不同钝化材料及其组合对Cd、Pb污染土壤的修复效果及玉米生长的影响

马秉, 邵世伟, 孙亚萍, 王兰先, 张磊. 不同钝化材料及其组合对Cd、Pb污染土壤的修复效果及玉米生长的影响[J]. 环境化学, 2022, 41(12): 4180-4189. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021082403
引用本文: 马秉, 邵世伟, 孙亚萍, 王兰先, 张磊. 不同钝化材料及其组合对Cd、Pb污染土壤的修复效果及玉米生长的影响[J]. 环境化学, 2022, 41(12): 4180-4189. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021082403
MA Bing, SHAO Shiwei, SUN Yaping, WANG Lanxian, ZHANG Lei. Effects of different passivation materials and combinations on the remediation of Cd and Pb polluted soil and the growth of Maize[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(12): 4180-4189. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021082403
Citation: MA Bing, SHAO Shiwei, SUN Yaping, WANG Lanxian, ZHANG Lei. Effects of different passivation materials and combinations on the remediation of Cd and Pb polluted soil and the growth of Maize[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(12): 4180-4189. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021082403

不同钝化材料及其组合对Cd、Pb污染土壤的修复效果及玉米生长的影响

    通讯作者: E-mail: zhanglei_lw@ 163.com
  • 基金项目:
    国家自然科学基金(41101094)和青岛市农业机械服务中心环境保护项目(6602420063)资助.

Effects of different passivation materials and combinations on the remediation of Cd and Pb polluted soil and the growth of Maize

    Corresponding author: ZHANG Lei, zhanglei_lw@163.com
  • Fund Project: the National Natural Science Foundation of China (41101094) and the Environmental Protection Project of Qingdao Agricultural Machinery Service Center (6602420063).
  • 摘要: 为高效钝化修复农田土壤重金属污染及促进作物生长,以生物炭、熟石灰、钙镁磷肥、猪粪作为钝化材料,采用盆栽实验研究了材料单施及两两混施对Cd、Pb复合污染土壤的修复效果,以及对苗期玉米生长状况的影响。结果表明,4种材料单施、两两混施处理均能不同程度提高土壤pH,有效降低土壤弱酸提取态Cd、Pb含量5.83%—9.71%、6.27%—14.48%,增加土壤残渣态Cd、Pb含量54.45%—72.73%、4.36%—43.00%。与对照相比,猪粪单施、混施处理苗期玉米株高增长6.47%—20.28%,干重增加0.37—1.01倍;生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰混施处理能够显著提高土壤pH,分别降低土壤有效态Cd含量18.53%、19.83%,降低有效态Pb含量17.53%、20.61%,降低玉米叶片MDA含量44.95%、58.43%,降低玉米植株SOD活性77.28%、80.56%,CAT活性41.57%、43.28%,POD活性56.84%、58.23%。生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰混施处理效果最佳,能够有效钝化土壤Cd、Pb,并促进玉米生长,有效缓解玉米因受Cd、Pb胁迫造成的氧化物损伤。
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  • 图 1  不同处理对Cd、Pb形态分布的影响

    Figure 1.  Effects of different treatments on the speciation distribution of Cd(a) and Pb(b)

    图 2  不同处理对有效态Cd、Pb含量的影响

    Figure 2.  Effect of different treatments on the content of available Cd(a)、Pb(b)

    图 3  不同处理植株根部、茎叶部Cd (a)、Pb (b)含量

    Figure 3.  Effects of different treatments on Cd (a)、Pb (b) contents in shoot and underground parts of plants

    图 4  不同处理对玉米株高 (a)、叶绿素 (b)及生物量 (c)的影响

    Figure 4.  Effects of different treatments on plant height (a),chlorophyll (b) and biomass of Maize (c)

    图 5  不同处理对玉米植株MDA (a)、SOD (b)、CAT (c)、POD (d)的影响

    Figure 5.  Effects of different treatments on MDA (a)、SOD (b)、CAT (c)、POD (d) of maize plants

