改良剂对尾砂盆栽蔬菜重金属吸收及基质理化性质的影响——以铜陵金属矿区为例

黄界颍，徐晓春，陈莉薇,3，周元祥

（1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036；3.青海大学化工学院，青海 西宁 810016）

安徽省铜陵市位于长江中下游铁铜成矿带，是我国重要的铁、铜、硫、金矿集区。长期以来，矿山开采和矿石选冶积累了大量的尾矿废渣，其中硫化物矿物的风化使尾矿堆/库中溶液的重金属含量升高，并明显酸化，导致重金属元素进一步活化、释放并迁移，对周围的生态环境系统产生影响，威胁人类的生存和健康[1-3]。采矿废弃地复垦为农业用地这种利用方式，一方面将采矿废弃地土壤进行了修复，另一方面可以创造一定的经济价值，而且还可以解决耕地量少的问题[4]。但是，由于金属矿尾砂重金属污染可能造成食物链中毒，对农产品质量构成明显的威胁，还可加重重金属的流失，引起地表水和地下水的污染[5-7]，所以尾矿矿砂需要经过治理才能利用。采用螯合剂改变植物对重金属元素的吸收能力，成为一种常用手段，许多学者做了大量的研究[8-9]。利用新型材料聚丙烯酰胺（PAM），是人工改良土壤、提高肥力的一条新途径[10]，它在农业生产中的应用近年来逐渐被人们接受并发展起来，但是尚未见PAM对抑制植物重金属元素吸收的报道。因此，加入丙烯酰胺（PAM）和乙二胺四乙酸（EDTA）改良尾砂，研究种植蔬菜后重金属在尾砂－植物界面的迁移规律及基质理化性质的变化，对重金属污染治理及采矿废弃地的复垦利用等具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

尾砂采自铜陵市有色金属集团公司尾矿；供试土壤为红壤；供试有机质采自合肥工业大学管理学院附近小区生活污水排水沟，为沟中底泥；供试蔬菜为小白菜，品种为白叶四月慢，购于合肥丰乐种子蔬菜公司。尾砂和红壤的基本理化性质见表1。

表1 尾砂和红壤的基本理化性质

1.2 供试改良剂

乙二胺四乙酸（EDTA）（沪试，AR）；聚丙烯酰胺（PAM）（沪试，AR）。

1.3 盆栽试验设计

盆栽试验在室内进行，试验基质为2种，分别进行3种处理，3次重复，试验设计见表2。

表2 盆栽试验设计

改良剂按照20 mL/盆加入。用上下口径分别为22 cm、16 cm，高20 cm的塑料钵，每钵装试验基质4.0 kg。按NH4NO30.439 g/kg土，KH2PO40.339 g/kg土施入底肥。肥料与土样混匀后于4月30日栽种，每盆定苗10株，常规管理。待成熟时（生长期50 d）收割，测定小白菜重金属含量。

1.4 样品分析

试验蔬菜收获、研磨后，交安徽省地矿测试中心进行重金属含量分析测定；基质采用酸度计法（土液比1∶2）测定pH值，显微镜观察结构。

2 结果与讨论

2.1 不同处理对基质pH值变化的影响

土壤pH值是影响植物吸收重金属的一个重要因子，不仅决定了各种土壤矿物的溶解度，而且影响土壤溶液中各种离子在固相上的吸附程度。随着土壤溶液pH值升高，各种重金属元素在土壤固相上的吸附量和吸附能力逐渐加强[13]。由表3可知，本试验中，不同处理的各基质pH值均介于7～8之间，各处理没有造成基质之间酸碱度的根本性变化。而且，加入PAM和EDTA的处理之间pH值差异不显著。可见，施用1‰PAM和0.03 mol/L EDTA对土壤pH值的影响不会很明显，可以认为以尾砂为主的试验基质是不利于重金属元素迁移的。

表3 不同处理对基质pH值的影响

2.2 不同处理对小白菜Cu、Pb、Zn含量的影响

由表4可知，采用新鲜尾砂直接施用有机质种植蔬菜，蔬菜中仅Zn的含量能够满足《中国蔬菜食品卫生标准》要求（Pb≤1.0 mg/kg，Cu≤10 mg/kg，Zn≤20 mg/kg），但是Cu、Pb的含量已严重超标，分别为标准上限的4.89倍和1.38倍，很显然新鲜尾砂种植的叶菜类不宜食用，即在尾砂库复垦中不宜选用叶菜类蔬菜。添加土壤改良尾砂后对植物吸收重金属有明显的抑制作用，处理4的Zn、Cu和Pb含量均与处理1差异达显著水平，其中以Cu变化最为明显，处理4的Cu含量比处理1下降了76.71%；加入EDTA和PAM后可以进一步降低蔬菜中的重金属含量：在加入PAM的处理2、5中，小白菜重金属含量均有明显下降，处理2中Zn含量平均下降33.53%，Cu含量平均下降了26.97%，Pb含量平均下降了47.06%；配土处理（处理5）中Zn、Cu和Pb含量降幅分别达到了30.17%、31.56%和66.28%；这说明基质中加入PAM明显抑制叶类植物对重金属的吸收。而加入EDTA的处理3、6中，小白菜中仅Zn、Pb含量明显下降，但是Cu含量却明显上升；可见EDTA的加入，可以有效抑制小白菜对Zn、Pb的吸收，但是增强了对Cu的吸收作用。这可能与EDTA对土壤Cu有很强的溶解释放能力有关，外加EDTA显著降低红壤对Cu的吸附率，促进了植物对Cu的吸收。在配土和不配土的各处理中，小白菜吸收Zn、Cu和Pb的规律各不相同，可能与Zn、Cu和Pb的离子属性有关。

