两种改良剂对北方石灰性土壤中镉的钝化及小白菜生长的影响

马 杰，孙向阳，索琳娜，王 磊，孙 娜，许 宁，李 佳

(1.北京林业大学 林学院，森林培育与保护教育部重点实验室,北京 100083；2.北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所，北京 100097；3.河北省农业技术推广总站，河北 石家庄 050000；4.河北省畜牧总站，河北 石家庄 050000)

土壤是农业生产的基础，土壤环境质量与农产品安全以及人体健康息息相关。2014年，原环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》中显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，耕地土壤环境质量堪忧，污染类型以无机型为主，8种无机污染物(镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍)中重金属镉(Cd)点位超标率居首，为7.0%[1]。镉是植物非必需元素，因其生物毒性强、易积累、不易去除且迁移活跃，现已成为农田土壤最优先控制的污染元素之一[2-4]。在众多修复技术中，原位化学钝化修复被认为是对重金属镉污染农田土壤行之有效且成本较低的方法[5]。原位化学钝化修复镉污染土壤主要是利用外源添加改良剂(碱性物质、含磷物质、黏土矿物、铁锰氧化物以及有机物料等[6-9])钝化土壤中的镉，降低镉的生物活性，从而减少作物对镉的吸收量。当前农田镉污染原位钝化修复材料研究大多集中于南方酸性水稻田，其中以石灰为代表的碱性物质因具有获得容易、成本低廉、施用方法简便、成效显著等特点，而被农业生产者广泛接受。然而，对于北方石灰性镉污染农业土壤而言，大幅度提高土壤pH值则势必会影响农作物正常生长。另一方面，北京地区农业土壤镉含量变异系数极高，40%以上样点存在“轻度”和“中度”污染，设施菜地较裸露菜地存在较高镉污染风险[10]。农作物中蔬菜特别是叶类蔬菜对镉的吸收积累能力较强，由此造成的镉含量超标现象尤为突出[11-12]。因此，针对石灰性镉污染菜田土壤，筛选出在保持土壤pH值相对稳定的前提下，又能有效降低土壤镉生物有效性，最大程度减少蔬菜中镉的积累量，获得蔬菜“稳产、优产”的优良改良剂材料具有显著的现实意义和应用前景。

目前，关于沸石及膨润土修复重金属污染土壤的研究较多，土壤镉污染修复中应用的天然膨润土多为钠基膨润土，有研究表明，钠基膨润土对石灰性镉污染土壤的修复效果优于钙基膨润土[13]，然而天然膨润土中钙基膨润土的分布更为广泛，因此，生产上多采用钠化技术将其改性，但这无疑会增加土壤修复成本。另有研究指出，部分北方地区的天然钙镁基膨润土的基本理化特性要优于一般的钙基膨润土，仅次于钠基膨润土[14]。

综合考虑到土壤修复成本以及良好的理化特性，本研究选取沸石及钙镁基膨润土作为供试改良剂材料，通过盆栽试验，以代表性叶菜类植物小白菜为研究对象，探讨不同添加量的2种改良剂对土壤中镉的钝化及小白菜生长的影响。同时，为提高盆栽试验对田间实际应用的指导意义，采用北京某设施菜地实际存在镉污染的土壤作为供试土壤材料，而非多数盆栽试验中向清洁土壤添加外源镉制剂的方式，以期对实际生产应用提供更具针对性的数据支持。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤：盆栽试验土壤采自北京市大兴区某设施菜地，土壤类型为潮土，风干后过2 mm尼龙筛。其土壤基本理化性质为：pH值7.72，阳离子交换量(CEC)15.40 cmol/kg，有机质含量41.83 g/kg，全氮2.70 g/kg，碱解氮194.15 mg/kg，有效磷398.84 mg/kg，速效钾225.00 mg/kg，总镉1.52 mg/kg，有效态镉0.28 mg/kg。

供试改良剂：沸石取自河北省赤城县，pH值8.25，含全钾18.50 g/kg，阳离子交换量156.00 cmol/kg，总镉未检出。钙镁基膨润土购自大连润鸣材料技术有限公司，pH值10.10，钙(Ca)含量40.50 g/kg，镁(Mg)含量36.10 g/kg，总镉未检出。