    表 1  供试土壤基本理化性质

    Table 1.  Basic physical and chemical properties of tested soil

    土壤背景值
    Soil background
    value
    pH碱解氮
    (mg·kg−1
    Available N
    有效磷/(mg·kg−1)
    Available P
    速效钾/
    (mg·kg−1)
    Available K
    有机质/
    (mg·kg−1)
    OM
    全Cd/
    (mg·kg−1)
    Total Cd
    全Pb/
    (mg·kg−1)
    Total Pb
    7.4213.520.37141.2131.710.244.46
    土壤背景值
    Soil background
    value
    pH碱解氮
    (mg·kg−1
    Available N
    有效磷/(mg·kg−1)
    Available P
    速效钾/
    (mg·kg−1)
    Available K
    有机质/
    (mg·kg−1)
    OM
    全Cd/
    (mg·kg−1)
    Total Cd
    全Pb/
    (mg·kg−1)
    Total Pb
    7.4213.520.37141.2131.710.244.46
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    表 2  供试材料基本性质

    Table 2.  Basic properties of tested materials

    供试材料
    Test material
    pH全Cd/(mg·kg−1)
    Total Cd
    全Pb/(mg·kg−1)
    Total Pb
    生物炭10.120.019.25
    钙镁磷肥7.810.0710.2
    熟石灰12.930.0820.14
    猪粪7.280.5235.24
    供试材料
    Test material
    pH全Cd/(mg·kg−1)
    Total Cd
    全Pb/(mg·kg−1)
    Total Pb
    生物炭10.120.019.25
    钙镁磷肥7.810.0710.2
    熟石灰12.930.0820.14
    猪粪7.280.5235.24
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    表 3  不同处理对土壤pH、养分的影响

    Table 3.  Effects of different treatments on soil pH、nutrients

    处理
    Treatments
    pH碱解氮/
    (mg·kg−1
    Available N
    有效磷/
    (mg·kg−1)
    Available P
    速效钾/
    (mg·kg−1
    Available K
    有机质/
    (g·kg−1
    OM
    对照CK7.53±0.24 c14.03±0.51 E5.61±0.16 J67.40±2.45 F31.33±3.12 E
    钙镁磷肥单施C7.73±0.21 ab14.94±0.48 DE27.16±0.25 B66.33±5.12 F26.32±2.14 E
    生物炭单施B7.84±0.18 ab14.54±0.21 DE9.16±0.25 H169.07±3.12 A101.51±3.65 A
    熟石灰单施L7.90±0.11 a14.84±0.31 DE6.84±0.21 I53.87±4.45 G29.03±5.44 E
    猪粪单施P7.68±0.14 ab22.74±0.65 A22.68±0.34 D125.13±8.23 CD42.79±2.43 D
    生物炭-钙镁磷肥混施BC7.85±0.16 ab14.74±0.45 DE21.08±0.22 E138.67±6.65 B62.23±3.25 C
    生物炭-熟石灰混施BL7.88±0.13 ab15.33±0.24 D9.28±0.15 H115.67±5.32 D63.64±4.12 BC
    生物炭-猪粪混施BP7.86±0.23 ab19.07±0.35 B17.64±0.24 G133.13±10.25 BC70.95±2.54 B
    熟石灰-钙镁磷肥混施LC7.88±0.15 ab14.94±0.26 DE23.32±018 C74.73±4.21 F31.73±1.84 E
    熟石灰-猪粪混施LP7.87±0.11 ab17.65±0.18 C18.24±0.13 F64.27±5.12 F41.79±2.12 D
    猪粪-钙镁磷肥混施PC7.60±0.24 b17.22±0.13 C28.72±0.33 A87.80±7.14 E41.08±3.14 D
      注:大写字母表示在P<0.01水平上的差异极显著,小写字母表示在P<0.05水平上的差异显著.
      Note: Capital letters indicate significant difference at P < 0.01 level,and lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 level.
    处理
    Treatments
    pH碱解氮/
    (mg·kg−1
    Available N
    有效磷/
    (mg·kg−1)
    Available P
    速效钾/
    (mg·kg−1
    Available K
    有机质/
    (g·kg−1
    OM
    对照CK7.53±0.24 c14.03±0.51 E5.61±0.16 J67.40±2.45 F31.33±3.12 E
    钙镁磷肥单施C7.73±0.21 ab14.94±0.48 DE27.16±0.25 B66.33±5.12 F26.32±2.14 E
    生物炭单施B7.84±0.18 ab14.54±0.21 DE9.16±0.25 H169.07±3.12 A101.51±3.65 A
    熟石灰单施L7.90±0.11 a14.84±0.31 DE6.84±0.21 I53.87±4.45 G29.03±5.44 E
    猪粪单施P7.68±0.14 ab22.74±0.65 A22.68±0.34 D125.13±8.23 CD42.79±2.43 D
    生物炭-钙镁磷肥混施BC7.85±0.16 ab14.74±0.45 DE21.08±0.22 E138.67±6.65 B62.23±3.25 C
    生物炭-熟石灰混施BL7.88±0.13 ab15.33±0.24 D9.28±0.15 H115.67±5.32 D63.64±4.12 BC
    生物炭-猪粪混施BP7.86±0.23 ab19.07±0.35 B17.64±0.24 G133.13±10.25 BC70.95±2.54 B
    熟石灰-钙镁磷肥混施LC7.88±0.15 ab14.94±0.26 DE23.32±018 C74.73±4.21 F31.73±1.84 E
    熟石灰-猪粪混施LP7.87±0.11 ab17.65±0.18 C18.24±0.13 F64.27±5.12 F41.79±2.12 D
    猪粪-钙镁磷肥混施PC7.60±0.24 b17.22±0.13 C28.72±0.33 A87.80±7.14 E41.08±3.14 D
      注:大写字母表示在P<0.01水平上的差异极显著,小写字母表示在P<0.05水平上的差异显著.
      Note: Capital letters indicate significant difference at P < 0.01 level,and lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 level.
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    表 4  土壤理化性质与Cd、Pb化学形态的相关性分析

