零價(jià)鐵對(duì)灘涂土壤重金屬鎘形態(tài)及有效性的影響

臧彩云+沈袁玲+顧敏京+黃顧林+左文剛+柏彥超+單玉華

摘要：沿海灘涂鹽土是重要的后備耕地資源，但新圍墾的灘涂并非農(nóng)用耕地，需要投入大量的有機(jī)物料加以熟化改良，而大量有機(jī)物料的加入容易導(dǎo)致土壤重金屬鎘（Cd）污染，這成為灘涂土壤改良的重要限制因素之一。由于零價(jià)鐵可以降低土壤重金屬活性，研究施用零價(jià)鐵對(duì)灘涂土壤鎘形態(tài)變化以及植株鎘累積的影響。結(jié)果表明，隨著零價(jià)鐵施用量的增加，灘涂土壤有效態(tài)鎘含量逐漸降低，易被植株吸收的酸溶態(tài)和可還原態(tài)鎘含量整體上均有所下降，而較穩(wěn)定不易被植株吸收的可氧化態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量都有所增加；植株體內(nèi)鎘累積量也在一定范圍內(nèi)隨著零價(jià)鐵施用量的增加呈下降趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：灘涂鹽土；零價(jià)鐵；重金屬鎘；有效性；鎘形態(tài)；污染

中圖分類號(hào)： S156；X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）18-0249-02

收稿日期：2016-03-22

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（15）1005]。

作者簡(jiǎn)介：臧彩云（1993—），女，江蘇如皋人，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)、重金屬污染土壤改良方面的研究。E-mail：1070813932@qq.com。

通信作者：?jiǎn)斡袢A，博士，教授，主要從事農(nóng)田生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)資源利用方面的研究。Tel：（0514）87979645；E-mail：shanyuhua@gmail.com。 土壤是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，受重金屬污染的土壤面積不斷擴(kuò)大，我國(guó)耕地資源緊缺，有限的耕地資源隨著人口的不斷增長(zhǎng)，以及工礦、交通、城市建設(shè)用地的不斷增加，產(chǎn)生的人地矛盾形勢(shì)嚴(yán)峻[1-3]。我國(guó)東部沿海每年可以形成約2萬(wàn)hm2的淤泥質(zhì)灘涂，改造后可為全國(guó)特別是沿海省份的長(zhǎng)期發(fā)展提供較為實(shí)際可靠的后備資源[4]。灘涂鹽土屬于特殊原始土壤，最顯著的特征就是鹽分含量偏高，有機(jī)質(zhì)含量極低，耕作層次尚未形成，結(jié)構(gòu)差，通氣保水性差，養(yǎng)分含量低且易流失，供應(yīng)能力差，微生物區(qū)系組成單一，需要通過(guò)投入大量的有機(jī)物料加以熟化改良[5-6]。有研究表明，長(zhǎng)期施用高量有機(jī)肥會(huì)增加土壤中的鎘（Cd）含量，而在灘涂鹽土改造的過(guò)程中，會(huì)不可避免地使用各種肥料，這就為灘涂鹽土受重金屬鎘的污染帶來(lái)了可能性[7-9]。同時(shí)由于工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬的排放量也在急劇增加，長(zhǎng)期受環(huán)境的影響，灘涂鹽土也勢(shì)必會(huì)受重金屬鎘的污染[10-11]。當(dāng)土壤中的鎘過(guò)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)破壞葉片中葉綠素、減少根系對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收、抑制根系對(duì)氮的固定等不良現(xiàn)象[12-13]。而通過(guò)食物鏈，這些污染土壤中長(zhǎng)出的植物會(huì)攜帶有害物質(zhì)，使其最終被人體吸收，誘發(fā)各種疾病，從而對(duì)人體產(chǎn)生危害[14-18]。所以，有效地控制及治理土壤鎘污染，提高土壤質(zhì)量會(huì)成為生態(tài)環(huán)境保護(hù)中一項(xiàng)非常重要的工作。目前，原位修復(fù)方法是治理重金屬污染土壤的重要方法之一[19]。原位修復(fù)中經(jīng)常被利用的物質(zhì)是具有物理化學(xué)吸附和固持能力的有機(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物等，該方法非常適用于修復(fù)重金屬輕污染的大面積土壤，因其技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)、有效等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的歡迎[20-21]。零價(jià)鐵能夠?qū)Ｐ晕街亟饘匐x子，將其固定到氧化物晶格層間，能使還原性鐵粉生物有效性降低[22]。原位零價(jià)鐵修復(fù)技術(shù)雖然已被大范圍使用，但在灘涂鹽土上的應(yīng)用較為罕見(jiàn)。本研究通過(guò)模擬盆栽試驗(yàn)，研究施用零價(jià)鐵對(duì)灘涂土壤中不同形態(tài)鎘含量及植株體內(nèi)累積量的影響，以期為鎘污染鹽土的修復(fù)提供參考依據(jù)，從而為灘涂鹽土的改良提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試灘涂鹽土采自江蘇省南通市如東縣兆盈農(nóng)場(chǎng)。采集0～20 cm 表層土壤，經(jīng)自然風(fēng)干后，過(guò)2 mm篩，備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年2—6月在揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院試驗(yàn)大棚內(nèi)進(jìn)行。采用盆栽種植方法，每盆填土1 kg，參照GB 15618—1995 《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)置土壤的重金屬含量為鎘30.0 mg/kg土，重金屬鎘以氯化鎘的形態(tài)加入盆栽土中，干濕交替培養(yǎng)1個(gè)月后得到鎘污染土樣，老化完成后測(cè)得土樣全量鎘含量為28.14 mg/kg。分別按添加量為土壤質(zhì)量的0.5%、1.0%、2.0%、4.0%添加改良劑零價(jià)鐵，分別為05、10.0、20.0、40.0 g/盆，共4個(gè)不同施用量處理（T1～T4），同時(shí)添加空白對(duì)照組，記為CK，將零價(jià)鐵與污染土樣混合均勻后裝入直徑15 cm、高18 cm的食品級(jí)聚氯乙烯（PVC）盆中，每個(gè)處理3次重復(fù)。裝盆預(yù)培養(yǎng)1個(gè)月后播種，另留部分土樣在室溫下自然風(fēng)干后用于有關(guān)性質(zhì)的測(cè)定。每盆選6粒飽滿的玉米種子均勻撒播后在表面覆蓋0.5 cm厚的土層。播種4 d出苗后進(jìn)行間苗，每盆保留3株均勻分布、大小一致的植株。在自然光照條件下生長(zhǎng)，每2 d用去離子水澆灌1次，調(diào)節(jié)土壤含水量在最大持水量的60%左右。2015年6月9日種植，2015年7月24日收割，共計(jì)45 d。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