供试植物：小白菜种为京绿7号，购于京研益农(北京)种业科技有限公司。

1.2 盆栽试验设计

试验共设置10个处理，其中沸石设置3个添加剂量(质量分数)：0.5%(F1)，1.0%(F2)，2.0%(F3)；钙镁基膨润土设置6个添加剂量(质量分数)，分别为0.2%(T1)，0.3%(T2)，0.4%(T3)，0.5%(T4)，0.6%(T5)，0.8%(T6)；以不添加任何改良剂的处理作为对照(CK)，各处理设置3次重复。其中钙镁基膨润土为目标试验材料，为精准筛选较优添加剂量，设置了更多浓度梯度，而沸石浓度梯度由文献查阅综合预处理试验确定。

每盆装土2.0 kg，各处理按上述设计方案添加并混合均匀后装入内径17.7 cm、深12.0 cm的塑料花盆(A230型)中稳定培养7 d，培养期间每日定时浇水，保持土壤含水量为田间持水量的40%左右。培养完成后播种小白菜种子，每盆20粒，7 d后待小白菜长至2片真叶时统计发芽率并间苗，每盆定苗7株，其中1株进行叶绿素指标的测定，剩余6株用于植株其他指标测定，生长期间定时浇水养护，使土壤含水量保持在田间持水量的70%左右，所有处理不施任何肥料，45 d后小白菜成熟收获。

1.3 样品采集

小白菜成熟后收获，在不同处理的3个重复中各选择1株长势相同的小白菜，采集自第1片展开叶向下数的第4片功能叶，用自来水冲洗干净，再用滤纸擦去水分，剪碎备用，用于小白菜叶绿素的提取和含量测定。剩余的6株采集地上部分，经自来水充分冲洗，再用蒸馏水冲洗3次，最后用滤纸擦干。将鲜样放入鼓风干燥箱，经105 ℃杀青0.5 h，70 ℃烘干至恒质量，称干质量并将其计为小白菜地上部干物质积累量，然后粉碎用于小白菜地上部镉含量的测定。

采集植物样品的同时采集土壤样品。剔除土壤中植物的地下部分，采集根系附近土壤200 g，经自然风干后过2 mm尼龙筛后测定土壤pH值、有效镉含量。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤指标测定 土壤有效镉采用DTPA(二乙三胺五乙酸)提取、石墨炉原子吸收分光光度法测定[15](ZEEnit650P AAS，德国耶拿)；土壤pH值采用MP-511型pH计测定，水土比为2.5∶1.0。

1.4.2 植株指标测定 小白菜发芽率采用计数法；利用电子天平测定小白菜地上部干物质积累量；叶绿素含量采用丙酮浸取-分光光度法测定[16]；小白菜镉含量采用《食品安全国家标准—食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)中规定的方法进行测定[17](石墨炉原子吸收光谱仪ZEEnit650P AAS，德国耶拿)。

1.5 数据分析

试验数据运用Microsoft Excel 2016进行处理与作图，运用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan新复极差法对处理间进行多重比较，检验各处理平均值在0.05水平的差异性。

2 结果与分析

2.1 不同添加量改良剂对土壤pH值和有效态镉的影响

由表1可知，添加沸石对土壤pH值无显著性影响(P>0.05)，土壤pH值仅升高0.07～0.14，随着沸石剂量增加，土壤pH值出现先下降后上升的趋势；而添加钙镁基膨润土可显著提高土壤pH值(P<0.05)，且随着剂量增加，土壤pH值逐步升高，与对照相比，添加0.2%～0.8%钙镁基膨润土可使土壤pH值升高0.70～1.07。

添加不同改良剂后土壤有效镉含量均有不同程度降低，2种改良剂的不同添加剂量对土壤有效态镉含量的影响如图1所示，随着沸石剂量增加，土壤有效镉含量逐步降低，但添加不同剂量沸石对土壤有效镉含量均无显著影响(P>0.05)；钙镁基膨润土处理表现出相同趋势，即随着剂量增加土壤有效镉含量逐步降低，但添加较高剂量(≥0.4%，T3～T6)钙镁基膨润土可显著降低土壤有效镉含量(P<0.05)。

表1 不同添加量改良剂对土壤pH值的影响Tab.1 Effects of different amount of modifiers on pH value of soil

同一组不同字母表示各处理间在5%水平差异显著(P<0.05)。图2—4同。Different letters in the same group indicated significant differences among treatments at 0.05 level.The same as Fig.2—4.

