膨润土、褐煤及其混合添加对土壤镉污染钝化修复效应

张静静， 赵永芹， 许 亮， 化党领， 杨秋云

(1.河南农业大学资源与环境学院，450000，郑州； 2.河南农业大学农学院，450000，郑州)

近些年来，随着工农业的快速发展，我国土壤重金属污染造成的土壤退化问题形势严峻，已成为国内急需解决的环境问题。重金属镉是一种生物蓄积性强、具有“三致”作用的剧毒元素[1]，土壤中的镉可被作物吸收富集，并通过食物链进入人体内，进而对人类健康构成一定威胁[2]。研究表明，重金属的生物毒性以及它在生物体内的累积能力并不是由其总量决定，而是由重金属形态及其生物有效性决定[3]；因此，对镉污染土壤进行修复，通过改变镉在土壤中的赋存形态，降低其在土壤中的移动性和有效性显得尤为重要。众多土壤重金属污染修复方法中，原位化学钝化方法在成本和时间上能较好地满足要求，但该项技术中对钝化剂的选择是关键。膨润土是以蒙脱石为主的2∶1型黏土矿物，具有较大的比表面积、阳离子交换能力和吸附性能，被广泛应用于重金属污染水体修复[4]。近年来，膨润土及其改性材料被逐步应用于重金属污染土壤修复中。徐奕等[4]研究表明：施用膨润土可使土壤中可交换态Cd含量降低，残渣态镉含量上升；同时可抑制水稻对镉的吸收和转运，在一定程度上缓解镉对水稻幼苗的毒害效应。褐煤是一种富含腐植酸类物质，对多种重金属离子具有吸附效应[5]。肖丹丹[6]研究表明，镉污染土壤中添加腐植酸可使土壤中可交换态镉含量降低，残渣态和铁锰结合态镉含量增加，且可有效降低油菜中镉的富集量。目前褐煤的农业利用主要集中在腐植酸的提取和肥料应用方面，而用于土壤重金属污染修复的研究很少，尤其在石灰性土壤上少之又少。当前研究大都利用单一钝化剂对重金属进行处理，将有机和无机组分结合进行钝化处理的研究较少[7-8]，有机褐煤和无机膨润土混合对重金属污染治理方面研究更少；因此，笔者研究通过盆栽玉米模拟试验，将褐煤与膨润土不同比例配施于镉重度污染的土壤上，阐明其施用后对玉米(Zeamays)生长特征及其对镉的吸收特征、土壤镉形态的影响，为合理高效的利用膨润土和褐煤进行退化土壤生态修复提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为河南济源某冶炼厂周围200 m处表层污染土壤(0～20 cm)，黏壤质褐土，土壤基本理化性质为：pH为8.05，有机质27.13 g/kg，碱解氮185.80 mg/kg，速效磷34.70 mg/kg，速效钾132.70 mg/kg，全镉32.97 mg/kg。钝化剂Ⅰ为膨润土(S)，购自燕东矿产公司，pH为7.22，使用TRI-Star 3000测定其比表面积为209 m2/g，主要化学组成为：SiO256%，MgO 1%，CaO 6%，Al2O319%，Fe2O36%，H2O 12%。钝化剂Ⅱ为云南昭通褐煤(P)，其腐植酸含量高达46.7%，pH为6.34，利用元素分析仪测定碳质量分数为62.97%，氮质量分数1.91%，氧质量分数28.06%。经测定，膨润土和褐煤中镉含量均很低，后续计算中不再考虑其自身重金属含量的影响。供试植物为玉米，品种为“长春泽玉709”。

