不同钝化剂对土壤有效态重金属含量及其在小白菜中累积的影响

苗秀荣，来雪慧,2，李梦茜，李 玉，李 娜,冯如意

(1.太原工业学院 环境与安全工程系，山西 太原 030008； 2.太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619； 3.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110000)

近些年来，由于工业的快速发展、农业污水灌溉和化肥的过量施用[1-3]，农田土壤的重金属污染已经成为威胁土壤环境质量的主要问题之一[4]。农田土壤中重金属含量超标不仅会造成重金属在农作物中积累，而且通过食物链对人体健康产生威胁[5]。镉(Cd)和铅(Pb)是土壤环境中毒性较大的重金属，根据《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤最主要的污染物为重金属[6]，其中，Cd污染尤为严重，全国污染点位超标率为7.0%，Pb污染点位超标率为1.5%。因此，重金属污染农田土壤修复问题亟待解决。

农田土壤的重金属污染修复技术包括物理修复、化学修复和生物修复等。其中，钝化重金属的化学修复由于成本低廉、效果显著和时间短等优点，成为研究热点之一[7-8]。目前，土壤修复的钝化材料主要有磷酸盐、黏土矿物和生物质炭等，其通过降低重金属的植物有效性而抑制重金属在植物体内的吸收转运[9-11]。磷酸盐通过将重金属的非残渣态转化为残渣态达到降低重金属的淋溶毒性[12]；天然黏土矿物的比表面积较大，对重金属的吸附能力强[13]；土壤中重金属的交换态含量随着生物质炭含量的增加而降低[14]。我国部分地区土壤重金属含量背景值高，有些地区重金属含量已经超出国家标准，东北地区作为我国重要的粮食生产基地，农业生产面积大，土壤重金属污染对农业安全生产有较大影响。目前，针对重金属污染土壤稳定化的修复技术研究主要是针对1～2种成分的钝化剂，缺乏不同钝化材料的修复效果比较。鉴于此，选取膨润土、碳酸钙和生物质炭3种典型的钝化剂，探究不同钝化剂及不同添加量对土壤有效态Cd、Pb含量的影响及其在小白菜中的累积，筛选钝化效果良好的修复剂，为Cd、Pb污染农田土壤修复提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验土壤采自沈阳市某重金属污染农田表层土壤(0～20 cm)，采集后的土壤样品经过自然风干，去除杂物，磨碎过2 mm筛后保存用于盆栽。表1为试验土壤的基本理化性质情况，土壤Cd、Pb平均含量分别为0.826、218.5 mg/kg，均超过国家农用地土壤污染风险筛选值。

表1 试验土壤的基本理化性质

试验用膨润土和碳酸钙购于山西北方兴安化学工业有限公司，生物质炭采用小麦秸秆制备，进行氯化锌活化微波诱导热解。在105 ℃下烘干至恒质量，将干燥后的小麦秸秆切成5 cm左右小段，通过粉碎机粉碎后，过筛至150 μm以下。将粉碎后的小麦秸秆与氯化锌混合，形成混合物，放入微波炉热解一定时间，冷却后用2.0 mol/L的盐酸溶液浸泡12 h，真空抽滤，除去酸液，去离子水清洗至pH值为8.0，继续烘干，研磨过筛至75 μm以下，得到小麦秸秆粉，备用。其他钝化剂粉碎过筛至75 μm以下，呈现粉状，其理化性质如表2所示。试验用小白菜购于山西省农业科学院农作物品种资源研究所，培育至叶片数5～6片、株高15 cm左右时用于盆栽试验。

1.2 试验设计

以不添加钝化剂土壤为对照，将膨润土、碳酸钙和生物质炭分别以不同的添加量(0.5%、1.0%、2.0%和5.0%)掺入到土壤中，每个处理重复3次。

表2 试验钝化剂的理化性质

钝化剂与土壤混匀后装入圆柱形塑料花盆中，盆高20 cm，内径为17 cm，3 kg/盆，稳定10 d。之后将小白菜幼苗按3株/盆移栽到花盆中，置于温室随机摆放。定期在花盆中加入一定量的去离子水，使盆内土壤湿度保持在田间最大持水量的60%，并通过保鲜膜封住花盆口，均匀留出5～6个小孔，保持花盆水分一致。定期观察植株生长情况，并将花盆重新摆放，使植株生长条件尽量保持一致，根据缺水情况补充去离子水。

