生物炭、沸石与膨润土混施对玉米生长和吸收Cd、Pb、Zn的影响研究

杜彩艳 ，王攀磊 ，杜建磊，朱红业，包 立，郭玉蓉 ，张乃明*，潘艳华 *

1. 云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；2. 农业部嵩明农业环境科学观测实验站，云南 昆明 650205；3. 云南省农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201

随着城镇化、工业化的发展和城市污泥、废弃物进入农业生态系统，土壤重金属污染态势日趋严峻（胡红青等，2017），土壤重金属通过土壤-植物系统转移进入食物链的潜在风险（Wu et al.，2011）问题也日益受到广泛关注（Sharma et al.，2007；罗惠莉等，2018）。云南是著名的“有色金属之乡”，矿产资源十分丰富，位于滇南的个旧矿区是云南省传统的超大型多金属矿区，长期没有任何环保措施的矿业活动，导致大量矿区周边农田土壤重金属污染严重，影响当地的农产品产量和质量。因此，迫切需要开展这一区域重金属污染农田的修复与治理。

目前，治理重金属污染土壤的途径主要有2种。一是利用各种手段消减土壤重金属总量（工程措施、植物修复等）；再就是改变重金属在土壤中的赋存形态，使其固定，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性（化学钝化、微生物修复等）。工程措施代价高昂，植物修复目标生物量低、修复周期长、植物后续处置难，实际应用过程中受到了不同程度限制，所以对农田重金属污染土壤而言，切实可行且能保证作物安全生产的修复措施应是原位钝化修复，尤其是对中轻度污染的农田土壤（胡红青等，2017）。而该项技术的关键在于对钝化剂的选用。在众多钝化剂中，生物炭因富含碳素和一定的灰分含量而多呈碱性，具有巨大的比表面积以及发达的多孔疏松结构，且表面官能团丰富，能够起到吸附重金属的作用，可有效地降低重金属在土壌中的迁移性和生物可利用性，是一种应用广泛的有机钝化剂（Ahmad et al.，2014；Wang et al.，2015；杜彩艳等，2016）。膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物组成的黏土岩，具有较大的比表面积、阳离子交换能力和吸附性能的无机钝化剂（Sun et al.，2015a；Sun et al.，2015b；徐奕等，2017）。沸石是硅氧四面体和铝氧四面体构成的三维框架结构，比表面积大，对离子的吸附能力强，亦作为一种无机钝化剂被广泛应用（郝秀珍等，2003；吴岩等，2018）。生物炭对重金属的吸附作用主要通过提高介质pH和增加对重金属的吸附作用来完成，然而其对重金属离子的吸附作用结合力较弱，易发生解吸，修复作用的持久性相对于沸石、膨润土较弱。沸石粉、膨润土对于重金属离子的吸附能力更强，但他们对土壤pH值的影响比较弱。

鉴于此，本研究以云南个旧多金属矿区Cd-Zn复合污染土壤为研究对象，玉米（Zea mays L.）为供试材料，选取生物炭、沸石粉和膨润土为钝化材料，通过田间试验研究钝化剂单独施用以及不同钝化剂混施对与玉米生长及其重金属吸收能力的影响，筛选出能有效降低土壤重金属生物有效性的钝化剂，从而为Cd-Zn复合污染农田土壤原位钝化修复和粮食作物的安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于个旧市鸡街镇石榴坝村污染水旱轮作农田（103°9′29″E，23°32′12″N，海拔高度 1122 m），其土壤基本理化性状为：有机质32.68 g·kg-1，pH 值 6.29，CEC（阳离子交换量）15.36 cmol·kg-1，碱解氮 150.15 mg·kg-1，有效磷 77.96 mg·kg-1，速效钾 206.14 mg·kg-1，全氮 2.17 g·kg-1，全磷 1.94 g·kg-1，全钾 11.20 g·kg-1，总 Cd 0.49 mg·kg-1，总Pb 157.50 mg·kg-1，总 Zn 340.47 mg·kg-1。根据国家《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995），研究区域土壤重金属Cd、Zn含量分别超出水旱轮作地的土壤环境质量二级标准的1.03倍、1.70倍；土壤Pb未超标，但对农产品进行调查后发现，农产品重金属Pb含量均超过国家《食品中污染物限量》（GB 2762—2012）。

