土壤有机质对镉污染土壤修复的影响_宋波

第46卷第4期土壤通报Vol . 46 , No . 4 2015 年 8 月Chinese Journal of Soil Science Aug . , 2015

土壤有机质对镉污染土壤修复的影响

宋波1，2，曾炜铨 1

（1. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541004；2. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541004）

摘要：镉是生物非必需具生物毒性元素，有机质作为修复镉污染土壤的重要改良剂之一而备受关注。土壤有机质通过对土壤理化性质、对镉的吸附-解析、络合作用、生物有效性作用影响镉污染土壤修复效果。主要阐述了土壤有机质对镉污染土壤修复的影响作用机制，探讨了有机质的适用条件、影响因子，分析了工程应用过程存在的问题，以期为重金属污染土壤修复技术研究提供新的思路。

关键词：有机质；镉；修复；吸附

中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：0564- 3945(2015)01- 1018- 07

宋波，曾炜铨.土壤有机质对镉污染土壤修复的影响[J].土壤通报，2015，46（4）：1018- 1024SONG Bo, ZENG Wei- quan.

Effects of Organic Matter on the Remediation of Cadmium- Contaminated Soil- A Review[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(4): 1018- 1024

在1980年中国农业环境报告中，我国镉污染农田面积达到9333 hm2，超过10000 hm2土壤中镉含量范围为 1 ~ 10 mg kg- 1，远远超过了国家土壤环境二级质量标准限定值0.3 mg kg- 1[1, 2]。镉是一种有毒痕量元素[3]，在联合国环境规划署和美国国家环境保护局（OEPA）优先污染物名单排名中分别列为首位、第六位[4, 5]。镉在土壤中蓄积性强、迁移能力强[6]，能影响深层土壤。土壤镉污染主要来源于矿业冶炼、工业废水及废弃物排放、含镉电镀材料与颜料的生产和使用。土壤镉进入人体的途径主要有三种方式[7]：（1）食物摄入；（2）皮

肤接触；（3）吸入大气中含镉颗粒，而土壤镉主要通过食物摄入威胁人体健康[8]。镉在人体中的半衰期长达20~40 年，可引发“骨痛病”和肾损害等症状，联合国粮农组织和世界卫生组织（FAO/WHO）建议正常成人每天摄镉量为59 ~ 71μg[9]。可见土壤镉污染问题极为严重，一旦土壤出现累积镉趋势，势必影响土壤微生物新陈代谢机制[10]，毒害农作物的生长，潜在威胁人体健康。随着城乡居民对生活健康质量安全性问题的理解

日益增强，对土壤质量安全问题更加重视。因此，如何修复镉污染土壤及其影响因子等问题备受国内外学者们的关注[11~13]。

重金属污染土壤的处置是一项耗资巨大而又艰巨的任务，为提高重金属污染土壤的修复效果，使用范围较为广泛的土壤改良剂主要包括有机类、无机类等材料[14~16]，其中，因有机质与土壤镉存在一定相关关系，对镉的亲电性较强[17, 18]，能够定量地测定土壤镉含量，又对镉污染土壤修复影响效果最佳及经济高效等优点而备受广泛关注与应用。目前能够系统介绍有机质对镉污染土壤的影响机理及其适用条件、影响因子的文献较少，鉴于此，本文通过相关文献整理、工作经验等途径系统地概述了有机质对镉污染土壤的影响机理、影响因子，评述了有机质在实际应用中存在的问题及展望。

1 土壤有机质的来源及组分

土壤有机质泛指土壤中主要来源于生命的物质，包括腐殖质、生物碳、可溶性碳和可氧化碳等。不同有

机质来源类型对镉在土壤中的生物有效性影响存在差异，按其来源可分为外源有机质与内源有机质两类：外源有机质主要指通过施肥、堆肥等方式获取的含有较多有机质的有机物料（如猪、鸡粪等粪便或稻草等植物残体）；内源有机质主要是来自于土壤里微生物新陈代谢产物或动植物残体的腐化分泌物等，主要分泌产物为胡敏酸、胡敏素等。不同来源的有机质对镉的吸附-

解析等作用影响各不相同，本文分别以表1中罗列的有机质来源作为关键词通过中国知网、Science direct 等数据库检索出国内外具有影响镉污染土壤修复作用的有机质及其应用方面的文献，大多数含有机质的材料都能显著地提高农作物的产量，降低镉在土壤中的生物有效性和可迁移性，而污泥、水稻等秸秆等含有机质材料可能是由于其对土壤镉的络合作用，促进了土

收稿日期：2014- 12- 14；修订日期：2015- 2- 11

基金项目：国家自然科学基金（41161056）、广西“八桂学者”建设工程专项经费和广西自然科学基金重大项目（2013GXNSFEA053002）资助

4 期 宋 波等：土壤有机质对镉污染土壤修复的影响

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壤对镉的解析能力，导致土壤镉的淋出。土壤有机质组

分对重金属修复效果影响密切， 目前报道较多的土壤有机质主要是溶解性有机质（ dissolved organic matter, DOM ） 和颗粒态有机质 （ particulate organic matter,