供試土樣的測(cè)定采用土壤農(nóng)化常規(guī)分析法：速效重金屬含量采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提法，全量重金屬含量采用HCl-HNO3-HClO4消煮法，重金屬的形態(tài)采用歐共體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局（BCR） 4步法，均用火焰原子吸收分光光度計(jì)（Model SOLAAR M6，Thermo Elemental，Thermo Fisher Scientific Inc，美國(guó)）測(cè)定[23]。

玉米植株收割后用去離子水洗凈，置于105 ℃烘箱中殺青1 h，在65 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，稱量干質(zhì)量，粉碎，待測(cè)。植株體內(nèi)鎘含量采用干灰化法，用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[23]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 零價(jià)鐵對(duì)污染灘涂鹽土中速效鎘的影響endprint

圖1顯示，隨著零價(jià)鐵施用量的增加，土壤中速效鎘含量不斷降低，且各處理間差異顯著。與CK相比，處理T4的速效鎘含量由13.18 mg/kg降到5.23 mg/kg。可見(jiàn)零價(jià)鐵的施用有助于灘涂鹽土速效鎘含量的降低，這是由于零價(jià)鐵可以吸附土壤有效重金屬，顯著降低土壤有效重金屬含量。

2.2 零價(jià)鐵對(duì)污染灘涂鹽土中鎘形態(tài)的影響

施用零價(jià)鐵后，土樣中重金屬鎘的形態(tài)變化特征見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯S著還原性鐵粉施用量的增加，酸溶態(tài)（EX）含量占全量的比例呈下降趨勢(shì)，且變化幅度較大，從T1到T4處理其所占比例依次為61.6%、49.9%、42.2%、33.6%，較對(duì)照處理的65.8%均有所下降，且趨勢(shì)明顯?？蛇€原態(tài)（OXI）含量占全量的比例呈先上升后下降的趨勢(shì)，變化幅度不是很大，從T1到T4處理其所占比例依次為19.7%、20.9%、21.6%、20.7%，對(duì)照處理為17.1%，當(dāng)零價(jià)鐵施用量達(dá)到T3處理（2.0%）時(shí)，達(dá)到最大值?？裳趸瘧B(tài)（ORG）含量占全量的比例呈上升趨勢(shì)，且趨勢(shì)明顯，從T1到T4處理其所占比例依次為11.2%、195%、24.2&、27.0%，較對(duì)照處理的12.6%除T1處理外均有所上升；殘?jiān)鼞B(tài)（RES）含量占全量的比例也呈逐漸上升趨勢(shì)，幅度較大，從T1到T4處理其所占比例依次為7.5%、9.7%、12.0%、18.8%，較對(duì)照處理的4.6%均有所上升。

2.3 零價(jià)鐵對(duì)玉米植株鎘吸收的影響

施用零價(jià)鐵對(duì)玉米植株鎘吸收的影響見(jiàn)圖3，可見(jiàn)隨著施用量的增加，與對(duì)照組相比，植株鎘含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到處理T2（1.0%）時(shí)達(dá)到最大值，之后逐漸下降。