试验以云瑞8号为供试玉米品种（常规玉米品种），购自云南省农业科学院粮食作物研究所。

试验选用的钝化剂为生物炭、沸石粉和膨润土。其中，生物炭购自河南商丘三利新能源有限公司，1200 yuan·t-1；沸石粉、膨润土均购自云南昆明小石坝饲料批发市场，其中沸石粉550 yuan·t-1，膨润土500 yuan·t-1。所有钝化剂均过200目筛，呈粉状，其基本理化性质见表 1。分析方法参见《土壤农业化学分析方法》（鲁如坤，2000）。

表1 供试钝化剂的理化性质Table1 Physical and chemical properties of additives

1.2 试验设计

试验所用钝化剂为生物炭、沸石粉和膨润土，每种钝化剂（按照与土壤干质量比设0、2%和5% 3个水平）设置0、13.5、33.75 t·hm-23个施用水平。试验共设置 9个处理，分别为：（1）不施用钝化剂（CK）；（2）2%生物炭（2% S）；（3）5%生物炭（5% S）；（4）2%沸石粉（2%F）；（5）5%沸石粉（5%F）；（6）2%膨润土（2% P）；（7）5%膨润土（5% P）；（8）2%生物炭+2%沸石粉+2%膨润土（1∶1∶1；2% SFP）；（9）5%生物炭+5%沸石粉+5%膨润土（1∶1∶1；2% SFP），每个处理3次重复，共27个小区，随机区组排列，行间距60 cm×50 cm，小区面积20 m2；各处理设独立灌溉沟渠，同时试验地四周设置2行玉米作为保护行，以消除边际效应。

混施钝化剂按照质量比 1∶1∶1掺合混匀后，于2017年4月20日均匀撒施于试验小区土壤表面，利用旋耕设备将钝化材料翻入土壤表层中（0－20 cm），充分混匀。

于2017年4月27日直接点播，5月11日定苗，2017年9月3日一次性收获。播种前施“艳阳天”复合肥（15-15-15，总养分≥45%）做基肥，施用量为 600 kg·hm-2；拔节期追施尿素，施用量为 300 kg·hm-2。田间管理按大田常规操作进行。

1.3 样品采集与分析

土壤、植株样品采集于2017年9月初（玉米成熟期）进行，采用“梅花”形取样法分别对各小区进行样品采集，即每个处理小区采 5株长势一致的玉米植株，同时“点对点”原位采集土壤样品。玉米植株先用自来水小心洗净根系泥土，然后用蒸馏水清洗整个植株。将植株根系、茎叶、籽粒分离，在 105 ℃下杀青 30 min，70 ℃烘干至恒质量，分别测定干物质量。玉米籽粒烘干样品粉碎过40目筛，备用。土壤样品风干后，分别过 20目、60目、100目筛，备用。土壤有机质OM 含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤 pH值用，酸度计（Starter-3C，奥豪斯仪器有限公司）测定，土水比（m/V）为 1∶2.5。土壤重金属有效态含量使用0.1 mol·L-1盐酸提取（鲁如坤，2000），玉米籽粒样品中Cd、Pb和Zn总量测定均采用干灰法消解（GB/T 5009—2010)。土壤样品溶液中Cd、Pb和Zn含量使用ICP-AES（ICP 6300，Thermo）测定，玉米籽粒样品溶液中Cd、Pb和 Zn含量使用石墨炉原子吸收分光光度计（ICE-3500，Thermo）测定。

叶面积和株高：玉米收获时，测定其株高和玉米叶片长l和最大叶宽d，叶面积S计算式如下：

产量测定：玉米成熟期，选取具有代表性的 1行玉米，以间隔式的方式选取4株，将果穗取下立即称量其鲜质量，放入网袋中带回实验室进行考种，最后再通过出籽率、籽粒含水量（按14%含水量折算）测算出实际产量，即玉米的经济产量 P（kg·hm-2），计算式如下：