    Table 4.  Correlation Analysis between chemical forms of Cd、Pb and soil properties

    Cd、Pb化学形态
    Chemical speciation of Cd、 Pb
    pH碱解氮
    Available N
    有效磷
    Available P
    速效钾
    Available K
    有机质
    OM
    弱酸提取态Cd−0.871**0.2220.2090.044−0.128
    可还原态Cd−0.820**0.0710.1420.054−0.071
    可氧化态Cd0.968**−0.168−0.229−0.1210.058
    残渣态Cd0.828**−0.147−0.135−0.0010.140
    弱酸提取态Pb−0.917**0.0160.0390.007−0.107
    可还原态Pb−0.976**0.0840.1890.075−0.202
    可氧化态Pb0.957**−0.060−0.227−0.0390.170
    残渣态Pb0.971**−0.107−0.155−0.0060.128
      注:** 表示达到极显著相关性(P<0.01)水平.
      Note:** indicate the level of P<0.01.
    Cd、Pb化学形态
    Chemical speciation of Cd、 Pb
    pH碱解氮
    Available N
    有效磷
    Available P
    速效钾
    Available K
    有机质
    OM
    弱酸提取态Cd−0.871**0.2220.2090.044−0.128
    可还原态Cd−0.820**0.0710.1420.054−0.071
    可氧化态Cd0.968**−0.168−0.229−0.1210.058
    残渣态Cd0.828**−0.147−0.135−0.0010.140
    弱酸提取态Pb−0.917**0.0160.0390.007−0.107
    可还原态Pb−0.976**0.0840.1890.075−0.202
    可氧化态Pb0.957**−0.060−0.227−0.0390.170
    残渣态Pb0.971**−0.107−0.155−0.0060.128
      注:** 表示达到极显著相关性(P<0.01)水平.
      Note:** indicate the level of P<0.01.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-24
  • 录用日期:  2021-11-21
  • 刊出日期:  2022-12-27
马秉, 邵世伟, 孙亚萍, 王兰先, 张磊. 不同钝化材料及其组合对Cd、Pb污染土壤的修复效果及玉米生长的影响[J]. 环境化学, 2022, 41(12): 4180-4189. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021082403
引用本文: 马秉, 邵世伟, 孙亚萍, 王兰先, 张磊. 不同钝化材料及其组合对Cd、Pb污染土壤的修复效果及玉米生长的影响[J]. 环境化学, 2022, 41(12): 4180-4189. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021082403
MA Bing, SHAO Shiwei, SUN Yaping, WANG Lanxian, ZHANG Lei. Effects of different passivation materials and combinations on the remediation of Cd and Pb polluted soil and the growth of Maize[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(12): 4180-4189. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021082403
Citation: MA Bing, SHAO Shiwei, SUN Yaping, WANG Lanxian, ZHANG Lei. Effects of different passivation materials and combinations on the remediation of Cd and Pb polluted soil and the growth of Maize[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(12): 4180-4189. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021082403

