不同重金属钝化剂对向日葵土壤及籽实重金属富集效应研究

王永宁，王跃飞，张 雷，刘宏金，罗 军，郭晓宇，傅建伟，包 菡，乔志刚，武 岩

(内蒙古自治区农牧业生态与资源保护中心，内蒙古呼和浩特 010021)

土壤是人类生存和社会发展不可或缺的自然资源，也是农业生产的重要基础。然而随着工业化、城市化的飞速发展，土壤污染问题日益严峻，其中重金属对土壤造成的污染问题最为突出[1]。土壤中重金属具有一定的隐蔽性和潜伏性，不易被检出，而且重金属易在土壤中积累，一旦含量超标造成土壤污染，不仅可能引起土壤的退化，而且还会通过食物被人体吸收，从而间接对食品安全产生巨大影响[2]。土壤重金属污染已成为急需解决的重大环境问题之一[3]。为充分实现农田可持续利用，保障人类获得充足且安全的食品，迫切需要研究并提出经济、高效、可行的重金属污染土壤修复技术[4]。

土壤重金属的修复方法有很多，大致分为3类。一类是钝化修复，主要是通过向土壤中添加膨润土、生物炭、有机肥，使重金属由活性向稳定形态转化，以降低重金属的迁移和生物可利用性[5-8]，具有费用低、对环境影响小、效率高等特点[9]；另一类是提取，主要是利用重金属超积累植物或富集植物根系吸收污染土壤中的重金属并运移至植物地上部[10-12]；第3类是对土壤进行淋洗、稀释、换土等物理修复方法[6]。利用天然钝化剂修复重金属的同时，改善土壤理化性质，增加土壤肥力、土壤阳离子交换量、土壤透气性[13]，这种方法修复重金属的同时不会造成土壤二次污染，是当前和今后常用的修复方法，该研究采用天然钝化剂对试验区土壤重金属进行修复，探索生态解决方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料膨润土、生物炭、有机肥3种钝化剂和一种菌肥，当地主栽向日葵品种。

1.2 试验方法试验于2018年5—11月在内蒙古中部某试验区进行，开始前采集0～20 cm耕层土壤。试验设6个处理，分别为不施钝化剂(CK)、膨润土2 520 kg/hm2(DP)、生物炭510 kg/hm2(DS)、有机肥15 000 kg/hm2(DY)、菌肥300 kg/hm2(D1)、菌肥1 005 kg/hm2(D2)，3次重复，小区面积20 m2，供试作物为向日葵，田间管理同当地。

1.3 样品采集试验结束后分别采集每小区植株、根茎、0～20 cm耕层土壤样品，制备保存。

1.4 检测指标土壤检测pH、铬(Cr)、铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)；籽实和秸秆检测Cr、Pb、Cd、As、Hg。

1.5 试验初始土壤情况修复点土壤为栗钙土，pH 6.56，Cr含量51.10 mg/kg、Pb含量322.00 mg/kg、Cd含量6.35 mg/kg、As含量2 679.00 mg/kg、Hg含量0.12 mg/kg。

2 结果与分析

2.1 不同钝化剂处理对土壤pH的影响由图1可知，对照处理下土壤的pH处于6.5～7.0，为微酸性土壤。与CK相比，D2、DP和DS处理显著提高了土壤pH(P<0.05)，pH分别提高了0.84、1.03和0.72，可见菌肥施用量为1 005 kg/hm2、膨润土施用量为2 520 kg/hm2、生物炭施用量为510 kg/hm2均可以有效提高土壤pH，与何梓林等[14]、谢霏等[15]的研究结果一致。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05)图1 不同钝化剂处理对土壤pH的影响Fig.1 Effect of different passivating agent treatments on soil pH

2.2 不同钝化剂处理对向日葵籽实和秸秆吸收重金属的影响由图2可知，与CK相比，D2和DS处理均显著降低了向日葵籽实中Cd含量(P<0.05)，分别是对照的0.75和0.55倍；D1、D2、DP和DS处理均显著降低了向日葵籽实中Hg含量(P<0.05)，分别是对照的0.51、0.39、0.09和0.33倍，DP处理下向日葵籽实中Hg含量降低最多，降低了99.93%。可见菌肥施用量为1 005 kg/hm2、生物炭施用量为510 kg/hm2可以控制土壤中Cd向向日葵籽实转移，菌肥施用量为300和1 005 kg/hm2、膨润土施用量为2 520 kg/hm2、生物炭施用量为510 kg/hm2可以控制土壤中Hg向向日葵籽实中转移，膨润土施用量为2 520 kg/hm2效果最好。

