含钙无机钝化剂与米糠联用对镉污染土壤的原位修复

舒冉君，吕文英，余乐洹，龚玉莲，佘婷婷，李云辉，黄更生

(1.广东第二师范学院 生物与食品工程学院，广州 510303：2.广东工业大学 环境科学与工程学院， 广州 510006；3.广东高校应用生态工程技术开发中心，广州 510303)

1 引言

镉(Cd)是一种高毒性、分布普遍的重金属，土壤中Cd污染主要来源于采矿、有色金属冶炼以及污水、农药化肥废弃物等生产活动。土壤受重金属Cd污染，往往导致土壤肥力退化，农作物重金属含量超标。Cd会毒害植物生长或者通过食物链的传递危害人体健康[2]。我国华南地区土壤以赤红壤、红壤和砖红壤为典型代表[3]，酸性或弱酸性的土壤环境更有利于Cd的释放、迁移，从而进一步加剧其生态毒性效应。

土壤重金属稳定化技术是在土壤中添加无机或有机物质作为钝化剂将土壤中高生物有效性的重金属含量降低，以减少对生态系统以及人体危害。国内外已进行了大量关于钝化剂修复重金属污染土壤的研究，常见的钝化剂包括无机钝化剂(如磷酸盐、碱性物质、碳酸盐、硫化物、硅酸盐等)和有机钝化剂(如有机酸、有机肥料、有机质、生物乳化剂等)两大类[4]。然而使用单一钝化剂，存在修复效果低，易破坏土壤生态环境体系平衡，或仅对部分重金属具有选择性修复效果，难以满足实际污染土壤的改良修复要求等弊端，因而复配钝化剂的施用成为近年来研究的热点。

农业副产物在土壤中长期施用是一个类似堆肥的过程，能够产生腐殖质从而促进重金属与土壤的团聚、降低重金属生物有效性，同时其使用成本低廉，具备良好的应用潜力，受到研究者的青睐[5]。已有研究表明，复配使用生石灰+有机肥[6]、熟石灰+蚕沙[7]、石灰+猪粪[8]、海泡石+磷酸盐[9]对Cd污染土壤进行修复比单独使用其中一种钝化剂在修复效果、土壤性能改善、经济效益等方面都更具优势。而从前期的研究[10]也发现，米糠(rice bran，RB)作为复配钝化剂的成分之一用于土壤铅(Pb)污染修复获得了令人满意的修复效果，但用于Cd污染修复尚未见类似报道。如上所述，华南红壤区重金属污染胁迫压力大，同时Cd的生物毒性当量较Pb更高，对Cd污染土壤的原位修复技术研究因此十分必要且紧迫。本文以米糠与氧化钙(CaO)和过磷酸钙(SSP)复配为钝化材料，用于Cd污染土壤的修复，在探究钝化效果的同时考察复配钝化剂对土壤理化性质的改良程度，为米糠的资源化利用和酸性土壤的Cd污染修复提供参考。

2 材料与方法

2.1 材料

供试土壤样品取自广州大学城林地表层(5～10 cm)，为赤红壤，经自然风干、除杂、粉碎、过筛等处理后备用。测得原始土样pH值为5.6，有机质含量为45.30 g/kg。以硝酸镉溶液形式加入Cd元素，于室温下陈化90 d，制得Cd污染土样。测定其基本理化性质如下：pH值为5.5，有机质含量为35.38 g/kg，总Cd 9.28 mg/kg，总Pb 24.13 mg/kg，总Cu 29.36 mg/kg，总Zn 44.52 mg/kg。

米糠是稻谷制作成大米过程中的副产物，主要成分为纤维素、蛋白质、氨基酸等，有机质含量超过99%，未检出重金属Cd；CaO、SSP购自广州化学试剂公司，为分析纯级别。

2.2 实验设计

依据课题前期试验结果[11]确定米糠的最佳投加量为供试土壤质量的6%时，对土壤理化性质的改良效果以及经济效益较为合适，参考文献氧化钙的添加量为2%。实验设置6个处理组，每个处理组3个重复，分别为：①对照组；②6%RB处理组；③2%CaO处理组；④0.6%SSP处理组；⑤6%RB+2%CaO处理组；⑥6%RB+0.6%SSP处理组。按上述实验方案将土壤与钝化剂充分混合均匀，室温下放置，保持50%左右的含水率，分别在第20 d、40 d、60 d时取样，测定Cd的不同形态的浓度及其浸出毒性，并检测pH值、有机质含量及酶活性(过氧化氢酶、脲酶)等土壤理化性质指标。

