4種環(huán)境材料施用對(duì)土壤鉛、鎘形態(tài)的影響

張博倫 黃占斌 崔鵬濤

摘要：采用4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以不添加環(huán)境材料和磷肥為對(duì)照（CK），研究保水材料（A）、腐殖酸（B）、鈉基膨潤(rùn)土（C）和磷肥（過磷酸鈣，D）4種環(huán)境材料對(duì)土壤重金屬鉛（500 mg/kg）、鎘（5 mg/kg）形態(tài)的影響。結(jié)果表明，土壤中Pb形態(tài)分布為殘?jiān)鼞B(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>可交換態(tài)，Cd形態(tài)分布為可交換態(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>殘?jiān)鼞B(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài);添加環(huán)境材料和磷肥可使Pb、Cd的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)比例較CK有降低，穩(wěn)定態(tài)（鐵錳氧化態(tài)+有機(jī)結(jié)合態(tài)+殘?jiān)鼞B(tài)）較CK有提高;其中磷肥和腐殖酸對(duì)Pb形態(tài)分布影響最大，組合（A2B1C2D3）較CK鉛的穩(wěn)定態(tài)增加3.86%;保水劑和磷肥對(duì)Cd形態(tài)分布影響最大，組合（A2B3C1D2）較CK穩(wěn)定態(tài)增加11.36%。比較發(fā)現(xiàn)，添加環(huán)境材料對(duì)土壤鉛、鎘形態(tài)均有不同程度影響。該結(jié)果可為土壤鉛、鎘穩(wěn)定化治理提供參考。

關(guān)鍵詞：腐殖酸;保水劑;鈉基膨潤(rùn)土;過磷酸鈣;鉛;鎘;形態(tài)分布

中圖分類號(hào)：X53 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）12-0293-04

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，通過工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市垃圾、汽車尾氣等進(jìn)入土壤中的重金屬越來越多，造成土壤中重金屬含量的不斷增加，土壤重金屬污染最終對(duì)人的身體健康產(chǎn)生很大的危害，因此引起人們的廣泛關(guān)注。在重金屬污染種類上，農(nóng)田土壤以Pb、Cd污染較為普遍。土壤是污水灌溉的直接受體，污水中的污染物會(huì)直接存留在土壤中，當(dāng)污染物含量超過一定限制時(shí)，則會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量安全產(chǎn)生危害，直接表現(xiàn)為土壤板結(jié)[1]，甚至使土壤喪失其支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人群健康居住的功能。我國(guó)土壤面臨著嚴(yán)峻的重金屬污染問題，而且在農(nóng)田土壤中表現(xiàn)尤為突出，嚴(yán)重影響到正常的農(nóng)業(yè)耕作和發(fā)展。很多相關(guān)報(bào)道顯示，我國(guó)農(nóng)業(yè)耕地土壤中被重金屬污染的面積很大，并且有污染面積加速擴(kuò)展的趨勢(shì)，造成了巨大的物質(zhì)和經(jīng)濟(jì)損失[2]。我國(guó)受重金屬污染農(nóng)業(yè)土地面積大、分布范圍廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前污灌農(nóng)田面積為216.7萬hm2，約占全國(guó)總灌溉面積的10%，受重金屬污染土地占污灌區(qū)面積的65%[3]。我國(guó)24個(gè)?。▍^(qū)、市）城郊、污灌區(qū)、工礦等經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快地區(qū)的320個(gè)重點(diǎn)污染區(qū)中重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與面積約占污染物超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品的80%以上，其中鉛是最嚴(yán)重污染元素之一[4]。

