氯化铵和茶皂素单独与复合施用土壤中镉赋存形态的差异

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　　摘  要：为探讨氯化铵（NH4Cl）和茶皂素（tea saponin， TS）对镉（Cd）赋存形态的影响，以矿区Cd污染农田土壤为试验材料，采用室内土壤培养方法，模拟不同剂量的无机氮肥NH4Cl和TS单施及复合施加对Cd污染农田土壤理化性质及Cd有效性的影响。结果表明：单独施加NH4Cl和TS促进了土壤中残渣态Cd向弱酸提取态及可还原态Cd的转化，提高了土壤中Cd的生物有效性，且高剂量（60 mg/kg）NH4Cl施加要优于低剂量（20 mg/kg）NH4Cl;NH4Cl（40 mg/kg）和TS（4 mg/kg）复合施加同样促进了土壤中残渣态Cd向弱酸提取态Cd的转化，增加Cd的有效性，且增加效果等同于高剂量的NH4Cl和TS单独施加。逐步回归分析表明，pH和Cl是影响土壤中Cd有效性的2个关键因子。因此，在实际植物修复工作中可通过适当的农艺措施提高土壤Cl降低土壤pH以增加植物对Cd的累积量。此外，低剂量的NH4Cl配施TS可显著增加土壤中Cd的生物有效性，避免高施用量NH4Cl引起的土壤环境恶化。
　　关键词：氯化铵;茶皂素;土壤;镉形态
　　中图分类号：X53      文献标识码：A
　　Abstract： In order to investigate the effect of ammonium chloride （NH4Cl） and tea saponin （TS） on cadmium speciations in soil， the Cd-contaminated agricultural soils around mining areas were used as the experimental material. The effects of different doses of NH4Cl， TS and mixed application on the physical chemical properties of the Cd polluted agricultural soil and Cd availability were simulated. The chemical of cadmium speciations was transformed from residual fractions into acid extractable or oxidizable fractions by adding NH4Cl or TS singly. NH4Cl obviously improved available Cd in soil， and high （60 mg/kg） concentration of NH4Cl was better than low （20 mg/kg）. Moreover， the chemical cadmium speciations was transformed from residual fractions into acid extractable fractions and improved available Cd by adding the combination of NH4Cl （40 mg/kg） and TS （4 mg/kg）， and mixed application had the same effect with NH4Cl or TS. Stepwise regression analysis showed that pH and Cl were the two key factors affecting Cd availability in soil. In the actual phytoremediation work， in order to increase the Cd content of plants， we could take appropriate agronomic measures to increase Cl or decrease pH in soil. Low concentration NH4Cl and TS mixed application significantly would improve the Cd bioavailability and avoid soil environment destruction caused by high concentration NH4Cl application.
