蛭石修复城郊镉污染菜地土壤研究

李剑睿，徐应明

(1.太原工业学院，山西太原 030008；2.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191)

随着我国经济的快速发展和城镇人口数量的大幅增加，城郊农业在农业生产全局中的地位日益凸显。2020年，蔬菜种植面积超2 000万hm，总产量超7亿t，其中，山东省、河南省和江苏省位列前三。全国范围看，约20%的菜地土壤镉含量超过环境质量二级标准(GBⅡ 15618—1995)限量值(0.60 mg/kg)。镉是土壤中移动性和生物毒性最大的重金属元素，易被农作物根系吸收而在体内可食部位累积超标，最终造成人体镉暴露的潜在风险。

污染农田修复技术包括植物提取、客土法、微生物修复等，然而，因其修复成本高、治理效率低、对环境有害，在大田修复示范推广中受到不同程度的限制。化学钝化修复技术因低成本、易操作和高效率而受到广泛关注。其中，黏土类矿物在自然中储量丰富，是一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物，其结构层带负电、比表面积和阳离子交换量较大，是理想的土壤重金属阳离子钝化剂。然而，重金属污染菜地农艺措施(如作物品种筛选)联合黏土类矿物施加的修复报道较少，如何发挥农艺措施对化学修复的协同强化作用、提高化学修复的效率是该研究关注的重点。

作为我国餐桌蔬菜消费的主角，与根茎和豆科类相比，叶菜对镉的吸收能力较强。笔者在盆栽不同油菜品种种植试验条件下，研究黏土类矿物蛭石施用对土壤有效镉含量、油菜生物量和油菜体内不同部位镉含量，以及对土壤指示酶活性、油菜叶片抗氧化酶活性的影响，为镉污染菜地修复提供参考。

1 材料与方法

黏土类矿物蛭石购于河北省，用作土壤镉的钝化剂。蛭石形成过程中，Al在晶体结构四面体位置取代Si，Mg和Fe在八面体位置取代Al，其氧化物组成为SiO、AlO、MgO和FeO。蛭石的pH和阳离子交换量(CEC)分别为9.03和421.8 mmol/kg，具体分析方法参照文献[13]执行。蛭石对镉的钝化主要通过结构表面的负电荷离子与Cd的静电吸附反应和Al/Si-O与Cd的内络合物形成反应来实现。

供试土壤采自山西省城郊菜地，土壤污染主要由农药化肥施用和城镇废水灌溉引起。菜地土壤总镉含量为1.83 mg/kg，高于土壤环境质量三级标准(GB Ⅲ 15618—1995)限量值(1.00 mg/kg)。供试土壤pH和CEC分别为7.22和122.1 mmol/kg。

供试作物油菜(L.)华骏2号和寒绿属于叶菜类蔬菜，当地气候条件下的平均生育期为60 d。

盆栽试验随机区组排列，供试土壤风干后过2 mm筛后装入塑料盆中(高15 cm，直径20 cm)，每盆装土1.5 kg。2021年4月，蛭石与盆内土壤混合均匀，蛭石施用剂量设0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 6个水平，田间持水量下稳定30 d。2021年5月，经消毒、浸泡处理的油菜种子播种于盆内，待幼苗4片真叶时每盆间苗2株。2021年7月收获植物，65 ℃烘箱内烘至恒重备用。植物样品用不锈钢研钵粉碎，土样过2 mm筛后进行化学提取态镉的分析，土样过0.15 mm筛后进行全镉的测定。

土壤、植物样品全镉含量分别采用HNO-HClO和HNO消解、原子吸收分光光度计(AA6880，日本岛津)测定。土样有效态镉含量采用0.025 mol/L HCl提取法测定，即5.0 g土样加25 mL提取剂，振荡1 h后离心取上清液待测。

植物收获后采集新鲜土样用于土壤酶活性测定。脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法测定。0.5 g新鲜植物叶片冰镇条件下磷酸缓冲液粉碎处理、4 ℃离心处理后获得上清液，作为抗氧化酶待测原液。超氧化物歧化酶(SOD)活性以抑制NBT光化学还原能力来计算，过氧化物酶(POD)活性以470 nm波长下吸光度的增加来评价。

