田間條件下不同組配鈍化劑對(duì)玉米（Zea mays）吸收Cd、As和Pb影響研究

杜彩艷，段宗顏，曾民，余小芬，程在全，陳軍，肖志海，雷梅*，邱學(xué)禮*，汪泰

1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，云南 昆明 650201；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，云南 昆明 650223；4. 云南省紅河州農(nóng)業(yè)環(huán)保工作站，云南 蒙自 661100 5. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；6. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201

田間條件下不同組配鈍化劑對(duì)玉米（Zea mays）吸收Cd、As和Pb影響研究

杜彩艷1,2，段宗顏1，曾民3，余小芬1，程在全3，陳軍1，肖志海5，雷梅5*，邱學(xué)禮1*，汪泰6

1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，云南 昆明 650201；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，云南 昆明 650223；4. 云南省紅河州農(nóng)業(yè)環(huán)保工作站，云南 蒙自 661100 5. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；6. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201

選取4種鈍化材料（硅藻土、生物炭、沸石粉和石灰）開(kāi)展田間試驗(yàn)，研究不同配施處理對(duì)玉米（Zea mays）籽粒吸收Cd、As和Pb與土壤有效態(tài)Cd、As和Pb的影響，以期篩選出鈍化修復(fù)效果最佳的組配鈍化劑。結(jié)果表明，（1）施用鈍化劑均能有效促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，增加植株株高、葉面積、玉米地上部與地下部質(zhì)量，顯著提高玉米產(chǎn)量。（2）不同處理均能明顯降低土壤Cd、As和Pb有效態(tài)含量。其中，BLD處理對(duì)土壤有效態(tài)Cd降低效果最明顯，YR+BLZ處理次之，與對(duì)照相比，土壤有效態(tài)Cd分別降低71.00%和67.85%；BDZ處理對(duì)土壤有效態(tài)As含量降低效果最明顯，其次為BLD處理，較對(duì)照分別降低65.63%和59.73%；YR+BLD處理對(duì)土壤有效態(tài)Pb含量降低效果最好，BDZ處理次之，有效態(tài)Pb含量較對(duì)照分別降低70.64%和69.64%。（3）不同處理對(duì)玉米籽粒吸收和積累Cd、As和Pb產(chǎn)生不同程度的影響。與對(duì)照相比，不同處理導(dǎo)致玉米籽粒Cd含量降低82.63%～89.17%，As含量降低27.58%～49.47%和Pb含量降低9.64%～46.86%。（4）施用鈍化劑均能顯著提高土壤pH值，其中BLD、YR+BLD、JD+BLD處理的pH值升高效果最為明顯，較對(duì)照分別提高1.05、1.04和1.04個(gè)單位；施用鈍化劑能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，YR+BDZ和YR+BLD處理有機(jī)質(zhì)含量較高，較對(duì)照分別提高54.68%和 46.04%，本試驗(yàn)結(jié)果表明，在鈍化修復(fù)鎘砷復(fù)合污染的旱地土壤時(shí)，低累積玉米品種與組配鈍化劑聯(lián)合使用能夠獲得較好的修復(fù)效果。

組配鈍化劑；重金屬；有效性；玉米

隨著中國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，礦產(chǎn)的開(kāi)采、冶煉等工礦企業(yè)排放的“三廢”，以及含重金屬農(nóng)藥和化肥的施用等，重金屬通過(guò)各種不同的途徑進(jìn)入土壤（黃益宗等，2013），導(dǎo)致土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)受重金屬污染耕地面積約2.0×107hm2，占耕地總面積的20%左右。重金屬進(jìn)入農(nóng)田土壤后，不僅對(duì)土壤微生物種群結(jié)構(gòu)、數(shù)量、土壤酶活性有負(fù)面影響，導(dǎo)致土壤肥力下降，而且會(huì)干擾作物的正常新陳代謝過(guò)程，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)下降，最終通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，從而直接影響人類的身體健康（肖青青等，2011；Turgut et al.，2004；Oconnor et al.，2003）。

目前，重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)可分為 2類。（1）將重金屬?gòu)耐寥乐腥コ?，降低其在土壤中的濃度。植物修?fù)和工程措施是主要代表，前者涉及植物提取技術(shù)、植物揮發(fā)技術(shù)等，后者有新土置換法、物理分離法等。（2）通過(guò)改變金屬在土壤中的存在形態(tài)，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性。

