土壤有机质对镉污染土壤修复的影响

1、第46卷第4期土壤通报2015 年 8 月Chinese Journal of Soil Science土壤有机质对镉污染土壤修复的影响宋波1，2,曾炜铨1(1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004；2.广西环境污染控制理论与技术重点实验室,广西桂林541004)摘 要:镉是生物非必需具生物毒性元素，有机质作为修复镉污染土壤的重要改良剂之一而备受关注。土壤有机质通过对土壤理化性 质、对镉的吸附-解析、络合作用、生物有效性作用影响镉污染土壤修复效果。主要阐述了土壤有机质对镉污染土壤修复的影响作用 机制，探讨了有机质的适用条件、影响因子，分析了工程应用过程存在的问题，以期为重金属污

2、染土壤修复技术研究提供新的思路。关键词:有机质;镉;修复;吸附中图分类号：X53文献标识码：A文章编号:0564- 3945(2015)01- 1018- 07宋波，曾炜铃.土壤有机质对镉污染土壤修复的影响J. 土壤通报，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年中国农业环境报告中，我国镉污染农田 面积达到9333 hm2,超过10000 hm2 土壤中镉含量范 围为1 10 mg kg- 1，远远超过了国家土壤环境二级质量 标准限定值0.3 mg kg-11,2。镉是一种有毒痕量元素3， 在联合国环境规划署和美国国家环境保护局(OEPA) 优先污染物名单排名中分别列为首位、第六位4, 5。镉 在土壤中蓄积性强、迁移能力强6,能影响深层土壤。土 壤镉污染主要来源于矿业冶炼、工业废水及废弃物排 放、含镉电镀材料与颜料的生产和使用。土壤镉进入人 体的途径主要有三种方式7：( 1)食物摄入；(2)皮 肤接触;(3)吸入大气中含镉颗粒，而土壤镉

4、主要通过 食物摄入威胁人体健康8。镉在人体中的半衰期长达 2040年，可引发“骨痛病”和肾损害等症状，联合国粮农 组织和世界卫生组织(FAO/WHO)建议正常成人每天摄 镉量为59 71物9。可见土壤镉污染问题极为严重，一 旦土壤出现累积镉趋势，势必影响土壤微生物新陈代谢机 制10，毒害农作物的生长，潜在威胁人体健康。随着城乡 居民对生活健康质量安全性问题的理解日益增强，对土壤质量安全问题更加重视。因此，如何 修复镉污染土壤及其影响因子等问题备受国内外学者 们的关注11。3重金属污染土壤的处置是一项耗资巨大而又艰巨的 任务，为提高重金属污染土壤的修复效果，使用范围较 为广泛的土壤改良剂主要包括

5、有机类、无机类等材料 1416，其中，因有机质与土壤镉存在一定相关关系， 对镉的亲电性较强17, 18，能够定量地测定土壤镉含量， 又对镉污染土壤修复影响效果最佳及经济高效等优点而 备受广泛关注与应用。目前能够系统介绍有机质对镉 污染土壤的影响机理及其适用条件、影响因子的文献 较少，鉴于此，本文通过相关文献整理、工作经验等途径 系统地概述了有机质对镉污染土壤的影响机理、影响因 子，评述了有机质在实际应用中存在的问题及展望。土壤有机质的来源及组分土壤有机质泛指土壤中主要来源于生命的物质，包 括腐殖质、生物碳、可溶性碳和可氧化碳等。不同有 机质来源类型对镉在土壤中的生物有效性影响存在差 异，按其来

6、源可分为外源有机质与内源有机质两类：外 源有机质主要指通过施肥、堆肥等方式获取的含有较 多有机质的有机物料(如猪、鸡粪等粪便或稻草等植物 残体)；内源有机质主要是来自于土壤里微生物新陈代谢 产物或动植物残体的腐化分泌物等，主要分泌产物为 胡敏酸、胡敏素等。不同来源的有机质对镉的吸附- 解析等作用影响各不相同，本文分别以表1中罗列的 有机质来源作为关键词通过中国知网、Science direct 等数据库检索出国内外具有影响镉污染土壤修复作用的 有机质及其应用方面的文献，大多数含有机质的材料 都能显著地提高农作物的产量，降低镉在土壤中的生 物有效性和可迁移性，而污泥、水稻等秸秆等含有机质 材料可

