含腐植酸风化煤对土壤-蔬菜系统重金属镉污染修复效果研究

李 通 陈士更 魏玉莲 苏秀荣 丁方军，5*

(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016

2 中国科学院大学 北京 100049

3 山东农大肥业科技有限公司 泰安 271000

4 山东农业大学化学与材料学学院 泰安 271018

5 山东农业大学资源与环境学院 泰安 271018)

含腐植酸风化煤对土壤-蔬菜系统重金属镉污染修复效果研究

李 通1，2陈士更3魏玉莲1苏秀荣4丁方军3，5*

(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016

2 中国科学院大学 北京 100049

3 山东农大肥业科技有限公司 泰安 271000

4 山东农业大学化学与材料学学院 泰安 271018

5 山东农业大学资源与环境学院 泰安 271018)

为了探索含腐植酸风化煤对土壤-蔬菜系统重金属镉(Cd)的修复效果，采用盆栽试验，研究不同浓度活化的和未活化的含腐植酸风化煤对Cd胁迫下土壤pH、Cd形态及分布、小白菜生物量及小白菜体内全Cd含量的影响。结果表明：活化的含腐植酸风化煤比未活化的含腐植酸风化煤对土壤重金属Cd钝化作用显著；从小白菜体内全Cd含量分析看，3 mg/kg Cd胁迫下的2HA1+3Cd处理较2HA2+3Cd处理小白菜体内全Cd含量降低17.22%，表明活化的含腐植酸风化煤能有效降低小白菜对Cd的吸收；从小白菜生物量看，4HA1+3Cd处理较CK1+3Cd处理小白菜生物量增加最多，为62.3%，4HA1+10Cd处理较CK2+10Cd处理小白菜生物量增加最多，为32.7%，表明4 g/kg活化的含腐植酸风化煤能有效提高小白菜生物量。

腐植酸 风化煤 小白菜 重金属镉 钝化

土壤重金属镉(C d)污染已经引起社会各界的高度关注。欧共体标准物质局(European Communities Bureau of Reference)认为，土壤重金属元素形态主要有4种：可交换及碳酸盐结合态(酸溶态)、铁(Fe)/锰(Mn)氧化物结合态(可还原态)、有机物及硫化物结合态(可氧化态)以及残渣态[1]。其中，酸溶态可直接毒害土壤微生物和植物，破坏土壤生态结构，还可通过食物链迁移转化，危害人体健康[2]。研究表明，含腐植酸风化煤可以抑制重金属在植株体内的迁移富集，增强植物抗逆性[3]，同时具有改良土壤、保护土壤环境、促进植物生长发育等功能[4]。本研究采用小白菜盆栽试验，探讨了不同浓度Cd污染条件下活化和未活化的含腐植酸风化煤对土壤－小白菜系统中Cd迁移及生态效应的影响，以期为含腐植酸风化煤在无公害蔬菜生产应用上提供参考借鉴。

1 材料和方法

1.1 供试土壤

供试土壤为棕壤，采自山东省肥城市农业科技试验田，取0～20 cm表层土壤，去除动植物残体、砾石后自然风干，过2 mm筛，置于聚乙烯袋中，干燥阴暗处保存。供试土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 The basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 供试含腐植酸风化煤

HA1为对未经活化的含腐植酸风化煤进行人工处理，即采用氢氧化钾和熔融尿素的活化及络合工艺，对风化煤中的惰性腐植酸进行脲碱双效活化；HA2为未经活化的含腐植酸风化煤(由新疆双龙腐植酸有限公司提供)。二者基本理化性质见表2。

表2 供试含腐植酸风化煤基本理化性质Tab.2 The basic physical and chemical properties of tested weathered coal including humic acid

1.3 供试作物

供试作物为白菜，品种为“四季小白菜”。

1.4 试验方案

于2015年4月在山东农大肥业科技有限公司试验田大环境中(接近于大田的自然生长状态)进行盆栽小白菜人工模拟外源施加Cd污染土壤试验。选择直径12 cm，高20 cm的塑料花盆，按含腐植酸风化煤不同添加量分别与2.5 kg人工制备Cd污染土壤掺混均匀，将前期用育苗钵培育的小白菜幼苗移栽在盆中央，不再外源施加任何肥料。每盆移栽2棵幼苗，用16 g左右土加以覆盖。生长周期为35～37天，整个周期以自来水浇灌，保持田间持水量为75%左右[7]。整个试验过程遇降雨共计4次，降雨量约为32～35 mm；浇水共计7次，每次浇水量为150毫升/次，浇水量合计1050毫升/盆。

