第３６卷第３期２ ０ １ ３年５月河北农业大学学报ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＨＥＢＥＩＶｏｌ．３６Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２ ０ １ ３ 文章编号：１０００－１５７３（２０１３）０３－００２０－０５环境材料对铅、镉污染土壤玉米生长和重金属累积的影响章智明， 黄占斌， 单瑞娟， 樊亚东（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院北京１０００８３）摘要：为了探索环境材料对重金属污染土壤的植物生长和土壤修复效果，通过盆栽模拟试验研究了单一高分子吸水材料（ＰＡＭ）、煤基营养物质（ＣＢＮ）、吸附性矿物材料（ＭＡＭ）、矿物化学材料（ＭＣＭ）及各材料不同组合对重金属铅（Ｐｂ）、镉（Ｃｄ）污染土壤中玉米生长和玉米中重金属累积的影响。
结果表明：单一ＣＢＮ、ＭＡＭ、ＭＣＭ及这３种环境材料的组合促进重金属Ｐｂ、Ｃｄ污染土壤中玉米株高、叶面积的增加和生物量的积累。
ＭＡＭ和ＭＣＭ抑制重金属Ｐｂ、Ｃｄ向玉米秸秆和籽粒中转移，ＣＢＮ抑制重金属Ｐｂ向玉米秸秆和籽粒中转移。
关 键 词：重金属；农田土壤；环境材料；玉米；盆栽中图分类号：Ｓ１９文献标志码：ＡＴｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｍａｉｚｅ ｇｒｏｗｔｈ ｉｎ ｈｅａｖｙｍｅｔａｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｐｂ，Ｃｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｉｚｅ ｐｌａｎｔｓＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ－ｍｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｚｈａｎ－ｂｉｎ，ＳＨＡＮ Ｒｕｉ－ｊｕａｎ，ＦＡＮ Ｙａ－ｄｏｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｐｌａｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｒｅｍｅｄｉ－ａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ Ｐｂ ａｎｄ Ｃｄ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｉｌ，ｔｈｅ ｍａｉｚｅ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ａｃｃｕｍｕｌａ－ｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｉｚｅ ｕｎｄｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｏｌｙｍｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ（ＰＡＭ），ｃｏａｌ－ｂａｓｅｄｎｕｔｒｉｅｎｔ（ＣＢＮ），ｍｉｎｅｒａｌ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＭＡＭ），ｍｉｎｅｒａｌ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＭＣＭ）ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｐｏｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＣＢＮ，ＭＡＭ，ＭＣＭ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｍｏｔｅｄ ｍａｉｚｅ ｈｅｉｇｈｔ，ｌｅａｆ ａｒｅａ ａｎｄ ｂｉｏｍａｓｓ．