楊子予 ，楊志敏 *，陳玉成 ，陳慶華

菜地土壤重金屬污染通常程度較輕，且因與食物鏈息息相關(guān)而較為敏感，因此宜選用對(duì)土壤擾動(dòng)較小的原位淋洗、原位固化、植物提取等方式進(jìn)行修復(fù)[1-4]。但淋洗可能對(duì)地下水造成二次污染，原位固化后被固定在土壤表層的重金屬可能因?yàn)榄h(huán)境的改變?cè)俣柔尫?，超積累植物的適應(yīng)性差也可能造成修復(fù)效果不理想[5-8]。李燕燕[9]發(fā)現(xiàn)酒石酸淋洗-硫化鈉固化修復(fù)組合能有效降低表層土壤Pb、Cd含量，并將Pb、Cd固定在了深層土壤中；另外，衛(wèi)澤斌等[10]也發(fā)現(xiàn)用混合試劑對(duì)耕作層污染土壤進(jìn)行淋洗，能夠降低耕作層土壤重金屬含量，且淋洗出的重金屬可以被堿性FeCl3處理的深層土壤固定，固定的重金屬很少被后期的降水等再淋洗出來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)重金屬污染土壤的修復(fù)和安全利用。本研究選用原位表層淋洗-深層固化聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，即將表層土壤重金屬活化后淋洗至深層進(jìn)行固化，降低農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收利用，以保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，同時(shí)阻止重金屬繼續(xù)向下層土壤和地下水遷移，為農(nóng)田土壤Cd污染修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

田間試驗(yàn)于2018年3—7月在重慶郊區(qū)菜地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫18.0℃；年均降雨量1 164.7 mm；年均日照時(shí)數(shù)1 051.0 h。土壤基本性質(zhì)見(jiàn)表1，呈現(xiàn)輕度Cd污染。

蔬菜作物為莖用萵筍（Lactuca sativa Linn.），由當(dāng)?shù)剞r(nóng)技中心提供。

表層淋洗材料為酒石酸，購(gòu)自成都市科龍化工試劑廠，深層固化材料為羥基磷灰石（Hudroxyapatite，HAP），購(gòu)自武漢遠(yuǎn)成共創(chuàng)科技有限公司；表層鈍化材料為羥基磷灰石和腐植酸，腐植酸由堿提取制備，其成分為胡敏酸，有機(jī)質(zhì)含量為34.475 g·kg-1，由重慶市萬(wàn)植巨豐生態(tài)肥業(yè)有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理、1個(gè)對(duì)照（表2）。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，重復(fù)間以80 cm寬、40 cm深的主溝間隔，各處理間采用50 cm寬、40 cm深的次溝間隔，周邊保護(hù)行寬100 cm。共設(shè)置試驗(yàn)小區(qū)15個(gè)，每個(gè)小區(qū)為6.5 m×5 m=32.5 m2，統(tǒng)一編號(hào)并隨機(jī)排列（圖1）。根據(jù)前人的研究[9，11-13]和之前試驗(yàn)的結(jié)果，鈍化劑腐植酸和HAP的用量在1～3 g·kg-1范圍內(nèi)效果較好，于是按土壤密度1.3 g·cm-3折算成小區(qū)單位面積表層20 cm土壤的用量（表2）。

1.3 試驗(yàn)方法

處理T3、T4的小區(qū)中每隔50 cm挖寬度為50 cm、深度為60 cm的溝，將羥基磷灰石施入溝底，隨后用原土回填。T4處理將淋洗劑溶于自來(lái)水中，T3處理則用等量的自來(lái)水，3 d后均勻噴淋在相應(yīng)小區(qū)表層土壤，一季蔬菜噴淋一次。其余處理所使用的試劑均勻鋪撒在小區(qū)表面后用旋耕機(jī)攪勻，使試劑與0～20 cm表層土壤充分混合。施入試劑10 d后，移栽等量的萵筍幼苗，種植量為15行×15列，共225株，所選植株為長(zhǎng)勢(shì)大致相同的萵筍幼苗。其他田間操作遵循當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣，3個(gè)月后收獲萵筍，對(duì)每個(gè)小區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，同時(shí)在各小區(qū)內(nèi)以“五點(diǎn)采樣法”采集表層土壤樣品，并隨機(jī)采集10株萵筍樣品。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Properties of studied soils

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Treatment methods and dosage of remediation materials

圖1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Figure 1 Design of field experiment

