淹水對湖南3種典型水稻土鎘的形態(tài)分級影響

鄺美娟，王翠紅，曾 理，周偉軍

（湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南　長沙　410128）

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淹水對湖南3種典型水稻土鎘的形態(tài)分級影響

鄺美娟，王翠紅，曾 理，周偉軍

（湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南長沙410128）

摘 要：以湖南外源鎘（約1.0 mg/kg）污染的3種典型水稻土即紅黃泥、河沙泥和灰泥為研究對象，通過淹水培養(yǎng)試驗，研究了淹水前后土壤鎘的各級形態(tài)變化。結(jié)果表明，淹水前，紅黃泥田鎘主要賦存形態(tài)為交換態(tài)（35.42%）、有機結(jié)合態(tài)（31.42%）和殘渣態(tài)（28.08%）；河沙泥田以殘渣態(tài)為主（41.24%），其次是交換態(tài)（29.12%）和有機結(jié)合態(tài)（26.17%）；灰泥田主要形態(tài)為有機結(jié)合態(tài)（68.78%）。淹水后，3種水稻土總體上呈現(xiàn)出交換態(tài)鎘含量下降，而殘渣態(tài)鎘等升高的規(guī)律，交換態(tài)鎘降幅表現(xiàn)為河沙泥田（60.00%）＞紅黃泥田（45.71%）＞灰泥田（35.29%），殘渣態(tài)鎘增幅為灰泥田（142.86%）＞河沙泥田（58.00%）＞紅黃泥田（42.86%），其他形態(tài)鎘變化不明顯。

關鍵詞：污染水稻土；淹水；鎘；形態(tài)分布

土壤重金屬污染已成為當前日益嚴重的世界性環(huán)境問題［1-2］。有研究表明，我國耕地的重金屬污染面積在約16.67%，約占耕地的1/6，其中鎘是最主要的重金屬污染元素［3］。重金屬鎘不但損害土壤自身的理化性質(zhì)，而且影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，并通過食物鏈進入人體，危害人類健康。已有研究證實，土壤鎘的生物有效性不僅與土壤鎘總量有關，更多的是被其形態(tài)所決定［4］，其中交換態(tài)最易被作物吸收，而殘渣態(tài)等其它形態(tài)生物活性較小，不易被作物利用；土壤鎘形態(tài)分布及其變化因土壤理化性質(zhì)、外源添加物、淹水等條件不同而異。我國南方地區(qū)稻作主要以淹水灌溉為主，而縱觀已有資料發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)研究淹水條件下不同母質(zhì)發(fā)育、不同質(zhì)地、不同pH值的污染水稻土鎘的形態(tài)分布及其轉(zhuǎn)化報道尚少，因此選取湖南省3種主要類型輕度鎘污染水稻土為研究對象，通過淹水培養(yǎng)試驗和Tessier形態(tài)分級方法，研究淹水前后不同水稻土鎘的形態(tài)分布及其變化規(guī)律，旨在為我國稻作區(qū)農(nóng)田土壤鎘的污染防控及其修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試鎘污染水稻土均為15 a前經(jīng)添加外源鎘（1.0 mg/kg）后進行了盆栽試驗后的用土，共計3種，即紅黃泥、河沙泥和灰泥，均采自湖南省境內(nèi)，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設計

先將3種水稻土通過1 mm篩孔，再分別稱取土樣15.0 g于125 mL塑料瓶中，加入22.5 mL去離子水，充分混合均勻，重復4次。敞開環(huán)境下于25±1℃下恒溫培養(yǎng)45 d，培養(yǎng)期間每隔1 d用去離子水稱重補水保持土壤水分一定。至培養(yǎng)時間到，取上清液測定pH值，土樣經(jīng)風干后分析測定其鎘的各形態(tài)分級含量。

1.3 分析方法

土壤pH值采用2.5∶1水土比浸提-電位法測定；土壤有機質(zhì)采用硫酸重鉻酸鉀外加熱-容量法；土壤陽離子交換量測定采用氯化鋇-硫酸快速交換法；土壤碳酸鈣測定采用容量滴定法；土壤全鎘含量采用HNO3-HCl-HClO4-HF消化，原子吸收光譜法測定；土壤鎘形態(tài)分級采用改進后的Tessier 5級連續(xù)提取法，其提取方法見表2。

表2 連續(xù)提取法的化學浸提劑及提取方法

1.4 數(shù)據(jù)處理及方法

文中數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計以及作圖采用Microsoft Excel 2010。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水培養(yǎng)前后紅黃泥田鎘的形態(tài)分布特征

