生物炭和海泡石具有较大的比表面积和微孔结构，是土壤Cd和As污染钝化修复中较为常用的钝化材料[5-6]。海泡石和生物炭均可提高土壤pH，促进土壤Cd由酸溶态向残渣态转化，降低土壤有效态Cd含量，进而降低水稻籽粒Cd积累[5⇓-7]。全生育期淹水下，施用海泡石增加了水稻籽粒Cd和As积累的风险[8]。目前，关于海泡石和生物炭钝化单一Cd和As的研究较多，而两者同步钝化Cd和As的研究较少，此外两者配施同步钝化Cd和As的研究也较少。本课题组前期试验[9]表明，海泡石和生物炭组配（质量比1:1）可同步降低土壤Cd和As有效性，土壤有效态Cd含量降低35.5%，有效态As含量降低54.9%，然而，海泡石和生物炭组配对水稻Cd和As吸收积累的影响如何尚不清楚。
本研究在课题组前期培养试验研究结果的基础上，采用盆栽试验，探究海泡石、生物炭及两者配施（质量比1:1）对土壤Cd和As有效性、水稻根表铁膜量及其对Cd和As固定、水稻各部位Cd和As含量的影响，为稻田Cd和As复合污染治理修复提供依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试土壤取自湖南省浏阳市永和镇七宝山矿区周边因酸性矿山废水灌溉而受Cd和As污染的稻田（0~20 cm），为板页岩风化物发育的潴育性水稻土，黏粒、粉粒和砂粒占比分别为11.8%、75.5%和12.7%。供试水稻品种为泰优390（籼型三系杂交晚稻）。海泡石购自河南郑州万利进化工有限公司，主要成分为Mg8(H2O)4[Si6O15]2(OH)4·8H2O。生物炭由苎麻在300~500 ℃高温下烧制而成。供试土壤及钝化材料基本理化性质见表1。
表1 供试土壤及钝化材料的基本理化性质
Table 1
| 材料 Material | pH | 总Cd Total Cd (mg/kg) | 总As Total As (mg/kg) | 总N Total N (g/kg) | 总P Total P (g/kg) | 总K Total K (g/kg) | 有机碳 Organic carbon (g/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 供试土壤Test soil | 6.03 | 4.07 | 147.06 | 0.74 | 0.79 | 13.65 | 19.86 |
| 海泡石Sepiolite | 9.07 | 0.23 | 0.05 | ||||
| 生物炭Biochar | 8.30 | 0.15 | 0.06 |
1.2 试验设计
本研究为土壤盆栽试验，参考王辉[9]研究结果，海泡石与生物炭质量比为1:1可显著降低土壤有效态Cd和As，降幅分别达到35.5%和54.9%。设4个处理，分别为CK（对照，不施海泡石和生物炭）、S处理（施海泡石1 g/kg土）、B处理（施生物炭1 g/kg土）、SB处理（海泡石和生物炭按质量比1:1组配，1 g/kg土），每个处理4个重复。每桶（直径25 cm，高度25 cm）装土5 kg，钝化材料与土壤充分混合均匀后装入塑料桶中，并浇水平衡1周。水稻移栽前2 d每kg土施加复合肥（15-15-15）0.667 g，尿素0.217 g，硫酸钾0.196 g，生长期间不再追肥。施肥2 d后移栽生长一致的水稻秧苗，每盆2蔸，每蔸3株，常规水分管理，其他管理与当地农民管理一致。2019年4月15日施肥，4月17日插秧，7月11日取水稻植株和土壤样品。
1.3 样品采集与处理
土壤样品每盆按五点法取样，样品自然风干，去掉植物残根，研磨过20目和100目筛后，用自封袋保存备用。
水稻收割后，先用自来水清洗干净，再用超纯水洗净，提取根表铁膜后，放入烘箱中105 ℃杀青30 min，然后70 ℃烘干至恒重，分为根、茎、叶和稻谷。稻谷人工脱壳后获得糙米样品。根、茎、叶和糙米样品用小型不锈钢粉碎机（FW-80，北京市永光明医疗仪器有限公司）粉碎，自封袋保存备用。
1.4 测定指标与方法
采用上海雷兹pH计（pHs-3C，雷磁）测定土壤pH，土水质量比为1:2.5[15]；采用DTPA提取（二乙三胺五乙酸+三乙醇胺+氯化钙，pH 7.3，土水质量比为1:2.5）[16]土壤Cd和Fe，过滤后用电感耦合等离子体光谱发生仪（ICP-OES5110，安捷伦）测定滤液中Cd和Fe含量。采用0.5 mol/L KH2PO4提取（pH 8.5，土水质量比为1:15）[17]土壤As，用原子荧光法（AFS-830，中国）测定提取液中As含量。采用DCB法（连二亚硫酸钠―柠檬酸三钠―碳酸氢钠，Dithionite-citrate- bicarbonate，DCB）提取[17]水稻根表铁膜，用ICP-OES 5110测定提取液中Cd、As和Fe含量。用浓HNO3和H2O2（体积比=8:1）混合液在微波消解仪（Milestone ETHOS UP，意大利）进行微波消解[18]根、茎、叶和糙米样品，用电感耦合等离子体质谱联用仪（ICP-MS 7700，安捷伦）测定Cd和As含量。
