蛭石修复城郊镉污染菜地土壤研究

蛭石修复城郊镉污染菜地土壤研究作者：李剑睿徐应明
来源：《安徽农业科学》2022年第15期
摘要工業化、城镇化过程引起的城郊农业土壤重金属污染日益凸显，为探究利用黏土类矿物施加联合叶菜品种选择控制油菜体内镉累积的修复技术，采用盆栽试验，研究蛭石施用量（0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）对不同油菜品种（华骏2号、寒绿）体内镉含量、油菜生物量、根系净吸收镉和转移因子、土壤有效镉含量、土壤酶活性和油菜叶片抗氧化酶活性的影响。

结果表明，土壤未施加蛭石下，2个油菜品种的生物量和转移因子无差异，华骏2号地上部镉含量为寒绿的71.2%，均高于国家标准（GB 2762—2012）限量值（0.20 mg/kg），华骏2号根系净吸收镉为寒绿的66.8%。

土壤钝化处理后，华骏2号、寒绿地上部生物量分别增加了14.8%～33.3%和20.8%～45.8%，地上部镉含量分别降低了16.2%～56.8%和11.5%～48.1%，根系净吸收镉分别降低了18.1%～60.9%和12.3%～630%，镉转移因子最大降幅分别
为36.1%和30.3%（P<0.05）。

施加蛭石后，华骏2号、寒绿种植下的土壤有效镉含量分别下降了48%～17.7%和5.9%～25.0%（P<0.05）。

华骏2号、寒绿种植下，钝化处理的土壤脲酶活性最大增幅分别为23.7%和30.2%，油菜叶超氧化物歧化酶（SOD）活性分别提高了
17.1%～50.4%和16.8%～54.0%（P<0.05）。

总之，土壤2.0%蛭石施用联合华骏2号种植技术可使油菜地上部镉含量低于0.20 mg/kg，实现重金属污染土壤上油菜的安全生产。

关键词蛭石;镉污染;菜地;土壤;修复
中图分类号X53文献标识码A文章编号0517-6611（2022）15-0059-04
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.15.016
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Study on Remediation of Cadmium Contaminated Vegetable Soil by Vermiculite in Suburban Area
LI Jian-rui1， XU Ying-ming2
（1. Taiyuan Institute of Technology， Taiyuan，Shanxi 030008;2. Agro-Environmental Protection Institute， Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Tianjin 300191）
AbstractHeavy metal pollution in suburban agricultural soil caused by industrialization and urbanization has become increasingly prominent.In order to explore the restoration technology of controlling cadmium accumulation in rapeseed by applying clay minerals combined with leafy vegetable variety selection， pot experiments were used to study the effects of vermiculite application （0， 0.5%， 1.0%， 1.5%， 2.0% and 25%） on the Cd content in two varieties （Huajun-2 and Hanlv） of rape， biomasses of rape， net Cd uptake by root and transfer factor， available Cd in soils， activities of soil enzymes and antioxidant enzymes in leaves.The results showed that in soil treatment without vermiculite， there were no statistic differences in biomass and Cd transfer factor between Huajun-2 and Hanlv. The concentration of Cd in overground part of Huajun-2 was only 71.2% of that in Hanlv， which were both higher than national standard GB 2762-2012 of 0.20 mg/kg in China. The net Cd uptake by root for Huajun-2 was only 66.8% of that for Hanlv in untreated soils. After applying vermiculite to vegetable soils， the overground part biomasses of rape increased by 14.8%-33.3% for Huajun-2 and 20.8%-45.8% for Hanlv， the concentrations of Cd in overground part reduced by 16.2%-56.8% for Huajun-2 and 11.5%-48.1% for Hanlv， the net Cd uptake by root reduced by 18.1%-60.9% for Huajun-2 and 12.3%-63.0% for Hanlv， and the Cd transfer factor reduced by 36.1% for Huajun-2 and 30.3% for Hanlv maximally （P<0.05）. The contents of available Cd in vermiculite treated soils declined significantly， with reductions of 4.8%-17.7% and 5.9%-25.0% in soils grown with Huajun-2 and Hanlv （P<0.05）. In vermiculite treated soils grown
with Huajun-2 and Hanlv， the activities of urease increased by 23.7% and 30.2% maximally， and the activities of superoxide dismutase （SOD） in leaves increased by 17.1%-50.4% and 168%-54.0% （P<0.05）. In a conclusion， 2.0% vermiculite application combined with Huajun-2 planting made the content of Cd in shoot for rape lower than national standard of 0.20 mg/kg， realizing the safety production of rape grown in heavy metal polluted vegetable fields.
Key wordsVermiculite;Cadmium pollution;Vegetable field;Soil;Remediation
随着我国经济的快速发展和城镇人口数量的大幅增加，城郊农业在农业生产全局中的地位日益凸显。

