随着现代社会工业化进程的加快，土壤重金属污 染问题已逐渐成为环境污染的突出问题，受到社会的 广泛关注。钝化修复是指向土壤中施用钝化剂，通过 钝化剂与土壤重金属发生络合、沉淀、吸附、离子交换 以及氧化还原反应，以减少重金属的迁移性和生物有 效性，达到修复目的^[1]。常用的钝化剂包括石灰性物 质、有机肥、炭材料、粘土矿物、含磷材料和农业废弃 物等^[2]。已有的研究表明生物有机肥和生物炭可以提 高土壤肥力，促进作物生长并降低土壤重金属的生物 有效性，减少有机和无机污染物的生态风险，可以作 为土壤重金属污染修复的材料^{[3, 4]}。

本研究选取生物有机肥和生物炭这2 种钝化剂 在安徽省某矿区Cd 和Pb 复合污染的水稻田开展田 间小区试验，研究钝化剂对土壤养分、土壤有效态重 金属含量以及水稻重金属含量的影响，以筛选出有效 的土壤重金属污染的修复措施。 1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2013 年5月在安徽省某矿区周边水稻田进行。供试土壤总Cd含量为2.03 mg·kg^-1，有效态Cd 含量为1.68 mg·kg^-1；土壤总Pb含量为168.21 mg·kg^-1， 有效态Pb 含量为127.16 mg·kg^-1。供试土壤的基本理 化性质见表 1。

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physicochemical characteristics of the studied soil

表选项

供试化肥为尿素（N46%）、磷酸氢二铵（P₂O₅ 45%， N 17%）和氯化钾（K₂O 60%），均从当地市场购买；生 物有机肥为北京世纪阿姆斯生物技术股份有限公司 生产，主要菌种为枯草芽孢杆菌，活菌数为3.26亿·g^-1， 有机质含量为53.8%；生物炭购自河南省商丘三利新 能源有限公司，有机碳含量为460 g·kg^-1。

供试水稻品种为Y 两优1 号，从当地市场购买。 1.2 试验处理

以生物有机肥和生物炭为钝化剂进行种植水稻 的田间小区试验，试验设置3个处理：

（1）空白对照处理：CK，不施用钝化剂；

（2）生物有机肥处理：SWYJ，每667 m²施用生物 有机肥100 kg；

（3）生物炭处理：SWT，每667 m²施用生物炭150 kg。

按照田间试验要求布置小区试验，每个处理设置 3 次重复，共计9 个小区，按随机区组排列，每个小区 面积为24 m²，且各小区之间田埂用塑料薄膜隔开，防 止生育期内串水。

小区试验于2013年6 月16日施基肥和钝化剂， 对照处理和生物炭处理小区基肥用量为尿素0.37 kg， 磷酸二铵0.48 kg，氯化钾0.27 kg；生物有机肥处理小 区基肥用量为尿素0.24 kg，磷酸二铵0.40 kg，氯化钾 0.21 kg。小区水稻于2013 年6 月30 日移栽，7 月上 旬分蘖肥追施尿素0.23 kg，8 月上旬孕穗肥追施尿素 0.31 kg、氯化钾0.27 kg。10月12 号水稻收获，其他按 当地水稻高产优质栽培措施进行。 1.3 样品采集与处理