7、能是由于其对土壤镉的络合作用，促进了土收稿日期：2014- 12- 14 ；修订日期：2015- 2- 11基金项目：国家自然科学基金(41161056)、广西“八桂学者”建设工程专项经费和广西自然科学基金重大项目(2013GXNSFEA053002)资助壤对镉的解析能力，导致土壤镉的淋出。土壤有机质组分对重金属修复效果影响密切，目前报道较多的土壤有机 质主要是溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)和颗粒态有机质(particulate organic matter, POM)。溶解性有机质是最为活跃部分，包括水溶、酸 溶、碱溶等可溶解有机质，能直接作用于土

8、壤理化性 质，影响重金属在土壤中的吸附-解析、螯合和络合等 作用;颗粒态有机质主要为粒径较小(黄泥土 红壤，与有机质含量大小基本一致30，在 添加同一种DOM的前提下，DOM对Cd吸附的抑制作 用均为赤红壤 水稻土 褐土31，而在去除土壤有机质 后，土壤对镉的吸附率均降低32, 33，对镉的吸附行为具有明显的抑制作用，这是因为有机质能通过提 高土壤有机碳的累积31,改变土壤表面的负离子数量，在 表面络合、沉淀、离子交换等作用下增加土壤对镉离子的吸 附M, 33, 34,形成稳定的重金属-颗粒态有机质复合体。 土壤有机质还能打破重金属离子在土壤中的沉淀-溶解平衡，分解土壤中的矿物，解析出重金属离

9、子，这是因为土壤有机质溶解后与土壤中镉离子产生 竞争,减少了土壤对镉离子的吸附点位数量，降低了土 壤对镉离子的吸附能力，导致镉离子的淋出。土壤有机质对镉生物有效性的影响土壤有机质会降 低镉在土壤中的生物有效性。土壤有机质通过提高土壤有 机碳含量等方式，既能促进微生物增长35,减轻镉对土壤微生物危害36,又能降低镉对蜗牛的生物 毒害37,降低外源镉在土壤中的可迁移性和生物有效性 38。土壤有机质会促进植物对镉吸收、输送、贮存能 力，这是因为土壤有机质中含有大量官能团，能与镉离 子发生配位、络合等作用，形成稳定含镉有机螯合物， 被植物根系细胞吸收、转运输送，积累在茎叶部，降低镉对植物的生物毒害，还

10、能提高高粱的生物量，促进 高粱植物对镉的根部固定39。泥炭土40、鸡粪41等含 量较大的有机质分别能降低甜瓜对镉的吸附、有效地 降低小麦组织50%的镉含量，促进小麦生长;油菜籽残 渣42会降低活性镉含量约5% 14%,滨藜叶部含镉量 从1.4 mg kg- 1降低至0.6 mg kg- 1,促进了滨藜的生长43；家禽粪便堆肥会缓解镉对小白菜的毒害，促进小白菜的生 分数会影响土壤对镉离子的吸附，土壤粘粒质量分数 越高，粘粒矿化组分越大,土壤对镉的吸附速率越低，相 关研究表明30,不同类型土壤对Cd2+的吸附能力大小 为：黑龙江黑土 蒙古灌溉土 湖北新洲潮土 湖北咸宁红壤。2.3.3根际微生物根系

11、是微生物生长旺盛的区域， 也是植物体直接接触土壤和吸收土壤重金属的主要器 官，植物通过与植物共生的微生物自身代谢活动或分 泌物来溶解或转化活性较低的赋存形态Cd,提高Cd 在土壤中的生物有效性，促进根系对Cd的吸收、积累 和转运。这是因为土壤微生物能通过分泌有机酸，降低 土壤pH,与土壤重金属络合或螯合作用34,能被植物 吸收、转运，达到转移修复土壤镉污染的效果。2.3.4有机物粒径及含量有机物粒径大小、含量会影 响土壤对镉的富集程度。有机物粒径越小，对镉离子 的富集程度就越大54。章明奎等55, 56探究有机质不同粒 径对重金属富集程度表明，粒径较小的有机物对重金属的 富集效果高于粒径较大的

12、有机物，对镉富集系数分别为 1.4 3.2、2.7 7.8。土壤有机物中有机质含量高低会影 响对重金属在土壤中的赋存形态，有机结合态镉是可溶态 镉的主要成分，有机质能产生很多有机结合位点与镉结合57。有机物中有机质含量与有机结 合态镉存在正相关关系，与碳酸盐结合态镉存在负相 关关系，当有机物含量减少时，会促进水溶态镉含量的长44；Wu等45种植油菜-堆肥后，再种植水稻，降 低了水稻的镉含量约46% 80%。增加582.3.5 土壤有机质的溶解性由于土壤有机质对重金土壤有机质对镉污染土壤修复作用的影响因子属的作用方式极为复杂，可通过物化分组、生物稳定性2.3.1 pH 镉在土壤中的释放能力随着