2.2 不同添加量改良剂对小白菜发芽率、干物质积累量及叶绿素含量的影响

添加0.5%的沸石后小白菜发芽率会有所降低，添加剂量≥0.5%的沸石处理能提高小白菜发芽率，但沸石处理对小白菜发芽率均未产生显著影响(P>0.05，图2)。较低剂量的钙镁基膨润土(≤ 0.3%，T1、T2)能显著提升小白菜发芽率(P<0.05)，T2处理达到最高，此时小白菜发芽率为81.7%，较对照处理提升15百分点；当钙镁基膨润土的添加剂量大于0.3%，随着剂量增加，小白菜发芽率不断降低，添加较高剂量(≥0.4%，T3～T6)钙镁基膨润土可显著抑制小白菜发芽率(P<0.05)，导致小白菜发芽率较对照处理下降16.7～56.7百分点。此外，添加0.8%(T6)钙镁基膨润土的处理，小白菜种子萌发率仅为10%，失去试验统计意义，因此在后续分析中剔除该处理。

图2 不同添加量改良剂对小白菜种子发芽率的影响Fig.2 Effects of different amount of modifiers on germination rate of pakchoi

不同处理对小白菜地上部干物质积累量及叶绿素含量的影响见图3，不同添加量沸石使小白菜地上部干物质积累量有一定程度的提升，但均未达显著水平(P>0.05)；而添加钙镁基膨润土会不同程度地提高小白菜地上部干物质积累量(5.56%～29.22%)，添加剂量小于0.6%时(T1～T4)，小白菜地上部干物质积累量显著高于对照处理(P<0.05)，T2处理下小白菜地上部干物质积累量达到峰值(4.26 g)，此后随着剂量的增加钙镁基膨润土对小白菜地上部干物质积累量的增益效果逐步降低。

与对照处理相比，添加沸石对小白菜叶绿素含量无显著影响(P>0.05)，除添加剂量为0.5%的处理外，其他处理均会降低小白菜叶绿素的含量；添加钙镁基膨润土可不同程度地提高小白菜叶片中叶绿素含量(5.42%～11.72%)，其中添加剂量为0.2%～0.5%时(T1～T4)，叶绿素含量显著高于对照处理(P<0.05)，T2处理下小白菜叶绿素含量最高，达3.78 mg/g。

图3 不同添加量改良剂对小白菜地上部干物质积累量及叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of different amount of modifiers on aboveground dry matter accumulation and chlorophyll content of pakchoi

2.3 不同添加量改良剂对小白菜地上部镉含量的影响

2种改良剂对小白菜地上部镉含量的影响见图4，随着沸石剂量增加，小白菜地上部镉含量逐步降低，但各沸石处理对小白菜地上部镉含量均未产生显著影响(P>0.05)；添加钙镁基膨润土的处理可显著降低小白菜地上部镉含量(63.83%～93.62%，P<0.05)，除添加剂量为0.6%(T5)的处理外，其余剂量钙镁基膨润土处理之间无显著性差异(P>0.05)，其中0.3%(T2)钙镁基膨润土处理小白菜地上部镉含量相对最低，为0.03 mg/kg。

图4 不同添加量改良剂对小白菜地上部镉含量的影响Fig.4 Effects of different amount of modifiers on aboveground Cd content of pakchoi

3 讨论与结论

3.1 2种改良剂对土壤pH值与有效镉含量的影响

黏土矿物作为土壤的组成成分，将其施入土壤后通常不会对土壤性质造成不良影响[18]；因此，许多学者研究了黏土矿物对土壤中重金属元素的有效性以及作物吸收积累的影响，并对此类物质应用于重金属污染土壤修复进行了探讨[19-20]。土壤pH值对土壤中重金属的形态分布、转化、迁移有着重要影响[21]，生物有效镉一般以水溶态或离子交换态的形式存在，当土壤pH值上升，会促使水溶态及离子交换态的Cd2+生成Cd(OH)2或CdCO3沉淀，从而降低土壤中镉的生物有效性，减少作物对Cd2+的吸收积累[22]。沸石及钙镁基膨润土均为碱性物质，将这类材料添加到土壤后能够使土壤的pH值升高。本试验向土壤施加不同剂量的沸石、钙镁基膨润土后，土壤pH值大都呈现出上升的趋势。各沸石处理对土壤pH值未造成显著影响，且随着沸石剂量的增加土壤pH值出现了先降后升的趋势，这与王宏鹏[23]的试验结果相似，导致这种现象的原因可能是由于沸石中的氧化铝成分以及沸石的特殊结构使其对土壤pH值具有一定的缓冲作用。钙镁基膨润土处理则显著提升了土壤pH值，这种提升随着剂量的增加而增大，此外钙镁基膨润土处理对土壤pH值的影响也显著高于沸石处理，这可能与2种材料的pH值有关，试验用沸石pH值为8.25，而钙镁基膨润土为10.10，由于钙镁基膨润土pH值高于沸石，因此对于土壤pH值的提升更为显著。本试验中，钙镁基膨润土会显著提升土壤pH值导致土壤碱化障碍加剧，是否会对其他土壤理化性质产生不良影响尚不明确，故能否大面积应用于北方石灰性镉污染土壤仍需进一步探究。