2013 年10 月9 日采取成熟期的水稻和土壤样 品，每小区采集1 个样品。

采集的土样及时放于晾土架上自然风干，研磨后 过10 目、60 目筛分别储存，用于检测土样中有效态 Cd和Pb 含量、pH值和有机质含量等指标。

采集的水稻样品用自来水清洗，并用超纯水润 洗，分糙米、茎和叶于80 ℃烘箱内烘干，然后研磨测 定其Cd 和Pb含量。 1.4 分析方法

土壤有效态Cd 和Pb 的测定采用0.005 mol·L^-1 DTPA-0.1 mol·L^-1 TEA-0.001 mol·L^-1 CaCl2 浸提，原 子吸收分光光度计火焰法测定；水稻糙米、茎和叶片 采用硝酸消解，使用原子吸收分光光度计石墨炉法进 行水稻Cd 和Pb 的测定；土壤常规指标的测定按照 国标方法和《土壤农化分析》进行^[5]。 1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007 进行论文数据的处理， 并采用SPSS19统计分析软件单因素ANOVA和Ducan 多重比较进行各处理之间的差异显著性分析，以及 SPSS 19 统计分析软件Pearson 法进行指标间的相关 性分析。 2 结果与分析 2.1 钝化剂对土壤pH值的影响

通过对采集土样的pH 值进行测定，得出不同钝 化剂处理下土壤pH值变化如图 1 所示。

图 1 不同钝化剂处理土壤pH 值的变化 Figure 1 Variation of soil pH under different immobilization treatments

图选项

从图 1 可以看出，相对于对照处理，生物有机肥 和生物炭处理均可以提高土壤pH 值，其中生物有机 肥处理较空白处理达到显著性差异（P<0.05），土壤 pH 值由4.98 提升到5.22，生物炭处理较空白处理土 壤pH值提高了0.13个单位，但并未达到显著性差异 （P >0.05）。pH值是影响土壤重金属污染钝化修复效 果的一个重要因素，在酸性土壤上，土壤pH 值的提 高能增加土壤对重金属的固定，从而降低其生物有 效性^[6]。 2.2 钝化剂对土壤养分的影响

通过对成熟期土壤养分指标的测定表明，施用生 物炭和生物有机肥这两种钝化剂可以明显提高土壤 有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量（表 2）。

表 2 不同钝化剂处理土壤养分变化 Table 2 Variation of amount of soil nutrients under different immobilization treatments

表选项

由表 2 可知，相对于对照处理，生物有机肥处理 土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别提高 了1.41%、14.90%、18.08%和30.96%，其中土壤碱解 氮和速效钾含量提高显著（P<0.05）；生物炭处理土壤 有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别提高了 8.39%、7.54%、10.26%和10.51%，其中土壤有机质和 碱解氮含量提高显著（P<0.05）。可以看出生物有机肥 和生物炭可以提高土壤养分，改善土壤肥力状况。而 土壤养分特别是土壤有机质对土壤中重金属的活性 有很大影响，因为土壤腐殖质含有的一些功能型基团 对重金属离子有很强的络合和富集能力，这对土壤中 重金属离子的固定和迁移有极其重要的影响^[7]。 2.3 钝化剂对土壤有效态Cd和Pb 含量的影响

通过对成熟期土样进行有效态Cd 和Pb 进行测 定，得出钝化剂对土壤有效态重金属含量影响如图 2 和图 3所示。

图 2 不同钝化剂处理土壤有效态Cd 含量的变化 Figure 2 Variation of amount of soil available Cd under different immobilization treatments

图选项

图 3 不同钝化剂处理土壤有效态Pb 含量的变化 Figure 3 Variation of amount of soil available Pb under different immobilization treatments

图选项

从图 2~图 3 中可以看出，生物有机肥和生物炭 两种处理均可以降低土壤有效态Cd 和Pb 的含量，且较对照处理均达到显著性差异（P<0.05）。相对于对 照处理，生物有机肥处理可使土壤有效态Cd 和Pb 分别降低17.36%和18.45%，而生物炭处理土壤有效 态Cd 和Pb 降幅分别为13.03%和16.90%。这说明可 以通过施用生物有机肥和生物炭降低土壤Cd 和Pb 的生物有效性，增强土壤对Cd 和Pb 的吸附固定^{[8, 9, 10]}。 这与侯艳伟等^[11]和孙文博等^[12]的研究成果一致。 2.4 钝化剂对水稻糙米产量的影响

