礦物質(zhì)鈍化劑對重金屬污染土壤的鈍化效果研究

葉勝蘭

摘 要：試驗(yàn)采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，研究不同礦物質(zhì)材料（海泡石、沸石和坡縷石）添加量對土壤溶解態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的銅、鎘、鋅和鉛含量的影響，得出不同礦物質(zhì)材料適宜的添加量。結(jié)果表明：不綜合分析發(fā)現(xiàn)，不同種類鈍化劑能有效降低溶解態(tài)重金屬含量，同時(shí)增加殘?jiān)鼞B(tài)重金屬含量。其中以低濃度的坡縷石效果最佳，因此可選用1%或者2%的坡縷石用于土壤中重金屬銅、鋅和鉛的鈍化修復(fù)，可選擇2%的海泡石對鎘進(jìn)行修復(fù)。

關(guān)鍵詞：鈍化劑;重金屬;污染土壤

中圖分類號：S-3 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030038

前言

隨著城市化和工業(yè)化的高速發(fā)展以及市政污水和排放廢棄物等進(jìn)入農(nóng)業(yè)循環(huán)系統(tǒng)，大面積的土壤嚴(yán)重受到重金屬污染。且在由于我國人口的巨大壓力條件下，優(yōu)質(zhì)耕地資源的短缺和糧食生產(chǎn)的需求矛盾顯得極為突出，因此對污染土壤進(jìn)行大規(guī)模修復(fù)已是迫在眉睫。但物理修復(fù)存在高成本的問題而植物修復(fù)需要長時(shí)間不間斷的修復(fù)作用。因此，對于重金屬污染的土壤最實(shí)用的且可以確保農(nóng)作物安全生產(chǎn)的補(bǔ)救措施應(yīng)采用化學(xué)鈍化法[1]?；瘜W(xué)鈍化修復(fù)是指向受污染的土壤中添加鈍化劑，以將重金屬從活性形式轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定形式，從而減少重金屬的遷移和生物利用度，達(dá)到修復(fù)受重金屬污染的土壤的方法[2]。該項(xiàng)修復(fù)技術(shù)具有快速修復(fù)，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此更適合大面積被重金屬污染的農(nóng)田[3-4]。目前已研究出可使用的鈍化劑材料主要有各種礦物質(zhì)，生物炭，有機(jī)物等，它們對不同類型的污染物質(zhì)，土壤類型和污染水平的修復(fù)結(jié)果存在一定差異性[4-6]。將這些鈍化劑用于土壤的修復(fù)后，一方面可以改善土壤的理化性質(zhì)和補(bǔ)充養(yǎng)分，另一方面通過吸附，沉淀，結(jié)合使重金屬從可交換態(tài)變?yōu)橛袡C(jī)結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)。從而降低了重金屬的遷移率和生物結(jié)合度[7]。

然而我們不可忽視的是重金屬污染土壤的修復(fù)是一項(xiàng)長期而艱巨的工程。因此，在選擇化學(xué)鈍化劑時(shí)，應(yīng)充分考慮鈍化劑的價(jià)格和是否可能再次污染。礦物是廉價(jià)的材料，具有最佳的環(huán)境相容性。近年來，尤其是非金屬礦物常被用作土壤重金屬的鈍化劑，并取得了良好的效果[8]。礦物鈍化劑可以增強(qiáng)土壤與重金屬離子的親和力，提高土壤中重金屬的吸附能力，并減少重金屬的二次釋放。白云石可以更好地修復(fù)酸性土壤中的重金屬污染，并可以顯著減少有效的鋅、鎘和鉛[9]。施用海泡石后，蔬菜土壤中可交換的鎘含量可降低23.1%-41.2%;生菜，油菜和蘿卜的可食用部分中鎘的最大減少量分別達(dá)到51.8%，47.0%和24.9%[10]。但是，僅使用礦物鈍化劑土壤中有機(jī)物存在加速分解的風(fēng)險(xiǎn)，土壤腐殖質(zhì)不易積聚，若長期添加腐殖質(zhì)也會導(dǎo)致土壤致密化和微量營養(yǎng)素缺乏[7]。因此，鑒于化學(xué)鈍化修復(fù)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中已有的明顯缺陷，有機(jī)肥與鈍化劑的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)不僅可以提高土壤肥力，促進(jìn)農(nóng)作物生長，而且可以促進(jìn)修復(fù)效率的提高和土壤中鈍化重金屬含量的增加[11-14]。研究表明，在鈍化劑海泡石的修復(fù)作用下，增加有機(jī)肥的施用可以顯著減少小菜可食部分和根中Cd的吸收和積累[15]。

