赤泥用于钝化酸性土壤重金属的可行性

谢国雄，李荣会

(1.杭州市植保土肥总站，浙江 杭州 310020；2.衢州市土肥与农村能源技术推广站，浙江 衢州 324000)

农作物对土壤重金属的吸收不仅与农田土壤重金属的污染程度有关，还深受土壤酸碱度的影响。许多研究已证实，土壤酸化可大大增加作物对土壤镉的吸收[1]。施用石灰性物质被认为是降低酸性土壤中重金属有效性的有效措施[2-5]。赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的废渣，每生产1 t氧化铝平均可产生1.0～2.0 t赤泥，我国每年排放的赤泥量高达数百万吨[6-7]。当前，大量的赤泥尚不能被有效利用，其堆场不仅占用大量土地，也对环境造成了严重的污染。烧结法产生的赤泥富含氧化钙和氧化铁铝，pH值很高，应用于酸性土壤能显著降低其中重金属的生物有效性[8-11]，其钝化机理与石灰相似。为了了解赤泥能否替代石灰用于治理重金属污染的酸性农田，在等石灰当量下比较了赤泥与石灰施用对酸性土壤中重金属的钝化效果及对土壤性状的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验污染土壤采自某矿区附近农田，Cd、Cu、Zn、Pb含量分别为2.79、204、534、323 mg·kg-1，有机质含量为20.22 g·kg-1，黏粒含量为214 g·kg-1。供试赤泥取自某铝业公司，pH值为12.3，CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3含量分别为345、205、85、54 g·kg-1；Cd、Cu、Zn、Pb含量分别为0.22、32.21、132.46、32.68 mg·kg-1。供试石灰(石灰石粉)购自杭州，其pH值为12.7，CaO含量为568 g·kg-1，Cd、Cu、Zn、Pb含量分别为0.12、14.21、67.32、13.54 mg·kg-1。赤泥和石灰施用前均过100目(<0.125 mm)塑料筛。

1.2 盆栽试验

盆栽试验共设7个处理：CK，不添加任何钝化剂的对照处理；L1，施石灰0.67 g·kg-1(相当于1.5 t·hm-2)；L2，施石灰1.33 g·kg-1(相当于3.0 t·hm-2)；L3，施石灰2.00 g·kg-1(相当于4.5 t·hm-2)；R1，施赤泥1.10 g·kg-1(相当于2.475 t·hm-2)；R2，施赤泥2.20 g·kg-1(相当于4.950 t·hm-2)；R3，施赤泥3.30 g·kg-1(相当于7.425 t·hm-2)。L1与R1、L2与R2、L3与R3的石灰当量相同。各处理均重复3次。

每个处理的用土量均为5 kg。盆栽土壤经与钝化剂充分混匀后(CK除外)，在室温(25±1)℃和80%的土壤含水量下培养6个月，然后种植蔬菜，每盆移栽4株25日龄的青菜幼苗(品种为苏州青)。在种植蔬菜前，每盆各施复合肥(N、P2O5、K2O的质量分数分别为15%、15%、15%)1 g。蔬菜生长65 d后，采集土样和蔬菜样品。采集的土壤样品经风干后分别过2 mm和0.15 mm塑料土筛，用于土壤性状和重金属含量测定。蔬菜样依次用含少量洗洁精的自来水、自来水各冲洗2～3次，去除附着的灰尘和污染物质，之后继续用去离子水冲洗2～3次。清洗后取蔬菜可食部分切碎、混匀，用于重金属含量分析。

1.3 分析方法

土壤pH、盐分、黏粒和有机碳含量等采用常规方法测定[12]；土壤重金属全量测定，用硝酸-高氯酸消化；植物有效性重金属采用EDTA提取，用2.5 g土在25 mL、pH值为7的0.05 mol·L-1EDTA中提取1 h[12]；植物重金属采用HNO3-HClO4联合消煮。以上消化液或提取液中的Cd、Cu、Pb和Zn含量采用石墨炉原子吸收法测定。

所有试验数据用Excel 2010进行处理，用SPSS 19.0做统计分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 对土壤有效态重金属含量的影响