对各小区收割的水稻糙米进行单独称重，得出不 同钝化剂处理对水稻糙米产量的影响如图 4所示。

图 4 不同钝化剂处理对水稻糙米产量的影响 Figure 4 Variation of grain rice yield under different immobilization treatments

图选项

从图 4 可以看出，生物有机肥和生物炭处理均可 以在一定程度上提高水稻糙米的产量，换算成每公顷 的产量为6 389 kg·hm^-2和6 459 kg·hm^-2，相对于对照 处理分别提高了6.98%和8.15%。王显等^[13]研究不同 生物有机肥对水稻产量和构成因子的影响，结果表明 几种生物有机肥均可使水稻增产，且增产幅度为 4.74%~13.62%，这与本研究的结果相似。但从图 4 中 还可以看出，3 个处理之间并未达到显著性差异（P > 0.05），即生物有机肥和生物炭增产作用不显著，这可 能与土壤类型、生物有机肥和生物炭种类有关。 2.5 钝化剂对水稻Cd和Pb含量的影响

通过对成熟期水稻糙米、茎秆和叶片的Cd 和Pb 进行测定，得出不同钝化剂处理下水稻重金属含量变 化如表 3 所示。

表 3 不同钝化剂处理水稻重金属含量变化 Table 3 Variation of amount of heavy metal concentrations in rice under different immobilization treatments

表选项

由表 3 可以看出，相对于对照处理，生物有机肥 处理可以降低水稻Cd 含量，水稻糙米、茎秆和叶片 Cd 含量分别降低了22.00%、3.83%和1.88%，其中水 稻糙米Cd 含量与对照处理相比差异显著（P<0.05）， 水稻茎秆和叶片Cd 含量降幅很小，与对照处理差异 不显著（P>0.05）；生物炭处理也可以明显降低水稻Cd 的含量，水稻糙米、茎秆和叶片Cd 含量分别降低了 18.34%、5.95%和10.16%，其中水稻糙米Cd 含量相 对于对照处理达到了显著性差异（P<0.05），水稻茎秆 和叶片Cd含量差异不显著（P>0.05）。

钝化剂对水稻Pb 的影响与Cd 类似，即生物有 机肥和生物炭处理均可以降低水稻Pb 含量。但是除 了生物有机肥处理糙米Pb 含量与对照处理差异显著 以外（P<0.05），其余均没有达到显著性差异（P<0.05）。 生物有机肥处理水稻糙米、茎秆和叶片Pb含量分别 降低了33.46%、4.83%和14.04%；生物炭处理水稻糙 米、茎秆和叶片Pb 含量降幅分别为12.31%、8.82%和 5.60%。

综上可以看出生物有机肥和生物炭均可以降低 水稻Cd 和Pb 的含量，而生物有机肥和生物炭处理 并没有显著提高水稻糙米产量，因此，生物有机肥和 生物炭处理可能主要是通过提高土壤pH 值、降低土 壤Cd 和Pb 的生物有效性和迁移能力、以及其富含 的有机质增强土壤对Cd 和Pb 的吸附固定等方式， 降低水稻对重金属的吸收，从而降低水稻体内重金属 的含量，尤其是降低水稻糙米重金属的含量。 2.6 土壤pH值、土壤有效态重金属含量与水稻糙米重金属含量相关性的研究

对土壤pH 值、土壤有效态Cd 和Pb 含量与水稻 糙米Cd和Pb含量进行相关性分析，结果如表 4所示。

表 4 土壤pH 值、土壤有效态重金属含量与水稻糙米重金属含量的相关性 Table 4 Correlation among soil pH,soil available heavy metal concentrations and concentrations of heavy metal in brown rice

表选项

从表 4 可以看出，土壤有效态Cd 和Pb 的含量 与土壤pH值呈极显著的负相关（P<0.01）。施用生物 有机肥和生物炭钝化剂可以提高土壤pH 值，降低土 壤重金属的活性和生物有效性，这与黄霭霞等^[14]采用 盆栽试验研究赤泥对重金属污染红壤修复效果得出 的结果一致。