式中，Ws为单株干质量（kg）；Np每公顷实有株数。

1.4 数据处理

运用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0统计软件进行数据处理，并采用新复极差法（Duncan）进行差异显著性检验（P＜0.05）。

图1 不同钝化剂施用后土壤pH值的变化Fig.1 Changes in soil pH values after application of different amendments

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤pH值和有机质（OM）的影响

土壤pH值和OM含量对土壤中重金属的形态分布、迁移、转化有着重要的影响。因此，在研究钝化剂钝化修复重金属污染土壤的过程中，需要考察其对土壤pH值和OM的影响。单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土后土壤pH值的变化如图 1所示。从图中可以看出，施用钝化剂后，土壤 pH显著升高，差异均达显著水平（P＜0.05），但不同钝化剂间差异不显著（P＞0.05）。与CK相比，以土壤干质量的2%、5%分别单独施入生物炭、沸石粉和膨润土处理后，土壤pH值分别升高了1.17、1.25、1.26、1.28、1.30和1.28单位；生物炭、沸石粉和膨润土 1∶1∶1 以 2%、5%（2%SFP，5% SFP）混施的2种处理使土壤pH值分别升高了1.32和1.35单位。不同钝化剂对土壤pH值的影响差异可能与钝化剂本身的特性及其施用量不同有关。

土壤OM是土壤肥力的重要指标之一，可以有效改良土壤结构，提高土壤保肥、保水能力，改善土壤通透性，为植物提供营养以及支持微生物活动等。此外，OM对受污染土壤有着重要的改良作用，可以通过在一定范围内提高土壤OM来降低土壤重金属有效态含量。从图2可知，添加了不同钝化剂后，土壤OM均发生了不同程度的变化。与CK相比，以土壤干质量的2%、5%分别单独施入生物炭、沸石粉和膨润土以及生物炭、沸石粉和膨润土1∶1∶1以2%、5%的土壤干质量混合施入土壤后均不同程度提高了土壤 OM，其中，5% SFP处理提高土壤OM效果最显著（P＜0.05），较CK提高了14.72%，2% SFP处理次之，较CK提高了12.92%；而2% P处理土壤OM的提高效果与CK相比无显著差异。

图2 不同钝化剂施用后土壤有机质的变化Fig.2 Changes in soil OM after application of different amendments

2.2 不同处理对土壤重金属有效态含量的影响

生物炭、沸石粉和膨润土自身性质相近且都具有较大的比表面积，能够很好地滞留土壤中的重金属离子。由表2可知，与CK相比，单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土均显著降低了土壤中 Cd、Pb和 Zn有效态含量，从而阻控了玉米对Cd、Pb和Zn的吸收，然而，不同处理水平之间存在明显差异；此外，单施钝化剂处理添加量为 5%的降低效果最为显著，混施处理的降低效果明显优于单施处理。

表2表明，单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土后，土壤中有效态Cd含量与CK相比均有不同程度降低，降幅为23.02%－45.24%，且不同处理间存在差异。从钝化效果看，以5% SFP组合对Cd的降低效果最好，Cd有效态含量较对照降低了45.24%（P＜0.05）；2% SFP组合次之，较CK降低了43.02%，两者之间差异不显著。

施用不同钝化剂后，土壤中有效态 Pb含量与CK相比均有不同程度降低，且不同处理间存在差异（表2）。从降低效果看，以土壤干质量的2%、5%分别单独施入生物炭、沸石粉和膨润土处理后，土壤中有效态Pb含量分别降低了12.03%、13.50%、4.86%、12.12%、7.15%和11.68%；2% SFP和5% SFP 2种组合使土壤有效态Pb含量分别降低了16.98%和21.46%。

表2 施用钝化剂后土壤重金属有效态含量Table2 Contents of available heavy metals in soils after application of combined amendments

