环境科学  2019, Vol. 40 Issue (2): 945-952   PDF    
引用本文
林海, 靳晓娜, 董颖博, 罗明科, 赵一鸣. 膨润土对不同类型农田土壤重金属形态及生物有效性的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(2): 945-952.
LIN Hai, JIN Xiao-na, DONG Ying-bo, LUO Ming-ke, ZHAO Yi-ming. Effects of Bentonite on Chemical Forms and Bioavailability of Heavy Metals in Different Types of Farmland Soils[J]. Environmental Science, 2019, 40(2): 945-952.
膨润土对不同类型农田土壤重金属形态及生物有效性的影响
林海1,2, 靳晓娜1, 董颖博1,2, 罗明科1, 赵一鸣1     
1. 北京科技大学能源与环境工程学院, 北京 100083;
2. 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室, 北京 100083
收稿日期: 2018-07-17; 修订日期: 2018-08-03
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07205003)
作者简介: 林海(1966~), 男, 博士, 教授, 主要研究方向为土壤重金属污染修复技术及材料开发, E-mail:linhai@ces.ustb.edu.cn
通信作者: 董颖博, E-mail:ybdong@ustb.edu.cn
摘要: 通过盆栽试验，研究了膨润土对3种类型农田土壤中土壤理化性质、Cd、As、V和Cr的形态、小白菜（Brassica chinensis L.）生长、重金属吸收及根际微生物群落的影响.结果表明，添加膨润土降低了3种土壤中可交换态Cd比例，降幅依次为黄壤（Gy，19.44%）>黄褐土（Sy，13.85%）>潮土（Bf，5.03%），小白菜地上部Cd对应降幅为Gy（34.81%）> Bf（23.91%）> Sy（11.11%）；与各自对照相比，Bf和Sy中可交换态As比例降低，降幅分别为4.53%和25.16%，Gy中可交换态As比例升高了0.57%；可交换态Cr比例均升高，增幅依次为Sy（31.30%）> Gy（2.91%）> Bf（0.58%）；As、V和Cr残渣态均升高（Sy中Cr除外），小白菜对其吸收也不同程度地降低.膨润土有助于3种土壤中小白菜的生长，Bf中小白菜生物量、根表面积、根尖数分别增大了147.55%、80.71%和124.31%.此外，膨润土降低了3种类型土壤中速效氮、速效磷和有机质的含量，增大了速效钾含量和根际微生物群落多样性.因此，认为膨润土均适用于这3种土壤的修复改良.
关键词: 土壤类型      重金属      稳定化      膨润土      生物有效性     
Effects of Bentonite on Chemical Forms and Bioavailability of Heavy Metals in Different Types of Farmland Soils
LIN Hai1,2 , JIN Xiao-na1 , DONG Ying-bo1,2 , LUO Ming-ke1 , ZHAO Yi-ming1     
1. School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2. Beijing Key Laboratory of Resource-Oriented Treatment of Industrial Pollutants, Beijing 100083, China
Abstract: A pot experiment was conducted to evaluate the effects of bentonite on the physicochemical properties of soil; chemical forms of Cd, As, V, and Cr; pakchoi (Brassica chinensis L.) growth; metal uptake; and rhizosphere microbial community in three different types of farmland soils. The results showed that bentonite decreased the exchangeable Cd in the sequence of Yellow earths (Gy, 19.44%) > Yellow-cinnamon soils (Sy, 13.85%) > Fluvo-aquic soils (Bf, 5.03%), and the content of Cd in shoots of pakchoi declined in the sequence of Gy (34.81%) > Bf (23.91%) > Sy (11.11%), compared with the controls. Compared with the controls, the exchangeable As in Bf and Sy decreased by 4.53% and 25.16%, respectively, while the exchangeable As in Gy increased by 0.57%. The exchangeable Cr was increased in the sequence of Sy (31.30%) > Gy (2.91%) > Bf (0.58%). The residual As, V, and Cr increased (except for Cr in Sy), and their uptake was also reduced in different degrees. The addition of bentonite significantly promoted the growth of pakchoi in the three soil types, especially in Bf. pakchoi biomass, root surface area, and number of root tips increased by 147.55%, 80.71%, and 124.31%, respectively, in Bf, compared with the control. In addition, bentonite reduced the content of available nitrogen, phosphorus, and organic matter; increased the content of available potassium; and increased the diversity of rhizosphere microbial community in all three soils. Therefore, bentonite could be highly recommended as a safe stabilizer in these three types of soil.
Key words: soil type      heavy metals      stabilization      bentonite      bioavailability     

近年来, 随着工农业的发展, 尤其是工业废水的排放和污水灌溉的兴起、农药肥料等在农田中的大量施用, 农田土壤重金属污染日益严重[1].全国约有16.1%的土地受到污染, 耕地土壤点位超标率为19.4%, 主要污染物为镉、镍、铜、砷等[2].农田土壤重金属污染不仅导致农作物减产, 重金属超标的农作物也带来了一系列食品安全问题, 农田土壤重金属污染治理迫在眉睫.