1.4 分析測(cè)試

土壤樣：pH采用PB-10型pH測(cè)試儀檢測(cè)，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化容量法檢測(cè)[14]；全Cd采用王水-HClO4法消解[14]，AAS測(cè)定；有效Cd采用DTPA浸提[15]，AAS測(cè)定。

植物樣：Cd采用HNO3-HClO4法消解[14]，AAS測(cè)定。維生素C采用2，6-二氯靛酚滴定法[16]；還原糖采用3，5-二硝基水楊酸顯色-分光光度法[16]；游離氨基酸采用茚三酮顯色-分光光度法[16]。

分析過(guò)程以土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07428（GSS-14）、土壤有效態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07460（ASA-9）、植株標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW 08513）和加標(biāo)回收方式對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量控制。土壤樣品Cd回收率為94.7%～103.8%、植株樣品Cd回收率為96.7%～103.2%。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0進(jìn)行圖形統(tǒng)計(jì)分析，不同字母表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），采用OriginPro 8.5作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層淋洗-深層固化對(duì)萵筍的影響

2.1.1 對(duì)萵筍降Cd的影響

除T3以外，T1、T2和T4均能不同程度地降低萵筍莖葉和根部的Cd含量（圖2）；其中莖葉部分的降幅為22.89%～28.98%、根部的降幅為17.21%～31.68%，與CK相比差異顯著（P＜0.05）；CK處理下萵筍莖葉的Cd含量超過(guò)了《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中莖類蔬菜Cd的限量指標(biāo)（0.1 mg·kg-1），而T1、T2和T4處理下萵筍莖葉的Cd含量均低于該標(biāo)準(zhǔn)，其原因可能是T4處理施用酒石酸淋洗降低了耕作層土壤的全Cd含量，淋洗效果優(yōu)于T3處理的水淋洗；T1和T2的鈍化處理影響了土壤基本理化性質(zhì)，進(jìn)而降低了萵筍莖葉的Cd含量。

圖2 不同處理對(duì)萵筍Cd含量的影響Figure 2 Effects of different treatments on Cd content of lettuce

2.1.2 對(duì)萵筍產(chǎn)量的影響

當(dāng)Cd在植物體內(nèi)積累到一定程度時(shí)，植物就會(huì)表現(xiàn)出生長(zhǎng)遲緩、植株矮小等毒害癥狀，最終降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)[17]，向土壤中添加修復(fù)劑可降低Cd向植物的遷移及對(duì)植物的毒害，并且對(duì)一些營(yíng)養(yǎng)元素有活化作用，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[18-19]。除了T3以外，其余處理較CK均不同程度地提高了萵筍產(chǎn)量（鮮樣）（P＜0.05），升幅為12.47%～22.87%（圖3），其中T2對(duì)萵筍產(chǎn)量的提高效果最佳，說(shuō)明在Cd污染土壤中施加HAP可以有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加作物的產(chǎn)量，該結(jié)果與馮佳蓓[20]和宋勇等[21]的研究結(jié)果一致。

2.1.3 對(duì)萵筍品質(zhì)的影響

圖3 不同處理對(duì)萵筍產(chǎn)量的影響Figure 3 Effect of different treatments on yield of lettuce

表3 不同處理對(duì)萵筍品質(zhì)的影響Table 3 Effect of different treatments on quality of lettuce

T4能使萵筍維生素C的含量顯著升高7.81%（P＜0.05）（表3）。萵筍還原糖的含量在T4處理下的升幅達(dá)到62.81%（P＜0.05），但在T2處理下顯著降低，降幅為17.09%，該結(jié)果與南麗君[22]的研究結(jié)果有所差異，可能是因?yàn)榱姿猁}能夠吸附絡(luò)合金屬陽(yáng)離子，對(duì)土壤中的鉀、鐵、鋅、錳等營(yíng)養(yǎng)元素也造成一定的吸附作用。而對(duì)于萵筍氨基酸的含量來(lái)說(shuō)，除了T3以外，其余處理均使萵筍的氨基酸含量升高，其中T4的提升效果最好，升幅為15.60%（P＜0.05）。有機(jī)酸對(duì)土壤中大量的難溶性養(yǎng)分具有一定的螯合增溶效果，可以提高難溶性磷酸鹽及微量元素在土壤中的有效性[23]，有利于植物對(duì)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，增加葉綠素的含量，提高植物的光合速率，進(jìn)而提高萵筍的品質(zhì)。