试验采用裂区设计，设外源性Cd污染为主处理。Cd污染土壤制备：以3CdSO4·8H2O作为外源Cd，参考任学军等[8]的研究，设置3、10 mg/kg两个浓度水平，向每盆供试土壤浇入200 mL含Cd水溶液，自然淋溶混合，自然条件下放置15天，老化后备用。设置施用活化和未活化的含腐植酸风化煤两类处理，每类各设2、4 g/kg两个添加量水平，共设10个处理：(1) CK1+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，不施加任何含腐植酸风化煤；(2) 2HA1+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，施入2 g/kg活化含腐植酸风化煤；(3) 4HA1+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，施入4 g/kg活化含腐植酸风化煤；(4) 2HA2+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，施入2 g/kg未活化含腐植酸风化煤；(5) 4HA2+3Cd：3 mg/kg Cd污染土壤，施入4 g/kg未活化含腐植酸风化煤；(6) CK2+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，不施加任何含腐植酸风化煤；(7) 2HA1+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，施入2 g/kg活化含腐植酸风化煤；(8) 4HA1+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，施入4 g/kg活化含腐植酸风化煤；(9) 2HA2+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，施入2 g/kg未活化含腐植酸风化煤；(10) 4HA2+10Cd：10 mg/kg Cd污染土壤，施入4 g/kg未活化含腐植酸风化煤。每个处理4次重复，共计40个处理。

1.5 测定指标与方法

1.5.1 植物样品采集与测定

于小白菜收获(生长37天)时，采集地上部和地下部，用自来水和去离子水清洗干净叶片和根部后，称量鲜重，获得其生物量。采用王水-高氯酸消化(GB/T 17140-1997[9])，使用原子吸收分光光度计(日本岛津AA-7000F)测定小白菜体内全Cd含量。

1.5.2 土壤样品采集与测定

根据小白菜的生长周期，分别于试验第0、17、37天采集盆中0～10 cm的土壤，相同处理的土壤样品混合后，作为1个土壤样品，风干，研磨，分别过1 mm和0.15 mm筛，备用(测土壤pH、土壤中重金属Cd的形态及含量[10])。土壤中重金属Cd的形态及含量测定采用改进后的BCR连续提取法[11]，将其分为酸溶态、可还原态、可氧化态、残渣态4种形态，用原子吸收分光光度计(日本岛津AA-7000F)测定。

1.5.3 数据处理分析

采用Spss 19.0中文版和Excel 2003进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 含腐植酸风化煤对Cd胁迫下土壤性质的影响

2.1.1 含腐植酸风化煤对土壤pH值影响

3 mg/kg和10 mg/kg Cd胁迫下，不同处理对土壤pH值影响见图1、图2。在3 mg/kg Cd胁迫下，CK1+3Cd处理土壤pH值呈现缓慢上升趋势；2HA1+3Cd、4HA1+3Cd处理土壤pH值在0～17天上升速度较快，17～37天上升平行放缓，且在0～37天成比例增加；2HA2+3Cd、4HA2+3Cd处理土壤pH值在0～17天缓慢上升，17～37天缓慢下降，第37天时明显低于供试土壤pH值(6.54)。在10 mg/kg Cd胁迫下，土壤pH值变化规律与3 mg/kg Cd胁迫处理基本一致。3 mg/kg和10 mg/kg Cd胁迫下，2HA1和4HA1处理土壤pH值均向弱碱性方向发展，2HA2和4HA2处理土壤pH值均向酸性方向发展。

2.1.2 含腐植酸风化煤对土壤Cd形态分布影响

不同处理对小白菜生长第17天、第37天土壤中Cd各形态影响见图3、图4。由图可知，第37天各处理土壤中重金属Cd各形态含量与第17天相比较，含腐植酸风化煤处理下的土壤酸溶态Cd含量均显著下降，残渣态Cd含量均显著增加，可还原态和可氧化态Cd含量均变化不大。其中，2HA1+3Cd、4HA1+3Cd、2HA2+3Cd、4HA2+3Cd处理酸溶态C d含量分别下降16.3%、21.3%、7.75%、13.05%；2HA1+10Cd、4HA1+10Cd、2HA2+10Cd、4HA2+10Cd处理酸溶态Cd含量分别下降7.2%、13.2%、9.15%、21.05%。