　　Keywords： ammonium chloride; tea saponin; soil; cadmium speciation
　　鎘（cadmium， Cd）是一种有毒重金属元素。2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示我国土壤Cd的超标率为7.0%[1]。土壤中的Cd可被农作物吸收并通过食物链进入人体，极大的危害着人体健康[2]。对Cd污染土壤的主要修复方法是完全去除和钝化土壤中重金属。植物提取修复是一种环境友好，极具前景的土壤修复技术[3]。植物Cd的含量与土壤Cd的有效性密切相关。研究表明，植物蓄积Cd与土壤中交换态和酸溶态成正相关[4]。而土壤中的Cd主要以残渣态或吸咐在土壤颗粒表面的形式存在，不易被植物吸收富集，这极大的限制了植物提取效率[5-6]。此外，有研究表明，土壤中可溶性盐分的伴随阴离子[7-8]（如Cl、SO42）以及可溶性有机碳[9]（TOC）因易与Cd络合形成稳定、可溶的复合物，可增加土壤Cd的有效性，因而常采用施肥、添加螯合剂等措施来提高土壤Cd的有效性进而提高植物对Cd的吸收[10]。
　　氯化铵（NH4Cl）是一种农业生产中常用的氮肥。Liu等[11]研究发现，施加NH4Cl可显著提高铜、铬和镍等重金属在土壤中的生物有效性。在土壤植物系统中施加NH4Cl也可促进根际土壤Cd的溶出，且随着NH4Cl施加量的增加对Cd的活化作用越显著[12]。然而过量施用NH4Cl易引起土壤盐渍化、酸化、阻碍植物生长以及降低土壤细菌丰度等[13]。此外，过量的氮肥使用也会引起水体的富营养化及地下水污染。 　　茶皂素（TS， C57H90O26）是一种天然表面活性剂，易降解，不会造成土壤2次污染，且含有多种官能团，可用来强化植物对重金属的吸收[14-15]。研究表明，在Cd与有机物复合污染的土壤中施加TS可促进铁锰氧化态Cd、碳酸盐结合态Cd向交换态Cd的转化，从而增加了Cd的生物有效性[16-17]。施加TS也可增加土壤酶的活性，提高土壤肥力，促进植物的生长[18]。但目前关于TS在实际Cd污染农田土壤中应用的相关研究还较少。是否将TS与NH4Cl结合应用，一方面能促进植物对Cd吸收，另一方面可降低NH4Cl的施用，进而减少NH4Cl对土壤环境产生负面效果方面呢？
　　为解决上述问题，本研究采用土壤培养试验，单独或复合施加NH4Cl和TS到实际的Cd污染农田土壤中，比较两者在增加土壤Cd活性方面的潜力。另外，研究两者混合施加是否能在低的氮肥和TS施加下实现高的土壤有效Cd含量。
　　1  材料与方法
　　1.1  材料
　　1.1.1  材料与试剂  采集福建省建瓯市某矿区周边0～20 cm的稻田表层土壤，自然风干后，研磨过2 mm筛子备用。土壤质地为砂质壤土，其基本理化性质为：pH 4.99，有机质12.6 g/kg，机械组成为粗砂粒2.84%、细砂粒74.43%、粉粒19.31%、黏粒3.42%。土壤中总Cd为1.84 mg/kg，有效Cd（0.01 mol/L CaCl2溶液浸提）为0.374 mg/ kg。土壤基本理化性质测定方法参照《土壤农化分析》[19]。
　　NH4Cl（分析纯）购于国药集团化学试剂有限公司。TS购于杭州久晟茶叶科技有限公司，产品为淡黄色粉末状，由甙元、糖和有机酸组成，易溶于水、易降解，皂素含量为68.8%，氯含量为1.003 mg/kg，硫含量为0.404 mg/kg，Cd含量为0.002 mg/kg。
　　1.1.2  仪器与设备  NexION300电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），美国PerkinElmer公司; SevenCompact台式pH计，瑞士梅特勒-托利多公司;TOC-VCPH总有机碳仪，日本岛津公司;Thermo ICS-2100离子色谱仪（IC），美国Thermo Fisher Scientific公司。
　　1.2  方法