1.3 样品分析方法

在小白菜幼苗盆栽试验开始15、30、45 d后，分别采集2～10 cm土壤样品及植物地上部分和根部样品。土壤样品自然风干，粉碎过2 mm尼龙筛，研磨至150 μm以下，待测备用。植物样品清洗烘干，粉碎至150 μm以下，混匀待测备用。

土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定(HJ 615—2011)；土壤有效态Cd、Pb含量采用盐酸—硝酸—氢氟酸—高氯酸全消解的方法，通过石墨炉原子吸收分光光度法进行测定(GB/T 17141—1997)；采用BCR连续提取法[15]测定有效态重金属含量，并通过国家有色金属ICP-MS标准溶液(GNM-M26 193—2013)进行分析质量控制，同时对空白样和平行样进行测定，结果显示Cd、Pb含量均满足试验允许误差值。

小白菜地上茎叶部分重金属含量测定按照食品安全国家标准《食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)和《食品中铅的测定》(GB 5009.12—2010)进行。Cd和Pb在生物体内的累积采用生物富集系数(BAF)[16]进行计算，公式如下：

BAF=Ci/Csoil

(1)

式中：Ci为小白菜茎叶部分的重金属含量(mg/kg)；Csoil表示土壤中重金属含量(mg/kg)。

1.4 数据统计分析

试验所得基础数据通过Excel 2016和Origin 9.0制图，利用SPSS 19.0软件进行显著性分析，差异显著性分析通过最小显著差异LSD法进行检验。

2 结果与分析

2.1 不同钝化剂添加量对土壤有效态重金属含量的影响

2.1.1 土壤有效态Cd含量 在小白菜幼苗盆栽试验开始30 d后，采集土壤样品测定土壤有效态Cd、Pb含量。对照土壤有效态Cd含量均为0.253 mg/kg。由图1可以看出，当钝化剂添加量相同时，不同钝化剂处理后的土壤有效态Cd含量均表现为对照>生物质炭>膨润土>碳酸钙。施加碳酸钙后，添加量为5.0%时，土壤有效态Cd含量为0.112 mg/kg，达到最低值，与对照相比降低55.7%；碳酸钙添加量为2.0%时，有效态Cd含量为0.117 mg/kg。当膨润土的添加量为5.0%时，土壤有效态Cd含量为0.128 mg/kg，较对照降低49.4%。当添加量为2.0%和5.0%时，生物质炭处理与对照的土壤有效态Cd含量具有显著差异，碳酸钙和生物质炭的钝化效果更为明显。当添加量为0.5%和1.0%时，生物质炭处理与对照的土壤有效态Cd含量没有明显差异，但投加碳酸钙和生物质炭后，土壤有效态Cd含量显著降低。因此，综合考虑钝化剂种类和添加量来看，碳酸钙使土壤有效态Cd含量达到最低值，同时添加5.0%膨润土也能达到较低水平。

不同小写字母表示不同钝化剂在同一添加量下的土壤有效态重金属含量间的差异显著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters indicate the significant differences of the soil avaliable heavy metal contents between different passivating agents at the same additive amount(P<0.05)，the same below

