粘土礦物修復(fù)農(nóng)田重金屬污染土壤的研究綜述

曾 科

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410000）

我國(guó)農(nóng)田土壤環(huán)境受重金屬污染情況十分嚴(yán)重。各種工業(yè)廢水、廢氣、廢渣、畜禽糞便、化肥農(nóng)藥、污水灌溉和污泥農(nóng)用等均可成為污染的來(lái)源。而重金屬的特性決定了土壤重金屬污染的表聚性、累積性、隱蔽性和難治理性等特點(diǎn)。

目前，農(nóng)田重金屬污染土壤修復(fù)的研究主要分兩類： ①利用技術(shù)手段去除土壤中的重金屬污染物，主要以各種工程措施和植物修復(fù)為代表；②通過(guò)改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，降低其在土壤中的遷移性和生物可利用性，從而減少農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收，如原位鈍化修復(fù)等。鑒于農(nóng)田土壤重金屬污染常常涉及面積很大、污染程度不高，從土壤中去除重金屬的技術(shù)往往成本過(guò)高，因此發(fā)展原位鈍化方法是目前中輕度污染土壤修復(fù)的較好選擇。

粘土礦物是一些含鋁、鎂為主的含水硅酸鹽礦物質(zhì)，在環(huán)境中分布廣泛。粘土礦物因?yàn)槠浔旧砭哂辛己玫奈叫阅芎秃艽蟮碾x子交換容量，使得它在自然環(huán)境中是一種良好的去除污染物的物質(zhì)。不同于其他土壤改良劑，粘土礦物具有廉價(jià)、易操作、見(jiàn)效快、不易改變土壤結(jié)構(gòu)和土壤生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn)。

本文闡述了海泡石、坡縷石、沸石、膨潤(rùn)土、硅藻土等粘土礦物對(duì)農(nóng)田重金屬污染土壤的修復(fù)效果以及影響修復(fù)效果的主要因素，并對(duì)今后的研究進(jìn)行了展望。

1 土礦物土壤改良劑

（1）海泡石。海泡石，是一種纖維狀的含水硅酸鎂。它普遍的適用性、低廉的價(jià)格以及易操作性等這些優(yōu)點(diǎn)使得它在農(nóng)田重金屬土壤修復(fù)中具備優(yōu)勢(shì)。海泡石對(duì)鎘、鋅、銅和鉛等重金屬均具有吸附能力；同時(shí)通過(guò)提高稻田土壤的pH和降低重金屬的生物可利用性[1]，從而抑制植物對(duì)重金屬的吸收。其對(duì)土壤的修復(fù)效果已在盆栽實(shí)驗(yàn)和田間實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的驗(yàn)證[1，2]。

（2）坡縷石。坡縷石，是一種纖維狀的鋁鎂層狀硅酸鹽。它對(duì)水溶液中的銅、鋅、鎘、鎳等重金屬離子具有良好的吸附能力。梁學(xué)峰等[1]發(fā)現(xiàn)，坡縷石可減少鎘的毒性浸出濃度和土壤中可交換態(tài)的鎘，從而顯著減少水稻中鎘的含量。

（3）沸石。沸石是沸石族礦物的總稱，其硅（鋁）氧四面體連成的三維格架中的空穴和通道，使其具有吸附性；而其結(jié)構(gòu)中分布著容易置換的堿金屬離子及水分子，使其具有很大的陽(yáng)離子交換容量和保水性。上述這些性質(zhì)不僅使得沸石能改善農(nóng)田土壤pH值、提高土壤養(yǎng)分、增加土壤陽(yáng)離子交換容量，而且還能使得沸石能有效降低土壤中重金屬離子的含量。

（4）膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土，其主要成分為蒙脫石，屬單斜晶系2:1型網(wǎng)架狀結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有很強(qiáng)的吸水性、膨脹性、吸附性、粘著性和陽(yáng)離子交換性等。此外，膨潤(rùn)土還含有一些植物生長(zhǎng)所需的元素，如鉀、磷、鎂等。由于膨潤(rùn)土的這些特殊性質(zhì)，使其作為土壤改良劑對(duì)土壤的理化性質(zhì)、肥料的利用效率及一些受污染的土壤有良好的改良和修復(fù)作用。

（5）硅藻土。硅藻土是一種具有微米/納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的天然硅質(zhì)沉積巖。主要由古代硅藻的遺骸組成，其化學(xué)成分以SiO2為主。由于其生物成因，使其具有環(huán)境友好的特點(diǎn)。硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積使其能有效地吸附農(nóng)田土壤中的重金屬，從而修復(fù)污染農(nóng)田土壤。劉波濤等[3]研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土的添加不會(huì)過(guò)多的改變土壤pH 值等理化特性，而不同程度的減少土壤中的有效態(tài)銅、鋅、鎘的含量，含量降低率在60%以上。

