷（A）、DTPA提取态镉（B）、pH值（C）和水稻根表铁膜内铁（D）的含量Fig. 1 Phosphate extractable arsenic (A), DTPA extractable cadmium (B)，pH value (C) of soil and Fe (D) in iron plaque at the early and late season rice maturing stage under different treatmentsControl, the untreated soil; H, treatment with only humus; Fe, treatment with only ZVI; H-Fe, treatment with the combined conditioner. Different letters within a group indicate a significant difference, while the same letters indicate the values are not significantly different

如图1B所示，施加腐殖质、零价铁和复合调理剂均降低了有效态砷（磷酸盐提取态砷）的含量。施加腐殖质、零价铁和复合调理剂后，早稻土壤有效砷分别降低了22.4%、41.6%和36.5%；晚稻土壤有效砷分别降低了25.8%、43.7%和41.5%，差异显著（P<0.05）。pH在4~7.7范围内，每升高1个单位，土壤对镉的固定能力可提高2~3倍（罗远恒等，2014），因此，通常采用施加碱性材料的方法提升土壤pH，以固定镉等重金属阳离子（詹杰等，2012）。不同处理土壤pH变化如图1C所示。相比对照，施加零价铁和复合调理剂均提高了土壤pH值，早稻土壤pH分别提高了0.38和0.20个单位；晚稻土壤pH分别提高了 0.35和 0.4个单位，差异显著（P<0.05）。施加腐殖质不利于提升土壤pH，相比对照，施加腐殖质早稻和晚稻土壤pH分别下降0.21（差异显著，P<0.05）和0.04个单位。

孔隙水中镉/砷的含量对土壤中的生物有效性镉/砷具有重要的指示作用，水稻对土壤中的镉/砷的累积主要是通过吸收孔隙水中的镉/砷来完成。因此，了解水稻生长关键时期土壤孔隙水中镉/砷的变化情况尤为重要。如表4所示，早稻对照样品中亚铁离子、镉离子和三价砷离子质量浓度分别为(87.8±3.78) mg·L-1、(60.6±5.01) µg·L-1和(1.53±0.08)mg·L-1；施加腐殖质、零价铁和复合调理剂之后，亚铁离子质量浓度分别降至(73.6±2.59)、(67.4±3.08)和(27.5±1.82) mg·L-1；相应地，镉离子和三价砷离子浓度也下降，其中以施加复合调理剂的效果为最好。晚稻孔隙水亚铁离子、镉离子和三价砷离子具有和早稻相似的变化趋势。

表4 不同处理早稻、晚稻孔隙水中铁、镉和砷质量浓度Table 4 Fe (Ⅱ), Cd and As (Ⅲ) in pore water at the early rice and late rice maturing stage under different treatments

水稻径向泌氧在根际还原态介质中形成氧化态的微环境，使还原态亚铁发生氧化并在根表形成铁氧化物胶膜（铁膜）。铁膜可将砷/镉等对水稻有害的元素进行吸附固定，降低其对水稻的危害（Liu et al.，2006）。如图1D所示，相比对照，添加零价铁和复合调理剂提高了水稻根表铁膜中铁的含量，早稻铁膜铁含量分别提高了38.9%和86.5%，晚稻铁含量分别提高了 86.5%和 108.8%，差异显著（P<0.05）；相应地，铁膜所吸附的镉/砷含量增加（表5），早稻铁膜镉含量分别提高了 35.0%和 48.4%，晚稻镉含量分别提高了 111.9%和 140.4%，差异显著（P<0.05）；早稻铁膜砷含量分别提高了39.2%和68.2%，晚稻铁含量分别提高了67.7%和76.6%，差异显著（P<0.05）。腐殖质对铁膜镉含量无显著影响，但提升了铁膜砷含量，早稻和晚稻分别提高了36.0%和44.2%，差异显著（P<0.05）。

