1、第46卷第4期土壤通報(bào)2015 年 8 月Chinese Journal of Soil Science土壤有機(jī)質(zhì)對鎘污染土壤修復(fù)的影響宋波1，2,曾煒銓1(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004；2.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004)摘 要:鎘是生物非必需具生物毒性元素，有機(jī)質(zhì)作為修復(fù)鎘污染土壤的重要改良劑之一而備受關(guān)注。土壤有機(jī)質(zhì)通過對土壤理化性 質(zhì)、對鎘的吸附-解析、絡(luò)合作用、生物有效性作用影響鎘污染土壤修復(fù)效果。主要闡述了土壤有機(jī)質(zhì)對鎘污染土壤修復(fù)的影響作用 機(jī)制，探討了有機(jī)質(zhì)的適用條件、影響因子，分析了工程應(yīng)用過程存在的問題，以期為重金屬污

2、染土壤修復(fù)技術(shù)研究提供新的思路。關(guān)鍵詞:有機(jī)質(zhì);鎘;修復(fù);吸附中圖分類號：X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號:0564- 3945(2015)01- 1018- 07宋波，曾煒鈴.土壤有機(jī)質(zhì)對鎘污染土壤修復(fù)的影響J. 土壤通報(bào)，2015, 46( 4):1018- 1024 SONG Bo, ZENG Wei- quan.Effects of Organic Matter on the Remediation of Cadmium- Contaminated Soil- A ReviewJ. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(4): 1018- 10

3、24在1980年中國農(nóng)業(yè)環(huán)境報(bào)告中，我國鎘污染農(nóng)田 面積達(dá)到9333 hm2,超過10000 hm2 土壤中鎘含量范 圍為1 10 mg kg- 1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國家土壤環(huán)境二級質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)限定值0.3 mg kg-11,2。鎘是一種有毒痕量元素3， 在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和美國國家環(huán)境保護(hù)局(OEPA) 優(yōu)先污染物名單排名中分別列為首位、第六位4, 5。鎘 在土壤中蓄積性強(qiáng)、遷移能力強(qiáng)6,能影響深層土壤。土 壤鎘污染主要來源于礦業(yè)冶煉、工業(yè)廢水及廢棄物排 放、含鎘電鍍材料與顏料的生產(chǎn)和使用。土壤鎘進(jìn)入人 體的途徑主要有三種方式7：( 1)食物攝入；(2)皮 膚接觸;(3)吸入大氣中含鎘顆粒，而土壤鎘

4、主要通過 食物攝入威脅人體健康8。鎘在人體中的半衰期長達(dá) 2040年，可引發(fā)“骨痛病”和腎損害等癥狀，聯(lián)合國糧農(nóng) 組織和世界衛(wèi)生組織(FAO/WHO)建議正常成人每天攝 鎘量為59 71物9?？梢娡寥梨k污染問題極為嚴(yán)重，一 旦土壤出現(xiàn)累積鎘趨勢，勢必影響土壤微生物新陳代謝機(jī) 制10，毒害農(nóng)作物的生長，潛在威脅人體健康。隨著城鄉(xiāng) 居民對生活健康質(zhì)量安全性問題的理解日益增強(qiáng)，對土壤質(zhì)量安全問題更加重視。因此，如何 修復(fù)鎘污染土壤及其影響因子等問題備受國內(nèi)外學(xué)者 們的關(guān)注11。3重金屬污染土壤的處置是一項(xiàng)耗資巨大而又艱巨的 任務(wù)，為提高重金屬污染土壤的修復(fù)效果，使用范圍較 為廣泛的土壤改良劑主要包括

5、有機(jī)類、無機(jī)類等材料 1416，其中，因有機(jī)質(zhì)與土壤鎘存在一定相關(guān)關(guān)系， 對鎘的親電性較強(qiáng)17, 18，能夠定量地測定土壤鎘含量， 又對鎘污染土壤修復(fù)影響效果最佳及經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)而 備受廣泛關(guān)注與應(yīng)用。目前能夠系統(tǒng)介紹有機(jī)質(zhì)對鎘 污染土壤的影響機(jī)理及其適用條件、影響因子的文獻(xiàn) 較少，鑒于此，本文通過相關(guān)文獻(xiàn)整理、工作經(jīng)驗(yàn)等途徑 系統(tǒng)地概述了有機(jī)質(zhì)對鎘污染土壤的影響機(jī)理、影響因 子，評述了有機(jī)質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題及展望。土壤有機(jī)質(zhì)的來源及組分土壤有機(jī)質(zhì)泛指土壤中主要來源于生命的物質(zhì)，包 括腐殖質(zhì)、生物碳、可溶性碳和可氧化碳等。不同有 機(jī)質(zhì)來源類型對鎘在土壤中的生物有效性影響存在差 異，按其來

