土壤理化性質對發(fā)電廠周邊土壤Cd生物有效性的影響

曾曉舵，劉傳平，孫巖，李芳柏，吳啟堂，王向琴*

1. 廣東省科學院/廣東省生態(tài)環(huán)境技術研究所/華南土壤污染控制與修復國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2. 華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642

土壤重金屬污染具有普遍性、隱蔽性、累積性和不可逆轉性等特點。土壤受重金屬污染，會對生長在其上的植物產生危害，例如，可造成植株矮小、根系短小、葉片退綠、產量下降及可食用部分的重金屬含量超過食品衛(wèi)生標準。但在高濃度重金屬脅迫下，有些植物仍能長勢良好，表明這些植物在長期進化過程中產生了對重金屬的抗性。例如，水稻是一種較易吸收重金屬Cd的植物，但當土壤中Cd含量達到一定的閾值后，就會對水稻產生毒害作用，主要包括對水稻種子萌發(fā)、生長發(fā)育、光合作用和水稻體內酶系統(tǒng)的影響等。土壤中Cd遷移轉化、毒性及危害很大程度上取決于其賦存形態(tài)。根據Tessier et al.（1979）提出的方法，Cd形態(tài)可分為可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機硫化物結合態(tài)和殘渣態(tài)等五大形態(tài)，不同的形態(tài)各具獨特的環(huán)境行為和生物效應。其中，前兩種形態(tài)的Cd易于被植物吸收從而在植物體內富集，通常被認為是可生物利用性的Cd；第3種形態(tài)指的是與鐵、錳等氧化物、氫氧化物共沉淀或被締合的Cd，土壤中的鐵錳氧化物具有巨大的吸附固定能力，能夠將Cd吸附固定在其表面從而降低Cd在土壤中的遷移性；第4種形態(tài)是指土壤中與有機成分起絡合作用，形成螯合物或被有機物所束縛的組分；殘渣態(tài)指的是存在于硅酸鹽礦物中的組分，不被植物吸收，含量不隨環(huán)境條件變化而改變。土壤pH、OM、CEC和有效P、土壤粘度的變化、鐵循環(huán)等過程均會對Cd的形態(tài)產生影響，從而影響Cd在土壤-水稻系統(tǒng)的遷移轉化（Brown et al.，2004；Pietrzykowski et al.，2015；R?mkens et al.，2011）。鐵是地殼中豐度最大的元素之一，鐵氧化物對 Cd具有強烈的吸附固定作用，土壤氧化還原條件變化及微生物作用下的鐵氧化物的還原過程能夠將固定在其表面的Cd釋放并進入土壤溶液中，增強其對水稻的有效性。因而，土壤中鐵的氧化還原循環(huán)過程對Cd的生物有效性的變化及水稻生長產生重要影響。

本研究旨在通過對土壤理化性質與Cd有效性之間的關系進行研究，甄別影響Cd在土壤-水稻系統(tǒng)遷移轉化的主要因素，從而為控制稻田Cd污染提供科學依據。

1 材料和方法

以韶關發(fā)電廠周邊土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬元素Cd為主要研究目標，采集發(fā)電廠周邊的99對土壤和相應的水稻樣品，土壤和水稻采樣以及土壤理化性質分析，詳見已有的研究（曾曉舵，2020）。

Cd的形態(tài)提取方法采用Tessier et al.（1979）提取方法。稱取1.000 g土壤，按照表1所述方法進行逐級提取。

土壤鐵形態(tài)（包括無定型、結合態(tài)和游離態(tài)鐵3個部分）提取采用如下方法（魯如坤，2000）：

（1）無定形鐵（FeO）的測定方法：

稱量1 g土壤置于100 mL具塞三角錐形瓶，加入 50 mL 0.2 mol·L?1草酸-草酸銨（pH=3.0）緩沖溶液，利用錫紙包裹三角瓶外壁，將三角瓶置于25 ℃搖床，調節(jié)轉速為200 r·min?1振蕩4 h，取樣過濾待測。

（2）0.5 mol·L?1鹽酸提取態(tài)亞鐵（FeH）測定方法：

提取劑：0.5 mol·L?1鹽酸。

稱取 0.5 g 土加入 25 mL 0.5 mol·L?1HCl溶液，振蕩4 h后過濾，取上清液測定溶液的二價鐵含量。

（3）游離態(tài)鐵（FeD）的測定（DCB法）：

稱取1—5 g土壤置于100 mL具塞三角瓶中，加入 45 mL 0.3 mol·L?1檸檬酸三鈉和 0.1 mol·L?1碳酸氫鈉的混合溶液，75 ℃水浴磁力攪拌器上攪拌；當樣品溫度達到75 ℃時，加入1 g連二亞硫酸鈉粉末并持續(xù)攪拌5 min；5 min后再加入1 g連二亞硫酸鈉粉末再持續(xù)攪拌10 min；于離心機上以2500 r·min?1的速度離心5 min獲取清澈的溶液，若溶液依然渾濁，重新懸浮后加飽和氯化鈉或氯化鉀溶液，并再次以2500 r·min?1的速度離心5 min；將上清液置于250 mL容量瓶中，若殘渣依然呈現(xiàn)棕色、黑色或紅色，宜加入45 mL 0.3 mol·L?1檸檬酸三鈉和0.1 mol·L?1碳酸氫鈉的緩沖溶液進行再次提取。