2.1.2 土壤有效态Pb含量 图2为钝化剂添加量对土壤有效态Pb含量的影响差异。由图2可知，添加不同钝化剂后，土壤有效态Pb含量均比对照降低。在0.5%、1.0%、2.0%和5.0%添加量时，土壤中有效态Pb含量的高低表现为对照>膨润土>生物质炭>碳酸钙，在不同添加量下，碳酸钙对土壤有效态Pb的钝化效果最好。当碳酸钙添加量分别为0.5%、1.0%、2.0%、5.0%时，土壤有效态Pb含量分别为3.22、4.07、3.15、3.53 mg/kg。当钝化剂添加量为0.5%时，添加膨润土、碳酸钙和生物质炭的土壤有效态Pb含量均较对照显著降低，分别降低41.7%、63.3%和43.2%。钝化剂添加量为1.0%时，与对照相比，添加膨润土后的土壤有效态Pb含量无明显变化，而添加碳酸钙和生物质炭后有效态Pb含量分别显著降低53.6%和45.1%。添加量为2.0%和5.0%的钝化效果相似，添加钝化剂后土壤有效态Pb含量与对照相比均呈现出显著降低的趋势，但是钝化剂之间的钝化效果差异不明显。添加量为2.0%时，添加膨润土、碳酸钙和生物质炭后的土壤有效态Pb含量分别降低44.4%、64.1%和45.3%；添加量为5.0%时，则分别降低37.9%、59.9%和58.8%，仍以碳酸钙的钝化效果最佳。总体来看，对于膨润土、碳酸钙来说，2.0%的添加量钝化效果最好，土壤有效态Pb含量分别为4.88、3.15 mg/kg；生物质炭钝化效果最好的情况出现在添加量为5.0%，这时有效态Pb含量为3.62 mg/kg。不同钝化剂降低土壤有效态Pb含量的顺序为2.0%碳酸钙>0.5%碳酸钙>5.0%碳酸钙>5.0%生物质炭>1.0%碳酸钙，表明碳酸钙添加量为2.0%对土壤有效态Pb的钝化效果最好。

图2 不同钝化剂对土壤有效态Pb含量的影响Fig.2 Effects of different passivating agents on the available Pb contents in soil

2.2 钝化剂类别对土壤有效态重金属含量的影响

通过钝化剂添加量对土壤有效态重金属含量的影响，选择钝化剂添加量2.0%，考察小白菜生长阶段土壤有效态Cd、Pb含量的变化情况，如表3所示。可以看出，土壤有效态Cd、Pb含量随着小白菜培养时间的延长均呈现先减少后增加的趋势。培养期内，土壤有效态Cd含量表现为对照>生物质炭>膨润土>碳酸钙。在培养15 d时，添加生物质炭后的土壤有效态Cd含量与对照相比变化不显著；但是添加膨润土和碳酸钙后与对照相比均呈现显著性降低，分别比对照降低49.38%和57.10%。培养45 d时，钝化剂对土壤有效态Cd含量的钝化规律与15 d时相似，且有效态Pb含量高于培养15、30 d时。 培养30 d时，所有处理的土壤有效态Cd含量在培养期内最低，碳酸钙的钝化效果仍然最好。对于土壤有效态Pb含量来说，培养期内均呈现为对照>膨润土>生物质炭>碳酸钙的规律，碳酸钙的钝化效果最好，培养30 d时土壤有效态Pb含量最低。培养15 d时，添加膨润土、碳酸钙后土壤有效态Pb含量分别为5.79、3.82 mg/kg，具有显著性差异；培养30 d时3种钝化剂的钝化效果差异不明显；培养45 d时不同钝化剂的钝化效果差异显著，添加碳酸钙后的土壤有效态Pb含量比添加膨润土低36.03%。

表3 小白菜不同培养时间不同钝化剂对土壤有效态Cd、Pb含量的影响

有研究表明，土壤有机质含量与有效态重金属含量呈正相关关系[17-18]，为了进一步研究土壤有效态重金属含量对有机质含量的影响，对试验土壤有机质含量与土壤有效态Cd、Pb含量的关系进行分析。如图3所示，土壤有机质含量与土壤有效态Cd、Pb含量之间均呈现正相关关系，与诸多研究结果相似。其中，膨润土的土壤有机质含量与有效态Cd含量的相关关系显著，决定系数(R2)达到0.618 6；对照和施加生物质炭后，土壤有机质含量与有效态Pb含量呈显著正相关，R2分别为0.596 3和0.458 8。有机质对土壤吸附Cd、Pb的能力产生抑制作用，从而使得有效态含量增加[19-20]。同时，土壤有机质还可以提高微生物活动，促进分泌物产生，进而活化重金属[21-22]。

