碳酸钙及其与壳聚糖联用对石灰性土壤铬污染的钝化效应

常会庆，徐富锦，潘亚杰

(河南科技大学 农学院，河南 洛阳 471023)

土壤中的铬(Cr)主要来自于原生母质[1]，但采矿、冶炼、污水灌溉和磷肥施用等人类工农业活动，使得大量的Cr进入土壤并产生富集，然后通过食物链对植物或人体造成危害[2-4]。土壤Cr污染的毒害效应可以通过植物生理特征指标变化快速反映[5]。当Cr进入植物细胞后，会破坏组织和器官结构，影响膜流动性和酶活性，诱导自由基形成，引起氧化应激反应等不同的生理效应[6-7]。因此，研究Cr对作物生理效应的影响，可为外源Cr毒害程度的判断提供依据。

土壤中Cr污染治理的重要途径之一就是原位固定修复。通过向污染土壤中加入不同的钝化材料，可调控Cr在土壤中的存在形态，降低其在土壤中的有效性和迁移能力，从而减少Cr对植物的危害[8-9]。较为常用的钝化材料有碳酸钙类、磷酸盐类、黏土矿物和氧化类物质等，其中碳酸钙类钝化剂主要是通过提高酸性土壤pH值，降低土壤中的有效态Cr含量而发挥钝化作用的[10]。壳聚糖作为一种天然的高分子有机物，对重金属具有较强的螯合性能，且来源广泛、价廉易得，广泛应用于水体和土壤中重金属的污染修复[11-13]。碳酸钙作为修复材料现已广泛地应用于酸性土壤重金属污染修复中[14-16]，但它在石灰性(碱性)土壤中能否对铬起到钝化作用，尤其是与壳聚糖联合使用的效果如何，尚没有明确答案。为此，本研究采用田间小区试验方法，探究碳酸钙及其与壳聚糖联用对石灰性土壤中Cr污染的钝化效应，以期为Cr污染石灰性土壤的安全利用和修复提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤系取自洛阳市的典型石灰性土壤。土壤基本理化性质如下：pH值8.31，有机质11.69 g·kg-1，速效氮31.52 mg·kg-1，速效磷15.23 mg·kg-1，全氮4.76 g·kg-1，全磷3.15 g·kg-1。供试土壤水溶态、交换态、还原态、氧化态和残渣态Cr含量分别为0.25、4.73、4.79、9.61、50.51 mg·kg-1。

供试玉米品种为郑单958。试验选用碳酸钙和壳聚糖作为钝化材料。

1.2 试验设计

田间试验设置4个处理：(1)对照(CK)；(2)Cr污染(Cr)；(3)Cr污染+碳酸钙(Cr+Ca)；(4)Cr污染+碳酸钙+壳聚糖(Cr+Ca+C)。每个处理重复3次。每个处理的小区面积为2 m2。

Cr污染土壤的培养：以CrCl3作为外源污染物，通过外源Cr的添加使得土壤Cr污染水平控制在土壤环境质量标准(GB 15618—2018)筛选值(250 mg·kg-1)的2.2倍左右(即约550 mg·kg-1，低于管控值的1 000 mg·kg-1)。播种前90 d进行Cr污染老化处理：首先把小区0～20 cm土层全部移入到不透水的塑料膜上，通过人工翻堆使相应浓度的Cr溶液与表层土壤混合均匀，然后再回填到相应小区中。10月份种植玉米前，在相应小区中按照表土质量添加0.2%(质量分数)的碳酸钙、0.12%(质量分数)的壳聚糖。同时，添加尿素、过磷酸钙和氯化钾作为基肥使用(N 0.15 g·kg-1，P2O50.10 g·kg-1，K2O 0.15 g·kg-1)。

1.3 样品采集和分析

选用玉米灌浆期的棒三叶，分析其丙二醛、可溶性蛋白含量和过氧化氢酶活性。丙二醛含量采用双组分分光光度法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定。

在玉米收获期采集玉米根、茎、叶、籽粒，用去离子水冲洗干净，杀青后在70 ℃烘箱内烘干，粉碎备用。同时采集收获玉米后的土壤样品，测定土壤pH值，用BCR法提取不同形态的Cr[17]。所有作物和土壤样品的Cr含量均采用电感耦合等离子光谱发生仪(岛津ICP 7000型)测定，以标准参考土壤样品(GBW07440)和谷物样品(GBW10046)作为质量控制，重金属的回收率要求达到80%以上。

