赤泥用于鈍化酸性土壤重金屬的可行性

謝國(guó)雄，李榮會(huì)

(1.杭州市植保土肥總站，浙江 杭州 310020；2.衢州市土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324000)

農(nóng)作物對(duì)土壤重金屬的吸收不僅與農(nóng)田土壤重金屬的污染程度有關(guān)，還深受土壤酸堿度的影響。許多研究已證實(shí)，土壤酸化可大大增加作物對(duì)土壤鎘的吸收[1]。施用石灰性物質(zhì)被認(rèn)為是降低酸性土壤中重金屬有效性的有效措施[2-5]。赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的廢渣，每生產(chǎn)1 t氧化鋁平均可產(chǎn)生1.0～2.0 t赤泥，我國(guó)每年排放的赤泥量高達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸[6-7]。當(dāng)前，大量的赤泥尚不能被有效利用，其堆場(chǎng)不僅占用大量土地，也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。燒結(jié)法產(chǎn)生的赤泥富含氧化鈣和氧化鐵鋁，pH值很高，應(yīng)用于酸性土壤能顯著降低其中重金屬的生物有效性[8-11]，其鈍化機(jī)理與石灰相似。為了了解赤泥能否替代石灰用于治理重金屬污染的酸性農(nóng)田，在等石灰當(dāng)量下比較了赤泥與石灰施用對(duì)酸性土壤中重金屬的鈍化效果及對(duì)土壤性狀的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)污染土壤采自某礦區(qū)附近農(nóng)田，Cd、Cu、Zn、Pb含量分別為2.79、204、534、323 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為20.22 g·kg-1，黏粒含量為214 g·kg-1。供試赤泥取自某鋁業(yè)公司，pH值為12.3，CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3含量分別為345、205、85、54 g·kg-1；Cd、Cu、Zn、Pb含量分別為0.22、32.21、132.46、32.68 mg·kg-1。供試石灰(石灰石粉)購(gòu)自杭州，其pH值為12.7，CaO含量為568 g·kg-1，Cd、Cu、Zn、Pb含量分別為0.12、14.21、67.32、13.54 mg·kg-1。赤泥和石灰施用前均過100目(<0.125 mm)塑料篩。

1.2 盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理：CK，不添加任何鈍化劑的對(duì)照處理；L1，施石灰0.67 g·kg-1(相當(dāng)于1.5 t·hm-2)；L2，施石灰1.33 g·kg-1(相當(dāng)于3.0 t·hm-2)；L3，施石灰2.00 g·kg-1(相當(dāng)于4.5 t·hm-2)；R1，施赤泥1.10 g·kg-1(相當(dāng)于2.475 t·hm-2)；R2，施赤泥2.20 g·kg-1(相當(dāng)于4.950 t·hm-2)；R3，施赤泥3.30 g·kg-1(相當(dāng)于7.425 t·hm-2)。L1與R1、L2與R2、L3與R3的石灰當(dāng)量相同。各處理均重復(fù)3次。

每個(gè)處理的用土量均為5 kg。盆栽土壤經(jīng)與鈍化劑充分混勻后(CK除外)，在室溫(25±1)℃和80%的土壤含水量下培養(yǎng)6個(gè)月，然后種植蔬菜，每盆移栽4株25日齡的青菜幼苗(品種為蘇州青)。在種植蔬菜前，每盆各施復(fù)合肥(N、P2O5、K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%、15%、15%)1 g。蔬菜生長(zhǎng)65 d后，采集土樣和蔬菜樣品。采集的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后分別過2 mm和0.15 mm塑料土篩，用于土壤性狀和重金屬含量測(cè)定。蔬菜樣依次用含少量洗潔精的自來水、自來水各沖洗2～3次，去除附著的灰塵和污染物質(zhì)，之后繼續(xù)用去離子水沖洗2～3次。清洗后取蔬菜可食部分切碎、混勻，用于重金屬含量分析。

1.3 分析方法

土壤pH、鹽分、黏粒和有機(jī)碳含量等采用常規(guī)方法測(cè)定[12]；土壤重金屬全量測(cè)定，用硝酸-高氯酸消化；植物有效性重金屬采用EDTA提取，用2.5 g土在25 mL、pH值為7的0.05 mol·L-1EDTA中提取1 h[12]；植物重金屬采用HNO3-HClO4聯(lián)合消煮。以上消化液或提取液中的Cd、Cu、Pb和Zn含量采用石墨爐原子吸收法測(cè)定。

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010進(jìn)行處理，用SPSS 19.0做統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤有效態(tài)重金屬含量的影響