3 讨论

镉和砷在稻田环境中表现出相反的行为特征，因此，单一的钝化技术通常在钝化其中一种元素的同时，增强另一种元素的迁移性和生物可利用性。基于本研究，单独施加腐殖质，早稻、晚稻 DTPA提取态镉降低率分别为 11.3%和 8.94%；单独施加零价铁，早稻、晚稻DTPA提取态镉降低率分别为3.77%和3.36%；施加复合调理剂，早稻、晚稻DTPA提取态镉降低率分别为37.8%和34.1%。因此，单独施加腐殖质或零价铁，对稻田镉钝化的影响远低于施加复合调理剂的影响，表明复合调理剂除具备零价铁和腐殖质加和的功能外，还对稻田土壤镉钝化起着重要的协同作用。但复合调理剂对土壤砷的影响小于对镉的影响，尽管相比对照和腐殖质，其能显著降低磷酸盐提取态砷含量（早稻、晚稻磷酸盐提取态砷降低率分别为36.5%和41.5%），但与单独施加零价铁的差异不显著。

3.1 腐殖质的作用机制

施加腐殖质对水稻中镉/砷的积累具有抑制作用。腐殖质含有醇羟基、酚羟基、羧基、磺酸基、胺基和游离的醌基等官能团，这些活性官能团决定了腐殖质具有较强的阳离子交换性能、吸附和络合能力。腐殖质不仅易于和金属络合生成金属-有机络合物，还可以与粘土矿物、氧化物形成颗粒有机物或有机膜而促进粘土矿物对重金属的吸附作用，从而增强粘土矿物对重金属的吸附作用（余贵芬等，2002）。研究表明，含胡敏酸的高岭石对镉的吸附量比纯粘土大，且随着胡敏酸含量的增加，其对镉的吸附能力也增强。因此，粘土矿物、氧化物与有机质相结合可显著改善土壤重金属镉污染（范洪黎等，2008）。单独施加腐殖质处理中，土壤孔隙水亚铁离子含量和镉离子含量下降显著，进一步表明腐殖质可增强土壤对金属阳离子的吸附能力；砷在稻田土壤中主要以阴离子形式存在，一般而言，由于腐殖质可以作为电子穿梭体促进含砷铁矿物的还原溶解（Mladenov et al.，2010），也可以还原五价砷为三价砷，从而提高其移动性（Palmer et al.，2006）。因此，向土壤中施加腐殖质类物质不利于砷的吸附固定。但相比对照，单独施加腐殖质后土壤pH下降显著，这有利于土壤对以阴离子形式存在的砷酸根或亚砷酸根进行吸附固定（Dou et al.，2010）；此外，分子量较大的腐殖质可与砷形成络合物，从而降低砷的移动性（Wang et al.，2006），这可能是施加腐殖质显著降低土壤生物有效性砷（图1）和水稻砷积累量（表3）的主要原因。

表5 不同处理早稻、晚稻水稻根表铁膜镉、砷质量分数Table 5 As and Cd mass fractions in iron plaque at the early rice and late rice maturing stage under different treatments