1.5 数据处理
运用Excel 2010软件进行数据处理和作图。使用SPSS 26.0对试验数据进行多重比较和Ducan’s显著性检验，使用Origin进行Pearson法相关性分析。
2 结果与分析
2.1 钝化材料对稻谷产量的影响
由图1可知，施用钝化材料显著降低了稻谷产量。与CK相比，S、B和SB处理稻谷产量分别降低13.1%、13.5%和22.8%（P<0.05）。
图1
图1
钝化材料对稻谷产量的影响
不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05），下同。
Fig.1
Effects of passivated materials on rice grain yield
Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P < 0.05), the same below.
2.2 钝化材料对土壤pH和有效Fe、Cd和As含量的影响
由图2可知，施用钝化材料显著提高土壤pH，降低土壤有效态Fe含量和有效态Cd含量，但对有效态As含量无显著影响。与CK相比，S、B和SB处理土壤pH分别显著提高1.35、1.35和1.18（P<0.05）；S、B和SB处理土壤有效态Fe含量分别显著降低65.3%、65.7%和53.9%（P<0.05），有效态Cd含量分别显著降低32.6%、38.8%和21.8%（P<0.05）。S和B处理土壤有效态Cd含量比SB处理分别降低13.9%和21.8%（P<0.05）。可见，3种处理均显著降低土壤Cd有效性，同等用量下海泡石和生物炭单施降低土壤Cd有效性效果比两者组配好。
图2
图2
钝化材料对土壤理化性质的影响
Fig.2
Effects of passivated materials on soil physicochemical properties
2.3 钝化材料对水稻根表铁膜Cd、As、Fe含量的影响
由图3可知，施用钝化材料显著降低根表铁膜Cd含量，海泡石和生物炭组配施用显著降低根表铁膜Fe含量，显著增加根表铁膜As含量。S、B和SB处理根表铁膜Cd含量较CK处理分别显著降低58.5%、63.6%和55.0%（P<0.05）。SB处理根表铁膜As含量较CK处理显著增加47.2%，根表铁膜Fe含量较CK处理显著降低25.0%。海泡石和生物炭组配降低了水稻根表铁膜对Cd的固定，增加了根表铁膜对As的固定。
图3
图3
钝化材料对水稻根表铁膜镉、砷和铁含量的影响
Fig.3
Effects of passivated materials on the concentration of Cd, As and Fe in iron plaque
2.4 钝化材料对水稻各部位Cd和As含量的影响
施用钝化材料显著降低水稻根、茎、叶和米Cd含量，对各部位As含量影响存在差异（表2）。与CK相比，S、B和SB处理根Cd含量分别显著降低72.9%、73.5%和81.2%，茎Cd含量分别显著降低55.6%、63.5%和60.9%，叶Cd含量分别显著降低64.6%、67.7%和66.7%，米Cd含量分别显著降低40.0%、35.0%和30.0%。S、B和SB处理间茎、叶和米Cd含量无显著差异。海泡石和生物炭组配施用显著增加根As含量，显著降低茎和米As含量。与CK相比，SB处理根As含量显著增加30.8%，茎As含量显著降低14.6%，米As含量显著降低22.8%。SB处理可同步实现显著降低稻米Cd和As含量。
表2 钝化材料对水稻各部位Cd和As含量的影响
Table 2
| 处理 Treatment | Cd | As | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 根Root | 茎Stem | 叶Leaf | 稻米Rice | 根Root | 茎Stem | 叶Leaf | 稻米Rice | ||
| CK | 9.78±0.41a | 1.89±0.13a | 0.97±0.09a | 0.20±0.02a | 15.58±0.88b | 13.29±0.62a | 11.71±0.18a | 1.01±0.04a | |
| S | 2.74±0.15b | 0.84±0.04b | 0.34±0.02b | 0.12±0.01b | 16.14±1.50b | 14.35±0.65a | 12.26±0.16a | 1.11±0.06a | |
| B | 2.59±0.23bc | 0.69±0.05b | 0.31±0.01b | 0.13±0.00b | 18.12±0.23ab | 14.14±0.70a | 14.03±1.28a | 1.07±0.02a | |
| SB | 1.84±0.16c | 0.74±0.07b | 0.32±0.03b | 0.14±0.01b | 20.38±1.11a | 11.35±0.37b | 12.39±0.54a | 0.78±0.02b | |
