石灰、腐植酸单施及复配对污染土壤铅镉生物有效性的影响

曾秀君，程 坤，黄学平，傅志强，何国庆

(南昌工程学院，江西 南昌 330099)

土壤是人类及其他生物赖以生存的物质基础，在生态系统中具有重要作用。近年来，随着工农业飞速发展，尤其是矿产资源开发、农业污水灌溉和农药化肥大量施用[1-3]等造成的土壤重金属污染日趋严峻。土壤中重金属被认为是最严重的土壤污染物[4]。与其他土壤污染物不同，重金属通常具有很强毒性且不可被生物降解，所以重金属污染土壤的修复和治理具有一定难度。因此，如何安全有效地控制和治理土壤重金属污染已成为亟待解决的环境和社会问题。施用土壤调理剂可以有效固定土壤重金属，从而改变重金属在土壤中赋存形式，降低其迁移性和生物有效性。CUI等[5]研究认为随着石灰施用量的增加，土壤中Cu、Cd迁移率显著下降；杜志敏等[6]研究发现施用石灰能显著降低Cu、Cd活性，促进黑麦草生长。而腐植酸对土壤重金属活性也具有一定抑制效果，同时还可改良土壤结构，调节土壤养分[7]。袁兴超等[8]采用大田试验与盆栽试验相结合方法研究，发现腐植酸对玉米产量有增加作用。目前，许多研究都集中在单一调理剂对重金属污染土壤的修复[9-10]，对有机-无机复合调理剂修复重金属污染土壤的报道较少。而且有研究[11]表明，采用单一调理剂修复重金属污染土壤时，其施用量通常较大且需要长期连续施用，这极易破坏土壤结构，增加地表和地下水污染风险，造成植物营养匮乏等问题。

选取广东省韶关市某Pb、Cd污染农田土壤进行盆栽试验，以黑麦草为指示植物，选用石灰和腐植酸作为调理剂对土壤进行处理，研究2种调理剂单独和配合施用对土壤理化性质、土壤Pb和Cd有效态、黑麦草生长以及黑麦草吸收积累Pb、Cd的影响，探讨石灰与腐植酸对土壤Pb、Cd生物有效性的调控效率，以期为重金属污染土壤修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1供试土壤

供试土壤采自广东省仁化县某大型冶炼厂(25°05′59″ N、113°39′04″ E)周边农田污染土壤，类型为砂质壤土。因长期受冶炼厂大量废水、废渣的污染，土壤中Pb、Cd含量明显高于风险筛选值。土壤取样深度为0～20 cm，鲜土采集后于阴凉处自然风干，剔除石块、动物和植物根茬等杂物后研磨过2 mm孔径筛，充分混匀，备用。土壤基本理化性质：pH值为5.1，w(有机质)为28.9 g·kg-1，w(全氮)为1.6 g·kg-1，w(碱解氮)为127.0 mg·kg-1，w(全磷)为0.365 g·kg-1，w(速效磷)为17.769 mg·kg-1，w(全钾)为9.13 g·kg-1，w(有效钾)为46.00 mg·kg-1，w(Pb)为214.68 mg·kg-1，w(Cd)为1.26 mg·kg-1，其他重金属含量均小于GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染标准》农用地土壤污染风险筛选值。

1.1.2供试植物

试验选用南方多年生黑麦草(Loliumperenne)为受试植物，购于上海天成草业服务有限公司。

1.1.3供试调理剂

石灰基本理化性质：pH值为12.1，Pb含量为2.78 mg·kg-1，Cd含量为0.12 mg·kg-1，研磨后过0.25 mm孔径筛。

腐植酸基本理化性质：pH值为4.5，Pb、Cd未检出，研磨后过0.25 mm孔径筛。

1.1.4水溶性肥料

购于施可得园艺肥料(武汉)有限公司，养分含量分别为ρ(N)≥30 g·L-1,ρ(P2O5)≥14 g·L-1,ρ(K2O)≥16 g·L-1,ρ(Fe)≥0.14 g·L-1,ρ(Mn)≥0.06 g·L-1，Pb、Cd未检出。