3 結(jié)論與討論

沿海新圍墾灘涂土壤的培肥熟化，需要投入大量的有機(jī)物料，而大量有機(jī)物料的添加會(huì)使土壤中的重金屬鎘含量增加，這成為灘涂土壤改良的重要限制因素之一。鎘污染灘涂鹽土經(jīng)過(guò)施用零價(jià)鐵后，土壤中的鎘形態(tài)分布發(fā)生了明顯的變化，零價(jià)鐵的施用對(duì)土壤鎘活性的降低效果極顯著，對(duì)可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)的相對(duì)含量增加效果明顯，與在普通農(nóng)田土上的施用效果一致[24]。施用零價(jià)鐵顯著降低了玉米植株重金屬鎘累積量，主要是因?yàn)榱銉r(jià)鐵的施用降低了土壤有效態(tài)重金屬鎘的含量，與前人研究結(jié)果[25]一致。那么，除了施用零價(jià)鐵改良效果明顯外，其他原位修復(fù)改良劑如生物炭、吸水樹(shù)脂等材料的改良效果如何，值得深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Adriano D C，Wenzel W W，Blum W H. Role of phytoremediation inthe establishment of a global soil remediation network[C]. Tokyo：Proceedings of International Seminar on Use Plants for Environment Remediation，1997.

[2]陳懷滿. 環(huán)境土壤學(xué)[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，1991，6（2）：49-50.

[3]Yu B H，Lu C H. Change of cultivated land and its implications on food security in China[J]. Chinese Geographical Science，2006，16（4）：299-305.

[4]Wang F，Wall G. Mudflat development in Jiangsu province，China：practices and experiences[J]. Ocean & Coastal Management，2010，53（11）：691-699.

[5]柏彥超，汪曉麗，陶天云，等. 施用生活污泥改良灘涂土壤理化性狀的探討[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2012，18（4）：1019-1025.

[6]姚榮江，楊勁松，陳小兵，等. 蘇北海涂圍墾區(qū)耕層土壤養(yǎng)分分級(jí)及其模糊綜合評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)土壤與肥料，2009（4）：16-20.

[7]韓曉日，王 穎，楊勁峰. 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤中鎘含量的影響及其時(shí)空變異研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2009，2（1）：107-110，158.

[8]Park J H，Lamb D，Paneerselvam P. Role of organic amendmentson enhanced bioremediation of heavy metal （loid） contaminatedsoils[J]. Journal of Hazardous Materials，2011，185（23）：549-574.

[9]田忠孝，曹季江. 有機(jī)質(zhì)改良鹽堿土的初步研究[J]. 土壤肥料，1993（1）：1-9.

[10]柳 絮，范仲學(xué)，張 斌，等. 我國(guó)土壤鎘污染及其修復(fù)研究[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（6）：94-97.

[11]曾詠梅，毛昆明，李永梅. 土壤中鎘污染的危害及其防治對(duì)策[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（3）：360-365.

[12]Adriano D C. Trace elements in terrestrial environments： biogeochemistry，bioavailability，and risks of metals[M]. Heidelberg：Springer-Verlag，2001：9-23.

[13]王彩絨，呂家瓏，胡正義. 太湖流域典型蔬菜土壤氮及pH空間變異特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2005，19 （3）：100-107.

[14]康 浩，石貴玉，潘文平. 鎘對(duì)植物毒害的研究進(jìn)展[J]安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（26）：11200-11201，11204.endprint

[15]羅緒強(qiáng)，王世杰，張桂玲. 土壤鎘污染及其生物修復(fù)研究進(jìn)展[J]. 山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào)，2008，27（4）：357-361.

[16]朱鳳鳴，劉 芳，鄒學(xué)賢. 昆明西郊鎘污染對(duì)人體健康的影響[J]. 中國(guó)衛(wèi)生檢疫雜志，2002，12（5）：602-603.

[17]Xia H P. Ecological rehabilitation and phytoremediation with four grasses in oil shale mined land[J]. Chemosphere，2004，54（3）：345-353.

[18]孫晉偉，黃益宗，石孟春. 土壤重金屬生物毒性研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：2861-2869.

[19]張杏鋒，夏漢平，李志安. 牧草對(duì)重金屬污染土壤的植物修復(fù)綜述[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（8）：1640-1646.

[20]胡克偉，關(guān)連珠. 改良劑原位修復(fù)重金屬污染土壤研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)土壤與肥料，2007（4）：1-5.

[21]Cao X D，Dermatas D，Xu X F，et al.Immobilization of lead in shootingrange soils by means of cement，quicklime，and phosphate amendments[J]. Environmental Science and Pollution Research，2008，15（2）：120-127.

[22]Hamon R E，McLaughlin M J，Cozen G. Mechanisms of attenuation of metal availability in situ remediation treatnents[J]. Environmental Sciense and Technology，2002，36（18）：3991-3996.

[23]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1999：205-338.

[24]林國(guó)林，杜勝南，金蘭淑，等. 施用生物炭和零價(jià)鐵粉對(duì)土壤中鎘形態(tài)變化的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（4）：157-160，165.

[25]Bolan N S，Adriano D C，Duraisamy P，et al. Immobilization and phytoavailability of cadmium in variable charge soils. Ⅰ. Effect of phosphate addition[J]. Plant and Soil，2003，250（1）：83-94.陳 婷，韓士群，周 慶. 巢湖藻-草-泥有機(jī)肥的重金屬安全性評(píng)價(jià)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（18）：251-254.endprint