2019, Vol. 36
2. 广东省地质实验测试中心, 广州 510080
2. Guangdong Provincial Research Center for Geoanalysis, Guangzhou 510080, China
土壤是人类赖以生存的自然资源。近年来，随着中国经济社会的快速发展，对资源的大量消耗和不合理开发利用给土壤生态环境带来了严重的影响。2014年环境保护部和国土资源部公布的《全国土壤污染状况调查公报》 [1]指出，耕地土壤抽样超标率为19.4%，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%，其中镉点位超标率为7.0%。不同种类的作物对土壤中Cd的吸收及Cd在可食部分的积累存在较大差异，水稻被认为是Cd吸收能力最强的大宗谷类作物[2]。有研究表明，土壤-品种交互作用可以使常规水稻对Cd的吸收累积达到严重安全风险程度[3]，而杂交稻、超级稻具有更高的Cd累积风险[4]。
目前，原位修复中的土壤重金属钝化固定技术是一种行之有效且适合我国国情的重金属污染土壤治理方法[5]。一些通过多种材料合成得到的钝化修复剂在修复重金属污染土壤中具有显著的钝化效果[6]。膨润土具有较大的比表面积且对重金属有良好的吸附性能[7]，其主要成分蒙脱石是一种层状硅酸盐矿物，许多研究者在蒙脱石改性及其对重金属固定等方面做了大量研究工作，并取得了较好的成果[8-9]。
土壤酶是土壤中一切生物化学过程的主要参与者，是生态系统物质循环和能量流动等过程中的生物活性物质[10]。土壤酶主要来源于土壤微生物、动物和植物分泌物，与环境因子具有统一性，土壤肥力水平、土壤污染状况以及土壤对环境变化的响应都会影响土壤酶活性[11]。在进行土壤重金属钝化固定修复时，土壤酶的活性会受到重金属和所添加钝化剂的影响。本研究在Cd污染土壤中采用根际箱装置种植水稻，利用改性钝化材料修复Cd污染土壤，探讨改性钝化材料钝化修复Cd污染土壤效果，及其对水稻根际与非根际土壤中酶活性的影响，以期为改性钝化材料对水稻根际土壤环境质量的影响研究提供基础数据。
1 材料与方法 1.1 供试材料 1.1.1 供试作物水稻（Oryza sativa）品种为天优390，购于广东省金稻种业有限公司。
1.1.2 钝化材料巯基-蒙脱石复合材料（QJ）：天然钙基蒙脱石经酸活化，同时用水溶性溶剂将巯基试剂高度分散，再将处理好的巯基试剂加入酸化好的蒙脱石中，加热至80 ℃反应6 h，制备出性能优良的巯基-蒙脱石复合材料[12]。
蒙脱复合调理剂材料（MT）：将粉煤灰、硅藻土、蒙脱石按一定比例混合均匀后，以生石灰为合成促进剂，经马弗炉350 ℃热复合反应3 h，制备出蒙脱复合调理剂材料。
巯基复合材料（QH）：将巯基-蒙脱石复合材料、膨润土、硅灰石按1: 1: 1混合均匀，得到巯基混合材料。
1.1.3 供试土壤东莞某地农田取回的Cd污染表层土壤，自然风干磨细，过200目筛，备用。土壤基本理化性质见表 1。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）[13]，所取土壤属于Cd轻度污染土壤。
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil |
试验采用袋式根际箱装置（图 1），每盆装入10 kg供试土壤，分别添加QJ、MT和QH修复材料，修复材料添加量均为0.5%，每个处理做3组重复试验，同时设置不添加修复材料的空白对照（CK）。根际与非根际土壤之间用300目尼龙袋隔开。每盆种植1株水稻，每株水稻4棵苗。
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图 1 袋式根际箱试验装置 Figure 1 Pot experiment device of rhizosphere box |
水稻样品：稻谷晒干后脱壳，将糙米、谷壳分别用搅拌机粉碎；水稻茎叶用自来水洗净，再用蒸馏水漂洗3遍，晾干表面水分，切碎烘干后用搅拌机粉碎，贮存于封口袋中待测。
土壤样品：用竹制采样器分别于水稻根际土壤、非根际土壤中均匀分布的5个点位采集，采样深度为整个土层厚度。采集的土壤风干后，分别过20、200目筛，贮存于封口袋中待测。
1.4 测定方法与数据分析土壤的分析方法参考《土壤农化分析》 [14]：采用HF、HCl、HNO3和HClO4体积比为10:4:4:2的混合酸于250 ℃消解土样，以Rh作内标，采用NexION 300X型电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定Cd浓度；采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提法测定土壤Cd有效态浓度（ICP-MS）；采用玻璃电极法测定土壤pH（Sartorius PB-10型pH计）；采用氯化钡法测定阳离子交换量（Optima 8000型电感耦合等离子体发射光谱仪，ICP-OES）；采用重铬酸钾-外加热法测定有机物浓度；采用碱解扩散法测定碱解氮浓度；采用0.05 mol·L-1 HCl、0.025 mol·L-1 H2SO4浸提法测定有效磷浓度（Spectrumlab S22PC可见分光光度计）；采用醋酸铵浸提法测定速效钾浓度（Optima 8000型ICPOES）。