6、源可分為外源有機(jī)質(zhì)與內(nèi)源有機(jī)質(zhì)兩類：外 源有機(jī)質(zhì)主要指通過施肥、堆肥等方式獲取的含有較 多有機(jī)質(zhì)的有機(jī)物料(如豬、雞糞等糞便或稻草等植物 殘?bào)w)；內(nèi)源有機(jī)質(zhì)主要是來自于土壤里微生物新陳代謝 產(chǎn)物或動植物殘?bào)w的腐化分泌物等，主要分泌產(chǎn)物為 胡敏酸、胡敏素等。不同來源的有機(jī)質(zhì)對鎘的吸附- 解析等作用影響各不相同，本文分別以表1中羅列的 有機(jī)質(zhì)來源作為關(guān)鍵詞通過中國知網(wǎng)、Science direct 等數(shù)據(jù)庫檢索出國內(nèi)外具有影響鎘污染土壤修復(fù)作用的 有機(jī)質(zhì)及其應(yīng)用方面的文獻(xiàn)，大多數(shù)含有機(jī)質(zhì)的材料 都能顯著地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低鎘在土壤中的生 物有效性和可遷移性，而污泥、水稻等秸稈等含有機(jī)質(zhì) 材料可

7、能是由于其對土壤鎘的絡(luò)合作用，促進(jìn)了土收稿日期：2014- 12- 14 ；修訂日期：2015- 2- 11基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41161056)、廣西“八桂學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)和廣西自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(2013GXNSFEA053002)資助壤對鎘的解析能力，導(dǎo)致土壤鎘的淋出。土壤有機(jī)質(zhì)組分對重金屬修復(fù)效果影響密切，目前報(bào)道較多的土壤有機(jī) 質(zhì)主要是溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)和顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)(particulate organic matter, POM)。溶解性有機(jī)質(zhì)是最為活躍部分，包括水溶、酸 溶、堿溶等可溶解有機(jī)質(zhì)，能直接作用于土

8、壤理化性 質(zhì)，影響重金屬在土壤中的吸附-解析、螯合和絡(luò)合等 作用;顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)主要為粒徑較小(黃泥土 紅壤，與有機(jī)質(zhì)含量大小基本一致30，在 添加同一種DOM的前提下，DOM對Cd吸附的抑制作 用均為赤紅壤 水稻土 褐土31，而在去除土壤有機(jī)質(zhì) 后，土壤對鎘的吸附率均降低32, 33，對鎘的吸附行為具有明顯的抑制作用，這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)能通過提 高土壤有機(jī)碳的累積31,改變土壤表面的負(fù)離子數(shù)量，在 表面絡(luò)合、沉淀、離子交換等作用下增加土壤對鎘離子的吸 附M, 33, 34,形成穩(wěn)定的重金屬-顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)復(fù)合體。 土壤有機(jī)質(zhì)還能打破重金屬離子在土壤中的沉淀-溶解平衡，分解土壤中的礦物，解析出重金屬離

9、子，這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)溶解后與土壤中鎘離子產(chǎn)生 競爭,減少了土壤對鎘離子的吸附點(diǎn)位數(shù)量，降低了土 壤對鎘離子的吸附能力，導(dǎo)致鎘離子的淋出。土壤有機(jī)質(zhì)對鎘生物有效性的影響土壤有機(jī)質(zhì)會降 低鎘在土壤中的生物有效性。土壤有機(jī)質(zhì)通過提高土壤有 機(jī)碳含量等方式，既能促進(jìn)微生物增長35,減輕鎘對土壤微生物危害36,又能降低鎘對蝸牛的生物 毒害37,降低外源鎘在土壤中的可遷移性和生物有效性 38。土壤有機(jī)質(zhì)會促進(jìn)植物對鎘吸收、輸送、貯存能 力，這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)中含有大量官能團(tuán)，能與鎘離 子發(fā)生配位、絡(luò)合等作用，形成穩(wěn)定含鎘有機(jī)螯合物， 被植物根系細(xì)胞吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)輸送，積累在莖葉部，降低鎘對植物的生物毒害，還

