CN109870320A - 一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，所述评测方法基于快速生长植物黄豆芽建立，可显著缩短传统作物盆栽评测周期。所述方法包括黄豆育种、污染土壤获取、钝化剂施用、豆芽移栽、豆芽培养、植株收获、样品消解测试七个步骤的方法构建。所述方法综合了化学浸提简便与盆栽实验代表性强的优点，涵盖了土壤、钝化剂、植物三者动态交互作用过程，有利于快速、准确、多维度地筛选出优质的土壤重金属钝化剂，为土壤重金属钝化剂评测提供了一种可靠的快速筛选方法，具有很高的应用价值。

Description

一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法

技术领域

本发明属于土壤重金属钝化剂评测技术领域，具体涉及一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法。

背景技术

有效降低污染土壤有效态重金属含量及种植作物重金属含量，是耕地重金属污染治理的重要指标，其中原位钝化技术应用十分广泛，其效能优劣直接影响治理效果，是项目成功与否的关键所在。

为筛选高效土壤钝化剂产品，往往需对较多产品进行效能对比评测，明确其对土壤有效态重金属含量及拟种植作物重金属含量的降低效率，并解析其与土壤重金属迁移、植物吸收转运的相互影响，常见方法包括土壤浸提小试与作物盆栽实验。

土壤浸提小试即简单将钝化剂和污染土壤混合养护一段时间后，通过化学浸提方法判断钝化剂施用对土壤有效态重金属含量的降低效果，但因缺乏植物参与，无法获得对土壤、钝化剂、作物三者的长时间动态交互作用评价，参考性不足，在实践中也经常出现与作物累积规律不统一的问题。

作物盆栽实验则是直接模拟实际情形，采集污染土壤，按照农艺作业方式，将钝化剂施用于土壤中，种植常规作物如水稻、小麦、果蔬等，待作物生长期结束后获取其地上部成品，再以作物重金属累积、土壤理化指标变化作为评测依据，来评判钝化剂对土壤重金属污染的治理效果。该方法代表性强，但供试作物往往受气候、生长期影响，如水稻种植，实验周期长达5个月，工作量巨大，影响优良钝化剂的研发进度。

发明内容

本发明具体涉及一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，选取快速生长类植物黄豆芽为植物样本，豆芽生长快，可满足快筛时间短的要求。植株生物量较大，重金属累积较高，可满足样品测试准确、凸显组间差异的要求。植株为细长状生长，可高密度种植，不占据土壤面积，无需使用大量土壤样品。在此基础上，通过黄豆育种、污染土壤获取、钝化剂施用、豆芽移栽、豆芽培养、植株收获、样品消解测试的步骤方法，构建了一个多维度、快速可靠的土壤钝化剂产品筛选体系。所述体系兼顾了化学浸提简便与盆栽实验代表性强的优点，可用于钝化剂的大通量快速筛选，提高评测效率及研发进度，助力项目实施。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，所述评测方法包括以下步骤：

(1)黄豆育种；

(2)获取或制备污染土壤；

(3)将钝化剂和污染土壤混合均匀；

(4)将豆芽移栽于污染土壤；

(5)豆芽培养；

(6)黄豆植株收获，并测试土壤中重金属的含量；

(7)黄豆植株消解，测试黄豆植株中重金属的含量。

所述步骤(1)具体包括以下步骤：选取饱满优质黄豆种子若干，浸泡至吸水饱和后，取出置于育苗盘上，25℃培养至主根伸长2～4cm，期间喷洒去离子水保持种子湿润。

进一步地，所述育苗盘由储水盘、嵌入型网格层和顶盖组成。储水盘用于盛装去离子水，嵌入型网格层用于盛装种子，顶盖用于阻隔水分蒸发。水系培育时，需在种子上下两侧各垫一张育苗纸，期间不时补充去离子水，保持两侧育苗纸湿润但不被淹，以防种子缺水或腐烂。

步骤(2)中，获取污染土壤的方法为：采集天然重金属污染土壤，经风干、破碎、过筛后制得；所述制备污染土壤的方法为：将破碎、过筛后的无污染土壤与重金属水溶液充分混匀，经老化、晾干、破碎、过筛后制得。