原位化學(xué)鈍化技術(shù)和微生物修復(fù)是其主要代表。土壤重金屬污染涉及面大，一般要經(jīng)歷修復(fù)成本和修復(fù)效率兩個(gè)瓶頸，同時(shí)要接受二次污染的考驗(yàn)。一般工程措施成本高、破壞土壤自然性狀，而植物修復(fù)目標(biāo)生物量低、修復(fù)周期長(zhǎng)、植物后續(xù)處置困難，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受到了不同程度限制。原位鈍化修復(fù)技術(shù)因其成本較低、操作簡(jiǎn)單、見(jiàn)效快、適合大面積污染治理而受到環(huán)境工作者的廣泛關(guān)注（李劍睿等，2014；Chen et al.，2003；Madrid et al.，2006）。

采用原位鈍化修復(fù)技術(shù)，通過(guò)向污染土壤中施加各種鈍化劑或者改良劑等物質(zhì)，降低土壤重金屬的生物有效性，從而降低重金屬對(duì)動(dòng)植物的毒害，達(dá)到修復(fù)目的。改良劑主要是通過(guò)絡(luò)合、吸附或者（共）沉淀等機(jī)制來(lái)固定土壤的重金屬，同時(shí)改良劑還能有效地改善土壤的理化性狀和養(yǎng)分狀況，提高土壤微生物的活性，進(jìn)而提高退化土壤的生產(chǎn)力（吳增芳，1976）。較為常用的鈍化材料主要有有機(jī)類、無(wú)機(jī)類、微生物類及新型復(fù)合材料等（王立群等，2009a；王立群等，2009b；曹心德等，2011；Brown et al.，2004；Zhu et al.，2004；Chen et al.，2006；Zhang et al.，2001；Jiao et al.，2004）。有機(jī)類鈍化劑主要包括動(dòng)物糞便、秸稈、生物炭、黑炭、城市生活污泥等，無(wú)機(jī)類鈍化劑主要包括粘土礦物（沸石、海泡石、膨潤(rùn)土、高嶺土等）、工業(yè)副產(chǎn)品（石灰、粉煤灰、飛灰、赤泥、硅粉、石膏等）、磷酸鹽類和金屬氧化物（鈣鎂磷肥、磷礦粉、羥基磷灰石、過(guò)磷酸鈣、磷酸鹽、氧化鎂等）及其他一些工農(nóng)業(yè)廢棄物（泥炭、礦渣、水泥等）；微生物鈍化劑主要包括菌根、還原菌等；新型復(fù)合材料主要有改性物質(zhì)材料、無(wú)機(jī)有機(jī)物質(zhì)復(fù)合搭配材料、納米材料等。由于土壤固有基質(zhì)的復(fù)雜性，以及重金屬污染土壤中大多以多種重金屬共存形成復(fù)合污染，在重金屬與土壤界面之間、重金屬與重金屬之間存在復(fù)雜的相互作用。因此針對(duì)不同類型土壤中的重金屬選擇不同鈍化劑進(jìn)行修復(fù)時(shí)其鈍化效果也不盡相同。然而，目前大多數(shù)研究或者只針對(duì)某一種重金屬（宋正國(guó)等，2011；陳世寶等，2004；Byungryul et al.，2012；Liu et al.，2007，2013；Lin et al.，1998）或者某幾種鈍化劑單獨(dú)施用對(duì)多重金屬?gòu)?fù)合污染土壤進(jìn)行的修復(fù)（殷飛等，2015），并且大多研究結(jié)果都是在條件相對(duì)穩(wěn)定的盆栽試驗(yàn)中獲得，有關(guān)在大田環(huán)境下探討組配鈍化劑同時(shí)鈍化、同步修復(fù)多種重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的報(bào)道尚缺乏。

本文以云南個(gè)舊多金屬礦區(qū)復(fù)合污染土壤作為研究對(duì)象，以固廢資源再利用、經(jīng)濟(jì)廉價(jià)為原則，選取目前在化學(xué)鈍化修復(fù)技術(shù)中較為受關(guān)注的生物炭、硅藻土、石灰和沸石作為鈍化材料，研究不同材料配施對(duì)云南個(gè)舊地區(qū)土壤Cd、As和Pb的有效態(tài)含量變化及玉米吸收、累積Cd、As和Pb的影響，以期為生物炭、硅藻土、石灰和沸石組配運(yùn)用于復(fù)合重金屬污染土壤的修復(fù)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)點(diǎn)位于個(gè)舊市雞街鎮(zhèn)石榴壩村污染農(nóng)田（103°9′37.67″E，23°32′25.41″N），海拔高度1150 m，屬亞熱帶氣候類型區(qū)，年平均氣溫19.39 ℃，平均降水量637.00 mm。在試驗(yàn)田中按“梅花形”布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，采集0～20 cm耕層土壤，混合均勻。土壤帶回實(shí)驗(yàn)室后，自然風(fēng)干，去除雜物，壓碎后分別過(guò)100目篩備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)為：pH值6.35，有機(jī)質(zhì)27.6 g·kg-1，堿解氮107 mg·kg-1，速效磷 35.66 mg·kg-1，速效鉀 248 mg·kg-1，全氮0.128 g·kg-1，全磷0.094 g·kg-1，全鉀1.68 g·kg-1，Cd0.44 mg·kg-1，As93.85 mg·kg-1，Pb141.03 mg·kg-1；測(cè)定方法參見(jiàn)土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法（魯如坤，2000）。根據(jù)國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618─1995），研究區(qū)域土壤重金屬中土壤重金屬As、Cd含量分別超出GB 15618─1995二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)3.13、1.46倍，土壤Pb未超標(biāo)，但對(duì)農(nóng)產(chǎn)品調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，農(nóng)產(chǎn)品重金屬Pb含量超標(biāo)。

