王慧慧，詹绍军，任丹，黄瑾，杨艳芹，杜初廷
(成都新朝阳作物科学股份有限公司，成都 蒲江 611630)
土壤重金属污染一直是我国土壤环境安全面临的最主要的问题之一，随着工业化和城市化的快速发展，生活污水、工业三废及农田污水灌溉等人类活动都导致土壤重金属污染日益严重[1-2]。有调查显示，我国耕地土壤重金属污染概率大约为16.67%，耕地污染面积占我国耕地总量的1/6，其中Cd、Ni、Hg、As、Pb、Zn、Cr、Cu为8种主要土壤重金属污染元素[3]。目前对于重金属污染土壤修复的主要方式有物理修复、化学修复、原位钝化修复等措施，其中原位钝化技术主要是通过向土壤中添加一些含磷材料、有机物料或一些功能性材料调节和改变土壤理化性质或重金属在土壤中的形态，减少重金属在土壤中的迁移转化能力，从而降低土壤重金属污染[4]。原位钝化技术因其钝化速率快、效果显著、稳定性好、价格适中、操作简单等特点而广泛的应用于农业生产中[5-6]。原位钝化修复技术关键在于筛选高效低成本且对环境安全的钝化材料，常用钝化剂包括无机类、有机类钝化剂及新型钝化剂[7]。无机类钝化剂包括硅钙材料、含磷材料及黏土矿物等，可通过增强离子吸附能力，促使金属与硅酸盐、磷酸盐等形成沉淀来减少金属活性，但这类钝化剂施用量较高时可能会导致环境风险，如磷淋失造成水体富营养化等、硅钙类材料易导致土壤板结等[8-9]。
常见的有机类钝化剂有畜禽粪便、生物炭等，但畜禽粪便因动物饲料中常含有较高的金属离子导致材料自身含有较高的重金属，存在较大的环境风险。生物炭是一种有机类的功能型的材料，因其具有较高的含碳量、较发达的孔隙结构、较高的比表面积和吸附能力及在水中溶解后成碱性等特点，成为环境科学领域新热点的研究材料[10-11]。有研究表示，利用干粪制备的生物炭对土壤中的Pb有明显的钝化效果，最高去除率能达到100%[12]。但因生物炭制备工艺差别，炭的比表面积及吸附能力亦有差别，因此明确的制备工艺及成炭率是生物炭材料选择的关键。
新型钝化材料硫化物和含氢硫基物质也是重金属钝化领域研究的热点材料，其中TMT(三巯基均三嗪三钠盐)在废水处理中已取得明显成效，TMT中的硫能与重金属离子螯和形成稳定的有机硫沉淀，但目前在重金属土壤修复方面研究较少[13]。氢硫基又称巯基，其对重金属离子有高亲和力，可吸附重金属离子，尤其经过改性后，能有效去除水中的重金属离子[14]。已有研究发现，添加硫化钠也可改变土壤中铅镉的形态分布，明显降低可交换态铅镉的含量，条件适当时，铅镉可交换态下降值可达到63%和73%[15]。基于此，本研究选用了生物炭(油菜秸秆制备)、重捕剂TMT和含硫化钠与氢硫基的混合钝化剂为材料，采用室内恒温培养方法，通过比较钝化剂在不同钝化时间下对土壤Cd和Pb的钝化效果，探索钝化剂对农田土壤理化性质的影响，以期为农田重金属污染钝化修复技术提供理论科学依据。
1.1 试验材料
供试土壤采自德阳市绵竹市新市镇白庙村A组(104°21′E，31°19′N)，供试土壤为小麦地污染黄壤0～20 cm表层土。土壤在室温条件下自然风干后，剔除植物根系及碎石，研磨过2 mm尼龙筛，混匀备用。供试土壤基本理化性质分别为：pH 6.56、有机质20.2 g·kg-1、碱解氮118.6 mg·kg-1、有效磷26.7 mg·kg-1、速效钾73.3 mg·kg-1、有效铅22.9 mg·kg-1、有效镉0.226 mg·kg-1。
供试材料纳米生物炭(油菜秸秆生物炭)、重捕剂TMT(三巯基均三嗪三钠盐)和混合钝化剂(含氢硫基与硫化钠)来自成都新朝阳作物科学股份有限公司，各材料基本性质见表1。
表1 供试材料基本性质Table 1 Basic properties of test materials
1.2 试验设计
试验于2020年8～11月在成都新朝阳生物技术研究院进行，采用恒温培养试验。分别称取经风干、研磨、过筛处理的土壤100 g，将三种供试材料分别以质量分数0.2%(Z-1，S-1，D-1)、0.5%(Z-2，S-2，D-2)、1%(Z-3，S-3，D-3)的比例与土壤均匀混合后置于200 mL培养瓶中，以不添加钝化材料为对照(CK)，共设置10个处理，每个处理重复12次。