同列不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。
Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
2.5 不同指标相关性分析
由图4可知，A-Cd与A-Fe呈显著正相关，与pH显著负相关，表明土壤pH、有效Fe是影响A-Cd的重要因素。CdIP与A-Cd呈显著正相关，表明土壤有效态Cd含量是影响根表铁膜Cd含量的重要因素。CdG、CdL、CdS和CdR与A-Cd和CdIP呈显著正相关，且CdG、CdL、CdS和CdR之间均呈显著正相关，表明土壤有效Cd含量和根表铁膜Cd含量是影响水稻各部位Cd含量的重要因素。
图4
图4
不同指标相关性分析
CdR：根Cd含量，CdS：茎Cd含量，CdL：叶Cd含量，CdG：米Cd含量，AsR：根As含量，AsS：茎As含量，AsL：叶As含量，AsG：米As含量，CdIP：根表铁膜Cd含量，AsIP：根表铁膜As含量，FeIP：根表铁膜Fe含量，A-Cd：有效态Cd含量，A-As：有效态As含量，A-Fe：有效态Fe含量。“*”、“**”和“***”分别表示在P < 0.05、P < 0.01和P < 0.001水平显著相关。
Fig.4
Correlation analysis of different traits
CdR: root Cd concentration, CdS: stem Cd concentration, CdL: leaf Cd concentration, CdG: rice Cd concentration, AsR: root As concentration, AsS: stem As concentration, AsL: leaf As concentration, AsG: rice As concentration, CdIP: Fe plaque Cd concentration, AsIP: Fe plaque As concentration, FeIP: Fe plaque Fe concentration, A-Cd: soil available Cd concentration, A-As: soil available As concentration, A-Fe: soil available Fe concentration.“*”,“**”and“***”are significantly correlated at P < 0.05, P < 0.01和P < 0.001 levels, respectively.
AsR与AsIP呈显著正相关，AsS、AsG与AsIP呈显著负相关，表明根表铁膜As含量是影响水稻根、茎和米As含量的重要因素。AsG与AsS呈显著正相关，表明稻米As含量受到茎As含量的显著影响。
3 讨论
3.1 钝化材料对稻谷产量的影响
3.2 钝化材料对土壤理化性质的影响
海泡石为碱性物质（pH 9.07），含有大量的Mg2+等阳离子，可以与土壤中H+发生离子交换反应，并与HCO3-发生反应，从而提高土壤pH[20]；本研究表明施用海泡石和生物炭显著增加土壤pH，这与Liang等[21]和裴楠等[22]在酸性土壤施用海泡石提高土壤pH的研究结果一致。生物炭pH较高，酸性土壤上施用生物炭可起到石灰化作用；生物质中碱性阳离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+等）在热解生物炭过程中转化为含有不同碱性物质（如氧化物、氢氧化物、碳酸盐等）的灰，碱性物质灰在土壤中溶解，会提高土壤pH[23]。施用海泡石和生物炭可降低土壤有效态Fe含量，有效态Fe与pH呈显著负相关，表明海泡石和生物炭施用提高土壤pH是降低土壤Fe有效性的重要原因，这与裴楠等[22]和肖坤等[24]的研究结果相似。海泡石和生物炭提高土壤pH，土壤溶液中OH-浓度提高，促进土壤中的Fe2+、Mn2+等离子与OH-结合形成羟基化合物，从而减少土壤中有效态Fe含量[22,24]；随着土壤pH的增加，土壤中可变负电荷的数量增加，对Fe2+等阳离子的吸附增加，从而降低了Fe在土壤中的有效性[25]。
土壤pH是影响Cd有效性的重要因素[26]。施用海泡石和生物炭显著降低土壤有效态Cd含量，且有效态Cd与pH呈显著负相关，表明海泡石和生物炭施入后提高土壤pH是降低土壤Cd有效性的重要原因，这与前人[21,23,27]的研究结果一致。土壤pH的提高，首先增加了土壤胶体表面的负电荷，有利于土壤中的Cd形成Cd(OH)2和CdCO3沉淀[28]；其次为土壤中的Fe、Mn离子形成的羟基化合物提供了更多的吸附Cd离子的点位[29]。有效态Cd与有效态Fe呈显著正相关（P<0.05），本研究土壤中有效态Fe含量降低也是土壤有效态Cd降低的重要原因之一。此外，海泡石和生物炭疏松多孔、比面积大，对Cd具有较强的离子交换吸附和表面络合吸附作用，可吸附土壤溶液中的Cd2+，从而降低土壤Cd有效性[30-31]。再次，海泡石中含有-OH，生物炭表面含有大量的-OH、-COOH和-NH2，这些官能团可以与土壤中的Cd发生吸附、离子交换以及共沉淀作用从而降低土壤Cd有效性[22,31]。水稻根系的径向氧损失为土壤补充了氧气，土壤中Fe2+的氧化促进了以无定形Fe-Mn氧化物为主的新型Fe-Mn氧化物的形成[32]，具有较大比表面积和高亲和反应位点的无定形Fe-Mn氧化物通过表面沉淀和络合作用固定土壤中的游离Cd，从而吸附更多的Cd2+[32]。
