凹凸棒石施用對鎘污染土壤理化性質及小白菜生長的影響

李婧　陳森　周艷文　高小杰　張權

摘要 [目的] 明確凹凸棒石對重金屬污染土壤中鎘的治理效果。[方法] 以小白菜為試驗材料， 開展小白菜盆栽試驗，分析施用凹凸棒石后小白菜的長勢、土壤養分和土壤重金屬鎘含量。 [結果]適量添加凹凸棒石可有效增加小白菜的產量，提高酸性土壤的pH，但過量[≥2.0%（m/m）]添加會導致土壤速效養分降低；施用凹凸棒石對鎘污染土壤的修復具有顯著效果，可有效降低土壤有效鎘含量和小白菜對鎘的吸收。[結論]試驗推薦凹凸棒石添加比例為1.0%。

關鍵詞 凹凸棒石；鎘污染；有效鎘；小白菜

中圖分類號 S156 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）29-0101-03

Effects of Attapulgite Application on Cd Contaminated Soils Physical and Chemical Properties and Chinese Cabbages Growth

LI Jing， CHEN Sen， ZHOU Yanwen et al

（Nanjing Research Institute of Environmental Protection，Nanjing， Jiangsu 210013）

Abstract [Objective]The objective was to pinpoint the harness effect of Cd in soil by attapulgite .[Method]Using Chinese cabbage as test material， pot experiment was carried out. Growth vigor of Chinese cabbage and nutrient and heavy metal Cd content in soil were analyzed.[Result] Moderate addition of attapulgite could enhance the output of Chinese cabbage effectively， as well as soil pH ，while overdose of attapulgite （≥2.0%（m/m））could lead to the decline of soil available nutrients. Application of attapulgite showed significant effect on remediation of Cd contaminated soil， which could reduce the content of available Cd in soil and the absorption of Cd in Chinese cabbage. [Conclusion]Recommended adding proportion of attapulgite was 1.0 %（ m/m） in this article.

Key words Attapulgite；Cd contamination；Availability Cd；Chinese cabbage

基金項目 南京市環境保護局2013年度環?？蒲姓n題計劃（201306）。

作者簡介 李婧（1984—），女，江蘇漣水人，工程師，碩士，從事農田、工業土壤污染修復及固體廢棄物處置技術研究。

收稿日期 2017-09-08

近年來，隨著工業化、城市化和交通運輸業等的發展，工業廢水、廢氣和廢渣排放量的增加，固體廢棄物處理不善，以及人們向土壤投入大量的農藥、化肥等化學物質，造成土壤污染日益嚴重，其中農田土壤重金屬污染現象尤為突出，我國部分耕地和很多城市近郊農田都受到了不同程度的重金屬污染[1]，其中重金屬鎘污染尤為嚴重，據統計，僅20世紀90年代初我國鎘污染耕地達1.3萬hm2，受污染土壤的鎘含量高達2.5～23.0 mg/kg [2]。鎘作為一種活潑的重金屬元素，可經食物鏈在人體中富集，對人體有很高的毒性和致病性，易引發人群健康風險，如日本神通川流域的“痛痛病”事件等[3]。

土壤原位鈍化修復技術是近年來發展起來的一種適合于大面積的推廣和利用的重金屬污染治理方法[4]。它是一種基于添加外源修復劑，與重金屬發生系列反應，改變重金屬在土壤中的賦存形態，以降低其在土壤中移動性和生物有效性的技術[5]。目前，常用的重金屬鈍化修復劑主要包括石灰類物質、黏土礦物、有機物料、生物炭等。凹凸棒石（attapulgite clay，AC）是一種層鏈狀結構的含水富鎂鋁硅酸黏土礦物，具有吸水性、黏結性、良好的離子交換性能和吸附性能力[6]，有關研究表明，施用凹凸棒石能調節并保持土壤肥力，促進植物生長[7]。而有關凹凸棒石作為重金屬原位鈍化的外源修復劑的研究較少。為此，通過盆栽試驗，研究了施用凹凸棒石作為外源修復劑原位鈍化土壤重金屬鎘的效果，并分析對小白菜生長的影響，為我國重金屬污染土壤的治理提供新思路和科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗盆栽用土取自某地農田的表層土壤（0～20 cm）。將采集的土壤風干、粉碎、過2 mm篩，備盆栽試驗用，供試作物為小白菜，試驗施用的凹凸棒石為某廠家生產的凹土，過1 mm篩后備用。供試土壤基本性質：

有機質14.54 g/kg，全氮1.68 g/kg，堿解氮96.18 mg/kg，速效磷141 mg/kg，速效鉀269 mg/kg，

pH 6.96，總鎘 0.465 mg/kg，有效鎘0.169 mg/kg。

凹凸棒石的基本性質：

比表面積369 m2/g，膨脹容積6 mL/g，吸水率202%，吸濕率15.57%，CEC 2 196 mol/100 g，K2O 3.49 mg/kg，P2O5 50.2 mg/kg，pH 8.46。