所有处理重复3次，数据均值和标准差采用Microsoft Office Excel 2010计算，采用SAS 9.1进行方差分析。同一品种各指标差异显著性采用LSD(least significant difference)检验进行多重比较分析，品种间各指标差异显著性采用检验分析(<0.05)。

2 结果与分析

从表1可看出，土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿种植下的土壤有效镉含量无显著差异，有效态镉含量占总镉含量的比例约30.0%，远低于酸性土壤中近50%的可提取镉比例。华骏2号种植下，蛭石施用可降低有效镉4.8%～17.7%(<0.05)。土壤钝化处理后，寒绿种植下的土壤有效镉降低了5.9%～25.0%(<0.05)。

由表2可知，土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿地上部生物量无统计学意义差异。施加0.5%～1.5%蛭石下，华骏2号、寒绿地上部生物量分别增加了14.8%～33.3%和20.8%～45.8%(<0.05)。施用量超过2.0%时，地上部生物量受到抑制。显然，适量的蛭石施用促进了油菜地上部生长，镉对植株生长的氧化胁迫效应下降。土壤钝化处理后，华骏2号、寒绿根系生物量最大增幅分别为83.3%和100.0%(<0.05)，根系生物量的增幅远高于地上部。蛭石处理土壤镉的生物有效性显著下降，减轻了镉对油菜生长的毒害，生物量大幅增加。

表1 不同油菜品种土壤有效镉含量

表2 油菜不同部位生物量

从图1可以看出，油菜体内镉含量按根系、地上部次序递减，华骏2号和寒绿地上部、根系镉含量均差异显著。土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿地上部镉分别为0.37和0.52 mg/kg，均超过国家标准(GB 2762—2012)限量值(0.20 mg/kg)。蛭石施加显著降低了油菜地上部镉含量，华骏2号、寒绿地上部镉分别降低了16.2%～56.8%和11.5%～48.1%(<0.05)。2.0%蛭石处理的华骏2号地上部镉含量低于0.20 mg/kg，2.5%处理下的寒绿地上部镉含量仍高于0.20 mg/kg。因此，单一的蛭石钝化或品种筛选难以获得油菜安全生产所需的修复效果，蛭石施加联合华骏2号种植可以实现油菜的安全生产。此外，随着蛭石施用量的增加，根系镉含量逐步下降，华骏2号、寒绿的根系镉含量分别降低了9.6%～39.4%和7.0%～39.2%(<0.05)。

镉转移因子为地上部和根系的镉含量比值，是评价植物体内镉累积和转运效率的重要指标。从表3可以看出，土壤未施加蛭石下，华骏2号和寒绿的转移因子无显著差异(>0.05)。土壤钝化处理后，镉转移因子明显下降；2.5%施用量下，华骏2号和寒绿的转移因子分别为未施加蛭石处理的63.9%和87.9%(<0.05)。

注：不同小写字母表示同一品种不同蛭石施用量间差异显著(P<0.05，LSD检验)，不同大写字母表示同一蛭石施用量不同品种间差异显著(P<0.05，t检验)Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different vermiculite additions of the same variety(P<0.05，LSD test)，and different capital letters indicate significant differences among different varieties of the same vermiculite addition(P<0.05，t test)图1 油菜不同部位镉含量Fig.1 Cadmium content in different parts of rape

根系净吸收镉为植株地上部和根系镉的总累积量与根系干重的比值，其控制着植株地上部镉含量。由表3可知，土壤未钝化处理下，华骏2号的根系净吸收镉仅为寒绿的66.8%，表明华骏2号根系对土壤镉的吸收能力较弱。蛭石处理的根系净吸收镉明显下降，华骏2号和寒翠的根系净吸收镉分别降低了18.1%～60.9%和12.3%～63.0%。

