粘土矿物修复农田重金属污染土壤的研究综述

曾 科

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙410000）

我国农田土壤环境受重金属污染情况十分严重。各种工业废水、废气、废渣、畜禽粪便、化肥农药、污水灌溉和污泥农用等均可成为污染的来源。而重金属的特性决定了土壤重金属污染的表聚性、累积性、隐蔽性和难治理性等特点。

目前，农田重金属污染土壤修复的研究主要分两类： ①利用技术手段去除土壤中的重金属污染物，主要以各种工程措施和植物修复为代表；②通过改变重金属在土壤中的赋存形态，降低其在土壤中的迁移性和生物可利用性，从而减少农作物对重金属的吸收，如原位钝化修复等。鉴于农田土壤重金属污染常常涉及面积很大、污染程度不高，从土壤中去除重金属的技术往往成本过高，因此发展原位钝化方法是目前中轻度污染土壤修复的较好选择。

粘土矿物是一些含铝、镁为主的含水硅酸盐矿物质，在环境中分布广泛。粘土矿物因为其本身具有良好的吸附性能和很大的离子交换容量，使得它在自然环境中是一种良好的去除污染物的物质。不同于其他土壤改良剂，粘土矿物具有廉价、易操作、见效快、不易改变土壤结构和土壤生态环境等特点。

本文阐述了海泡石、坡缕石、沸石、膨润土、硅藻土等粘土矿物对农田重金属污染土壤的修复效果以及影响修复效果的主要因素，并对今后的研究进行了展望。

1 土矿物土壤改良剂

（1）海泡石。海泡石，是一种纤维状的含水硅酸镁。它普遍的适用性、低廉的价格以及易操作性等这些优点使得它在农田重金属土壤修复中具备优势。海泡石对镉、锌、铜和铅等重金属均具有吸附能力；同时通过提高稻田土壤的pH和降低重金属的生物可利用性[1]，从而抑制植物对重金属的吸收。其对土壤的修复效果已在盆栽实验和田间实验中得到了广泛的验证[1，2]。

（2）坡缕石。坡缕石，是一种纤维状的铝镁层状硅酸盐。它对水溶液中的铜、锌、镉、镍等重金属离子具有良好的吸附能力。梁学峰等[1]发现，坡缕石可减少镉的毒性浸出浓度和土壤中可交换态的镉，从而显著减少水稻中镉的含量。

（3）沸石。沸石是沸石族矿物的总称，其硅（铝）氧四面体连成的三维格架中的空穴和通道，使其具有吸附性；而其结构中分布着容易置换的碱金属离子及水分子，使其具有很大的阳离子交换容量和保水性。上述这些性质不仅使得沸石能改善农田土壤pH值、提高土壤养分、增加土壤阳离子交换容量，而且还能使得沸石能有效降低土壤中重金属离子的含量。

（4）膨润土。膨润土，其主要成分为蒙脱石，属单斜晶系2:1型网架状结构，这种独特的结构使其具有很强的吸水性、膨胀性、吸附性、粘着性和阳离子交换性等。此外，膨润土还含有一些植物生长所需的元素，如钾、磷、镁等。由于膨润土的这些特殊性质，使其作为土壤改良剂对土壤的理化性质、肥料的利用效率及一些受污染的土壤有良好的改良和修复作用。

（5）硅藻土。硅藻土是一种具有微米/纳米级孔隙结构的天然硅质沉积岩。主要由古代硅藻的遗骸组成，其化学成分以SiO2为主。由于其生物成因，使其具有环境友好的特点。硅藻土的多孔结构和较大的比表面积使其能有效地吸附农田土壤中的重金属，从而修复污染农田土壤。刘波涛等[3]研究发现，硅藻土的添加不会过多的改变土壤pH 值等理化特性，而不同程度的减少土壤中的有效态铜、锌、镉的含量，含量降低率在60%以上。

2 粘土矿物修复效果

粘土矿物修复农田重金属污染土壤的修复效果主要体现在以下几个方面：主要有以下几种方式：

（1）降低土壤中重金属的活性。粘土矿物能通过吸附、配位反应、共沉淀反应等作用，减少土壤中的重金属含量和活性。

在田间实验和盆栽实验中，海泡石能减少土壤中可交换态镉的含量；在盆栽实验中，膨润土能减少土壤中可交换态镉和铅的含量。

（2）降低农作物中重金属的含量。海泡石、坡缕石以及膨润土均能使得大米和蔬菜中重金属含量降低，其下降量与土壤理化性质、重金属形态、作物生物量以及钝化剂的投加量等因子相关。

（3）对土壤理化性质的影响。修复农田土壤必须保证其土壤上能正常生长农作物。农田土壤中添加粘土矿物一般会导致土壤pH上升，但由于粘土矿物是一种构成土壤的天然物质，因此，粘土矿物对土壤理化性质影响不大。

3 影响修复效果的主要因素

（1）土壤pH值。土壤pH值对于农田中重金属的迁移性和生物可利用性有着十分关键的作用，它可以影响农田土壤表面的离子交换、络合反应以及其他金属结合的过程。随着pH的增加，稻田土壤表面和土壤有机质表面的负电荷随之增加，这使得土壤对重金属离子的吸附能力增强，从而降低重金属的迁移性。海泡石、坡缕石、膨润土等粘土矿物成碱性，因此，它们对酸性农田土壤的修复效果更佳。

（2）土壤水质条件。重金属的溶解性和生物可利用性主要依赖于土壤pH值和氧化还原电位（Eh）。对于农田土壤，其水质条件对土壤Eh有着很大的影响。有研究表明,海泡石能使淹水稻田中的pH值上升，Eh下降，使得土壤表面阴离子电荷增加，从而使得Cd的迁移性减少。

4 结语与展望

迄今为止，对于应用粘土矿物修复农田重金属污染土壤还处于起步阶段，很多方面有待进一步深入研究：

（1）修复效果的长期有效性。长期有效性是筛选修复技术的重要指标。由于农田土壤是一个开放的体系，当土壤理化性质改变时，被粘土矿物吸附的重金属很可能重新释放到环境中。目前，由于周期长、实验条件不易控制等问题，这方面的研究还需进一步深入。

（2）粘土矿物的修复能力。虽然粘土矿物在土壤修复中具有环境友好、价格低廉等特点，但它仍然存在如相对有限的吸附点位和络合点位，施用量大使成本增加等问题。对粘土矿物的表面改性可以改善粘土矿物的表面性质，增强其对农田土壤的修复效果。目前，这方面的研究还未建立成本-修复效果的关系，有待进一步研究。

（3）如何从实验研究推广到大尺度的农田土壤修复中。目前粘土矿物对农田土壤的改良效果多数是在盆栽或田间实验中获得，如何将其应用于成片的农田土壤，还有许多问题需要解决，如不同类型土壤中粘土矿物的施用量以及施用后土地耕作方式的最优化、修复的长期有效性等。