1.2 試驗設計

試驗于2015年8月1日至9月14日在南京農業大學開展，試驗周期為45 d。試驗將凹凸棒石與供試土壤按不同干重比例混合，共設5個處理，分別為0%凹凸棒石（CK）、0.5%凹凸棒石（0.5%AC）、1.0%凹凸棒石（10%AC）、2.0%凹凸棒石（2.0%AC）、5.0%凹凸棒石（50%AC）。每處理重復3次，施肥量相同。將混合均勻的土壤添加硝酸鎘溶液調節土壤總鎘含量至1.5 mg/kg，然后裝入直徑30 cm、高30 cm的花盆中，每盆裝土2.0 kg，每盆播種菜籽20粒，出芽均勻后保留長勢相同的3株小白菜，其生長周期共46 d，期間每日早晚以清水澆透土壤，每周一以1/4Hogland營養液代替清水進行澆灌。

為了模擬大田環境下植物的生長情況，所有花盆都露天擺放，手工除蟲，未進行避雨遮陽等處理。

1.3 測定方法

在小白菜生長46 d后取小白菜地上部分，量取植株最高點高度作為株高，并稱其鮮重及烘干重。在小白菜收獲后采集盆中土樣，土壤基本理化性質采用常規分析方法測定。

小白菜和土壤重金屬鎘采用HNO3-HClO4混合法消解，土壤重金屬采用HF-HClO4-HNO3消解；土壤有效態鎘含量采用DTPA提取，含量測定采用高頻耦合等離子體原子發射光譜（ICP-AES），樣品測定結果以鮮重表示。在重金屬分析測定過程中，以標準物質GBW10011和GBW-07404為參照，對分析過程進行質量控制以確保分析結果的可靠性和準確性。

1.4 數據處理

采用Microsoft Office 2010 Excel 進行數據整理和基本運算，采用SPSS 13.0 進行不同處理之間的差異顯著性分析，采用Origin 8.0 進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 施用凹凸棒石對小白菜長勢的影響

盆栽46 d后，收獲并測定各處理中小白菜的株高及地上部鮮重，具體產量見圖1。從圖1a可以看出，與CK相比較，0.5%AC處理和10%AC處理中小白菜的株高均有不同程度的增高，增幅分別為3.86%、6.07%，2.0%AC處理和5.0%AC處理中小白菜的株高均有不同程度的降低，降幅隨凹凸棒石添加比例的增加而增加。表明適量添加凹凸棒石有利于小白菜的長勢，過量添加會抑制小白菜的生長，試驗中1.0%AC處理下小白菜株高最高，為16.0 cm。

圖1b是收獲時不同處理中小白菜的地上部生物量（鮮重）。由圖1b可以看出，與CK相比較，0.5%AC處理、1.0%AC處理、2.0%AC處理、5.0% AC處理下小白菜生物量呈增加趨勢，增幅分別為212.50%、311.35%、123.37%、4183%，表明施用凹凸棒石顯著增加小白菜的生物量，有利于小白菜增產。該試驗中1.0%AC處理小白菜的生物量最高，0.5%AC處理小白菜的生物量次之，當凹凸棒石施用量為2.0%時，小白菜生物量開始降低，當凹凸棒石施用量為5.0%時生物量進一步減少。這表明，小白菜產量隨著凹凸棒石添加比例的增加呈先升后降的趨勢，凹凸棒石施用量超過一定水平后，凹凸棒石對小白菜的增產效果減弱，甚至引發小白菜減產。這是因為適量施用凹凸棒石可以調節土壤肥力，利于作物的生長[8-9]，但隨著施用量的增加，會破壞土壤結構，引起土壤板結，從而抑制作物的生長[10]。因此，施用適宜用量的凹凸棒石能有效增加小白菜的產量，結合小白菜株高數據，該試驗中，1.0%AC處理下小白菜長勢最好，產量最高。

2.2 施用凹凸棒石對土壤養分的影響

小白菜收獲后，采集各處理土壤樣品，檢測其養分含量，測定結果見表1。方差分析結果表明，與CK處理相比較，施用不同比例的凹凸棒石對土壤全氮含量均沒有顯著影響；0.5%AC處理、1.0%AC處理中堿解氮、速效磷含量沒有差異或者略有增加，2.0%AC處理、5.0%AC處理中堿解氮、速效磷、速效鉀含量降低。這是因為凹凸棒石具有很強的吸附性，過量施用凹凸棒石會導致土壤速效養分被吸附，從而使土壤堿解氮、速效磷、速效鉀等有效養分含量降低。袁惠君等[11]的研究也取得了相似的結論，其指出向灌淤土中施用過量的凹凸棒石可以降低土壤中速效養分的含量。