本试验中，海泡石和生物炭单独施用降低土壤Cd有效性的效果优于两者组配，但其他研究[33-34]结果均表明，2种材料复配施加时对重金属的修复效果好于单独施加。孙慧等[33]向红壤中单独施加生物炭与海泡石后，土壤有效态Cd分别最高降低了45.1%和32.9%，而将2种材料按照1:1的比例复配施加后，有效态Cd最高降低了56.7%。李娟[34]研究发现，1.5%的生物炭和海泡石复配施加时能最大程度地降低土壤有效Cd，降幅为21.9%。与本试验结果存在差异，可能是由于两者组配的情况下，虽然总量不变，但两者用量均减半，两者复配比例的交互作用发生变化。张晓峰等[35]研究发现在钝化剂总施加量为1%时，培养90 d后，1B1S1（生物炭与海泡石质量比为1:1）、1B2S1（生物炭与海泡石质量比为2:1）、1B1S2（生物炭与海泡石质量比为1:2）3个处理在降低土壤有效态Cd含量方面存在显著差异，与CK相比，1B1S1效果最佳。在钝化培养之后土壤有效态Cd的多因素方差分析也表明，海泡石和生物炭的施加量和复配比例的交互作用对土壤中有效态Cd含量有极显著影响。本试验研究与前人[34-35]研究结果存在差异，其原因有待进一步探讨。
3.3 钝化材料对水稻根表铁膜Cd、As和Fe含量的影响
本研究表明，海泡石单施对水稻根表铁膜Fe含量无显著影响，Zhou等[12]研究表明，常规水分管理下海泡石施用对水稻成熟期根表铁膜Fe含量无显著影响，这与本研究的研究结果一致。而曹雲清等[36]的研究表明，全生育期淹水管理下施用海泡石降低了水稻成熟期根表铁膜Fe含量。海泡石对水稻根表铁膜Fe含量的影响可能与水分管理有较大关系，需在同一试验田中研究不同水分管理措施下海泡石施用对水稻根表铁膜Fe含量的影响，以便更好地揭示海泡石对水稻根表铁膜形成的影响机制。本试验表明生物炭单施对水稻根表铁膜Fe含量无显著影响，Yin等[13]通过温室盆栽试验研究发现，在干湿交替管理下施用低剂量稻草生物炭（1%~2%）对水稻根表铁膜Fe含量无显著，而施用3%稻草生物炭可显著增加根表铁膜Fe含量。在长期淹水管理下，施用0.5%和1%生物炭均对根表铁膜含量无显著影响[35]，施用1.4%生物炭显著提高根表铁膜Fe含量[14]。生物炭施用对根表铁膜的影响与其施用量和水分管理相关，干湿交替和淹水管理下低剂量生物炭对水稻根表铁膜均无显著影响。本试验单施生物炭处理施用量低（0.1%生物炭），不会对水稻根表铁膜有显著影响。海泡石与生物炭配施显著降低根表铁膜Fe含量，这可能受海泡石和生物炭的综合影响，一方面两者组配的情况下生物炭施用量减半，不利于根表铁膜的形成，另一方面受水分调控的影响，最终导致两者组配施用显著降低根表铁膜Fe含量，原因还有待进一步探究。
本试验中海泡石、生物炭和海泡石与生物炭配施显著降低稻米Cd含量，稻米Cd与有效态Cd、根表铁膜Cd和根Cd含量均呈极显著正相关，表明海泡石与生物炭施用降低土壤Cd有效性、根表铁膜Cd固定和根Cd吸收是降低稻米Cd含量的主要原因，根表铁膜在水稻吸收Cd中起促进作用。李叶开等[14]研究表明，稻米Cd含量与根表铁膜Cd含量呈显著负相关，根表铁膜抑制了水稻对Cd的吸收。根表铁膜在水稻Cd吸收中是起抑制作用还是促进作用取决于铁膜厚度和老化程度，而铁膜厚度和老化程度与水稻品种、生育期和生长环境条件密切相关[37]。本试验表明海泡石和生物炭组配施用显著降低稻米As含量，显著提高根表铁膜As以及根As含量。由于Cd和As在土壤中的赋存形态和化学行为截然不同[38]，所以降低Cd和As的机理不同。海泡石和生物炭组配施用显著增加根表铁膜与根中As含量，显著降低茎中As含量。相关性分析表明，AsIP与AsR呈显著正相关，与AsG和AsS呈显著负相关。说明海泡石和生物炭组配施用增加了根表铁膜对As的吸附，进而增加根对As的积累，减少地上部对As的积累，这说明海泡石和生物炭组配施用可通过影响As在水稻植株中的吸收与转运来降低米As含量，这与李叶开等[14]的研究结果相似。且有研究[39]表明As在水稻植株体内主要富集在根部。从水稻全生育期加强海泡石和生物炭组配施用下根表铁膜及其对Cd和As吸附动态特征以及Cd和As在根亚细胞分布与化学形态的探索，可深入解析海泡石和生物炭组配施用影响水稻对Cd和As的吸收转运机制。
本研究结果表明，海泡石和生物炭组配可同步降低Cd和As在米中积累，降幅分别达到30.0%和22.8%。需要通过大田试验进一步确定其施用量及其降低稻米Cd和As含量的效果，以便为镉砷复合污染稻田的应用提供更多支撑。
