钝化剂组合对水稻土Pb、Zn赋存形态及水稻根系富集的影响

韦小了,牟 力,付天岭,李相楹,张 弛,何腾兵,

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025; 2.贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025;3.贵州大学 新农村发展研究院，贵州 贵阳 550025; 4.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550002)

土壤重金属污染已经成为我国面积最广、危害最大的环境问题之一[1]。宋伟等[2]对近20 a来土壤重金属污染研究的总结显示，我国城市、城郊和农村均存在不同程度的农田重金属污染问题，涉及全国83.9%省份和22.5%的地级市。2014年原环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染调查公报》[3]显示，全国土壤重金属污染状况严峻，Pb、Zn超标率分别为1.5%、0.9%[2]，同时指明，我国西南、中南地区土壤重金属超标程度较大[4]。重金属在土壤中以不同的化学形态存在，影响其在土壤-植物系统的吸收转移并产生生物毒性[5-7]。因此，对重金属污染农田土壤的修复迫在眉睫。在众多土壤修复方法中，原位固定化成为最具成本效益的方法之一[8]。土壤钝化剂可通过调节土壤理化性质，使重金属产生吸附-络合及氧化还原等反应，改变重金属化学形态，使其由毒性较高态转为毒性低态或者无毒态，以达到降低重金属毒性目的[9]。利用复合型钝化剂对环境中的复合重金属污染进行修复具有显著的优势[10]，常用的钝化剂种类包括无机、有机以及无机-有机组合。无机钝化剂主要有石灰、碳酸钙、粉煤灰、磷酸盐、膨润土以及无机硅肥等，有机钝化剂主要有农家肥、草炭、作物秸秆等，无机-有机混合钝化剂主要有污泥、堆肥等[11-12]。一些科研工作者开展了将多种钝化剂混合或组配来进行重金属污染土壤修复的研究。几种有机残留物(动物粪便、生物固体等)已被广泛用于修复土壤重金属污染[13]。李泰平等[14]研究表明，施用磷矿粉和钙镁氧化物，在一定程度上能有效钝化土壤中的Pb、Zn、Cd等，不同无机材料混配复合改性后施入土壤，能够有效减少土壤重金属在植物中的积累[15]；但迄今关于重金属污染土壤修复中无机和有机材料在不同混合模式下固定化效率的研究较少[16]。鉴于此，为验证有机和无机材料钝化剂在不同混合模式下降低土壤重金属有效性的效果，以盆栽试验研究无机和有机材料组合对水稻土壤Pb、Zn赋存形态及水稻根系富集能力的影响，以期筛选出有效的无机和有机材料的重金属钝化剂组合，为贵州山区稻田重金属污染土壤改良及钝化剂的安全利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤来源于贵州省遵义市播州区鸭溪镇内(106°36′25″E、27°34′47″N)，为由砂页岩风化物发育而成的黄壤经水耕熟化形成的潴育型水稻土壤，肥力较高。将土壤运回盆栽场进行自然风干，剔出根系和碎石等，过2 cm筛混匀，用于盆栽试验。取1 kg土壤样品备用用于测定其基本理化性质，见表1。

供试水稻品种：宜香优725。该品种由绵阳市农科所利用宜香1A与自选恢复系绵恢725组配而成，属籼型杂交水稻。株高106.2 cm，穗长24.8 cm，实粒数130.3粒，结实率78.2%。

供试钝化剂及来源：鸡粪(贵州省镇远县黔发复合肥厂，鸡粪以干质量计算)、生石灰(镇远县龙朝杰石灰厂)、钝化剂D1(深圳百乐宝公司)、钝化剂D2(广东大众农科公司)、钝化剂D3(湖南美鑫隆生态环保科技有限公司)、钝化剂D4(湖南测智科技有限公司)，其基本理化性质见表2。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

表2 钝化剂基本理化性质Tab.2 Basic physical and chemical properties of the passivators

1.2 试验设计

盆栽试验于2017年5—10月在贵州大学农学院盆栽场进行，设置1个空白对照和15种不同钝化剂组合，分别为空白(CK)、生石灰(L)、鸡粪(M)、D1、D2、D3、D4、生石灰+鸡粪(L+M)、生石灰+D1(L+D1)、生石灰+D2(L+D2)、生石灰+D3(L+D3)、生石灰+D4(L+D4)、生石灰+D1+鸡粪(L+D1+M)、生石灰+D2+鸡粪(L+D2+M)、生石灰+D3+鸡粪(L+D3+M)、生石灰+D4+鸡粪(L+D4+M)，每个组合设置3个重复，试验设计见表3。