10、能提高高粱的生物量，促進(jìn) 高粱植物對鎘的根部固定39。泥炭土40、雞糞41等含 量較大的有機(jī)質(zhì)分別能降低甜瓜對鎘的吸附、有效地 降低小麥組織50%的鎘含量，促進(jìn)小麥生長;油菜籽殘 渣42會降低活性鎘含量約5% 14%,濱藜葉部含鎘量 從1.4 mg kg- 1降低至0.6 mg kg- 1,促進(jìn)了濱藜的生長43；家禽糞便堆肥會緩解鎘對小白菜的毒害，促進(jìn)小白菜的生 分?jǐn)?shù)會影響土壤對鎘離子的吸附，土壤粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù) 越高，粘粒礦化組分越大,土壤對鎘的吸附速率越低，相 關(guān)研究表明30,不同類型土壤對Cd2+的吸附能力大小 為：黑龍江黑土 蒙古灌溉土 湖北新洲潮土 湖北咸寧紅壤。2.3.3根際微生物根系

11、是微生物生長旺盛的區(qū)域， 也是植物體直接接觸土壤和吸收土壤重金屬的主要器 官，植物通過與植物共生的微生物自身代謝活動或分 泌物來溶解或轉(zhuǎn)化活性較低的賦存形態(tài)Cd,提高Cd 在土壤中的生物有效性，促進(jìn)根系對Cd的吸收、積累 和轉(zhuǎn)運(yùn)。這是因?yàn)橥寥牢⑸锬芡ㄟ^分泌有機(jī)酸，降低 土壤pH,與土壤重金屬絡(luò)合或螯合作用34,能被植物 吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)，達(dá)到轉(zhuǎn)移修復(fù)土壤鎘污染的效果。2.3.4有機(jī)物粒徑及含量有機(jī)物粒徑大小、含量會影 響土壤對鎘的富集程度。有機(jī)物粒徑越小，對鎘離子 的富集程度就越大54。章明奎等55, 56探究有機(jī)質(zhì)不同粒 徑對重金屬富集程度表明，粒徑較小的有機(jī)物對重金屬的 富集效果高于粒徑較大的

12、有機(jī)物，對鎘富集系數(shù)分別為 1.4 3.2、2.7 7.8。土壤有機(jī)物中有機(jī)質(zhì)含量高低會影 響對重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘是可溶態(tài) 鎘的主要成分，有機(jī)質(zhì)能產(chǎn)生很多有機(jī)結(jié)合位點(diǎn)與鎘結(jié)合57。有機(jī)物中有機(jī)質(zhì)含量與有機(jī)結(jié) 合態(tài)鎘存在正相關(guān)關(guān)系，與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘存在負(fù)相 關(guān)關(guān)系，當(dāng)有機(jī)物含量減少時(shí)，會促進(jìn)水溶態(tài)鎘含量的長44；Wu等45種植油菜-堆肥后，再種植水稻，降 低了水稻的鎘含量約46% 80%。增加582.3.5 土壤有機(jī)質(zhì)的溶解性由于土壤有機(jī)質(zhì)對重金土壤有機(jī)質(zhì)對鎘污染土壤修復(fù)作用的影響因子屬的作用方式極為復(fù)雜，可通過物化分組、生物穩(wěn)定性2.3.1 pH 鎘在土壤中的釋放能力隨著

13、pH值 下降 而增加影響鎘在土壤中的濃度46, 47鎘的生物毒性與,u密切相關(guān)48存在一定空間相關(guān)，幽9 土壤酸化會加pH速鎘在土壤中的可移動性影響深層土壤f50鎘對pH值變化極為敏感短期的土壤酸化會降低土壤有機(jī)質(zhì)的含量51降低土壤對重金屬的吸附能力52當(dāng)pH 6 時(shí)W增大土壤對鎘的釋放能力 促進(jìn)鎘在土壤中的遷 移能力 當(dāng)pH 4時(shí)， 土壤有機(jī)質(zhì)會活化鎘離 子促進(jìn)鎘離子在土壤中的遷移53 一般情況下有機(jī) 重金屬螯合物的穩(wěn)定性也隨pH值的增加而增加。在 今后添加土壤有機(jī)質(zhì)時(shí) 可通過調(diào)節(jié)土壤的pH值大 小來調(diào)控土壤對鎘離子的吸附能力 影響土壤有機(jī)金, 屬絡(luò)合物的形成調(diào)節(jié)重金屬在土壤中的行為 2.3