2.3 测定方法与数据处理

土壤pH值[12]和土壤有机质含量[13]测定均采用相应的国标方法；土壤过氧化氢酶和脲酶活性测定采用滴定法[14]；土壤重金属总量提取用四酸消解法[15]；Cd形态用BCR法[16]提取，Cd的浸出浓度用TCLP法[17]提取，用火焰原子吸收分光光度计(日立Z-2000)测定BCR和TCLP提取液中的Cd浓度，所有溶液上机前过0.45 μm滤膜。

采用Origin进行作图，采用SPSS 25.0进行数据的统计分析。各处理组各测定指标之间的比较采用单因素方差分析(ANOVA)，两两比较采用LSD事后检验，显著性水平设为0.05。

3 结果与讨论

3.1 对土壤有机质的影响

土壤有机质具有的活性位点对阳离子能产生吸附作用，从而能降低土壤中可活跃态Cd的含量[18]。由图1可知，与对照组相比，单独添加6%米糠可显著提高土壤有机质含量(+90.02 %，p<0.05)，单独施用无机钝化剂则对土壤有机质含量没有显著影响(0.6%SSP处理组和2 %CaO处理组，p>0.05)。当无机钝化剂与米糠联用后，与单施2 %CaO和单施0.6%SSP相比，有机质含量分别增加了70.33%和73.55%，表明米糠的添加可以有效缓解CaO对土壤有机质的破坏；米糠与过磷酸钙联用，不仅能提高土壤有机质含量，从而提高磷肥的利用效率，反过来磷还可促进米糠在土壤中的腐殖化[19]。

图1 不同钝化剂对Cd污染土壤有机质含量的影响(60 d)

3.2 对土壤pH值的影响

pH值大小与重金属在土壤中的环境化学行为息息相关。土壤pH值的改变，一方面会影响土壤胶体表面电荷的分布[20]，从而影响重金属的吸附-解吸平衡；另一方面，重金属磷酸盐、碳酸盐等难溶物的溶解度也会随土壤pH值变化而产生变化，从而改变重金属在土壤中的赋存形式，因而在重金属钝化研究中是一个重要的观测指标。总体上，较高的pH值有利于包括Cd在内的大部分重金属的固定。而有机物添加到土壤中可通过改变土壤pH值和氧化还原电位，从而影响重金属的沉淀-溶解平衡[21]。由图2可以看出，不同钝化剂的施用不同程度地提高了土壤的初始pH值，以CaO的调节效果最为显著，与已有的研究结果相符[11]。与单独投加CaO相比，米糠的加入使得土壤pH值有所降低，且随时间的推移pH值下降明显(图2)。米糠本身含有羧基(-COOH)[22]，在施加了CaO的碱性土壤环境中会中和一部分OH-，同时米糠腐熟后形成的腐殖质物质含有的酸性官能团也可与OH-反应，从而导致pH值较单施CaO时降低。过磷酸钙与米糠复配使用，则一定程度上较单独施用过磷酸钙对土壤pH值有一定的改善效果(图2)，尽管不显著(p>0.05)。

3.3 对土壤酶活性的影响

土壤酶活性反映了土壤中进行各种生物化学过程的动力和强度，许多研究均表明土壤酶活性可以作为土壤肥力、土壤质量和微生物活性的重要指标[23]。经过60 d的钝化，各处理组土壤的脲酶和过氧化氢酶活性如图3所示。

注：A～D、a～f分别表示初始和60天时的 各实验组数据的差异情况

注： a～f、A～F分别表示过氧化氢酶和脲酶活性各实验组 数据的差异情况

不同钝化剂存在的土壤环境中，脲酶活性从大到小依次为：6 %RB处理组(2.59×10-3mg/g)>6%RB+0.6%SSP处理组(1.63×10-3mg/g)>6%RB+2%CaO处理组(5.77×10-4mg/g)>对照组(4.53×10-4mg/g)> 0.6%SSP处理组(3.26×10-4mg/g)> 2%CaO处理组(2.39×10-4mg/g)。脲酶活性通常反映土壤对氮元素的转化能力，与土壤的微生物量、有机质含量等指标正相关[24]。本研究中不同处理组土壤有机质含量大小与脲酶活性高低表现出高度一致的趋势，印证了两者的相关关系。米糠中含有大量酶，对土壤酶量有增加作用[25,26]；另一方面米糠能够为产酶微生物提供丰富的营养来源，有利于微生物的繁殖[27,28]，这些因素都促进了脲酶活性的提高。