步骤(3)中，钝化剂为污染土壤质量的0.1％～1％，折合150～1500kg/亩，具体视土壤污染情况确定。

所述步骤(3)还包括向混合均匀后的土壤中加入去离子水至土壤饱和。

所述步骤(4)中，应选用黄豆种子经水系培育所得，长势健壮且相当的豆芽幼苗进行移栽，移栽深度为1～2cm，而非种子直播方式。

步骤(5)中，在光照培养箱中进行豆芽培养，所述豆芽培养的条件为：25℃恒温培养，每天光照12h，并每隔3d补加去离子水至土壤饱和。培养期控制在7～20d，过短重金属累积偏低，代表性也不足，过长代表性更强，但影响评测效率。

步骤(6)中，收获黄豆植株的地上部分，具体方法为：于根茎分界处统一剪取豆芽植株地上部样品，用自来水冲洗去除粘附泥土，再用去离子水润洗3次；将洗净样品转移至纸质信封中，在烘箱中85℃烘干至恒重，记录各样品干重。

步骤(7)中，所述黄豆植株消解的方法为：将干燥至恒重的黄豆植株粉碎，置于马弗炉中进行程序升温炭化和灰化，再用稀酸溶解灰化后的样品，过滤，即得消解分析液。

进一步地，所述程序升温的方法为：先30min～2h升温至250～350℃，保温4～6h；再1～2h升温至550～600℃，保温8～12h。该方法可将炭化、灰化一次完成，提高处理效率。

所述稀酸为1％质量浓度的硝酸溶液。

本发明提供的一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法相较传统钝化剂评测方法具有如下优势：

1)体系选取的植物样本-豆芽生长周期短，可在可控环境下快速生长，可将传统作物盆栽评测周期几个月缩短至15～30d，且随用随种，不受大气候影响，如水稻盆栽往往一年只能开展1～2次试验评测。

2)豆芽种植占地面积小，以此为植物样本，可大量高频度培育，短期内可获取大量数据，可作为钝化剂研发的高通量筛选方法。

3)该评测体系是多维度的，综合了化学浸提简便与盆栽实验代表性强的优点，涵盖了土壤、钝化剂、植物三者动态交互作用过程，参考性强，可大幅提高研发评测效率，有利于快速、准确筛选优质钝化剂。

4)评测体系采用干法灰化消解植株样品，相较传统湿法消解，样品消解更便捷、彻底，还可避免植物样品酸消解起泡严重及酸污染问题，结果重现性、可靠性更高。区别于国标干法灰化步骤，采用程序升温，将炭化、灰化合并于马弗炉中一次完成，解决了植株样品不易破碎、炭化废时且不充分的问题，可提高处理效率。

具体实施方式

通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

本发明所列实施例步骤一-黄豆育种：选取饱满黄豆种子若干，于自来水中浸泡至吸水饱和，约4h，取出置于事先加入去离子水并垫有育苗纸的育苗盘上，水面应紧贴但不淹没育苗纸。将种子均匀布撒在育苗纸上，上方再覆盖一张育苗纸，合上育苗盘顶盖，于光照培养箱中25℃恒温培养，期间不时喷施去离子水，以保持上下两侧育苗纸湿润。水系培育3d后，豆芽幼苗主根伸长约3cm，准备移栽。

本发明所列实施例步骤二-污染土壤获取采用两类污染土壤，获取细节如下：

供试土壤一：采集15kg无污染农田土，风干后破碎，过2mm筛后，取10kg置于盆中，并快速加入6.5L Cd浓度为2mg/L的硝酸镉水溶液，充分混匀后，于向阳处老化、晾干、破碎、过2mm筛，制得供试土壤样品一。采用国标酸消解法测得土壤Cd含量为1.27±0.10mg/kg。采用0.1M氯化钙浸提方法，固液比为1:5g/mL，测试土壤有效态Cd含量为0.24±0.03mg/kg。土壤加标均质性良好。

供试土壤二：采集100kg农田Cd污染土壤样品，经风干、破碎后过2mm筛，得到供试土壤样品二。采用国标酸消解法测得土壤Cd含量为0.93±0.11mg/kg。采用0.1M氯化钙浸提方法，固液比为1:5g/mL，测试土壤有效态Cd含量为0.17±0.02mg/kg。土壤污染均质性良好。