表3可以看出，紅黃泥田鎘形態(tài)分布淹水培養(yǎng)前后有所不同。淹水培養(yǎng)前紅黃泥田鎘主要賦存形態(tài)以交換態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)為主，3種形態(tài)鎘分配系數(shù)分別為35.42%、31.42%、28.08%，平均31.64%，而碳酸鹽態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘含量較低，分配系數(shù)均低于3%；淹水培養(yǎng)后紅黃泥田鎘的賦存形態(tài)含量及分配系數(shù)有所變化，其中以交換態(tài)、殘渣態(tài)、碳酸鹽態(tài)鎘的變化最明顯，交換態(tài)鎘分配系數(shù)降低至19.25%，而殘渣態(tài)和碳酸鹽態(tài)分別上升至39.85%和5.23%，其他形態(tài)鎘變化不大。由此看來，淹水對紅黃泥田鎘形態(tài)分布的影響主要是使交換態(tài)鎘向殘渣態(tài)鎘等形態(tài)轉(zhuǎn)化，這與李義純、鄭紹建等［5-6］的研究結(jié)果相似。

2.2 淹水培養(yǎng)前后河沙泥田鎘的形態(tài)分布特征

由表4可以看出，河沙泥田鎘形態(tài)分布淹水培養(yǎng)前后有所不同。淹水培養(yǎng)前河沙泥田鎘賦存形態(tài)以殘渣態(tài)為主，其次是交換態(tài)和有機結(jié)合態(tài)，而碳酸鹽態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘含量較低，均不足4%；淹水培養(yǎng)后河沙泥田鎘賦存形態(tài)表現(xiàn)出交換態(tài)鎘和有機態(tài)鎘含量顯著下降，殘渣態(tài)鎘含量顯著上升，交換態(tài)鎘和有機態(tài)鎘分配系數(shù)分別由淹水前的29.12%和26.17%降低至11.44%和17.18%，殘渣態(tài)由淹水前的41.24%提高至65.18%，其他形態(tài)鎘變化不大。說明淹水對河沙泥田鎘形態(tài)分布的影響主要表現(xiàn)在促使交換態(tài)鎘和有機態(tài)鎘向殘渣態(tài)鎘的轉(zhuǎn)化。

表3 紅黃泥田淹水前后鎘的各級形態(tài)含量、分配系數(shù)及顯著性差異

表4 河沙田淹水前后鎘的各級形態(tài)含量、分配系數(shù)及顯著性差異

2.3 淹水培養(yǎng)前后灰泥田鎘的形態(tài)分布特征

灰泥田鎘的形態(tài)分布與上述2種水稻土相比差別明顯（表5），淹水前有機態(tài)鎘是主體形態(tài)，分配系數(shù)高達68.78%，其他形態(tài)鎘除交換態(tài)、殘渣態(tài)分別達13.63%、11.30%外均低于6%。淹水培養(yǎng)后有機態(tài)變化不大，仍表現(xiàn)為主體形態(tài)，其他形態(tài)變化雖表現(xiàn)顯著，但其分配系數(shù)值普遍較小，除殘渣態(tài)鎘提高可達26.18%外，交換態(tài)等其他形態(tài)鎘的分配系數(shù)低于9%。上述結(jié)果說明，盡管灰泥田以有機態(tài)鎘為主，淹水對其影響不大，但其他形態(tài)鎘之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律如交換態(tài)鎘向殘渣態(tài)鎘轉(zhuǎn)化表現(xiàn)是相似的。

表5 灰泥田淹水前后鎘的各級形態(tài)含量、分配系數(shù)及顯著性差異

2.5 淹水培養(yǎng)前后3種水稻土鎘的形態(tài)分布特征比較及其原因分析

上述分析結(jié)果表明，淹水前后3種水稻土鎘的形態(tài)分級含量及分配系數(shù)均存在一定差異。淹水前，紅黃泥田和河沙泥田鎘的主要賦存形態(tài)相似，均以交換態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)為主，而灰泥田的僅以有機態(tài)占主體，其他鎘賦存形態(tài)均較小，分析其原因可能與3種水稻土某些理化性質(zhì)差異有關。表6為土壤鎘各形態(tài)分級含量與對應土壤基本理化指標含量之間所作的相關分析，可以看出，土壤交換態(tài)鎘與土壤pH值、有機質(zhì)以及碳酸鈣含量之間均呈顯著負相關，而有機結(jié)合態(tài)剛好相反，呈顯著正相關，由此說明土壤pH值、有機質(zhì)含量等可能是影響土壤鎘形態(tài)含量的主要因素。由表1可知，3種水稻土中，各指標含量均以灰泥田的最高，紅黃泥田的和河沙泥田的較低且接近，故灰泥田鎘分配系數(shù)交換態(tài)均明顯低于、有機態(tài)均明顯高于其他2種土壤。各水稻土中殘渣態(tài)鎘分配系數(shù)的差異很大一部分原因可能與土壤母質(zhì)礦物成分不同有關。