前期准备与材料施用：2017年5月23日，将风干土壤过2 cm筛，反复搅拌混匀。采用直径20 cm、高22 cm白色塑料盆盛装土壤，每盆装土壤5 000 g，共48盆。按试验设计基施鸡粪和钝化剂，化肥分2次施用，尿素1 g、过磷酸钙0.74 g、氯化钾0.93 g作基肥，插秧前与土壤混合，放置7 d，在水稻孕穗初期每盆施用尿素1 g。采用农业农村部推荐的“VIP+N”技术方案，生石灰在水稻分蘖末期(移栽后约1个月)，按表3的用量一次性撒施。

水稻移栽与水分管理：2017年5月31日，将水稻移栽于塑料盆中，每盆2株，生育期间保持淹水状态，水层3～4 cm。

表3 试验设计Tab.3 Design of the experiment g/kg

1.3 样品采集与保存

土壤样品：水稻收获后，将每盆土壤样品倒在白色塑料薄膜上，充分混合后用四分法取舍，保留1 kg土壤样品装入布袋并标记，共48个样品。将土壤样品摊放在洁净牛皮纸上，清除根系等杂物，在阴凉处自然风干。将试验后的土样研磨，分别过2、0.25、0.149 mm尼龙筛，密封4 ℃保存、备用。

水稻样品：水稻成熟时，把每盆水稻样品全部连根拔起，用超纯水反复冲洗干净，装入尼龙网袋中并标记，共48个样品。105 ℃杀青2 h后在70 ℃条件下烘干，然后将根系、用不锈钢植物粉碎机粉碎，过0.425 mm尼龙筛并分别装入密封袋4 ℃保存。

1.4 测定方法

土壤可交换态、可还原态、可氧化态Pb、Zn采用改进的BCR(European community bureau of reference)法提取[17]，残渣态Pb、Zn采用差值法计算。土壤中Pb、Zn采用HNO3-HF-HClO4消解，总水稻各部位中Pb、Zn用HNO3-H2O2消解，总Pb、Zn含量均采用电感耦合等离子体光谱仪测定。土壤pH值用电位测定[水∶土(质量比)为2.5∶1]，土壤阳离子交换量(CEC)用乙酸铵-EDTA交换法测定，有机质(OM)含量用重铬酸钾-硫酸消化法测定[18]。

1.5 数据处理

统计分析采用SPSS 21.0和Microsoft Excel 2010，并进行不同处理间差异的显著性(P<0.05)检验。

2 结果与分析

2.1 不同钝化剂组合对水稻土壤总Pb、总Zn含量及基本理化性质的影响

从表4可知，钝化剂影响土壤pH值、CEC、OM含量。施用钝化剂后，土壤pH值上升0.25～1.04，除M组合外，其他组合的土壤pH值与CK之间均存在显著差异。其中，CK土壤pH值最低，为6.59，L+D4+M组合土壤pH值最高，达到了7.63。不同钝化剂组合使CEC上升2.65%～50.96%，除L、M、D1、D2、D3、L+D2组合外，其他组合CEC与CK之间均存在显著差异。其中，CK CEC最低，为13.58 cmol/kg，L+D2+M组合CEC最高，达到了20.50 cmol/kg。施用钝化剂后，OM含量上升了0.22%～17.20%，但各组合间无显著差异，其中，CK OM含量最低，为60.18 g/kg，L+D3+M组合OM含量最高，达到了70.53 g/kg。施用钝化剂后，总Pb、总Zn含量无明显变化。

表4 不同钝化剂组合对土壤基本理化性质及总Pb、总Zn含量的影响Tab.4 Effects of the passivator combinations on basic physical and chemical properties and total content of Pb,Zn in the soil

注: 同列数据后不同小写字母表示不同组合间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between different combinations(P<0.05),the same below.

2.2 不同钝化剂组合对水稻土壤不同赋存形态Pb、Zn含量的影响

从表5可知，CK中可交换态Pb含量为0.377 mg/kg，施用钝化剂后，可交换态Pb含量均有所下降，其下降幅度介于14.59%～27.06%。其中，可交换态Pb含量下降幅度最低、最高的分别是L+D1、L+D1+M组合。一元组合中，L、M、D1、D2、D3、D4组合可交换态Pb含量相比CK分别降低23.34%、20.42%、15.12%、21.49%、15.92%、15.92%，一元组合相比CK均可显著降低可交换态Pb含量；二元组合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4组合可交换态Pb含量相比CK分别降低26.53%、14.59%、17.77%、18.57%、19.63%，二元组合相比CK均可显著降低可交换态Pb含量；三元组合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M组合可交换态Pb含量相比CK分别降低27.06%、18.30%、19.10%、20.16%，三元组合相比CK均可显著降低可交换态Pb含量。CK中可还原态Pb含量为3.240 mg/kg，施用钝化剂后，可还原态Pb含量均有所增加，增加幅度介于7.99%～17.65%。相比CK，只有D1组合使可还原态Pb含量显著增加。相比CK，各组合可还原态Pb含量增加幅度最低、最高的分别是L+D4、D1组合。一元组合中，L、M、D1、D2、D3、D4组合可还原态Pb含量相比CK分别增加15.37%、12.10%、17.65%、15.83%、15.15%、12.31%；二元组合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4组合可还原态Pb含量相比CK分别增加10.77%、14.44%、14.60%、9.29%、7.99%；三元组合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M组合可还原态Pb含量相比CK分别增加13.70%、15.28%、15.74%、15.43%。施用钝化剂组合对可氧化态和残渣态Pb含量无显著影响。