与CK相比，施用钝化剂均有效降低了土壤有效态Zn含量（表2），降幅为16.38%－32.60%。从降低效果看，以5% SFP组合对土壤Zn有效态含量降低效果最明显，较对照处理 Zn有效态含量降低了32.60%；其次是2% SFP组合处理，较CK降低了25.19%，且与对照相比差异显著（P＜0.05）。

表3 不同钝化剂对玉米籽粒吸收Cd、Pb和Zn的影响Table3 Effects of different amendments on contents of Cd, Pb and Zn in maize kernels

表4 不同钝化剂对玉米成熟期生长、产量及产量构成因素的影响Table4 Effects of different amendments on maize yield and its components at harvesting stage

2.3 不同钝化剂对玉米籽粒吸收Cd、Pb和Zn的影响

单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土对玉米籽粒吸收Cd的影响如表3所示。与CK相比，施用钝化剂均显著降低了玉米籽粒Cd的含量（P＜0.05），降幅为29.55%－68.18%，其中，以5%SFP组合对玉米籽粒Cd含量的降低效果最好，玉米籽粒Cd含量较对照降低了68.18%（P＜0.05）；其次为2% SFP组合，较对照CK处理降低了61.36%（P＜0.05）。本研究条件下，各处理玉米籽粒 Cd含量在0.14－0.44 mg·kg-1之间，其中，2% SFP、5%SFP 2个处理的玉米籽粒Cd含量都低于国家《食品中污染物限量》（GB 2762－2012）中谷物Cd的标准限值（0.20 mg·kg-1）。

由表3可知，施用钝化剂均显著降低了玉米籽粒Pb的含量（P＜0.05），和CK相比，降幅为18.48%－39.49%，其中，以 5% SFP组合对玉米籽粒 Pb含量的降低效果最好，玉米籽粒 Pb含量较对照降低了39.49%（P＜0.05）；其次为2% SFP组合，较对照CK处理降低了36.23%（P＜0.05）。本试验中，各处理玉米籽粒 Pb含量在 0.56－0.92 mg·kg-1之间，均高于国家《食品中污染物限量》（GB 2762—2012）中谷物 Pb的标准限值（0.20 mg·kg-1），低于国家《饲料卫生标准》（GB13078—2001）中谷物Pb的标准限值（5.0 mg·kg-1）。

单施及混施不同用量钝化剂均显著降低了玉米籽粒Zn含量（表3），由表3可知，和对照相比，施用钝化剂均有效降低了玉米籽粒 Zn的含量（P＜0.05），降幅为16.28%－31.83%，其中，以5%SFP组合对玉米籽粒Zn含量的降低效果最好，玉米籽粒Zn含量较对照降低了31.83%（P＜0.05）；其次为2% SFP组合，较对照CK处理降低了27.15%（P＜0.05）。本研究条件下，各处理玉米籽粒 Zn含量在28.13－41.26 mg·kg-1之间，均低于国家《食品中污染物限量》（GB 2762—2012）中谷物Zn的标准限值（50 mg·kg-1）。

2.4 不同处理对玉米生长发育和产量的影响

单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土会在不同程度上影响玉米生长（表4）。与CK相比，单施或混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土对玉米株高、叶面积、生物量、穗粒质量和产量均有一定影响。生物炭、沸石粉和膨润土为2%、5%的处理以及混合施入量为2%、5%的处理均不同程度促进了玉米的生长，增加玉米株高、叶面积、地上部生物量、根部生物量和穗粒质量，单施处理添加量为 5%时效果最为显著，混合施用的效果明显优于单施。其中，施用5% SFP（生物炭+沸石粉+膨润土）处理玉米株高、叶面积、地上部生物量、根部生物量和穗粒质量的增加最为明显，分别较对照增加6.94%、12.55%、17.63%、25.66%和28.99%。

