生物質(zhì)灰渣對(duì)紅壤中Cd含量及其生物有效性的影響

梁勝男++趙玲++董元華

摘要：以常見的蔬菜白菜作為供試植物，通過盆栽試驗(yàn)研究施用不同比例的生物質(zhì)灰渣對(duì)污染紅壤pH值、Cd生物有效性的影響。結(jié)果表明：模擬Cd污染紅壤中，添加灰渣量越多，土壤pH值增加越明顯，當(dāng)灰渣添加比例為10%時(shí)，土壤pH值達(dá)到最大，土壤趨于中性。土壤非根際土有效態(tài)Cd含量隨著灰渣添加量增加而降低，當(dāng)灰渣添加量達(dá)10%時(shí)，有效態(tài)Cd含量低于儀器檢出限，且與對(duì)照相比，各處理均顯著差異。隨著灰渣添加量的增加，白菜地上部與地下部吸收的Cd含量明顯降低。由此可見，在酸性污染紅壤中添加一定量的灰渣，能達(dá)到較好地抑制白菜對(duì)Cd的吸收，并能顯著提高土壤的pH值，降低土壤中Cd的生物有效性。

關(guān)鍵詞：Cd；生物質(zhì)灰渣；白菜；土壤；生物有效性

中圖分類號(hào)： X53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0451-03

近年來，土壤重金屬污染已成為我國環(huán)境問題之一[1]，其中重金屬Cd為土壤中的“五毒元素”之一[2]。Cd具有毒性強(qiáng)、化學(xué)活性高等特點(diǎn)，容易被植物吸收累積，可通過食物鏈的富集作用危害人類健康。植物體內(nèi)Cd的進(jìn)入方式是葉片直接吸收，主要來源是土壤[3]。袁祖麗等研究表明，煙草的葉綠素含量隨著Cd濃度的增加而降低，煙草吸收Cd后其葉綠體膜系統(tǒng)遭受損害[4]。除此之外，Cd還對(duì)常見的農(nóng)作物如西葫蘆幼苗、玉米[5]、番茄[6]、小麥[7] 等具有很強(qiáng)的毒害作用。因此，研究Cd污染土壤，減少其對(duì)農(nóng)作物的危害具有重要意義[8]。生物質(zhì)灰渣是植物燃燒后的固體廢棄物。灰渣具有排放量大、開發(fā)潛力大等特點(diǎn)[9]。生物質(zhì)灰渣含有大量植物所需要的營養(yǎng)成分，它的多孔結(jié)構(gòu)和表面豐富的含氧官能團(tuán)使其具有較強(qiáng)的吸附有毒物質(zhì)的能力，可以用來修復(fù)污染土壤[10]。陳晨通過在土壤中添加秸稈來增加土壤溶解性有機(jī)碳含量，增加重金屬Cd與Cu在污染土壤中的溶出量[11]。生物質(zhì)灰渣對(duì)植物生長發(fā)育以及對(duì)酸性土壤改良都有積極作用，對(duì)降低重金屬的生物有效性有重要作用[12-14]。本研究通過添加不同比例的生物質(zhì)灰渣于模擬Cd污染紅壤中，研究生物質(zhì)灰渣對(duì)白菜吸收紅壤中Cd的影響以及土壤中Cd含量的變化趨勢(shì)，以期為將生物質(zhì)灰渣應(yīng)用于降低污染土壤重金屬生物有效性提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

供試白菜品種為一代交配華美青梗菜，供試土壤采自江西省鷹潭市的耕作土壤，所有土壤均采自表層（0～20 cm），剔除土壤中的雜物，磨碎過2 mm篩用作盆栽用土。供試肥料為過磷酸鈣（P2O5 12.0%）、氯化鉀（含K2O 60.0%）、尿素（含N 46.4%），試驗(yàn)前土壤、有機(jī)肥基本理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)所用生物質(zhì)灰渣由江蘇省泰州市某發(fā)電廠提供，pH值為表1土壤、有機(jī)肥理化性質(zhì)9.63，呈堿性，灰渣的基本性質(zhì)見表2。澆灌用水為蒸餾水。

1.2方法

1.2.1老化試驗(yàn)每盆裝有750 g過2 mm篩的紅壤，添加CdCl2溶液使全Cd含量達(dá)2.95 mg/kg，室溫下（20 ℃）老化1個(gè)月，每隔2 d拌勻1次，并保持含水率為30%。

