海泡石抑制作物镉的试验研究

刘国胜,吴思容,华,郭立军,王罗

(1.株洲市环境保护研究院,湖南株洲 412000;2.湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015; 3.株洲市环境监测中心站,湖南株洲 412000)

海泡石抑制作物镉的试验研究

刘国胜1,吴思容2,华1,郭立军3,王罗1

(1.株洲市环境保护研究院,湖南株洲 412000;2.湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015; 3.株洲市环境监测中心站,湖南株洲 412000)

海泡石作为一种天然物材料,用作治理土壤镉污染的抑制剂有其充足理论依据。试验研究表明:海泡石粘土粉对镉的吸附量大且不易解吸释放,这预示着用海泡石治理镉污染土壤效果会明显;海泡石粘土矿粉的加入使土壤中可溶态镉及植物的镉都显著降低,且随加入多,降低也多,同时生物量明显提高;海泡石粘土矿粉可以抑制镉的活性并降低植物中镉的含量,增产效果显著且明显优于石灰。因此,海泡石粘土矿粉不仅可作为土壤镉的抑制剂,而且可作为植物的增效肥来施用,开发前景广阔。

土壤;植物;镉污染;海泡石;抑制剂

镉等重金属元素对生态环境构成危害,尤其损害人体健康,成为一种灾难,因此不得不引起重视。早在上世纪六十年代,日本对神通川镉中毒事件就进行了治理,首先是使神岗矿业的采选矿废水得到净化处理,但10年后,沿岸稻田仍产“镉米”,后来通过换土试验,即10 m2一吨无镉土才不产“镉米”,实际上这种换土代价太大无法进行,但是作为一种镉土治理的“换土法”或“客土法”仍见诸于文献中。我国七、八十年代沈阳张土灌区数万顷被污水灌溉形成的镉土,中科院亚热带生态农业研究所采用栽种筛选的木本植物消减土壤镉的方法效果显著,在一个生长期内能消减土壤中1～0.65 mg/kg,且进入植物体内的镉不参加生物小循环,这种治理方法称之为“生物工程法”。中科院亚热带生态农业研究所王荣等也应用了这种方法,他们将镉污染土壤作为一种特殊资源因地制宜以利用,其技术路线是发掘植物抗性基因,让植物适应污染土壤环境,通过协调植物与环境之间的关系,获取符合需求的产品和尽可能提高的生产效益,据此他们在湖南某矿区的镉污染土壤改变“粮作模式”而栽种耐镉性强的桑树发展“蚕桑模式”,不仅改善了生态环境,也大幅度提高经济效益。此外对镉土的治理还以降低土壤镉的生物效益为主要内涵的化学措施如施用石灰提高pH值使之固化于土壤,使之不进入生态循环等。

以上方法都是单一对镉土壤的治理和利用,虽然有效,但都有其局限性,如客土法代价太大无实用价值;生物工程法用于城市郊区的菜园地土壤镉治理时,因其一般都是肥田沃土,排灌设备已现代化且种菜历史长久,要将其完全改种不进入食物链的植物如花木也是不现实的,至于化学措施总会产生一些负面效应。因此在这种情况下,笔者根据近年来被称之为“充分利用自然物质,依靠自然和人工增强的地质-地球化学-生物地球化学对环境修复的地球化学工程”研究新动向,选择天然矿物资源低品位海泡石粘土,对镉等重金属污染的土壤进行治理,并且进行了试验研究。

1 海泡石粘土矿抑制土壤中镉活性的理论依据

1.重金属元素一般在酸性介质中易溶解、易活化、易被作物吸收,而在碱性介质中则相反,故作物吸收重金属与土壤的pH值成反相关,图1反映了芹菜累积的镉与土壤pH值的关系,表明pH值小于6.4芹菜含镉量已超过卫生标准,大于6.4基本符合卫生标准。前述化学措施用石灰治理镉土就以此为理论依据。海泡石粘土矿粉是一种碱性物质,其pH值为8.6,因此施入土壤,能提高其pH值,从而可抑制重金属元素的活性,降低其进入作物体内迁移能力。

图1 土壤pH值与芹菜含镉量关系曲线

2.重金属元素的活性由于土壤吸附固定可以降低,它从土壤中被解吸受其有效吸附量或吸附势控制,故重金属元素在砂性土壤中的活性大于粘性土壤。海泡石是具吸附性的粘土矿物,施入土壤可以增加土壤的粘粒并提高其有效吸附点或吸附势,从而加大对重金属元素的吸附固定而减少其进入作物。

3.氧化铁具有对重金属元素的专性吸附作用较强的特点,海泡石粘土矿含有比其它降隔物质如石灰、有机质高的游离氧化铁,因此,它可加大对镉等重金属元素的吸附而降低在作物中的含量。

4.土壤的交换性钙、镁对作物吸收镉具有拮抗作用,海泡石粘土富含钙、镁,其化学成分除二氧化硅外,氧化镁含量25%左右,施入土壤后,可增加其钙、镁含量,相应地交换性钙、镁含量也增加,其增加数比不施用海泡石粘土者要高1～2倍,从而加大了对作物吸收镉等的拮抗作用而降低在其中的含量。

