土壤改良劑對污染土壤及栽培蕹菜Pb、Cd含量的影響

陸素芬 曹晶瀟 田美玲

摘要：為了研究受酸性尾礦渣沖刷造成的低濃度Pb、Cd污染土壤的鈍化效果，篩選出降低土壤及蕹菜體中有效態(tài)Pb、Cd含量的改良劑。通過盆栽試驗研究了尾礦污染土壤中施用石灰、鈣鎂磷肥、泥炭、活性炭和聚丙烯酸鈉5種改良劑對蕹菜（water spinach）的生長發(fā)育、Pb、Cd含量特性的影響，分析了施用改良劑后土壤pH值和有效態(tài)Pb、Cd含量的變化。研究表明，復(fù)合改良劑的施用不僅可以明顯提高蕹菜地上部鮮質(zhì)量，還可以降低蕹菜中鉛、鎘的含量。施加1%生石灰后的土壤pH值的均值為5.95，明顯高于未修復(fù)的土壤，結(jié)合蕹菜鮮質(zhì)量及其體內(nèi)Pb、Cd的含量，施用1%生石灰、0.2%鈣鎂磷肥、6%泥炭、0.4%活性炭和0.1%聚丙烯酸鈉后改良礦區(qū)污染土壤的效果最好?？傮w上講，施用改良劑對輕微Pb-Cd污染的酸性農(nóng)田土壤有修復(fù)作用，能夠確保蕹菜的種植安全性。

關(guān)鍵詞：鉛鎘污染;鈍化;土壤改良劑;蕹菜;生長

中圖分類號： S151.9+3;S156.2 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0278-04

礦山尾砂庫垮壩導(dǎo)致的污染物遷移和擴散，不僅會導(dǎo)致大面積的土地污染，下游土地的重金屬含量升高，土壤酸化，有機質(zhì)含量降低和土壤板結(jié)[1-2]，而且會影響農(nóng)產(chǎn)品的生長及品質(zhì)，最終危害到人體健康和生命安全。土壤的酸堿度、理化特性及重金屬與農(nóng)作物有著密切的聯(lián)系。因此，探討Pb-Cd污染對農(nóng)作物生長的影響，為防止Pb-Cd污染和土壤修復(fù)具有重要意義。在農(nóng)產(chǎn)品的生長發(fā)育中，土壤中的污染物會在農(nóng)產(chǎn)品體內(nèi)不同程度地累積。相關(guān)報道顯示，由于受到采礦活動和冶煉業(yè)的影響，礦業(yè)周邊及下游農(nóng)田土壤出現(xiàn)板結(jié)、重金屬污染等問題。如湖南省花垣礦區(qū)[3]、廣東省樂昌鉛鋅礦區(qū)[4]、云南省個舊市郊農(nóng)作物[5]、廣西省南丹典型礦區(qū)[6]等地蔬菜中的重金屬含量超標。為了避免重金屬通過食物鏈進入人體，可多種植對重金屬富集較低的蔬菜。此外，添加土壤改良劑改變土壤結(jié)構(gòu)，通過對土壤重金屬的吸附、沉淀或絡(luò)合作用等降低重金屬向農(nóng)作物的遷移作用。施加泥炭[7]、鈣鎂磷肥[8]、有機肥[9-10]、石灰[11]等措施不僅可以改善土壤質(zhì)量，還可以降低重金屬向植物體遷移的效率[11-12]，從而達到土壤改良和修復(fù)的效果[13]。如廣西省環(huán)江毛南族自治縣受尾砂庫潰壩影響的農(nóng)田就近6 666 hm2，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)土壤板結(jié)、作物枯萎、土地荒廢等現(xiàn)象。因此，本研究針對廣西省環(huán)江毛南族自治縣受污染農(nóng)田土壤的特性，設(shè)置施加不同用量的5種改良劑（石灰、泥炭、鈣鎂磷肥、活性炭、聚丙烯酸鈉）的處理，進行蕹菜（water spinach）種植盆栽試驗。旨在了解不同環(huán)境材料對蕹菜的生長及污染土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，為修復(fù)當?shù)剞r(nóng)田土壤及改良劑的合理施用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自廣西省環(huán)江毛南族自治縣受尾砂庫潰壩影響的污染土，為典型的赤紅壤，其基本理化性質(zhì)如表1所示。選用5種土壤改良劑分別為石灰、鈣鎂磷肥、泥炭、活性炭、聚丙烯酸鈉，試驗處理如表2所示;試驗蔬菜為蕹菜，栽培試驗于2016年4月在桂林理工大學(xué)實驗基地進行模擬種植。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 土壤穩(wěn)定化處理 取污染農(nóng)田表層（0～20 cm）土壤作供試樣品，去除雜物，風干過10目篩，稱取過10目篩土樣2 kg，按照表2的配方充分混勻后放置于花盆（高20 cm，盆直徑18 cm）中進行老化（2周）。除石灰外，試驗設(shè)計按所添加的另外4種修復(fù)材料進行4因素4水平正交設(shè)計，共16個處理，每個處理4個平行，共設(shè)64個盆栽。在播種前對土壤進行老化培養(yǎng)期間，在常溫常壓下，對土壤進行澆水，確保保持土壤含水率為田間持水率的60%～70%;老化后種植蕹菜，種植周期為8周左右（可視具體的生長狀態(tài)而增加或減少其種植周期）。收獲后，分別對蕹菜的生長狀況（株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量）及可食部分進行重金屬的全量分析。