1.2 实验设计

盆栽试验中每盆装污染土1 kg，褐煤(P)与膨润土(S)过0.25 mm筛后，按照1.5%、3%、5%(分别用1、2、3表示)土壤质量比例分别称取，与污染土混合均匀后装盆，同时设置空白对照CK(不添加钝化剂)。采用正交设计，共16个处理，每个处理设3个重复。用称量法控制土壤相对含水量为田间持水量70%左右，平衡老化50 d待用。玉米种子催芽播种，出苗后各盆加入适量的等量NH4NO3、KH2PO4和KNO3营养液并逐渐间苗，最后定苗至每盆6株。保持各盆栽生长条件一致，大棚通风状况良好，每日用蒸馏水补充水分，种植40 d收获拔节期玉米植株。

不同小写字母表示各处理之间达到显著差异水平(P<0.05); CK表示对照，S1、S2和S3表示膨润土添加水平分别为1.5%、3%和5%，P1、P2和P3表示褐煤添加水平分别为1.5%、3%和5%，S1+P1表示膨润土1.5%+褐煤1.5%，以此类推，下同。Different lowercase letters indicate the significant difference at 0.05 level. CK refers to control, S1, S2 and S3 refers to the treatment of 1.5%, 3% and 5% of bentonite added. P1, P2 and P3 refers to the treatment of 1.5%, 3% and 5% of lignite added, respectively. S1+P1 refers to the treatment of bentonite 1.5%+lignite 1.5%, and so on. The same as below.图1 不同钝化剂处理对玉米株高(a)及地上部干物质量(b)的影响Fig.1 Effects of different passivator treatments on maize plant height (a) and dry biomass of maize aboveground part (b)

1.3 样品分析测定

1.3.1 土壤样品分析测定 收获玉米植株的同时，采集土壤样品并放实验室自然风干，风干土先磨细后过20目筛，再过100目筛，然后采用BCR连续提取法处理土壤样品[9]。用火焰原子吸收分光光度计(ZEEnit700原子吸收光谱仪，德国耶拿分析仪器股份公司)测定各级提取液中Cd的浓度。

1.3.2 植株样品分析测定 收获时测单株玉米株高。整株玉米先在自来水下冲洗干净，再用去离子水冲洗3～4次，用滤纸吸去表面残留水分。将玉米分为地上部和根部放入烘箱中，105 ℃条件下杀青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒质量，测定玉米地上部和根部干质量。将植物样品粉碎备用，采用优级纯的混合酸(V(硝酸)∶V(高氯酸)=3∶1)进行消解。用火焰原子吸收分光光度计测定Cd浓度。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 16.0软件对数据进行统计分析与单因素方差分析，OriginPro 2016进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同钝化剂处理对玉米生长的影响

2.1.1 玉米株高 由图1可知，与CK相比，褐煤与膨润土单一施用均能使玉米株高显著增加，增幅分别为10.9%～19.9%、6.2%～10.7%，且同等剂量褐煤比膨润土对玉米株高的增高效果明显。2种钝化剂不同比例混合处理土壤种植的玉米株高除处理S2+P1和S3+P3外，其余与CK比均显著增高，表明2种钝化材料适宜比混合有利于玉米生长。其中：处理S3+P1种植的玉米株高最高，增高效果最好，达23.3%；处理S1+P1和处理P2种植的玉米株高均增高7.75 cm，增幅为19.87%，说明添加膨润土5%+褐煤1.5%最有利于提高玉米株高，混合添加膨润土1.5%+褐煤1.5%与单独添加褐煤3%对玉米株高的增高效果其次。

2.1.2 玉米地上部干物质量 玉米植株生长阶段，有机产物生产量的大小主要取决于植株地上部干物质量[10]。由图1可知，与CK相比，单独施用膨润土后玉米地上部干物质量有所升高，但升高幅度不显著；单独施用褐煤后玉米地上部干物质量显著升高，且升高幅度随褐煤施用量的增加而增加，增幅为27.9%～41.4%；膨润土与褐煤混合施用后，玉米地上部干物质量有所升高，除S2+P1与S3+P3处理外，其余处理地上部干物质量均显著升高。总体而言，经过不同钝化剂处理后，无论是玉米株高还是地上部干物质量，整体上是增加的，相比单独施用膨润土和褐煤，两者配合施用处理下，玉米株高及地上部干物质量增加的效果更显著，其中S3+P1与S2+P3处理最有利于玉米有效生长。