1.2 试验设计与处理

试验共设置8个处理，每个处理设置4个重复，各处理调理剂添加量见表1。

表1 各处理调理剂添加量

Table 1 The treatments and ratio of conditioner content to soil mass

处理添加量w/%石灰腐植酸CK0 0TI0.20T201T302T405T50.21T60.22T70.25

供试土壤与调理剂充分混匀后装盆，每盆装土500 g(盆直径为11.1 cm,高为10.8 cm)，浇水至土壤田间持水量的约70%，平衡1周后，每盆均匀撒入南方多年生黑麦草种子50粒，放置于室内培养架上，光照与黑暗时间各12 h·d-1，光照强度为120 μmol·m-2·s-1，控制温度为20～35 ℃，待种子出苗后，每盆定苗30株，并按农田土壤最佳施用量300 kg·hm-2(以N计)，将水溶性肥料稀释后施于土壤中，期间根据每盆土壤水分状况将盆栽土壤含水率调节为土壤饱和含水率的约70%。60 d后进行破坏性采样，采集黑麦草地上部和根部，采用自来水和去离子水冲洗干净，并用吸水纸吸干、称鲜重，105 ℃ 条件下杀青30 min，70 ℃条件下烘干，称重，磨碎备用。同时采集盆栽土壤样品，自然风干后过0.15 mm孔径筛以供土壤有机质和重金属含量测定。

1.3 样品分析

土壤pH值测定参照LY/T 1239—1999《森林土壤pH值的测定》。土壤有机质采用低温外热重铬酸钾氧化-容量法测定。黑麦草地上部和根系Pb、Cd含量及土壤重金属总含量经HNO3-HClO4(体积比为4∶1)消煮、土壤有效态Pb、Cd含量经0.01 mol·L-1CaCl2浸提后，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Agilent 7700X，美国)测定，同时每批样做空白试验。样品分析过程中采用国家标准样品GSB 04-1742-2004和GSB 04-1721-2004进行质量控制。标样回收率范围为88%～103%。

1.4 数据处理

实验数据采用Microsoft excel 2013软件进行汇总，采用SPSS 19.0软件进行Person相关性分析，采用方差分析和多重比较(Duncan检验)法分析不同处理数据间显著性差异(P<0.05)，最后利用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同调理剂处理对土壤pH值和有机质含量的影响

由图1可知，石灰和腐植酸不同处理对土壤pH的影响存在显著差异。与CK处理(pH值为5.23)相比，T1、T5、T6和T7处理分别使土壤pH提高1.44、1.21、1.11和0.71，其中单施石灰处理T1的土壤pH提升效果最为明显。而单施腐植酸处理T2、T3和T4对土壤pH影响较小，除T4处理较对照降低约0.17外，其他处理与对照间无显著差异。

同一分图中，直方柱上方英文小写字母不同表示不同调理剂处理间某指标差异显著(P<0.05)。各处理含义见表1。

由图1可知，各处理有机质含量平均范围为25.35～51.71 g·kg-1，与CK处理相比，施加调理剂处理均可不同程度增加土壤有机质含量，由大到小表现为T7>T4>T6>T3>T5>T2>T1>CK。其中石灰与腐植酸共同施用对土壤有机质含量的提升效果优于单施石灰或腐植酸，且随着腐植酸剂量增加，土壤有机质含量逐渐增加。