农田土壤重金属污染修复技术主要包括物理技术(深耕法、客土法等)、化学技术(原位钝化技术等)、生物技术(植物修复技术、植物阻隔技术等)和农艺措施(种植结构调整等)[3].原位钝化技术因经济有效、适于大面积推广和对环境扰动小等优点成为当今研究的热点.目前常用的土壤改良剂主要包括硅钙物质、含磷材料、黏土矿物及生物炭等[4], 其中膨润土以比表面积大、离子交换吸附能力强、效果稳定且储量丰富等优势被广泛应用[5].目前关于膨润土修复重金属污染土壤的研究较多, 对象多为重金属阳离子(如Cd2+、Pb2+、Cu2+等)[6], 而对重金属阴阳离子复合污染的研究较少, 且缺乏不同地区、不同性质的农田土壤修复效果的综合研究.因此, 本试验选取我国3种不同类型的复合污染农田土壤为修复对象, 以小白菜为供试农作物, 膨润土为改良剂, 采用盆栽试验研究了膨润土对不同类型土壤的重金属形态和理化性质、小白菜的生长、重金属吸收以及根际微生物的影响, 以期为不同地区重金属复合污染农田土壤的修复提供理论基础.

1 材料与方法 1.1 供试材料

选取我国3个省区具有代表性的农田土壤, 分别为北京潮土(fluvo-aquic soils, Bf)、山西黄褐土(yellow-cinnamon soils, Sy)、贵州黄壤(yellow earths, Gy).采集表层(0~20 cm)土壤, 去除杂物混合均匀后置于阴冷通风处自然风干, 捣碎过2 mm筛.供试膨润土产地为内蒙古呼和浩特市, 过200目筛后备用.供试土壤及膨润土的基本理化性质见表 1.根据国家二级标准GB 15618-1995中规定, 3种土壤Cd分别超标1.09、1.57和5.20倍(pH大于7.5时是1.0 mg·kg-1, pH小于7.5时是0.6 mg·kg-1).除Gy中As超过标准值(旱地是30 mg·kg-1)外, 其他土壤As未超标. V和Cr均低于标准值.供试小白菜种子购于北京东升种业有限公司.

表 1 供试土壤及膨润土的基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of tested soils and bentonite

1.2 试验设计与处理

用塑料盆装土1.0 kg, 膨润土按质量比4%均匀地加入3种土壤中, 对照组不加膨润土, 分别记为北京对照组(BN)、北京加矿组(BY)、山西对照组(SN)、山西加矿组(SY)、贵州对照组(GN)、贵州加矿组(GY), 共6组处理, 每组重复3次.充分混匀后喷施去离子水至田间持水率的70%.稳定1个月后, 撒入小白菜种子.肥料在装盆前以基肥的形式加入, 用量为: N+P2O5+K2O=0.2+0.3+0.2(g·kg-1), 以尿素和磷酸二氢钾(化学纯)的形式添加.各处理随机置于人工气候箱中, 在适宜条件下培养, 种子发芽后间苗至每盆3株. 2个月后收获小白菜样品及根际土, 五点采样法取盆中土壤进行土壤理化性质和重金属形态的测定.

1.3 测定项目及方法

小白菜样品用自来水清洗后, 用去离子水淋洗.取第3片叶去除叶脉, 用95%乙醇提取, 紫外可见光分光光度计测定叶绿素含量.利用STD1600Epson数字化扫描仪进行图像扫描, WinRHIZO软件对扫描图像进行分析, 获得根部数据.在105℃下杀青30 min, 65℃烘干至恒重, 地上和地下部分别经研钵磨细后装袋保存, 留测重金属含量.

将五点法采集的土壤样品置于通风处自然风干, 分别取20目和100目筛下物测试土壤理化性质和重金属含量.土壤pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾的测定参照文献[7].