不同钝化材料及其组合对Cd、Pb污染土壤的修复效果及玉米生长的影响

    通讯作者: E-mail: zhanglei_lw@ 163.com
  • 1. 青岛农业大学资源与环境学院,青岛,266109
  • 2. 青岛市农业技术推广中心,青岛,266071
基金项目:
国家自然科学基金(41101094)和青岛市农业机械服务中心环境保护项目(6602420063)资助.

摘要: 为高效钝化修复农田土壤重金属污染及促进作物生长,以生物炭、熟石灰、钙镁磷肥、猪粪作为钝化材料,采用盆栽实验研究了材料单施及两两混施对Cd、Pb复合污染土壤的修复效果,以及对苗期玉米生长状况的影响。结果表明,4种材料单施、两两混施处理均能不同程度提高土壤pH,有效降低土壤弱酸提取态Cd、Pb含量5.83%—9.71%、6.27%—14.48%,增加土壤残渣态Cd、Pb含量54.45%—72.73%、4.36%—43.00%。与对照相比,猪粪单施、混施处理苗期玉米株高增长6.47%—20.28%,干重增加0.37—1.01倍;生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰混施处理能够显著提高土壤pH,分别降低土壤有效态Cd含量18.53%、19.83%,降低有效态Pb含量17.53%、20.61%,降低玉米叶片MDA含量44.95%、58.43%,降低玉米植株SOD活性77.28%、80.56%,CAT活性41.57%、43.28%,POD活性56.84%、58.23%。生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰混施处理效果最佳,能够有效钝化土壤Cd、Pb,并促进玉米生长,有效缓解玉米因受Cd、Pb胁迫造成的氧化物损伤。

English Abstract

  • 重金属污染是生物圈面临的最广泛、最严重的环境问题之一[1-2]。《2014全国污染调查公报》显示,我国土壤环境质量总体堪忧,以重金属为代表的无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%,在耕地土壤系统中点位超标率为19.4%,污染情况最为严重,而主要污染物为Cd、Pb等[3]。随着重金属在土壤中不断地蓄积,重金属污染将会导致严重的农业损失,对动物和人类的健康产生严重威胁[4-6]。因此,重金属对人类健康和农业环境的潜在风险性在不断增加。