目前，有許多關(guān)于通過礦物質(zhì)鈍化來修復(fù)重金屬污染的研究，并且大多數(shù)研究集中在使用一種或多種礦物質(zhì)來降低土壤中重金屬的遷移率和生物結(jié)合度。但實(shí)際應(yīng)用中，關(guān)于有機(jī)肥料對重金屬的鈍化和修復(fù)效果影響的研究很少，在鈍化修復(fù)中采用良好的農(nóng)藝措施不僅可以促進(jìn)修復(fù)效率，而且可以提高修復(fù)效率。土壤重金屬凈化與恢復(fù)的穩(wěn)定性。因此，研究有機(jī)肥對鈍化修復(fù)效果和穩(wěn)定性的影響，最小化有機(jī)肥對鈍化修復(fù)效率的不利影響，最大化有機(jī)肥對鈍化修復(fù)效果的協(xié)同增強(qiáng)作用，提高鈍化修復(fù)能力。效果和穩(wěn)定性對進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)田中重金屬污染土壤的研究和應(yīng)用具有極其重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤為陜西富平的粘土，并過0.149mm篩后備用。有機(jī)肥為購買的發(fā)酵羊糞。鈍化劑材料選用海泡石、沸石和坡縷石，過0.149mm篩后備用。重金屬污染土壤按照土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-1995）擴(kuò)大5倍添加適量重金屬鹽類物質(zhì)，使土壤中總銅、總鎘、總鋅和總鉛含量分別達(dá)到500、1.5、1250和600mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中添加的礦物質(zhì)鈍化劑量應(yīng)按照干質(zhì)量比（1%、2%、3%和5%）分別與重金屬復(fù)合污染土壤混合，同時(shí)設(shè)對照，共13個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

采用恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，先稱取自制的污染土壤50g，分別加入不同種類和用量的鈍化劑材料，將其與土壤充分混勻后置于250mL塑料瓶中。按照田間持水量的65%添加去離子水到培養(yǎng)瓶中，用保鮮膜封口，并在保鮮膜中間留數(shù)個(gè)小孔。將塑料瓶置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中采用稱重法補(bǔ)充去離子水。在培養(yǎng)50d后自然風(fēng)干后過篩備用。

1.3 測定項(xiàng)目

溶解態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)銅、鎘、鋅和鉛的測定：采用1mol·L-1醋酸銨提取，稱取過2mm篩風(fēng)干土樣于100mL塑料瓶中，準(zhǔn)確加入1mol·L-1醋酸銨浸提劑（浸提劑：土為2：1），振蕩2h，離心過濾后，使用原子吸收分光光度計(jì)測定銅、鎘、鋅和鉛的含量。

2 結(jié)果

2.1 不同鈍化劑對污染土壤中溶解態(tài)重金屬含量的影響 ?溶解態(tài)重金屬是土壤中活性較高的一類物質(zhì)，極易發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化、淋溶滲漏造成植物、深層土壤、地下水等的污染。從圖1可看出，不同類型鈍化劑及不同比例鈍化劑均顯著影響重金屬污染土壤中溶解態(tài)重金屬的含量。其中CK的溶解態(tài)銅、鋅、鎘和鉛含量均表現(xiàn)為最大。在添加不同鈍化劑后，溶解態(tài)重金屬含量均出現(xiàn)不同程度的下降。P2（坡縷石2%）和P3（坡縷石3%）處理的銅含量相同，為279mg·kg-1且低于其他坡縷石處理;P3處理的鋅、鎘含量低于其他處理;同時(shí)P2處理的鉛含量是坡縷石中最低的。而溶解態(tài)重金屬在經(jīng)過海泡石處理后，以S3（海泡石3%）處理的效果表現(xiàn)最好，其中銅、鎘和鉛均表現(xiàn)為最低，分別為286mg·kg-1、856mg·kg-1和60mg·kg-1。對于沸石處理則以Z2（沸石2%）的效果表現(xiàn)最佳，溶解態(tài)重金屬銅、鎘、鉛分別為299mg·kg-1、0.94mg·kg-1及55mg·kg-1。而在三種鈍化劑中，則以坡縷石對重金屬的鈍化效果最優(yōu)，且以添加2%和3%比例坡縷石的效果最佳。