就玉米产量而言，单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土均有效增加玉米产量，单施处理添加量为 5%时产量相对较高，混合施用处理的产量明显高于单施。其中，玉米产量提高最显著的处理为5% SFP，较CK处理提高了31.69%。不同试验处理下，玉米产量的大小顺序为：5% SFP＞2%SFP＞5% S＞5% F＞2% S＞2% F＞5% P＞2% P＞CK。

可见，施用钝化剂后，各处理对玉米生长和产量均有促进效应。

3 讨论

植物吸收积累重金属受土壤pH值、OM、CEC、土壤中重金属有效态以及离子间作用等诸多因素影响（宋正国等，2011；杜彩艳等，2015）。施用钝化剂可以通过改变这些因素，影响土壤中重金属的有效性，进而影响作物对重金属的吸收。pH是土壤溶解-沉淀、吸附-解吸等反应的重要影响因素，土壤pH的升高伴随着土壤表面胶体所带负电荷量的增加，从而增加重金属离子的电性吸附；同时金属阳离子羟基态的形成，此状态下的金属离子与土壤吸附点位的亲和力比自由态金属离子强（周启星等，2004）。徐奕等（2017）研究表明，在盆栽和大田条件下，施用膨润土降低了土壤Cd交换态含量，水稻各部分Cd含量总体上随膨润土投加量的增加而降低。Cd污染酸性草甸土添加生物炭、沸石、生物炭+沸石后土壤pH值均有不同幅度增加，单施处理添加量为 5%时效果最为显著，混施处理土壤pH值升高效果明显好于单施效果；不同处理均显著降低了土壤有效态Cd含量（李明遥等，2014）。施用由沸石、石灰石、无机磷、有机肥组配的4种有机-无机混合钝化剂不仅显著提高了土壤pH并降低土壤重金属有效态含量；而且，菜心（Brassica campestris L. ssp.chinensis var.utilis Tsen et Lee）和油麦菜（Lactuca sativa L.）地上部的Cu、Zn含量均可达到国家《食品中污染物限量》（邹富桢等，2017）。本研究中，单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土促进了土壤pH值的升高（图1），使土壤OM发生了不同程度的变化（图2），并显著降低了土壤有效态Cd、Pb和Zn含量（表2），各处理均能有效降低Cd、Pb和Zn在玉米籽粒中的累积（表3）。该结果与已有报道的结论一致（Rees et al. 2015；杜彩艳等，2015）。添加生物炭和沸石粉等钝化剂之所以使土壤pH升高，一是因为沸石孔隙通道中存在大量的可交换阳离子（如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等），易与土壤溶液中 H+、Al3+等离子发生置换，导致水解性酸、代换性酸的下降，土壤pH上升；二是因为生物炭的灰分中含Na、K、Ca、Mg等的氧化物或碳酸盐，其在水溶液中呈碱性，施入土壤后可提高土壤pH（Altaf et al.，2017），从而影响Cd、Pb等金属元素的水解平衡，使这些金属离子通过络合、沉淀等作用被固定下来（李衍亮等，2017）。此外，生物炭含有作物生长所需的大量及微量营养元素成分，生物炭的施用有利于形成并提高土壤团聚体的稳定性，从而减少了土壤有机质的淋失（Li et al.，2017）。

沸石粉的施用可以促进土壤团聚体的形成，提高土壤有机质（Li et al.，2009）。而膨润土、沸石粉和生物炭（有机物料）混施后使腐殖质形成有机-无机复合体，从而降低了有机物料的分解速率，提高了其腐殖化系数，增加了土壤OM的累积量。而土壤OM含量的提升可以促进土壤自身的离子交换反应，促进土壤对重金属离子的吸附，从而降低重金属的有效性。此外，沸石粉属于黏土矿物，因具有较大的比表面积以及表面带有丰富的负电荷等特点，使其对金属离子具有较强的吸附和离子交换能力（Castaldi et al.，2008）。这是沸石粉降低土壤重金属生物有效性的原因之一。