    原位化学钝化修复技术因其经济、高效被广泛关注,而其使用关键在于依据土壤理化性质选择合适的钝化材料[7]。常用的钝化材料分为有机材料(有机肥、腐植酸、污泥、富里酸、粪便、秸秆等)、无机材料(含硅材料、含钙材料、含磷材料、黏土矿物、金属氧化物、生物炭等)和有机-无机复合材料等3种类型[8-9]。这些钝化材料一方面能够有效改善土壤理化性质,增加土壤营养元素含量[10];另一方面,钝化材料能够提高土壤pH,与重金属发生吸附、氧化还原、络合或沉淀作用,改变重金属在土壤中的赋存形态,使重金属的生物有效性下降,从而降低其生物毒性[11-14],这也是钝化修复土壤重金属污染的主要机制。梁妮等[15]研究表明,生物炭与腐殖土混合施入进行修复,Pb生物有效态含量显著降低,生物炭与腐殖土复合的修复效果更好;沈章军等[16]对的研究表明,海泡石、生石灰、鸡粪、秸秆腐殖质有效地钝化了Pb、Cd和Cu的活性,相对于单一材料处理,海泡石与鸡粪和秸秆腐殖质混合处理表现出更好的降低重金属活性;张彦娟等[17]的研究表明,在Cd、Pb、Zn、Cu污染土壤中,施用钙镁磷肥、坡缕石、生物炭组配钝化剂在治理重金属复合污染蔬菜地具有明显的优势,其对全方位修复重金属复合污染土壤的效果好于单一钝化剂;陈盾[18]的研究表明,羟基磷灰石+钙镁磷肥复配处理对Cd污染土壤钝化效果相较单一钝化剂最佳,黑麦草体内Cd含量分别为0.183 mg·kg−1和0.085 mg·kg−1,较对照分别降低了93.64%和91.77%;张新帅等[19]的研究表明,石灰、生物炭单施和配施均降低土壤Cd有效性和玉米Cd含量,提高玉米产量,具有明显的土壤改良效应,处理中石灰与生物炭配合施用最佳,处理效果最好。

    长期使用单一钝化材料会对土壤环境造成负面影响,甚至可能加剧其他污染风险或出现污染反复的状况,所以多种钝化材料联合使用不仅对农田土壤环境更加友好,而且还可达到更好的修复效果。但目前对于无机钝化材料的联用以及与有机钝化材料的联用对重金属污染修复的复合效应研究较少。因此本研究通过选用生物炭熟、钙镁磷肥、石灰及猪粪为原位钝化修复材料进行单施、两两混施苗期玉米盆栽实验,对土壤中Cd、Pb化学形态分布、有效态含量及其在苗期玉米植株体内的分布和苗期玉米生长状况进行综合分析,为土壤重金属钝化修复材料的筛选及其应用提供科学依据。

    • 本研究所采用的土壤为砂姜黑土,取自青岛市平度市某矿区农田0—20 cm表层土壤(表1),经碎化、风干处理后,添加CdCl2、Pb(NO3)2溶液,使土壤Cd、Pb浓度达到3.5 mg·kg−1、750 mg·kg−1,保持土壤田间持水量在60%左右培养30 d,经风干、磨碎、过20目筛处理后保存备用。

    • 本研究所用生物炭、钙镁磷肥、熟石灰均为市售商品,猪粪为当地农户养殖所产,经风干、粉碎后装袋备用。供试材料基本性质如表2所示,生物炭以玉米秸秆为原材料,在450 ℃下热解2 h以完成生物炭的制备,有机质含量 ≥ 20%;熟石灰含钙95% ± 3%;钙镁磷肥有效磷P2O5 ≥ 12.0%。试验作物选用农大372,购于北京华奥农科玉育种开发有限公司。

    • 盆栽实验用土每盆2 kg(塑料盆,h=10 cm,d=15 cm),生物炭单施处理(B) 每盆0.1 kg,钙镁磷肥单施处理(C) 每盆0.15 kg,熟石灰单施处理(L) 每盆0.075 kg,猪粪单施处理(P) 每盆0.5 kg;各处理均再设置两两混施处理,生物炭-钙镁磷肥混施处理(BC),生物炭-熟石灰混施处理(BL),生物炭-钙镁磷肥混施处理(BP),熟石灰-钙镁磷肥混施处理(LC),熟石灰-猪粪混施处理(LP),猪粪-钙镁磷肥混施处理(PC),混施施用量即为单施处理的一半,且每个处理均设置3次重复。盆栽在人工温室内进行培养,培养温度22—30 ℃,持水量保持在60%,三叶期后停止间苗,培养35 d后收获。

    • 土壤理化指标:根据HJ 962—2018,采用电位法对土壤pH进行测定(土水比1:2.5);根据NY/T 1848—2010,采用联合浸提-比色法对土壤速效钾、有效磷进行测定;根据鲍士旦[20]《土壤农化分析》,分别采用碱解扩散法、重铬酸钾容量-外加热法测定土壤碱解氮、有机质 含量。