5.阳离子交换量(CEC)与植物吸收土壤中镉等金属元素呈显著负相关,海泡石具有较强的阳离子交换量,故其施入土壤可以减少作物吸收土壤的镉等重金属元素。

2 试验方法

依据上述理论依据,在前人研究基础上作了四个试验研究:一是海泡石粘土矿粉对镉的等温吸附;二是抑制土壤镉的活性;三是降低蔬菜中镉的含量;四是对所种蔬菜生物量影响。

按上述研究内容,试验分为室内解吸实验和室外钵栽两种方法。

室内解吸实验是海泡石粘矿粉对镉的等温吸附试验,取1 g海泡石粘土矿粉置于不同镉浓度的20 mL带盖塑料离心管中,经过振荡、恒温、解吸等处理,测定试管中清液的镉浓度,计算其吸附量、解吸量和净吸附量。

室外钵栽试验是在陶瓷钵(20 cm×30 cm)中施等量氮磷钾肥及不同水平的镉和海泡石粘土矿,分别栽种蕹菜和小白菜。供试土壤为分布面积较广的第四纪红壤菜园土,基本性能见表1。由表1可知其镉含量较高,按照《无公害蔬菜湖南地方标准(DB43/ T152-2001)》的土壤环境质量标准,已经超过了菜园地标准(pH＜6.5时镉含量为0.30 mg/kg土)。

表1 供试土壤基本性状

3 试验结果与讨论

图2 海泡石粘土矿粉对镉的吸附与解吸量

3.1 海泡石粘土矿粉对镉的等温吸附试验

海泡石粘土矿粉对镉的等温吸附试验结果如图2所示,由图2可知海泡石粘土矿粉对镉的吸附量随浓度的增加而增加,而解吸量都较少,说明海泡石粘矿粉对镉吸附大且不易解吸释放,这就预示镉污染土壤用海泡石粘矿粉处理必然有较好的效果。

3.2 海泡石粘土矿粉对园地土壤内源镉的抑制结果

内源镉是指土壤中已存在的镉,前已述及,第四系红壤菜价园地的镉含量已经超DB43/T152-2001标准。通过钵裁蕹菜加低、高两个含量水平的海泡石粘土矿粉八次重复,与不加海泡石粘土矿粉进行对照,其结果见表2。由表2可知加入海泡石粘土矿粉后,土壤的可溶态镉和蕹菜的镉都显著地降低,且加入多,降低也多;同时生物量提高很明显。由此可见通过调节海泡石矿粉用量并辅以其措施,如适量施加石灰和有机肥,就完全可能有效地抑制植物中镉,同时使生物量明显增加。

表2 海泡石粘土矿粉对土壤源镉的抑制结果

3.3 海泡石粘土矿粉对加入土壤中镉(外源镉)的抑制结果

表3和表4列出了海泡石粘土矿粉对添加于土壤中一定量镉钵栽小白菜和蕹菜的试验结果,从表3、表4的可以明显地看出:海泡石粘土矿粉可以抑制土壤镉的活性而降低了可溶态镉的含量,从而使蔬菜中的镉含量降低,但表3的小白菜中镉含量降低量比表4蕹菜要大得多,其原因除了试验条件误差外,还与小白菜和蕹菜对镉的富集能力不同也有关。但总体来说,海泡石粘土矿粉能够抑制土壤镉的活性和降低蔬菜中的镉含量则是肯定的;同时两个试验的增产效果非常显著,并且明显优于石灰,这一点从海泡石粘土矿粉和石灰对小白菜的钵裁试验对比结果得到证明,其结果见表5。

表3 海泡石粘土矿粉对土壤外加镉的抑制试验结果

表4 海泡石粘土矿粉对土壤外加镉的抑制试验结果

表5 海泡石粘土矿粉、石灰对土壤外源镉的抑制试验

4 结 论

海泡石矿粉对镉的吸附量大且不易释放,在镉污染土壤中可使活性镉显著降低的同时,植物的镉含量显著降低,这表明用海泡石矿粉作基础原料制成抑制剂,对受重金属镉污染土壤进行原位修复,前景广阔。

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Experimental Study of Inhibited Cadmium by Sepiolite in Crop

LIU Guo-sheng1,WU Si-rong2,QI Hua1,GUO Li-jun3,WANG Luo-hong1

(1.Zhuzhou Environmental Protection Research Institute,Zhuzhou 412000,China; 2.Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha 410015,China; 3.Zhuzhou Environmental Monitoring Central Station,Zhuzhou 412000,China)

Sepiolite,a natural material,used as an inhibitor for the soil pollution caused by cadmium,has adequate theoretical basis.Experiments show that:sepiolite clay powder has great adsorption for cadmium and difficult to absorb,which means that the treatment effect on cadmium contaminated soil with sepiolite will be obvious.The addition of sepiolite clay powder makes the soluble cadmium in soil and the cadmium in plants decrease.As the addition increasing,the amount of cadmium reduces much more,while the biomass increase obviously.The yield increase more obviously than slaked lime for sepiolite clay powder can inhibit the activity of cadmium and reduce the cadmium amount in plants.Therefore,sepiolite clay powder not only can be used as an inhibitor of soil cadmium, but also used as a fertilizer of plant,of which the development prospect is broad.

soil;plant;cadmium pollution;sepiolite;inhibitor

X171

A

1003-5540(2012)03-0066-03

国家重点环保专项(CJ2006-HNS-4-1)

刘国胜(1963-),男,副研究员,主要从事环境治理与土壤修复研究工作。

2012-04-28