2.2 不同钝化剂处理对玉米各部位Cd质量分数的影响

2.2.1 玉米茎叶中Cd质量分数 由图2可知，与对照相比，不同钝化剂处理均可显著降低玉米茎叶中镉质量分数。单独添加膨润土S1、S2、S3分别使玉米茎叶中镉质量分数降低40.0%、33.1%、31.0%，随着膨润土用量增加的钝化效果降低；单独添加褐煤P1、P2、P3分别使玉米茎叶中镉质量分数降低 30.8%、33.1%、47.2%，随着褐煤用量增加的钝化效果增加；膨润土和褐煤两者不同比例混合处理中，玉米茎叶镉质量分数降幅为22.2%～49.9%，其中S1+P1处理对玉米茎叶中富集镉的抑制效果最好。整体来看，膨润土与褐煤单一及其两者复配施用，均可有效较低玉米茎叶中镉质量分数。

2.2.2 玉米根中Cd质量分数 由图2可知，不同钝化剂处理均可显著降低玉米根中镉质量分数，单独添加膨润土S时，玉米根中镉质量分数降低21.8%～27.5%，单独添加褐煤P时可使玉米根中镉质量分数降低 4.5%～26.5%，且随着褐煤用量增加的钝化效果越好，而同等剂量的膨润土比褐煤对玉米根中镉质量分数的降低效果更佳。由图2可知，膨润土和褐煤两者不同比例混合处理中，玉米根中重金属镉质量分数降幅为9.7%～40.6%，其中S2+P3处理对玉米根富集镉的抑制效果最佳。

图2 不同钝化剂处理对玉米茎叶(a)和根部(b)镉质量分数的影响Fig.2 Effects of different passivator treatments on the content of Cd in stems and leaves (a) and roots (b) of maize

2.3 不同钝化剂处理对玉米Cd转运系数(TF)及富集系数(BCF)的影响

转运系数(TF)是植株地上部镉质量分数与植株地下部镉质量分数的比值，反映重金属从植株根部向地上部的转运程度；富集系数(BCF)是植株地上部镉质量分数与土壤镉质量分数的比值，表示重金属从土壤向植物系统迁移的难易程度。由表1可知，与CK相比，单一施用膨润土或褐煤均可使玉米的TF有所降低，降幅分别为3.3%～16.7%，23.3%～26.7%；膨润土与褐煤混合施用中，除S1+P2和S2+P3处理外，其余处理玉米的TF均有所降低，其中处理S3+P1中TF值降低最多，降幅达40%，说明镉从根部向茎叶中转运能力减弱，大部分镉都被截留在玉米根部，阻止了镉向食物链中转运。与对照相比，单一膨润土或褐煤施用及其混合施用，均可使玉米的BCF显著降低。单一施用膨润土或褐煤，使玉米的BCF降幅分别为24.2%～38.7%和30.6%～53.2%，二者不同比例混合施用后玉米的BCF降幅为25.8%～53.2%，其中处理S1+P1与P3中BCF值降低最多，降幅达53.2%，说明重金属镉由土壤向玉米地上部的转运能力减弱，降低玉米茎叶中镉的富集。

