腐植酸功能化沸石协同热活化改性增强弱碱性土壤镉固定机制研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：A novel modified zeolite enhances Cadmium immobilisation in weakly alkaline soil: Synergistic mechanisms of thermal activation and humic acid functionalization

本研究针对弱碱性土壤中镉污染修复难题，通过热活化和腐植酸功能化技术开发改性沸石材料。结果表明腐植酸改性沸石（FZ）能通过离子交换、有机-无机螯合等多途径将酸溶性镉降低49.96%，残渣态镉提升84.72%，使辣椒果实镉含量降低78.57%，产量提升39.57%，并显著改善土壤微生物群落结构，为碱性土壤重金属修复提供新技术方案。

　　

随着工业化进程加速，农田土壤镉污染已成为威胁粮食安全和人体健康的重大环境问题。据《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤点位超标率达19.40%，其中镉超标率最高（7.00%），受污染耕地面积已达2000万公顷。特别值得关注的是，弱碱性土壤在我国北方地区分布广泛，而传统修复材料如生物炭、海泡石等在碱性条件下钝化效果显著受限——这主要由于碱性环境中竞争性阳离子浓度升高，会与重金属离子争夺沸石等材料的交换位点，同时溶解性有机质易与重金属形成可溶性络合物，进一步阻碍修复效果。

面对这一技术瓶颈，山东农业大学资源与环境学院的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表创新性研究成果。他们通过热活化与表面功能化技术，开发出高温改性沸石（HZ）和腐植酸改性沸石（FZ）两种新型材料，系统探究了其对弱碱性土壤性质、镉形态转化、植物生长及土壤微生物的影响。

研究团队采用盆栽实验设计，以镉污染土壤（2 mg·kg^-1，pH 8.13）为基质，设置空白对照（CK）、天然沸石（NZ）、高温改性沸石（HZ）和腐植酸改性沸石（FZ）四个处理，开展为期90天的辣椒栽培实验。关键技术方法包括：材料表征采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）；土壤镉形态分析采用BCR连续提取法；植物生理指标通过紫外分光光度法测定；微生物群落通过16S rRNA基因扩增子测序技术分析。

3.1 改性沸石对土壤性质的影响

研究发现改性沸石能显著改善土壤肥力指标。与CK相比，FZ处理使土壤水分、全氮（TN）、速效磷（AP）和速效钾（AK）含量分别提升12.69%、23.68%、25.68%和14.18%，同时氧化还原电位（Eh）显著降低5.64%，创造了更利于镉固定的还原性微环境。

3.2 土壤重金属形态分布

改性沸石尤其是FZ能有效转化镉的赋存形态。FZ处理使酸溶性镉、可还原态镉和可氧化态镉分别降低50.00%、42.31%和51.38%，而残渣态镉增加84.72%。这种由生物有效态向稳定态的转化，显著降低了镉的迁移性和生态风险。

3.3 辣椒生长指标及生理生化特性

FZ展现出最佳的植物保护效果，使辣椒株高、茎粗、根长和产量分别增加33.62%、36.41%、50.80%和39.57%。生理指标方面，FZ处理叶片超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性降低49.46%和31.83%，丙二醛（MDA）含量下降35.70%，而叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别增加104.76%、136.59%和149.85%，表明镉胁迫引起的氧化损伤得到有效缓解。

3.4 辣椒器官中镉的生物浓缩和转运

FZ显著抑制了镉在植物体内的积累和转运。根部镉含量降低46.92%，果实镉含量降低78.57%。生物浓缩因子（BCF）分析显示，根系和果实的BCF值分别降低30.30%和57.14%，转运因子（TF）降低10.84%，说明FZ既阻碍了根系对镉的吸收，也抑制了镉向地上部的转运。

3.5 改性沸石对土壤微生物群落的影响

微生物群落分析表明，改性沸石提高了细菌α多样性，Chao1和Shannon指数显著增加。在门水平上，FZ处理使酸杆菌门（Acidobacteriota）和疣微菌门（Verrucomicrobiota）丰度提升，这些微生物与有机质分解和养分循环密切相关。共现网络分析显示FZ处理组微生物网络连接更复杂，表明土壤生态系统的稳定性增强。

讨论部分深入解析了改性沸石的多重作用机制：高温处理通过去除沸石表面杂质、扩大孔径提高了比表面积；腐植酸引入的羧基、酚羟基等官能团增强了镉的络合能力；土壤Eh的降低促进了硫化镉等难溶性沉淀的形成。相关性分析进一步证实残渣态镉与叶绿素含量呈正相关，与抗氧化酶活性呈负相关，揭示了镉固定化与植物生理响应的内在联系。

该研究首次系统阐明了腐植酸功能化沸石在弱碱性土壤中的镉钝化效能与机制，通过材料改性-土壤环境-植物响应-微生物群落的多维度解析，为碱性土壤重金属污染治理提供了理论依据和技术支撑。未来研究可聚焦于田间验证、施用参数优化以及分子机制探索，推动该技术在实际农业生产中的推广应用。