供試鈍化劑材料為生物炭、硅藻土、沸石粉和石灰。其中硅藻土購(gòu)自云南騰沖助濾劑廠，沸石粉購(gòu)自昆明市小石壩飼料批發(fā)市場(chǎng)，生物炭購(gòu)自云南臨滄，石灰粉購(gòu)自昆明索希達(dá)科技有限公司，4種鈍化劑材料均為粉劑，其基本的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。分析方法參見(jiàn)土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法（魯如坤，2000）。

表1 供試鈍化劑的理化性質(zhì)Table 1 Physi-chemical properties of amendments

供試玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N云瑞88和京滇8號(hào)，購(gòu)自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置 9個(gè)處理，分別為：（1）不種作物，不施鈍化劑（CK）；（2）種植京滇8號(hào)玉米品種，不施鈍化劑（JD）；（3）種植云瑞88玉米品種，不施鈍化劑（YR）；（4）不種作物，施用生物炭+石灰+硅藻土（BLD）；（5）不種作物，施用生物炭+硅藻土+沸石粉（BDZ）；（6）種植常規(guī)玉米品種，施用生物炭+石灰+硅藻土

（JD+BLD）；（7）種植常規(guī)玉米品種，施用生物炭+硅藻土+沸石粉（JD+BDZ）；（8）低累積玉米品種，施用生物炭+石灰+硅藻土（YR+BLD）；（9）種植低累積玉米品種，施用生物炭+硅藻土+沸石粉（YR+BDZ）。每個(gè)處理3次重復(fù)，計(jì)27個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積20 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，組內(nèi)植株行間距60 cm ×50 cm，；各處理設(shè)獨(dú)立灌溉溝渠。

組配鈍化劑均按照質(zhì)量比1∶1∶1的比例通過(guò)攪拌機(jī)混合均勻，考慮到現(xiàn)實(shí)用量，按照 3%（占土壤耕作層0～20 cm土壤質(zhì)量百分比）的施用量于2014年5月均勻撒到各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)土壤表面，并利用旋耕設(shè)備將鈍化材料翻入土壤（深度0～20 cm），充分混勻。供試玉米于2014年5月直播種植，播種前施“肥力番”復(fù)合肥（15-15-15，總養(yǎng)分≥45%）做基肥，施用量600 kg·hm-2；拔節(jié)期追施尿素，施用量300 kg·hm-2。田間管理按大田常規(guī)操作進(jìn)行，于成熟期采集土壤樣品、玉米植株樣品。不種作物的處理小區(qū)與栽培作物的小區(qū)采用相同的田間管理方式，包括施肥和灌溉。

1.3 樣品采集與處理

土壤、植株樣品采集于2014年9月下旬（玉米成熟期），采用“梅花”形取樣法分別對(duì)27個(gè)小區(qū)取樣。各小區(qū)取5個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)采集1株玉米，即每個(gè)處理小區(qū)采5株玉米，所采玉米盡量保持長(zhǎng)勢(shì)一致，同時(shí)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”原位采集土壤樣品。玉米植株先用自來(lái)水小心洗凈根系泥土，然后用蒸餾水清洗整個(gè)植株。將植株根系、莖葉、籽粒分離，在105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒重，粉碎過(guò)40目篩。玉米穗風(fēng)干脫粒后，在 70 ℃烘至恒重，磨碎過(guò)40目篩。土壤樣品風(fēng)干后，過(guò)100目篩，備用。

1.4 土壤樣品分析

土壤有效態(tài)重金屬用0.1 mol·L-1鹽酸提?。斎缋?，2000；李亮亮等，2008），用ICP-OES（OPTIMA 2000，Perkin-Elmer Co.，USA）測(cè)定Cd、Pb含量，分別加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07405和GBW 10016對(duì)整個(gè)分析測(cè)試過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制。用原子熒光光度計(jì)（海光，AFS-2202E）測(cè)定As含量。

土壤有機(jī)質(zhì)和pH值：土壤pH含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；土壤pH采用1∶2.5的土水比，酸度計(jì)（Starter-3C，奧豪斯儀器有限公司）測(cè)定。