　　1.2.1  室内模拟试验  依据前人研究结果，施用43 mg/kg的NH4Cl和4 mg/kg的TS可显著增加海甘蓝[13]和黑麦草[20]对Cd的吸收。因此，本研究中NH4Cl和TS复合浓度设置为40、4 mg/kg。根据修复Cd污染农田的模式植物巨菌草[21]生长条件及福建省夏季温度（28～35 ℃），试验中土壤含水率设为（70±5）%，培养温度设为30 ℃。模拟试验中共有8个处理分别为：空白作为对照（CK），施用量为20（N-20）、40（N-40）和60 mg/kg（N-60）NH4Cl处理，施用量为2（T-2）、4（T-4）和6 mg/kg（TS-6）的TS处理，40 mg/kg NH4Cl和4 mg/kg TS（N+TS）复合处理，每个处理重复3次（其中NH4Cl折合成每公顷用量分别为：2.4×104、4.8×104和7.2×104 kg/hm2;TS折合成每公顷用量分别为：2.4×103、4.8×103和7.2×103 kg/hm2）。考虑到40 d巨菌草生物量可达到60～70 g/株，因此模拟试验设置为40 d，分别在第10、25和40 天采集土壤样品。具体操作为：称取50 g过2 mm筛子的土样于100 mL离心管中，加入不同剂量的过2 mm筛子的NH4Cl和TS粉末充分混匀后加入去离子水，土壤含水率保持在（70±5）%。所有处理组放于30 ℃黑暗条件下培养。采集的样品冻干，研磨过100目筛子后?20 ℃保存备用。
　　1.2.2  测定项目  采用电感耦合等离子体质谱仪测定Cd的含量。土壤pH用pH计进行测定;土壤中可溶性有机碳（DOC）采用总有机碳仪进行测定，具体方法为[21]：称取2.0000 g土壤在离心管中，加入去二氧化碳的去离子水，水土比为5∶1，于250 r/min速度振荡30 min后，在离心机上以3000 r/min离心20 min，取上清液过0.45 μm滤膜，取过滤液测定含量;土壤中Cl和SO42浓度用离子色谱仪进行测定。土壤有效Cd采用0.01 mol/L氯化钙溶液（CaCl2）浸提（土水比为1∶10），整个浸提过程用土壤有效态成分分析标准物质（GBW07416a ASA-5a）进行质量控制。土壤中Cd的形态采用BCR连续提取法[22]，具体操作如表1所示。
　　1.3  数据处理
　　所有数据采用Excel 2010、SPSS 19.0和SigmaPlot 12.5軟件进行统计分析和绘图。差异显著性分析采用LSD法，显著性水平为5%。
　　2  结果与分析
　　2.1  NH4Cl与TS单独和复合施加对土壤pH和DOC的影响
　　NH4Cl和TS单独和复合施加对土壤pH和DOC的影响如表2所示。从表2可以看出，单施NH4Cl整体降低土壤pH。随着NH4Cl施用量的增加土壤pH在第0、10、25和40天均显著降低。单施TS，0～10 d显著增加土壤pH，10～40 d显著降低土壤pH。与CK相比，NH4Cl和TS复合施加显著降低土壤pH（0～25 d），降低幅度为0.35～ 0.91，40 d时土壤pH与CK无显著差异。因此，在整个模拟试验过程中，不同剂量NH4Cl的施加均显著降低了土壤pH，不同剂量TS的施加先增加后降低土壤pH，TS和NH4Cl复合施加先降低土壤pH后对土壤pH无影响。 　　与CK相比，除N-20组外，单施NH4Cl土壤中DOC含量均显著增加。N-40和N-60组在10、25、40 d分别增加了24.48%、35.61%、49.91%和37.50%、62.64%、99.43%。单施TS，整个过程中对土壤DOC含量并无显著影响。与CK相比，NH4Cl和TS复合施加显著增加了土壤DOC的含量，在10、25、40 d分别增加了19.91%、25.52%、56.11%。上述结果说明，单施NH4Cl可增加土壤DOC的含量，而单独施加TS对土壤DOC并无影响，NH4Cl和TS复合添加可增加土壤中DOC的含量。
　　2.2  NH4Cl与TS单施和复施对土壤Cl和SO42的影响
　　NH4Cl与TS单施和复施对土壤Cl和SO42的影响如表3所示。与CK相比，单施NH4Cl，显著增加土壤中Cl含量，且随时间的变化，土壤中Cl含量逐渐降低。N-20、N-40和N-60在10～40 d降低幅度分别为57.86%、62.39%和57.07%。单施TS显著降低土壤中Cl含量，T-2、T-4和T-6在10～40 d土壤Cl降低幅度分别为47.79%、50.91%和51.91%。NH4Cl与TS复合施加显著增加了土壤中Cl的含量，在整个土壤模拟阶段，土壤Cl含量逐渐降低。
　　与CK相比，单施NH4Cl土壤中SO42含量显著降低。N-20、N-40、N-60在10、25和40 d SO42降低幅度分别为23.79%～36.38%、18.78%～28.52%和17.52%～24.86%。单施TS显著降低土壤SO42（0～10 d）含量，T-2、T-4和T-6降低幅度分别为2.37%、8.71%和17.27%，而25～40 d，SO42含量与CK无显著差异。此外，NH4Cl与TS复合施加（10～40 d）同样降低了土壤中SO42含量，降低幅度为21.28%。上述结果表明，NH4Cl的施入带入大量的Cl但同时也引起了SO42的降低，TS的施
　　2.3  NH4Cl和TS单施及复合施加对土壤中Cd形态的影响