2.2 表層淋洗-深層固化修復(fù)對(duì)土壤的影響

2.2.1 對(duì)Cd縱向遷移的影響

與CK相比（圖4），T4使0～20 cm和20～40 cm土層的全Cd含量降低30.71%和21.29%，且與水淋洗相比，酒石酸淋洗使0～20 cm和20～40 cm土層的全Cd含量多降低28.60%和19.95%，說(shuō)明酒石酸的淋洗可以使上層土壤中的Cd向下層土壤遷移，這主要是因?yàn)榫剖崴鶐У呐湮惑w羥基（-OH）和羧基（-COOH）易與土壤中Cd2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成可溶性復(fù)合物[24]，提高了Cd在土壤剖面的流動(dòng)性。而T3與CK相比，0～20 cm和20～40 cm土層的全Cd含量降低2.95%和1.76%，說(shuō)明加大灌溉水量對(duì)Cd向下遷移有一定的促進(jìn)作用。T3、T4均使40～60 cm土層全Cd含量增大，且60～80 cm土層與40～60 cm土層相比，土層全Cd含量分別降低23.31%和32.99%，表明HAP對(duì)土壤中向下遷移的Cd有固定效果。其中在T4處理下深層（40～60 cm）土壤全Cd含量的增加效果更突出，達(dá)到51.57%。隨著土層深度增加，T3、T4使60～80 cm土層中全Cd含量與CK接近，說(shuō)明淋洗處理可降低耕作層土壤全Cd含量，而60 cm處的HAP也對(duì)下滲的含Cd淋洗液有較好的攔截效果，防止其污染地下水。

T3、T4處理下，土壤中有效Cd含量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出在0～20 cm土層降低，20～40 cm土層略微增加，40～60 cm土層明顯降低，最后在60～80 cm土層與CK接近的趨勢(shì)。與CK相比，兩種淋洗-深層固化處理使40～60 cm土層有效Cd含量降低了19.29%和22.83%，說(shuō)明HAP對(duì)Cd在土壤中繼續(xù)向下遷移有一定的阻礙作用，其原因是HAP可以在土壤溶液中水解釋放PO3-4，誘導(dǎo)土壤中的重金屬形成穩(wěn)定的磷酸鹽沉淀[25]，或者Cd2+首先吸附在HAP的表面，然后通過(guò)離子交換作用，Cd2+取代HAP上面的Ca2+，與HAP共沉淀形成穩(wěn)定的復(fù)合物[26]，因此能夠有效控制上層淋洗液對(duì)深層土壤的擾動(dòng)。用酒石酸對(duì)耕作層污染土壤進(jìn)行淋洗，能夠降低耕作層土壤Cd的含量，淋出的重金屬可以被HAP固定在深層土壤中，且較難進(jìn)一步向下遷移，從而能降低對(duì)地下水環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 對(duì)表層土壤Cd的影響

本試驗(yàn)所種植萵筍的耕作層基本在0～20 cm，因此重點(diǎn)分析了0～20 cm表層土壤的Cd含量變化。與CK相比（圖5），除了T4使土壤耕作層（0～20 cm）全Cd含量顯著降低28.33%（P＜0.05）外，其余處理下土壤全Cd含量的差異均不顯著（P＞0.05），這可能是因?yàn)楦菜岷虷AP修復(fù)Cd的主要機(jī)理是通過(guò)絡(luò)合作用和沉淀作用改變土壤中Cd的賦存形態(tài)，降低其遷移轉(zhuǎn)化能力和生物有效性[27-28]，但對(duì)Cd的總量去除效果并不顯著；水淋洗只能帶走部分可交換態(tài)Cd，而酒石酸可使表層土壤中Cd溶解并遷移，且夏季降雨量較大，加快了Cd的遷移速率，從而降低了表層土壤Cd總量。

除T3以外，其余處理均能不同程度地降低土壤有效Cd含量，降幅為15.61%～28.24%，與CK相比差異顯著（P＜0.05），其中T2和T1處理對(duì)有效Cd含量降低效果較好，該結(jié)果與王云麗[29]和李儀等[30]的研究結(jié)果一致。羥基磷灰石除了能夠提高土壤pH值以外，還可以通過(guò)表面點(diǎn)位吸附和離子交換降低Cd的有效性[31]，使其生物可利用性下降。腐植酸富含羧基和酚羥基等活性官能團(tuán)，很容易吸附在土壤膠體表面，使土壤顆粒物上增加新的吸附位點(diǎn)[32]，從而吸附可溶態(tài)的重金屬生成難溶有機(jī)絡(luò)合物，同時(shí)腐植酸對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有較好的提升效果，而有機(jī)質(zhì)能夠改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤pH值，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)并增加酶活性[33]，從而降低可溶態(tài)重金屬含量，減少碳酸鹽結(jié)合態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)重金屬的含量，增加重金屬的有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)含量。