1.5 植物樣品分析

所有玉米根、莖葉、籽粒等樣品加入5 mL濃硝酸與2 mL雙氧水后，放置在微波消解儀（MARS，CEM）內(nèi)進(jìn)行消解。植物樣品消解完全后，超純水定容，用原子吸收光譜儀（Jena-ZEEnit 700）、ICP-MS測(cè)定溶液中Cd、Pb含量，原子熒光光度計(jì)（海光，AFS-2202E）測(cè)定As含量，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07603 GSV-2）為內(nèi)標(biāo)控制樣品分析質(zhì)量。

葉面積和株高：玉米收獲時(shí)，測(cè)定其株高和玉米葉片長(zhǎng)和最大葉寬，葉面積=Σ(葉長(zhǎng)×葉寬×0.75)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，并利用新復(fù)極差法（Duncan法）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

不同處理對(duì)玉米株高和葉面積均產(chǎn)生不同的影響（表2）。單種作物的JD和YR兩個(gè)處理相比較而言，兩個(gè)玉米品種之間株高和葉面積無(wú)顯著差異；而玉米施用組配鈍化劑在不同程度上增加了玉米的株高和葉面積，其中 YR+BLD處理的葉面積和株高最高，與種植常規(guī)玉米品種JD處理相比，分別增加了11.47%和13.44%。

表2 不同處理對(duì)玉米成熟期生長(zhǎng)和產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of different treatments on maize yield and its components at harvesting stage

不同處理對(duì)玉米地上部質(zhì)量、地下部質(zhì)量與籽粒的干物質(zhì)量均有一定影響。施用組配鈍化劑在不同程度上促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)，增加玉米地上部、地下部與籽粒的重量。其中，YR+BLD處理玉米地上部、地下部與籽粒的增加最為明顯，與種植常規(guī)玉米品種JD處理相比，分別增加了9.12%、25.17%、2.31%。

對(duì)于產(chǎn)量而言，低累積玉米品種處理與常規(guī)玉米品種處理之間無(wú)顯著差異；組配鈍化劑處理后的玉米產(chǎn)量均顯著（P<0.05）高于單種玉米處理，其中 YR+BLD處理的產(chǎn)量最高，與種植常規(guī)玉米品種JD處理相比，產(chǎn)量增加了257.83 kg·hm-2，增幅

為3.83%。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在Cd、As復(fù)合污染土壤上，組配鈍化劑有效促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，這可能與本試驗(yàn)施用了富含有機(jī)碳的生物炭有很大的關(guān)系。

2.2 不同處理對(duì)土壤重金屬有效態(tài)含量的影響

種植不同玉米品種以及玉米施用不同組配鈍化劑處理與對(duì)照相比，土壤中Cd、As、Pb有效態(tài)含量均發(fā)生不同程度變化，且不同處理水平之間存在差異（表3）。

表3 施用鈍化劑后土壤重金屬有效態(tài)含量Table 3 Concentrations of available heavy metals in soils after application of combined amendments

2.2.1 對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

由表 3可以看出，種植作物對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量有一定影響，但差異不顯著。單種作物的 JD處理和YR處理一定程度上降低了土壤中Cd的有效態(tài)含量，與對(duì)照處理相比，分別降低了1.04%和1.88%，差異性不顯著。

玉米施用不同組配鈍化劑后，土壤中有效態(tài)Cd含量與CK相比均有不同程度降低，且不同處理間存在差異。從鈍化效果看，以BLD處理對(duì)Cd的鈍化效果最好，Cd有效態(tài)含量較對(duì)照降低了71.00%（P<0.05）；其次為YR+BLZ處理，較CK降低了67.85%，兩者之間差異顯著（P<0.05）。

2.2.2 對(duì)土壤有效態(tài)As含量的影響

種植不同玉米品種以及玉米施用不同組配鈍化劑處理對(duì)土壤有效態(tài)As含量的影響不同（表3）。單種作物的2個(gè)處理JD和YR，與對(duì)照相比，分別使As有效態(tài)含量降低了0.76%和0.46%，但差異性不顯著。施用不同組配鈍化劑處理均顯著降低了土壤中As有效態(tài)含量（P<0.05），其中BDZ處理對(duì)土壤中有效態(tài)As的鈍化效果最好，較對(duì)照處理降低了65.63%，其次為BLD處理，較對(duì)照處理降低了59.73%。

2.2.3 對(duì)土壤有效態(tài)Pb含量的影響

與對(duì)照相比，種植不同玉米品種的2個(gè)處理對(duì)土壤有效態(tài)Pb含量均無(wú)顯著影響（表3）。不同玉米品種配施不同組配鈍化劑后，從鈍化效果看（表2），以YR+BLD處理對(duì)土壤Pb有效態(tài)含量鈍化效果最好，較對(duì)照處理Pb有效態(tài)含量降低了70.64%；其次是BDZ處理，較CK降低了69.64%，且與對(duì)照相比差異顯著（P<0.05）。