1.2.2 蕹菜種植 種子的預(yù)處理：由于蕹菜種皮厚而硬，須進行催芽，要用30 ℃左右的溫水浸種18 h，然后用沙布包好置于28～30 ℃的條件下催芽2 d，當種子有50%～60%露白時即可進行播種。將露白的種子每間隔2 cm×2 cm均勻撒種在試驗盆栽土壤中，再覆蓋0.5～1.0 cm的疏松土樣，澆透水保濕，為防止水分的快速蒸發(fā)，再在土壤上覆蓋1層干稻草。種植期間定期對蔬菜澆水，確保土壤含水率在田間持水量的60%～70%。蕹菜從播種至可收獲的生長周期為55 d，即苗高為20～30 cm時可采收。

1.3 樣品采集及測定

采用乙醇拭擦過的不銹鋼剪刀，對蕹菜地上可食部分進行采集，去除表面的雜草及污垢，分別用檔案袋收集，帶回實驗室用自來水反復(fù)清洗，去除表面泥土及灰塵，再用去離子水潤洗3～5遍，自然晾干，測量其高度和鮮質(zhì)量。在80 ℃下烘干、粉碎、備用。采用5點混合法采集試驗土壤約200 g，帶回實驗室自然風干后，分別過0.149、0.250 mm篩，備用。

土壤和植物消解參考美國國家環(huán)保局（US EPA）推薦的HNO3-H2O2[14]消解體系。土壤重金屬有效態(tài)含量的測定，采用碳酸氫銨-二乙三胺五乙酸（AB-DTPA）浸提法。土壤鎘（Cd）、鉛（Pb）含量用石墨爐-原子吸收光譜法測定。土樣的pH值、速效磷含量和有機質(zhì)含量參照《土壤農(nóng)化分析》[15]進行測定。樣品分析過程中分別加入空白樣、平行樣和國家標準的土壤樣品（GSS-6）、植物樣品（GSV-1）進行質(zhì)量控制，樣品分析過程所用試劑均為優(yōu)級純，所用水均為超純水。分析過程中的各種重金屬的回收率分別為：Cd，84.4%～113.2%;Pb，88.0%～106%，質(zhì)量控制結(jié)果符合國家標準允許范圍，符合試驗樣品分析質(zhì)量控制要求。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)均為4次重復(fù)試驗的平均值，數(shù)據(jù)表述為“平均值±標準差”，用Microsoft Office Excel 2010軟件進行整理，采用SPSS 10.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析和多重比較。用單因素方差分析方法分析盆栽試驗土壤不同處理間重金屬不同形態(tài)的差異，采用多重比較法進行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑處理對污染土壤中理化特性的影響