環(huán)境材料是一種具有最大使用功能與最低環(huán)境負(fù)荷的一類生態(tài)材料[5]，近年來在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境治理中的應(yīng)用受到重視。環(huán)境材料修復(fù)土壤重金屬污染是有效的修復(fù)方式之一，磷肥對(duì)降低土壤中重金屬有效態(tài)活性有一定效應(yīng)。彭麗成等研究環(huán)境材料對(duì)重金屬的淋溶效應(yīng)，證明添加高分子保水材料、吸附材料及腐殖酸等對(duì)重金屬穩(wěn)定化有一定作用[6]。黃震等通過盆栽玉米和大豆試驗(yàn)得出，高分子保水劑及其復(fù)合材料能明顯降低玉米和大豆對(duì)土壤重金屬Pb、Cd的吸收量[7]。保水劑具有良好的保水、保肥和降低土壤重金屬污染效應(yīng)等特點(diǎn)[8]，腐殖酸對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)主要通過離子交換、氧化還原及絡(luò)合反應(yīng)將重金屬離子固定，降低其遷移性[9]。王林等研究表明，添加磷酸鹽可以促進(jìn)污染土壤中的Pb、Cd由活性高的交換態(tài)向活性低的殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，從而有效降低Pb、Cd的生物有效性[10]。將無機(jī)磷酸鹽加入污染土壤中，通過對(duì)重金屬吸附和沉淀來降低其活性[11-12]。但不同環(huán)境材料對(duì)土壤鉛、鎘形態(tài)影響的優(yōu)化組合研究較為少見。

本研究采用4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取的環(huán)境材料為保水劑、腐殖酸、鈉基膨潤(rùn)土和過磷酸鈣，通過向鉛、鎘污染土壤中添加環(huán)境材料，分析不同環(huán)境材料對(duì)土壤鉛、鎘形態(tài)含量的變化情況，尋求環(huán)境材料和磷肥固化鉛、鎘的最佳組合，為環(huán)境材料在土壤污染修復(fù)中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

保水劑為粒度60～80目的聚丙烯酸鈉鹽，由北京金元易生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)股份有限公司提供;腐殖酸為100目的黑色粉末，化學(xué)分析純，由天津市津科精細(xì)化工研究所提供;鈉基膨潤(rùn)土為100目土黃色粉末狀黏土礦物質(zhì)，由內(nèi)蒙古山水綠景生態(tài)建設(shè)有限公司提供;過磷酸鈣[Ca（H2PO4）2]為灰白色或深灰色粉末，化學(xué)純?cè)噭?，由?guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，有效磷（P2O5）含量14%～15%。

試驗(yàn)土壤取自北京市昌平區(qū)農(nóng)田0～20 cm表層土壤，土壤為沙壤潮土，pH值為7.50，有機(jī)質(zhì)含量為14.77 g/kg，速效氮含量為102.50 mg/kg，速效鉀含量為195.80 mg/kg，田間持水量為20.97%，土壤含水量為3.78%，經(jīng)自然風(fēng)干、搗碎、剔除雜物后過2 mm尼龍篩待用。土壤鉛、鎘本底值分別為 17.10、0.055 mg/kg，鈉基膨潤(rùn)土鉛、鎘含量分別為10.40、0.005 mg/kg，過磷酸鈣鉛、鎘含量分別為1.16、0.021 mg/kg。

本試驗(yàn)用高為15 cm、上口徑為20 cm、下口徑為15 cm的花盆盛2.5 kg土壤，土壤重金屬Pb、Cd分別以Pb（NO3）2和CdCl2溶液的形式加入，使得土壤Pb、Cd的含量分別為500、5 mg/kg，形成鉛、鎘復(fù)合污染土壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用4因素3水平正交[L9（34）]試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表1），高分子保水材料添加量（A）、有機(jī)營(yíng)養(yǎng)材料腐殖酸添加量（B）、鈉基膨潤(rùn)土添加量（C）、過磷酸鈣添加量（D），以不添加環(huán)境材料和磷肥為對(duì)照組CK。每組設(shè)3個(gè)重復(fù)，拌勻后經(jīng)過1個(gè)月老化，再取樣測(cè)定土壤重金屬形態(tài)分布。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤酸堿度采用玻璃電極法測(cè)定[13]，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-比色法測(cè)定[14]， 土壤含水量采用烘干法測(cè)定[15]，土壤鉛、鎘形態(tài)提取采用Tessier的連續(xù)提取法[16]，具體步驟見表2，離心時(shí)間均為10 min。土壤消解用XH-800B微波消解儀（北京祥鵠科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)）按消解程序消解，用電感耦合等離子體質(zhì)譜（Inductively coupled plasma mass spectrometry，簡(jiǎn)稱ICP-MS）（7500a，Agilent Technologies U.S.A公司生產(chǎn)）測(cè)定樣品中重金屬Pb和Cd的濃度。

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