2.3 不同處理對(duì)玉米籽粒吸收Cd、As、Pb的影響

施用不同組配鈍化劑處理與種植常規(guī)玉米品種處理相比，玉米籽粒中Cd、As、Pb含量均有不同程度降低，且不同處理水平間存在明顯差異（表4）。

表4 不同處理對(duì)玉米籽粒吸收Cd、As和Pb的影響Table 4 Effects of different treatments on concentrations of Cd, As and Pb in maize kernels

2.3.1 對(duì)玉米籽粒吸收Cd的影響

種植不同玉米品種及其不同玉米品種配施不同組配鈍化劑對(duì)玉米籽粒Cd含量的影響不同（表4）。與種植常規(guī)玉米品種 JD處理相比，種植低累積玉米品種YR處理顯著降低了玉米籽粒Cd含量，降幅達(dá)82.63%。不同組配鈍化劑處理顯著降低了玉米籽粒Cd含量，其中，YR+BLD處理的降低效果最明顯，YR+BDZ處理次之，比種植常規(guī)玉米品種JD處理分別降低89.17%、88.93%。此外，從表4還可以看出，除對(duì)照CK處理外，其它處理玉米籽粒Cd含量為0.1033～0.1656 mg·kg-1。均低于國(guó)家食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762─2012）中谷物Cd的限量（0.20 mg·kg-1）。

2.3.2 對(duì)玉米籽粒吸收As的影響

表4為不同處理對(duì)玉米籽粒吸收重金屬 Cd、As、Pb的情況，從表4可以看出，單種作物的JD和YR兩個(gè)處理相比較而言，種植低累積玉米品種YR處理玉米籽粒As含量較種植常規(guī)玉米品種JD處理的低了27.58%。此外，施用不同組配鈍化劑顯著降低了玉米籽粒 As含量，其中，降低效果最為明顯的處理是YR+BLD，YR+BDZ處理次之，兩個(gè)處理較種植常規(guī)玉米品種 JD處理分別降低了49.47%、47.26%。本試驗(yàn)中，玉米籽粒As含量為0.0914～0.1809 mg·kg-1，均低于國(guó)家食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762─2012）中谷物As的限量（0.20 mg·kg-1）。

2.3.3 對(duì)玉米籽粒Pb吸收累積的影響

表4顯示，玉米籽粒中Pb含量因種植玉米品

種的不同及其鈍化劑組配的不同而不同。單種作物的JD和YR兩個(gè)處理相比較，JD處理玉米籽粒Pb含量為1.2523 mg·kg-1，低累積玉米品種YR處理玉米籽粒Pb含量為1.1316 mg·kg-1，兩者相差0.1207 mg·kg-1。可見(jiàn)，種植低累積玉米品種YR處理明顯降低了玉米籽粒Pb含量。此外，從表4還可看出，施用不同組配鈍化劑處理的玉米籽粒 Pb含量與種植常規(guī)玉米品種 JD處理相比均有不同程度降低，且不同處理間存在顯著差異（P<0.05）。其中，以YR+BLD處理對(duì)玉米籽粒Pb含量的降低效果最好，其次為 YR+BDZ處理，較 JD處理分別降低了46.86%和30.02%，兩者之間差異顯著（P<0.05）。本研究條件下，各處理玉米籽粒 Pb含量在0.6655～1.2523 mg·kg-1之間，均高于國(guó)家食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762─2012）中谷物Pb的限量（0.20 mg·kg-1）。

2.4 組配鈍化劑對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)的影響

土壤pH值不但影響土壤溶液中離子的組成，而且也影響土壤中的各種化學(xué)反應(yīng)，最終影響土壤重金屬污染的鈍化修復(fù)效果。不同玉米品種及不同組配鈍化劑對(duì)土壤pH值的影響不同（圖1）。由圖1可知，與對(duì)照相比，種植不同玉米品種對(duì)土壤pH值影響不大。

圖1 不同鈍化劑對(duì)土壤pH值的影響Fig. 1 The effects of different amendments on soil pH values

施用不同組配鈍化劑后，土壤pH值均有不同程度的升高，與對(duì)照相比，差異均達(dá)顯著水平（P<0.05）。其中，處理BLD、YR+BLD、JD+BLD的pH值升高效果最為明顯，土壤中pH值分別為：7.47、7.46和7.46，與CK相比，分別提高了1.05、1.04和1.04個(gè)單位。然而，3個(gè)處理之間差異不明顯，且與BDZ、YR+BDZ、JD+BDZ處理間均沒(méi)有顯著差異。