两种土壤基本理化性状见表1。

表1土壤基本理化性状

实施例1

体系经黄豆育种，选取供试土壤一作为本实施例的污染土壤，钝化剂分别为凹凸棒土、活性炭、永清钝化剂、环保桥钝化剂，其中凹凸棒土购置于灵寿县恒昌矿产品加工厂，活性炭购置于江苏艾格尼丝环境科技有限公司，永清钝化剂购置于永清环保股份有限公司，环保桥钝化剂购置于环保桥(湖南)生态环境工程股份有限公司。

步骤三-钝化剂施用：实验涉及5个处理组，分别为空白对照组、处理组一、处理组二、处理组三、处理组四，各处理组均设计3个平行。取250mL洁净玻璃烧杯，并加入150g供试土壤样品一。处理组一、二、三、四分别对应加入0.3g凹凸棒土、活性炭、永清钝化剂、环保桥钝化剂，充分混匀后，各组再统一加入90mL去离子水至土壤饱和。

步骤四-豆芽移栽：选取长势健壮且相当的豆芽幼苗，按照6株/盆密度移栽于各烧杯土壤中，移栽深度控制在1～2cm。

步骤五-豆芽培养：将各烧杯随机置于光照培养箱中，25℃恒温培养14d，每天12h开灯补光，12h关灯，并每隔3d向各烧杯中补充15mL去离子水。

步骤六-植株收获：14d后，取出各烧杯，于根茎分界处统一剪取豆芽植株地上部样品，用自来水冲洗去除粘附泥土，再用去离子水润洗3次。将洗净样品转移至纸质信封中，在烘箱中85℃烘干至恒重，记录各样品干重。此外，取出各烧杯土壤样品，摊开风干后破碎，过2mm筛，混匀后随机取5g样品，测试土壤有效态Cd含量，测试方法为0.1M氯化钙浸提，固液比为1:5g/mL。

步骤七-样品消解测试：将各烘干豆芽植株地上部样品转移至洁净高温刚玉坩埚中并依次标号，置于马弗炉中，先1h升温至300℃，保温4h，再1h升温至600℃，保温8h，灰化后样品为白色雪花状。用1％硝酸溶液充分溶解样品并过滤，取滤液样品，采用石墨炉原子吸收分光光度计测试其Cd浓度，并结合样品干重折算豆芽植株地上部Cd含量。

各项具体数据对比见表2。由表2可知，四款重金属钝化剂施用在不影响豆芽地上部生物量情况下，对豆芽地上部Cd积累均有一定的钝化功效，且以永清钝化剂最为突出，地上部Cd含量降幅约60％，活性炭相对较差，降幅约35％。此外，四款钝化剂施用均可显著降低土壤有效态Cd含量，其中永清钝化剂降幅最大，约36％，凹凸棒土降幅最小，约20％。以上数据表明，经本评测体系快速筛选，可较显著地反应不同钝化剂的钝化性能。

表2实施例1各处理组数据对比

处理组	地上部干重(g/盆)	土壤有效态Cd含量(mg/kg)	地上部Cd含量(mg/kg)
				空白组	1.213±0.017	0.227±0.038	0.695±0.032
处理组一	1.072±0.024	0.181±0.029	0.392±0.040
				处理组二	1.156±0.033	0.177±0.030	0.456±0.039
处理组三	1.044±0.018	0.145±0.032	0.284±0.037
				处理组四	1.220±0.031	0.157±0.027	0.323±0.044

实施例2

体系经黄豆育种，选取供试土壤二作为本实施例的污染土壤，钝化剂分别为商业钝化剂、有机肥、膨润土，其中商业钝化剂购置于浙江中地净土科技有限公司，有机肥购置于江苏天象生物科技有限公司，膨润土购置于灵寿县恒昌矿产品加工厂。

步骤三-钝化剂施用：实验涉及4个处理组，分别为空白对照组、处理组一、处理组二、处理组三。取4个30cm*20cm*10cm长方体容器，加入3.5kg供试土壤样品二并平整均匀，土壤深度为48cm。处理组一、二、三分别对应加入10g商业钝化剂、有机肥、膨润土，充分混匀后，各组再统一加入2L去离子水至土壤饱和。