上述提取液中 Fe采用鄰菲羅啉分光光度法進行測定。

土壤硅形態(tài)提取采用改進的單一提取流程，具體方法參考趙送來（2012）：土壤用量0.7500 g（表2）。提取液中Si、Cd和As的測定采用ICP-MS進行。

2 結果和討論

土壤理化性質、Cd形態(tài)、鐵形態(tài)、硅形態(tài)及水稻糙米、稻殼和莖葉中Cd的含量見表3，Cd在水稻各部位積累的描述詳見已有的研究（曾曉舵，2020）。將土壤理化性質、鐵形態(tài)、硅形態(tài)、Cd形態(tài)和糙米、稻殼、莖葉中的Cd做相關性分析（表4），發(fā)現(xiàn)土壤理化性質、鐵形態(tài)、硅形態(tài)以及Cd形態(tài)對Cd在土壤-水稻系統(tǒng)中的遷移具有深刻的影響。

2.1 Cd形態(tài)變化及其對水稻富集Cd的影響

土壤 Cd 總質量分數為 0.14—4.27 mg·kg?1，平均值為1.39 mg·kg?1，遠超過土壤Cd允許限制（0.3 mg·kg?1）。Cd 在 F1、F2、F3、F4 和 F5 中的平均質量分數分別為 0.04、0.04、0.17、0.16和 0.92 mg·kg?1)，分別占土壤Cd平均含量的2.90%、3.10%、12.8%、11.9%和 69.2%。鐵錳氧化物結合態(tài)的 Cd（F3）和殘渣態(tài)的Cd（F5）是最主要的兩種Cd形態(tài)。盡管可交換態(tài)（F1）和碳酸鹽結合態(tài)的Cd（F2）所占比例較低，但二者代表土壤中最容易遷移的Cd，生物利用性極高。土壤中的鐵錳氧化物對 Cd等重金屬元素具有極強的吸附固定作用，通常被認為是土壤中Cd的匯（F3），然而這部分Cd和有機-硫化物結合態(tài)的 Cd（F4）在一定條件下也會轉化為生物可利用的 Cd，從而被植物體吸收利用。F1和F2形態(tài)的Cd與糙米、稻殼和莖葉中的Cd呈極顯著的正相關關系，而F3形態(tài)的Cd與水稻這3個部位的Cd呈極顯著的負相關關系，而F4和F5中的Cd與水稻各部位Cd之間則無相關性（表4）。這進一步說明 F1、F2是土壤中極易被水稻吸收的Cd組分，F(xiàn)3、F4和 F5是不易被水稻吸收利用的Cd組分。F3與水稻各部位的極顯著負相關性又表明土壤中的鐵錳氧化物將大部分可被生物利用的Cd被固定在其表面，從而抑制了植物對Cd的吸收，減輕了Cd對水稻的毒害作用。

表1 Cd形態(tài)連續(xù)浸提法Table 1 Sequential extraction scheme for particulate-bound Cd speciation

表2 Si形態(tài)單一溶劑浸提法Table 2 Single extraction scheme for particulate-bound Si speciation

表3 土壤理化性質、Cd形態(tài)以及水稻糙米、稻殼和莖葉中Cd的質量分數Table 3 Soil properties, Cd speciation in soil (F1-F5), Cd mass fractions in the rice straw(Cd-S), hull (Cd-H) and grain (Cd-G) in 99 soil samples collected from Shaoguan city

表4 土壤理化性質、鐵形態(tài)、硅形態(tài)、Cd形態(tài)和糙米、稻殼、莖葉中的Cd相關性分析Table 4 Person correlation matrix for Fe speciation, Si speciation and Cd speciation in soil, Cd mass fractions in the rice plants, and soil properties

