土壤鈍化劑對磷石膏污染土壤中Cd的鈍化修復效應

王仙慧 龍濤 張建昆 周春壯 唐運來 劉繼愷

摘要：為了解鈍化劑對磷石膏污染土壤的鈍化修復效應，采用盆栽試驗，研究施加不同組合鈍化劑[廢鐵屑（I，II、15分別表示含量為1%、5%）、粉煤灰（F，F1、F5分別表示含量為1%、5%）和過磷酸鈣（S，S1、s5分別表示含量為1%、5%）]對磷石膏污染土壤中Cd的鈍化效果以及對玉米幼苗生長和Cd含量的影響。結果表明，除了I5+FI+SI和I5+F5兩種處理對玉米幼苗生長有抑制作用外，其他處理對玉米幼苗的生長影響不顯著。各處理均能提高磷石膏污染土壤電導率，此外，I1+F5、I5+F1+S1和l5+F5這3種處理可顯著提高磷石膏污染土壤pH。各處理均可降低磷石膏污染土壤有效態Cd含量，I5+S5、l5+F1+SI和I5+F5這3種處理的降幅最大，分別為39. 13%、45.65%和41.30%。各處理均可降低玉米幼苗地上部分Cd含量，I5+S5、I5+FI+SI和I5+F5這3種處理與對照相比具有顯著性差異，降幅分別為29.47%、21.95%和31.71%。各處理均能有效降低磷石膏污染土壤中Cd的活性，其中I5+S5處理在不影響玉米幼苗生長的同時，還能減少其對Cd的吸收。

關鍵詞：磷石膏;玉米幼苗;鈍化修復;Cd

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020）12-0068-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn043 9- 8114.2020.12.014

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著人口的增長和經濟的發展，中國農業對磷肥的需求量持續增長，促進了磷肥工業的迅速發展，這也導致了其副產物磷石膏的大量增加…。磷石膏主要成分為CaSO4.2H20，此外還含有鎘、砷、銅等有毒有害重金屬和放射性物質[2]。這些磷石膏大都露天堆放，隨著雨水沖刷流失，其中的環境有害物質就會進入周邊農田和地下水系統，嚴重為害周邊生態環境安全。李佳宣等[3]對磷石膏堆場周圍農田土壤重金屬含量進行檢測和分析后發現，磷石膏的堆放使其中的重金屬在周邊耕作層土壤中形成了較大的累積，其中Cd、Cu、Zn和Pb的含量最高。這些重金屬極易通過在作物可食部分的積累進入食物鏈循環，對人體健康造成嚴重的危害。

對于土壤重金屬污染的修復方法主要有物理修復法、化學修復法和生物修復法?；瘜W鈍化修復是指通過向污染土壤中施加鈍化劑，改變重金屬污染物的形態與活性，降低植物對其的吸收，從而實現修復利用的技術[4，5]。常用的鈍化劑包括含磷物質、無機礦物、生物炭、石灰、有機鈍化劑和鐵粉等[6]。鈍化修復技術具有原位、廉價、易控制、有效期長等優點，但其修復效果受土壤類型及性質、重金屬元素類型及濃度、鈍化劑種類及用量等因素的影響[7]。如堿性修復材料對于低pH的酸性重金屬污染土壤的修復能力強，但對于pH偏高的中性或堿性重金屬污染土壤的修復能力不如施用雞糞等有機物[8]。重過磷酸鹽對Cd的固定效果優于磷酸二氫鹽，磷酸二氫鹽的固定效果又優于磷灰石[9]。因此，針對磷石膏污染土壤不同于其他單一類型重金屬污染土壤所具有的復雜性和特殊性，有必要開展對磷石膏污染土壤中重金屬的鈍化修復研究。