供試土樣的pH值為3.21。由表3可知，添加改良劑的所有處理土壤pH值均明顯高于供試土樣，且均達到適合植物生長的范圍，統(tǒng)計結(jié)果顯示，添加石灰對土壤pH值具有顯著提高作用（P<0.01）。其中，與處理1相比，復(fù)合添加修復(fù)劑處理的盆栽土壤pH值均有所提高，其中pH值增加最為明顯的是處理16（pH值=7.40）與處理15（pH值=7.27），且處理2～處理16的pH值均高于處理1?？傮w來說，復(fù)合添加劑施加水平的增加對提高土壤pH值有一定的作用。

處理3、處理7～處理16的速效磷含量均高于NY/T 391—2000《綠色食品 產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件》中Ⅰ級肥力標準（>10 mg/kg）;其中，處理4、5達到標準中Ⅱ級肥力標準（5～10 mg/kg）?？芍?，施加的修復(fù)劑能提高土壤速效磷含量， 且大部分處理可達到Ⅰ級肥力標準。添加復(fù)合修復(fù)劑的處理中，除了處理6外，其余各處理的有機質(zhì)含量均高于未施加修復(fù)劑的處理1，達到《全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準》的四級水平。

通過組間差異分析得出同一因子影響結(jié)果的離散程度，離散程度越大，說明結(jié)果受該因子影響越大。通過對添加的修復(fù)材料中不同含量的組間及組內(nèi)的差異分析得出，對pH值、速效磷含量和有機質(zhì)含量影響最大的因素為泥炭，其中pH值、速效磷含量、有機質(zhì)含量在泥炭施加量為6%時最大，均值分別為7.23 mg/kg、28.23 mg/kg和19.74 g/kg。針對4種因素對其進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表4所示，鈣鎂磷肥對土壤pH值和速效磷含量有顯著性影響，泥炭對土壤中pH值、速效磷含量和有機質(zhì)含量都有顯著性影響，活性炭只對土壤有機質(zhì)含量有顯著性影響，其余因素對土壤的pH值、速效磷含量和有機質(zhì)含量均無顯著性的影響。

2.2 不同改良劑對土壤有效態(tài)Pb-Cd的影響

總體來看，有效態(tài)Pb、Cd的含量均處于較低水平（表5）。其中，處理2、3、11的有效態(tài)Pb含量高于未施加復(fù)合修復(fù)劑的處理1，其他處理有效態(tài)Pb含量均低于處理1;除處理9有效態(tài)Cd含量高于處理1外，其余處理均低于處理1。針對土壤有效態(tài)Pb、Cd，大部分的處理達到了鈍化效果。

由統(tǒng)計分析（表4）結(jié)果可知，對土壤有效態(tài)Pb、Cd含量影響最大的因素為鈣鎂磷肥，其中土壤有效態(tài)Pb、Cd含量最小，均值分別為69.17、0.047 mg/kg。由表4可知，鈣鎂磷肥對土壤中Pb、Cd含量影響顯著;活性炭、聚丙烯酸鈉均對土壤中Pb含量影響顯著。根據(jù)施加不同含量改良劑對有效態(tài)Pb、Cd的處理效果，本試驗分析土壤有效態(tài)Pb、Cd在各因素不同水平的含量大?。ū?）。針對有效態(tài)Pb含量，施加改良劑組合為 0.4% 鈣鎂磷肥、0.4%活性炭和0.3%聚丙烯酸鈉時，其含量最小;當施加0.6%鈣鎂磷肥、2%泥炭、0.4%活性炭時，土壤有效態(tài)Cd的含量最小。

