土壤改良剂对Cd污染土壤的修复效果研究

摘要 ［目的］探究试配的土壤改良剂对Cd污染土壤的修复效果及最佳施用比例。［方法］利用盆栽试验向Cd污染土壤中添加不同比例的土壤改良剂，通过指示植物小麦的发芽率、株高及小麦植株SOD活性、MDA含量、Cd富集量等统计学指标，分析不同土壤改良剂对Cd污染土壤种植小麦的影响；通过土壤中不同形态Cd含量的变化，分析不同土壤改良剂对土壤重金属Cd的钝化效果的影响。［结果］随土壤改良剂添加比例的增加，小麦发芽率呈先增后减的趋势；随土壤改良剂添加比例的增加，小麦株高呈先升高后下降的趋势，添加比例为5%时最高；小麦植株内SOD活性、MDA含量和Cd富集量呈先下降后升高的趋势，在添加比例为5%时最低；添加5%土壤改良剂1（泥炭∶膨润土∶生物炭∶微生物=14∶7∶10∶1）的处理组中小麦植株Cd富集量较对照组降低了30.24%；土壤改良剂的添加显著降低了Cd污染土壤中酸溶态Cd的含量，使Cd的迁移性减弱，其中添加5%土壤改良剂1的处理组效果最佳，90 d土壤中酸溶态Cd含量由31.40%降低至9.72%，相较于空白对照组降低了65.43%。［结论］5%土壤改良剂1的施加可有效修复重金属Cd污染土壤。

关键词 土壤改良剂；重金属；Cd污染；土壤修复；小麦

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）17-0063-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.17.014

Study on Effects of Soil Amendment on the Remediation of Cd Contaminated Soil

HUANG Yu-xi， HE Ling-ling， PENG Zi-han et al

（Henan High-tech Industrial Co. Ltd.，Zhengzhou，Henan 450002）

Abstract ［Objective］To explore the remediation effect and the best application ratio of the trial soil amendment on Cd contaminated soil.［Method］Pot experiments were conducted to add different proportions of soil amendments to Cd contaminated soil， the germination rate， plant height， SOD activity， MDA content， Cd enrichment and other statistical indicators of wheat were used as indicators， the effects of different soil amendments on planting wheat in Cd polluted soil were analyzed.Through the changes of different forms of Cd in soil， the effects of different soil amendments on the passivation effect of heavy metal Cd in soil were analyzed. ［Result］As the proportion of soil amendments increased， the germination rate of wheat showed a trend of first increasing and then decreasing.With the increase of the proportion of soil amendment， the wheat plant height showed a trend of first increasing and then decreasing， and the addition proportion of 5% was the highest. The SOD activity， MDA content and Cd enrichment in wheat plants showed a trend of decreasing first and then increasing， and it was the lowest when the addition proportion was 5%. The Cd enrichment of wheat plants in the treatment group added with 5% soil amendment 1（peat∶bentonite∶biochar∶microorganisms=14∶7∶10∶1） was 30.24% lower than that in the control group.The addition of soil amendment significantly reduced the content of acid soluble Cd in Cd contaminated soil， and weakened the mobility of Cd. The treatment group added 5% soil amendment 1 had the best effect. The content of acid soluble Cd in 90 day soil decreased from 31.40% to 9.72%， which was 65.43% lower than that of the blank control group.［Conclusion］The application of 5% soil amendment 1 can effectively repair the soil polluted by heavy metal Cd.

Key words Soil amendment；Heavy metals；Cd pollution；Soil remediation；Wheat

镉（Cd）是一种常见的化工原料，广泛存在于电镀、冶炼及油漆、涂料生产等工业活动［1］。另外，Cd也是一种具有极强生物毒性的人体非必需金属元素，可通过食物富集至人体，对人体各器官造成不可逆的损伤［2］。近年来，在我国工业的迅速发展下，Cd污染问题日益引起人们的关注。据相关调查，我国目前受Cd污染耕地面积超过2 000万hm2，约占我国耕地面积的15.6%，由此造成的粮食重金属污染每年超过1 000万t［3-5］。小麦是我国第二大谷类作物，其产量、质量直接影响我国粮食安全。

文献统计分析发现，2010年之前国内外学者对重金属污染农作物的关注点主要集中在水稻方面，近几年随着“镉麦”事件的陆续发生，关于小麦重金属污染农田土壤修复治理领域的研究才逐渐起步［6-7］。夏雪姣等［8］利用水培试验研究了不同浓度Cd污染对小麦种子发育及生理相应的影响。杨金康等［9］研究发现硅钙镁肥可以高效降低土壤中DTPA提取态Cd含量，另外利用硅钙镁肥与改性腐殖酸复配的土壤改良剂可以使小麦籽粒中的Cd浓度有效降低81.77%。研究表明，长期在重金属Cd胁迫下生长的植物根系最易受到直接损伤，受损后的根系颜色逐渐发黑，进一步会使植株光合作用受限，从而造成植物生长瘦弱、叶片短而卷曲，甚至黄化坏死［10］。植物在重金属Cd胁迫下会在植株内生成较多的氧自由基，抗氧化酶活性遭到严重破坏，进而造成其质膜系统的紊乱及生物大分子的损伤，最终生长受限［11］。Tavanti等［12］研究发现，重金属对植物生长的限制和植物体内活性氧自由基的代谢水平有较高的相关性。超氧化物歧化酶（SOD）普遍存在于植物体内，具有清除破坏性氧自由基的功能，可以有效增强植物的抗氧化能力，因此通常将植物体内SOD的活性作为其抗氧化能力强弱的指标［13］。丙二醛（MDA）是植物细胞在受到环境胁迫时进行膜质过氧化的产物，因此，其含量的多少可以指示植物细胞膜遭受过氧化的程度［14］。