本研究采用盆栽試驗，通過模擬磷石膏污染土壤，研究3種鈍化劑（廢鐵屑、粉煤灰和過磷酸鈣）不同組合對玉米幼苗株高、地上部分干重、Cd含量、土壤pH、電導率及土壤中有效態Cd含量的影響，研究結果可為合理利用鈍化劑修復磷石膏污染土壤提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試作物為玉米，品種為貴單8號。供試土壤取自西南科技大學后山菜園，土壤pH為7.34，有機質含量為5.93 g/kg，堿解氮含量為51.74 mg/kg，速效磷含量為7.28 mg/kg，有效鉀含量為450.20mg/kg，鎘含量為0.32 mg/kg。土壤鈍化劑廢鐵屑（I）、粉煤灰（F）和過磷酸鈣（S）分別購自泰州市育秀商貿有限公司、河南豫聯能源集團有限公司和綿陽市農資市場，所用磷石膏取自四川省綿陽市神龍重科實業有限公司。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，將上述土壤和磷石膏自然風干后分別過2和1 mm篩。根據中國土壤重金屬環境標準和最大允許濃度，向土壤中添加磷石膏，使土壤中鎘濃度為1.5 mg/kg，攪拌混勻后在室溫條件下平衡4周。

試驗按照鈍化劑與磷石膏污染土壤質量百分比共設9個處理（表1），處理l不含任何鈍化劑，作為對照。

將鈍化劑和磷石膏污染土壤攪拌混勻，室溫平衡4周后加入去離子水并混勻，使土壤含水量達70%。選取長勢一致的二葉期玉米幼苗，將其移栽到上述花盆的土壤中，每個處理5盆，每盆移栽3株，重復3次。每隔1d向花盆澆等量的去離子水，直至材料收取。

1.3 樣品的采集及項目測定

待玉米幼苗生長8周后，剪取植株地上部分并采集盆中土樣。先用自來水將植株清洗干凈，再用去離子水沖洗，吸干水分。用直尺測定每株玉米幼苗的株高，分別將每株玉米幼苗的地上部分裝入信封中，置于105℃殺青30 min后75℃烘干至恒重。用天平稱量玉米幼苗地上部分干重，然后將材料粉碎。

稱取0.3 g上述粉末，加入10mL硝酸和5 mL高氯酸，置于微波消解儀（Mars，美國CEM公司）中進行消解，用原子吸收光譜儀（AA700，美國PE公司）測定Cd的含量。

將采集的土壤風干過篩，分別測定土壤的pH、電導率和有效態Cd的含量。①土壤pH的測定。10 g土壤加入25 mL去離子水，旋轉振蕩2min后靜置30 min，過濾后取上清液，用pH計（PHS-2F，上海雷磁）測定pH。②土壤電導率測定。4g土壤加入20mL去離子水，置于恒溫振蕩器內，20℃振蕩30 min，隨后靜置30 min，3 000 r/min離心30min，取上清液，用電導率儀（DDS-608，成都世紀方舟）測定電導率。土壤有效態Cd采用DTPA溶液浸提Liol，然后用原子吸收光譜儀測定Cd含量。

1.4 數據分析

利用Excel軟件處理數據，使用統計分析軟件SPSS 11.5進行顯著性分析（Duncan's法），采用Ori-gin8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤鈍化劑對玉米幼苗株高及地上部分干重的影響

由表2可以看出，I5+FI+SI和I5+F5處理對玉米幼苗株高有抑制作用，分別比對照降低了29.51%和41.94%。此外，I5+F5處理玉米幼苗地上部分干重也顯著減少，比對照減少了59.78%。其他處理對株高和地上部分于重的影響不顯著。由此可知，15+F1+S1和I5+F5兩種鈍化劑的添加對玉米幼苗生長具有抑制作用。

2.2 土壤鈍化劑對土壤pH及電導率的影響

由表3可知，I1+F5、I5+FI+SI和I5+F5這3種處理可顯著提高磷石膏污染土壤pH，增幅分別為8.70%、10.67%和13.44%，而其他處理對磷石膏污染土壤pH影響不顯著;此外，各處理均能提高磷石膏污染土壤電導率，增幅最低為2.64% （I1+S1），最高為8.8l%（15+S5）。

