生物炭和動植物聯(lián)合修復Cd2+污染紅黏土*

劉亞男，強 毅，牛玉彪，覃榮高

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院， 云南 昆明 650032；2.太原理工大學，山西 太原 030024)

0 引言

Cd2+對人體健康以及生態(tài)系統(tǒng)有很大不利影響[1-2]。而且隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國很多地區(qū)的土壤遭受了不同程度的重金屬污染，尤其是西南地區(qū)的地下水以巖溶地下水分布為主，若地表土壤受到重金屬污染，地表土壤中的重金屬極易進入巖溶地下水中，而巖溶地下水遭受污染后難以修復，所以修復地表重金屬污染土壤對于防治地下水污染具有重要意義[3]。

近年來對于重金屬污染土壤修復的研究越來越受到學術界的關注。董盼盼等[4]利用生物炭和植物聯(lián)合修復各層Cd2+污染土壤，使各層土壤中的Cd2+含量降到了最低。李琋等[5]采用生物炭和微生物聯(lián)合修復Cd2+污染土壤，成功提取出了具有抗Cd2+性能的微生物，其固化Cd2+的效果顯著。馮敬云等[6]使用不同的鈍化劑對Cd2+污染土壤進行了修復研究，結果表明，針對不同程度的Cd2+污染土壤，生物炭的修復效果遠優(yōu)于化學鈍化劑的修復效果。朱煜[7]采用硫酸鹽還原菌(SRB)對重金屬污染土壤進行了修復研究，證明在高溫狀態(tài)下，SRB去除土壤中重金屬的效果符合準一級反應動力學模型，并且土壤中的Cd2+含量降低效果也很顯著。歐陽婷婷等[8]開展了炭基和磷基復配材料修復Cd2+污染土壤的研究，從微觀的角度探討了Cd2+污染土壤的修復效果。以上研究大都是采用化學鈍化劑以及生物炭對Cd2+污染土壤進行修復，也有學者采用物理方法對Cd2+污染土壤進行了修復，如趙鵬等[9-11]采用超聲波強化電動法研究了土壤中Cd2+污染情況，提高了Cd2+污染土壤的修復效果。

綜上所述，修復土壤中Cd2+污染的方法大致有物理、化學和生物修復3種方法，生物修復主要分為微生物修復[12-14]和植物修復[15]，動物修復方面的研究成果甚少。

本文通過溶液實驗探討了生物炭[16-17]、蚯蚓、君子蘭3種單一材料和4種復配方法對Cd2+的吸附和解吸特征，以及通過室內培養(yǎng)實驗研究了不同材料對紅黏土中Cd2+賦存狀態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

取某礦區(qū)附近農田紅黏土240 kg，測得其pH為7.95±0.03、Ca2+質量分數(shù)為(14.84±0.35) mg/kg。

采集當?shù)剞r戶家的雞糞，在熱裂解爐中600 ℃下燒制1 h制成雞糞生物炭(B)，冷卻后充分研磨過0.05 mm篩，儲存?zhèn)溆肹18]。另外選取研究區(qū)當?shù)氐尿球?A)和君子蘭(P)，然后對3種材料進行不同的配比實驗。3種材料的不同配比方案以及對應代號見表1。

表1 3種材料的不同配比方案以及對應代號

1.2 實驗方法

將紅黏土平均分成24份，按照表2中的配比方案，每個方案分配3份紅黏土，分別裝在直徑20 cm、高30 cm的亞克力玻璃柱中，再分別將表2中對應的修復材料均勻混入紅黏土中，然后將君子蘭幼苗栽種在P、BP、AP、BAP等4組對比實驗柱中。實驗柱側壁每隔10 cm開孔以便取樣，所有土壤柱用黑色薄膜包裹。

實驗周期90 d。將24個土柱放置在室溫25 ℃下，每隔10 d對24個實驗柱中的紅黏土進行取樣分析，對比紅黏土的pH以及Cd2+濃度變化，并且記錄君子蘭植株的高度。