4 结论
海泡石和生物炭及二者配施可显著提高土壤pH，降低土壤有效态Cd含量，对有效态As含量无显著影响。海泡石和生物炭及二者配施显著降低了根表铁膜对Cd的吸附，海泡石与生物炭配施有利于显著增加根表铁膜对As的吸附。海泡石和生物炭配施降低了水稻籽粒Cd和As含量，其原因可能是通过降低土壤Cd有效性、根表铁膜Cd吸附和根Cd吸收而降低籽粒Cd含量，通过增强根表铁膜As吸附和根As截留而降低籽粒As含量。
参考文献
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Remediation techniques for elimination of heavy metal pollutants from soil: A review
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Rhizosphere dissolved organic matter and iron plaque modified by organic amendments and its relations to cadmium bioavailability and accumulation in rice
Iron-based nanomaterials reduce cadmium toxicity in rice (Oryza sativa L.)by modulating phytohormones,phytochelatin,cadmium transport genes and iron plaque formation
Simultaneous reduction in cadmium and arsenic accumulation in rice (Oryza sativa L.) by iron/iron-manganese modified sepiolite
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Effect of biochar from peanut shell on speciation and availability of lead and zinc in an acidic paddy soil
Two-year stability of immobilization effect of sepiolite on Cd contaminants in paddy soil
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Assessment of Cd availability in rice cultivation (Oryza sativa L.):Effects of amendments and the spatiotemporal chemical changes in rhizosphere and bulk soil
Effects of soil acidification and liming on the phytoavailability of cadmium in paddy soils of central subtropical China
The effect of sepiolite application on rice Cd uptake-A two-year field study in Southern China
In situ field-scale remediation of Cd polluted paddy soil using sepiolite and palygorskite
A critical review of biochar-based materials for the remediation of heavy metals contaminated environment: Applications and practical evaluations
Fe(III) reduction due to low pe+pH contributes to reducing Cd transfer within a soil-rice system
Cadmium uptake, accumulation, and remobilization in iron plaque and rice tissues at different growth stages
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Rice seed priming with Se:A novel approach to mitigate As induced adverse consequences on growth, yield and As load in brown rice