2.4 不同钝化剂处理对土壤中Cd形态的影响

由表1可知，与对照相比，除单独添加膨润土的S1处理外，其余处理均可显著降低土壤中弱酸提取态镉质量分数，且同等剂量褐煤比膨润土的降低效果更佳。单独添加褐煤P1、P2、P3使土壤中弱酸提取态镉质量分数分别降低1.5%、16.0%、28.1%，随褐煤用量的增加，土壤中弱酸提取态镉质量分数降幅增大。褐煤与膨润土混合添加时土壤中弱酸提取态镉质量分数减少10.4%～31.1%；当膨润土添加量一定时，随着褐煤添加量的增加，弱酸提取态镉质量分数降幅逐渐增大，且两者混合S2+P3处理中对弱酸提取态镉质量分数的降低效果最佳，降幅达31.1%。由表1可知，除单独添加膨润土处理对土壤可还原态镉质量分数无显著影响外，其余处理土壤中可还原态镉质量分数均显著增加。与对照相比，单一施用膨润土或褐煤处理中，除P3处理土壤中可氧化态镉质量分数增加外，其余处理均有不同程度的降低。褐煤与膨润土不同比例混合添加均可使土壤中可氧化态镉质量分数显著增加，增幅为29.1%～48.0%，其中增幅最大的处理是S1+P2。此外，相比CK处理，褐煤处理使土壤中残渣态镉质量分数存在一定程度的增加，其中P3处理钝化效果最为显著，该处理土壤中残渣态镉质量分数增幅为9.2%。单一添加膨润土处理中，S1处理土壤中残渣态镉质量分数有所增加，但差异未达到显著水平。膨润土和褐煤不同比例混合施用对土壤中残渣态镉质量分数的影响差异较大，其中处理S1+P1使得残渣态镉质量分数显著增加，增幅达7.4%；处理S3+P3也使得残渣态镉质量分数增加，但差异不显著；其余处理中残渣态镉质量分数均有不同程度的减少。由此可知，褐煤可有效降低重金属镉在土壤中的有效性，其效果优于膨润土，且两者混合使用效果更佳。

表1 不同钝化剂处理对玉米镉转运系数(TF)和富集系数(BCF)以及土壤不同形态Cd质量分数的影响

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。Notes: Different letters in the same column indicate significant differences at 0.05 level.

3 结论与讨论

1)不同钝化剂处理对玉米生长的影响。本研究中，施用膨润土或褐煤后，玉米的株高及地上部干物质量均有所增加。膨润土是以蒙脱石为主的2∶1型黏土矿物，具有很强的吸水性能，施用膨润土后土壤的保水和持水能力提高，孔隙度减小，有机质分解速度变慢，可改良土壤性质，有利于作物生长[4,11]。同时膨润土能在一定程度上缓解 Cd 胁迫对作物幼苗的毒害作用，促进Cd污染土壤上作物的生长[12-13]。因此，施用膨润土可在一定程度上促进植株的生长，提高植株地上部干物质量。褐煤是一种富含天然腐植酸类物质，褐煤中腐植酸不仅具有吸附性能，还可与土壤发生离子交换、离子络(螯)合反应等，加大植物从土壤中吸收重金属离子的阻力，降低重金属离子对植物的毒害[14]。研究表明，腐植酸可与一些离子结合形成可溶性的复合体，进而促进植株的细胞生长和养分的吸收[15]。褐煤基腐植酸是一种天然的有机高分子混合物，在农业生产中具有改良土壤、刺激作物生长、增强作物抗逆能力等作用。李通等研究发现，施用一定量的含腐植酸风化煤可显著提高小白菜生物量[16]。因此，施用褐煤与膨润土可在一定程度上协同提高玉米的抗逆性，降低Cd的胁迫，促进植株的生长，进而提高玉米植株的株高和地上部干物质量。