2.2 土壤中鐵形態(tài)與 Cd形態(tài)之間的相關性及對Cd生物有效性的影響

土壤中鐵的形態(tài)對Cd的遷移轉化具有重要的影響。如鐵氧化物能將Cd固定在其表面從而降低Cd的遷移性（Martinez et al.，2004）；淹水條件下鐵氧化物的還原能將固定在其表面的Cd釋放出來，從而增加Cd的生物有效性（Muehe et al.，2013）。F1、F2和F3與各種形態(tài)的Fe之間存在著極顯著的相關性（表4）。草酸態(tài)Fe、DCB態(tài)Fe與F1、F2之間分別呈極顯著的負相關關系，而與 F3之間分別呈極顯著的正相關關系；而HCl提取態(tài)Fe(Ⅱ)與F1、F2和F3之間則具有和草酸態(tài)Fe和DCB態(tài)Fe相反的關系。因而可以這樣認為，土壤中鐵的形態(tài)能夠影響到Cd在土壤各組分中的分配。草酸態(tài)Fe、DCB態(tài)Fe與水稻各部位Cd含量之間呈極顯著的負相關關系，而0.5 mol·L?1HCl提取態(tài)Fe代表土壤中可遷移的Fe組分，其與水稻各部位Cd之間呈極顯著的正相關關系（表4）。這些結果表明，隨著土壤中無定形鐵氧化物以及游離態(tài)鐵氧化物含量的增加，土壤中的Cd更多的被鐵氧化物吸附固定而難以移動，因此Cd的有效性就越低。鐵的形態(tài)對Cd的有效性起著極其重要的作用。鐵是土壤主要組分之一，是植物生長所必需的元素之一。土壤中的鐵會影響土壤中Cd的形態(tài)轉化從而影響其生物有效性，土壤中鐵氧化物特別是弱結晶態(tài)鐵氧化物對土壤溶液中Cd的吸附可以有效地抑制水稻對Cd的吸收和積累（Daum et al.，2001）。

2.3 土壤中硅形態(tài)對水稻吸收Cd的影響

土壤中可提取態(tài)硅對于植物硅素營養(yǎng)具有重要的意義。可提取態(tài)硅包括水溶態(tài)硅、交換態(tài)硅、膠體態(tài)硅和無定型硅，各形態(tài)硅之間存在著動態(tài)轉化平衡關系。其中，水溶態(tài)硅指可溶于土壤溶液中的硅，通常以單硅酸的形式存在；交換態(tài)硅是指吸附在土壤固相上的單硅酸，是土壤活性硅的重要組成部分，和水溶態(tài)硅一樣，是土壤溶液中可被植物直接獲得的硅，屬于有效態(tài)硅；而無定型硅可水化成膠體態(tài)硅或溶解于土壤溶液中，為植物生長提供部分有效態(tài)硅素（Castro et al.，2013；Fox et al.，1967）。研究表明，向土壤中施入硅肥能夠降低稻米對Cd的積累，硅可以結合水稻體內蛋白誘導硅在水稻根的內皮層及纖維層細胞附近沉積，使細胞壁之間的孔隙堵塞，減輕Cd對水稻本身造成傷害（Li et al.，2008）；其次硅能夠降低土壤中可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)Cd的含量，而使得鐵錳氧化物結合態(tài)Cd的含量增加，發(fā)生土壤鈍化作用（Zhang et al.，2009；Zhao et al.，2007）。因此，土壤中硅的形態(tài)深刻影響著水稻對Cd的吸收。表4表明土壤中兩種硅形態(tài)與水稻各部位Cd含量之間呈極顯著的負相關性。進一步表明土壤中有效態(tài)硅和無定型硅具有抑制水稻吸收Cd的作用。

2.4 土壤其他理化性質對水稻吸收Cd的影響

土壤 pH（X1）、CEC（X2）、S（X3）、OM（X4）和土壤總Cd（X5）含量可能對水稻各部位Cd含量產生影響。利用逐步回歸模型擬合稻米中Cd含量與這幾個變量之間的關系。表5給出了每一個模型系數的回歸估計值及相應的統(tǒng)計檢驗情況表，根據P值可以判斷出各模型系數的顯著情況。偏回歸系數用于不同模型的比較，標準回歸系數用于同一個模型的不同系數的檢驗，其值越大表明對應變量的影響越大。由該表可以得出兩個模型。

模型 1：Y1=?0.122X1+1.193

模型 2：Y2=?0.188X1?0.00028X3+1.309

兩個模型的所有回歸系數均通過了統(tǒng)計顯著性檢驗，所以兩個模型都可以用來解釋稻米中 Cd與土壤pH的關系。模型2的標準化殘差的直方圖基本符合正態(tài)分布，符合正態(tài)隨機性假定，擬合模型2還是有效的。Rafiq et al.（2014）研究表明，水稻籽粒Cd含量與土壤pH之間呈現(xiàn)極顯著的負相關關系。pH降低會促進結合在土壤固相中的Cd（如碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)）發(fā)生溶解，因而隨著土壤pH值的降低，土壤中可生物利用性的Cd含量會逐漸加大。

3 結論

土壤理化性質對土壤中生物可利用性的Cd有重要的影響，進而影響到水稻對Cd的吸收積累。本研究表明：

（1）土壤中鐵形態(tài)深刻影響著 Cd的生物有效性，隨著土壤中無定形鐵氧化物以及游離態(tài)鐵氧化物含量的增加，土壤中的Cd的生物有效性降低；

表5 模型系數的回歸估計值及相應的統(tǒng)計檢驗情況Table 5 Coefficients of stepwise regression model and statistical tests

（2）土壤中硅的形態(tài)也是影響Cd在土壤-水稻體系遷移的重要因素，土壤中有效態(tài)硅和無定型硅具有抑制水稻吸收Cd的作用；

（3）土壤pH是影響Cd在土壤-水稻體系遷移的重要因素。pH降低會促進結合在土壤固相中的Cd（如碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)）發(fā)生溶解，因而隨著土壤pH值的降低，土壤中生物可利用性的Cd含量會逐漸加大。