表4 不同处理对小白菜重金属含量的影响

2.3 不同处理对土壤结构影响

近年来，在重金属污染土壤中添加络合剂的研究中，关于络合剂对土壤结构、土壤保水性等的影响方面研究很少。此次工作我们用16×4倍的显微镜在干、湿两种状态下对土壤结构进行了观察。

处理1的土壤样品在干燥状态下尾砂颗粒分散，润湿后，颗粒间的重叠削弱，颗粒排列紧密，没有明显的集结体。

对于加入PAM的处理2样品，润湿状态下有部分颗粒集结在一起呈小集团状，而且，刚配制的样品因未受补给水的淋洗，镜检结果更明显，颗粒间的水并不是均匀分布的，这应该与PAM是一种粘性物质有关。

相比之下，加入EDTA的处理3样品，不管是干态还是潮湿状态，颗粒仍是分散的，颗粒间没有明显的粘结。

由图4～6可知，加入红壤后，不管是参照样，还是加入PAM、EDTA的样品，均能观察到红壤颗粒将尾砂颗粒粘结在一起。在湿态下，处理4土壤的颗粒仍较为分散，分布均匀；处理5土壤观察到有集结体，且大多由细小颗粒集结而成；处理6土壤也观察到有集结体，表观与处理5样类同。

相比较而言，PAM粘结土壤颗粒较EDTA明显，所以，在不影响土壤其他性质的情况下，加入类似PAM有粘性的络合剂，对土壤结构变化有一定的促进作用，而且PAM能明显提高土壤的保水、保肥性能。不同基质中都存在有机物粘结尾砂颗粒的现象，但不是十分明显。配土的处理中颗粒黏结体较多，明显在尾砂中加入适量的红壤能改善砂粒过于分散的状态，结合PAM的使用可大幅度提高改良后尾砂的保水保肥性能，对加快尾砂改良具有重要意义。

3 结论

（1）不同处理的各基质pH值均介于7～8之间，各处理没有造成基质间酸碱度的根本性变化。

（2）添加土壤改良尾砂后对植物吸收重金属有明显的抑制作用，加入EDTA和PAM后可以进一步降低蔬菜中的重金属含量。

（3）适量加入红壤和PAM，对尾砂结构变化有一定促进作用，且PAM的使用浓度低、量小，总体费用较低，不失为一种有效、经济的尾矿库尾砂治理方法。

[1] Pratt A R,Muir I J,Nesbitt H W.X-ray photo electron and Auger electron spectroscopic studies of pyrrhotite and mechanism of air oxidation[J].Geochim Cosmochim Acta,1994.58:827-841.

[2] XU Xiaochun,XIE Qiaoqin,CHEN Fang,et al.Acid Mine Drainage and Heavy Metal Pollution from Solid Waste in the Tongling Mines,China [J].Acta Geologica Sinica,2008,82（1）:146-153.

[3] 卢 龙，王汝成，薛纪越，等.硫化物矿物的表面反应及其在矿山环境研究中的应用[J].岩石矿物学杂志，2001，20（4）：387-394.

[4] 颜学宏.尾矿库复垦利用方式初探[J].冶金矿山设计与建设，1998，30（2）：61-64.

[5] Azcue J.M,Mudroch A,Rosa F,et a1.Trace elements in wate,sediments,porewater,and biota polluted by railings from an abandoned gold mine in British Columbia[J].Canada.Journal of Geochemical Exploration,1995,52（1-2）:25-34.

[6] 陈玉娟，温琰茂，柴世伟.珠江三角洲农业土壤重金属含量特征研究[J].环境科学研究，2005，18（3）：75-77，87.

[7] 仝 磊，朱圣陶.土壤与蔬菜中重金属含量及其相关性[J].黑龙江科技信息，2008，（4）：123-123.

[8] 郑明霞，冯 流，刘 洁，等.螯合剂对土壤中镉赋存形态及其生物有效性的影响[J].环境化学，2007，26（5）：606-609.

[9]陈亚华，李向东，刘红云，等.EDTA辅助下油菜修复铅污染土壤的潜力[J].南京农业大学学报，2002，25（4）：15-18.

[10]彭 冲，李法虎，潘兴瑶.聚丙烯酰胺施用对碱土和非碱土水力传导度的影响[J].土壤学报，2006，43（5）：835-842.

[11]吕保玉，白海强，喻泽斌.蔬菜重金属污染的研究现状与防治措施[J].安徽农业科学，2008，36（4）：1566-1568.