有機(jī)質(zhì)不僅對(duì)受污染土壤有重要改良作用，而且對(duì)提高土地生產(chǎn)力也具有十分重要的意義。圖 2為不同處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響變化情況，由圖2可知，種植不同玉米品種及施用不同組配鈍化劑對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響不同，單種作物 JD和 YR的兩個(gè)處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較對(duì)照處理稍有提高，但差異不顯著。

施用組配鈍化劑后均顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。各處理提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的順序依次為：YR+BDZ>YR+BLD>JD+BLD>JD+BDZ>BDZ>BL D>YR>JD>CK。其中，處理YR+BDZ和YR+BLD土壤中有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最高，分別為：42.83和40.44 g·kg-1，較對(duì)照處理分別提高了 54.68%、46.04%。施用鈍化劑的BLD、BDZ，YR+BDZ、YR+BLD、JD+BDZ和 JD+BLD均顯著提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，但各處理之間差異不顯著。

以GM(1,1)預(yù)測(cè)模型為主的灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)方法因其所需建模數(shù)據(jù)少、計(jì)算簡(jiǎn)便和應(yīng)用廣泛而在預(yù)測(cè)領(lǐng)域中占有重要地位[14]。GM(1,1)預(yù)測(cè)模型的基本思路為:把一個(gè)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)序列通過(guò)累加,生成新的數(shù)據(jù)序列,根據(jù)灰微分方程的白化微分方程的解,還原后即得GM(1,1)預(yù)測(cè)模型[15]。

可見(jiàn)，施用鈍化劑的處理不僅提高了土壤 pH值，創(chuàng)造了土壤堿性環(huán)境以便使重金屬形成難以遷移沉淀物，同時(shí)還增加了土壤肥力，有利用植物的生長(zhǎng)。此外，由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，低累積玉米品種施用組配鈍化劑對(duì)土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)的升高效果優(yōu)于低累積玉米品種YR單一種植處理，這表明，在鈍化修復(fù)鎘砷復(fù)合污染的旱地土壤時(shí)，將低累積玉米品種與組配鈍化劑聯(lián)合使用能夠獲得較好的修復(fù)效果。

3 討論

在重金屬污染的土壤中，施用鈍化劑如石灰、硅藻土、生物炭、沸石粉等會(huì)降低重金屬對(duì)作物的毒害作用，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，提高作物產(chǎn)量。宋正國(guó)等（2011）研究表明，除海泡石外，施用其他3種鈍化材料均能促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，增加玉米葉、

莖與籽粒的重量。徐峰等（2013）的研究結(jié)果也表明，添加不同改良劑對(duì)玉米的生物量影響不一樣，大多數(shù)改良劑處理均顯著地提高玉米的地上部鮮重和總鮮重。本試驗(yàn)中，施用鈍化劑均能有效促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，增加植株株高、葉面積、玉米地上部與地下部質(zhì)量，顯著提高玉米產(chǎn)量。不同的鈍化材料對(duì)玉米的生長(zhǎng)影響有所差異，這可能與改良劑本身的特性以及施用量有關(guān)。

圖2 不同鈍化劑對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響Fig. 2 The effects of different amendments on soil OM values

土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤中重金屬的形態(tài)分布、遷移、轉(zhuǎn)化有著重要的影響（Slogna et al.，1997；Zhu et al.，1999；章明奎等，2004）。土壤pH值升高，直接導(dǎo)致或誘導(dǎo)重金屬形成氫氧化物沉淀，從而達(dá)到鈍化目的。有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤重金屬污染的凈化機(jī)制，主要是通過(guò)腐殖質(zhì)與重金屬離子之間的絡(luò)合作用，使重金屬的穩(wěn)定性發(fā)生變化（何益波等，2006）。Karlsson et al.（2007）利用XAFS研究表明，Cd在土壤中可以與有機(jī)質(zhì)中的羧基（RCOOH）及巰基（RSH）形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。本研究顯示，施用組配鈍化劑BLD和BDZ均顯著提高了土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量，這與本試驗(yàn)加入的石灰、硅藻土和生物炭均為堿性物質(zhì)以及生物炭屬于有機(jī)物料有關(guān)。