土壤和小白菜样品采用微波消解法测定重金属含量, 膨润土参照土壤样品消解.土壤重金属形态采用改进的BCR法[8].土壤消解液及浸出液、膨润土及小白菜样品消解液中Cd、As、V和Cr含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Agilent Technologies, U.S.A)测定.分析过程中加入国家标准参比物质土壤样品(GBW(E)070009)和植物样品(GBW08513)进行质量分析控制, Cd、As、V和Cr的回收率分别为95.3%~102.6%, 95.3%~99.4%, 98.6%~101.7%和99.4%~104.1%.蔬菜样品中重金属含量以干重计.

1.4 数据处理

富集系数(biological concentration factor):

平均颜色变化率(average well color development, AWCD)表征土壤微生物群落利用单一碳源的能力. Shannon指数用来评估物种的丰富度, McIntosh指数用于评估群落物种均匀度.计算公式参考文献[9].

数据采用统计软件SPSS 18.0进行显著性检验(Duncan法).

2 结果与分析 2.1 膨润土对土壤理化性质的影响

由表 2可知, 与不添加膨润土的3种对照土壤相比, 膨润土的加入均提高了土壤的pH值, 增幅依次为0.27(Gy)、0.23(Sy)和0.09(Bf)个单位, 其中对Sy和Gy作用显著, 对Bf作用不显著.膨润土显著降低了3种土壤速效氮、速效磷及有机质的含量, 最大降幅分别为59.40%(Gy)、40.70%(Sy)和33.33%(Bf).不同的是, 3种土壤中速效钾含量均因膨润土的加入而增加, 对Sy作用不显著, 其他两者显著.

表 2 不同处理下土壤pH及速效养分的含量 Table 2 Soil pH and the contents of available nutrients under different treatments

2.2 膨润土对土壤中重金属形态的影响

由图 1可知, 与各自对照相比, 膨润土施加后, 3种土壤中可交换态、可氧化态Cd比例均下降, 降幅分别为: 19.45%(Gy)>13.86%(Sy)>5.00%(Bf)和13.69%(Bf)>8.09%(Sy)>6.55%(Gy); 残渣态比例均升高, 增幅依次为: 19.47%(Gy)>3.32%(Bf)>2.85%(Sy). BY与BN相比, 土壤可交换态、可还原态和可氧化态As比例均下降, 降幅分别为4.53%、8.62%和19.71%; Sy与Bf规律一致, 对应降幅分别为25.16%、7.59%和23.59%;而Gy中, 膨润土的加入使可交换态、可氧化态As比例较对照分别升高了0.57%和37.82%, 可还原态As比例降低了9.56%; 3种土壤中残渣态As比例均升高, 最大增幅为8.54%.在3种土壤中V主要以残渣态存在(约占90%), 膨润土几乎对可交换态、残渣态V比例没有影响; 而明显降低了Sy中可氧化态V(降幅42.67%)、升高了Gy中可还原态V(增幅301.29%). Cr主要也是以残渣态存在于土壤中(占总量的85%以上), SY与SN比较, 可交换态、可还原态和可氧化态Cr比例均升高, 增幅分别为31.3%、21.16%和54.00%, 残渣态比例降低了4.99%; Bf和Gy中可交换态、残渣态Cr比例均升高, 可氧化态比例降低.

图 1 不同处理土壤中Cd、As、V和Cr的形态分布 Fig. 1 Chemical forms of Cd, As, V, and Cr in different treated soils

2.3 膨润土对小白菜生长的影响

从图 2可以看出, 膨润土均显著提高了3种土壤中小白菜的生物量, 3种土壤间差异显著, 对于Bf效果最佳, BY为BN的2.48倍.在3种土壤中, 各试验组小白菜叶绿素a和b的含量均增加, 但是与对照相比均不显著.

图 2 膨润土对不同类型土壤中小白菜叶绿素含量和干重的影响 Fig. 2 Effects of bentonite on chlorophyll content and dry weight of pakchoi in different types of soil

由表 3可知, 3种土壤中, 膨润土施加均能显著增大根干重, 增幅依次为266.67%(Sy)>66.67%(Gy)>21.43%(Bf).小白菜根表面积显著增大, 增幅依次为80.71%(Bf)>37.95%(Sy)>34.22%(Gy).对于Bf和Gy而言, 试验组小白菜总根长与对照组相比增加, 增幅分别为84.80%和28.61%;而SY总根长较SN有所降低, 降幅为11.55%.此外, 对于Bf和Gy而言, 试验组小白菜根平均直径均与对照差异不显著, 而Sy中显著增大.说明膨润土施加到Bf和Gy中对小白菜的主要作用是使根增长, 而Sy中是使根增粗. 3种土壤中, 膨润土均能提高植物总根尖数, 增幅分别为124.31%(Bf)>21.55%(Sy)>2.9%(Gy).