      土壤/植物重金属含量:土壤、作物中Cd、Pb含量采用酸式消解法进行消解,根据GB/T 23739—2009采用DTPA法提取土壤中能被生物吸收利用或产生毒害效应的有效态Cd、Pb;土壤Cd、Pb化学形态均采用欧共体标准物质局提出的BCR连续浸提法将金属提取为弱酸提取态、可氧化态、可还原态、残渣态,最终消解液和提取液都通过电感耦合等离子体发射光谱仪(Optima 8000型,PE美国)进行测定,并用土壤标准物质(GBW07401a)对土壤重金属检测数据进行校准,测试Cd、Pb回收率分别为98.2%、99.2%;用植物标准物质(GBW10049)对植物重金属检测数据进行校准,测试Cd、Pb回收率分别为98.5%、98.8%。

      植物生理生化指标:实验采用便携式叶绿素仪(SPAD-502Plus,KONICA MINOLTA美国)直接对植物叶绿素含量进行测定;根据刘新[21]《植物生理学实验指导》,采用双组分分光光度法测定丙二醛(MDA)含量,采用淡蓝四唑法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性,采用愈创木酚比色法测定过氧化物酶(POD)活性;根据Cakmak等[22]的方法测定植物叶片过氧化氢酶(CAT)活性。植物生理生化指标均在收获前采取鲜样进行测定。

    • 实验数据采用Excel 2019和SPSS 26.0进行差异显著性分析,使用Duncan法进行多重比较,在P<0.05条件下认为存在显著性差异,在 P<0.01条件下认为存在极显著差异。采用Origin 2021进行绘图。

    • 表3可知,与CK对比分析,生物炭单施、混施处理均能够有效提升土壤71.62%—150.85%的速效钾、98.91%—224.00%的有机质,且以生物炭单施提升效果最明显;所有处理均能够有效提高土壤21.93%—411.94%的有效磷,以生物炭、生物炭-熟石灰、熟石灰处理提高效果最差,仅提高了63.28%、65.42%、21.93%;猪粪单施、混施处理均能够有效提升土壤22.74%—62.08%的碱解氮,其他处理对土壤碱解氮含量几乎没有影响。

    • 图1可知,相对CK,生物炭、钙镁磷肥、熟石灰、生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰处理下,有效降低土壤中5.83%—9.71%的弱酸提取态Cd含量,增加土壤中54.45%—72.73%的残渣态Cd含量,即可被植物直接利用态的Cd含量减少,且不可利用态的Cd含量增加,处理效果较为明显。所有处理均能够有效降低土壤中6.27%—14.48%的弱酸提取态Pb含量,增加土壤中4.36%—43.00%的残渣态Pb含量。整体来看,所有处理中猪粪对Cd、Pb的化学形态的影响较其他钝化材料的处理明显较差,而生物炭、熟石灰、钙镁磷肥单施、混施的处理能够有效影响土壤中Cd、Pb的赋存形态,使弱酸提取态、可还原态Cd、Pb更多地向可氧化态、残渣态转化,降低Cd、Pb在土壤中的流动性。不同钝化材料间对土壤Cd、Pb钝化效果存在极显著的差异,生物炭本身具备良好的孔性结构,而且对土壤孔性等土壤其他理化性质产生积极影响,土壤活动、固相-水相比例等发生变化[23-25],生物炭对重金属离子的钝化机制主要涉及4个过程:沉淀反应、表面络合、Cπ-阳离子相互作用(存在于π体系电子云与阳离子之间的相互作用,与物质结构的芳香程度有关)和氧化还原,引起土壤Cd、Pb的化学形态、有效态变化[26];钙镁磷肥、熟石灰能够提高土壤酶活性、改善微生物群落结构,促进一些耐Cd、Pb微生物的活动,有利于对土壤Cd、Pb的螯合固定,但过量施用钙镁磷肥、熟石灰可能会导致土壤健康状况的恶化,大量的磷积累会增加磷通过侵蚀和淋溶流失的风险,进而导致地表水富营养化[27-30];猪粪能够与重金属络合形成低溶解性的金属-有机配合物或黏土-金属-有机质,以此降低土壤中重金属的有效性,但其本身含有一定量的重金属,但其作为钝化材料,由于其有机质或腐殖酸含量较少,对土壤pH影响相对生物炭、钙镁磷肥、熟石灰较小,所以在合理施用的前提下,其钝化修复农田土壤Cd、Pb的效果并不好,长期或大量地施用反而可能会因猪粪携带外源重金属而造成重金属污染[31-33]