土壤中重金屬對(duì)生物的毒害和環(huán)境的影響程度，除了與土壤中重金屬的含量有關(guān)以外，還與重金屬元素在土壤中存在的形態(tài)有關(guān)。土壤中重金屬的存在形態(tài)不同，其生物有效性也有很大的差異。而土壤重金屬的生物有效性主要取決于土壤重金屬有效態(tài)的含量（陳懷滿，2002）。在本試驗(yàn)條件下，施用不同組配鈍化材料均會(huì)降低土壤有效態(tài)Cd、Pb和As的含量（表2），這可能是生物炭、石灰和硅藻土（BLD）或者是生物炭、硅藻土和沸石粉（BDZ）共同作用的結(jié)果。石灰能顯著提高土壤pH值，土壤pH值的升高會(huì)使帶負(fù)電荷的土壤膠體對(duì)帶正電荷的重金屬離子吸附能力增加；而且土壤中的Fe、Mn等離子與OH-結(jié)合形成羥基化合物為重金屬離子提供了更多的吸附位點(diǎn)（朱奇宏等，2010），從而降低了重金屬的生物有效性。硅藻土表面的硅羥基（Si-OH）是起主要作用的基團(tuán)。硅羥基上的氫可以游離出來(lái)，使硅藻土的表面在水中帶有一定的負(fù)電荷，增強(qiáng)了硅藻土表面對(duì)帶正電荷的重金屬離子的吸引能力（沈巖柏等，2003；葉力佳，2003；袁笛等，2005）。另外，硅羥基（Si-OH）還能使重金屬離子在硅藻土表面發(fā)生絡(luò)合。硅藻土作為一種粘土礦物與大部分土壤的理化性質(zhì)相近，具有一定的持水性和保肥性。沸石具有比表面積較大、礦物表面帶有豐富的負(fù)電荷等特點(diǎn)，使其對(duì)金屬離子具有較強(qiáng)的吸附和離子交換能力（Castaldi et al.，2008），這是沸石降低土壤重金屬生物有效性的原因之一。生物炭在提高土壤肥力的同時(shí)，可增強(qiáng)土壤對(duì)重金屬離子和有機(jī)物的吸附能力，與重金屬離子絡(luò)合、螯合等使之生成有機(jī)結(jié)合態(tài)，從而降低重金屬的有效性。Basta et al.（2004）研究證實(shí)有機(jī)物質(zhì)與重金屬反應(yīng)可以形成穩(wěn)定的螯合物，使重金屬有機(jī)結(jié)合態(tài)的含量增加從而降低土壤中重金屬的遷移性和生物有效性。

本研究中，組配鈍化劑的施用降低了玉米籽粒Cd、Pb和As的含量，原因是鈍化劑顯著降低了土壤Cd、Pb和As有效態(tài)含量，從而降低土壤Cd、Pb和As向玉米籽粒的遷移和轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，本研究條件下，各處理玉米籽粒Pb含量在0.6655～1.2523

mg·kg-1之間，均高于國(guó)家食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762─2012）中谷物Pb的限量（0.20 mg·kg-1）。原因可能是：（1）用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的土壤是復(fù)合重金屬污染土壤，玉米對(duì) Pb的吸收積累不僅取決于土壤中Pb的有效態(tài)含量，還取決于土壤pH值、Pb與其他元素的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用、植物對(duì) Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力等因素的作用（徐峰等，2013；謝素等，2013）；（2）大氣沉降所引起的污染。

需要指出的是，原位鈍化修復(fù)只改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，總量不會(huì)發(fā)生變化。目前，對(duì)其修復(fù)效果的評(píng)價(jià)主要以作物生育期內(nèi)土壤重金屬形態(tài)變化、作物對(duì)重金屬的吸收等短期效應(yīng)為主；另外，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、Eh等的改變會(huì)引起被固定重金屬的重新釋放。此外，鈍化劑在田間土壤中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是影響污染土壤修復(fù)效果的主要因素，鈍化劑在土壤中的轉(zhuǎn)變可能導(dǎo)致重金屬的重新活化與作物吸收量的增加。因此，原位鈍化修復(fù)技術(shù)評(píng)價(jià)其修復(fù)效果的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

（1）施用鈍化劑均能有效促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，增加植株株高、葉面積、玉米地上部與地下部質(zhì)量，顯著提高玉米產(chǎn)量。

（2）不同處理均明顯降低了土壤Cd、As和Pb有效態(tài)含量。其中，BLD處理降低土壤有效態(tài)Cd含量效果最佳，與對(duì)照相比，土壤有效態(tài)Cd降低71.00%；此外，BDZ處理對(duì)土壤有效態(tài)As含量降低效果最佳，較對(duì)照降低達(dá)65.63%；YR+BLD處理對(duì)土壤有效態(tài)Pb含量降低效果最好，有效態(tài)Pb含量較對(duì)照降低了70.64%。

（3）不同處理對(duì)玉米籽粒吸收、累積 Cd、As和 Pb產(chǎn)生不同程度的影響。與對(duì)照相比，不同處理導(dǎo)致玉米籽粒Cd含量降低82.63%～89.17%，除對(duì)照CK處理外，其它處理玉米籽粒Cd含量均低于國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；As含量降低范圍為27.58%～49.47%，均低于國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。玉米籽粒Pb含量在0.6655～1.2523 mg·kg-1之間，降幅為9.64%～46.86%，均高于國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