各处理按照70%的田间持水量添加去离子水到培养瓶中，用封口膜封口，并在封口膜中间留数个小孔。将培养瓶置于25℃的恒温培养箱中培养，培养过程中采用称重法补充水分，使土壤水分维持在田间持水量的70%左右，培养周期为30 d。在培养0、15、30、60 d后取出培养瓶中全部土壤样品，自然风干后过筛备用。
1.3 测定指标及方法
土壤pH、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质分别按照《中华人民共和国农业行业标准》-NY/T1377-2007[16]、《中华人民共和国林业行业标准》-LY/T 1288-2015[17]、《中华人民共和国农业行业标准》-NY/T 1121.7-2014[18]、《中华人民共和国农业行业标准》-NY/T 889-2004[19]、《中华人民共和国农业行业标准》-NY/T 1121.6-2006[20]的方法测定。
土壤重金属有效态的测定：按照《中华人民共和国国家标准》-GB/T 23739-2009 的方法，采用DTPA(二乙三胺五乙酸)提取剂浸提出土壤中的铅和镉，原子吸收分光光度法测定[21]。
1.4 数据处理与分析
数据统计分析采用SPSS 20.0(SPSS Institute Inc,Chicago,USA)进行，处理间差异以Duncan多重比较法进行检验(P<0.05)。采用Microsoft Excel 2019进行数据绘图。数据相关性采用GraphPad Prism 8.3.0进行分析，相关系数越接近于1(正相关)或-1(负相关)，相关性越强，相关系数越接近于0，相关度越弱。
2.1 不同培养时间及处理对土壤pH值的影响
由图1可知，与空白对照比较，所有钝化剂处理土壤在培养15 d、30 d、60 d时pH值显著增加；
其中Z-3处理增幅最大，分别为26.0%、22.8%、24.4%。
不同用量钝化剂对土壤pH值的影响差异明显，所有钝化剂处理土壤pH值增幅随用量增加而增大；
培养15 d、30 d和60 d时土壤钝化剂Z和D不同用量处理间pH均呈显著差异；
钝化剂S不同用量处理间仅在培养30 d和60 d时pH差异显著(P<0.05)。
注：图中CK表示未添加钝化剂的对照处理，Z表示重捕剂TMT，S表示生物炭，D表示混合钝化剂；
1、2、3分别表示不同钝化材料添加的质量分数为0.2%,0.5%和1%。小写字母表示同一钝化时间不同钝化处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note:CK represents the treatment without passivation agent,Z stands for capture agent,S stands for biochar,D stands for mixed passivator.1,2,3 represent different passivation materials added mass fraction at 0.2%,0.5% and 1%,respectively.The lowercase letters indicate significant differences between different passivation treatments at the same passivation time (P<0.05).The same is as below.图1 不同培养时间及处理对土壤pH的影响Fig.1 The effects of different cultivation times and treatments on soil pH
整体来看，三种钝化剂在培养15 d后，土壤pH值趋于稳定；
钝化剂Z随着添加量的增加土壤pH值逐渐增加，而钝化剂S和D在添加量为0.5%后，土壤pH值趋于稳定。
2.2 不同培养时间及处理对土壤重金属有效态含量的影响
由图2可知，不同钝化材料在一定培养时间下对土壤有效态Cd均有不同程度的钝化效果。与对照处理比较，培养15 d时，除Z-1处理外，其它处理土壤有效态Cd含量显著降低了6.94%～23.2%(P<0.05)；
培养30 d时，除Z-2处理外，其它处理土壤有效态Cd含量显著降低了8.27%～41.2%(P<0.05)；
培养60 d时，所有钝化剂处理土壤有效态Cd含量均显著降低，降幅为25.2%～54.7%(P<0.05)。