**表示相关关系达到极显著水平(P<0.01)；*表示相关关系达到显著水平(P<0.05),下同** indicates extremely significant level(P<0.01) of correlation； * indicates significant level(P<0.05) of correlation,the same below图3 土壤有机质含量与土壤有效态Cd、Pb含量的相关关系Fig.3 Correlations between soil organic matter contents and available Cd,Pb contents

2.3 添加钝化剂对小白菜茎叶部分重金属累积的影响

图4为不同培养时间小白菜茎叶部分Cd、Pb含量变化。可以看出，试验15 d时，添加各钝化剂后，小白菜茎叶部分Cd含量与对照相比降低32.2%～52.1%，显著低于对照，但是各钝化剂处理间的差异不显著； Pb含量均比对照显著下降，减少35.2%～63.3%，不同处理小白菜茎叶部分Cd、Pb含量大小依次为对照>膨润土>生物质炭>碳酸钙。这说明碳酸钙处理对小白菜茎叶部分Cd、Pb富集的抑制作用最强，生物质炭处理次之。培养30 d时，各处理小白菜茎叶部分Cd含量变化差异不显著；对于Pb含量来说，碳酸钙处理最低，为0.323 mg/kg；生物质炭处理次之，为0.452 mg/kg。培养45 d时，添加碳酸钙后的小白菜茎叶部分Cd、Pb含量比对照分别降低59.3%、57.1%；添加膨润土后的小白菜茎叶部分Pb含量低于对照，碳酸钙处理下降最明显，生物质炭处理次之。

图4 小白菜茎叶部分Cd、Pb含量变化

图5为土壤有效态重金属含量与小白菜茎叶部分重金属BAF值的关系，以此来表征小白菜对Cd、Pb的吸收和转运能力。由此可以看出，土壤有效态Cd、Pb含量与小白菜茎叶部分Cd、Pb含量均呈现显著正相关关系，这说明小白菜茎叶部分Cd、Pb含量受有效态重金属含量影响较大。同时，小白菜茎叶部分Cd、Pb的BAF值也与小白菜茎叶部分Cd、Pb含量呈现显著正相关关系，表明植物对重金属的吸收转运作用是影响小白菜重金属富集能力的主要因素。另外发现，土壤有效态重金属含量与小白菜茎叶部分重金属含量的R2值低于小白菜茎叶部分重金属BAF值与小白菜茎叶部分重金属含量R2值，进一步说明添加钝化剂对小白菜吸收重金属能力的抑制是降低重金属富集的重要原因。

图5 小白菜茎、叶部分Cd、Pb含量与土壤有效态Cd、Pb含量、BAF值的相关关系

植物吸收及转运重金属的能力可以采用BAF值表征。由表4可见，在相同阶段，不同处理小白菜茎叶部分Cd的BAF值均大于Pb，这表明Cd比Pb更易被小白菜吸收转运。在培养不同阶段，添加碳酸钙后，小白菜茎叶部分重金属的BAF值均比对照低；添加生物质炭和膨润土后，培养30、45 d时，小白菜茎叶部分重金属含量与对照相比均下降。具体来说，培养15 d时，对照小白菜茎叶部分Cd、Pb的BAF值分别为1.043、0.091；碳酸钙处理后小白菜茎叶部分Cd、Pb的BAF值分别为0.786、0.081；生物质炭处理后的Cd、Pb的BAF值分别为0.787、0.114，其中Cd的BAF值下降，而Pb的BAF值反而升高；膨润土处理后小白菜茎叶部分Cd、Pb的BAF值均大于对照，这表明碳酸钙在植物生长前期可以抑制小白菜对Cd、Pb的吸收转运。培养30、45 d时，不同钝化剂处理小白菜茎叶部分Cd、Pb的BAF值均小于对照，但钝化效果有所不同；培养30、45 d时，不同处理小白菜茎叶部分Cd的BAF值由小到大均表现为生物质炭<碳酸钙<膨润土；Pb的BAF值均表现为碳酸钙<生物质炭<膨润土。上述结果表明，培养15 d时碳酸钙和生物质炭对小白菜吸收转运Cd有抑制作用，碳酸钙对小白菜吸收转运Pb的能力具有抑制作用。培养30、45 d时，生物质炭处理对小白菜吸收转运Cd的抑制效果最好，碳酸钙次之；同时碳酸钙对Pb的吸收转运抑制效果最好，生物质炭次之。