表 3 膨润土对不同类型土壤中小白菜根部微形态的影响 Table 3 Effects of bentonite on root micromorphology of pakchoi in different types of soil

2.4 膨润土对小白菜吸收重金属的影响

由图 3可以看出, 膨润土的加入均降低了小白菜地上部Cd和As的含量, 最大降幅分别为34.81%(Gy)、32.38%(Sy); 除Sy中小白菜地上部V和Cr含量略有升高外, Bf和Gy中小白菜地上部V和Cr降幅分别为6.93%、4.92%和6.79%、36.30%.地下部各重金属含量趋势与地上部大致相同, 但是降低幅度均低于同类型土壤中同种重金属.对比3种土壤可知, 在小白菜中, Bf组V含量最高, Sy组As含量最高, Gy组Cd和Cr含量最高.

图 3 不同处理中小白菜地上和地下部分重金属含量 Fig. 3 Contents of Cd, As, V, and Cr in the shoots and roots of pakchoi in different treatments

由表 4可知, 试验组小白菜对Cd、As、V和Cr的地下部富集系数BCF低于对照组(Sy中V和Cr除外), 最大降幅分别对应为14.10%(Sy)、14.29%(Sy)、40%(Gy)和8.6%(Bf).就转运系数TF而言, Bf中小白菜对4种重金属转运能力均有所下降; Sy中小白菜对Cr的转运能力增强, 对其他重金属转运能力下降, 但是幅度不大; Gy中小白菜对V的转运能力增强, 对其他重金属转运能力下降.

表 4 不同处理中小白菜的富集系数和转运系数 Table 4 BCF and TF of pakchoi in different treatments

2.5 膨润土对根际微生物群落的影响

由图 4可知, 在Bf中, 膨润土添加使根际微生物AWCD值略有升高, 但是变化不大, 培养的后期两者AWCD值接近相等. Sy中, 膨润土的加入显著提高了根际微生物AWCD值, 且随着培养时间的增加, SY与SN差值逐渐增大. Gy中, 膨润土添加增大了根际微生物AWCD值, 但是培养后期与对照差值逐渐减小.结合3种土壤的污染程度来说(表 1), 污染程度越轻, AWCD值越大.

图 4 不同处理下根际微生物AWCD值随培养时间的变化 Fig. 4 AWCD of rhizosphere microbes under different treatments

分析培养72 h的多样性指数, 得到表 5.各处理AWCD值差异显著, 3种土壤中, 膨润土显著增加了Sy和Gy的AWCD值, 而显著降低了Bf的AWCD值. Shannon指数和McIntosh指数变化趋势与AWCD值一致, 对于Bf而言, 虽然两者均在膨润土添加后有所降低, 但是均不显著. Gy试验组的McIntosh指数显著增高, 说明膨润土有效提高了其物种均匀度.

表 5 不同处理中根际微生物多样性指数 Table 5 Rhizosphere microbial diversity index for different treatments (72 h)

3 讨论

一般认为, 施加土壤改良剂是降低土壤重金属生物有效性和植物吸收量的有效途径之一, 施入土壤改良剂后, 土壤理化性质如pH、CEC、有机质含量等发生变化从而影响重金属形态, 进一步影响其生物有效性[10, 11].其中, 土壤pH不仅影响土壤溶液的离子组成及土壤中的各种化学反应, 而且也对重金属形态以及植物吸收重金属的影响显著, 是影响重金属污染土壤修复效果的重要因素[12].本试验中, 膨润土加入均提高了土壤pH值, 增幅从大到小依次为Gy、Sy和Bf, 与土壤中Cd有效态含量降幅顺序一致, 小白菜对Cd的吸收和转运能力也均下降, 说明膨润土有效降低了土壤Cd生物有效性.高瑞丽等[13]的研究也指出改良剂升高了土壤pH, Cd的生物有效性随之降低.此外, 土壤有机质作为可吸附态Cd的吸附位点和螯合剂, 可有效降低Cd的生物有效性[14].膨润土中含有的Ca2+对Cd有拮抗作用, 参与竞争植物根系上的吸收位点, 抑制植物对Cd的吸收[15].综合来说, 对于降低Cd生物有效性方面, 膨润土对pH值较低、有机质含量较高的黄壤作用较其他两种土壤明显.这与代允超等[16]的研究结果类似.