图2 不同培养时间及处理对土壤有效态Cd含量的影响Fig.2 Effects of different culture times and treatments on available Cd contents in soil
从不同处理时间来看，相比处理前，土壤培养15 d、30 d和60 d时，钝化剂Z、S、D处理土壤有效态Cd含量均显著降低，D-3处理降幅最大，分别达到16.7%、40.3%和44.9%。除Z-1、Z-2、Z-3和S-1处理外，其余钝化剂处理土壤有效态Cd含量随着培养时间延长钝化效果越明显，培养60 d时钝化效果最明显。
由图3可知，不同钝化材料在一定培养时间下对土壤有效态Pb均有不同程度的钝化效果。相比培养前，培养15 d时，各钝化剂处理土壤有效态Pb含量均显著降低，降幅最高达到17.3%；
培养30 d时，除钝化剂Z的不同用量处理外，其他钝化剂处理土壤有效Pb含量显著降低(P<0.05)，最大降幅达到27.8%；
培养60 d时，除Z-1处理外，其他处理土壤有效态Pb含量显著降低(P<0.05)，最大降幅达到29.0%。
比较相同处理不同钝化时间对土壤有效态Pb的影响来看，相比钝化培养前，对照处理中土壤有效态Pb有增加趋势。钝化剂Z在钝化培养30 d内土壤有效态Pb含量有增加趋势，但钝化培养60 d后土壤有效Pb含量降低了9.57%～28.9%。钝化剂S和D处理钝化培养15 d后土壤有效Pb含量逐渐降低，60 d时钝化率分别降低了19.4%～23.4%和24.9%～29.0%。
整体来看，不同钝化剂对Cd和Pb有效态含量钝化效果趋势一致，均在较长的钝化培养60 d时钝化效果明显，且在添加量为1.0%时土壤有效态Cd和Pb含量最低。
2.3 土壤pH值与镉、铅有效态含量间相关性分析
土壤pH值与有效态Cd、Pb在三种钝化材料处理后相关性分析如图4，将所有材料及钝化时间进行整体相关性分析，Cd有效态含量随土壤pH值的增加，整体呈现降低的趋势，其相关系数r=-0.512，P=0.000 7，相关性极显著。Pb有效态含量随土壤pH值的变化，规律性相对较差，与土壤pH值变化相关性相对Cd较弱，其相关系数r=-0.399 2，P=0.010 7，显著相关。结果表明，土壤有效态Cd、Pb含量与土壤pH值的变化密切相关，添加钝化剂后土壤pH值明显增加，进而降低了土壤Cd、Pb的生物有效性。
2.4 不同培养时间及处理对土壤速效养分的影响
表2反映的是钝化前后土壤有机质、碱解氮、有效磷及速效钾等速效养分的变化情况。从表中可以看出，相比钝化前，各处理(包括对照)在钝化60 d后，有机质、土壤碱解氮、有效磷含量均有不同程度的增加，增长率范围分别为19.1%～60.3%、32.0%～101%、11.3%～134%、12.1%～92.6%。
表2 不同培养时间及处理对土壤养分的影响Table 2 Effects of different cultivation times and treatments on soil nutrients
钝化处理前，处理间土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量无显著差异。但钝化60 d后各处理有机质、有效磷含量均显著高于对照，且随钝化剂添加量的增加而增加。而钝化60 d后，土壤碱解氮及土壤速效钾含量在对照处理、钝化剂Z和钝化剂S处理间差异不显著，而钝化剂D处理的土壤碱解氮和速效钾含量均显著高于其它处理，且随添加量的增加呈增加趋势，最高分别达到236 mg·kg-1、141 mg·kg-1。
整体来看，钝化前后，所有处理土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均有不同程度的增加。与对照相比，添加钝化剂Z、S均对土壤有机质、有效磷含量有显著的增加作用；
钝化剂D对土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾均有显著的增加作用，结果表明添加钝化剂D对土壤养分有更明显的改善效果，且改善效果随钝化剂添加量的增加而增强。