2.3 不同改良劑處理土壤種植蕹菜生長情況及鉛、鎘含量

不同處理間蕹菜植株長勢不均衡，植株最高達為22 cm，其中大部分高度為12～16 cm，而最低的株高僅4～5 cm。從實際種植情況來看，植物的長勢越茂盛越好，鮮質(zhì)量值越大越好。由表6可知，添加復(fù)合改良劑的蕹菜鮮質(zhì)量均高于處理1，說明供試土壤須施加一定量的改良劑才能確保蕹菜正常生長。各因素對蕹菜鮮質(zhì)量的影響分析結(jié)果顯示，對蕹菜生物量影響從大到小順序為泥炭>鈣鎂磷肥>活性炭>聚丙烯酸鈉，且施加6%泥炭對生物量的影響最大。

由表6可知，添加復(fù)合改良劑的蕹菜Pb含量均低于處理1。其中，處理1、2、5、6、13、14、15種植的蕹菜Pb含量均超過GB 2762—2012《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的限量值0.3 mg/kg;處理8、12的蕹菜Pb含量較低，約為 0.05 mg/kg。所有處理的蕹菜Cd含量均低于GB 2762—2012《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的限量值 0.2 mg/kg;其中，處理2、9的蕹菜Cd含量高于處理1，說明該處理施加的修復(fù)劑可能在一定程度上促進了蕹菜對Cd的吸收。由于蕹菜中Pb含量超標，筆者對其影響因素進行單因子差異性分析，結(jié)果（表4）顯示，施加鈣鎂磷肥、泥炭、活性炭對蕹菜中Pb含量影響顯著，而施加聚丙烯酸鈉影響不顯著。

3 討論與結(jié)論

土壤有效態(tài)重金屬的穩(wěn)定性會隨土壤pH值的增加而增加。通過調(diào)節(jié)土壤pH值來調(diào)控金屬絡(luò)合物的形成，調(diào)節(jié)重金屬在土壤中的行為， 重金屬的有效性會隨著堿度的增加而降低[16-17]。本試驗中施加的改良劑（生石灰、鈣鎂磷肥、泥炭、活性炭、聚丙烯酸鈉）明顯提高環(huán)江地區(qū)污染土壤的pH值，將其控制在適宜作物生長的范圍內(nèi)。施加復(fù)合改良劑對土壤pH值和速效磷含量、有機質(zhì)含量均有明顯影響，其中施加1%石灰對該區(qū)域土壤pH值有顯著的提高作用。有關(guān)研究表明，土壤施加石灰后，水溶態(tài)、交換態(tài)Pb、Cd含量隨石灰用量的增加而急劇減少[18-19]，同時土壤Pb、Cd的植物可利用性降低。此外，在未施加改良劑前，土壤氮鉀含量較高，但處于嚴重缺磷、極度酸化狀態(tài)，但在修復(fù)后前述情況均有所改善。

其中處理8蕹菜可食部分中Pb含量最低，改良劑的組合及施加量為1%生石灰、0.2%鈣鎂磷肥、6%泥炭、0.4%活性炭和0.1%聚丙烯酸鈉?？紤]所種植蕹菜的生物量與株高影響，筆者認為施加6%泥炭、0.4%活性炭的改良劑，植物的長勢最佳。綜上所述，當改良劑組合為1%生石灰、0.2%鈣鎂磷肥、6%泥炭、0.4%活性炭、0.1%聚丙烯酸鈉時，蕹菜Pb、Cd含量和生物量能達到最佳水平。

對于該區(qū)域污染土壤，相對于對照組處理1，施加復(fù)合改良劑的處理能明顯減小土壤有效態(tài)Pb、Cd遷移性和生物有效性，并達到一定的穩(wěn)定化效果。施加復(fù)合改良劑的處理中，除處理2、9外，其他蕹菜Cd含量均低于處理1，且低于GB 2762—2012《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中的相關(guān)限值，符合食品安全性的要求。但部分處理蕹菜Pb含量仍高于對應(yīng)的標準值，而均低于未施加改良劑的處理1。結(jié)合蕹菜生物量及體內(nèi)Pb、Cd含量，施加改良劑的最佳水平為1%生石灰、0.2%鈣鎂磷肥、6%泥炭、0.4%活性炭和0.1%聚丙烯酸鈉。

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