湖南省是金属矿产资源丰富的地区, 拥有铅、镉、砷、铜、钨等20多种矿产资源[1], 这些矿产的采矿和冶炼使矿区周围土壤受到不同程度的重金属污染.土壤中重金属通过作物吸收转运, 累积在可食部位, 通过食物链危害人体健康.因此, 采取安全有效的措施修复重金属污染土壤, 减少重金属在作物中吸收和累积, 已成为当前该地区亟需解决的问题.
目前研究多采用原位钝化技术修复重金属污染土壤, 通过添加钝化剂以改善土壤理化性质, 降低重金属的生物有效性, 减少其向作物可食部位的迁移[2], 从而达到修复土壤的目的.原位钝化修复技术具有经济成本低廉, 操作简单, 效果显著等优势, 成为了重金属污染土壤修复的重要手段[3].较为常见钝化剂有海泡石、石灰、磷酸盐、生物炭、沸石等[4~7], 这些钝化剂主要是用于修复Pb、Cd等重金属污染土壤, 研究表明, 添加石灰可明显降低小白菜中Pb和Cd的含量[8]. As污染土壤修复的钝化剂多为零价铁(铁粉)、铁的氧化物、铁的硫化物、骨炭等含铁物质[9~11].向猛等[12]研究发现添加硫酸亚铁使土壤As的生物可给性含量比对照降低了90.8%.然而, 以上土壤修复试验只针对重金属Pb、Cd的污染或者类金属As的污染, 没有探讨Pb、Cd和As复合污染土壤的修复问题, 且大部分研究成果仅在盆栽试验条件进行.本研究将硫酸铁和碳酸钙作为钝化剂施用在污染菜地中, 研究其对土壤Pb、Cd、As的钝化效果及辣椒各部位吸收累积Pb、Cd、As的影响, 以期为该地区Pb、Cd、As复合污染土壤的修复提供一些参考依据.
1 材料与方法 1.1 供试土壤试验在湖南省某铅锌矿区附近的菜地进行.该地区位于中亚热带季风湿润气候区, 年平均气温在15.6~18.3℃, 土壤pH值4.75, 阳离子交换量为12.5 cmol·kg-1, 有机质含量为2.3%.土壤中Pb、Cd和As含量分别为418.1、5.7和45.5 mg·kg-1, 其中Pb、Cd和As含量分别超过我国土壤环境质量标准(GB 15618-1995) Ⅱ级标准值8.4、22.8、1.3倍.
1.2 试验材料供试钝化剂硫酸铁[Fe2(SO4)3](分析纯)是由湖南省衡阳市绿野堂生物化工科技有限公司供应, 石灰石[CaCO3]是由湖南省宁乡县道林镇尚杰矿石粉厂提供, 基本理化性质如表 1.供试蔬菜选用辣椒(新椒四号, 湖南郴州继棉种业).
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表 1 钝化剂的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the amendments |
1.3 试验设计
硫酸铁设置3个添加浓度: 0、1、2 g·kg-1, 碳酸钙设置3个添加浓度: 0、2、4 g·kg-1.每个处理设置3个样方, 每个样方面积为8 m2(2 m×4 m), 共18个样方, 随机区组排列.辣椒于当年3月下旬播种, 参照当地生产习惯进行田间管理, 至7月中下旬收获.
1.4 样品处理每个样方中随机采集3株辣椒, 同时采集对应土壤样品.辣椒植株带回实验室后, 用自来水和蒸馏水洗净, 晾干后放入烘箱, 105℃杀青30 min, 然后在70℃下烘干至恒重.辣椒分部位(根、茎、叶、果实)用小型粉碎机粉碎, 用封口袋密封保存备用.土壤自然风干后, 去除杂质, 分别过10目和100目尼龙筛, 保存待测.
1.5 样品分析土壤pH值用酸度计(PHS-3C, 雷磁)测定, 土壤阳离子交换量用氯化钡-硫酸强迫交换法测定[13], 土壤有机质用重铬酸钾氧化-比色法测定[13], 土壤重金属总量用王水-高氯酸消解提取[13], 土壤As总量用1+1王水消解提取[13], 土壤重金属和As的TCLP提取态采用美国EPA的方法提取[14].辣椒样品中重金属和As总量采用干灰化法消解提取[GB/T 5009.15-2003, GB/T 5009.11-2003].溶液中重金属浓度用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES 6300, Thermo)测定, 溶液中As含量采用AFS-8220原子荧光分光光度计测定.所有样品分析过程中以国家标准物质土壤[GBW(E)-070009]和大米[GBW10045(GSB-23)]进行质量控制, Pb、Cd、As的回收率分别为94.5%~98.6%、97.2%~102.3%和96.8%~99.5%.