　　NH4Cl和TS单施及复合施加对土壤中Cd形态的影响如图1所示。由图1可知，土壤中Cd的存在形态均为：弱酸提取态>残渣态>可还原态>可氧化态。与CK相比，单施高剂量NH4Cl（>40 mg/kg）显著增加了土壤中弱酸提取态Cd、可还原态Cd，降低了残渣态Cd（图1A）。其中N-20、N-40、N-60组弱酸提取态Cd增幅分别为4.16%、13.56%、14.74%。其说明高剂量NH4Cl（>40 mg/kg）可促进土壤中Cd向弱酸提取态Cd的转化。单施高剂量TS（>4 mg/kg）同样增加了土壤中弱酸提取态Cd，降低可还原态Cd及残渣态Cd，其中T-2、T-4、T-6组弱酸提取态Cd增幅分别为4.12%、14.50%、13.92%。其说明TS施加后促进了土壤中Cd的生物有效性。NH4Cl和TS复合施加增加了土壤中弱酸提取态Cd（增幅为14.22%），降低了残渣态Cd。与对照相比，25 d（图1B）的NH4Cl和TS处理下，N-40、N-60、T-4、N+TS组弱酸提取态Cd显著增加，增幅分别为7.28%、9.07%、9.93%、5.69%。40 d（图1C），土壤中弱酸提取态Cd进一步增加，其中N-60、T-6、N+TS组的弱酸提取态Cd占到土壤总Cd的61.56%、62.22%、68.56%。其说明NH4Cl和TS复合施加对Cd的活化效果等同于高剂量的NH4Cl（>40 mg/kg）和TS（>4 mg/kg）单施组。
　　不同小写字母表示同一形态不同处理差异显著（P<0.05）;F1、F2、F3、F4分别表示弱酸提取态镉、可还原态镉、可氧化态镉、残渣态镉;A、B、C分别代表10、25、40 d土壤
　　不同形态Cd含量变化。
　　The different smallletters indicate significant difference at 0.05 level at the same fraction with different treatments; F1，F2，F3，F4 represent exchangeable and acid-soluble Cd， reducible Cd， oxidizable Cd， residual Cd; A， B， C represent the changes of different speciation of Cd content in soil at 10， 25 and 40 d.
　　2.4  NH4Cl与TS单独及复合施加对CaCl2提取的Cd含量的影响
　　如图2所示，处理10 d后，CK组0.01 mol/L CaCl2提取的有效Cd为0.374 mg/kg。与CK相比，NH4Cl单施显著增加了土壤中有效Cd，增加率分别为10.70%（N-20）、13.37%（N-40）、28.88%（N-60）。TS单施同样增加了土壤中Cd的有效量，增加率分别为5.51%（T-2）、2.37%（T-4）、9.65%（T-6）。NH4Cl与TS复和施加后土壤中Cd的有效量为0.518 mg/kg，增加了38.45%。处理25 d后，CK 0.01 mol/L CaCl2提取的有效Cd为0.418 mg/kg。与CK相比，单施NH4Cl增加土壤中有效Cd，增加率分别为2.07%（N-20）、11.63%（N-40）、30.01%（N-60）。單施TS同样增加了土壤中Cd的有效量，增加率分别为0.77%（T-2）、5.51%（T-4）、9.51%（T-6）。NH4Cl与TS复施后土壤中Cd的有效量为0.490 mg/kg，增加了17.29%。处理40 d，CK 0.01 mol/L CaCl2提取的有效Cd为0.637 mg/kg。与CK相比，单施NH4Cl显著增加土壤有效Cd，增加率分别为8.07%（N-20）、9.81%（N-40）、14.61%（N-60）。TS单施同样增加了土壤中Cd的有效量，增加率分别为3.13%（T-2）、9.10%（T-4）、6.78%（T-6）。NH4Cl与TS复施后土壤中Cd的有效量为0.690 mg/kg，增加率为8.42%。以上结果表明，随着时间的变化，土壤有效Cd含量随之增加。高剂量NH4Cl（>40 mg/kg）和高剂量TS（>4 mg/kg）可显著增加Cd的有效性。NH4Cl和TS复合施加对土壤有效Cd含量的增加效果等同于高剂量NH4Cl和TS。 　　不同小写字母表示同一时间不同处理差异显著（P<0.05）。
　　Different smallletters indicate significant difference at 0.05 level in different treatments.