如表1所示，無論是施用石灰還是赤泥均可顯著降低土壤中重金屬的生物有效性，且其效果隨石灰和赤泥用量的增加而提升。在相同石灰當(dāng)量下，施用赤泥對(duì)降低土壤有效態(tài)重金屬的效果不低于甚至顯著優(yōu)于施用石灰，尤以對(duì)Pb的鈍化效果最為明顯。這可能是因?yàn)槌嗄喑刑妓徕}外，還含有高量的氧化鐵鋁，后者對(duì)土壤中的重金屬也具有一定的固定作用。施用低量石灰(L1)后，土壤有效態(tài)Cd、Cu、Zn、Pb的含量分別下降至CK的82.0%、90.1%、90.0%和78.5%，而施用低量赤泥(R1)后土壤有效態(tài)Cd、Cu、Zn、Pb的含量分別下降至CK的77.1%、87.6%、87.9%和73.3%；施用中量石灰(L2)后，土壤有效態(tài)Cd、Cu、Zn、Pb的含量分別下降至CK的68.9%、74.3%、85.0%和51.2%，而施用相應(yīng)的中量赤泥(R2)后土壤有效態(tài)Cd、Cu、Zn、Pb的含量分別下降至CK的66.2%、68.3%、81.7%和46.5%；施用高量石灰(L3)后，土壤有效態(tài)Cd、Cu、Zn、Pb的含量分別下降至CK的60.4%、58.1%、78.4%和46.4%，而施用相應(yīng)的高量赤泥R3后土壤有效態(tài)Cd、Cu、Zn、Pb的含量分別下降至CK的55.6%、55.6%、70.2%和37.6%。

注：同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。表2～4同。

2.2 對(duì)蔬菜吸收重金屬的影響

施用石灰和赤泥對(duì)蔬菜地上部分重金屬含量影響的趨勢(shì)基本上與對(duì)應(yīng)的土壤有效態(tài)重金屬相似，但下降程度一般更大(表2)。在等當(dāng)量石灰的情況下，也是以施用赤泥的效果要好于施用石灰的，這可能與前者對(duì)土壤有效態(tài)重金屬的鈍化效果更強(qiáng)有關(guān)。施用低量石灰后，蔬菜地上部分Cd、Cu、Zn、Pb含量分別下降至CK的68.7%、84.2%、93.9%和75.9%，而施用相應(yīng)的低量赤泥后蔬菜中Cd、Cu、Zn、Pb含量分別下降至CK的63.1%、74.9%、90.2%和67.5%；施用中量石灰后，蔬菜地上部分Cd、Cu、Zn、Pb含量分別下降至CK的50.9%、66.6%、86.2%和50.6%，而施用相應(yīng)的中量赤泥后蔬菜中Cd、Cu、Zn、Pb含量分別下降至CK的46.3%、58.9%、77.6%和41.0%；施用高量石灰后，蔬菜地上部分Cd、Cu、Zn、Pb含量分別下降至CK的36.9%、55.2%、70.2%和43.4%，而施用相應(yīng)的高量赤泥后蔬菜中Cd、Cu、Zn、Pb含量分別下降至CK的28.5%、47.3%、59.0%和27.7%。

2.3 對(duì)土壤性狀和蔬菜生物量的影響

由表3可知，施用石灰或赤泥均可顯著提高土壤的pH，提升量隨石灰或赤泥用量的增加而增加。與此同時(shí)，土壤水溶性鹽分也有增加，且以施用赤泥的效果顯著。施用石灰或赤泥后，土壤中的速效鉀含量與CK相比均無顯著差異，但施用中量或高量赤泥處理的土壤速效鉀含量顯著高于施用等量石灰的處理。施用石灰或赤泥會(huì)降低土壤有效磷含量，且以施用赤泥對(duì)降低土壤有效磷含量的效果更明顯。施用石灰與赤泥后，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著下降，可能是因?yàn)橥寥纏H值的升高增加了土壤微生物的活性，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解。

表3 不同處理對(duì)土壤理化性狀的影響

由表4可知，施用石灰和赤泥均能顯著促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)。當(dāng)鈍化劑用量較低(L1和R1)或中等(L2和R2)時(shí)，施用等當(dāng)量的赤泥和石灰的蔬菜地上部生物量無顯著差異；當(dāng)鈍化劑用量較高時(shí)(L3和R3)，施用石灰的蔬菜地上部生物量進(jìn)一步顯著增加，而施用赤泥的卻顯著下降，且施用赤泥的蔬菜地上部生物量顯著低于施用石灰的。這可能是因?yàn)槌嗄嘀泻休^高的可溶性鹽分，且赤泥中的氧化鐵和氧化鋁會(huì)固定土壤中的磷等營(yíng)養(yǎng)元素，降低土壤中的有效磷含量，從而影響了蔬菜的生長(zhǎng)。因此，在用赤泥修復(fù)受重金屬污染的酸性土壤時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加磷素的投入。同時(shí)，應(yīng)注意控制赤泥施用量，以防止土壤鹽分累積。

表4 不同處理對(duì)每盆蔬菜地上部生物量的影響

3 小結(jié)

赤泥作為工業(yè)生產(chǎn)的固體廢棄物，用于污染土壤修復(fù)具有成本低、以廢治廢的特點(diǎn)。赤泥呈堿性，并含有較高量的氧化鐵鋁，可提高土壤pH值，并能通過增加土壤膠體表面負(fù)電荷來增強(qiáng)對(duì)重金屬離子的吸附，降低土壤中重金屬的生物有效性，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。本研究表明，赤泥可替代石灰用于受重金屬污染的酸性土壤的修復(fù)。在相同石灰當(dāng)量下，施用赤泥降低土壤有效態(tài)重金屬和蔬菜中重金屬積累的效果要優(yōu)于施用石灰，但施用赤泥會(huì)增加土壤鹽分的積累、降低土壤磷的有效性；因此，用赤泥替代石灰鈍化土壤中的重金屬時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制其施用量，同時(shí)適量增加磷素投入。