摘要：采用盆栽试验的方法对比研究了石灰、偏硅酸钠、生物炭及其混合材料对土壤镉活性和大白菜（Brassica rapa pekinensis）镉吸收的影响。结果表明，施用生物炭、偏硅酸钠以及二者与石灰组成的混合材料都对土壤镉活性和大白菜镉吸收有抑制作用，而且抑制效果基本相当；这些材料对土壤镉活性的抑制效果都低于石灰，但对大白菜镉吸收的抑制效果与石灰基本相当；偏硅酸钠和石灰抑制土壤镉活性的机制主要是降低了土壤pH，而生物炭对土壤镉活性的降低不仅与其降低土壤pH有关，也与其对镉的吸附有关；施用3种钝化材料及其混合材料都对大白菜产量没有明显影响。
关键词：生物炭；偏硅酸钠；石灰；镉；土壤；大白菜（Brassica rapa pekinensis）
中图分类号：S634.1；X171.5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）24-6211-04
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.028
Abstract： The effects of lime， sodium metasilicate， biochar and their mixtures on soil cadmium availability and cadmium uptake of Chinese cabbage were studied comparatively using pot experiment method in this paper. The results showed that biochar， sodium metasilicate and their mixtures with lime all could inhibit the availability of soil cadmium and the uptake of Chinese cabbage on cadmium evidently， and their inhibiting capacities were almost equivalent. The inhibiting capacities of these passivators on soil cadmium availability were weaker than that of lime， but their capacities of inhibiting the cadmium uptake of Chinese cabbage were almost equivalent to that of lime. The inhibiting mechanisms of sodium silicate and lime to soil cadmium activity were decreasing the soil pH value， and the inhibition of biochar was not only related to the decrease of soil pH value， but also to the adsorption to cadmium. These passivators and their mixtures had no significant effect on the yield of Chinese cabbage.
Key words：biochar； sodium metasilicate； lime； cadmium； soil； Chinese cabbage