从表 4还可以看出，水稻糙米Cd和Pb 含量与土 壤有效态Cd 和Pb 的含量呈显著的正相关（P<0.05）， 水稻糙米Cd 和Pb 的含量与土壤pH 值之间存在一 定的相关性，但并不显著（P>0.05）。朱奇宏等^[15]研究 改良剂对Cd 污染酸性水稻土的修复研究中也发现 水稻地上各部分Cd 含量与土壤有效态Cd 含量存在 显著正相关，这和本文的研究结果一致。 3 讨论

生物有机肥是指特定功能微生物与有机物料复 合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料， 不仅含有较高的有机质，还含有大量的有益微生物， 对重金属离子有很强的吸附和螯合作用，减少作物对 重金属的吸收，因此施用生物有机肥可以作为土壤重金属污染钝化修复的有效措施之一。郑少玲等^[16]采用 土培试验和盆栽试验研究施用生物有机肥对芥蓝和 土壤重金属含量的影响，结果表明施用生物有机肥可 以降低芥蓝体内重金属的含量。

生物炭是生物质在无氧环境条件下缓慢高温分 解得到的富含碳的有机物质，它具有孔隙结构发达、 比表面积巨大、强吸附性等特点，可以改善土壤结构， 能将土壤中的重金属离子有效固持,进而降低重金属 的有效态含量。刘阿梅等^[17]的研究表明，添加生物炭 可以明显降低蔬菜体内重金属Cd 的积累，并在一定 程度上促进蔬菜食用部分的产量。除此之外，施用生 物炭还可以通过影响土壤的pH 值和CEC 等理化性 质减少土壤中重金属向植物体系的迁移，如Uchimiya 等^[18]的研究表明，生物炭的输入会引起土壤pH 值的 升高，促进土壤中Cd的固定。

从本文研究中也可以看出，生物炭与生物有机肥 处理可以提高土壤pH 值，显著提高土壤有机质等养 分指标，降低土壤有效态Cd 和Pb 的含量，并减少水 稻体内Cd和Pb 的含量。但从表 3中还是可以看出， 这2 种处理水稻糙米Cd 含量仍然高于GB 2762— 2012《食品安全标准》食品中Cd 限量指标的要求（糙 米Cd含量不高于0.2 mg·kg^-1），这可能是因为试验田 土壤Cd 超标程度较为严重，仅仅通过一年的修复还 不足以使水稻糙米Cd 含量达标，因此在接下来的工 作中，还需要探索修复技术的集成，提高修复工作的 效率。而且，考虑到大田环境的复杂性，修复试验结果 的稳定性还需要进一步的探究和评估。 4 结论

（1）施用生物有机肥和生物炭处理可以提高土壤 pH 值，并显著降低土壤有效态Cd 和Pb 的含量，土 壤pH 值与土壤有效态Cd 和Pb 的含量呈极显著负 相关。

（2）生物有机肥和生物炭可以提高土壤有机质、 碱解氮、有效磷和速效钾等养分指标，改善土壤肥力 状况。

（3）生物有机肥和生物炭处理可明显降低水稻体 内Cd 和Pb 的含量，其中水稻糙米Cd 降幅达到了 22.00%和18.34%，水稻糙米Pb 含量的降幅也达到了 33.46%和12.31%，且水稻糙米Cd和Pb的含量与土 壤有效态Cd 和Pb 的含量呈显著正相关，但并未显 著提高糙米产量。

综合各处理对土壤pH 值、土壤养分含量、土壤 有效态Cd 和Pb 的含量以及水稻Cd 和Pb 含量的影 响，可以看出生物有机肥和生物炭处理均可以在一定 程度上实现对Cd和Pb 复合污染土壤的钝化修复。