2 粘土礦物修復(fù)效果

粘土礦物修復(fù)農(nóng)田重金屬污染土壤的修復(fù)效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：主要有以下幾種方式：

（1）降低土壤中重金屬的活性。粘土礦物能通過(guò)吸附、配位反應(yīng)、共沉淀反應(yīng)等作用，減少土壤中的重金屬含量和活性。

在田間實(shí)驗(yàn)和盆栽實(shí)驗(yàn)中，海泡石能減少土壤中可交換態(tài)鎘的含量；在盆栽實(shí)驗(yàn)中，膨潤(rùn)土能減少土壤中可交換態(tài)鎘和鉛的含量。

（2）降低農(nóng)作物中重金屬的含量。海泡石、坡縷石以及膨潤(rùn)土均能使得大米和蔬菜中重金屬含量降低，其下降量與土壤理化性質(zhì)、重金屬形態(tài)、作物生物量以及鈍化劑的投加量等因子相關(guān)。

（3）對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響。修復(fù)農(nóng)田土壤必須保證其土壤上能正常生長(zhǎng)農(nóng)作物。農(nóng)田土壤中添加粘土礦物一般會(huì)導(dǎo)致土壤pH上升，但由于粘土礦物是一種構(gòu)成土壤的天然物質(zhì)，因此，粘土礦物對(duì)土壤理化性質(zhì)影響不大。

3 影響修復(fù)效果的主要因素

（1）土壤pH值。土壤pH值對(duì)于農(nóng)田中重金屬的遷移性和生物可利用性有著十分關(guān)鍵的作用，它可以影響農(nóng)田土壤表面的離子交換、絡(luò)合反應(yīng)以及其他金屬結(jié)合的過(guò)程。隨著pH的增加，稻田土壤表面和土壤有機(jī)質(zhì)表面的負(fù)電荷隨之增加，這使得土壤對(duì)重金屬離子的吸附能力增強(qiáng)，從而降低重金屬的遷移性。海泡石、坡縷石、膨潤(rùn)土等粘土礦物成堿性，因此，它們對(duì)酸性農(nóng)田土壤的修復(fù)效果更佳。

（2）土壤水質(zhì)條件。重金屬的溶解性和生物可利用性主要依賴于土壤pH值和氧化還原電位（Eh）。對(duì)于農(nóng)田土壤，其水質(zhì)條件對(duì)土壤Eh有著很大的影響。有研究表明,海泡石能使淹水稻田中的pH值上升，Eh下降，使得土壤表面陰離子電荷增加，從而使得Cd的遷移性減少。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

迄今為止，對(duì)于應(yīng)用粘土礦物修復(fù)農(nóng)田重金屬污染土壤還處于起步階段，很多方面有待進(jìn)一步深入研究：

（1）修復(fù)效果的長(zhǎng)期有效性。長(zhǎng)期有效性是篩選修復(fù)技術(shù)的重要指標(biāo)。由于農(nóng)田土壤是一個(gè)開(kāi)放的體系，當(dāng)土壤理化性質(zhì)改變時(shí)，被粘土礦物吸附的重金屬很可能重新釋放到環(huán)境中。目前，由于周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)條件不易控制等問(wèn)題，這方面的研究還需進(jìn)一步深入。

（2）粘土礦物的修復(fù)能力。雖然粘土礦物在土壤修復(fù)中具有環(huán)境友好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但它仍然存在如相對(duì)有限的吸附點(diǎn)位和絡(luò)合點(diǎn)位，施用量大使成本增加等問(wèn)題。對(duì)粘土礦物的表面改性可以改善粘土礦物的表面性質(zhì)，增強(qiáng)其對(duì)農(nóng)田土壤的修復(fù)效果。目前，這方面的研究還未建立成本-修復(fù)效果的關(guān)系，有待進(jìn)一步研究。

（3）如何從實(shí)驗(yàn)研究推廣到大尺度的農(nóng)田土壤修復(fù)中。目前粘土礦物對(duì)農(nóng)田土壤的改良效果多數(shù)是在盆栽或田間實(shí)驗(yàn)中獲得，如何將其應(yīng)用于成片的農(nóng)田土壤，還有許多問(wèn)題需要解決，如不同類型土壤中粘土礦物的施用量以及施用后土地耕作方式的最優(yōu)化、修復(fù)的長(zhǎng)期有效性等。