膨润土对重金属离子的吸附是一个复杂的非均相固液离子交换与吸附过程，它的重要成分——蒙脱石起了主要吸附作用。蒙脱石对溶液中重金属离子的吸附主要是由两部分组成：层间离子交换吸附和表面离子吸附；在某些情况下还可能在膨润土的表面形成表面化合物，从而产生表面沉淀吸附。它是用其富含的大量游离 K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子与重金属离子进行交换，从而起到去除重金属离子的作用（Mishra et al.，1998）。这是膨润土降低土壤重金属生物有效性的主要原因。

在重金属污染土壤上，施用土壤钝化剂如生物炭、沸石粉、膨润土等会降低重金属对作物的毒害作用，促进作物对养分的吸收，提高作物生物量和产量（丁凌云等，2006）。李衍亮等（2017）研究证实，施用生物炭后，各处理对玉米收获期玉米株高和玉米产量均有促进效应。徐峰等（2013）研究证实，添加不同改良剂对玉米的生物量影响不一样，大多数改良剂处理均显著地提高玉米的地上部鲜质量和总鲜质量。本试验结果表明，单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土均能有效促进玉米生长，增加玉米株高、叶面积、生物量，显著提高玉米产量。单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土显著增加了玉米产量和生物量，主要原因是生物炭不但具有较大的孔隙度、比表面积，而且其表面带有大量负电荷和较高的电荷密度，能够吸附大量可交换态阳离子外，同时含有丰富的土壤养分元素 N、P、K、Ca、Mg及微量元素，施到农田后，不仅可修复治理重金属污染土壤，而且可以增加土壤有机质、提高土壤肥力，从而促进玉米的生长，提高玉米生物量和产量。而沸石粉能疏松土壤，中和土壤酸性，提高土壤盐基交换量，使土壤中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、等阳离子增加，提高养分有效性，提高土壤肥力，从而促进玉米的生长，提高玉米生物量和产量。膨润土含有动植物生长所需的一些常量和微量元素（如钾、钠、镁、铝、铁、锌等），使其作为改良剂对土壤的理化性质、肥料利用率及受污染土壤有很好的改良和修复作用，从而促进玉米的生长，提高玉米生物量和产量。

此外，本研究条件下，各处理玉米籽粒 Pb含量在0.56－0.92 mg·kg-1之间，均高于国家《食品中污染物限量》（GB 2762－2012）中谷物Pb的标准限值（0.20 mg·kg-1）。原因可能是：（1）大气沉降导致玉米籽粒中 Pb含量升高（孙洪欣等，2015；代全林等，2005）；（2）用于试验的土壤为 Cd-Zn复合污染土壤，玉米对 Pb的吸收积累不仅取决于土壤中Pb的有效态含量，还取决于土壤的pH值、Pb与其他元素的竞争吸附作用以及植物对Pb的转运能力等因素的作用（谢素等，2012；徐峰等，2013）。

4 结论

（1）单施及混施不同用量生物炭、沸石粉和膨润土可显著提高土壤pH值（P＜0.05），有效降低土壤中Cd、Pb、Zn有效态含量。单施处理添加量为 5%时效果最为显著，混合施用降低的效果明显好于单施效果。与CK相比，土壤中有效态Cd、Pb、Zn的降幅分别达 23.02%－45.24%、4.86%－21.46%、16.38%－32.60%；其中，5% SFP处理土壤中 Cd、Pb、Zn有效态含量降低效果最明显（P＜0.05）。

（2）单施及混施不同用量钝化剂均显著降低玉米籽粒对Cd、Pb、Zn的吸收、累积，单施处理添加量为 5%时降低效果最为显著，混施处理玉米籽粒重金属含量降低幅度大于单施；其中 5% SFP处理效果最明显，玉米籽粒Cd、Pb、Zn含量较CK分别降低 68.18%、39.49%、31.83%；所有处理玉米籽粒 Pb含量均超过国家《食品中污染物限量》（0.2 mg·kg-1），然而都低于国家《饲料卫生标准》（5.0 mg·kg-1）。

（3）单施及混施不同用量钝化剂都不同程度地促进玉米生长，增加玉米株高、叶面积、生物量和穗粒质量，显著提高玉米产量（P＜0.05）。