镉是一种危险的环境污染物质，土壤中的镉可以通过食物链进入人体中，进而引发多种疾病，如高血压、骨痛病等。中国土壤镉污染状况不容乐观，据全国土壤污染状况调查公报[1]，中国土壤镉的点位超标率高达7.0%。因此，研发控制土壤和农产品镉污染的技术具有重要的意义。目前，控制土壤和农产品镉污染的主要技术有：客土、换土等工程技术，种植超累积植物等生物技术，添加石灰、蒙脱石等化学制剂的化学钝化技术等，其中化学钝化技术因操作简单、成本较低且见效快已被广泛应用于镉污染治理。在化学钝化技术中，施用石灰是使用比较普遍的一项技术。但长期施用石灰会对土壤结构、土壤肥力乃至作物品质产生一定不良影响。邱静等[2]研究发现施用石灰会降低土壤供磷量及子粒苋生物量。因此，探究控制镉污染效果好、且对土壤和植物影响小的钝化材料是很有必要的。生物炭具有化学稳定性高[3，4]、比表面积大、表面负电荷大以及电荷密度高的特性[5]，并且有较强的碱性和固碳减排作用，偏硅酸钠是农业生产中比较常用的一种硅肥，其有较强的碱性，这两种材料都可作为良好的镉钝化材料。试验对比研究了石灰、生物炭、偏硅酸钠及其混合物对土壤镉活性和大白菜（Brassica rapa pekinensis）镉吸收的影响，以期为提出较环保的控制镉污染技术奠定基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试大白菜品种为山东临朐华良种业有限公司生产的华良早五号；钝化材料生物炭、偏硅酸钠、石灰均从市场购买，干燥后过0.25 mm筛备用；供试土壤为黄棕壤，其理化性质如下：pH 6.71（水∶土=5∶1）， 有机质27.02 g/kg，全氮1.74 g/kg，硝态氮30.80 mg/kg，铵态氮15.20 mg/kg，总镉0.25 mg/kg，有效镉0.10 mg/kg。
1.2 试验方法
1.2.1 镉污染土壤的制备 供试土壤分别按0.6 mg Cd/kg和3.0 mg Cd/kg的量加入氯化镉（分析纯），维持土壤含水量为田间持水量的60%，在自然条件下平衡14 d，形成镉低污染和镉高污染土壤。
1.2.2 试验设计 采用盆栽试验，镉低污染和高污染土壤分别设置不施入任何材料（CK）、100%石灰（LM）、100%偏硅酸钠（SM）、100%生物炭（BC）、50%石灰+30%偏硅酸钠+20%生物炭（M1）、30%石灰+50%偏硅酸钠+20%生物炭（M2）6个处理，每个处理3次重复。每盆装镉污染土壤1 149.2 g（烘干重），并按烘干土重的0.5%施入钝化材料，加入钝化材料后充分搅拌，再加水200 mL平衡7 d。平衡后，移栽大白菜（叶龄为3叶1心），每盆移栽3株。大白菜生长期间，采用称重浇水的办法进行水分管理，移栽一个月后收获大白菜。 1.2.3 测定指标及方法 在大白菜收获后测定土壤有效镉含量和pH，并测定大白菜镉含量。土壤有效镉是用pH 7.3的DTPA（0.005M）-CaCl2（0.01M）-TEA（0.1M）提取，原子吸收光谱法测定。大白菜镉含量用原子吸收光谱法测定。土壤pH用酸度计测定，水土比为5∶1。
1.3 数据处理
用Excel软件进行数据整理和作图，用SPSS11.5软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同钝化材料处理对土壤镉活性的影响
从表1可知，无论在镉低污染还是高污染土壤上，施用石灰、偏硅酸钠、生物炭以及由这3种材料组成的混合材料都会明显降低土壤镉活性。在低污染土壤上，施用等量石灰、生物炭以及由石灰、偏硅酸钠、生物炭组成的混合材料对土壤镉活性的降低作用较强，尤其施用石灰后，土壤有效镉含量的降幅高达29.5%，而施用偏硅酸钠的降低作用相对较弱，活性镉含量的降幅为12.9%；在镉高污染土壤上，施用等量的3种钝化材料及其组合物也都会明显降低土壤镉的活性，其中，施用偏硅酸钠、生物炭以及二者与石灰组成的混合材料对降低土壤镉活性的效果基本相当，但低于施用石灰的效果。综合2种土壤的结果可知，施用偏硅酸钠、生物炭以及二者与石灰组成的混合材料都对土壤镉活性有基本相当的降低作用，但都低于施用石灰的效果。
2.2 不同钝化材料处理对土壤pH的影响
未添加钝化材料的镉低污染和高污染土壤的pH分别为5.90和6.02，添加石灰、偏硅酸钠、生物炭以及由这3种材料组成的混合材料后，2种土壤的pH均显著升高，其中以添加石灰的升幅最高，分别为27.6%和26.6%，生物炭的升幅最小，分别为4.1%和3.3%，其余几种材料对土壤pH的影响介于二者之间（表2）。
2.3 不同钝化材料处理对大白菜产量的影响