试验中沸石处理均未对土壤有效镉含量造成显著影响，而钙镁基膨润土的添加剂量≥ 0.4%能显著降低土壤有效镉含量，< 0.4%能降低土壤有效镉含量但影响不显著(P> 0.05)。结合不同处理下土壤pH值与有效镉含量来看，在一定范围内随着土壤pH值的升高，土壤有效镉含量逐步降低，说明通过提升土壤pH值的方式来降低土壤中镉的生物有效性切实可行。

3.2 2种改良剂对小白菜生长的影响

3.2.1 2种改良剂对小白菜生理特征的影响 总体来看，沸石对小白菜的生长以及有效镉含量的降低存在一定的影响，但均未达到显著水平(P>0.05)，而钙镁基膨润土对其则展现出更为显著的作用。肖光华等[24]研究认为，在一定限度内土壤pH值的升高可以提高膨润土对土壤养分的固持作用，使养分的释放更均衡、持久，从而促进植物更好生长，但土壤pH值过高会对植物萌发生长产生不良影响。本试验中，当钙镁基膨润土的添加剂量超过0.3%(T3～T6)，会显著抑制小白菜的发芽率，这可能是由于较高剂量的钙镁基膨润土(T3～T6)会大幅提升土壤pH值，导致土壤pH值升高至8.67以上，从而抑制小白菜发芽。小白菜属于叶菜类植物，叶绿素是其重要参数指标，正常生长情况下叶绿素含量是表征小白菜进行光合作用的重要参数，能够反映出小白菜的长势情况[25]，试验中除较高添加剂量T5处理外，其余添加剂量的钙镁基膨润土处理均能够显著提高小白菜叶绿素含量(P<0.05)，小白菜干物质积累量也展现出相近的趋势。钙镁基膨润土含有较高含量的钙和镁，钙和镁均为植物必需营养元素，其中钙元素能够增强植物对环境胁迫的抵抗能力，当植物原生质膜上的Ca2+被重金属离子取代时，就会发生细胞质外渗，从而导致植物选择性吸收能力下降，增加介质的Ca2+浓度能够提高作物细胞离子吸收的选择性并减少溶质外渗，因此，施钙能够在一定程度上减轻重金属对作物造成的毒害作用；镁元素的主要功能是作为叶绿素a和叶绿素b卟啉环的中心原子，在叶绿素合成和光合作用中起重要作用，只有镁原子与叶绿素分子结合后，作物才能够有效地吸收光量子进行光合碳同化反应，此外钙、镁元素对植株中的某些酶有活化作用，如Ca-ATP、Mg-ATP、RUBP等，对营养物质的运输以及植株生长具有积极作用[26]；因此，钙镁基膨润土能够通过提供钙镁元素来提高小白菜在镉污染与碱性环境胁迫下的抵抗适应能力与叶绿素的合成能力，这可能是试验中钙镁基膨润土处理能够提升小白菜干物质积累量与叶绿素含量的原因。从试验数据的趋势走向来看，小白菜的干物质积累量与叶绿素含量呈现出高度的一致性，沸石处理均随剂量的增加逐步降低，钙镁基膨润土处理则呈现出先增高后降低的趋势。值得注意的是，小白菜的发芽率、干物质积累量、叶绿素含量均在添加0.3%钙镁基膨润土(T2)时达到峰值，因此，可认为本试验中T2处理对小白菜的生长增益效果最好。

3.2.2 2种改良剂对小白菜镉含量的影响 通过向土壤施加不同剂量的2种改良材料，土壤pH值均有所提升，致使土壤中有效态镉含量出现不同程度的下降，因此，小白菜地上部对镉的吸收积累也相应减弱。按照《食品安全国家标准—食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中对于叶菜蔬菜镉限量值的规定(≤ 0.2 mg/kg)[27]，本试验中添加钙镁基膨润土的处理小白菜镉含量均达到该标准的规定要求。

