减量钝化剂与常规肥料混施对镉钝化效果及土壤养分状况的影响

于春晓 张丽莉 杨立杰 武开阔 李东坡 宋玉超 薛研 宫平 武志杰

摘要 [目的]研制重金属钝化调理专用肥。[方法]以玉米秸秆为原料制作的生物炭和黏土矿物海泡石为对象，研究在连续2茬小白菜种植后的钝化效果及对肥料利用的影响。[结果]氮磷钾肥配施减量的生物炭和海泡石能提高土壤pH，各添加量显著高于对照（P<0.05）。土壤Cd的钝化效果以生物炭（B∶N=3∶1）及海泡石（S∶N=1∶1）处理最优，小白菜可食部分Cd含量最低。相比于对照，生物炭处理均能减少土壤中速效氮含量，而对有效磷和速效钾含量无显著影响，海泡石随着添加比例的增加，速效氮和速效钾含量逐渐增加。[结论]减量生物炭与氮磷钾肥料混施能有效降低污染土壤活性Cd含量，降低Cd的生物可利用性，还能对土壤中营养元素起到固持作用，提高肥料利用率。

关键词 钝化剂;污染土壤;生物可利用性;土壤养分

中图分类号 X53文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）22-0156-04

Abstract [Objective] To develop heavy metal passivation repair fertilizer. [Method] Taking biochar made from corn straw and clay mineral sepiolite as the object， the passivation effect and the effect on fertilizer utilization of mixed application of nitrogen， phosphorus and potassium fertilizer in continuous two cropping conditions of Chinese cabbage were studied. [Result]Reduced biochar and sepiolite combined with N， P， K increased soil pH， and the added amount was significantly higher than that of control （P<0.05）. The best treatments for the passivation effect of soil active Cd were biochar （B∶N= 3∶1） and sepiolite （S∶N= 1∶1）， and the edible part of Chinese cabbage had the lowest Cd content. Compared with the control， biochar treatment reduced the content of available nitrogen， but had no significant effect on the content of available phosphorus and valid potassium. With the increase of the proportion of sepiolite， the content of available nitrogen and available potassium increased gradually. [Conclusion] Combined application of reduced amount of biochar and NPK fertilizer can effectively reduce the content of active Cd in contaminated soil and the bioavailability of Cd， which played a role in retaining nutrients in soil and improving the utilization rate of fertilizer.

Key words Passivator;Contaminated soil;Bioavailability;Soil nutrition

重金属镉污染问题已成为全球性问题，严重限制了农业和经济的可持续发展[1]。《2014中国环境状况公报》指出，我国可利用耕地位点超标率达19.4%，估算我国受污染耕地约0.23亿hm2，重金属Cd的位点超标率已达7%[2]，且Cd污染土壤会严重阻碍植物生长，人体食用含Cd的农产品会严重危害人类健康，引发一系列的疾病[3]，重金属污染问题已成为亟待解决的严重问题。

化学修复是一种通过向土壤中添加钝化剂，通过吸附、沉淀、络合、离子交换等方式来降低植物可利用性的原位钝化技术，以其修复效果明显、成本低、容易应用和生产、不会造成二次污染等优点[4]，被广泛应用于中低污染土壤中。典型钝化剂海泡石、沸石、生物炭、石灰等施入土壤中后，通过酸碱度调控、沉淀溶解反应、吸附解析等方式能有效減少重金属Cd的含量[5-8]。

施肥作为一种常规农业操作，肥料作为植物生长不可或缺的一种外来营养，促进植物生长，提高作物产量，对于农业生产具有非常重要的意义[9]。不同种类的肥料施入到Cd污染土壤中，会不同程度地影响Cd的生物有效性及肥料可利用性。在镉污染土壤中施用化肥具有一定农业生产价值。

从环境整治与农业可持续发展的角度，研制重金属Cd钝化专用肥，施用到中轻度镉污染的土壤中，对减少可食部分Cd含量、增强农业可持续供给能力、保证我国粮食安全显得尤为重要。笔者从与肥料配伍的角度，选取原料丰富、成本低、易于加工和推广的钝化剂海泡石、生物炭，将少量钝化剂与常量氮磷钾肥进行复合，以期通过施肥这一农事操作，将钝化剂一并施入土壤中，减少施用钝化剂及肥料带来的劳动力耗费，使之既能起到良好的钝化效果，同时不会影响肥料的转化和肥效的发挥，进而筛选出效果良好的钝肥组合，旨在为农业生产提供指导和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

生物炭类型为玉米秸秆生物炭，玉米秸秆于马弗炉中450 ℃高温裂解90 min制成，磨碎后采用0.01 mol/L HCl 浸泡2 h后，抽滤，冲洗烘干，密封保存。海泡石由河北易县海泡石公司提供，其标准结晶化学式为Mg8（H2O）4[Si6O16]2（OH）4·8H2O，化学成分为硅和镁，呈淡白色，体质轻，密度为1.0～2.2 g/cm3，收缩率低，可塑性好，是肥料中良好的黏合剂。

1.2 土壤样品

试验样品为平衡10年的潮棕壤，采自中国科学院沈阳生态试验站（123°24′E、41°31′N）Cd污染表层土壤（0～20 cm），污染浓度为1.25 mg/kg，5点取样法进行采样，混匀后过2 mm筛。土壤基本理化：土壤pH 6.42，砂粒17.08%，粉粒67.66%，黏粒15.26%。总Cd含量为1.25 mg/kg，有机质含量为23.03 g/kg，全磷含量为23.17 g/kg，全钾含量为0.51 g/kg。棕壤及钝化剂基本理化性质见表1。