土壤pH是土壤环境质量调查与评价中最关键的土壤性质之一。对于重金属污染的土壤，土壤pH值是影响土壤重金属有效性的关键因素，土壤pH值升高会明显增强土壤对阳离子的吸附能力，降低土壤中重金属活性[22-23]。有研究表示，当土壤pH值升高时，土壤中有效态Cd含量相比对照最高降低幅度达到70%[24]。本试验中，钝化60 d后，未添加钝化剂的土壤pH值没有明显变化，但添加钝化剂后土壤pH值明显增加，最高增加了1.72个单位，相比钝化前，增加了26.1%。
重金属在土壤中以不同的形态存在，其中有效态活性最高，能快速的在土壤中迁移转化产生毒害作用[25-26]。钝化剂主要通过其表面丰富的官能团和较大的比表面积来对有效态重金属产生强烈的吸附作用[27-28]。有研究显示，在土壤中添加水稻秸秆生物炭，钝化10 d后，土壤中的DTPA-Cd含量降低幅度达到12.3%～17.5%[29]。罗惠莉等[30]通过田间钝化修复的方式，将木屑生物炭施用在稻田土壤中，发现施用0.48 kg·m-2生物炭时，有效态Cd含量降幅高达23.9%。本研究中，添加不同的钝化剂对土壤中有效态重金属均有不同程度的钝化效果，钝化60 d后，生物炭和混合钝化剂呈现出随添加量增加钝化效果越显著的趋势，在添加量为1.0%时，土壤有效态Cd、Pb含量降低幅度最高达到48.4%、29.0%；
而重捕剂处理后重金属有效态含量随添加量的增加呈现先增加后降低的趋势，说明不同类型钝化剂对不同重金属元素钝化作用不同，其钝化时间与钝化效果亦不同。
土壤Cd的生物有效性与土壤属性有关，其中土壤pH会影响重金属在土壤中的移动性及形态分布，是最关键的影响因素[31]。研究表明，当土壤中的pH较低时，碳酸盐结合态、氢氧化物结合态中的Cd溶解度增加，移动性增强，当pH升高时，Cd容易结合形成Cd(OH)2沉淀，降低移动性，减少Cd的释放[32-33]。孟龙[34]研究了不同年份不同钝化剂对土壤Cd生物有效性的影响，结果显示，土壤pH值与Cd有效态含量呈显著或极显著负相关关系，相关系数达到-0.552。本实验结果与前人研究相似，经钝化60 d后，土壤pH值逐渐升高，Cd、Pb有效态含量降低，两者间呈显著负相关关系。
钝化剂应用于土壤时，不仅要考虑钝化剂对土壤重金属的钝化效果，也要注重钝化剂对土壤养分的影响。有机质是土壤养分的主要来源，对土壤结构、孔隙度及土壤功能作用都有不可忽视的影响。氮磷钾是植物在生长发育过程中必不可少的养分元素，对植物的生长、发育、代谢、抗逆及调控等都有重要的作用[35]。方嘉等[36]通过盆栽试验发现，在污染的土壤中添加钝化剂能使土壤有机质含量增加323%；
徐艳等[37]将生物炭(木炭、猪粪炭)按5.0%、10.0%的比例添加入污染土壤中发现，钝化后土壤全氮含量增加了71.4%和141%；
有效磷含量分别是钝化前的1.68和1.59倍；
速效钾含量最高为对照的1.75倍。与前人研究相似，本实验中，添加不同钝化剂后，土壤有机质和有效磷含量均有所增加，最高增幅达到60.3%和134%；
土壤碱解氮含量对混合钝化剂较为敏感，添加量达到1.0%时，增幅达到101%；
土壤速效钾含量对重捕剂和混合钝化剂较敏感，随钝化剂添加量的增加，增幅可达92.6%。可见，不同类型钝化剂对土壤养分影响有差异，这可能与钝化剂中官能团及钝化剂自身性质有关。
本研究采用的是室内培养模拟来研究钝化剂对土壤性质和重金属含量的影响，结果可能与实际田间条件下的结果不尽相符。实际田间条件下，降雨、作物种植、人为干扰等因素均会导致结果与室内模拟结果的差异，因此，还需大量的田间试验对钝化剂的效果进行验证。目前生物炭已应用于重金属修复研究，且国内仅有的两个重金属修复登记证，其中一个登记证主要原料为生物炭，可见目前生物炭修复市场前景较好。重捕剂TMT及氢硫基在水体重金属污染修复中应用较为广泛，在土壤修复中相对较少，但因其明显的钝化效果，在今后农田土壤重金属污染及重金属修复登记方面可有较开阔的研究前景。
综合来看，生物炭、重捕剂TMT及含硫化钠和氢硫基的混合钝化剂对污染土壤中的有效态Cd、Pb均有显著的钝化效果，但对土壤基本理化性质的影响存在差异。混合钝化剂(D)对Cd和Pb的钝化效果最显著，处理后土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾均有显著的增加作用，是优良的重金属钝化剂；
其次是纳米生物炭(S)对有效态Cd、Pb含量有明显降低作用，土壤中有机质及有效磷含量也明显增加，亦可选择重金属钝化材料。