2.2 不同调理剂处理对土壤有效态Pb、Cd含量的影响

不同调理剂处理对土壤有效态Pb、Cd含量的影响见图2。

同一分图中，直方柱上方英文小写字母不同表示不同调理剂处理间某指标差异显著(P<0.05)。各处理含义见表1。

由图2可知，石灰和腐植酸不同处理对土壤有效态Pb含量的影响差异显著。单施腐植酸时，T2和T3处理有效态Pb含量较CK处理显著上升，而T4处理有效态Pb含量显著低于CK处理(P<0.05)。与CK处理相比，T1、T5、T6和T7处理土壤有效态Pb含量均显著降低，其中T7处理降低幅度最大，为89.45%；其次为T6、T5和T1处理，降低幅度分别为89.24%、84.33%和44.60%(P<0.05)。

由图2可知，与CK处理相比，施加调理剂处理均可显著降低土壤有效态Cd含量。其中单施腐植酸处理降低幅度为5.13%～48.61%，且随着腐植酸施用量的增加，有效态Cd含量降低幅度逐渐增大。各施加石灰处理土壤有效态Cd含量均显著小于其他处理，T1、T5、T6和T7处理较CK处理分别降低93.53%、92.98%、92.75%和89.63%(P<0.05)。

2.3 不同调理剂处理对黑麦草生物量的影响

由图3可知，石灰和腐植酸不同处理黑麦草各部位生物量均显著增加。黑麦草地上部生物量平均为12.94～18.43 g，与CK处理相比，施加调理剂处理黑麦草地上部生物量增幅约为17.64%～42.36%，T6处理增加幅度最大，为42.36%，其次为T2处理，增加40.09%。黑麦草地下部生物量平均为2.49～6.22 g，T6处理黑麦草地下部生物量最大，为6.22 g，比CK处理高150.01%；其次为T5、T7、T4、T1和T2处理，分别比CK处理高115.40%、87.58%、86.94%、69.19%和61.20%，但各处理间差异不显著；T3处理比CK处理高5.92%，但差异不显著。由此可见，T6处理对黑麦草生长促进作用最优。

同一分图中，直方柱上方英文小写字母不同表示不同 调理剂处理间生物量差异显著(P<0.05)。各处理含义见表1。

2.4 不同调理剂处理对黑麦草地上部和地下部Pb、Cd含量的影响

石灰与腐植酸不同处理对黑麦草吸收和积累Pb的影响见表2。

表2 不同调理剂处理对黑麦草吸收和积累Pb、Cd的影响

Table 2 Effects of different treatments on Pb and Cd content and accumulation in ryegrass

处理w(地上部Pb)/(mg·kg-1)w(地下部Pb)/(mg·kg-1)Pb转运系数w(地上部Cd)/(mg·kg-1)w(地下部Cd)/(mg·kg-1)Cd转运系数CK50.13±2.94a113.71±2.07a0.442±0.033ab1.33±0.07a1.63±0.14cd0.824±0.029aT131.50±1.05c58.42±6.44e0.554±0.046a1.03±0.06b2.25±0.19a0.462±0.020cT242.12±1.32b94.45±4.38b0.450±0.030ab1.03±0.08b1.27±0.10def0.824±0.094aT340.35±0.24b88.59±3.45bc0.458±0.017ab0.83±0.08bc1.17±0.07ef0.712±0.069abT438.49±2.11b75.66±6.78cd0.525±0.064a0.54±0.04d0.96±0.05f0.568±0.059bcT527.76±1.55cd60.28±3.99e0.465±0.032ab0.96±0.02bc1.81±0.03bc0.530±0.015cT626.74±0.81cd56.52±1.58e0.475±0.023ab0.91±0.07bc2.17±0.27ab0.439±0.053cT725.81±1.75d68.69±6.06de0.387±0.047b0.78±0.09c1.59±0.05cde0.489±0.052c