过氧化氢酶在防止活性氧对生物体造成损伤方面发挥着重要作用，其活性大小一定程度上反映土壤的生物代谢能力[29]，是影响土壤肥力的一个关键酶。经过60天钝化处理，过氧化氢酶活性相比对照组均有所增加，且复配钝化剂处理组比单独施用过磷酸钙或米糠表现出更好的改善效果(图4)。单施CaO处理组的过氧化氢酶活性最大(3.81 mg/g)，其次是RB+CaO处理组(3.00 mg/g)，这是因为过氧化氢酶活性受pH值影响较大，pH值在6～10时的活性最佳，过高或过低的pH值都会使其活性受到抑制[30]。结合本实验不同处理组的土壤pH值(图2)，此结果符合预期。

3.4 对Cd稳定效率的影响

土壤中重金属的稳定效率是评判钝化材料钝化效果的重要指标，由下式计算得到：

(1)

式(1)中:ci和ce分别为污染土壤钝化前、后某种金属元素的浸出浓度(mg/L)。

注：a～c,a1～e1,a2～e2等分别表示不同钝化时间 各实验组之间数据的差异情况

从图4可以看出，复配钝化剂的使用对Cd的稳定效果总体上均好于单一钝化剂，在短期内(20 d)稳定效率就分别达到25.42%(6%RB+2%CaO)和21.11%(6%RB+0.6%SSP)，较单一钝化作用提高了106.00%(6%RB+2%CaO vs. 2%CaO)和76.36%(6%RB+0.6%SSP vs. 0.6%SSP)。对于6%RB+2%CaO的复配钝化剂，米糠加入土壤后形成的有机质有利于Cd在土壤胶体表面的吸附络合[31]，同时CaO的加入提高了土壤pH值，使Cd的迁移性减小。对于6%RB+0.6%SSP复配钝化剂，其钝化效果的改善可能有三部分原因：一是过磷酸钙对Cd的直接沉淀作用[32]，二是米糠的吸附和络合作用，三是过磷酸钙对米糠腐殖化的促进，腐殖质中的富里酸能与Cd形成难溶络合物，降低土壤中Cd的迁移性[33]。对添加不同钝化剂土壤颗粒表面形貌进行电镜扫描(图5)，显示米糠的存在使得土壤颗粒表面纹理更粗糙，可能促进了土壤团聚体的形成，有利于Cd的稳定。

3.5 对Cd形态分布的影响

已有研究表明，土壤中重金属的酸可提取态为生物可利用态，可还原态为潜在生物可利用态，氧化态、残渣态为稳定状态，植物难以直接吸收[34]。由图6可知，土壤中Cd形态主要以弱酸提取态和可还原态为主，但与对照相比，钝化剂的加入均不同程度地促进了Cd形态向可氧化态和残渣态转化。米糠上含有近25%的羟基、羰基等含氧官能团[13]，能够与Cd发生表面络合和吸附；另一方面投加米糠使土壤pH值有所增高，也是引起土壤中Cd钝化的一个原因。对于含钙无机钝化剂而言，Cd形态的转化则主要是由于水解产生的Ca2+和Cd2+发生共沉淀而导致的[35]。与单独施加CaO相比，米糠和CaO复配处理组土壤中Cd的比例，酸可提取态减少了15.00%残渣态增加了113.30%；而与单独施加过磷酸钙相比，米糠和过磷酸钙复配处理组Cd的比例酸可提取态减少了16.80%，残渣态增加了88.35%，表明米糠与这两种无机钝化剂联用可对降低土壤Cd的生物可利用性起到一定的协同作用(图6)。

4 结论

(1)含钙无机钝化剂与米糠联用，对土壤pH值具有缓冲作用，可提高弱酸性土壤的pH值，降低碱性土壤的pH值。

(2)在CaO钝化剂环境中的米糠的加入，可有效提升有机质的含量，能促进土壤中2种重要酶(过氧化氢酶和脲酶活性)的活性，能有效改善土壤生态体系。

图5 添加不同钝化剂土壤的扫描电镜(SEM)

图6 不同钝化剂对重金属Cd形态分布的影响(60 d)

(3)米糠的加入使得无机钝化剂CaO、过磷酸钙对土壤中Cd的钝化效果，优于它们单独施用时的效果，其中以米糠与CaO联用效果最佳。但考虑到CaO的施用通常较易导致土壤的板结，而过磷酸钙除了起到钝化的作用外还作为磷肥使用，因此在实际应用时应结合所要修复土壤的类型、理化性质以及水热状况选择合适的复配钝化剂。