1.2.2盆栽試驗(yàn)每盆裝750 g已老化的紅壤，根據(jù)生物質(zhì)灰渣添加量設(shè)置4個(gè)處理：灰渣添加量分別為0、3%、5%、10%，每處理重復(fù)3次，每盆施7 g有機(jī)肥，根據(jù)灰渣中P、K含量，采用尿素、過磷酸鈣、氯化鉀化肥向土壤中補(bǔ)加肥料，使加入的N、P、K各元素總量均相同。將灰渣、有機(jī)肥與土壤充分拌勻。盆栽試驗(yàn)于2014年9月30日在溫室中播種，定期澆蒸餾水，保持其含水量為田間持水量的70%，每盆澆水量一致。間苗使每盆留白菜4棵，40 d后采收。

1.2.3測(cè)定項(xiàng)目植株收獲后測(cè)定地上部和地下部的鮮質(zhì)量。殺青（105 ℃ 30 min）后于70 ℃烘至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量。測(cè)定土壤根際土全Cd含量、非根際土有效態(tài)Cd含量、白菜地上部與地下部的Cd含量。采用HF-HClO4-HNO3消化土壤根際土中全Cd含量，采用HNO3-HClO4消化白菜中Cd2結(jié)果與分析

2.1添加灰渣對(duì)白菜生長的影響

由圖1可知，在土壤中添加0、3%灰渣、5%灰渣、10%灰渣后得到的白菜鮮質(zhì)量分別為3.34、58.43、107.2、111.6 g/盆。添加3%灰渣、5%灰渣、10%灰渣處理白菜鮮質(zhì)量與對(duì)照相比差異顯著。除了添加5%灰渣與添加10%灰渣處理之間白菜鮮質(zhì)量差異不顯著，其他處理間白菜鮮質(zhì)量差異顯著。與不加灰渣處理相比，添加3%灰渣、5%灰渣、10%灰渣處理白菜鮮質(zhì)量分別增加了16.5、31.1、32.4倍，增產(chǎn)效果顯著。不斷增加灰渣添加量，白菜鮮質(zhì)量明顯增加，當(dāng)灰渣添加量為10%時(shí)，白菜生物量達(dá)到最高，表明在土壤中添加灰渣有利于白菜生長發(fā)育。陳龍等研究表明，肥料用量低時(shí)，增加灰渣量能提高土壤中的速效磷含量；當(dāng)肥料用量中等時(shí)，添加灰渣能增強(qiáng)油菜吸收鉀元素的能力；當(dāng)肥料用量高時(shí)，隨著灰渣用量的增加，植株對(duì)Ca元素、Mg元素吸收量先增大后減小[12]。

2.2添加灰渣對(duì)白菜吸收Cd的影響

由圖2、圖3可以看出，在土壤中添加0、3%、5%、10%灰渣，白菜地上部Cd含量分別為22.07、8.59、6.32、2.76 mg/kg；地下部Cd含量分別為5.23、4.03、3.45、2.00 mg/kg。與對(duì)照相比，添加不同量灰渣處理，白菜地上部Cd含量差異均顯著；添加3%灰渣與添加10%灰渣處理，白菜地上部Cd含量差異明顯。隨著灰渣添加量的增加，白菜地上部Cd含量減少。當(dāng)灰渣添加量從3%增加到10%，白菜地上部Cd含量從8.59 mg/kg降到2.76 mg/kg，當(dāng)灰渣添加量達(dá)到10%時(shí)，白菜地上部Cd含量達(dá)到最低。說明在土壤中添加灰渣能夠有效減少白菜對(duì)土壤中Cd的吸收，特別是有利于降低白菜可食部位的Cd含量，但本研究中白菜地上部的Cd含量仍超過國家蔬菜食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（Cd含量≤0.05 mg/kg）[15]。

從圖3可以看出，不添加灰渣與添加10%灰渣、添加3%灰渣與添加10%灰渣處理白菜地下部Cd含量差異顯著。隨著灰渣添加量的增加，各處理白菜地下部Cd含量降低。與對(duì)照相比，添加3%灰渣、5%灰渣、10%灰渣處理白菜地下部Cd含量分別降低了23%、34%、62%。當(dāng)灰渣添加量從3%增加到10%時(shí)，白菜地下部Cd含量降低了50%。當(dāng)灰渣添加量為10%時(shí)，白菜地下部Cd含量達(dá)最低。由此可知，施用灰渣能顯著地降低白菜對(duì)土壤中Cd的吸收。李福燕等研究了劍麻與石灰對(duì)Cd污染土的修復(fù)效果，結(jié)果表明，當(dāng)Cd添加比例相同時(shí)，添加石灰能降低劍麻對(duì)Cd的遷移量[16]。