同一列数据后英文小写字母不同表示不同调理剂处理间某指标差异显著(P<0.05)。各处理含义见表1。

由表2可知，黑麦草地下部Pb含量均大于地上部，且与CK处理相比，各调理剂处理均能显著降低黑麦草地上部和地下部对Pb的吸收。T2、T3和T4处理地上部Pb含量较CK处理分别显著降低15.99%、19.52%和23.23%，但各处理间差异不显著；T5、T6和T7处理地上部Pb含量较CK处理分别显著降低44.62%、46.66%和48.52%，各处理间差异亦不显著(P<0.05)。对于黑麦草地下部Pb含量，与CK处理相比，单施腐植酸处理(T2、T3、T4)均能显著降低黑麦草地上部Pb含量，且随腐植酸施用量的增加呈显著下降趋势，以T4处理降低幅度最大；与CK处理相比，T1、T5、T6和T7处理黑麦草地下部Pb含量分别显著降低约48.63%、46.99%、50.29%和39.59%，各处理间差异不显著(P<0.05)。

转运系数(TF)为黑麦草地上部重金属含量与地下部重金属含量的比值。经计算，不同处理黑麦草Pb转运系数范围为0.387～0.554，且各处理间无显著差异，因此施加调理剂处理对黑麦草转运系数无明显影响。

由表2可知，黑麦草地下部Cd含量均大于地上部。与CK处理相比，石灰与腐植酸不同处理均能显著降低黑麦草地上部Cd含量，降低幅度为22.76%～59.62%，其中T4处理黑麦草地上部Cd含量最低，比CK处理低约59.62%(P<0.05)。对于黑麦草地下部Cd含量，T1与T6处理比CK处理显著高约37.77%和32.65%；T2、T3和T4处理比CK处理显著低约22.21%、28.21%和41.22%(P<0.05)，其中随腐植酸施加量的增大，黑麦草地下部Cd含量逐渐减少。

不同处理黑麦草地上部-地下部Cd转运系数范围为0.439～0.824，除T2与CK处理无显著差异外，其他各处理Cd转运系数较对照均有不同程度降低。

2.5 黑麦草各部位Pb、Cd含量与土壤理化性质的相关性分析

2.5.1黑麦草各部位Pb、Cd含量与土壤有效态Pb、Cd的相关关系

黑麦草地上部和地下部Pb含量与土壤中有效态Pb含量的相关关系见图4。

样本数n=32。各处理含义见表1。

由图4可知，黑麦草对Pb的吸收能力与土壤中有效态Pb含量有着密切联系。黑麦草地上部和地下部Pb含量与土壤中有效态Pb含量呈极显著正相关关系(P<0.001)，相关系数r分别为0.823和0.776，即土壤中有效态Pb含量的减少可降低黑麦草地上部和地下部对Pb的吸收积累，因此可通过增加(或减小)土壤中有效态Pb含量来提高(或降低)黑麦草对Pb的吸收。

黑麦草地上部和地下部Cd含量与土壤中有效态Cd含量的相关关系见图4。由图4可知，黑麦草地上部Cd含量与土壤中有效态Cd含量的相关关系未达显著水平，而黑麦草地下部Cd含量与土壤有效态Cd含量呈显著负相关关系(P<0.05，r=-0.524)。

2.5.2土壤有效态和黑麦草各部位Pb、Cd含量与土壤pH和有机质含量的相关关系

由表3可知，土壤pH与土壤有效态Pb、Cd含量均呈极显著负相关关系(P<0.01)，相关系数分别为-0.813和-0.843。土壤有机质含量与土壤有效态Pb、Cd含量亦呈负相关关系，但相关性不显著。土壤pH与黑麦草地上部Pb、Cd含量呈极显著负相关关系(P<0.01)，相关系数分别为-0.749和-0.743，而与黑麦草地下部Cd呈极显著正相关关系(P<0.01，r=0.787)。土壤有机质含量与黑麦草各部位Pb、Cd含量均呈负相关关系，其中土壤有机质含量与黑麦草地上部Pb含量以及地下部Pb和Cd含量分别呈显著、极显著和显著负相关关系，相关系数分别为-0.400、-0.739和-0.358。