从图中还可以看出，含腐植酸风化煤各处理可以不同程度促进残渣态Cd含量增加、酸溶态Cd含量减少。在3 mg/kg Cd胁迫下，2HA1+3Cd、4HA1+3Cd、2HA2+3Cd、4HA2+3Cd处理分别较CK1+3Cd处理残渣态Cd含量增加4.73%、7.66%、4.57%、6.05%，酸溶态Cd含量减少10.08%、17.05%、8.92%、13.2%。在10 mg/kg Cd胁迫下，2HA1+10Cd、4HA1+10Cd、2HA2+10Cd、4HA2+10Cd处理分别较CK2+10Cd处理残渣态Cd含量增加2.04%、3.51%、3.09%、4.75%，酸溶态Cd含量减少5.7%、12.1%、4.68%、9.24%。两个浓度Cd胁迫下，分别以4HA1+3Cd和4HA1+10Cd处理下残渣态Cd含量增加比例较高、酸溶态Cd含量减少比例最多，说明4 mg/kg活化含腐植酸风化煤对土壤的修复效果较好。

2.2 含腐植酸风化煤对Cd胁迫下小白菜生物量和体内全Cd含量的影响

2.2.1 含腐植酸风化煤对小白菜生物量的影响

不同处理对小白菜生物量的影响见图5。从图中可知，施加含腐植酸风化煤处理与不添加含腐植酸风化煤处理相比，对小白菜生长均具有不同程度的促进作用。在3 mg/kg Cd胁迫下，4HA1+3Cd处理与4HA2+3Cd处理差异不显著，与CK1+3Cd、2HA1+3Cd、2HA2+3Cd处理比较差异均显著，两个处理小白菜生物量较CK1+3Cd处理分别增加了74%和62.3%。在10 mg/kg Cd胁迫下，4HA1+10Cd处理与CK2+10Cd、2HA2+10Cd处理比较差异显著，与2HA1+10Cd、4HA2+10Cd处理比较差异不显著，4HA1+10Cd处理小白菜生物量最高，比CK2+10Cd处理增加了32.7%。综上结果表明，4 g/kg活化的含腐植酸风化煤能有效提高小白菜的生物量。

2.2.2 含腐植酸风化煤对小白菜体内全Cd含量影响

不同处理对小白菜体内全C d含量影响见图6。从图中可知，在3 mg/kg Cd胁迫下，2HA1+3Cd、4HA1+3Cd、4HA2+3Cd处理与CK1+3Cd处理相比，均能显著降低小白菜体内全Cd含量，但三者之间差异不显著；2HA2+3Cd处理与CK1+3Cd处理相比，对小白菜体内全Cd含量影响则不明显；在10 mg/kg Cd胁迫下，2HA1+10Cd、2HA2+10Cd、4HA2+10Cd处理与CK2+10Cd处理相比，均能显著降低小白菜体内全Cd含量，但三者之间差异不显著；4HA1+10Cd处理与CK2+10Cd处理相比，对小白菜体内全Cd含量影响则不明显。

在3 mg/kg Cd胁迫下，2HA1+3Cd处理较2HA2+3Cd处理小白菜体内全Cd含量降低17.22%，4HA1+3Cd处理较4HA2+3Cd处理小白菜体内全Cd含量降低1.47%，两者差异不显著；在10 mg/kg Cd胁迫下，2HA1+10Cd处理较2HA2+10Cd处理小白菜体内全Cd含量降低0.84%，两者差异不显著；4HA2+10Cd处理较4HA1+10Cd处理小白菜体内全Cd含量降低2.09%。综上结果表明，活化含腐植酸风化煤对低含量(3 mg/kg)Cd胁迫下小白菜体内全Cd的迁移转化效果好，未活化含腐植酸风化煤对高含量(10 mg/kg)Cd胁迫下小白菜体内全Cd的迁移转化[12]效果好。

3 结论

(1) 施用含腐植酸风化煤处理，随着小白菜生长周期的延长，土壤酸溶态Cd含量均显著下降，残渣态Cd含量均显著增加，可还原态和可氧化态Cd含量均变化不大。4HA1+3Cd和4HA1+10Cd处理土壤残渣态Cd含量增加比例较高，酸溶态Cd含量减少比例最多，说明4 mg/kg活化含腐植酸风化煤对土壤的修复效果较好。