表5 不同钝化剂组合对水稻土壤不同赋存形态Pb含量的影响Tab.5 Effects of different passivator combinations on different combined forms of Pb in paddy soil mg/kg

从表6可知，CK中可交换态Zn 含量为5.358 mg/kg，施用钝化剂后，可交换态Zn含量显著降低，其下降幅度介于12.58%～33.30%。其中，各组合可交换态Zn含量下降幅度最低、最高的分别是D2、L+D3+M。一元组合中，L、M、D1、D2、D3、D4组合可交换态Zn含量相比CK分别降低17.23%、22.42%、19.86%、12.58%、25.35%、16.89%；二元组合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4组合可交换态Zn含量相比CK分别降低20.98%、23.37%、29.17%、24.73%、21.07%；三元组合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M组合可交换态Zn含量相比CK分别降低28.09%、22.77%、33.30%、29.28%。CK中可还原态Zn含量为5.035 mg/kg，施用钝化剂后，可还原态Zn含量相比CK均有所增加，增加幅度介于1.35%～22.40%，除L+D1+M组合外，其他组合可还原态Zn含量相比CK均未达到显著差异。其中，可还原态Zn含量相比CK增加幅度最低、最高的分别是D4、L+D1+M组合。一元组合中，L、M、D1、D2、D3、D4组合可还原态Zn含量相比CK分别增加6.12%、7.81%、17.95%、7.13%、7.31%、1.35%;二元组合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4组合可还原态Zn含量相比CK分别增加2.86%、9.57%、3.04%、4.05%、5.32%;三元组合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M可还原态Zn含量相比CK分别增加22.40%、4.49%、14.00%、19.11%。除L、L+D1、L+D2、L+D3外，其他组合均使可氧化态Zn含量相比CK有所增加，增加幅度介于1.62%～41.82%，但未达到显著水平。一元组合中，除L组合外，其他组合使可氧化态Zn含量相比CK分别增加35.35%、3.74%、19.09%、25.66%、12.22%。二元组合中，L+M、L+D4组合使可氧化态Zn含量相比CK分别增加17.27%、1.62%。三元组合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M组合使可氧化态Zn含量相比CK分别增加4.55%、32.02%、41.82%、24.95%。CK中残渣态Zn含量为129.211 mg/kg，除D2组合外，施用钝化剂后，残渣态Zn含量相比CK均有所增加，但未达到显著水平。除D2组合外，其他组合残渣态Zn含量相比CK增加幅度最大、最小分别是D3、D1组合。一元组合中，L、M、D1、D3、D4组合残渣态Zn含量相比CK分别增加0.20%、0.12%、0.01%、1.81%、0.65%。二元组合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4组合残渣态Zn含量相比CK分别增加0.18%、1.14%、1.16%、0.34%、1.36%；三元组合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M组合残渣态Zn含量相比CK分别增加0.88%、0.78%、0.68%、0.32%。

表6 不同钝化剂组合对水稻土壤不同赋存形态Zn含量的影响 Tab.6 Effects of different passivator combinations on different combined forms of Zn in paddy soil mg/kg