1.4 数据分析

采用富集系数(BCF)反映作物从土壤中吸收重金属的能力[18]，富集系数=作物地上部重金属质量分数/土壤中重金属质量分数。

采用转移系数反映作物将重金属从地下向地上部分运输的能力[19]，转移系数=作物地上部重金属质量分数/根部重金属质量分数。

分配系数(%)=某形态Cr含量/总Cr含量，其中总Cr含量为各形态Cr含量的总和。

生物活性系数(MF，%)=(水溶态Cr含量+交换态Cr含量)/总Cr含量[20]。

钝化率(%)=(原土壤中Cr的MF-钝化后土壤中Cr的MF)/原土壤中Cr的MF[21]。

所有数据均采用SPSS 13.0软件进行数据统计和方差分析，对有显著(P<0.05)差异的，采用Tukey法进行多重比较。用Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 对土壤pH值和总铬含量的影响

外源添加Cr会显著(P<0.05)降低土壤的pH值(图1)。与CK相比，Cr、Cr+Ca和Cr+Ca+C处理的土壤pH值分别显著(P<0.05)降低0.27、0.10、0.17个pH单位。Cr+Ca分别与Cr和Cr+Ca+C处理相比，其pH值显著(P<0.05)增加了0.17和0.07个pH单位。可见，添加碳酸钙有利于增加土壤pH值，但联用壳聚糖后土壤pH值下降。

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.图1 不同处理对土壤pH值的影响Fig.1 Effect of different treatments on soil pH

外源Cr进入土壤后会与土壤发生氧化、还原、沉淀、吸附等多种反应，最终影响Cr在土壤中的移动和积累(图2)。本研究中，CK中土壤总Cr含量为67.11 mg·kg-1。参照GB 15618—2018，该含量在我国农用地土壤污染风险筛选值以下。与Cr处理相比，Cr+Ca+C处理的土壤总Cr含量显著(P<0.05)增加了7.81%，推测是碳酸钙与壳聚糖联用减少了Cr在土壤中的移动性和作物的吸收，导致土壤中总Cr含量增加。

图2 不同处理对土壤总Cr含量的影响Fig.2 Effect of different treatments on soil total Cr content

2.2 对土壤Cr形态的影响

土壤Cr污染对作物生长的影响程度除了与总Cr含量有关以外，还与Cr在土壤中的赋存形态有关。CK处理的水溶态、交换态Cr含量较低，残渣态铬含量最高，分别占总Cr含量的0.41%、0.58%、71.28%(图3)。Cr处理显著(P<0.05)增加了土壤中各形态Cr的含量，其中以氧化态Cr的含量增加最多(表1)。和Cr处理相比，Cr+Ca和Cr+Ca+C处理的水溶态铬含量分别显著(P<0.05)降低了38.97%和54.94%。与Cr+Ca处理相比，Cr+Ca+C处理显著(P<0.05)降低了交换态Cr含量，增加了还原态Cr含量。

表1 不同处理对各形态Cr的影响Table 1 Effects of different treatments on various forms of chromiummg·kg-1

土壤中各形态Cr的分配系数也由于外源Cr的添加发生了变化(图3)。与CK相比，其他处理的水溶态和氧化态Cr分配系数增加，而交换态、还原态和残渣态Cr的分配系数降低。与Cr处理相比，钝化剂添加使得水溶态、交换态Cr的分配系数降低，而残渣态Cr的分配系数增加，尤其是碳酸钙-壳聚糖进一步降低了水溶态和交换态Cr的分配系数。本研究中，当采用碳酸钙或碳酸钙-壳聚糖进行钝化处理后，Cr的钝化率较Cr处理分别增加21.64和35.44个百分点。

图3 不同处理下土壤各形态铬的分配系数Fig.3 Distribution coefficient of various forms of Cr under different treatments

2.3 对玉米生理指标的影响

如图4所示，与CK相比，Cr处理的玉米叶片丙二醛含量显著(P<0.05)增加57.39%，添加钝化剂后，Cr+Ca和Cr+Ca+C处理的玉米叶片中丙二醛含量较Cr处理分别显著(P<0.05)下降20.57%和31.92%。与CK相比，Cr处理的玉米叶片过氧化氢酶活性显著(P<0.05)增加78.18%，添加钝化剂后，与Cr处理相比，Cr+Ca+C处理的玉米叶片过氧化氢酶活性显著(P<0.05)降低18.35%。相较于CK，其他处理的玉米叶片可溶性蛋白含量均显著(P<0.05)升高。在Cr污染土壤上，添加钝化剂前后玉米叶片的可溶性蛋白含量无显著变化。

图4 不同处理下玉米叶片的丙二醛、可溶性蛋白含量和过氧化氢酶活性Fig.4 Content of malondialdehyde， soluble protein and catalase activity in maize leaves under different treatments