　　2.5  土壤理化性质与不同形态Cd之间的相关性
　　将土壤pH、DOC、Cl、SO42与土壤有效Cd和各形态之间进行Pearson相关性分析。结果如表4所示，有效Cd与pH呈极显著负相关，与Cl呈显著正相关，与SO42、DOC呈显著负相关;弱酸提取态Cd、可还原态Cd与pH呈极显著负
　　3  讨论
　　3.1  NH4Cl对土壤Cd形态及有效性的影响
　　本研究结果显示，施加NH4Cl后促进了土壤中残渣态Cd向弱酸提取态Cd的转化，增加土壤中有效Cd的含量，这与早期的研究结果一致[24-26]。首先NH4Cl作为一种酸性肥料，施加NH4Cl的浓度为43 mg/kg的时候，土壤pH可降低0.72个单位。低的pH能促进土壤中金属有机螯合物的溶解释放可溶性有机质（DOC），并释放部分Cd2+[27]。本研究结果显示，与CK相比，施加NH4Cl后土壤中DOC含量均显著增加。这是因为NH4Cl施入土壤后降低土壤pH，引起DOC含量的增加，这也间接说明NH4Cl的施入会增加土壤中Cd的有效性。其次，NH4Cl施加也显著增加了土壤中的Cl，Cl可与Cd2+形成CdCl20、CdCl+等可溶性的复合物，从而促进Cd从土壤颗粒表面的解析，增加土壤有效Cd的含量[8]。此外，有研究表明土壤中的SO42与Cd2+通过形成可溶性的CdSO4，增加Cd的有效性[28]。但本研究结果显示，NH4Cl施加降低了SO42的含量。相关性结果显示，土壤有效Cd与Cl、SO42、DOC均呈显著相关性（R2=0.939，P<0.01;R2=0.476，R2=0.464，P<0.05）。进一步将pH、SO42、Cl、DOC等因素进行逐步回归分析，探究其因素对土壤有效Cd含量的影响，得到如下回归模型[Cd]=0.349+0.01×[Cl]，R2=0.954
　　通过以上模型可以发现，施加NH4Cl，Cl是引起土壤有效Cd含量变化的主要因素，且土壤有效Cd含量随Cl的增加而增加。以上结果提示，在采用植物提取修复改善Cd污染土壤时，可适当添加无机肥料NH4Cl作为强化剂，提高植物对Cd的吸收。
　　3.2  TS对土壤Cd形态及有效性的影响
　　本研究结果表明，施加高浓度的TS（>4 mg/kg）显著促进了可还原态Cd向弱酸提取态Cd的转化（图1A，图1C），从而增加了土壤中有效Cd的含量，这与陈志良等[28-29]的研究结果一致。首先，TS同时具有亲水和疏水基团，可改变土壤固液相之间的表面张力，使土壤中的Cd更容易解析。其次，TS分子中的羧基与Cd2+形成可溶性络合物，降低土壤溶液中Cd2+浓度，促进土壤表面Cd的解吸[30]。有研究表明，土壤溶液中离子强度的降低会通过溶剂化作用增加TS的有效浓度，TS中的羧基在pH 3～5条件下易发生解离，解离后的羧基可以通过与重金属离子（Pb2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+）络合[30]，进而促进它们在土壤中的移动。本研究中，单独施加TS对土壤pH没有显著影响，土壤pH≈5。而TS和NH4Cl复合施加后，引起了土壤pH的降低。因此，TS与NH4Cl复合施加可更显著促进TS中羧基的解离，增加TS与Cd2+的络合，从而增加土壤Cd的有效量，尤其是培养初期。采用逐步回归方法，进一步分析pH、SO42、Cl和DOC共4个因素对土壤有效Cd含量的影响，得到如下回归模型：[Cd]=0.408+0.014[Cl]0.171[pH]，R2=0.993
　　以上回归模型说明，施加TS后，土壤pH、Cl-是引起土壤有效Cd含量变化的主要因子。相对于单独施加TS，TS和NH4Cl复合施加可以通过增加土壤中Cl、降低pH来增加有效Cd的含量。因此，低剂量NH4Cl（<40 mg/kg）配施适量的TS不仅可获得与高剂量NH4Cl和TS单独施加在促进Cd溶出方面相同的效果，更重要的是两者混合施加可显著降低大量NH4Cl的施用引起的土壤环境恶化。
　　4  结论
　　（1）NH4Cl和TS单独施加均提高了土壤中有效Cd的含量，两者复合施加也提高了土壤中Cd的有效量，尤其是培养初期（0～10 d）。土壤中有效镉含量与Cl的含量成显著正相关，和土壤pH成显著负相关。
　　（2）NH4Cl和TS单独或者复合施加均增加了土壤中弱酸吸附态Cd的含量。
　　（3）NH4Cl（40 mg/kg）和TS（4 mg/kg）复施对Cd的活化效果等同于NH4Cl（60 mg/kg）单施。因此，将NH4Cl和TS复合施加可通过低剂量NH4Cl（<40 mg/kg）的肥料用量实现高的植物重金属提取量。
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