2.2 不同鈍化劑對污染土壤中殘?jiān)鼞B(tài)重金屬含量的影響 ?殘?jiān)鼞B(tài)重金屬是被固定的已結(jié)合的金屬，不能再次釋放。土壤中的殘?jiān)鼞B(tài)重金屬不會被植物吸收，也不易通過雨水等方式發(fā)生滲漏，呈現(xiàn)出極其穩(wěn)定的一種狀態(tài)。從表1可看出，不同鈍化劑處理除鎘元素外均顯著增加了土壤中殘?jiān)亟饘俚暮?。土壤中重金屬鎘不易被固化，其中S2（沸石2%）、S1（沸石1%）、P1（坡縷石1%）和P4（坡縷石5%）殘?jiān)鼞B(tài)鎘分別為0.061mg·kg-1、0.051mg·kg-1、0.035mg·kg-1和0.005mg·kg-1，但其他處理含量均為0。其中以低濃度的海泡石效果最佳。坡縷石中以P1的固定效果最佳，其中銅和鋅的含量分別為23mg·kg-1和46mg·kg-1，顯著高于其他處理。P2處理的殘?jiān)鼞B(tài)鉛含量最高為24mg·kg-1。而2%海泡石處理的效果表現(xiàn)最佳，其銅、鋅和鉛分別為24mg·kg-1、48mg·kg-1和19mg·kg-1，顯著高于其他比例的海泡石處理。

3 結(jié)論

綜合分析發(fā)現(xiàn)，不同種類鈍化劑能有效降低溶解態(tài)重金屬含量，同時(shí)增加殘?jiān)鼞B(tài)重金屬含量。其中以低濃度的坡縷石效果最佳，因此可選用1%或者2%的坡縷石用于土壤中重金屬銅、鋅和鉛的鈍化修復(fù)，可選擇2%的海泡石對鎘進(jìn)行修復(fù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡紅青，黃益宗，黃巧云，等.農(nóng)田土壤重金屬污染化學(xué)鈍化修復(fù)研究進(jìn)展[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2017，23（6）：1676-1685.

[2]王永昕，孫約兵，徐應(yīng)明，等.施用雞糞對海泡石鈍化修復(fù)鎘污染菜地土壤的強(qiáng)化效應(yīng)及土壤酶活性影響[J].環(huán)境科學(xué)，2016（35）：159-169.

[3]梁媛，王曉春，曹心德.基于磷酸鹽、碳酸鹽和硅酸鹽材料化學(xué)鈍化修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展[J].環(huán)境化學(xué)，2012（31）：16-25.

[4]梁學(xué)峰，徐應(yīng)明，王林，等.天然黏土聯(lián)合磷肥對農(nóng)田土壤鎘鉛污染原位鈍化修復(fù)效應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（5）：1011-1018.

[5]陳義群，董元華.土壤改良劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，17（3）：1282-1289.

[6]孫薊鋒，王旭.土壤調(diào)理劑的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].中國土壤與肥料，2013（6）：10-17.

[7]陳功寧.礦物質(zhì)鈍化劑對重金屬污染紅壤的修復(fù)效應(yīng)及機(jī)理研究[M].廣州：華南理工大學(xué)，2017.

[8]戴瑞，鄭水林，賈建麗，等.非金屬礦物環(huán)境材料的研究進(jìn)展[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2009（3）：3-10.

[9]Vondrá ková S， Hejcman M， SzákováJ. Effect of quick lime and dolomite applicationon mobility of elements （Cd， Zn， Pb， As， Fe， and Mn） in Contaminated soils[J]. Pol J Environ Stud，2013，22（2）：577-589.

[10]梁學(xué)峰，徐應(yīng)明，王林，等.天然黏土聯(lián)合磷肥對農(nóng)田土壤鎘鉛污染原位鈍化修復(fù)效應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（5）：1011-1018.

[11]姚麗賢，操君喜，李國良，等.連續(xù)施用養(yǎng)殖場、鴿糞對土壤養(yǎng)分和重金屬含量的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（4）：819-825.

[12]吳清清，馬軍偉，姜麗娜，等.雞糞和垃圾有機(jī)肥對莧菜生長及土壤重金屬積累的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（7）：1302-1309.

[13]王林，徐應(yīng)明，梁學(xué)峰，等.生物炭和雞糞對鎘低積累油菜吸收鎘的影響[J].中國環(huán)境科學(xué)，2014，34（11）：2851-2858.

[14]董志新，卜玉山，劉秀珍，等.不同有機(jī)物料對止壤養(yǎng)分和酶活性的影響[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（3）：1-6.

[15]王永昕，孫約兵，徐應(yīng)明，等.施用雞糞對海泡石鈍化修復(fù)鎘污染菜地土壤的強(qiáng)化效應(yīng)及土壤酶活性影響[J].環(huán)境化學(xué)，2016，35（1）：159-169.

（責(zé)任編輯 李媛媛）