水稻样品经微波消解后，采用ICP-MS测定样品中Cd浓度。
磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性测定参照《土壤酶及其研究法》 [15]；过氧化氢酶活性采用紫外分光光度法测定[16]。
数据处理采用Excel和SAS 9.0分析软件，SAS软件中多重比较显著性分析基于0.05水平。
2 结果与分析 2.1 修复材料对水稻吸收Cd的影响不同修复材料对水稻吸收Cd的影响见图 2。从图 2可以看出，污染土壤在QJ、MT和QH修复材料处理下，与空白对照组CK相比，糙米中Cd浓度（以干质量计，下同）分别降低了43.6%、25.9%和36.0%，低于《食品安全国家标准》（GB 2762—2012）中Cd限值（0.2 mg·kg-1）；谷壳中Cd浓度分别降低了53.7%、53.7%和57.7%；茎叶中Cd浓度分别降低了52.0%、33.8%和50.9%。3种修复材料均能有效钝化修复土壤中Cd污染，且修复效果为QJ>QH>MT。
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同种样品不同字母表示处理间差异显著（P<0.05，n=3）。下同 Different letters for the same type of samples indicate significant differences among treatments(P<0.05, n=3). The same below 图 2 不同修复材料对水稻植株吸收Cd的影响 Figure 2 The effect of the functionalized montmorillonite on cadmium accumulation by the rice |
修复材料对土壤Cd有效态浓度的影响见图 3。从图 3可以看出，与CK相比，添加QJ、MT和QH修复材料后土壤Cd有效态浓度均有不同程度的降低，水稻根际土壤中Cd有效态浓度分别降低了55.3%、12.0%和35.2%；非根际土壤中Cd有效态浓度分别降低了54.9%、9.76%和35.4%。其中，QJ修复材料处理后土壤Cd有效态浓度降低最为显著。水稻根际土壤中Cd有效态浓度均低于非根际土壤。综上，3种修复材料均能有效钝化修复土壤中Cd污染，且修复效果为QJ>QH>MT。
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图 3 修复材料对土壤Cd有效态浓度的影响 Figure 3 The effect of the functionalized montmorillonite on the available cadmium content in the soil |
过氧化氢酶广泛存在于土壤和生物体内。过氧化氢可以氧化蛋白质分子中的巯基（-SH）而损害细胞，土壤中的过氧化氢酶能催化过氧化氢（H2O2）分解成氧气和水，可防止过氧化氢对生物体的毒害作用。对根际与非根际土壤分别进行过氧化氢酶活性测定，试验结果见图 4。从图 4可以看出，只有MT修复材料处理下根际与非根际土壤中分解的过氧化氢浓度均高于CK，分别提高了12.1%和19.6%，说明MT修复材料增强了过氧化氢酶活性。QJ和QH修复材料处理下根际与非根际土壤中分解的过氧化氢浓度与CK无显著差异。此外，根际土壤中分解的过氧化氢浓度均高于非根际土壤，说明水稻根系能提高过氧化氢酶活性。
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图 4 修复材料对土壤过氧化氢酶活性的影响 Figure 4 The effect of the functionalized montmorillonite on the soil catalase |
脲酶广泛存在于土壤中，土壤脲酶能酶促尿素生产氨、二氧化碳和水，氨是植物氮源之一。尿素氮肥水解与脲酶密切相关。对根际与非根际土壤分别进行脲酶活性测定，试验结果见图 5。从图 5可以看出，只有MT修复材料处理下根际土壤中分解产生的氨氮（NH3-N）浓度显著高于CK，增幅为37.1%，其他处理下根际与非根际土壤中分解产生的氨氮浓度均与CK无显著差异。
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图 5 修复材料对土壤脲酶活性的影响 Figure 5 The effect of the functionalized montmorillonite on the soil urease |