表3 土壤有效态及黑麦草各部位Pb、Cd含量与土壤pH和有机质含量的相关系数

Table 3 Correlation coefficients of Pb, Cd contents in soil available state and various parts of ryegrass with soil pH value and organic matter contents

指标有效态含量黑麦草地上部含量黑麦草地下部含量PbCdPbCdPbCdpH-0.813∗∗-0.843∗∗-0.749∗∗-0.743∗∗0.1270.787∗∗有机质-0.318-0.320-0.400∗-0.290-0.739∗∗-0.358∗

样本数n=32。**表示在α=0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在α=0.05水平(双侧)上显著相关。

3 讨论

土壤中重金属总量是衡量重金属污染程度及对人体健康和生态环境影响程度的重要指标，但其往往不能代表其生物有效性[12]，且土壤中重金属的生物地球化学行为很大程度上取决于其游离态含量[13]。因此，研究土壤中重金属的有效态含量对于评价土壤修复效果是非常有必要的[14]。施用调理剂可以改良土壤理化性质，使重金属固定或转变为可利用态被植物吸收并去除，从而达到修复重金属污染土壤的目的。

土壤pH[15]和有机质含量[16]是影响重金属生物有效性的重要因素。笔者研究发现土壤中Pb、Cd有效态含量与土壤pH均呈极显著负相关关系(P<0.01,表3)，这与前人研究结果[17-18]一致。这是因为土壤pH升高能加强土壤螯合能力，使土壤对重金属的吸附能力增强，从而降低土壤中重金属生物有效性。除T2处理外，笔者研究中添加石灰和腐植酸作为调理剂均能显著降低土壤中有效态Pb、Cd含量，但单施石灰处理对降低土壤有效态Pb、Cd含量效果优于单施腐植酸处理(图2)。钱海燕等[19]通过研究石灰和钙镁磷肥对Cu、Zn污染土壤的影响发现，施用适量石灰能显著降低土壤有效态Cu、Zn含量，分别较对照减少27.5%和53.7%；于红艳等[20]通过向100 g土壤中添加30 mg腐植酸发现，腐植酸对土壤中有效态重金属Zn、Cu、Pb和Ni的去除率分别达到28.9%、64.7%、31.0%和53.5%，笔者研究结果与之一致。石灰与腐植酸作为调理剂能显著影响土壤重金属活性及迁移能力。石灰是重金属污染土壤钝化修复常用的无机材料，其对重金属的改良效果较好，这可能是因为石灰施入土壤后可提高土壤pH值，一方面增加了黏土矿物和有机质等表面的胶体负电荷，促使土壤胶体对重金属离子的吸附；另一方面由于氢离子浓度降低，竞争作用减弱，促使重金属离子与CO32-或OH-结合形成碳酸盐或氢氧化物等沉淀[21]，降低土壤中Pb、Cd的生物有效性，从而抑制植物对Pb、Cd的吸收。而腐植酸[22]是一种带负电荷的高分子两性有机物质，施入土壤后可显著增加土壤有机质水平，且其表面具有较多的羧基、羟基、酚羟基和甲氧基等含氧官能团，能与土壤中重金属离子发生吸附、络合和螯合等作用，形成有机-金属络合物和吸附物，从而影响重金属离子迁移转化，降低土壤中Pb、Cd活性。

有报道[23]发现无机和有机调理剂混合施用对降低土壤有效态的效果更好。笔者研究也发现石灰配施腐植酸对w(有效态Pb)的降低效果优于单独施加石灰或腐植酸处理，且复合处理中以石灰配施5%腐植酸处理的降低效果最佳(图2)。与对照相比，石灰配施1%和2%腐植酸处理对降低有效态Cd含量的效果优于其他处理。这可能是因为石灰和腐植酸混合后能够改变彼此理化性质，添加腐植酸可以弥补石灰自身养分不足，而添加石灰则能够为土壤中微生物提供良好生存环境，从而降低土壤中重金属Pb、Cd含量。石灰与腐植酸复合作用对农田土壤Pb、Cd含量的影响与单施石灰或腐植酸不同，不是2种物料作用结果的简单叠加，而是存在明显交互作用。不同调理剂对不同重金属有不同程度的影响，最佳调理材料及施加比例因重金属种类而异。