（4）施用鈍化劑均能顯著提高土壤pH值。其中BLD、YR+BLD、JD+BLD處理的pH值升高效果最為明顯，與對(duì)照相比，分別提高了 1.05、1.04和1.04個(gè)單位。施用鈍化劑顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。其中，YR+BDZ和YR+BLD處理有機(jī)質(zhì)含量升高較明顯，較對(duì)照分別提高了 54.68%和46.04%。

綜上所述，在鈍化修復(fù)鎘砷復(fù)合污染的旱地土壤時(shí)，將低累積玉米品種與組配鈍化劑聯(lián)合使用能夠獲得較好的修復(fù)效果。

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Effects of Different Combined Amendments on Cadmium, Arsenic and Lead Absorption of Maize under Field Conditions

DU Caiyan1,2, DUAN Zongyan1, ZENG Min, YU Xiaofen1, CHENG Zaiquan4, CHEN Jun1, XIAO Zhihai5, LEI Mei3*, QIU Xueli1*, WANG Tai6
1. Institute of agricultural Environment & Resources, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China; 2. Plant Protection College, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 3. Biotechnology & Genetic Resources Institute, Yunnan Academy of Agriculture Sciences, Kunming 650223, China; 4. Agricultural Environment protection Station of Honghe state, Mengzi 661100, China; 5. Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 6. College of Resource and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China

Field experiments were conducted to investigate the effects of four amendments (Diatomite, Biochar, Zeolite and lime) and their additive Proportion on cadmium (Cd), arsenic(As) and lead (Pb) absorption of maize and the Cd, As and Pb availability in soil, in order to identify the best functional additive proportion amendments of immobilization remediation. The results showed that: (1) Application of combined amendments could improve maize growth, increase plant height, leaf area, shoot dry mass and root dry mass. The yield of maize was also significantly increased. (2) The available content of Cd, As and Pb was decreased in different treatments in soil and BLD was the best treatment to decrease the available content of Cd in soil. YR+BLZ was rankerd to be second, compared to the control treatment. The available content of Cd in soil was decreased by 71.00% and 67.85% in BDZ and YR+BLZ respectively. BDZ was the best treatment to decline the available content of As in soil and BLD was the second. Compared to the control treatment, the available content of As was decreased in soil by 65.63% and 59.73% in BDZ and BLD respectively. YR+BLD was the best treatment to decrease the available content of Pb in soil, while BDZ was ranked tobe second. Compared to the control treatment, the available content of Pb in soil was declined by 70.64% and 69.764% in YR+BLD and BDZ respectively. (3) The concentrations of Cd, as and Pb were decreased in different degree in various treatments in maize kernels. Compared to the control treatment, the concentration of Cd in maize kernels was decreased by 82.63%～89.17%, the concentration of As by 27.58%～49.47% and the concentration of Pb by 9.64%～46.86% respectively. (4) Application of above combined amendments could increase soil pH value, it was quite obvious in the treatment’s of BLD, YR+BLD and JD+BLD. Compared to the control treatment, soil pH values have been increased by 1.05, 1.04 and 1.04 in BLD, YR+BLD and JD+BLD treatments, respectively. Application of combined above amendments could improve organic matter (OM). The organic matter in YR+BDZ and YR+BLD treatments was increased by 54.68% and 46.04%, respectively. Our results demonstrated that immobilization remediation of Cd and as in contaminated soils combined with low accumilation maize variety o Cd and As was quite effective.

combined amendments; heavy metals; availability; Zea mays

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.10.021

X53

A

1674-5906（2015）10-1731-08

杜彩艷，段宗顏，曾民，余小芬，程在全，陳軍，肖志海，雷梅，邱學(xué)禮，汪泰. 田間條件下不同組配鈍化劑對(duì)玉米（Zea mays）吸收Cd、As和Pb影響研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(10): 1731-1738.

DU Caiyan, DUAN Zongyan, ZENG Min, YU Xiaofen, CHENG Zaiquan, CHEN Jun, XIAO Zhihai, LEI Mei, QIU Xueli, WANG Tai. Effects of Different Combined Amendments on Cadmium, Arsenic and Lead Absorption of Maize under Field Conditions [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(10): 1731-1738.

中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目（GJHZ201308）

杜彩艷（1977年生），女，副研究員，博士研究生，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境生態(tài)方面研究。E-mail: caiyandu@126.com *通信作者：雷梅（1973年生），研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事污染環(huán)境修復(fù)研究研究。E-mail: leim@igsnrr.ac.cn *通信作者：邱學(xué)禮（1976年生），副研究員，碩士，主要從事植煙土壤環(huán)境研究。E-mail: nkyqxl01@126.com

2015-08-02