1.6 数据处理辣椒植株前一部位向后一部位转移Pb、Cd、As能力用转运系数(TF)[15, 16]表示.
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式中, Ci代表后一部位中Pb、Cd、As含量(mg·kg-1), Cr代表前一部位中Pb、Cd、As含量(mg·kg-1).
采用Office 2010、SPSS15.0和Origin 8.5软件进行数据处理及绘图, 在P < 0.05水平下进行多重比较.
2 结果与分析 2.1 钝化剂对土壤pH值影响图 1显示了硫酸铁和碳酸钙对土壤pH值的影响.与对照比较, 添加硫酸铁的各处理土壤pH值之间均不存在显著性差异(P > 0.05), 添加碳酸钙使土壤pH增加了0.65~0.85个单位, 各处理土壤pH值之间均存在显著性差异(P < 0.05), 显然, 碳酸钙显著地提高土壤pH值, 硫酸铁对土壤pH值没有显著影响.碳酸钙是一种碱性物质, 在土壤中可产生大量OH-, 使土壤pH值升高.硫酸铁是一种强酸弱碱盐, 在土壤中能水解产生大量的H+, 在本试验条件下, 因添加量较小, 未能使土壤pH值显著降低.
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Fe-0, Fe-1, Fe-2分别代表:添加硫酸铁的浓度为0、1、2 g·kg-1, Ca-0, Ca-2, Ca-4分别代表:添加碳酸钙的浓度为0、2、4 g·kg-1; 同一处理下, 相同字母表示在0.05水平上无显著性差异, 不同字母表示有显著性差异, 下同 图 1 两种钝化剂对土壤pH值的影响 Fig. 1 Effects of two amendments on the soil pH |
图 2显示硫酸铁和碳酸钙对土壤中Pb、Cd和As的TCLP提取态含量的影响.随着添加量的增加, 硫酸铁和碳酸钙均能使Pb、Cd的TCLP提取态含量逐渐降低, 且具有显著性差异.添加硫酸铁, 可使Pb和Cd的TCLP提取态含量分别降低65.7%~81.8%和12.5%~15.3%;添加碳酸钙, 可使Pb和Cd的TCLP提取态含量分别降低23.7%~81.8%和0.1%~3.9%.硫酸铁和碳酸钙分别使As的TCLP提取态含量提高0.5~1.0和1.0~1.2倍, 且与对照存在显著差异(P < 0.05).显然, 硫酸铁和碳酸钙均可有效降低土壤中Pb和Cd的生物有效性, 使土壤As的活性显著提高.
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图 2 两种钝化剂对土壤中Pb、Cd和As的TCLP提取态含量的影响 Fig. 2 Effects of two amendments on TCLP extractable contents of Pb, Cd, and As in soil |
由图 3(a)可知, 随着硫酸铁和碳酸钙的添加量增加, 辣椒各部位Pb含量都呈现逐渐降低的规律.与对照相比, 硫酸铁使辣椒根、茎、叶、果实中Pb含量分别降低44.2%~69.1%、36.9%~37.3%、25.4%~42.0%、7.2%~22.9%, 硫酸铁在添加量1~2 g·kg-1时辣椒根、叶中Pb含量与对照存在显著性差异(P < 0.05).碳酸钙使辣椒根、茎、叶、果实中Pb含量分别降低51.5%~72.2%、10.6%~13.9%、8.3%~23.2%、15.8%~16.3%, 碳酸钙在添加量为2~4 g·kg-1时辣椒根、叶、果实中Pb含量与对照存在显著性差异(P < 0.05).显然, 两种钝化剂可有效降低辣椒各部位Pb含量, 其效果相当.
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图 3 两种钝化剂对辣椒各部位中Pb、Cd和As含量的影响 Fig. 3 Effects of two amendments on contents of Pb, Cd, and As in different organs of pepper plants |
随着硫酸铁和碳酸钙的添加量增加, 辣椒各部位Cd含量逐渐降低, 如图 3(b).与对照相比, 硫酸铁使辣椒根、茎、叶、果实中Cd含量分别降低7.8%~30.1%、24.0%~42.9%、27.5%~27.95%、2.3%~2.9%, 硫酸铁在添加量为1~2 g·kg-1时辣椒茎中Cd含量与对照存在显著性差异(P < 0.05).碳酸钙使辣椒根、茎、叶、果实中Cd含量分别降低47.8%~52.7%、32.8%~43.6%、10.7%~43.8%、11.8%~15.0%, 碳酸钙在添加量为2~4 g·kg-1时辣椒根、茎、叶中Cd含量与对照存在显著性差异(P < 0.05).