ＭＡＭ ａｎｄＭＣＭ ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｂｏｔｈ Ｐｂ ａｎｄ Ｃｄ ｔｏ ｍａｉｚｅ ｓｔｒａｗ ａｎｄ ｇｒａｉｎ，ａｎｄ ＣＢＮ ｏｎｌｙ ｒｅ－ｓｔｒａｉｎｅｄ ｔｈｅ Ｐｂ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｉｚｅ ｐｌａｎｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ；ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｍａｉｚｅ；ｐｏｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 在我国，由于工矿“三废”排放和农药的过量使用，工矿区周围农业土壤中重金属过量积累，造成严重土壤污染［１－２］。
我国重金属污染的农田土壤中，重金属铅（Ｐｂ）、镉（Ｃｄ）为最普遍的复合污染型。
重金属Ｃｄ污染耕地１．３万ｈｍ２，涉及１１省市的２５个地区；粮食中含Ｐｂ量大于１ｍｇ／ｋｇ的产地也有１１个［３］。
不断增加的重金属污染已经导致了大面积土地不能耕作。
收稿日期：２０１３－０３－２６基金项目：国家十二五“支撑计划”课题（ＮＯ．２０１１ＡＡ１００５０３）作者简介：章智明（１９８９－），男，河北省衡水人，在读硕士生，主要从事环境工程、土壤修复和环境材料方面的研究．通讯作者：黄占斌（１９６１－），男，陕西省武功人，教授，从事植物生理生态、环境材料等方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｂｈｕａｎｇ２００３＠１６３．ｃｏｍ．第３期章智明等：环境材料对铅、镉污染土壤玉米生长和重金属累积的影响２１ Ｃｄ易被农作物的根系吸收而后向籽实迁移，然后通过食物链进入人体并富集［４］，对人类生命健康构成威胁。
一些工业城镇郊区农田土壤中Ｐｂ含量也高于土壤背景值１００多倍，研究表明，生长在污染区的稻米中Ｐｂ含量高于非污染区，且高达１８倍［５］。
土壤中重金属在农作物体内超标累积，不仅严重影响食品安全，并危及到人类的生命和健康。
采用经济有效的治理方法解决土壤重金属污染问题，对于我国农业、环境和人民健康具有重大意义。
国内外用来修复土壤重金属污染的方法较多，在具体的应用过程中多为交叉使用，一般分为３大类，即物理修复方法、化学修复方法和生物修复方法［６］。
目前国内对土壤重金属修复的研究多集中在植物修复法，而对化学改良剂固化法缺乏系统深入的研究，且对于化学固化法在农田土壤中的改良效果不明确。
因此，本试验采用盆栽模拟试验，研究了高分子吸水材料（ＰＡＭ）、煤基营养物质（ＣＢＮ）、吸附性矿物材料（ＭＡＭ）、矿物化学材料（ＭＣＭ）以及４种材料的不同组合对重金属Ｐｂ、Ｃｄ复合污染土壤中玉米生长及其重金属累积的影响。
旨在寻找固化土壤重金属的有效材料，为农田重金属污染的化学修复提供依据。
１ 材料与方法１．１ 供试材料环境材料：高分子吸水材料（ＰＡＭ）为粒度２０目的聚丙烯酸盐，由天津三农金科技有限公司提供；煤基营养物质（ＣＢＮ）由内蒙古霍林河煤业集团有限责任公司提供；吸附性矿物材料（ＭＡＭ）为４０～６０目乳白色无定形颗粒，由国药集团化学试剂有限公司提供；矿物化学材料（ＭＣＭ）为２００目硅酸盐矿物，由青海鸿福宝玉石有限公司提供。
供试土壤：取自北京南郊农田表层（０～２０ｃｍ），其基本性质为：ｐＨ为７．３５，电导率ＥＣ值为０．１６ｍｓ／ｃｍ，有机质含量为６．２ｇ／ｋｇ，Ｐｂ本底含量为１７．２７ｍｇ／ｋｇ，Ｃｄ本底含量为０．０１２ｍｇ／ｋｇ。
经自然风干、剔除杂物后过２ｍｍ尼龙筛。
试验中Ｐｂ、Ｃｄ的添加浓度分别为５００ｍｇ／ｋｇ和２０ｍｇ／ｋｇ，以Ｐｂ（ＮＯ３）２和ＣｄＣｌ２金属盐溶液形式均匀拌入７ｋｇ盆栽土壤中老化，１５ｄ后待用。
供试玉米：‘农大８４’，该品种属中晚熟、大穗、半紧凑型。
春播生育期１２８ｄ左右，果穗筒形，籽粒半马齿，橙黄色。
根系发达，叶色深绿，持绿性好，活秆成熟，抗倒、抗旱能力强。
试验装置：棕色塑料花盆，内径２５ｃｍ，高２５ｃｍ。
１．２ 试验设计本试验分为试验组和对照组（ＣＫ），其中试验组所加各材料及用量如下表所示，对照组只填加重金属而不添加任何环境材料。