2.3土壤pH值的變化

由圖4可知，當(dāng)土壤中添加灰渣量為0、3%、5%、10%時(shí)，土壤pH值分別為4.80、4.82、5.40、6.40，各處理間差異顯著。當(dāng)灰渣量由3%增加到10%時(shí)，土壤pH值增加了 1.6，表明隨著灰渣添加量的增加，土壤pH值也隨之增加。當(dāng)灰渣添加比例為3%時(shí)，與灰渣添加量為0處理相比，土壤pH值變化不明顯。當(dāng)灰渣添加量逐漸增加到10%時(shí)，土壤pH值最高，達(dá)6.4，土壤趨于中性。由此可知，施用灰渣能夠增加土壤pH值。pH值是影響土壤重金屬的可移動(dòng)性及其生物有效性的重要因子。熊禮明研究石灰對(duì)土壤吸附Cd行為時(shí)得出結(jié)論，施加一定量的石灰將土壤pH值提高到一定值，才可以明顯降低植物Cd吸收量[17]。隨著灰渣添加量的增加，白菜地上部與地下部對(duì)土壤中Cd的吸收量明顯降低。土壤pH值越低，Cd的溶解性越好，土壤吸附的Cd越少，Cd在土壤中容易遷移，毒性也增強(qiáng)。當(dāng)土壤pH值高時(shí)，Cd在土壤中活性低，不易遷移[18]。高彬等研究表明，隨著土壤pH值增加，芹菜與萵苣各部位的Cd含量隨之降低[19]。因此，在紅壤中添加灰渣能有效提高土壤pH值，對(duì)降低土壤中Cd有效性具有重要意義。

2.4根際土Cd含量變化

由圖5可知，添加0、3%、5%、10%灰渣處理后測(cè)得土壤根際土全Cd含量分別為0.36、0.39、0.40、0.67 mg/kg，添加0灰渣、3%灰渣與5%灰渣處理間土壤根際土Cd含量差異不顯著。當(dāng)灰渣添加量從0增加到5%，土壤根際土Cd含量幾乎沒變化；當(dāng)灰渣添加量為10%時(shí)，根際土Cd含量才有明顯增加，與對(duì)照相比，增加了86%，說明灰渣在一定添加范圍內(nèi)，灰渣自身含有的Cd對(duì)根際土中Cd含量影響較小，當(dāng)灰渣添加量高時(shí)，雖然增加了根際土Cd的含量，但仍然降低了白菜對(duì)Cd的吸收量，表明生物質(zhì)灰渣對(duì)鈍化污染土中重金屬和降低Cd生物有效性具有重要作用。

2.5非根際土有效態(tài)Cd含量變化

由圖6可知，當(dāng)土壤中灰渣添加量分別為0、3%、5%、10%時(shí)，土壤非根際土有效態(tài)Cd含量分別為0.14、0.04、0.02 mg/kg、低于ICP檢出限（1 μg/kg），各處理之間差異顯著，與對(duì)照相比，添加灰渣3%、5%、10%時(shí)，土壤非根際土有效態(tài)Cd含量分別降低了71.4%、85.7%、99.2%。添加3%灰渣和10%灰渣處理下，土壤非根際土有效態(tài)Cd含量差異顯著。當(dāng)灰渣添加量由3%增加到10%時(shí)，土壤非根際土有效態(tài)Cd含量降低了97.5%，當(dāng)灰渣添加量為10%時(shí)，非根際土有效態(tài)Cd含量達(dá)到最低，低于ICP檢出限，說明隨著灰渣添加量的增加，土壤中有效態(tài)Cd含量顯著降低。灰渣添加量為10%處理，土壤有效態(tài)Cd含量比不加灰渣處理降低了99.2%，表明雖然灰渣自身含有一定量的Cd，但添加10%灰渣還是可以降低土壤有效態(tài)Cd含量，并減少植物對(duì)土壤中Cd的直接吸收。因此，在土壤中加入生物質(zhì)灰渣，土壤pH值升高，土壤非根際土有效態(tài)Cd含量明顯減少，說明生物質(zhì)灰渣對(duì)土壤重金屬有鈍化作用。宗良綱等研究表明，同一改良劑施用在pH值<5.2的酸性紅壤中，土壤有效態(tài)Cd的降低效果最明顯，但仍然高于pH值>8.2的潮黃土中的有效態(tài)Cd含量[20]。Baker等研究表明，隨著土壤中有效態(tài)Cd增加，植物體內(nèi)Cd含量也隨之增加，兩者呈極顯著相關(guān)。因此，白菜地上部、地下部吸收Cd的含量隨著灰渣添加量的增加而減少，與生物質(zhì)灰渣降低了土壤有效態(tài)Cd含量有關(guān)。