13、pH值 下降 而增加影响镉在土壤中的浓度46, 47镉的生物毒性与,u密切相关48存在一定空间相关，幽9 土壤酸化会加pH速镉在土壤中的可移动性影响深层土壤f50镉对pH值变化极为敏感短期的土壤酸化会降低土壤有机质的含量51降低土壤对重金属的吸附能力52当pH 6 时W增大土壤对镉的释放能力 促进镉在土壤中的迁 移能力 当pH 4时， 土壤有机质会活化镉离 子促进镉离子在土壤中的迁移53 一般情况下有机 重金属螯合物的稳定性也随pH值的增加而增加。在 今后添加土壤有机质时 可通过调节土壤的pH值大 小来调控土壤对镉离子的吸附能力 影响土壤有机金, 属络合物的形成调节重金属在土壤中的行为 2.3

14、.2 土壤粘粒质量分数土壤自身性质如粘粒质量等方式分组59本文主要探讨以土壤有机质极性类型将土壤有机质分为疏水有机质和可溶解有机质两部分 土壤有机质溶解会促进有机重金属螯合物的产生60, 61。 水溶性有机质是有机质最活跃组分有中性水溶酸溶。 碱溶有机质可通过动植物残体排泄物等提取出来备受环境科学及土壤科学家关注溶解性有机质主要通过 增加土壤有机碳促进镉在土壤中的可迁移性62,狗增加 63 水溶性镉16如藤菜对镉的吸收量会随水溶性有机质体积含量的增加而增加64提高镉的活性65陈同斌 等31在稻秆和底泥中水溶性有机质对镉吸附。-解析作 用研究中得出 稻秆和底泥中的水溶性有机质会降低 土壤对镉的最

15、大吸附量和吸附效率降低范围为17.3% 93.9%这与Wong等66探究污泥溶解性有机 质对镉的吸附量影响效果基本一致生物残体排泄物 、的腐殖化程度高对镉的吸附能力较强67马羊粪家 粪中的可溶性有机质在低剂量的情况下会降低镉对地 下水的危害降低镉浸出风险68, 69李兴菊等70在紫色可通过配合同位素技术，更系统地了解土壤有机质对镉 在土壤-植物系统的变化规律和影响机制，为提高镉污 染土壤修复效率等方面研究提供新的指导和方向。土和黄壤土分别添加由稻草、猪粪提取的水溶性有机 质试验中发现，在紫色土、黄壤中，稻草水溶性有机质 明显地抑制了镉的吸附；而猪粪水溶性有机质对镉的吸 附有促进作用。土壤有机质

16、工程性应用存在的问题不同来源的有机质对镉的吸附行为影响各不相同，一是可溶性或颗粒性有机质会增强镉在土壤中的 活性，降低土壤对镉吸附，促进镉在土壤中的生物有效 性，具有一定的活化效应；另一种现象是有机质本身含 有或可分解产生胡敏酸和胡敏素，通过络合反应与镉 离子生成稳定络合物，将镉固定在土壤中，降低镉在土 壤中的生物有效性，达到钝化效果。大多数镉污染土壤 类型为复合重金属污染，往往会添加生石灰等碱性物 质或者含磷物质来钝化修复复合重金属污染土壤，当该 以镉为主的重金属污染土壤含有机质较高时，就要考 虑生石灰等碱性物质的用量，这是因为添加石灰石 等碱性物质71,72后，会导致土壤溶液中可溶性有机碳

17、 含量升高，增大可溶性的重金属有机质络合物，促进镉 在土壤中的淋溶作用；复合使用含磷材料73,74时应当 注意土壤pH值情况，当pH 4时，土壤有机质含量 较高会严重阻碍氯磷铅石的形成，这是因为土壤有机 质会富集在氯磷铅石种晶的表面，削弱晶体的生长，降 低了含磷材料对铅、锌、镉等重金属的修复效果。土壤有机质是N、P等营养元素向水体迁移的重 要载体，是水体藻类、微生物生长的重要生物能源物 质。沉积物中的有机质与磷的生物地球化学循环密切 相关75, 76，土壤对镉的解析量随着磷含量的增加而增 加77;可溶性有机质作为分散剂能影响水中悬浮物絮凝 沉降过程，改变水体颜色和降低水质，根据自身及分解 产物以不同途径方式影响土壤对N、P等营