植物生物量和各部位吸收重金属含量是评价植物受重金属毒害程度的重要指标。笔者研究中，石灰与腐植酸及其复合作用均能显著增加黑麦草各部位生物量，特别是石灰配施2%腐植酸处理的黑麦草地下部生物量较对照提高150.01%(图3)。前人研究[24]结果也表明，在多种重金属复合污染土壤中施加石灰能明显改善小白菜生长，使小白菜生物量较对照提高99.0%；在砷污染土壤中施加腐植酸，玉米株鲜重、株干重和根干重与对照相比都有不同程度增加[25]。这可能是因为腐植酸作为调理剂能显著增加土壤中氮和有机质含量，而施加石灰可以使土壤形成团粒结构，使土壤疏松，有吸水保肥作用，利于植物生长。

土壤中重金属以有效态形式存在时易发生迁移和被植物吸收，调理剂能通过降低土壤中重金属有效态含量从而减小植物对重金属的吸附量，进而降低重金属对植物的毒害程度。笔者研究中，石灰和腐植酸不同处理对黑麦草各部位重金属吸收的影响表现出较大差异，各处理均可显著降低黑麦草各部位对Pb的吸收，且石灰配施腐植酸处理对降低黑麦草吸收Pb的效果优于其他处理，其中以石灰配施5%腐植酸处理降低效果最佳(表2)。石灰和腐植酸不同处理能明显降低土壤中有效态Pb含量，减弱黑麦草对Pb的吸收，由石灰与腐植酸作用下黑麦草不同部位Pb含量与土壤重金属有效态Pb含量相关关系中也可以看出两者呈显著正相关关系，因而随着土壤有效态Pb含量的降低，植物中富集的Pb也显著降低。笔者研究也发现除T1、T5和T6处理黑麦草地下部对Cd的吸收增加外，其他处理黑麦草对Cd的吸收均不同程度降低，其中以单施5%腐植酸处理降低效果最显著。黑麦草地下部Cd含量与土壤有效态Cd含量呈显著负相关关系，这可能与不同调理剂处理黑麦草地下部Cd含量高于对照有关。封文利等[26]研究表明0.15 kg·m-2石灰调控对降低土壤重金属有效态含量有显著效果，同时也可显著降低水稻各部分重金属含量，笔者研究结果与之一致。这也可能是因为石灰或腐植酸中的某些物质参与竞争植物根系上的吸附点位，从而抑制植物对重金属Pb的吸收，减轻土壤中重金属对植物的毒性效应。不过有研究[27]表明在腐殖酸浓度较高的处理中，植物组织中Cd和Pb含量可相应增高。需要指出的是，由于土壤环境和石灰与腐植酸自身的复杂性，笔者研究未考虑不同浓度梯度石灰与腐植酸复合处理对土壤重金属有效态、形态及植物吸收重金属效果的影响，今后可加强石灰与腐植酸对土壤-植物系统中重金属钝化作用的研究。

4 结论

单一及复配石灰与腐植酸处理均能显著增加黑麦草生物量，且能显著降低黑麦草地上部对Pb和Cd的吸收累积。除单施腐植酸外，其他处理均能提高土壤pH值，并显著降低土壤中有效态Pb、Cd含量；而除单施石灰外，其他处理均能显著提高土壤有机质含量。综合来看，石灰与腐植酸共同作用对促进黑麦草生长，降低黑麦草中Pb、Cd含量以及土壤中有效态Pb、Cd含量的效果优于单一施用石灰或腐植酸，其中以石灰配施5%腐植酸效果为最佳。