2)不同钝化剂处理对玉米植株吸收、运输和累积Cd的影响：本研究中，盆栽条件下玉米各部位Cd累积量大小表现为根>茎叶，这与他人的研究结果一致[10,17]。这主要是由于：①植株根细胞壁上有许多与重金属的结合位点，只有当重金属与细胞壁的结合达到饱和时，多余的金属离子才会进入细胞[18]；②当重金属进入根系细胞时，重金属又可与细胞原生质中的蛋白质、核苷酸、多肽等化合物结合，进入液泡后又被液泡沉淀或储存[19]，导致重金属在植株根部被大量固定而失活，向上运输的很少。本试验中，不同钝化剂处理均使得玉米植株富集Cd的质量分数显著降低(表1)，其中施用褐煤5%处理(P3)及褐煤1.5%+膨润土1.5%处理(S1+P1)中BCF值最低，较对照降低53.2%，说明Cd由土壤向玉米地上部的富集能力减弱明显。其原因一是腐植酸具有一定的肥效，有助于作物生长，二是腐植酸具有亲水性、吸附性、离子交换性、络合性和氧化还原性，可与水溶态、生物有效态的重金属离子发生反应，使重金属离子被络合、螯合固定或吸附固定，减少植物体的吸收量[20]。陈磊[21]研究发现，腐植酸液肥的施用可减少稻米对Cd的富集。本试验中，单独施用膨润土后，玉米茎叶和根中Cd质量分数分别降低31.0%～40.0%和21.8%～27.5%，表明膨润土使得Cd由土壤向玉米地上部的富集能力及植株内部的转运能力减弱明显。膨润土可通过吸附、配合、共沉淀作用显著降低土壤有效态Cd质量分数，且当土壤pH较高时，重金属可与黏土矿物发生共沉淀，去除效果更佳[10]。刘秀珍等[22]研究表明，膨润土对中轻度Cd污染土壤表现出钝化作用，可降低乌塌菜植株体内镉质量分数，促进其生长发育。本研究中膨润土与褐煤适宜比配合施用，能有效降低玉米植株中Cd的富集，且比单独施用膨润土或褐煤的效果更佳。

3)不同钝化剂处理对土壤Cd形态质量分数的影响：相对土壤中重金属总量，其赋存形态更能清楚地反映土壤重金属污染状况，从而评估重金属的迁移能力和生物有效性[3-4]。土壤中各形态Cd的生物有效性排序为：弱酸溶解态>可还原态>可氧化态>残渣态[8,23]。本研究结果表明，不同的钝化剂处理对土壤中Cd形态质量分数的影响存在差异(表1)。与对照相比，除单独添加膨润土的S1处理外，其余处理均可显著降低土壤中弱酸提取态Cd质量分数，使Cd向着较为稳定的形态转化，有效降低了Cd在土壤中的有效性。这主要是由于：①腐植酸具有较大的阳离子交换量(CEC)，其表面吸附离子易与土壤溶液中重金属离子发生离子交换，形成离子交换吸附；②腐植酸含有大量含氧功能团，可与重金属阳离子螯合，形成络(螯)合吸附；③腐植酸与重金属离子络(螯)合后显正电性，可与带负电荷的土壤胶体表面产生静电吸附，从而增强对重金属的吸附能力[24]。膨润土可通过离子交换、表面络合、层间水解沉淀、表面吸附等机制作用于重金属离子[25-26]，促进Cd由活性较高的形态向活性较低的形态转化，从而降低其生物有效性。前期研究也发现，投加0.5%～5%膨润土时，土壤中可交换态Cd质量分数减少11.1%～42.5%[26]。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，其蒙脱石质量分数可达85%～90%。而蒙脱石是2∶1型铝硅酸盐矿物，比表面积大，有较强的吸附能力和强交换性，可以使重金属得以钝化[27]。Gupta等[28]和Brown等[29]研究表明，蒙脱石对重金属的钝化主要是通过吸附作用进行。膨润土作为土壤重金属钝化修复材料可与其他修复材料复配处理，从而起到协同钝化效果。研究表明，膨润土-鸡粪复配处理下，土壤有效态和可交换态Cd质量分数较对照分别降低37.0%和12.2%，残渣态Cd质量分数增加7.3%[30]。本研究中，将无机的膨润土与有机的褐煤以不同比例混合施用，蒙脱石巨大的比表面积和强交换性，以及褐煤中大量腐植酸对重金属的吸附和络合作用，使得两者功能同时发挥。结果显示，膨润土与褐煤混合处理对土壤中Cd的钝化修复效果优于二者单独添加，使重金属Cd向着较为稳定的形态转化，但对于膨润土与褐煤混合产生的促进机制还有待进一步研究。