腐植酸铵对土壤重金属锰生物活性的影响

腐植酸铵对土壤重金属锰生物活性的影响

薛胜平　暴文静　刘云森　李成敏　黄鸿杰　姚姗姗　翟瑶瑶

(河北经贸大学生物科学与工程学院　石家庄　050061)

摘　要：土壤重金属污染严重，采用腐植酸肥料土壤原位钝化修复具有优势。用氨化法利用风化煤制备了腐植酸铵，通过室内培养方法，分别在pH5、pH8条件下研究腐植酸铵对加Mn土壤的修复效应。结果表明，腐植酸铵制备的最优工艺为煤氨比1∶1、温度50℃、反应时间1h，用于不同pH模拟Mn污染土壤的室内培养试验，加入3种不同剂量腐植酸铵的土壤活性Mn含量均低于不加的对照；pH5条件下的土壤活性锰含量高于pH8条件下的(P＜0.05)，加入0.08%腐植酸铵的剂量降低土壤活性Mn含量的效果最好。腐植酸治理重金属不仅受pH影响，而且用量并非越多越好。

关键词：腐植酸　锰　土壤污染

Passivation of Heavy Metal Manganese by Humic Acid Ammonium in the Soil

Xue Shengping,BaoWenjing,Liu Yunsen,Li Chengmin,Huang Hongjie,Yao Shanshan,Zhai Yaoyao

(College of Bioengineering,Heibei University of Business and Economics,Shijiazhuang,　050061)

Abstract: Soil heavy metal pollution is serious,the use of humic acid fertilizer soil in situ passivation and restoration has advantages.By ammonification method using weathered coal preparation of ammonium humate,through laboratory incubation method,respectively,in pH5 and pH8 of humic acid ammonium repair effect of Mn addition on soil test.The results showed that the optimal process of ammonium sulfate was 1:1,temperature 50℃,reaction time 1h.The indoor culture experiments of different pH simulated Mn polluted soil,and the content of Mn in the 3 kinds of were higher than those of the control.The content of pH5 was higher than that of pH8 (P<0.05),and the effect of Mn was the best.It is not only affected by pH,but also the amount of it is not the more the better.

Key words: humic acid;Mn;soil pollution

环境保护部和国土资源部联合发布《全国土壤污染状况调查公报》称，全国土壤总的点位超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。一系列先进创新的处理手段，例如土壤挖掘、动电学、固化/稳定化、玻璃化、化学氧化、土壤淋洗技术、表面活性剂泡沫技术、植物修复及自然衰减等，已经在实验室或者田间用于重金属污染的土壤修复研究。微生物矿化、多孔矿物材料及腐植酸钝化也有研究报道。章志明[1]的研究表明，泥炭腐植酸对铜、锌、钼和锰的吸附随pH值的变化呈现先增大后减小的趋势。当pH值为5时，腐植酸对各溶液的吸附率最大。土壤中对植物有效的锰可以分为3类，即水溶性锰、交换态锰和易还原态锰，前两类锰均以二价锰离子形式存在，而后者是高价锰氧化物中易被还原成植物有效锰的部分。受锰污染的土壤主要是酸性土壤，提高土壤pH，能改善污染状况。腐植酸组分较多[2]，对土壤重金属的影响具有多重性。故此进行了用于不同pH模拟Mn污染土壤的室内培养试验，得出腐植酸治理不仅受pH影响，而且与用量有关。

[收稿日期]2015-10-31

[作者简介]薛胜平，女，1962年生，教授，主要从事重金属土壤污染治理工作。E-mail：xsp6210@163.com。

1　材料与方法

1.1　材料

褐煤：产地山西灵石，腐植酸含量50%。其余试剂均为分析纯。

土样：取自河北经贸大学校南门附近的绿化区土壤，石灰性土壤，pH值为7.8，有机质含量为20.3g/kg和含总K量为3%。

1.2　方法

腐植酸铵肥制备。褐煤样品粉碎至一定粒度，加适量水放入三口瓶中，搅拌同时滴入氨水，水浴锅保温一定时间，终止反应。

土壤修复模拟实验研究腐植酸铵对土壤中重金属有效锰含量的影响。将过2mm筛的5g土壤分别放于250mL锥形瓶中，添加MnCl2，使Mn浓度为3.674%，保持田间持水量的70%,28℃老化5周。不同pH条件下分别加入腐植酸铵0.06%、0.08%、0.10%，置于生化培养箱25℃预培养30天，取样测定土壤锰含量。整个培养阶段，随时补充水分，以保持土壤湿度适宜。

有机质测定。用定量的重铬酸钾—硫酸溶液，在加热条件下，使有机肥料中的有机碳氧化，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准溶液滴定，根据氧化前后氧化剂消耗量，计算有机碳含量，乘以系数1.724，为有机质含量。

腐植酸含量的测定。以焦磷酸钠和NaOH混合碱液浸提，浸出液中的总腐植酸在强酸性溶液中，用重铬酸钾将腐植酸中的碳氧化成二氧化碳，剩余的重铬酸钾溶液用硫酸亚铁(或硫酸亚铁铵)标准滴定溶液滴定，同时作空白试验。根据氧化前后氧化剂消耗量以及腐植酸的碳系数计算出样品中总腐植酸的含量。