如表1所示，无论是施用石灰还是赤泥均可显著降低土壤中重金属的生物有效性，且其效果随石灰和赤泥用量的增加而提升。在相同石灰当量下，施用赤泥对降低土壤有效态重金属的效果不低于甚至显著优于施用石灰，尤以对Pb的钝化效果最为明显。这可能是因为赤泥除含有碳酸钙外，还含有高量的氧化铁铝，后者对土壤中的重金属也具有一定的固定作用。施用低量石灰(L1)后，土壤有效态Cd、Cu、Zn、Pb的含量分别下降至CK的82.0%、90.1%、90.0%和78.5%，而施用低量赤泥(R1)后土壤有效态Cd、Cu、Zn、Pb的含量分别下降至CK的77.1%、87.6%、87.9%和73.3%；施用中量石灰(L2)后，土壤有效态Cd、Cu、Zn、Pb的含量分别下降至CK的68.9%、74.3%、85.0%和51.2%，而施用相应的中量赤泥(R2)后土壤有效态Cd、Cu、Zn、Pb的含量分别下降至CK的66.2%、68.3%、81.7%和46.5%；施用高量石灰(L3)后，土壤有效态Cd、Cu、Zn、Pb的含量分别下降至CK的60.4%、58.1%、78.4%和46.4%，而施用相应的高量赤泥R3后土壤有效态Cd、Cu、Zn、Pb的含量分别下降至CK的55.6%、55.6%、70.2%和37.6%。

注：同列数据后无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。表2～4同。

2.2 对蔬菜吸收重金属的影响

施用石灰和赤泥对蔬菜地上部分重金属含量影响的趋势基本上与对应的土壤有效态重金属相似，但下降程度一般更大(表2)。在等当量石灰的情况下，也是以施用赤泥的效果要好于施用石灰的，这可能与前者对土壤有效态重金属的钝化效果更强有关。施用低量石灰后，蔬菜地上部分Cd、Cu、Zn、Pb含量分别下降至CK的68.7%、84.2%、93.9%和75.9%，而施用相应的低量赤泥后蔬菜中Cd、Cu、Zn、Pb含量分别下降至CK的63.1%、74.9%、90.2%和67.5%；施用中量石灰后，蔬菜地上部分Cd、Cu、Zn、Pb含量分别下降至CK的50.9%、66.6%、86.2%和50.6%，而施用相应的中量赤泥后蔬菜中Cd、Cu、Zn、Pb含量分别下降至CK的46.3%、58.9%、77.6%和41.0%；施用高量石灰后，蔬菜地上部分Cd、Cu、Zn、Pb含量分别下降至CK的36.9%、55.2%、70.2%和43.4%，而施用相应的高量赤泥后蔬菜中Cd、Cu、Zn、Pb含量分别下降至CK的28.5%、47.3%、59.0%和27.7%。

2.3 对土壤性状和蔬菜生物量的影响

由表3可知，施用石灰或赤泥均可显著提高土壤的pH，提升量随石灰或赤泥用量的增加而增加。与此同时，土壤水溶性盐分也有增加，且以施用赤泥的效果显著。施用石灰或赤泥后，土壤中的速效钾含量与CK相比均无显著差异，但施用中量或高量赤泥处理的土壤速效钾含量显著高于施用等量石灰的处理。施用石灰或赤泥会降低土壤有效磷含量，且以施用赤泥对降低土壤有效磷含量的效果更明显。施用石灰与赤泥后，土壤有机质含量显著下降，可能是因为土壤pH值的升高增加了土壤微生物的活性，促进了土壤有机质的分解。

表3 不同处理对土壤理化性状的影响

由表4可知，施用石灰和赤泥均能显著促进蔬菜生长。当钝化剂用量较低(L1和R1)或中等(L2和R2)时，施用等当量的赤泥和石灰的蔬菜地上部生物量无显著差异；当钝化剂用量较高时(L3和R3)，施用石灰的蔬菜地上部生物量进一步显著增加，而施用赤泥的却显著下降，且施用赤泥的蔬菜地上部生物量显著低于施用石灰的。这可能是因为赤泥中含有较高的可溶性盐分，且赤泥中的氧化铁和氧化铝会固定土壤中的磷等营养元素，降低土壤中的有效磷含量，从而影响了蔬菜的生长。因此，在用赤泥修复受重金属污染的酸性土壤时，应适当增加磷素的投入。同时，应注意控制赤泥施用量，以防止土壤盐分累积。

表4 不同处理对每盆蔬菜地上部生物量的影响

3 小结

赤泥作为工业生产的固体废弃物，用于污染土壤修复具有成本低、以废治废的特点。赤泥呈碱性，并含有较高量的氧化铁铝，可提高土壤pH值，并能通过增加土壤胶体表面负电荷来增强对重金属离子的吸附，降低土壤中重金属的生物有效性，促进作物生长。本研究表明，赤泥可替代石灰用于受重金属污染的酸性土壤的修复。在相同石灰当量下，施用赤泥降低土壤有效态重金属和蔬菜中重金属积累的效果要优于施用石灰，但施用赤泥会增加土壤盐分的积累、降低土壤磷的有效性；因此，用赤泥替代石灰钝化土壤中的重金属时，应适当控制其施用量，同时适量增加磷素投入。