    • 表4可知,土壤pH、有机质含量分别与可氧化态、残渣态Cd呈极显著正相关(P<0.01)、正相关,而土壤碱解氮、有效磷、有机质与可氧化态、残渣态Cd、Pb呈负相关,速效钾与残渣态Cd、Pb呈负相关。总的来说,Cd、Pb在土壤中与土壤营养指标的相关性具备相似性,其中pH是影响土壤中Cd、Pb的化学形态或活性的关键因素[34]。这与王逸群等[35]、王玉婷等[36]的研究结果不尽相同,分析其原因可能是土壤样品的质地不均一,以及钝化材料本身所含的物质或物质的量的差异导致的,对于同一质地土壤,不同钝化材料都能够一定程度提升土壤pH,但施用之后能够为土壤供给的养分不同,同一养分的量也不同,在此基础上,钝化材料的联用共同表现出pH为稳定的、主要的钝化土壤Cd、Pb的因素。

    • 图2可知,生物炭、钙镁磷肥、熟石灰、生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰处理较其他处理存在差异或显著性差异,显著降低土壤16.81%—19.83%的有效态Cd、12.93%—20.61%有效态Pb。整体来看,生物炭-熟石灰处理效果最佳,有效降低土壤19.83%有效态Cd、20.61%有效态Pb;生物炭-钙镁磷肥处理效果次之,有效降低土壤18.53%有效态Cd、17.53%有效态Pb,而猪粪单施、混施处理效果明显较差,且以猪粪单施处理效果最差。结合表3表4分析,生物炭、钙镁磷肥、熟石灰、猪粪的单施、混施处理均能够不同程度提高土壤pH,从而有效促进Cd2+、Pb2+的溶解[37-38];能够产生与Cd、Pb形成不溶性螯合物的大量的羰基、酚基、醌基、羧基、氨基等[39-40];能够产生的大量阳离子,与土壤中的酸性离子发生交换作用[41-42];能够促进碳酸盐、磷酸盐、氢氧化物沉淀的生成,共同影响土壤中Cd、Pb的化学赋存形态,降低其有效态含量,降低其生物有效性[43-46]

    • 图3(a)可知,除猪粪单施处理以外的其他处理下玉米植株根部、茎叶部Cd含量较CK均存在显著性差异(P<0.05),有效减少玉米植株根部、茎叶部Cd含量4.83%—7.14%、1.71% —6.65%。由图3(b)可知,除猪粪单施处理以外的其他处理下玉米植株根部、茎叶部Pb含量较CK存在显著差异(P<0.05),生物炭、钙镁磷肥、熟石灰、生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰处理效果较好,有效减少玉米植株根部、茎叶部Pb含量36.42%—58.58%、21.86%—47.53%。总的来说,生物炭-熟石灰、生物炭-钙镁磷肥、生物炭处理能够有效降低Cd、Pb在玉米植株体内的富集,较猪粪单施、混施处理效果显著较好。综合分析出现这种状况可能是猪粪提升土壤pH的能力与其他3种材料相比较为有限,即钝化能力较差,但在该土壤环境下其促进玉米植株生长的效果较其他处理更为明显有效,在不能改变玉米植株转运能力的基础上,猪粪单施、混施处理下玉米植株体内富集、转运了相较其他钝化材料处理更多的Cd、Pb。