14、.2 土壤粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)土壤自身性質(zhì)如粘粒質(zhì)量等方式分組59本文主要探討以土壤有機(jī)質(zhì)極性類型將土壤有機(jī)質(zhì)分為疏水有機(jī)質(zhì)和可溶解有機(jī)質(zhì)兩部分 土壤有機(jī)質(zhì)溶解會促進(jìn)有機(jī)重金屬螯合物的產(chǎn)生60, 61。 水溶性有機(jī)質(zhì)是有機(jī)質(zhì)最活躍組分有中性水溶酸溶。 堿溶有機(jī)質(zhì)可通過動植物殘?bào)w排泄物等提取出來備受環(huán)境科學(xué)及土壤科學(xué)家關(guān)注溶解性有機(jī)質(zhì)主要通過 增加土壤有機(jī)碳促進(jìn)鎘在土壤中的可遷移性62,狗增加 63 水溶性鎘16如藤菜對鎘的吸收量會隨水溶性有機(jī)質(zhì)體積含量的增加而增加64提高鎘的活性65陳同斌 等31在稻稈和底泥中水溶性有機(jī)質(zhì)對鎘吸附。-解析作 用研究中得出 稻稈和底泥中的水溶性有機(jī)質(zhì)會降低 土壤對鎘的最

15、大吸附量和吸附效率降低范圍為17.3% 93.9%這與Wong等66探究污泥溶解性有機(jī) 質(zhì)對鎘的吸附量影響效果基本一致生物殘?bào)w排泄物 、的腐殖化程度高對鎘的吸附能力較強(qiáng)67馬羊糞家 糞中的可溶性有機(jī)質(zhì)在低劑量的情況下會降低鎘對地 下水的危害降低鎘浸出風(fēng)險(xiǎn)68, 69李興菊等70在紫色可通過配合同位素技術(shù)，更系統(tǒng)地了解土壤有機(jī)質(zhì)對鎘 在土壤-植物系統(tǒng)的變化規(guī)律和影響機(jī)制，為提高鎘污 染土壤修復(fù)效率等方面研究提供新的指導(dǎo)和方向。土和黃壤土分別添加由稻草、豬糞提取的水溶性有機(jī) 質(zhì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在紫色土、黃壤中，稻草水溶性有機(jī)質(zhì) 明顯地抑制了鎘的吸附；而豬糞水溶性有機(jī)質(zhì)對鎘的吸 附有促進(jìn)作用。土壤有機(jī)質(zhì)

16、工程性應(yīng)用存在的問題不同來源的有機(jī)質(zhì)對鎘的吸附行為影響各不相同，一是可溶性或顆粒性有機(jī)質(zhì)會增強(qiáng)鎘在土壤中的 活性，降低土壤對鎘吸附，促進(jìn)鎘在土壤中的生物有效 性，具有一定的活化效應(yīng)；另一種現(xiàn)象是有機(jī)質(zhì)本身含 有或可分解產(chǎn)生胡敏酸和胡敏素，通過絡(luò)合反應(yīng)與鎘 離子生成穩(wěn)定絡(luò)合物，將鎘固定在土壤中，降低鎘在土 壤中的生物有效性，達(dá)到鈍化效果。大多數(shù)鎘污染土壤 類型為復(fù)合重金屬污染，往往會添加生石灰等堿性物 質(zhì)或者含磷物質(zhì)來鈍化修復(fù)復(fù)合重金屬污染土壤，當(dāng)該 以鎘為主的重金屬污染土壤含有機(jī)質(zhì)較高時(shí)，就要考 慮生石灰等堿性物質(zhì)的用量，這是因?yàn)樘砑邮沂?等堿性物質(zhì)71,72后，會導(dǎo)致土壤溶液中可溶性有機(jī)碳

17、 含量升高，增大可溶性的重金屬有機(jī)質(zhì)絡(luò)合物，促進(jìn)鎘 在土壤中的淋溶作用；復(fù)合使用含磷材料73,74時(shí)應(yīng)當(dāng) 注意土壤pH值情況，當(dāng)pH 4時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量 較高會嚴(yán)重阻礙氯磷鉛石的形成，這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī) 質(zhì)會富集在氯磷鉛石種晶的表面，削弱晶體的生長，降 低了含磷材料對鉛、鋅、鎘等重金屬的修復(fù)效果。土壤有機(jī)質(zhì)是N、P等營養(yǎng)元素向水體遷移的重 要載體，是水體藻類、微生物生長的重要生物能源物 質(zhì)。沉積物中的有機(jī)質(zhì)與磷的生物地球化學(xué)循環(huán)密切 相關(guān)75, 76，土壤對鎘的解析量隨著磷含量的增加而增 加77;可溶性有機(jī)質(zhì)作為分散劑能影響水中懸浮物絮凝 沉降過程，改變水體顏色和降低水質(zhì)，根據(jù)自身及分解 產(chǎn)物以不同途徑方式影響土壤對N、P等營