2.4 对玉米Cr含量的影响

如表2所示，玉米各部位的Cr含量在各处理中都表现为根>叶>茎>籽粒。与CK相比，Cr处理会显著(P<0.05)增加玉米根、茎、叶、籽粒中的Cr含量，其中Cr处理的玉米籽粒Cr含量超出GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》要求(1.0 mg·kg-1)。与Cr处理相比，Cr+Ca和Cr+Ca+C处理的玉米籽粒Cr含量分别显著(P<0.05)降低13.21%和30.19%，且均降至该食品安全国家标准限量要求以下。

表2 不同处理下玉米各部位的Cr含量Table 2 Chromium content in different parts of maize under different treatmentsmg·kg-1

与Cr处理相比：Cr+Ca和Cr+Ca+C处理的玉米根Cr含量分别显著(P<0.05)降低了11.61%和26.93%；Cr+Ca+C处理的玉米茎Cr含量显著(P<0.05)下降；Cr+Ca和Cr+Ca+C处理的玉米叶片Cr含量显著(P<0.05)降低。

与CK相比，Cr处理显著(P<0.05)增加了玉米籽粒对Cr的富集系数，但显著(P<0.05)降低了Cr的转移系数(表3)。与Cr处理相比，Cr+Ca和Cr+Ca+C处理的玉米籽粒对Cr的富集系数分别显著(P<0.05)降低了17.89%和36.24%。

表3 不同处理下玉米籽粒的Cr富集系数和转移系数Table 3 Enrichment factor and transfer factor of Cr in maize grain under different treatments10-3

3 讨论

土壤中的Cr通常以3价阳离子和6价阳离子的形态存在。不同形态的Cr离子在土壤中的迁移转化受土壤酸碱度、湿度、离子组成、有机质含量等条件的影响[22]。研究表明，Cr在土壤中主要以3价离子的形态存在，在碱性条件下，3价Cr化合物进入土壤后，90%以上的Cr离子迅速被土壤吸附固定，在土壤溶液中以沉淀物的形式存在，使其在土壤中的迁移难度变大，提高了Cr化合物的稳定性[23]。同时，土壤溶液中的3价Cr离子和6价Cr离子可以相互转化，当存在MnO2时，土壤溶液中的3价Cr离子可以迅速转化为6价离子[24]。本研究中，外源Cr为3价Cr，向pH值较高的石灰性土壤添加碳酸钙容易使外源3价Cr离子形成沉淀物，使其有效态Cr的含量降低。同时，碳酸钙中的Ca离子还可以对Cr离子产生拮抗作用，抑制玉米对Cr的吸收[10]。因此，碳酸钙在石灰性土壤上施用仍然有利于Cr的钝化。

壳聚糖具有丰富的氨基、羟基等阴离子官能团，这些官能团可以与土壤吸附的重金属阳离子形成稳定的络合物，尤其是强活性的氨基和羟基都能对Cr起到稳定作用[25]。宋俊颖等[26]研究表明，壳聚糖及其衍生物对土壤Cd2+、Pb2+、Zn2+均有稳定化作用，其中羧甲基壳聚糖可与土壤中的重金属离子反应生成络合物，使污染土壤中重金属离子的可迁移性和生物有效性明显降低。但也有研究表明，壳聚糖添加会提高重金属的有效性，如杨延彬等[27]研究表明，壳聚糖能在一定程度上增加土壤中有效态Cu、Zn、Hg的含量。原因在于，壳聚糖具有较强的螯合吸附性能，可使土壤中键合的重金属释放，从而增加土壤溶液中重金属的浓度和活性[28-29]。李增新等[30]研究表明，壳聚糖能提高土壤中吸附态铅的解吸效率，然后通过普通植物富集吸收即可达到修复土壤的目的。本研究表明，壳聚糖-碳酸钙联用有利于石灰性土壤中Cr的钝化，其原因可能是壳聚糖与Cr离子形成络合物后，通过形成碳酸铬沉淀而导致其在土壤中的有效性降低。但壳聚糖在石灰性土壤上单独施用对Cr的钝化效应仍需进一步研究。

本研究中外源Cr的添加显著影响了玉米的生理特征，而且对玉米的安全生产造成了影响。添加碳酸钙或碳酸钙-壳聚糖的钝化方法可以降低土壤中有效态Cr和玉米各部位Cr的含量，尤其是碳酸钙-壳聚糖联用对土壤Cr的钝化效果较好，说明碳酸钙-壳聚糖联用可以作为Cr污染石灰性土壤“边生产边修复”的措施使用。