由图 3(c)可知, 硫酸铁使辣椒叶中As的含量降低7.1%~41.3%, 硫酸铁在添加量为2 g·kg-1时辣椒叶中As含量与对照存在显著性差异(P < 0.05), 而添加硫酸铁对辣椒根、茎和果实中As含量没有显著影响.碳酸钙使辣椒根、茎、叶、果实中As含量与对照比较分别降低62.4%~68.1%、1.6%~23.7%、12.2%~25.4%、0.1%~53.2%, 碳酸钙在添加量为4 g·kg-1时辣椒根、茎、果实中As含量与对照存在显著性差异(P < 0.05).
2.4 钝化剂对辣椒各部位Pb、Cd和As转运系数的影响从表 2可以看出, 两种钝化剂均能有效降低辣椒中Pb、Cd从茎到果实的转运系数.当硫酸铁的添加量为2 g·kg-1时, Pb、Cd从茎到果实的转运系数分别降低16.7%和68.0%.碳酸钙的添加同样降低Pb、Cd从茎到果实的转运系数, 当碳酸钙的添加量为4 g·kg-1时, Pb、Cd从茎到果实转运系数分别降低16.7%和51.5%, 碳酸钙在添加量为4 g·kg-1时, Pb、Cd从茎到果实的转运系数与对照相比均存在显著性差异(P < 0.05).
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表 2 两种钝化剂对Pb、Cd、As在辣椒植株各部位间转运系数的影响1) Table 2 Effects of two amendments on the translocation factors of Pb, Cd, and As in different organs of pepper plants |
添加硫酸铁和碳酸钙均降低As从茎到果实的转运系数.与对照相比, 添加1~2 g·kg-1硫酸铁, As从茎到果实的转运系数最大降低10.2%, 但不存在显著性差异.与对照相比, 添加2~4 g·kg-1碳酸钙, As从茎到果实的转运系数最大降低45.6%, 存在显著性差异(P < 0.05).
3 讨论 3.1 土壤pH值与土壤的Pb、Cd、As的TCLP提取态含量的相关关系本研究结果表明, 添加硫酸铁对土壤pH值的影响不大, 添加碳酸钙使土壤pH值升高. 图 2表明, 两种钝化剂均降低土壤中Pb、Cd的TCLP提取态含量, 使土壤中As的TCLP提取态含量显著增加.为了研究土壤pH值与Pb、Cd、As的TCLP提取态含量关系, 分别对其做相关分析(图 4).结果表明, 添加硫酸铁时, 土壤pH值与Pb、Cd、As的TCLP提取态含量之间均不存在线性相关关系.这说明土壤中添加硫酸铁并不是通过改变土壤pH值而改变土壤中Pb、Cd、As的TCLP提取态含量.李婧菲等[17]研究结果表明, 土壤中添加Fe(OH)3对土壤pH影响不显著, 但可使土壤中重金属交换态含量降低, 这一结论与本研究结果一致.根据已有报道Fe3+对土壤Pb、Cd具有固定修复作用[18], 其原因可能是Fe3+水解形成胶体可有效吸附土壤中释放出来的Pb2+、Cd2+[19~21], 同时硫酸根离子与Pb2+易生成难溶性沉淀.相关研究表明土壤中添加Fe(OH)3对土壤有效态As含量影响不大, 而添加FeCl3可使土壤中有效态As含量与对照相比降低46%[17].本研究发现, 添加硫酸铁对土壤中As的TCLP提取态含量显著上升.这表明Fe3+对土壤砷有效性的影响需要进一步研究.添加碳酸钙, 土壤pH值分别与Pb、As的TCLP提取态含量呈极显著的线性相关关系, 其相关系数为RPb2=0.767、RAs2=0.774, 与Cd的TCLP提取态含量线性相关性不明显.这一结果与孙约兵等[22]和王林等[23]的研究一致.添加碳酸钙能降低土壤中Pb、Cd的TCLP提取态含量的原因可能是, 碳酸钙作为碱性物质能提高土壤pH值, 增加土壤负电荷, 促进增强对带正电荷的重金属离子的吸附[24, 25]; 土壤处于碱性环境有利于重金属离子生成氢氧化物或者是碳酸盐沉淀[26~28], 从而降低土壤重金属含量的生物有效性.本研究结果表明土壤pH值越大, 土壤As的TCLP提取态含量越高, 这与杨文弢等[29]和辜娇峰等[30]的试验结果一致. Tokunaga等[31]的研究结果证明, 土壤对As的吸附能力与土壤pH值密切相关, 随着土壤pH值升高, 土壤对As的固定作用减弱, 其原因是增加的OH-可配位取代土壤中的As, 促进土壤中As释放[32, 33].