蔗糖酶催化蔗糖水解为D-葡萄糖和D-果糖，广泛存在于微生物、动物和植物体内，其对增加土壤中易溶性营养物质起着重要的作用。对根际与非根际土壤分别进行蔗糖酶活性测定，试验结果见图 6。从图 6可以看出，根际土壤中添加修复材料处理后，土壤中分解产生的葡萄糖浓度与CK均无显著差异；在非根际土壤中，QJ修复材料处理下分解产生的葡萄糖浓度显著高于CK，增幅为84.0%，而MT和QH修复材料对土壤中蔗糖酶活性无显著影响。
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图 6 修复材料对土壤蔗糖酶活性的影响 Figure 6 The effect of the functionalized montmorillonite on the soil sucrose |
土壤磷酸酶包括酸性、碱性和中性磷酸酶，它们在不同pH介质条件下水解磷酸一酯（甘油磷酸酯、糖磷酸酯等）生成正磷酸盐。磷酸酶对土壤磷的有效性具有重要作用。对根际与非根际土壤分别进行磷酸酶活性测定，试验结果见图 7。从图 7可以看出，在水稻根际与非根际土壤环境下，添加修复材料处理后，土壤中分解产生的酚浓度与CK均无显著差异，说明修复材料对土壤磷酸酶无显著影响。此外，在添加修复材料后，根际土壤中分解产生的酚浓度均高于非根际土壤，说明修复材料对污染土壤进行解毒修复后水稻根系能提高磷酸酶活性。
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图 7 修复材料对土壤磷酸酶活性的影响 Figure 7 The effect of the functionalized montmorillonite on the soil phosphatase |
有研究表明，QJ修复材料能增加土壤中的胶体总量[9]，土壤对Cd的吸附作用除了静电吸附、离子交换吸附和羟基配位吸附外，还存在巯基配位吸附，反应机理见图 8和图 9[17]。QJ修复材料将土壤中的Cd由活性较强的活性态转化为较稳定的专性结合态，从而使植物可利用态的Cd浓度降低。本研究表明，修复材料能有效钝化土壤中的Cd，显著降低水稻植株对土壤Cd的吸收，这与朱凰榕等[18]的研究结果相一致。
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图 8 巯基-蒙脱石复合材料与土壤中Cd2+的反应机理示意[17] Figure 8 Schematic diagram of reactions between thiol-functionalized montmorillonite and Cd2+ [17] |
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图 9 巯基-蒙脱石复合材料胶体与土壤中Cd2+的主要作用示意[17] Figure 9 Schematic diagram of the action between thiol-functionalized montmorillonite and Cd2+ [17] |
修复材料在钝化重金属的同时，也可能会对土壤酶活性产生影响。李江遐等[19]研究表明，氨基酸生态肥、饼肥、鸡粪肥、钙镁磷肥改良剂可不同程度提高土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和脱氢酶活性。尚艺婕等[20]通过研究不同量的生物质炭与重金属Cd共同作用下水稻根际及非根际土壤碳循环酶和氧化还原酶活性的变化得出，施入10%生物质炭时，不同浓度的Cd添加下水稻根际及非根际土壤的酶活性均最高。黎秋君[21]研究不同钝化剂对土壤酶活性的影响表明：蚕沙及其复合材料钝化处理对土壤脲酶活性起到显著激活作用；单施椰糠钝化剂使得土壤蔗糖酶活性恢复得最好；土壤过氧化氢酶活性在钝化剂的钝化修复下均有明显提高。本研究中，在Cd污染土壤中施加0.5%蒙脱复合调理剂材料后，土壤中过氧化氢酶、脲酶活性均明显提高，施加0.5%巯基复合材料能有效提高土壤中脲酶活性。
根际与非根际土壤在物理、化学、生物学性质等方面存在极大差异，会影响根际土壤重金属的存在形态、分布、迁移和生物有效性[22]，并影响土壤酶活性[23]。研究表明，根际土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、水解酶的活性较非根际土壤均有增强[24]，水稻根际土壤酶活性普遍高于非根际土壤[20]。本研究表明，无论污染土壤中是否添加钝化修复材料，水稻根际土壤中Cd有效态浓度均明显低于非根际土壤，且在不添加修复材料的空白对照处理下，水稻根际土壤中过氧化氢酶活性高于非根际土壤。
4 结论（1）3种改性蒙脱石修复材料能显著降低水稻植株对土壤Cd的吸收，亦能降低土壤Cd有效态浓度。3种材料修复效果为QJ>QH>MT。
（2）MT修复材料能有效提高土壤中过氧化氢酶、脲酶活性，QH修复材料能有效提高土壤中脲酶活性，QJ修复材料能有效提高非根际土壤中蔗糖酶活性。
（3）修复材料可有效降低土壤重金属Cd的活性，对污染土壤进行解毒修复后，根际土壤磷酸酶活性高于非根际土壤。
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