土壤pH測定結果表明，與供試土壤相比較（供試土壤pH=6.96），各處理土壤pH均有明顯的提高。與CK處理相比較，0.5%AC處理、1.0%AC處理、2.0%AC處理、5.0%AC處理土壤pH分別增加0.13、0.10、0.02、0.25，土壤pH隨凹凸棒石添加比例的增加而增加，表明向酸性土壤中施用凹凸棒石可顯著提高土壤的pH。這主要是因為凹凸棒石黏土呈堿性。范迪富等[12]研究認為，向土壤中添加凹凸棒石可顯著提高根系土pH。

2.3 施用凹凸棒石對土壤重金屬鎘含量的影響

小白菜收獲后，測定土壤中重金屬鎘全量及生物有效性鎘含量，測定結果見圖2。CK處理中土壤鎘全量最低（1.138 mg/kg），0.5%、1.0%、2.0%、5.0%凹凸棒石處理下土壤鎘全量依次增加，增幅分別為3.51%、7.64%、1775%、16.78%，表明土壤鎘全量隨凹凸棒石添加比例的增加而增加，凹凸棒石的施用有利于土壤鎘的固定。土壤中有效鎘含量變化趨勢與全量相反，CK處理中土壤中有效鎘含量最高（0.990 mg/kg），與施用凹凸棒石處理下土壤有效鎘含量差異顯著，其有效鎘含量隨凹凸棒石添加比例的增加呈降低趨勢，不同凹凸棒石處理下有效鎘含量降幅分別為17.75%、25.83%、34.09%、44.46%，該試驗中5.0%AC處理下土壤有效鎘含量降幅最大，可達44.46%。

向Cd污染土壤中施用凹凸棒石可加強土壤對鎘的吸持固定，降低土壤有效鎘含量。主要有兩方面的原因：一是凹凸棒石屬于高孔道比表面積大的鏈層狀黏土礦物，富含鐵、鎂等常量元素，具有較大的比表面積和很強的吸附性能，能將土壤中的可溶性重金屬鎘吸附在其表面或將土壤中游離的鎘等固定在凹凸棒石礦物的層間結構中，從而降低土壤中有效鎘含量[13]；二是添加的凹凸棒石的pH為8.46，呈堿性，添加凹凸棒石對調節耕層土壤的pH效果相當明顯，使酸性土壤環境向中性-堿性土壤環境轉變，增加土壤膠體的陽離子交換量，導致游離態鎘被土壤膠體吸附結合，形成難溶性的氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽，增強土壤對游離Cd的吸持力[14]。

2.4 施用凹凸棒石對小白菜地上部重金屬鎘含量的影響

小白菜收獲后，測定小白菜地上部重金屬鎘含量，測定結果見圖3。方差分析表明，不同處理間小白菜地上部鎘含量差異顯著。CK處理中小白菜鎘含量最高（0.281 mg/kg），0.5%AC處理、1.0%AC處理、2.0%AC處理、5.0%AC處理中鎘含量隨凹凸棒石添加比例的增加呈顯著下降趨勢，降低幅度分別為12.10%、24.56%、37.01%、47.69%。表明施用凹凸棒石可以降低小白菜地上部鎘含量，且效果顯著。范迪富等[12]研究指出，施用凹凸棒石黏土可有效降低蘆蒿中鎘含量，最大降幅為46%[14]。因此，凹凸棒石對土壤重金屬鎘污染具有一定防控作用。

該研究中施用不同比例的凹凸棒石可有效降低小白菜地上部鎘含量12.10%～47.69%，主要原因是凹凸棒石加強了土壤對土壤鎘的吸持固定，改變了土壤鎘的活動能力，有效降低了土壤有效鎘含量，阻斷或滯緩土壤鎘向植物的遷移[12，14]。

3 結論

基于小白菜的盆栽試驗，通過分析小白菜產量、株高及其地上部和土壤重金屬含量的變化，并初步分析了相關原因，得到以下結論：

（1）施用適宜用量的凹凸棒石能有效增加小白菜的產量，該試驗中，1.0%AC處理下小白菜產量最高。

（2）施用凹凸棒石可提高酸性土壤的pH，對土壤養分全量沒有的顯著影響，但過量施用（≥2.0%AC）可導致土壤速效養分下降。

（3）施用不同比例的凹凸棒石可有效降低土壤有效鎘含量，降幅達17.75%～44.46%，對鎘污染土壤的修復具有顯著效果；有效降低小白菜對鎘的吸收，降幅達12.10%～4769%。

結合小白菜生物量和土壤養分調查結果，推薦凹凸棒石添加比例為1.0%，此時小白菜產量最高，土壤有效鎘降低25.83%，小白菜地上部鎘含量降低24.56%，該研究表明，向鎘污染土壤添加凹凸棒石是一種簡單易行的重金屬污染土壤的原位鈍化修復技術方法。

參考文獻

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