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图 4 土壤理化性质与土壤Pb、Cd和As含量的相关关系 Fig. 4 Correlations between physical and chemical properties and contents of Pb, Cd, and As in soil |
土壤TCLP提取态方法主要用于检测固体介质或废弃物中重金属元素的溶出性和迁移性[14], 它可以作为土壤中Pb、Cd、As生物有效性的评价指标.为研究土壤Pb、Cd、As的TCLP提取态含量与辣椒各部位Pb、Cd、As含量的关系, 分别对其做相关性分析(表 3).
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表 3 辣椒各部位中Pb、Cd和As含量与土壤TCLP提取态含量的相关关系(R2) Table 3 Correlations between contents of Pb, Cd, and As in different organs of pepper plants and TCLP extractable contents of Pb, Cd, and As in soil (R2) |
添加硫酸铁的处理中, 土壤中Pb的TCLP提取态含量与辣椒根、茎、叶中Pb含量之间存在显著或极显著的正相关关系, 其相关系数分别为0.979、0.769、0.766 (n=9, R0.052=0.443, R0.012=0.637), 土壤中Cd的TCLP提取态含量与辣椒茎、叶、果实中Cd含量之间存在显著正相关关系, 其相关系数分别为0.455、0.539、0.490 (n=9, R0.052=0.443, R0.012=0.637).说明硫酸铁主要是通过降低土壤中Pb和Cd的TCLP提取态含量降低辣椒中Pb、Cd含量.该结论与李婧菲等[17]研究结果一致.土壤中As的TCLP提取态含量与茎、叶中As含量之间存在显著负相关关系(表 3).相关研究表明, 添加钝化剂可能使土壤有效态As活化, 使土壤中As从强结合态转化为弱结合态, 从而导致土壤As浸出毒性提高[34].由表 2可知, 辣椒对As的积累主要是在根部, As从根部向地上部的转运很少. As的TCLP提取态含量与茎、叶中As含量之间的负相关关系可能与植物体内复杂的As转运途径有关.
添加碳酸钙的处理中, 土壤中Pb的TCLP提取态含量与辣椒根、叶、果实中Pb含量之间存在显著或极显著的正相关关系, 其相关系数分别为0.871、0.777、0.455.土壤中Cd的TCLP提取态含量与辣椒茎、叶中Cd含量之间存在显著正相关关系, 其相关系数分别为0.703、0.649.该结果与Arao等[16]的研究一致, 添加石灰石和海泡石的组配钝化剂可以显著降低土壤交换态Pb、Cd含量, 降低蔬菜对Pb、Cd的吸收.土壤As的TCLP提取态含量与辣椒叶、果实中As含量之间存在显著负相关关系, 其相关系数分别为0.476、0.580.钟倩云等[35]通过水稻盆栽试验发现, 添加碳酸钙可以降低土壤中As交换态含量, 但并未显著降低水稻糙米As含量.这与本研究中添加碳酸钙活化土壤As, 降低辣椒果实中As的含量试验结果不一致.本研究中, 辣椒果实中As含量降低的原因可能是大量Ca2+对细胞膜透性及细胞分裂具有一定影响, Ca2+易与果胶质形成难溶性沉淀, 改变其结构及通透性, 从而阻止As进入植物果实体内[36, 37].
4 结论(1) 硫酸铁使土壤中Pb、Cd的TCLP提取态含量最大降低81.8%和5.3%;碳酸钙使土壤中Pb、Cd的TCLP提取态含量最大降低56.0%和3.9%.硫酸铁和碳酸钙均使土壤中As的TCLP提取态含量显著升高.
(2) 硫酸铁使辣椒果实中Pb和Cd的含量分别降低7.2%~22.9%和2.3%~2.9%, 而对果实中As的含量没有影响.碳酸钙使辣椒果实中Pb、Cd、As的含量分别降低15.8%~16.3%、11.8%~15.0%、0.03%~53.2%.
(3) 硫酸铁和碳酸钙都能有效降低旱地中Pb、Cd、As向辣椒中迁移, 且碳酸钙效果比硫酸铁好.但由于辣椒种植土壤的重金属污染非常严重, 添加两种钝化剂均未能使辣椒果实中Pb、Cd、As含量达到国家食品安全卫生标准限值(GB 2762-2012).
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