1.3 指標測定

采用玻璃電極法測定紅黏土的pH，采用Tessier法測定紅黏土的Cd2+質量分數(shù)，對8組實驗中的3份平行實驗數(shù)據(jù)取平均值，然后采用SPSS22.0軟件進行單因素方差以及最小顯著性差異分析，p取0.05，最后采用Origin2021作圖[19]。

2 結果分析

2.1 生物炭、蚯蚓對君子蘭生長的影響

BAP、AP、BP、P組90 d君子蘭植株高度變化見圖1。由圖1可知：室內培養(yǎng)植株30 d后，BAP組植株生長速度明顯比其他組快，90 d后P組植株平均高(24.51±1.04) cm，BAP組植株平均高(42.50±2.03) cm，比P組高了73.4%；BP組植株平均高(35.47±1.09) cm，比P組高了44.7%；AP組植株平均高(26.87±1.12) cm，比P組高了9.6%。BP組和BAP組相對于P組差異顯著(p<0.05)，AP組相對于P組差異不顯著(p=0.069>0.05)。

圖1 BAP、AP、BP、P組90 d君子蘭植株高度變化

2.2 生物炭以及動植物對土壤修復的影響

2.2.1 生物炭以及動植物對紅黏土表層Cd2+質量分數(shù)的影響

8組不同材料配比對紅黏土表層Cd2+質量分數(shù)的影響見圖2。由圖2可知：紅黏土表層Cd2+質量分數(shù)主要受植株的影響，有植株組紅黏土表層Cd2+質量分數(shù)分布均呈先升高后降低的趨勢，其中BAP組的Cd2+質量分數(shù)下降幅度最大，而沒有植株的實驗組的Cd2+質量分數(shù)基本呈先降低后升高的趨勢，總體下降幅度不大。

圖 2 8組紅黏土表層Cd2+質量分數(shù)隨時間的變化

2.2.2 生物炭聯(lián)合動植物對紅黏土垂向Cd2+質量分數(shù)的影響

各種方法處理40 d后對紅黏土垂向Cd2+質量分數(shù)的影響見圖3。

圖 3 處理40 d后各種方法對紅黏土垂向Cd2+質量分數(shù)的影響

由圖3可知：40 d后各種處理方法紅黏土柱中Cd2+的總質量分數(shù)均有所降低，其中3種材料聯(lián)合修復的效果最好，Cd2+質量分數(shù)最低，相對于初始空白組降幅為26.9%；其他組Cd2+總質量分數(shù)降幅在0.5%～15.9%，其中空白組在0～10 cm處Cd2+質量分數(shù)降低最明顯，相對于初始空白組降幅為56.0%。在0～10 cm處，相對于初始空白組Cd2+質量分數(shù)，AP組和B組的修復效果不顯著(p>0.05)，可能是由于植物剛開始生長，吸收機制還不完善，其他組的修復效果都很好；BAP組與P組相比，Cd2+質量分數(shù)變化不顯著(p>0.05)，說明在0～10 cm處動物與生物炭共同作用的影響不是很大，可能是動物還沒有適應添加了生物炭的紅黏土酸堿性的變化；與BA組相比，BP組的Cd2+質量分數(shù)變化不顯著(p>0.05),可以看出動物和植物對生物炭的影響不大，但是其共同作用對生物炭的影響較大。在10～20 cm處，與B組相比，A組的修復效果不顯著(p>0.05)，說明在10～20 cm處動物和生物炭對Cd2+污染土壤的修復效果相似；與AP組相比，A組和空白組的修復效果不顯著(p>0.05)，說明前40 d內動植物在10～20 cm處對Cd2+污染土壤的修復效果一般。在20～30 cm處，與A組相比，AP組的修復效果不顯著(p>0.05)，可以看出蚯蚓在20～30 cm處對Cd2+污染土壤的修復效果較差，可能在前40 d內，Cd2+污染土壤的修復效果與蚯蚓在20～30 cm處對紅黏土的松動效果有關，可能是植物的根系[20]以及蚯蚓尚未達到20～30 cm深處，所以對Cd2+污染土壤的修復效果不是很好。