当土壤有效镉含量降低时，小白菜对土壤中镉的吸收和积累减少，因此，小白菜地上部镉含量也应相应降低；但通过对比土壤有效镉含量与小白菜地上部镉含量的数据发现，沸石处理在这两项指标上展现出了相近的趋势，而钙镁基膨润土处理则截然不同。随着添加剂量的增加，T2～T5处理土壤有效镉含量逐步降低，小白菜地上部镉含量反而逐步升高。导致这种现象产生的原因可能是镉元素的生物浓缩作用，T2～T5处理对小白菜地上部干物质积累量的增益效果逐步降低，虽然此时土壤有效镉含量降低，但小白菜地上部干物质积累量下降程度更大，导致镉元素在小白菜体内发生生物浓缩，从而使T2～T5处理出现小白菜镉含量逐步上升的现象。因此，在土壤修复的过程中不单要考虑土壤中的重金属含量，也要注意修复材料对植株生长产生的影响，在降低土壤目标元素含量的同时要保证植株正常生长，避免生物浓缩作用带来的一系列潜在危害。

3.3 钙镁基膨润土用于北方石灰性镉污染土壤修复的优势分析

沸石和膨润土均为黏土矿物类改良剂，此类材料多数具有层状结构、大量微孔、众多的表面羟基和一定量的负电荷，具有巨大的比表面积，对重金属具有良好的吸附作用[28-29]。水田或水旱轮作区的镉污染农田中，沸石能有效固定土壤中的镉，从而降低土壤中镉的生物有效性，这与沸石发挥吸附作用需要以溶液作为介质具有一定的关系[30]。而在北方旱作农田中，由于土壤相对含水量一般较低，沸石对重金属的吸附作用发挥也就较为困难，本试验在小白菜生长期间水分管理条件为田间持水量的70%，值得注意的是：水分管理条件尽管达到较高水平，但仅是针对北方旱作土壤而言，这样的土壤含水量仍远低于南方水田及湿润土壤，这可能是导致试验中沸石处理未能对土壤有效镉含量造成显著影响的原因。由于北方旱作农田的农业操作习惯及土壤相对含水量较低的问题，单一使用沸石作为本区域镉污染农田的原位钝化修复材料的效果不佳，未能显著降低小白菜镉含量。徐奕等[31]研究表明，在干湿交替灌溉的水分条件下，膨润土对镉污染的修复要优于湿润灌溉条件，主要体现在干湿交替处理下作物有更高的生物量并且作物各部位镉含量均低于湿润灌溉田间的处理，这表明膨润土可能更加适用于水分含量较低的污染土壤。赵兴杰等[32]研究发现，利用沸石与钙基膨润土对不同程度镉污染的石灰性土壤进行修复改良，在短期内(≤ 120 d)钙基膨润土处理的土壤中有效镉含量较沸石处理更低，本试验中的试验结果也体现出了相似的规律。鉴于此膨润土可能更加适用于土壤含水量较低的北方石灰性镉污染土壤的修复。

3.4 试验存在的不足

试验设计时考虑到测定叶绿素指标需要采集新鲜叶片剪碎研磨，但叶片经研磨后就难以进行烘干称质量操作，若每株小白菜均采集新鲜叶片进行叶绿素指标测定就会导致后续小白菜地上部干物质积累量测定不精准，出于对该情况的考虑，在不同处理的3个重复中各选择1株长势相同的小白菜，用于小白菜叶绿素的提取和含量测定。但试验结束通过整理数据发现，用于测定叶绿素含量的单片叶经小白菜含水率换算后干质量仅为0.02 g左右，而该质量对试验中小白菜地上部干物质积累量(3.30～4.26 g)的影响可以忽略，因此，在后续的研究中可以忽略叶绿素测定叶片对干物质积累量测定产生的影响，也可以通过测定小白菜的干鲜质量计算含水率，换算出完整的小白菜干物质积累量。通常植物能够吸收利用的重金属形态为有效态，因此，在试验中仅测定了土壤中有效态镉的含量，没有考虑其他形态镉的变化，后续的试验中应注意施用改良材料后土壤中镉形态的变化，通过重金属的形态变化对钝化改良机理进行更为深入的探究。

3.5 结论

较沸石而言，在土壤含水率较低的北方旱作农田，钙镁基膨润土对石灰性镉污染土壤的修复效果更好，一定剂量下(≥0.4%)能够显著降低土壤有效镉含量。在北方石灰性镉污染农田土壤中，施用钙镁基膨润土可以有效降低土壤中镉的生物有效性，进而减少目标作物对镉的吸收和累积。但施用量需特别注意，避免影响目标作物的萌发和生长，造成减产。此外，钙镁基膨润土会显著提升土壤pH值，因此能否大面积应用于北方石灰性土壤仍需进一步探讨。综合质量和产量因素分析，添加0.3%(质量分数)钙镁基膨润土在有效减少小白菜地上部镉含量的同时，可增加小白菜地上部干物质积累量和叶绿素含量，促进小白菜的生长。