表6 土壤鎘的各級形態(tài)與土壤理化指標的相關性 （n=3）

淹水培養(yǎng)試驗結(jié)果表明，3種水稻土鎘的各形態(tài)變化雖存在一些差異，但總的變化趨勢表現(xiàn)為交換態(tài)鎘不同程度下降，而殘渣態(tài)鎘等不同程度上升，鐵錳氧化態(tài)鎘無明顯變化。3種水稻土中，以灰泥田的交換態(tài)鎘降幅（35.29%）與殘渣態(tài)鎘增幅（142.86%）相差最大，而其他2種水稻土的很接近，紅黃泥田分別為45.71%和42.86%，河沙泥田為60.00%和58.00%。分析其原因，可能與淹水培養(yǎng)期間由于土壤pH值提高而導致交換態(tài)鎘向活性較低的形態(tài)轉(zhuǎn)化［7］或是有機質(zhì)與重金屬形成難溶性沉淀，降低了自由離子的活度系數(shù)［8］的緣故。因此在輕度鎘污染水稻土（約1.0 mg/kg）的農(nóng)業(yè)利用上，可通過采取適當?shù)难退芾泶胧┗蛩嵝酝镣ㄟ^施用石灰等改良劑措施等降低土壤交換態(tài)鎘含量從而減輕其生物毒性，但土壤性質(zhì)不同或采取的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施等不同可能影響到其安全穩(wěn)定性，需高度重視。從本項目研究結(jié)果來看，若參照我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB15618—2008）中的評價標準［0.25 mg/kg（pH值≤5.5），0.30 mg/kg（pH值＞5.5～6.5）］，3種水稻土中，僅有灰泥田的交換態(tài)鎘含量最為安全（淹水前0.17 mg/kg，淹水后0.11 mg/kg），而紅黃泥田和河沙泥田交換態(tài)鎘為淹水前的0.35 mg/ kg分別降至淹水45 d后的0.19和0.14 mg/kg，此值雖在安全水平以內(nèi)，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采取的一些措施，如施有機肥、落水曬田、長期翻耕和旋耕等，都可能帶來土壤鎘的溶出和遷移等［9-12］安全隱患問題，這一點可能在質(zhì)地輕及酸性強的土壤上問題會更突出，因此更應特別關注。

3 結(jié) 論

3種外源鎘（約1.0 mg/kg）污染水稻土淹水培養(yǎng)試驗研究結(jié)果表明：5級鎘形態(tài)分級中，交換態(tài)、有機態(tài)及殘渣態(tài)為3種水稻土鎘賦存的主要形態(tài)，碳酸鹽態(tài)和鐵錳氧化物態(tài)分配系數(shù)均較?。ú蛔?%）。淹水前，紅黃泥田鎘主要賦存形態(tài)為交換態(tài)（35.42%）＞有機結(jié)合態(tài)（31.42%）＞殘渣態(tài)（28.08%）；河沙泥田是殘渣態(tài)（41.24%）＞交換態(tài)（29.12%）＞有機結(jié)合態(tài)（26.17%）；灰泥田鎘主要形態(tài)為有機結(jié)合態(tài)（68.78%）。淹水后，總體上3種水稻土呈現(xiàn)出交換態(tài)鎘含量下降，而殘渣態(tài)鎘等升高的規(guī)律，但兩者間增減變幅差異又因土壤而異。3種水稻土中，以灰泥田的交換態(tài)鎘降幅（35.29%）與殘渣態(tài)鎘增幅（142.86%）相差最顯著，而其他2種水稻土的很接近，交換態(tài)鎘降幅和殘渣態(tài)鎘增幅分別為紅黃泥田45.71%和42.86%，河沙泥田60.00%和58.00%。相關分析表明，土壤pH值和有機質(zhì)含量可能是影響土壤交換態(tài)鎘和有機態(tài)鎘含量的主要因素。

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（責任編輯：肖彥資）

Morphological Classification Effect of Cadmium of Waterlogging on 3 Typical Paddy Soils in Hunan

KUANG Mei-juan，WANG Cui-hong，ZENG Li，ZHOU Wei-jun
（College of Resource and Environment Science， Hunan Agricultural University， Changsha410128， PRC）

Abstract：Selected three typical paddy soil that reddish clayey soil， river sand mud and plaster polluted by exogenous cadmiumin Hunan as research object， studied the changes of each level of cadmium forms in soil before and after waterlogging through water logged incubation test. The results showed that before waterlogging， the main form of cadmium in reddish clayey soil was exchange form （35.42%），organic bound form （31.42%） and residual form （28.08%）； the residue form was the main （41.24%）in river sand mud， the second was the exchange form （29.12%） and the organic bound form （26.17%）； The main form of plaster field as organic bound form （68.78%）. After waterlogging， all three kind of paddy soil showed decline in content of the exchange form cadmium， and rise in residual form cadmium， the exchange form cadmium declined performance wasriver sand mud field（60.00%）＞reddish clayey soil field（45.71%）＞plaster field （35.29%），the rise performance of residual form cadmium was plaster field（142.86%）＞river sand mud field（58.00%）＞reddish clayey soil field（42.86%）. Other morphological changes of cadmium were not obvious.

Key words：Polluted Paddy soil； waterlogging； cadmium； form distribution

中圖分類號：X171.5

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）05-0028-03

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.05.009

收稿日期：2016-03-21

基金項目：湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2013B303）

作者簡介：鄺美娟（1990-），女，湖南郴州市人，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境生態(tài)學研究。