2020年，蔬菜种植面积超2 000万hm2，总产量超7亿t，其中，山东省、河南省和江苏省位列前三。

全国范围看，约20%的菜地土壤镉含量超过环境质量二级标准（GBⅡ15618—1995）限量值（060 mg/kg）。

镉是土壤中移动性和生物毒性最大的重金属元素，易被农作物根系吸收而在体内可食部位累积超标，最终造成人体镉暴露的潜在风险[1-3]。

污染农田修复技术包括植物提取、客土法、微生物修复等，然而，因其修复成本高、治理效率低、对环境有害，在大田修复示范推广中受到不同程度的限制[4]。

化学钝化修复技术因低成本、易操作和高效率而受到广泛关注。

其中，黏土类矿物在自然中储量丰富，是一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物，其结构层带负电、比表面积和阳离子交换量较大，是理想的土壤重金属阳离子钝化剂[5-11]。

然而，重金属污染菜地农艺措施（如作物品种筛选）联合黏土类矿物施加的修复报道较少，如何发挥农艺措施对化学修复的协同强化作用、提高化学修复的效率是该研究关注的重点。

作为我国餐桌蔬菜消费的主角，与根茎和豆科类相比，叶菜对镉的吸收能力较强。

笔者在盆栽不同油菜品种种植试验条件下，研究黏土类矿物蛭石施用对土壤有效镉含量、油菜生物量和油菜体内不同部位镉含量，以及对土壤指示酶活性、油菜叶片抗氧化酶活性的影响，为镉污染菜地修复提供参考。

1材料与方法
1.1供试材料
黏土类矿物蛭石购于河北省，用作土壤镉的钝化剂。

蛭石形成过程中，Al3+在晶体结构四面体位置取代Si4+，Mg2+和Fe2+在八面体位置取代Al3+，其氧化物组成为SiO2、Al2O3、MgO和FeO[12]。

蛭石的pH和阳离子交换量（CEC）分别为9.03和421.8 mmol/kg，具体分析方法参照文献[13]执行。

蛭石对镉的钝化主要通过结构表面的负电荷离子与Cd2+的静电吸附反应和Al/Si-O与Cd2+的内络合物形成反应来实现[14]。

供试土壤采自山西省城郊菜地，土壤污染主要由农药化肥施用和城镇废水灌溉引起。

菜地土壤总镉含量为1.83 mg/kg，高于土壤环境质量三级标准（GB Ⅲ 15618—1995）限量值（1.00 mg/kg）。

供试土壤pH和CEC分别为722和122.1 mmol/kg。

供试作物油菜（Brassica campestris L.）华骏2号和寒绿属于叶菜类蔬菜，当地气候条件下的平均生育期为60 d。

1.2试验设计
盆栽试验随机区组排列，供试土壤风干后过2 mm筛后装入塑料盆中（高15 cm，直径20 cm），每盆装土1.5 kg。

2021年4月，蛭石与盆内土壤混合均匀，蛭石施用剂量设0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 6个水平，田间持水量下稳定30 d。

2021年5月，经消毒、浸泡处理的油菜种子播种于盆内，待幼苗4片真叶时每盆间苗2株。

2021年7月收获植物，65 ℃烘箱内烘至恒重备用。

植物样品用不锈钢研钵粉碎，土样过2 mm筛后进行化学提取态镉的分析，土样过0.15 mm筛后进行全镉的测定。

1.3分析方法
土壤、植物样品全镉含量分别采用HNO3-HClO4和HNO3消解、原子吸收分光光度计（AA6880，日本岛津）测定。

土样有效态镉含量采用0.025 mol/L HCl提取法测定，即5.0 g
土样加25 mL提取剂，振荡1 h后离心取上清液待测。

植物收获后采集新鲜土样用于土壤酶活性测定。

脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法测定[15]。

0.5 g新鲜植物叶片冰镇条件下磷酸缓冲液粉碎处理、4 ℃离心处理后获得上清液，作为抗氧化酶待测原液。

超氧化物歧化酶（SOD）活性以抑制NBT光化学还原能力来计算，过氧化物酶（POD）活性以470 nm波长下吸光度的增加来评价[16]。

1.4统计分析
所有处理重复3次，数据均值和标准差采用Microsoft Office Excel 2010计算，采用SAS 9.1进行方差分析。

同一品种各指標差异显著性采用LSD（least significant difference）检验进行多重比较分析，品种间各指标差异显著性采用t检验分析（P<0.05）。