2.3 不同钝化剂组合对水稻根系中Pb、Zn含量及富集系数的影响

从表7中可知，施用钝化剂后，相比CK均能降低水稻根系中Pb含量，下降幅度介于8.53%～68.97%，除D4组合外，其他钝化剂组合相比CK均能显著降低水稻根系中Pb含量。施用钝化剂后，水稻根系中Pb含量最大、最小的分别是D4、L+D2+M组合，含量分别为7.803、2.647 mg/kg。一元组合中，L、M、D1、D2、D3、D4组合使水稻根系中Pb含量相比CK分别下降44.38%、46.51%、34.09%、47.40%、28.71%、8.53%。二元组合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4组合使根系中Pb含量相比CK分别下降34.98%、29.09%、45.75%、45.57%、52.54%。三元组合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M组合使根系中Pb含量相比CK分别下降43.54%、68.97%、64.86%、62.02%。施用钝化剂后，相比CK均能降低水稻根系中Zn含量，下降幅度介于6.45%～57.89%，其中，除L+M、L+D1、L+D2组合外，其他组合相比CK均能显著减低水稻根系中Zn含量。一元组合中，L、M、D1、D2、D3、D4组合使水稻根系中Zn含量相比CK分别下降20.41%、36.77%、23.84%、28.39%、31.74%、42.39%。二元组合中，L+M、L+D1、L+D2、L+D3、L+D4组合使水稻根系中Zn含量相比CK分别下降12.85%、15.15%、6.45%、44.90%、30.74%。三元组合中，L+D1+M、L+D2+M、L+D3+M、L+D4+M组合使水稻根系中Zn含量相比CK分别下降54.27%、57.89%、45.40%、50.66%。施用钝化剂后，相比CK均能降低水稻根系中Pb、Zn富集系数，其下降幅度分别介于5.00%～70.00%、4.55%～59.09%。除D4组合外，其他钝化剂组合相比CK均能显著降低水稻根系中Pb富集系数。除L+M、L+D1、L+D2组合外，其他组合相比CK均能显著减低水稻根系Zn富集系数，其中，三元组合对降低水稻根系中Pb、Zn含量及富集系数具有较好的效果。

表7 不同钝化剂组合对水稻根系中Pb、Zn含量及富集系数的影响Tab.7 Effects of different passivator combinations on content and bioconcentration factor of Pb and Zn in rice root

3 结论与讨论

施用钝化剂后，土壤中总Pb和总Zn含量相比CK无明显变化，但能改善土壤pH值、OM含量、CEC。施用钝化剂后，一元、二元、三元组合相比CK均能不同程度降低土壤可交换态Pb、Zn含量及水稻根系Pb、Zn含量，其中，三元组合在降低水稻根系Pb、Zn含量及提高土壤pH值、OM含量、CEC方面的效果较好。本试验施用的钝化剂主要是生石灰、鸡粪、氧化镁、氧化亚铁等，都为碱性物质，再加上钝化剂中含有氮、磷、钾等微量元素，这些物质的投入会使土壤pH值升高[19]。有研究表明，当土壤pH值升高时，土壤中重金属的有效态降低[20]，本试验的钝化剂含有生石灰，属于强碱性物质，施用钝化剂后，土壤OH-浓度明显增加，能有效提高土壤pH值，促进部分重金属形成沉淀，降低可交换态重金属含量[21-22]。同时，石灰中Ca2+能交换取代土壤颗粒表面的Na+、K+等低价阳离子，从而降低土壤颗粒扩散双电层厚度，使得土壤亲水性降低，而整体稳定性提高[23]。另外，石灰能改善土壤养分结构及养分循环，使土壤微生物活性及多样性改变，并通过生化作用形成大分子物质，达到固定重金属的效果[24-25]。并且，钝化剂中的鸡粪含大量的OM，OM进入土壤后会转化分解成含有羟基、羧基等不同活性功能基团的腐殖质，与金属具有较好的结合作用[26-28]，且金属结合物的稳定性会随着pH值的增加而增加[29]。王雨薇等[30]研究指明，添加鹿粪和菌肥促进了土壤中酸可提取态、可还原态和可氧化态Pb向残渣态Pb转化。刘勇等[31]研究表明，添加石灰后土壤pH值和OM含量均显著提高，4种重金属化学形态由水溶态、可交换态等活性态，向有机态、残渣态等非活性态的转化趋势明显。此外，李造煌等[32]研究表明，施用钙、镁、磷肥能显著提升土壤pH值，降低土壤固体废物毒性浸出试验中提取态Cd含量，且降低效果随着水稻生育期的延长逐渐增强。采用改进的BCR分级连续提取法，将重金属分为可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态[33-36]，根据生物利用性大小可将各种形态分为有效态、潜在有效态和不可利用态[37]。其中，可交换态最易为植物吸收，为有效态；潜在有效态包括可还原态和可氧化态，属于较易被植物吸收的形态；残渣态对生物无效，为不可利用态[33]。本试验研究结果表明，土壤中Pb、Zn的4种赋存形态分布总体表现为残渣态含量>可还原态含量>可交换态含量>可氧化态含量的趋势，施用钝化剂后，土壤Pb、Zn的4种形态总体表现为可交换态含量相比CK显著降低。说明在钝化过程中，重金属形态分布发生改变，由可交换态向稳定无毒形态转化，生物有效性降低[33]。根系是植物最易积累重金属的部位，通过抑制重金属由地下部向地上部转运，可降低重金属在根、茎、叶中的积累，从而降低糙米的毒害[38]。重金属富集系数能直观地表示植物积累重金属能力[39]，富集系数越大，说明重金属富集能力越强[40-42]，由本试验可知，施用钝化剂后，水稻根系Pb、Zn富集系数相比CK均有降低，三元组合在降低水稻根系Pb、Zn含量及富集系数上具有较好效果。