2.3 土壤鈍化劑對土壤有效態Cd含量的影響

對各處理土壤有效態Cd含量進行測定，結果（圖1）發現，8組不同鈍化劑的添加均能顯著降低磷石膏污染土壤有效態Cd含量。與對照相比，F1+SI、F5+S5、I1+SI和I1+F5處理的降幅在l3.04% -17.39%，I1+FI+S5處理的降幅為26.09%，I5+S5、15+FI+S1和I5+F5處理的降幅最大，分別為39.13%、45.65%和41.30%。此外，對于相同比例的鈍化劑組合，不同施加量的鈍化效果有所不同。如F5+S5與F1+SI處理之間土壤有效態Cd含量差異不顯著，而I5+S5與I1+SI處理相比，其土壤有效態Cd含量顯著減少。

2.4 土壤鈍化劑對玉米幼苗地上部分Cd含量的影響

為了研究各處理對Cd的鈍化效果，對玉米幼苗地上部分Cd含量進行了測定。結果（圖2）發現，各處理均能降低玉米幼苗地上部分Cd含量，降幅為4.88%-3 1.71%，其中I5+S5、I5+FI+SI和I5+F5處理與對照相比具有顯著性差異，降幅分別為29.47%、21.95%和31.71%。因此，I5+S5、I5+FI+SI和I5+F5處理能夠顯著降低玉米幼苗地上部分對磷石膏污染土壤中Cd的吸收。

3 小結與討論

鈍化修復通?？赏ㄟ^化學吸附與離子交換、沉淀作用、有機絡合和氧化還原等機制，改變受污染土壤中重金屬的化學形態，使其溶解性、生物有效性等降低[11]。土壤中Cd對環境造成的影響主要取決于Cd的總含量以及Cd在土壤中存在的形態，不同的形態對應不同的生物有效性，現普遍認為Cd的生物有效性大小主要取決于土壤中有效態Cd的含量[5.12]。本研究發現，各鈍化劑組合處理均能降低磷石膏污染土壤中有效態Cd的含量，其中，I5+S5、15+FI+SI和I5+F5這3種處理的降幅最大。其機制可能是由于廢鐵屑和過磷酸鈣能夠與Cd形成沉淀，此外，粉煤灰因其比表面積大，能夠對Cd進行有效吸附，從而改變了Cd的形態。

土壤pH是影響重金屬有效態的一個重要因素，土壤pH升高會促進重金屬離子的吸附，有利于生成重金屬沉淀，降低土壤重金屬的有效性[13]。雖然廢鐵屑具有較高的pH，但在本研究中，僅有I1+F5、I5+F1+S1和I5+F5這3種處理顯著提高了磷石膏污染土壤pH，其他含鐵組合對土壤pH的影響不顯著。這可能是由于同時加入的過磷酸鈣呈弱酸性，減輕了廢鐵屑對土壤pH的影響。值得注意的是，雖然I1+F5處理的土壤pH（pH=5.50）高于15+S5處理，但是其對Cd的鈍化效果并不優于I5+S5處理，說明在本試驗中，pH不是影響磷石膏污染土壤中Cd鈍化效應的最主要因素。

黃益宗等[14]研究顯示，添加鈍化劑（赤泥、骨灰和石灰）可顯著提高玉米地上部生物量。但同時也有人發現過量施人含磷物質會引起植物生長環境的營養失衡[15]。本研究中，雖然各鈍化劑組合能有效降低土壤中有效態Cd含量，但它們對玉米幼苗的生長并沒有顯著的促進作用，甚至發現I5+F1+SI和15+F5鈍化劑的施入會減少玉米幼苗的株高和地上部分干重。這可能是由于粉煤灰含有大量水溶性硅、鈣、鎂、磷等營養元素[16]，過磷酸鈣也富含磷、鈣、硫，加之磷石膏成分也十分復雜，本身富含磷元素，所以引起了污染土壤的營養失衡，影響了玉米幼苗的生長。因此，下一步有必要對各處理玉米幼苗體內營養元素的含量進行檢測，檢測結果將有利于解析鈍化劑對植物生長影響的作用機制，以及更好地利用鈍化劑鈍化修復磷石膏污染土壤。