1.3 试验设计

盆栽试验中分别设NPK（C1）（无钝化剂）、NPK+生物炭（1∶1）（B1）、NPK+生物炭（1∶2）（B2）、NPK+生物炭（1∶3）（B3）、NPK（C2）（无钝化剂）、NPK+海泡石（1∶1）（S1）、NPK+海泡石（1∶2）（S2）、NPK+海泡石（1∶3）（S3）等12个处理，其中尿素（CO（NH2）2）、过磷酸钙（Ca（H2PO4）2）、氯化钾（KCl）添加量均为150 mg/kg，钝化剂添加比例为氮肥添加量的百分比，主要是从肥料合成的角度进行钝化剂减施。

每盆取过2 mm筛土壤3 kg，种植前添加钝化剂及肥料，充分混匀，供试植物为小白菜（品种为四季小白菜（Brassica Chinensis）），每盆留苗30株，保持土壤湿度为田间最大持水量的60%，种植后40 d收获小白菜地上和地下部分，用去离子水冲洗干净后用吸水纸擦干。小白菜植株于105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重。植物和土壤样品烘干磨碎，过0.5 mm筛，密封保存待测，连续种植2茬。检测植株及土壤中全Cd含量、活性Cd含量、土壤pH、土壤速效氮、速效钾及有效磷含量。

1.4 测试项目与方法

土壤和植株中全Cd含量采用微波（Milestone ETHOS UP）消解HCl-HNO3 200 ℃下消解30 min;活性Cd含量采用0.1 mol/L盐酸浸提，土壤样品与浸提液体积比为1∶10，Cd相关提取样品使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）进行测定[10];土壤pH采用土水比例为1.0∶2.5，METTLER TOLEDO pH计进行测定;铵态氮硝态氮含量：称取5 g鲜土，用50 mL 2 mol/L KCl溶液浸提，25 ℃下振荡1 h，用滤纸进行过滤后，用连续流动分析仪AA3进行测定[11]。土壤有效磷含量采用NaHCO3（pH 8.5）浸提，Murphy法比色紫外分光光度计测定[6];土壤速效钾含量参照土壤农化分析采用醋酸铵（pH 7.0）浸提，原子吸收分光光度计进行测定[12]。

1.5 数据分析

试验数据采用Excel和SPSS进行统计和分析，用Origin 8.0进行作图。每个处理设置3个重复。

2 结果与分析

2.1 钝化剂表面化学性质

通过红外光谱分析发现，生物炭表面的CH3和Cl-可以与土壤中离子进行交换（图1A），并通过其多孔结构对重金属镉进行固定吸附（图1B、C）。

2.2 钝化剂与肥料配施对土壤活性Cd含量的影响

土壤活性Cd是一种衡量生物可利用性的重要指标，其与植物生长息息相关。由图2可知，各钝化剂处理之间活性Cd含量差异显著（P<0.05），少量不同类型的钝化剂添加钝化效果不同。生物炭处理在第一茬时降低活性镉含量0.59%、1.20%、3.82%，第二茬降低了0.87%、0.12%、1.57%。海泡石处理除S1外对土壤活性Cd有一定的活化作用，S1处理第一茬能降低活性Cd含量2.1%，S2、S3处理约增加8.21%、16.25%和2.79%、3.59%。

土壤pH随着种植茬数的增加而逐渐降低，第一茬高于第二茬。土壤pH又随着钝化剂添加量的增加而逐渐增加，但生物炭钝化效果优于海泡石。在种植小白菜时，生物炭与氮磷钾肥配施会降低Cd的生物有效性，与Park等[13]及Sajjadi等[14]的研究结果一致，因此，农业操作时两者宜配施。

2.3 钝化剂与肥料配施对小白菜茎叶及根中Cd含量的影响 由图3可知，连续2茬小白菜种植后，第2茬小白菜植株中镉含量显著低于第一茬。生物炭添加能显著降低地上及根部Cd含量，各添加量之间差异显著（P<0.05），B2处理茎叶中Cd含量降低23.65%和2.72%，B3处理根中Cd含量降低22.77%和11.98%。但海泡石添加则会增加茎叶及根部Cd含量，各添加量间差异不显著（P>0.05），莖叶及根中Cd含量与土壤中有效Cd含量呈正相关，但茎叶部分Cd积累显著高于根部。在中低浓度Cd污染的土壤中添加少量钝化剂生物炭（1∶3）、海泡石（1∶1）时，小白菜的Cd累积量最少，富集系数最低，钝化效果最好，可为重金属Cd钝化提供指导和借鉴。

2.4 钝化剂与肥料配施对土壤速效氮、速效磷和速效钾含量的影响

由图4A可知，在小白菜第一茬种植时，与C1，C2相比，生物炭和海泡石的添加对速效氮含量的影响不同，2茬小白菜收获后，生物炭添加能减少速效氮含量，且随着添加量的增加而逐渐减少，但海泡石的添加则会增加速效氮含量，随着添加量的增加而增加。由图4B可知，生物炭和海泡石的添加不会对有效磷含量产生显著影响，除第一茬小白菜收获后，S2、S3处理有效磷含量显著低于对照。由图4C可知，添加海泡石能显著增加第二茬收获后土壤速效钾含量，海泡石作为一种矿物可能与土壤黏土矿物之间存在对K+的同晶置换等作用。

3 结论

（1）从氮肥施用角度而言，尿素与生物炭配合施入到Cd污染土壤中，不仅起到钝化效果，还能促进植物对氮素的吸收，促进作物生长，减少常年施用氮肥带来的硝酸盐毒害。

（2）在农业生产中添加钾肥生物炭、海泡石能对土壤中速效钾起到一定的蓄积作用，在非重金属污染土壤中是值得推广应用的组合方式。

参考文献

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