由图2可知，DP处理显著降低了秸秆中Cr和Pb的含量(P<0.05)，分别是对照的0.45和0.46倍；D2和DP处理显著降低了向日葵秸秆中As含量(P<0.05)，分别是对照的0.36 和0.32倍；DP和DS处理显著降低了向日葵秸秆中Hg含量(P<0.05)，分别是对照的0.25和0.28倍。膨润土施用量为2 520 kg/hm2可以有效控制土壤中Cr、Pb、As和Hg向向日葵秸秆中转移，菌肥施用量为1 005 kg/hm2可以有效控制土壤中As向向日葵秸秆中转移，生物炭施用量为510 kg/hm2可以有效控制土壤中Hg向向日葵秸秆中转移。

注：不同小写字母表示同一部位不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at the same site(P<0.05)图2 不同钝化剂处理对向日葵地上部积累重金属的影响Fig.2 Effects of different passivating agent treatments on the accumulation of heavy metals in sunflower overground

2.3 不同钝化剂处理对向日葵产量的影响由图3可知，除生物炭(DS)之外，其余处理均显著提高了向日葵的籽实产量和秸秆产量，与CK相比，D1、D2、DP和DY处理下，向日葵籽实产量和秸秆产量均为对照的1.27、1.24、1.29和1.13倍，均提高了27.18%、24.26%、29.00%和13.50%。有研究表明，施用膨润土能提高花生产量[16]，生物菌肥能显著提高甘薯的单株结薯数和大中薯率[17]，基施多功能高效生物有机肥750 kg/hm2，能降低稻米镉、铅和砷含量且显著提高水稻产量，产值增加1 227.15～3 952.80元/hm2[18]，与该研究结果一致。因此，施用一定量生物钝化剂不仅可以降低重金属作物在地上部的积累，还可有效提高作物产量。

注：不同小写字母表示同一产量不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at the same yield(P<0.05)图3 不同钝化剂处理对向日葵产量的影响Fig.3 Effect of different passivating agent treatments on sunflower yield

2.4 不同钝化剂处理下向日葵籽粒重金属含量的安全性评价从表2可以看出，参照GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》，各处理向日葵籽实中Hg、As、Cr和Pb含量均未超过国家限量标准，符合国家安全食用标准；除D2和DS处理之外，其余处理向日葵籽实中Cd含量均超过国家安全食用标准，可见施用微生物菌肥1 005 kg/hm2和生物炭510 kg/hm2可以有效降低向日葵籽粒中Cd含量，使其达到国家安全食用标准。

表2 不同处理下向日葵籽实重金属含量和限量标准Table 2 Heavy metal content and limit standards of sunflower seeds under different treatments mg/kg

2.5 不同钝化剂处理下向日葵秸秆重金属含量对畜禽健康评价从表3可以看出，参照GB 13078—2001《饲料卫生标准》，各处理向日葵秸秆中Cr、Pb和Hg含量均未超过国家限量标准，符合畜禽食用标准；各处理向日葵秸秆中Cd和As均超过了饲料卫生标准中的限量值，虽然D2和DP处理显著降低了向日葵秸秆中As含量，但仍然超过了饲料卫生标准。

3 结论与讨论

针对弱酸性重金属超标栗钙土壤种植向日葵修复问题，施用菌肥300 kg/hm2可降低籽实中Hg含量；施用菌肥1 005 kg/hm2可调节土壤pH，降低籽实中Hg和Cd含量，降低秸秆中As含量，提高产量。施用膨润土2 520 kg/hm2可调节土壤pH，降低籽实Hg含量，降低秸秆中As、Hg、Cr、Pb含量，提高产量。施用生物炭510 kg/hm2可调节土壤pH，降低籽实中Hg和Cd含量，降低秸秆中Hg含量，提高产量。

表3 不同处理下向日葵秸秆重金属含量和配合饲料限量标准 Table 3 Heavy metal content of sunflower straw and limit standard of formulated feed under different treatments mg/kg