步骤四-豆芽移栽：选取长势健壮且相当的豆芽幼苗，按照70株/容器密度移栽于各长方体容器中，移栽深度控制在1～2cm。

步骤五-豆芽培养：将各容器随机置于光照培养箱中，25℃恒温培养21d，每天12h开灯补光，12h关灯，并每隔3d向各烧杯中补充330mL去离子水。

步骤六-植株收获：21d后，取出各容器，于根茎分界处统一剪取豆芽植株地上部样品，用自来水冲洗去除粘附泥土，再用去离子水润洗3次。将洗净样品转移至纸质信封中，在烘箱中85℃烘干至恒重，记录各样品干重。将各组烘干样品粉碎后，各组随机采集3份组内平行样品，每份约2g。此外，取出各容器土壤样品，摊开风干后破碎，过2mm筛，混匀后于各组随机采集三份组内平行样品，每份约5g，测试土壤有效态Cd含量，测试方法为0.1M氯化钙浸提，固液比为1:5g/mL。

步骤七-样品消解测试：将各豆芽植株地上部样品转移至洁净高温刚玉坩埚中并依次标号，置于马弗炉中，先1.2h升温至320℃，保温4h，再1.5h升温至600℃，保温8h，灰化后样品为白色雪花状。用1％硝酸溶液充分溶解样品并过滤，取滤液样品，采用石墨炉原子吸收分光光度计测试其Cd浓度，并结合样品干重折算豆芽植株地上部Cd含量。

各项具体数据对比见表3。由表3可知，有机肥对豆芽生长有一定增产作用，地上部生物量相比空白增加了约7％，其他两款则与空白相当。三款重金属钝化剂施用对豆芽地上部Cd积累均有一定的钝化功效，且以商业钝化剂最为突出，地上部Cd含量降幅约70％，膨润土相对较差，降幅约50％。此外，三款钝化剂施用均可显著降低土壤有效态Cd含量，其中商业钝化剂降幅最大，约38％，其它两款降幅相当，约25％。以上数据表明，经本评测体系快速筛选，可较显著地反应不同钝化剂的钝化性能。

表3实施例2各处理组数据对比

处理组	地上部干重(g/容器)	土壤有效态Cd含量(mg/kg)	地上部Cd含量(mg/kg)
				空白组	12.799	0.157±0.018	0.477±0.029
处理组一	12.696	0.098±0.014	0.148±0.016
				处理组二	13.652	0.118±0.015	0.175±0.023
处理组三	12.826	0.114±0.020	0.236±0.017

对比例1

本对比例其它步骤与实施例1完全一致，仅对步骤一-黄豆育种和步骤四-豆芽移栽进行改动：不进行黄豆育种及豆芽移栽，直接采用种子直播方式。选取饱满黄豆种子若干，于自来水中浸泡至吸水饱和，约4h取出，选取大小相近的种子，按照6株/盆密度移栽于各烧杯土壤中。因省略了黄豆育种步骤，将种植时间相应调整为17d。

各项具体数据对比见表4。由表4可知，四款重金属钝化剂施用对豆芽地上部生物量、Cd积累及土壤有效态Cd含量的影响规律与实施例1所得数据规律基本一致，表明所述评测体系稳定性良好。然而，相比实施例1，本对比例豆芽植株地上部生物量及Cd含量数据组内偏差较大，对数据对比分析有较大干扰。

表4对比例1各处理组数据对比

对比例2

本对比例其它步骤与实施例2完全一致，仅对步骤七-样品消解测试进行改动：采用国标湿法消解方式。

各项具体数据对比见表5。由表5可知，三款重金属钝化剂施用对豆芽地上部生物量、Cd积累及土壤有效态Cd含量的影响规律与干法灰化所得数据规律基本一致，表明所述评测体系稳定性良好。然而，相比实施例2，本对比例豆芽植株地上部Cd含量数据组内偏差较大，对数据对比分析有一定干扰。

表5对比例2各处理组数据对比

处理组编号	地上部干重(g/容器)	土壤有效态Cd含量(mg/kg)	地上部Cd含量(mg/kg)
				空白组	12.854	0.162±0.015	0.501±0.057
处理组一	12.638	0.105±0.016	0.139±0.035
				处理组二	13.741	0.124±0.017	0.184±0.043
处理组三	12.957	0.119±0.013	0.210±0.042

对比例3

选取供试土壤样品二开展水稻盆栽实验，联络江西萍乡当地农户进行水稻育苗，育苗过程保证无重金属污染。每千克土壤施入0.22g N、0.09g P₂O₅、0.13g K₂O，N、P₂O₅、K₂O分别以尿素、磷酸二氢钾和氯化钾形式添加。

