生物質灰渣對紅壤中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，通過盆栽試驗研究施用不同比例的生物質灰渣對污染紅壤pH值、Cd生物有效性的影響。結果表明：模擬Cd污染紅壤中，添加灰渣量越多，土壤pH值增加越明顯，當灰渣添加比例為10%時，土壤pH值達到最大，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，當灰渣添加量達10%時，有效態(tài)Cd含量低于儀器檢出限，且與對照相比，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，能達到較好地抑制白菜對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。

關鍵詞：Cd；生物質灰渣；白菜；土壤；生物有效性

中圖分類號： X53文獻標志碼： A文章編號：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、化學活性高等特點，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Cd的進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還對常見的農作物如西葫蘆幼苗、玉米[5]、番茄[6]、小麥[7] 等具有很強的毒害作用。因此，研究Cd污染土壤，減少其對農作物的危害具有重要意義[8]。生物質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[9]。生物質灰渣含有大量植物所需要的營養(yǎng)成分，它的多孔結構和表面豐富的含氧官能團使其具有較強的吸附有毒物質的能力，可以用來修復污染土壤[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]。生物質灰渣對植物生長發(fā)育以及對酸性土壤改良都有積極作用，對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灰渣于模擬Cd污染紅壤中，研究生物質灰渣對白菜吸收紅壤中Cd的影響以及土壤中Cd含量的變化趨勢，以期為將生物質灰渣應用于降低污染土壤重金屬生物有效性提供科學依據(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%），試驗前土壤、有機肥基本理化性質見表1。試驗所用生物質灰渣由江蘇省泰州市某發(fā)電廠提供，pH值為表1土壤、有機肥理化性質9.63，呈堿性，灰渣的基本性質見表2。澆灌用水為蒸餾水。

1.2方法

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

1.2.2盆栽試驗每盆裝750 g已老化的紅壤，根據(jù)生物質灰渣添加量設置4個處理：灰渣添加量分別為0、3%、5%、10%，每處理重復3次，每盆施7 g有機肥，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加肥料，使加入的N、P、K各元素總量均相同。將灰渣、有機肥與土壤充分拌勻。盆栽試驗于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測定項目植株收獲后測定地上部和地下部的鮮質量。殺青（105 ℃ 30 min）后于70 ℃烘至恒質量后稱質量。測定土壤根際土全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結果與分析

2.1添加灰渣對白菜生長的影響

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%灰渣處理白菜鮮質量與對照相比差異顯著。除了添加5%灰渣與添加10%灰渣處理之間白菜鮮質量差異不顯著，其他處理間白菜鮮質量差異顯著。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，白菜鮮質量明顯增加，當灰渣添加量為10%時，白菜生物量達到最高，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，增加灰渣量能提高土壤中的速效磷含量；當肥料用量中等時，添加灰渣能增強油菜吸收鉀元素的能力；當肥料用量高時，隨著灰渣用量的增加，植株對Ca元素、Mg元素吸收量先增大后減小[12]。

2.2添加灰渣對白菜吸收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，當灰渣添加量達到10%時，白菜地上部Cd含量達到最低。說明在土壤中添加灰渣能夠有效減少白菜對土壤中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)生標準（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%。當灰渣添加量從3%增加到10%時，白菜地下部Cd含量降低了50%。當灰渣添加量為10%時，白菜地下部Cd含量達最低。由此可知，施用灰渣能顯著地降低白菜對土壤中Cd的吸收。李福燕等研究了劍麻與石灰對Cd污染土的修復效果，結果表明，當Cd添加比例相同時，添加石灰能降低劍麻對Cd的遷移量[16]。

2.3土壤pH值的變化

由圖4可知，當土壤中添加灰渣量為0、3%、5%、10%時，土壤pH值分別為4.80、4.82、5.40、6.40，各處理間差異顯著。當灰渣量由3%增加到10%時，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。當灰渣添加比例為3%時，與灰渣添加量為0處理相比，土壤pH值變化不明顯。當灰渣添加量逐漸增加到10%時，土壤pH值最高，達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性及其生物有效性的重要因子。熊禮明研究石灰對土壤吸附Cd行為時得出結論，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。當土壤pH值高時，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；當灰渣添加量為10%時，根際土Cd含量才有明顯增加，與對照相比，增加了86%，說明灰渣在一定添加范圍內，灰渣自身含有的Cd對根際土中Cd含量影響較小，當灰渣添加量高時，雖然增加了根際土Cd的含量，但仍然降低了白菜對Cd的吸收量，表明生物質灰渣對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，當土壤中灰渣添加量分別為0、3%、5%、10%時，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，與對照相比，添加灰渣3%、5%、10%時，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。當灰渣添加量由3%增加到10%時，土壤非根際土有效態(tài)Cd含量降低了97.5%，當灰渣添加量為10%時，非根際土有效態(tài)Cd含量達到最低，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，并減少植物對土壤中Cd的直接吸收。因此，在土壤中加入生物質灰渣，土壤pH值升高，土壤非根際土有效態(tài)Cd含量明顯減少，說明生物質灰渣對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Cd含量也隨之增加，兩者呈極顯著相關。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，與生物質灰渣降低了土壤有效態(tài)Cd含量有關。

3結論

本研究結果表明，模擬Cd污染紅壤中，添加灰渣量越多，土壤pH值增加越明顯。當灰渣添加比例為10%時，土壤pH值達到最大，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，當灰渣添加量達10%時，有效態(tài)Cd含量低于儀器檢出限，且與對照相比，各處理均顯著差異。添加的灰渣雖然自身含有一定量的Cd，但是對根際土Cd含量影響較小，且對白菜吸收土壤中的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向植物體內遷移，對重金屬污染土壤的修復具有重要意義。

參考文獻：

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

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

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

[4]袁祖麗，馬新明，韓錦峰，等. 鎘污染對煙草葉片超微結構及部分元素含量的影響[J]. 生態(tài)學報，2005，25（11）：2919-2927.

[5]劉海亮，崔世民，李強，等. 鎘對作物種子萌發(fā)、幼苗生長及氧化酶同工酶的影響[J]. 環(huán)境科學，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，楊廣笑，劉東華，等. 鎘對小麥幼苗的生長和生理生化反應的影響[J]. 華北農學報，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用[D]. 廈門：廈門大學，2014.

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

[10]袁金華，徐仁扣. 生物質炭的性質及其對土壤環(huán)境功能影響的研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2011，20（4）：779-785.

[11]陳晨. 添加秸稈對污染土壤重金屬活度的影響及對水體重金屬的吸附效應[D]. 揚州：揚州大學，2008.

[12]陳龍，王敏，王碩，等. 生物質灰渣與化肥配施對土壤性質及油菜生長的影響[J]. 華中農業(yè)大學學報，2011，30（6）：727-733.

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

[14]趙曉軍，陸泗進，許人驥，等. 土壤重金屬鎘標準值差異比較研究與建議[J]. 環(huán)境科學，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. 劍麻與石灰對鎘污染土壤修復研究[J]. 廣東農業(yè)科學，2007（9）：46-48.

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

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

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

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