表3 根系净吸收镉和转移因子

土壤中金属污染物与酶的活性基团结合形成不溶性络合物或破坏氢键而使酶失活，土壤重金属的钝化促进了农田生态系统功能的恢复，土壤生物活性、肥力指标显著改善。从图2可以看出，施用蛭石后，脲酶活性随施用量的增加呈现先下降后上升的趋势，华骏2号种植下，2.0%蛭石处理的脲酶活性最大，增幅达23.7%；寒绿种植下，2.5%处理的脲酶活性最高，增加了30.2%(<0.05)。此外，磷酸酶活性随施用量的增加而逐渐升高，与未钝化处理相比，华骏2号、寒绿种植下的磷酸酶活性分别增加了15.2%～66.7%和16.0%～80.0%(<0.05)。

植物在重金属胁迫下会产生破坏细胞膜的氧自由基(O)。SOD能催化O生成HO来降低氧自由基浓度，POD能催化HO水解生成HO和O。蛭石施用对土壤镉的生物有效性产生影响，导致植物生理指标发生变化。由图3可知，蛭石处理使华骏2号、寒绿叶片SOD活性分别提高了17.1%～50.4%和16.8%～54.0%。0.5%～1.5%低蛭石施用量下，油菜叶片POD活性明显增强，华骏2号、寒绿叶片POD活性分别增加了3.8%～26.6%和5.6%～27.9%。

3 讨论

不同基因型叶菜的镉累积能力差异明显。土壤未施加蛭石下，华骏2号地上部镉含量低于寒绿，由于华骏2号和寒绿地上部生物量和转移因子无差异，因此，根系净吸收镉是影响油菜地上部镉含量的主导因素。植物体镉累积主要受与根系镉吸收相关的载体蛋白表达、与土壤镉生物有效性有关的根系分泌物和根系形态等因素控制。

蛭石是钝化土壤镉的理想材料，蛭石施用降低了油菜根系、地上部镉含量，且华骏2号地上部镉含量的降幅高于寒绿，表明华骏2号体内镉累积对土壤有效镉含量的变化较敏感。研究发现，蛭石处理土壤中生菜、菠菜体内镉含量低于对照组，当蛭石施用量为10%时，植株地上部镉含量降幅均超60%。试验表明，土壤黏土类矿物施加量为3%～9%时，叶菜地上部镉含量降低了8.6%～27.9%，根系镉含量下降了7.1%～13.4%，重金属镉的环境潜在风险大幅降低。

注：不同小写字母表示同一品种不同蛭石施用量间差异显著(P<0.05，LSD检验)Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different vermiculite additions of the same variety(P<0.05，LSD test)图2 不同蛭石施用量下土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activities under different vermiculite addition

图3 华骏2号(A)和寒绿(B)叶片抗氧化酶活性Fig.3 The activities of antioxidant enzymes in leaves of Huajun-2(A) and Hanlü(B)

土壤镉生物有效性的降低导致土壤酶活性的变化。研究表明，黏土类矿物施加改善了土壤环境质量，过氧化氢酶、脲酶活性以及细菌和放线菌数量显著增加，蔗糖酶活性、真菌数目较对照组无显著变化，土壤指示酶活性、微生物种群和植物营养元素有效性等都有改善，污染农田土壤生态系统功能逐步恢复。此外，蛭石处理的土壤中，油菜对重金属镉胁迫抗性显著提高。田间示范修复发现，重金属污染土壤1.0～3.0 kg/m的黏土矿物施用缓解了镉对植物生长的氧化胁迫，因其提高了根和叶片抗氧化酶的活性和巯基化合物的含量，镉诱导产生的氧自由基对植物细胞的损伤作用明显减轻。显然，钝化处理后显著增加的油菜生物量是土壤-作物系统功能向好的重要指标。

4 结论

土壤蛭石施加联合华骏2号种植技术使油菜地上部镉含量低于我国食品中污染物标准(GB 2762—2012)限量值(0.20 mg/kg)，其为推荐的镉污染菜地土壤修复技术。土壤钝化处理后，华骏2号地上部镉含量的降幅高于寒绿，蛭石钝化土壤镉的修复效果较好。施加蛭石后，土壤指示酶活性、油菜叶片抗氧化酶活性整体升高，土壤作物系统功能逐步恢复。