POM ）。 溶解性有机质是最为活跃部分， 包括水溶、酸

溶、 碱溶等可溶解有机质， 能直接作用于土壤理化性质，影响重金属在土壤中的吸附 - 解析、螯合和络合等作用；颗粒态有机质主要为粒径较小（ < 150 μm ） 的

颗粒态有机质，能增加土壤对重金属的吸附，降低重金

属在土壤中的淋失风险。

表 1 国内外土壤有机质对镉污染土壤的影响效果

Table 1 Effects of organic matter on the remediation of cadmium- contaminated soil worldwide

国内外土壤有机质在镉污染土壤中的应用

有机质来源

试验 评价方法

修复效果

、

Applications of organic matter on the remedia-

Source of organic matter

Methods

Effects of remediation

tion of cadmium- contaminated soil worldwide

土壤

吸附 - 解析试验

降低水溶性态镉含量

出处

土壤

国内 国外

腐植酸

盆栽试验

降低糙米含镉量

腐植酸

污泥 盆栽试验 热力学平衡 增加镉含量

、

污泥

有机物料 盆栽试验 、 热力学平衡 增加作物产量 降低镉含量 有机物料

，

水稻 、 小麦等秸秆 淹水培养 、 室内培养 促进镉溶出 增加可提取态 醋酸铵和 DTPA ） 水稻等秸秆

， （ 生物炭

盆栽试验 、 热力学平衡 增强土壤对镉的固持能力 降低有效镉含量

生物炭

，

泥炭 盆栽试验 增加作物产量 降低镉含量

泥炭

，

猪粪

堆肥 室内培养 盆栽试验 降低水溶性态镉含量

猪粪

、 、

升高土壤 pH ，显著降低有效态镉含量，提高

鸡粪

定位试验、盆栽试验

鸡粪

作物产量

0 10 20 30 40

数量 篇

（ ）

2 土壤有机质对镉污染土壤修复影响机

制

有机质与镉存在强烈的空间集群特征[19]

，能与镉通过离子交换、吸附、螯合、絮凝、沉淀等一系列反应，

形成难溶的絮凝态物质， 对镉污染土壤修复影响机制可分为环境化学机制和生理生化机制两种。 前者主要是有机质通过改变土壤负电荷量、pH 值等土壤理化性质，以提高土壤对镉的吸附作用，降低土壤对镉的解析能力，使镉被吸附到土壤内部或表面，增强土壤对镉的固持能力；后者是土壤有机质络合土壤镉离子，或直接吸附土壤镉离子，形成稳定的金属螯合物，降低镉在土

壤中的生物有效性和可迁移性， 达到固定土壤镉的目的。其中，有机质对镉污染土壤修复的影响机制主要包括其对土壤理化性质、 对镉在土壤中稳定化与生物有效性等方面的影响。

2.1 土壤有机质对土壤理化性质的影响

土 壤有机质通过改变土壤 pH 和 Eh ， 促进有机

碳、CEC 含量变化来改变土壤性质[20]

，改善土壤吸收性能，影响重金属的沉淀 - 溶解平衡

[21]

。 对于长期施用有

机物料的土壤，重金属会向深层土壤迁移，这与土壤中有机质的溶解性和可迁移性密切相关， 土壤有机质除对土壤镉具有抑制作用外，还具有“ 激活”效应，这是导致土壤有效态镉含量大幅提高的主要机制。 相关研究表明，向土壤中添加含有机质材料后，通过降低根围土

壤 pH ，形成可溶性含镉有机螯合物，并被东南景天[22, 23]

吸收。

2.2 土壤有机质对镉稳定化过程的影响

2.2.1 土壤有机质对镉的络合作用的影响 土壤有机质积能

使镉从活性较高向活性较低的赋存形态转变，降低土壤镉的离子交换态和氧化结合态，增加镉的

有机质结合态。 这是因为土壤有机质中含有大量的羧

基、羟基、羰基等官能团，作为镉的载体与镉离子发生络合、配位反应，形成稳定的含镉有机螯合物，促进了镉在土壤中的生物有效性和可迁移性。机碳源、菜籽饼和猪粪等有机物料的施用能够提高土壤中 DTPA- Cd

浓度， 与水稻地上部生物量和重金属积累总量呈显著

负相关[24]

。

2.2.2 土壤有机质对镉的吸附 - 解析作用的影响有机质是

影响土壤吸附外源镉的重要影响因子之一[25]

，

相关文献表明， 土壤有机质决定土壤对镉吸附速率及吸附量，与土壤对镉的吸附率、土壤镉含量存在正相关

关系[17, 26]

，能和重金属离子产生不同类型的反应[27, 28]

。

有机质质量分数越大，对镉的吸附效果越好[29]

，相关研

究表明不同类型土壤对镉离子的吸附能力大小为乌栅

土 > 黄泥土 >> 红壤，与有机质含量大小基本一致[30]

，在添加同一种 DOM 的前提下，DOM 对 Cd 吸附的抑制作用均为赤红壤 > 水稻土 > 褐土

[31]

，而在去除土壤有机质

后，土壤对镉的吸附率均降低[32, 33]

，对镉的吸附

行为具有明显的抑制作用， 这是因为有机质能通过提