(2) 10 mg/kg和3 mg/kg Cd胁迫对小白菜生物量有明显的抑制作用，而且10 mg/kg Cd胁迫较3 mg/kg Cd胁迫对小白菜的生长抑制作用更明显。施加活化或未活化的含腐植酸风化煤处理对小白菜生物量均有所提高，其中施用4 g/kg活化的含腐植酸风化煤对提高小白菜生物量效果最明显。

(3) 从小白菜体内全Cd含量分析来看，含腐植酸风化煤能有效降低小白菜对全Cd的吸收。在3 mg/kg Cd胁迫下，活化含腐植酸风化煤对小白菜体内全Cd的迁移转化效果好；在10 mg/kg Cd胁迫下，未活化含腐植酸风化煤对小白菜体内全Cd的迁移转化效果好。

[ 1 ]Ure A. M., Quevauvillier P., Muntau H., et al.. Speciation of heavy metals in soils and sediments. An account of the improvement and harmonization of extraction techniques undertaken under the auspices of the BCR of the commission of the European Communities[J]. International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 1993, 51: 135～151

[ 2 ]袁瑞江，姚银娟，王丽乔，等. 生物腐植酸(黄腐酸)及其在农业中的应用[J]. 河北农业科学，2009，13(7)：36～38

[ 3 ]韩文质. 腐植酸类肥料对土壤的改良作用及施用方法[J]. 甘肃农业科技，1997，(6)：32～33

[ 4 ]陈温福，张伟明，孟军，等. 农用生物炭研究进展与前景[J]. 中国农业科学，2013，46(16)：3324～3333

[ 5 ]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社，2000：25～40

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[ 7 ]黄兴学，周国林，杨文刚，等. 不同喷灌灌水上限对小白菜生长品质的影响[J]. 长江蔬菜，2014(10)：32～33

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[ 12 ]Wang L., Xu Y. M., Sun Y. B., et al.. Identifi cation of pakchoi cultivars with low cadmium accumulation and soil factors that affect their cadmium uptake and translocation. Frontiers of Environmental Science and Engineering, 2014, 8(5): 745～755

Recovery Effect Study on Weathered Coal Including Humic Acid under the Pollution of Heavy Metal Cadmum in Soil-vegetable System

Li Tong1,2, Chen Shigeng3, Wei Yulian1, Su Xiurong4, Ding Fangjun3,5*
(1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, 110016 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049 3 Shandong Agricultural University Fertilizer Science Technology Co. Ltd., Taian, 271000 4 College of Chemistry and Material Science, Shandong Agricultural University, Taian, 271018 5 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian, 271018)

In order to explore the recovery effects of the weathered coal including humic acid on soil heavy metal cadmium (Cd) in soil-vegetable system. A pot experiment was conducted to investigate the effects of different concentration of activated weathered coal including humic acid and non-activated weathered coal including humic acid on soil pH, cadmium form and its distribution, Chinese cabbage biomass and Cd total content in the body of Chinese cabbage under the stress of Cd. The results showed that the activated weathered coal including humic acid had more signifi cant effect on soil heavy metal Cd passivation than the non-activated weathered coal including humic acid. From the analysis of total Cd content in the body of Chinese cabbage, under 3 mg/kg Cd stress, the total Cd content in the body of Chinese cabbage for 2HA1+3Cd treatment decreased by 17.22% compared with 2HA2+3Cd treatment, whichshowed that the activated weathered coal including humic acid could decrease the Cd uptake by Chinese cabbage effectively. From Chinese cabbage biomass, the largest increase of Chinese cabbage biomass were 4HA1+3Cd treatment (62.3%) and CK2+10Cd treatment (32.7%) compared with CK1+3Cd treatment and CK2+10Cd separately. The results indicated that 4 g/kg activated weathered coal including humic acid could effectively improve Chinese cabbage biomass.

humic acid; weathered coal; Chinese cabbage; heavy metal Cadmum; passivation

TQ314.1

A

1671-9212(2016)06-0016-07

国家自然科学基金项目(项目编号31370514)；山东省重点研发计划“新型土壤调理剂关键技术研发与应用”(项目编号2015GGH310001)；山东省自主创新专项“新型多功能微生物肥料研制”(项目编号2014ZZCX07302)。

2016-06-13

李通，男，1992年生，在读硕士研究生，主要从事生物多样性研究。*通讯作者：丁方军，男，教授，E-mail：dfj403@163.com。