实验涉及4个处理组，分别为空白对照组、处理组一、处理组二、处理组三，各组设计3个平行。将施肥后的土壤样品按照3kg质量均匀分装于各组平行盆栽实验盆中。处理组一、二、三分别对应加入6g商业钝化剂、有机肥、膨润土，并与土壤充分混匀，所述钝化剂与实施例2一致。盆栽土壤加水至饱和，养护7d，后3d保持2cm淹水层，实验用水为无污染去离子水。

待水稻幼苗在育秧盘上长出3～4片叶，且盆栽土壤养护完成后，挑选长势健壮且基本一致的水稻幼苗进行移栽，每盆3株，采用当地农艺习惯管理盆栽。待水稻成熟后，收集各盆稻谷样品，通过水浮法清洗稻谷并去除秕谷，饱谷在烘箱中85℃烘干至恒重并称量。烘干饱谷样品经脱壳、粉碎获取糙米样品，采用国标酸消解法测试其Cd含量。此外，还采集根际土壤样品约50g，风干、磨碎后过2mm筛，取样测试土壤有效态Cd含量。

各项具体数据对比见表6。由表6可知，有机肥处理组糙米增产约10％，其他两款则与空白相当。三款重金属钝化剂施用对糙米Cd积累均有一定的钝化功效，且以商业钝化剂最为突出，糙米Cd含量降幅约78％，低于国标标准限值0.2mg/kg，膨润土相对较差，降幅约43％。此外，三款钝化剂施用均可显著降低土壤有效态Cd含量，其中商业钝化剂降幅最大，约40％，其它两款降幅相当，约29％。综合钝化效果，推荐使用商业钝化剂。本对比例与实施例2选取相同钝化剂开展实验，数据规律基本一致，表明本发明公开的评测体系代表性强，应用价值高，可替代长周期作物盆栽评测方法，提供一种用于钝化剂性能的快速评价筛选体系。

表6对比例3各处理组数据对比

处理组编号	糙米干重(g/盆)	土壤有效态Cd含量(mg/kg)	糙米Cd含量(mg/kg)
				空白组	71.56	0.176±0.015	0.811±0.087
处理组一	69.89	0.106±0.017	0.179±0.036
				处理组二	78.73	0.127±0.018	0.323±0.048
处理组三	70.91	0.123±0.016	0.461±0.054

上述参照实施例对一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，所述评测方法包括以下步骤：

(1)黄豆育种；

(2)获取或制备污染土壤；

(3)将钝化剂和污染土壤混合均匀；

(4)将豆芽移栽于污染土壤；

(5)豆芽培养；

(6)黄豆植株收获，并测试土壤中重金属的含量；

(7)黄豆植株消解，测试黄豆植株中的重金属的含量。

2.根据权利要求1所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：选取饱满优质黄豆种子若干，浸泡至吸水饱和后，取出置于育苗盘上，25℃培养至主根伸长2～4cm，期间喷洒去离子水保持种子湿润。

3.根据权利要求2所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，所述育苗盘由储水盘、嵌入型网格层和顶盖组成。

4.根据权利要求1所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，步骤(2)中，获取污染土壤的方法为：采集天然重金属污染土壤，经风干、破碎、过筛后制得；所述制备污染土壤的方法为：将破碎、过筛后的无污染土壤与重金属水溶液充分混匀，经老化、晾干、破碎、过筛后制得。

5.根据权利要求1所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，步骤(3)中，钝化剂为污染土壤质量的0.1％～1％；所述步骤(3)还包括向混合均匀后的土壤中加入去离子水至土壤饱和。

6.根据权利要求1所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，豆芽的移栽深度为1～2cm。

7.根据权利要求1所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，步骤(5)中，在光照培养箱中进行豆芽培养，所述豆芽培养的条件为：25℃恒温培养7-20d，每天光照12h，并每隔3d补加一次去离子水。

8.根据权利要求1所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，步骤(7)中，所述黄豆植株消解的方法为：将干燥至恒重的黄豆植株粉碎，置于马弗炉中进行程序升温炭化和灰化，再用稀酸溶解灰化后的样品，过滤，即得消解分析液。

9.根据权利要求8所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，所述程序升温的方法为：先30min～2h升温至250～350℃，保温4～6h；再1～2h升温至550～600℃，保温8～12h。

10.根据权利要求8或9所述的土壤重金属钝化剂性能的快速评测方法，其特征在于，所述稀酸为1％质量浓度的硝酸溶液。