3.2 零价铁的作用机制

稻田淹水环境下，随着O2逐渐消耗，土壤Eh下降，铁氧化物通过异化铁还原过程被还原成Fe2+，从而释放出镉/砷，增加二者的生物可利用性（Qiao et al.，2018）。施加零价铁后，土壤孔隙水中亚铁离子、三价砷离子和亚铁离子下降明显，土壤磷酸盐提取态砷含量显著下降，尽管DTPA提取态镉的变化并不明显（图1），但水稻根表铁膜固定的镉和砷含量显著增加（表5）。可能的作用机制为：（1）零价铁是一种很强的还原剂，在稻田环境中极易被空气和其他含氧物质氧化为无定形铁氧化物，在零价铁颗粒表面形成铁氧化物覆盖层（4Fe0+3O2+2H2O→4am-FeOOH）；（2）零价铁与土壤溶液中的H2O反应，生成亚铁离子（Fe2+）同时导致 pH 升高（Fe0+O2+2H2O→2Fe2++4OH-）（Qiao et al.，2018），有利于镉的固定；（3）亚铁离子会与镉竞争水稻根系阳离子转运通道，抑制镉向水稻内部迁移（Morrissey et al.，2009）；（4）吸附于氧化铁表面的亚铁，可催化氧化铁晶相转变，产生氧化能力更强的新鲜态三价铁，然后氧化三价砷为五价砷，促进砷的固定（Amstaetter et al.，2010）；（5）微生物作用下，稻田硝酸盐还原耦合亚铁氧化生成氧化铁（Fe2++1/5NO3-+7/5H2Obacteriaam-FeOOH+1/10N2+9/5H+）（Wang et al.，2018），吸附固定生物有效态砷和镉；（6）根际环境中的 Fe2+可被水稻径向泌氧产生的氧气氧化成铁膜（Wang et al.，2006），铁膜可对镉和砷进行吸附固定，从而降低镉和砷被水稻吸收的几率。

本研究施加零价铁导致土壤pH上升，这可能是由于零价铁氧化过程产生 OH-导致的（Fe0+O2+2H2O→2Fe2++4OH-），该过程有利于镉的吸附固定；氧化过程产生的Fe2+进一步通过微生物作用形成无定形铁（Qiao et al.，2018），有利于砷和镉吸附固定。

水稻根表铁膜中铁和砷、铁和镉的相关性分析（图2）表明，早稻和晚稻根表铁膜铁和镉（如晚稻，R2=0.993，P=0.0030）、铁和砷（如晚稻R2=0.995，P=0.0024）之间都具有显著相关性，铁膜铁是水稻根际环境中控制镉砷行为的重要因素（Qiao et al.，2018）。但施加零价铁对水稻吸收镉的影响较轻微，这可能是由于零价铁在氧化过程中易于在其表面形成铁氧化物而将其包裹住，反应活性因而相应降低所致。

3.3 零价铁和腐殖质的协同作用机制

图1表明，与对照、单独施加零价铁和腐殖质相比，施加复合调理剂显著降低了土壤中生物有效性砷和镉的含量，提高了水稻根表铁膜铁、砷和镉含量和根际土壤pH值；相应地，水稻各部位镉和砷的含量下降显著（表3）。施加复合调理剂对土壤DTPA提取态镉的降低率（早稻和晚稻分别为37.8%和34.1%）远高于单独施加零价铁和腐殖质的降低率的总和（早稻和晚稻分别为15.1%和12.3%），表明零价铁和腐殖质之间的交互作用对抑制镉进入水稻具有协同作用。报道指出，碳的存在会促进零价铁的侵蚀过程进而导致无定形铁氧化物的快速生成（Dou et al.，2010），因此，腐殖质的电子穿梭作用加速了零价铁的侵蚀过程（Klupfel et al.，2014），复合调理剂中腐殖质会加速零价铁的侵蚀和无定形铁氧化物的生成，促进镉和砷的同步吸附固定。

图2 水稻根表铁膜中铁和砷、镉的关系Table 2 Correlations between Fe and As, Fe and Cd in Fe plaque

4 结论

相比对照、单独施加腐殖质和单独施加零价铁，土壤中施用适量腐殖质和零价铁复合调理剂对中轻度镉砷复合污染稻田具有良好的修复效果。稻田土壤分别施加2250 kg·hm-2复合调理剂后：

（1）显著降低水稻各部位稻米中镉和砷的含量且提升稻米产量。（2）有利于酸性镉污染土壤改良和镉/砷在水稻根表的吸附固定，可抑制镉和砷向水稻内部迁移。

（3）抑制了铁氧化物的还原溶解，增强土壤对镉和砷的固定效果。

（4）显著降低土壤有DTPA提取态镉和磷酸盐提取态砷含量，零价铁和腐殖质之间的交互作用对抑制镉进入水稻具有协同作用。