    • 图4(a)可知,所有处理下玉米株高较CK增高1.50%—20.28%,且以猪粪单施、混施处理处理下玉米增高6.47%—20.28%,在P<0.05水平上与其他处理存在显著差异或不显著差异。由图4(b)可知,猪粪、生物炭-猪粪处理下叶绿素含量较CK(38.5Spad)明显增多14.09%、11.26%,与其他处理(不包括生物炭-钙镁磷肥处理)间均存在显著性差异(P<0.05)。由图4(c)可知,相较于CK,猪粪单施、混施处理苗期玉米干重增加0.37—1.01倍,且以猪粪单施处理下,玉米植株增重效果最显著(P<0.05)。整体来看,猪粪单施、混施处理对玉米植株的生长状况的影响较其他处理更大,更有利于作物的生长。分析其差异来源于不同钝化材料基于其成分组成及含量不同,在施用到土壤中的同时还携带一定量的磷、氮、钾、有机质一起进入,由于磷、氮、钾对于作物生长的影响存在差异,玉米植株株高、叶绿素含量及地上部、地下部生物量也存在显著性差异,其中猪粪单施、混施处理对玉米植株的生长影响更大,这可能是因为猪粪的施入直接导致土壤有效氮含量的增加,而氮素相对磷素、钾素对玉米生长及叶绿素含量影响更大[47]

    • 图5(a)可知,各处理中,猪粪、熟石灰-猪粪、猪粪-钙镁磷肥处理下植物叶片内MDA含量均极显著高于其他处理(P<0.01);生物炭-熟石灰处理下植物叶片内MDA含量极显著低于其他处理(P<0.01),降低玉米叶片MDA含量44.95%、58.43%。由图5(b)可知,猪粪、猪粪-钙镁磷肥处理下植物叶片SOD酶活极显著(P<0.01)高于其他处理,但较CK低;生物炭-熟石灰、生物炭-钙镁磷肥处理下植物叶片SOD酶活极显著低于其他处理(P<0.01),降低玉米植株SOD活性77.28%、80.56%。由图5(b)、(c)可知,各处理间植物叶片内CAT酶活、POD酶活差异性基本一致,猪粪、猪粪-钙镁磷肥处理下CAT、POD酶活极显著高,但较CK极显著低(P<0.01);而生物炭-熟石灰、生物炭-钙镁磷肥处理在P<0.01水平上极显著降低玉米植株CAT活性41.57%、43.28%,POD活性56.84%、58.23%。结合图2图3分析,一方面由于不同的钝化材料基于其材质,经过土壤活动或直接为玉米提供一定的营养成分,从而促进玉米的生长,即玉米在更好的生长过程中会转运更多Cd、Pb;另一方面,不同钝化材料又具备一定的钝化土壤Cd、Pb的能力,能够确保玉米在有利生长的过程中更少的富集Cd、Pb,即降低Cd、Pb对玉米的胁迫,使各处理较CK叶片MDA含量减少及抗氧化酶活性降低,证明了此几种处理钝化土壤Cd、Pb的有效性及对玉米植株产生良性的影响。

    • (1)生物炭与钙镁磷肥、熟石灰混施处理钝化修复土壤Cd、Pb复合污染的效果更好,能够有效降低土壤6.31%、8.74%弱酸提取态Cd、7.13%、6.27%的弱酸提取态Pb,增加54.55%、75.76%残渣态Cd、26.42%、21.08%残渣态Pb。

      (2)生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰混施处理能够有效提高土壤pH,有效降低土壤有效态Cd 含量18.53%、19.83%,降低有效态Pb 含量17.53%、20.61%,有效降低作物地下部Cd 含量4.33%、Pb含量2.92%,54.46%、37.17%,作物地上部Cd含量6.41%、5.25%,地上部Pb含量36.25%、36.02%,降低玉米叶片MDA含量44.95%、58.43%,降低玉米植株SOD活性77.28%、80.56%,CAT活性41.57%、43.28%,POD活性56.84%、58.23%。生物炭-钙镁磷肥、生物炭-熟石灰混施处理效果最佳,能够有效钝化土壤Cd、Pb,并促进玉米生长,有效缓解玉米因受Cd、Pb胁迫造成的氧化物损伤。

    参考文献 (47)

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