泥炭又名“草炭”，是一种富含大量纤维素、半纤维素、木质素、腐殖质等有机质及少量矿物质的极性多孔材料，因其具有羟基、醇羟基、酚羟基等活性官能团及较大比表面积等特点而广泛应用于育苗、盆栽及土壤改良等领域，近年来也有研究发现泥炭可在重金属吸附方面发挥重要作用［15］。钠基膨润土由膨润土改性而来，是一种由蒙脱石构成的非金属矿产，价格低廉易得，具有比表面积大、渗透率低、阳离子交换能力强等优点，因此具有较好的吸附能力，常被用于富集和钝化重金属污染物［16］。生物炭由农业废弃物热解而来，因其比表面积大、吸附能力强、阳离子交换能力强等特点在重金属修复方面表现出了较突出的固化能力［17］。该研究利用泥炭、膨润土、生物炭及微生物菌剂等易得的材料制备土壤改良剂，探究不同配方对土壤中不同形态Cd迁移转化的影响，同时通过盆栽试验研究土壤改良剂对小麦苗期生长发育的影响，以期为我国Cd污染地区小麦安全种植提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 Cd污染土壤的制备。

供试土壤采自河南省高新技术实业有限公司中试基地，土壤经自然风干后过2 mm筛，土壤pH为7.6，有机质14.513 g/kg，全氮0.506 g/kg，全磷0.284 g/kg。使用CdCl2·1.5H2O配制Cd污染土壤。

1.1.2 土壤改良剂的制备。

土壤改良剂为泥炭、膨润土、生物炭、巨大芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌及固氮菌等原料配制而成。土壤改良剂1中各原料的配比为泥炭∶膨润土∶生物炭∶微生物=14∶7∶10∶1，土壤改良剂2中各原料的配比为泥炭∶膨润土∶生物炭∶微生物=7∶14∶10∶1，其中微生物为巨大芽孢杆菌∶胶冻样芽孢杆菌∶固氮菌=1∶1∶1。

1.2 试验方法

试验分为钝化试验和小麦盆栽试验2个部分，均在口径18 cm、高度16 cm的花盆中进行，每个花盆中加入Cd污染土壤1 kg。通过向Cd污染土壤中分别添加0、1%、5%、10%、15%的2种土壤改良剂充分混匀后，使用去离子水保持土壤持水量20%，陈化20 d后开展试验。

1.2.1 钝化试验。

在口径18 cm、高度16 cm的花盆中添加Cd污染土壤1 kg，将2种土壤改良剂按照0、1%、5%、10%、15%的添加比例分别与Cd污染土壤充分混匀，使用去离子水保持土壤持水量20%，每处理组设3个重复。空白对照组标号D0，添加土壤改良剂1的处理组按添加比例从低到高依次标号D1-1、D1-2、D1-3、D1-4，添加土壤改良剂2的处理组按添加比例从低到高依次标号D2-1、D2-2、D2-3、D2-4。陈化20 d后，每隔30 d取样一次，检测各处理组的土壤中不同形态Cd的含量随时间的变化趋势，探究最适的土壤改良剂及其添加比例。

1.2.2 盆栽试验。

在口径18 cm、高度16 cm的花盆中添加Cd污染土壤1 kg，将2种土壤改良剂按照0、1%、5%、10%、15%的添加比例分别与Cd污染土壤充分混匀，使用去离子水保持土壤持水量20%，每处理组设3个重复。挑选优质的小麦种子，于0.05%的高锰酸钾溶液中浸种1 h，去离子水冲洗3次，滤纸吸干，每个花盆播种20粒，播深为1 cm，播种后保持土壤湿润，在恒温条件下进行盆栽试验。种植期间定期检测发芽率、株高等，60 d后收获小麦，测定小麦植株Cd含量及SOD、MDA含量。

1.2.3 土壤及小麦各指标的检测方法。

土壤取样后，放入烘箱内105 ℃烘干2 h，研磨，过20目筛。采用欧洲共同体参考机构（European community bureau of reference）提出的BCR提取法提取土壤样品中酸溶态、可还原态、可氧化态及残渣态Cd，使用火焰原子吸收分光光度法测定样品中Cd含量；采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全消解的方法将土壤样品中的Cd全部提取出，使用石墨炉原子吸收分光光度法测定样品中Cd含量［18］。