3結(jié)論

本研究結(jié)果表明，模擬Cd污染紅壤中，添加灰渣量越多，土壤pH值增加越明顯。當(dāng)灰渣添加比例為10%時(shí)，土壤pH值達(dá)到最大，土壤趨于中性。土壤非根際土有效態(tài)Cd含量隨著灰渣添加量增加而降低，當(dāng)灰渣添加量達(dá)10%時(shí)，有效態(tài)Cd含量低于儀器檢出限，且與對(duì)照相比，各處理均顯著差異。添加的灰渣雖然自身含有一定量的Cd，但是對(duì)根際土Cd含量影響較小，且對(duì)白菜吸收土壤中的Cd有明顯的抑制作用，隨著灰渣添加量的增加，植物地上部與地下部吸收的Cd含量明顯降低。因此，在土壤中添加灰渣能促進(jìn)白菜生長發(fā)育，有效降低土壤中Cd的活性，抑制土壤中Cd向植物體內(nèi)遷移，對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊伯杰，林創(chuàng)發(fā). 土壤重金屬污染現(xiàn)狀及其修復(fù)技術(shù)方法概述[J]. 能源與環(huán)境，2015（1）：60-61.

[2]董萌，趙運(yùn)林，周小梅，等. 土壤鎘污染現(xiàn)狀與重金屬修復(fù)方法研究[J]. 綠色科技，2012（4）：212-215.

[3]陳懷滿. 土壤對(duì)鎘的吸附于解吸——Ⅰ. 土壤組份對(duì)鎘的吸附和解吸的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，1988，25（1）：66-74.

[4]袁祖麗，馬新明，韓錦峰，等. 鎘污染對(duì)煙草葉片超微結(jié)構(gòu)及部分元素含量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（11）：2919-2927.

[5]劉海亮，崔世民，李強(qiáng)，等. 鎘對(duì)作物種子萌發(fā)、幼苗生長及氧化酶同工酶的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，1991，12（6）：29-31，7.

[6]Moral R，Gomez I，Pedreno J N，et al. Effects of cadmium on nutrient distribution，yield，and growth of tomato grown in soilless culture[J]. Journal of Plant Nutrition，1994，17（6）：953-962.

[7]洪仁遠(yuǎn)，楊廣笑，劉東華，等. 鎘對(duì)小麥幼苗的生長和生理生化反應(yīng)的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，1991，6（3）：70-75.

[8]丁華毅. 生物炭的環(huán)境吸附行為及在土壤重金屬鎘污染治理中的應(yīng)用[D]. 廈門：廈門大學(xué)，2014.

[9]李晶，楊海征，胡紅青，等. 生物灰渣對(duì)小白菜生長的影響及對(duì)酸性土壤的改良[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，49（4）：822-825.

[10]袁金華，徐仁扣. 生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其對(duì)土壤環(huán)境功能影響的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20（4）：779-785.

[11]陳晨. 添加秸稈對(duì)污染土壤重金屬活度的影響及對(duì)水體重金屬的吸附效應(yīng)[D]. 揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2008.

[12]陳龍，王敏，王碩，等. 生物質(zhì)灰渣與化肥配施對(duì)土壤性質(zhì)及油菜生長的影響[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（6）：727-733.

[13]張小凱，何麗芝，陸扣萍，等. 生物質(zhì)炭修復(fù)重金屬及有機(jī)物污染土壤的研究進(jìn)展[J]. 土壤，2013，45（6）：970-977.

[14]趙曉軍，陸泗進(jìn)，許人驥，等. 土壤重金屬鎘標(biāo)準(zhǔn)值差異比較研究與建議[J]. 環(huán)境科學(xué)，2014，35（4）：1491-1497.

[15]段敏，馬往校，李嵐. 17種蔬菜中鉛鉻鎘元素含量分析研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，1999，13（4）：74-80.

[16]李福燕，李士平，李許明，等. 劍麻與石灰對(duì)鎘污染土壤修復(fù)研究[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（9）：46-48.

[17]熊禮明. 石灰對(duì)土壤吸附鎘行為及有效性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，1994（1）：35-38.

[18]張浩，王濟(jì)，郝萌萌，等. 土壤-植物系統(tǒng)中鎘的研究進(jìn)展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（7）：3210-3215.

[19]高彬，王海燕. 土壤pH值對(duì)植物吸收Cd、Zn的影響研究[J]. 廣西林業(yè)科學(xué)，2003，32（2）：66-69.

[20]宗良綱，張麗娜，孫靜克，等. 3種改良劑對(duì)不同土壤-水稻系統(tǒng)中Cd行為的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（4）：834-840.田穎，李冰，王水. 江蘇太湖流域生態(tài)系統(tǒng)重要性評(píng)價(jià)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（5）：454-457.