2结果与分析
2.1土壤有效镉含量
从表1可看出，土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿种植下的土壤有效镉含量无显著差异，有效态镉含量占总镉含量的比例约30.0%，远低于酸性土壤中近50%的可提取镉比例[8，
10]。

华骏2号种植下，蛭石施用可降低有效镉4.8%～17.7%（P<0.05）。

土壤钝化处理后，寒绿种植下的土壤有效镉降低了5.9%～25.0%（P<0.05）。

2.2植物生物量
由表2可知，土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿地上部生物量无统计学意义差异。

施加0.5%～15%蛭石下，华骏2号、寒绿地上部生物量分别增加了148%～33.3%和20.8%～45.8%（P<0.05）。

施用量超过20%时，地上部生物量受到抑制。

显然，适量的蛭石施用促进了油菜地上部生长，镉对植株生长的氧化胁迫效应下降。

土壤钝化处理后，华骏2号、寒绿根系生物量最大增幅分别为83.3%和100.0%（P<0.05），根系生物量的增幅远高于地上部。

蛭石处理土壤镉的生物有效性显著下降，减轻了镉对油菜生长的毒害，生物量大幅增加。

Key wordsVermiculite;Cadmium pollution;Vegetable field;Soil;Remediation
隨着我国经济的快速发展和城镇人口数量的大幅增加，城郊农业在农业生产全局中的地位日益凸显。

2020年，蔬菜种植面积超2 000万hm2，总产量超7亿t，其中，山东省、河南省和江苏省位列前三。

全国范围看，约20%的菜地土壤镉含量超过环境质量二级标准（GBⅡ15618—1995）限量值（060 mg/kg）。

镉是土壤中移动性和生物毒性最大的重金属元素，易被农作物根系吸收而在体内可食部位累积超标，最终造成人体镉暴露的潜在风险[1-3]。

污染农田修复技术包括植物提取、客土法、微生物修复等，然而，因其修复成本高、治理效率低、对环境有害，在大田修复示范推广中受到不同程度的限制[4]。

化学钝化修复技术因低成本、易操作和高效率而受到广泛关注。

其中，黏土类矿物在自然中储量丰富，是一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物，其结构层带负电、比表面积和阳离子交换量较大，是理想的土壤重金属阳离子钝化剂[5-11]。

然而，重金属污染菜地农艺措施（如作物品种筛选）联合黏土类矿物施加的修复报道较少，如何发挥农艺措施对化学修复的协同强化作用、提高化学修复的效率是该研究关注的重点。

作为我国餐桌蔬菜消费的主角，与根茎和豆科类相比，叶菜对镉的吸收能力较强。

笔者在盆栽不同油菜品种种植试验条件下，研究黏土类矿物蛭石施用对土壤有效镉含量、油菜生物量和油菜体内不同部位镉含量，以及对土壤指示酶活性、油菜叶片抗氧化酶活性的影响，为镉污染菜地修复提供参考。

1材料与方法
1.1供试材料
黏土类矿物蛭石购于河北省，用作土壤镉的钝化剂。

蛭石形成过程中，Al3+在晶体结构四面体位置取代Si4+，Mg2+和Fe2+在八面体位置取代Al3+，其氧化物组成为SiO2、Al2O3、
MgO和FeO[12]。

蛭石的pH和阳离子交换量（CEC）分别为9.03和421.8 mmol/kg，具体分析方法参照文献[13]执行。

蛭石对镉的钝化主要通过结构表面的负电荷离子与Cd2+的静电吸附反应和Al/Si-O与Cd2+的内络合物形成反应来实现[14]。

供试土壤采自山西省城郊菜地，土壤污染主要由农药化肥施用和城镇废水灌溉引起。

菜地土壤总镉含量为1.83 mg/kg，高于土壤环境质量三级标准（GB Ⅲ 15618—1995）限量值（1.00 mg/kg）。

供试土壤pH和CEC分别为722和122.1 mmol/kg。

供试作物油菜（Brassica campestris L.）华骏2号和寒绿属于叶菜类蔬菜，当地气候条件下的平均生育期为60 d。

1.2试验设计
盆栽试验随机区组排列，供试土壤风干后过2 mm筛后装入塑料盆中（高15 cm，直径20 cm），每盆装土1.5 kg。

2021年4月，蛭石与盆内土壤混合均匀，蛭石施用剂量设0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 6个水平，田间持水量下稳定30 d。