土壤中有效态锰含量的测定。称取过100目筛的土壤样品0.5g，按文献[3]方法制备待测液。吸取待测液10mL于50mL容量瓶中，加硫酸-磷酸混合液2.5　mL，0.2%硝酸银10mL，补加10mL蒸馏水及15%过硫酸铵溶液10mL，放在沸水浴中煮沸30min，使草酸和草酸盐还原物质完全氧化分解，冷却、定容到刻度。摇匀，并以浸提液同时作空白，在分光光度计上比色，读取吸收值。于标准曲线上，查得锰的值。

统计学处理。实验数据均为3次重复平均值，采用Spss 22进行独立样本t检验比较pH5与pH8的土壤有效态锰含量差别；不同腐植酸铵加入量，单因素AVONA检验两两比较其对土壤活性Mn含量均值的影响。

2　结果与分析

2.1　氨水活化褐煤制备腐植酸铵的工艺条件研究

将粉碎至0.2～0.4mm的褐煤，与氨水反应；按表1设计试验，得出表2的结果。从表2可以得出最佳工艺条件为：腐植酸(折纯，干基)∶NH3=1∶1，加热温度40℃，反应时间2h。按最佳工艺条件进行重复试验，得出腐植酸平均量为8.3%。

表1　生产腐植酸铵正交因素水平表L4(23)
Tab.1 Factors and planes of orthogonal experiment L4(23)

表2　腐植酸铵生产工艺正交结果
Tab.2 Results of orthogonal experiment about humate-NH4

2.2　腐植酸铵对土壤中有效态锰含量的影响

图1可见，腐植酸铵对土壤中有效态锰含量的绝对值的降低，pH5＜pH8，具有显著性(P＜0.05)。

图2可见，腐植酸铵对土壤中有效态锰含量降低的百分率，pH5＜pH8，但没有显著性(P＞0.05)。

图1与图2可见，腐植酸铵对土壤中有效态锰含量降低的趋势相同。

图1　腐植酸铵对不同pH土壤有效态锰含量比较
Fig.1 Comparison of active Mn content in different pH soil by humic acid ammonium

图2　腐植酸铵对不同pH土壤有效态锰的降低率比较
Fig.2 Comparison of the decrease of Mn in different pH soil by humic acid ammonium

图3为腐植酸铵不同用量土壤有效态锰含量的平均值。由图3可见，当腐植酸铵的用量为0.08%的时候对土壤中有效态锰的降低效率最为明显，腐植酸铵的用量分别为0.06%、0.1%g的时候对土壤中有效态锰的降低效率相近，而加入腐植酸铵的3个剂量(0.06%、0.08%、0.10%)与对照相比均有显著差异。

图3　腐植酸铵不同用量土壤有效态锰含量的平均值
Fig.3 Average value of Mn content in different dosage by humic acid ammonium

3　讨论

张彩凤[4]的研究表明，泥炭腐植酸对铜、锌、钼和锰的吸附随pH值的变化呈现先增大后减小的趋势。当pH值为5时，腐植酸对各溶液的吸附率最大。本文得出了相似的结论。重金属元素对植物的有效性主要受土壤的酸碱度(pH)、氧化还原电位(Eh)、有机质含量和阳离子交换量(CEC)等因素的影响。大量研究表明，腐植酸能改变土壤中镉等有害重金属元素的存在形态，从而影响其对植物的有效性[5,6]。锰在土壤中不以元素形态存在，而以二价形式存在，且具毒性[7.8]。研究腐植酸铵对土壤有效态锰含量的影响，腐植酸铵的添加量为1.0　g/kg的时候有效态锰的含量比添加了0.8g/kg腐植酸铵的时候要高，推测随着腐植酸铵添加量的增加，水溶性的腐植酸铵也就是分子量小的腐植酸的量增加了，而出现了土壤有效态锰含量不降反升的结果。

通常对腐植酸肥料只测定腐植酸含量，而不测定阳离子交换量及酸性基团含量，酸性基团为多种功能基团，如羧基、醇羟基、酚羟基、羰基和甲氧基等，因此，具有很高的反应活性，如吸附作用、络合作用、氧化还原作用等，能够与环境中的金属离子、氧化物、矿物质、有机质以及有毒的活性污染物等发生相互作用。腐植酸因带负电且阳离子交换量高，对吸附土壤重金属离子起着重要的作用，同时具有很好的络合性能，对重金属离子可起到显著的络合吸附作用，在合适的条件下，这种吸附作用可有效地阻止重金属离子进入植株中，减轻重金属离子对作物的毒害。

参考文献

[1]章志明，黄占斌，单瑞娟.腐植酸对土壤改良作用的探讨[J].环境与可持续发展，2013，3(3)：1～2

[2]单瑞娟，黄占斌，柯超，等.腐植酸对土壤重金属镉的淋溶效果及吸附解吸机制研究[J].腐植酸，2015，(1)：12～17

[3]陈小萱，祁明楣，纪宝华.土壤农化分析手册[M].沈阳农业大学，1995，(2)：447～451

[4]张彩凤，李凌燕.腐植酸对铜、锌、钼和锰的吸附研究[J].腐植酸，2009，(6)：11～15

[5]王学锋，尚菲，马鑫，等.pH和腐植酸对镉、镍、锌在土壤中的形态分布及其生物活性的影响[J].科学技术与工程，2013，13(27)：8082～8086

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[7]赵峰，谌斌，李明顺.锰及锰镉复合污染对锰矿区茶园土壤酶活性的影响[J].广西师范大学学报(自然科学版)，2008，26(4)：128～131

[8]窦磊，周永章，李勇.珠江三角洲典型肝癌高发区土壤锰形态及其生态效应[J].应用生态学报，2008，19(6)：1362～1368