各種處理方法處理90 d后對垂向Cd2+質量分數(shù)的影響見圖4。

圖4 各種處理方法處理90 d后對垂向Cd2+質量分數(shù)的影響

對比圖3和圖4可知，90 d 后各種處理方法對Cd2+污染土壤的修復效果均比40 d時的好，且BAP組的土壤中加入的生物炭既促進了植物對淺層土壤Cd2+的吸收，也促進了動物在深層土壤中產生分泌物，構建了相對完整的生態(tài)系統(tǒng)，所以對Cd2+污染土壤的修復效果較佳。在0～10、10～20、20～30 cm處，BAP組相對于初始空白組Cd2+質量分數(shù)變化顯著(p<0.05)，可以看出生物炭聯(lián)合動植物降低紅黏土土柱中Cd2+質量分數(shù)的效果明顯；相對于BP組，P組、BA組的修復效果不顯著(p>0.05)，說明植物和動物在加入生物炭的基礎上對Cd2+污染的修復效果相似,這可能是動物的分泌物不足以與紅黏土中的Cd2+發(fā)生反應，植物單獨對土壤中的Cd2+吸收不夠強烈，而且可能隨著時間的推移，植物對淺層的生物炭吸收減少，因此才會造成P組和BA組在淺層土壤的修復效果相似；相比A組和P組，AP組對Cd2+污染的修復效果變差，AP組中層土壤的Cd2+污染的修復效果較好，可能是隨著植物的生長，蚯蚓對淺層紅黏土的松動作用減弱，同時動物在中層生長和植物吸收營養(yǎng)物質產生競爭，而又沒有外來營養(yǎng)物質的補充，所以表層修復效果和深層修復效果一般，中層修復效果較好。植物和動物單獨作用時土壤中只有根系或者動物分泌物對土壤的修復相對較均勻，各層修復效果都有減弱，因此整個土柱Cd2+污染的修復效果減弱。在10～20 cm處，BAP組相對于BA組的修復效果顯著(p<0.05)，可以看出隨著時間的延長，植物在加入蚯蚓和生物炭的基礎上對土壤中層的修復效果增強；紅黏土深處的Cd2+污染修復效果相對于40 d時顯著提高，說明時間可以促進修復材料對深層土壤中Cd2+污染的修復。

2.3 生物炭以及動植物對土壤pH的影響

各種處理方式下紅黏土pH隨處理時間的變化見圖5。由圖5可知，由于生物炭偏堿性，所以加入生物炭的實驗組在測量期間紅黏土的pH均在7.0以上，由于植物對土壤pH的影響不大，而蚯蚓會在紅黏土中分泌酸性的生物酶，因此P組和BA組的pH變化平穩(wěn)。蚯蚓分泌物與植株之間相互作用導致蚯蚓單獨對土壤pH的影響比蚯蚓和植株一起對土壤pH的影響更明顯。同時由于生物炭中的羥基被植物吸收，因此蚯蚓分泌的酸性物質會使土壤pH整體快速降至7.0附近。

圖5 各種處理方式下紅黏土pH隨處理時間的變化

3 結論

a.植物生長特征：生物炭的添加促進了植物生長，而且效果比添加了蚯蚓的實驗組明顯，其中生物炭和蚯蚓共同作用對植物生長的促進效果最好；在植物生長周期內，生物炭和蚯蚓的添加促進了土壤對Cd2+的吸收。

b.聯(lián)合修復導致的Cd2+質量分數(shù)垂向分布特征：生物炭、蚯蚓單一因素對紅黏土中Cd2+質量分數(shù)的垂向影響均比較均勻，但是植株對紅黏土中Cd2+質量分數(shù)的垂向影響從表層到底層分布不均勻，且表層的修復效果比底層的好，隨著時間的延長，修復深度越來越大；生物炭以及動植物聯(lián)合修復效果最好，且修復材料投入的時間越長，對Cd2+污染土壤的修復效果越好。

c.聯(lián)合修復對紅黏土pH的影響特征：生物炭使土壤pH升高，且影響最明顯，動植物對土壤pH影響不顯著，生物炭、蚯蚓、君子蘭聯(lián)合修復對紅黏土pH的影響不大。