2021年5月，经消毒、浸泡处理的油菜种子播种于盆内，待幼苗4片真叶时每盆间苗2株。

2021年7月收获植物，65 ℃烘箱内烘至恒重备用。

植物样品用不锈钢研钵粉碎，土样过2 mm筛后进行化学提取态镉的分析，土样过0.15 mm筛后进行全镉的测定。

1.3分析方法
土壤、植物样品全镉含量分别采用HNO3-HClO4和HNO3消解、原子吸收分光光度计（AA6880，日本岛津）测定。

土样有效态镉含量采用0.025 mol/L HCl提取法测定，即5.0 g
土样加25 mL提取剂，振荡1 h后离心取上清液待测。

植物收获后采集新鲜土样用于土壤酶活性测定。

脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法测定[15]。

0.5 g新鲜植物叶片冰镇条件下磷酸缓冲液粉碎处理、4 ℃离心处理后获得上清液，作为抗氧化酶待测原液。

超氧化物歧化酶（SOD）活性以抑制NBT光化学还原能力来计算，过氧化物酶（POD）活性以470 nm波长下吸光度的增加来评价[16]。

1.4统计分析
所有处理重复3次，数据均值和标准差采用Microsoft Office Excel 2010计算，采用SAS 9.1进行方差分析。

同一品种各指标差异显著性采用LSD（least significant difference）检验进行多重比较分析，品种间各指标差异显著性采用t检验分析（P<0.05）。

2结果与分析
2.1土壤有效镉含量
从表1可看出，土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿种植下的土壤有效镉含量无显著差异，有效态镉含量占总镉含量的比例约30.0%，远低于酸性土壤中近50%的可提取镉比例[8，10]。

华骏2号种植下，蛭石施用可降低有效镉4.8%～17.7%（P<0.05）。

土壤钝化处理后，寒绿种植下的土壤有效镉降低了5.9%～25.0%（P<0.05）。

2.2植物生物量
由表2可知，土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿地上部生物量无统计学意义差异。

施加0.5%～15%蛭石下，华骏2号、寒绿地上部生物量分别增加了148%～33.3%和20.8%～45.8%（P<0.05）。

施用量超过20%时，地上部生物量受到抑制。

显然，适量的蛭石施用促进了油菜地上部生长，镉对植株生长的氧化胁迫效应下降。

土壤钝化处理后，华骏2号、寒绿根系生物量最大增幅分别为83.3%和100.0%（P<0.05），根系生物量的增幅远高于地上部。

蛭石处理土壤镉的生物有效性显著下降，减轻了镉对油菜生长的毒害，生物量大幅增加。

Key wordsVermiculite;Cadmium pollution;Vegetable field;Soil;Remediation
随着我国经济的快速发展和城镇人口数量的大幅增加，城郊农业在农业生产全局中的地位日益凸显。

2020年，蔬菜种植面积超2 000万hm2，总产量超7亿t，其中，山东省、河南省和江苏省位列前三。

全国范围看，约20%的菜地土壤镉含量超过环境质量二级标准（GBⅡ15618—1995）限量值（060 mg/kg）。

镉是土壤中移动性和生物毒性最大的重金属元素，易被农作物根系吸收而在体内可食部位累积超标，最终造成人体镉暴露的潜在风险[1-3]。

污染农田修复技术包括植物提取、客土法、微生物修复等，然而，因其修复成本高、治理效率低、对环境有害，在大田修复示范推广中受到不同程度的限制[4]。

化学钝化修复技术因低成本、易操作和高效率而受到广泛关注。

其中，黏土类矿物在自然中储量丰富，是一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物，其结构层带负电、比表面积和阳离子交换量较大，是理想的土壤重金属阳离子钝化剂[5-11]。

然而，重金属污染菜地农艺措施（如作物品种筛选）联合黏土类矿物施加的修复报道较少，如何发挥农艺措施对化学修复的协同强化作用、提高化学修复的效率是该研究关注的重点。

作为我国餐桌蔬菜消费的主角，与根茎和豆科类相比，叶菜对镉的吸收能力较强。

笔者在盆栽不同油菜品种种植试验条件下，研究黏土类矿物蛭石施用对土壤有效镉含量、油菜生物量和油菜体内不同部位镉含量，以及对土壤指示酶活性、油菜叶片抗氧化酶活性的影响，为镉污染菜地修复提供参考。