表１ 试验设计Ｔａｂｌｅ １ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ所加材料Ａｄｄｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ处理编号 ＴｒｅａｔｍｅｎｔＣＫ ＳＡＰ ＨＡ ＦＳ ＳＳ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ高分子吸水材料（ＰＡＭ ２１ｇ）√√√√√煤基营养物质（ＣＢＮ ３．５ｇ）√√√√吸附性矿物材料（ＭＡＭ ３５ｇ）√√√√√√矿物化学材料（ＭＣＭ ３５ｇ）√√√√ 试验共计１０组处理，每个处理设３个重复，试验数据采用统计分析软件ＳＰＳＳ１９．０进行分析，在９５％置信水平下，应用最小显著差异法（ＬＳＤ）进行单因素方差分析。
玉米于２０１２年７月８日在中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院环保楼温室种植，每盆种３穴，每穴２粒种子，定苗后每盆留３株。
水分控制在最大持水量的９０％。
隔天称重，当水分下降到６０％～７０％时浇水至控制水分。
夏天浇水时间为早上８：００之前或下午５：００之后。
１．３ 测定指标与方法采用玉米在苗期、拔节期和扬花期的株高和叶面积来表征玉米的生长状况，用直尺法测定。
株高为土壤至植株中央最高点的距离，叶面积采用长宽系数法测定（叶面积为叶长、叶宽及系数三者的乘积），该系数为０．７５［７］。
植物秸秆和籽粒测定采用称重法。
通过万分之一电子天平（美国ＯＨＡＵＳ公司产）准确测定玉米收获期的干鲜重和籽粒重量。
将收获的新鲜植物体称重后放入１０５℃烘箱中杀青１０ｍｉｎ，然后在７５℃下烘１２ｈ至恒重，即为植物的干重。
将玉米籽粒自然风干至恒重，采用四分法选取百粒玉米籽粒及全部籽粒，用电子天平称量其重量。
玉米植株及籽粒中重金属Ｐｂ、Ｃｄ含量用ＩＣＰ－ＭＳ测定。
取０．５ｇ玉米秸秆或籽粒样品加入消解管中，加入１０ｍｌ优级纯ＨＮＯ３并浸泡３０ｍｉｎ后，用ＭＡＲＳ６（美国ＣＥＭ公司产）按照植物样消解程序进行消解。
然后将消解液稀释２５倍，用ＩＣＰ－ＭＳ（ｉＣＡＰ６０００，美国Ｔｈｅｒｍｏ公司产）测定样品中重金属Ｐｂ和Ｃｄ的浓度。
２２ 河北农业大学学报 第３６卷２ 结果与分析２．１ 环境材料对玉米株高和叶面积的影响由表２可知，在玉米苗期，各处理间玉米株高无明显差异。
在拔节期，各处理之间的差异逐渐显示出来。
到扬花期，ＨＡ、ＦＳ、ＳＳ及Ｈ处理的玉米株高均高于对照组ＣＫ，而其他５种处理均低于ＣＫ。
其中，在拔节期，ＨＡ、ＦＳ、ＳＳ ３组处理明显高于ＣＫ，但组间无显著差异。
ＳＳ处理的玉米株高最高（７６．０７ｃｍ），是ＣＫ的１１６．８％；Ｅ处理玉米株高最矮（５７．０７ｃｍ），是ＣＫ的８７．６％。
在扬花期，ＦＳ处理的玉米株高最高（１５６．０３ｃｍ），是ＣＫ的１１５．４％；Ｉ处理玉米株高最矮（１０８．３３ｃｍ），是ＣＫ的８０．１％。
玉米的株高能反映出其生长情况，分析上述处理中添加的环境材料后可知，环境材料ＰＡＭ、ＭＡＭ、ＭＣＭ或者此３种材料组合对重金属Ｐｂ、Ｃｄ污染土壤中玉米的生长有较明显的促进作用。
在此１０种处理中，ＦＳ及ＳＳ处理玉米叶面积较大。
尤其是在玉米生长中后期表现最为显著，达到显著性差异。
如在拔节期时，ＣＫ处理叶面积为３２４．５０ｃｍ２，ＦＳ、ＳＳ处理分别为ＣＫ处理的１１１．８％和１１９．４％；在扬花期，ＣＫ处理叶面积为５２２．２５ｃｍ２，ＦＳ、ＳＳ处理分别为ＣＫ处理的１０６．９％和１０７．１％。
说明ＦＳ与ＳＳ处理中的环境材料ＭＡＭ和ＭＣＭ能抑制重金属Ｐｂ、Ｃｄ对玉米的毒害作用，促进玉米植株的生长。
Ｅ、Ｆ和Ｇ ３个处理的玉米叶面积无太大差异，但均小于ＣＫ处理叶面积。
说明在有环境材料ＰＡＭ存在时，ＣＢＮ和ＭＣＭ对玉米叶面积基本无影响。
当分析叶面积小于ＣＫ处理的组合时，发现这些组合中都含有环境材料ＰＡＭ，推断ＰＡＭ在其中并未起到修复作用，这可能是由于试验土壤呈碱性，ＯＨ－与金属阳离子的化学作用力增大，减少ＰＡＭ对重金属的吸附率，而且环境材料ＰＡＭ粒径较大，当向盆栽中浇水时，其吸水膨胀破坏了土壤结构，不利于发挥固化土壤重金属的作用，进而影响玉米的生长。