表4 小白菜茎叶部分Cd和Pb的BAF值

3 结论与讨论

本研究中，当不同钝化剂添加量为0.5%、1.0%、2.0%、5.0%时，土壤有效态Cd含量由高到低均表现为对照>生物质炭>膨润土>碳酸钙，土壤有效态Pb含量表现为对照>膨润土>生物质炭>碳酸钙，以碳酸钙钝化效果最好。这主要是由于碳酸钙的pH值较高，还可以促进土壤中Al3+发生水解，水解过程中产生H+[23]，导致pH值进一步升高。有研究表明，土壤pH值升高有利于土壤对重金属离子的电性吸附[18]，而且促进土壤中重金属以氢氧化物的形式沉淀，有效态重金属含量减少[24-25]。膨润土由于表面带负电荷，对重金属的络合吸附作用较强，可降低土壤中重金属离子的移动性[26-27]。随着钝化剂用量增加，土壤有效态Cd含量减少，但是与土壤pH值和有机质含量等因素有关。张迪等[16]研究表明，添加钝化剂可以降低Cd、Pb在土壤中的活性和有效性，但是钝化剂用量超过一定范围，钝化效果不明显，这与土壤pH值变化小有关。土壤有机质可以改变土壤重金属的迁移性，本研究中，土壤有效态重金属含量与有机质含量具有正相关关系，与诸多研究结果相似。同时也有研究表明，通过有机肥与钝化剂配施方法来降低植物地上部分重金属含量，从而抑制植物对重金属的吸收转运[18]。本研究发现，小白菜培养30、45 d时，添加碳酸钙对于小白菜茎叶部分Cd、Pb含量下降最明显，生物质炭次之。可能是因为土壤pH值升高，不仅提高钝化效果，减轻对植物的毒害，同时也可能会改善植物生长的酸碱环境。添加生物质炭后可以增加土壤中磷元素含量，促进小白菜对养分的吸收。农业生产的磷肥目前已应用到农田土壤的重金属污染修复研究中[28]。陈世宝等[29]研究发现，施用磷肥后，可以减少Cd在植物木质部的长距离输送，植物地上部分Cd含量降低。土壤中的磷与有效态Pb可以生成沉淀化合物。因此有学者提出，可以用磷酸盐材料修复土壤中有效态Pb，但是修复钝化效果受施用量和pH值等因素的影响[30-33]，需要深入研究分析其影响程度。

综上所述，3种钝化剂对土壤中重金属有效态Cd、Pb含量均有不同程度的降低。碳酸钙添加量为2.0%、5.0%时，土壤有效态Cd含量分别为0.117、0.112 mg/kg，低于其他钝化剂添加量。在相同添加量情况下，土壤中有效态Pb含量的高低表现为对照>膨润土>生物质炭>碳酸钙。当添加量分别为0.5%、1.0%、2.0%、5.0%时，添加碳酸钙后土壤Pb有效态含量分别为3.22、4.07、3.15、3.53 mg/kg，说明2.0%碳酸钙对土壤Cd、Pb的钝化效果较好。

3种钝化剂处理均能降低小白菜茎叶部分Cd、Pb含量。其中，碳酸钙处理效果最好，与对照相比，培养45 d后，小白菜茎叶部分Cd、Pb含量分别降低59.3%、57.1%。生物质炭次之，膨润土处理效果相对较弱。因此，施加碳酸钙和生物质炭是抑制植物吸收转运Cd、Pb的良好措施。