1材料与方法
1.1供试材料
黏土类矿物蛭石购于河北省，用作土壤镉的钝化剂。

蛭石形成过程中，Al3+在晶体结构四面体位置取代Si4+，Mg2+和Fe2+在八面体位置取代Al3+，其氧化物组成为SiO2、Al2O3、MgO和FeO[12]。

蛭石的pH和阳离子交换量（CEC）分别为9.03和421.8 mmol/kg，具体分析方法参照文献[13]执行。

蛭石对镉的钝化主要通过结构表面的负电荷离子与Cd2+的静电吸附反应和Al/Si-O与Cd2+的内络合物形成反应来实现[14]。

供试土壤采自山西省城郊菜地，土壤污染主要由农药化肥施用和城镇废水灌溉引起。

菜地土壤总镉含量为1.83 mg/kg，高于土壤环境质量三级标准（GB Ⅲ 15618—1995）限量值（1.00 mg/kg）。

供試土壤pH和CEC分别为722和122.1 mmol/kg。

供试作物油菜（Brassica campestris L.）华骏2号和寒绿属于叶菜类蔬菜，当地气候条件下的平均生育期为60 d。

1.2试验设计
盆栽试验随机区组排列，供试土壤风干后过2 mm筛后装入塑料盆中（高15 cm，直径20 cm），每盆装土1.5 kg。

2021年4月，蛭石与盆内土壤混合均匀，蛭石施用剂量设0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 6个水平，田间持水量下稳定30 d。

2021年5月，经消毒、浸泡处理的油菜种子播种于盆内，待幼苗4片真叶时每盆间苗2株。

2021年7月收获植物，65 ℃烘箱内烘至恒重备用。

植物样品用不锈钢研钵粉碎，土样过2 mm筛后进行化学提取态镉的分析，土样过0.15 mm筛后进行全镉的测定。

1.3分析方法
土壤、植物样品全镉含量分别采用HNO3-HClO4和HNO3消解、原子吸收分光光度计（AA6880，日本岛津）测定。

土样有效态镉含量采用0.025 mol/L HCl提取法测定，即5.0 g
土样加25 mL提取剂，振荡1 h后离心取上清液待测。

植物收获后采集新鲜土样用于土壤酶活性测定。

脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法测定[15]。

0.5 g新鲜植物叶片冰镇条件下磷酸缓冲液粉碎处理、4 ℃离心处理后获得上清液，作为抗氧化酶待测原液。

超氧化物歧化酶（SOD）活性以抑制NBT光化学还原能力来计算，过氧化物酶（POD）活性以470 nm波长下吸光度的增加来评价[16]。

1.4统计分析
所有处理重复3次，数据均值和标准差采用Microsoft Office Excel 2010计算，采用SAS 9.1进行方差分析。

同一品种各指标差异显著性采用LSD（least significant difference）检验进行多重比较分析，品种间各指标差异显著性采用t检验分析（P<0.05）。

2结果与分析
2.1土壤有效镉含量
从表1可看出，土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿种植下的土壤有效镉含量无显著差异，有效态镉含量占总镉含量的比例约30.0%，远低于酸性土壤中近50%的可提取镉比例[8，10]。

华骏2号种植下，蛭石施用可降低有效镉4.8%～17.7%（P<0.05）。

土壤钝化处理后，寒绿种植下的土壤有效镉降低了5.9%～25.0%（P<0.05）。

2.2植物生物量
由表2可知，土壤未施加蛭石下，华骏2号、寒绿地上部生物量无统计学意义差异。

施加0.5%～15%蛭石下，华骏2号、寒绿地上部生物量分别增加了148%～33.3%和20.8%～45.8%（P<0.05）。

施用量超过20%时，地上部生物量受到抑制。

显然，适量的蛭石施用促进了油菜地上部生长，镉对植株生长的氧化胁迫效应下降。

土壤钝化处理后，华骏2号、寒绿根系生物量最大增幅分别为83.3%和100.0%（P<0.05），根系生物量的增幅远高于地上部。

蛭石处理土壤镉的生物有效性显著下降，减轻了镉对油菜生长的毒害，生物量大幅增加。