添加不同钝化材料对大白菜产量的影响见图1。与对照相比，虽然在镉低污染土壤上，添加各种钝化材料后，大白菜的鲜产量都有增加的趋势，但差异并不明显；在镉高污染土壤上，添加生物炭以及添加混合材料后，大白菜鲜产量有增加的趋势，但差异同样不明显。
2.4 不同钝化材料处理对大白菜镉含量的影响
从图2可以看出，在不添加钝化材料的镉低污染和高污染土壤上，大白菜镉含量分别为0.220和0.585 mg/kg，当添加钝化材料后，2种土壤大白菜的镉含量都降低，分别降到0.20和0.43 mg/kg以下，且施用偏硅酸钠、生物炭以及二者与石灰组成的混合材料对降低大白菜镉含量的效果与单施石灰基本相当。
3 小结与讨论
施用生物炭、偏硅酸钠以及二者与石灰组成的混合材料都对土壤镉活性和大白菜镉吸收有抑制作用，而且抑制效果基本相当；这些钝化材料对土壤镉活性的抑制效果都低于石灰，但对大白菜镉吸收的抑制效果与石灰基本相当；偏硅酸钠和石灰对土壤镉活性的抑制主要是通过降低土壤pH实现的，而生物炭对土壤镉活性的抑制不仅与其降低土壤pH有关，也与其对镉的吸附有关；施用3种钝化材料及其混合材料都对大白菜产量没有明显影响。
大白菜是中国广泛栽培和食用的叶菜类蔬菜，极易受到土壤中镉的毒害，表现出生长缓慢、植株矮小、退绿等症状。又由于根系是土壤镉的最先接纳者，因此，大白菜根系受到土壤镉的伤害要比地上部明显。王小晶等[6]研究表明，在低镉和高镉胁迫下，大白菜地上部分部仅降低2.6%和7.1%，而地下部鲜重则分别降低了19.8%和45.5%。在本研究中，添加钝化材料后，虽然土壤有效镉含量明显降低，但大白菜鲜产量没有明显增加，这可能与地上部生长发育受土壤中镉影响相对较小有关，也可能与本研究中大白菜生长期较短有关。
土壤有效镉是易被植物吸收从而受害的主要形态，降低土壤有效镉含量是防控镉污染的关键。土壤pH是影响土壤有效镉含量的重要因素之一，随着pH的升高，土壤对镉的吸附量和吸收能力增强，最终发生沉淀[7]。本研究中石灰、偏硅酸钠和生物炭均属碱性材料，均使土壤的pH明显升高，从而使得土壤有效镉含量都明显降低。此外，生物炭不仅是碱性材料，同时还具有巨大的比表面积和大量的表面负电荷[5]，能够吸附土壤中的镉，前期研究表明，生物炭对镉的吸附能力与蒙托石、伊利石和高岭石等常用作钝化剂的材料相当[8]，因而，生物炭不仅可以通过提高土壤pH来降低土壤镉的活性，也可以通过吸附土壤中镉来降低镉活性。这也是本研究中虽然生物炭对土壤pH的提高幅度较低，但对土壤有效镉含量的降低效果与偏硅酸钠基本相当的原因所在。
在本研究中，施用偏硅酸钠、生物炭对降低土壤镉活性的作用基本相当，特别是在镉高污染土壤上，且降低效果都低于施用石灰，但这2种材料对抑制大白菜镉吸收的作用却与石灰基本相当。之所以出现这种差异，可能与偏硅酸钠中的硅抑制作物镉向地上部转运、生物炭对土壤镉活性降低方式有关。有研究表明，加硅能缓解镉对植物体内矿质营养元素平衡的破坏，减轻镉对叶片和根系抗氧化酶系统酶活性和超微结构的影响，抑制镉向地上部迁移[9-11]。因此，虽然施用偏硅酸钠后土壤活性镉含量较施用石灰的高，但偏硅酸钠中的硅还会抑制土壤镉向大白菜地上部转运，这使得施用偏硅酸钠的大白菜镉累积量与施用石灰的基本相当。生物炭对土壤镉活性的降低一方面是通过提高土壤pH实现的，另一方面是因为其有巨大的比表面积和大量的表面负电荷，会吸附大量的镉，而石灰降低土壤镉活性主要是通过提高土壤pH来实现的。通过提高pH降低活性的镉会随着pH的降低而重新恢复活性，因而一旦土壤pH降低，石灰钝化的镉被激活的量要多于生物炭的。有研究表明，大白菜会分泌草酸等低分子量有机酸[12]，有机酸的分泌会使其根际酸化，因此，虽然石灰对土壤镉活性的降低作用强于生物炭，但其对大白菜镉吸收的抑制作用与石灰基本相当。这也说明，不能直接通过比较对土壤活性镉含量降低程度的高低来判定钝化材料抑制作物镉吸收作用的强弱。 此外，钝化材料抑制作物镉吸收能在不同作物上表现不一样。李佳华等[13]研究表明，石灰抑制玉米吸收镉的能力强于硅肥，而曹仁林等[14]研究表明，硅肥对提高土壤pH、降低土壤有效镉和稻米镉含量的作用要强于石灰。
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