一般情况下, pH升高会导致在土壤中主要以阴离子形式存在的As、V和Cr向活性高的形态转变[17~19].而本试验中, 与对照相比, 除有效态Cr比例有所增高外, 可交换态As比例均降低, 可交换态V比例几乎无变化(图 1).除SY中植物体内V和Cr较SN略有升高外, 其他组均低于对照.其原因可能是复合污染情况下, 重金属间相互影响[20], 加入膨润土后的土壤胶体吸附能力增强, 其中包含的Ca、Mg和Fe等均能与砷酸根形成共沉淀[21], 从而使砷向更稳定的形态转变.另外, 添加膨润土显著增大了小白菜生物量, 由此产生的稀释作用也有助于降低小白菜体内重金属含量[16].已有研究指出, 砂土中重金属生物有效性较壤土、黏土高, 生物富集系数对应升高[22]. Sy为砂质土, 相同环境下, 重金属间相互作用较弱, 且Sy中小白菜生物量最小, 稀释效应最弱, 难以抵消pH值升高带来的有效性的增加, 最终导致V和Cr在植物体内含量比对照组略高.

改良剂膨润土的加入也有助于提高农田土壤的农用功能.大量文献表明, 影响土壤中速效养分的因素很多:矿物的添加会增强土壤对碱解氮、速效磷和速效钾的吸附作用[23]; 铵态氮、速效磷含量与土壤pH值呈显著负相关[24, 25].本文所用膨润土为比表面积较大的多孔材料, 吸附性较强, 加入后提高了土壤pH值, 最终导致土壤速效氮、速效磷和有机质含量的降低.这有效地控制了土壤中速效养分的释放, 防止其随灌溉淋失和挥发, 延长养分在土壤中的有效供给时间, 提高土壤保肥供肥能力, 从而提高农作物的产量[26].需要注意的是, 改良剂的用量需控制在一定范围, 过量施用可能会导致作物营养不良.有研究表明, 随着土壤pH值的升高, 土壤阳离子交换性增加, 从而增加H+或NH4+的含量, 促进土壤缓效钾转化成速效钾[27].本试验中, 虽然膨润土增强了土壤对于速效钾的吸附作用, 但是由膨润土加入带来钾的作用和土壤pH值的升高作用更大, 导致速效钾含量又出现不同程度地升高(表 2).

土壤微生物直接参与土壤中营养元素的循环和能量流动, 其数量和群落受土壤重金属的污染程度而变化, 在土壤污染治理方面具有重要的指示作用[28].有研究表明, 根系微生物及其分泌物能与根相互作用, 影响根分泌物的种类和数量, 对降低重金属的生物有效性发挥重要作用[29].崔红标等[30]通过向铜镉污染土壤中添加磷灰石、石灰、木炭等发现铜镉由活性态向非活性态和潜在活性态转化, AWCD值、Shannon和McIntosh指数均较对照有所提高, 认为改良剂提高了微生物功能多样性.本试验中膨润土的加入提高了根际微生物的AWCD值, 说明微生物对多种碳源的利用能力增强, 微生物活性提高, 增加了土壤中能利用有关单一碳源的微生物数量, 侧面反映出重金属毒性减弱, 有利于微生物群落结构多样性的恢复.且3种类型土壤中, Sy修复后微生物活性提高最明显, 这与其土壤污染程度最低有关. Shannon指数和McIntosh指数分析结果表明, 各处理根际微生物群落得以丰富, 微生物系统功能多样性提高.

4 结论

(1) 添加膨润土提高了3种类型土壤pH值, 降低了土壤有效态Cd含量和小白菜对Cd的吸收及转运, 其中对Gy作用最明显, 小白菜地上部Cd含量较对照下降了34.81%.小白菜对As、V和Cr吸收也出现不同程度地降低.

(2) 膨润土降低了3种类型土壤中速效氮、速效磷及有机质的含量, 最大降幅分别为59.40%(Gy)、41.18%(Sy)和33.33%(Bf), 而速效钾含量均升高, 有助于提高土壤的保肥能力.

(3) 膨润土增大了3种土壤中小白菜的生物量、根表面积、根尖数以及根际微生物活性.与对照相比, Bf中小白菜生物量、根表面积、根尖数分别增大了147.55%、80.71%和124.31%; Sy中根际微生物AWCD值显著增大.

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