圖4 不同處理對(duì)剖面土層中Cd含量的影響Figure 4 Effect of different treatmentson the content of Cd in profile soil layer

2.2.3 對(duì)土壤pH值與有機(jī)質(zhì)的影響

圖6表示不同處理下土壤pH值與有機(jī)質(zhì)含量。圖6a表明，與CK相比，T2顯著提高了土壤pH值（P＜0.05），提升量為1.35個(gè)pH單位，而兩種表層淋洗-固化處理對(duì)土壤pH值沒(méi)有顯著影響。

圖6b表明，與CK相比，除T3對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響無(wú)顯著差異以外（P＞0.05），其余處理均使土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著升高（P＜0.05），其中T1對(duì)提升土壤有機(jī)質(zhì)的效果最佳，升幅達(dá)到52.10%。其造成土壤有機(jī)質(zhì)含量變化的原因可能有兩點(diǎn)，一是所使用的腐植酸中有機(jī)質(zhì)含量較高，二是腐植酸含有羧基、酚羥基、甲氧基、羰基等活性官能團(tuán)[34]，故而施入土壤后可促進(jìn)土壤微生物的活性，改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和提高肥力。

2.3 Cd含量相關(guān)性分析

圖5 不同處理對(duì)表層土壤全Cd及有效Cd含量的影響Figure 5 Effects of different treatments on total Cd and available Cd content in surface soil

圖6 不同處理土壤pH及土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Figure 6 Effectsof different treatments on soil pH and soil organic matter content

土壤有效Cd含量與萵筍Cd含量間的相關(guān)關(guān)系如表4所示。莖葉Cd、根Cd含量與土壤有效Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），而土壤全Cd含量與萵筍Cd含量并無(wú)顯著的相關(guān)性，說(shuō)明有效態(tài)Cd更容易被植物根系吸收。而土壤有效Cd與土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明施用修復(fù)劑可通過(guò)提高土壤pH值和有機(jī)質(zhì)的含量降低土壤中有效Cd的含量，有效阻止了Cd向萵筍遷移，進(jìn)而降低萵筍富集的Cd含量。因此，腐植酸可以通過(guò)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，使其與土壤溶液中的Cd2+經(jīng)有機(jī)絡(luò)合反應(yīng)減少萵筍對(duì)Cd的積累；而HAP顯著提高了土壤pH，進(jìn)而經(jīng)化學(xué)沉淀反應(yīng)降低土壤溶液中的Cd2+含量，同時(shí)施加HAP能夠通過(guò)表面位點(diǎn)吸附和離子交換降低Cd的有效性，阻礙萵筍根系對(duì)Cd的吸收，最終減少萵筍中Cd的積累。

表4 土壤pH、有機(jī)質(zhì)、Cd含量和萵筍Cd含量間的相關(guān)系數(shù)（r）Table 4 Correlation coefficient（r）among the pH，organic matter，Cd contents in soil and Cd concentration in lettuce

3 結(jié)論

（1）酒石酸淋洗-HAP固化處理使萵筍莖葉的Cd含量顯著降低22.89%，萵筍產(chǎn)量提升16.89%，且對(duì)提升萵筍品質(zhì)的效果較好，而腐植酸和HAP處理使萵筍根部Cd的含量顯著降低31.68%和26.01%。

（2）酒石酸淋洗-HAP固化處理使0～20 cm和20～40 cm土層的全Cd含量降低30.71%和21.29%，40～60 cm土層的全Cd含量增加51.57%，有效降低耕作層土壤全Cd的同時(shí)也對(duì)下滲的含Cd淋洗液有較好的攔截效果。

（3）HAP使土壤pH顯著提升了1.35個(gè)pH單位，而兩種表層淋洗-固化處理對(duì)土壤pH沒(méi)有顯著影響。除了水淋洗-固化處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響無(wú)顯著差異以外，其余處理均使土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著升高，其中腐植酸對(duì)提升土壤有機(jī)質(zhì)的效果最佳，升幅達(dá)到52.10%。