本研究結果表明，施加各種鈍化劑組合均能有效降低磷石膏污染土壤中Cd的活性，其中，I5+S5處理（廢鐵屑5%、粉煤灰0、過磷酸鈣5%）可在不影響玉米幼苗生長的同時，減少其對Cd的吸收。

參考文獻：

[1]周曉冬，吳洪生，張富存，等.磷石膏資源化利用對小麥生長的影響[J].西南農業學報，2012，25（3）：940-944

[2]馬林轉，寧平，楊月紅，等.磷石膏的綜合利用與應重視的問題[J].磷肥與復肥，2007，22（1）：54-55.

[3]李佳宣，施澤明，唐瑞玲，等.磷石膏堆場對周圍農田土壤重金屬含量的影響[J].中國非金屬礦T業導刊，2010（5）：52-55.

[4] DIELS L， VAN DER LELIE N，BASTIAENS L. New developmentsin treatment of heavy metal contaminated soils[Jl. Reviews in envi-ronmental science&bio/technology， 2002，1（1）：75-82.

[5]崔俊義，馬友華，王陳絲絲，等，農田土壤鎘污染原位鈍化修復技術的研究進展[J].中國農學通報，2017，33（30）：79-83.

[6]胡紅青，黃益宗，黃巧云，等.農田土壤重金屬污染化學鈍化修復研究進展[J].植物營養與肥料學報，2017，23（6）：1676-1685.

[7]吳霄霄，曹榕彬，米長虹，等.重金屬污染農田原位鈍化修復材料研究進展[J].農業資源與環境學報，2019，36（3）：253-263.

[8]代允超，呂家瓏，曹瑩菲，等.石灰和有機質對不同性質鎘污染土壤中鎘有效性的影響[J].農業環境科學學報，2014，33（3）：514-519.

[9] THAWORNCHAISIT U， POLPRASERT C. Evaluation of phosphatefertilizers for Lhe stabilization of cadmium in highly contaminatedsoils[Jl. Journal of hazardous materials， 2009. 165（1-3）：1 109-1113.

[10]徐亞平，劉鳳枝，蔡彥明，等.土壤中鉛鎘有效態提取劑的選擇[J-農業環境與發展，2005，22（4）：46-48.

[11]胡松水.農田土壤重金屬污染鈍化修復技術新見解[J].科學技術創新，2018（21）：161-162.

[12]陳懷滿.土壤中化學物質的行為與環境質量[M].北京：科學出版社，2002.79-134.

[13] SINGH B R. MYHR K.Cadmium uptake by barley as affected bvCd sources and pH levels [J].Geoderma， 1998， 84（ 1-3）： 185-194.

[14]黃益宗，郝曉偉.赤泥、骨炭和石灰對玉米吸收積累As、Pb和Zn的影響[J]農業環境科學學報，2013，32（3）：456-462.

[15] THEODORATOS P，PAPASSlOPI N. XENIDIS A.Evaluation ofmonobasic calcium phosphate for the immobilization of heavy met-als in contaminated soils from Lavrion EJ]. Journal of hazardousmaterials .2002.94： 135-146.

[16]季慧慧，黃明麗，何鍵，等粉煤灰對土壤性質改善及肥力提升的作用研究進展[J].土壤，2017，49（4）：665-669.

基金項目：綿陽市科技計劃項目（16S-02-5）;西南科技大學大學生創新創業訓練項目（S201910619065）

作者簡介：王仙慧（1997-），女，重慶忠縣人，在讀本科生，生物技術專業，（電話）15196278852（電子信箱）262981613l@qq.com;通信作者，劉繼愷（1983-），女，四川成都人，副教授，博士，主要從事植物分子生物學和逆境生物學研究，（電話）18780334379（電子信箱）kaLervan@163.com。