矿物质钝化剂对重金属污染土壤的钝化效果研究

叶胜兰

摘 要：试验采用室内恒温培养试验，研究不同矿物质材料（海泡石、沸石和坡缕石）添加量对土壤溶解态和残渣态的铜、镉、锌和铅含量的影响，得出不同矿物质材料适宜的添加量。结果表明：不综合分析发现，不同种类钝化剂能有效降低溶解态重金属含量，同时增加残渣态重金属含量。其中以低浓度的坡缕石效果最佳，因此可选用1%或者2%的坡缕石用于土壤中重金属铜、锌和铅的钝化修复，可选择2%的海泡石对镉进行修复。

关键词：钝化剂;重金属;污染土壤

中图分类号：S-3       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030038

前言

随着城市化和工业化的高速发展以及市政污水和排放废弃物等进入农业循环系统，大面积的土壤严重受到重金属污染。且在由于我国人口的巨大压力条件下，优质耕地资源的短缺和粮食生产的需求矛盾显得极为突出，因此对污染土壤进行大规模修复已是迫在眉睫。但物理修复存在高成本的问题而植物修复需要长时间不间断的修复作用。因此，对于重金属污染的土壤最实用的且可以确保农作物安全生产的补救措施应采用化学钝化法[1]。化学钝化修复是指向受污染的土壤中添加钝化剂，以将重金属从活性形式转变为稳定形式，从而减少重金属的迁移和生物利用度，达到修复受重金属污染的土壤的方法[2]。该项修复技术具有快速修复，操作简单等优点，因此更适合大面积被重金属污染的农田[3-4]。目前已研究出可使用的钝化剂材料主要有各种矿物质，生物炭，有机物等，它们对不同类型的污染物质，土壤类型和污染水平的修复结果存在一定差异性[4-6]。将这些钝化剂用于土壤的修复后，一方面可以改善土壤的理化性质和补充养分，另一方面通过吸附，沉淀，结合使重金属从可交换态变为有机结合态和残留态。从而降低了重金属的迁移率和生物结合度[7]。

然而我们不可忽视的是重金属污染土壤的修复是一项长期而艰巨的工程。因此，在选择化学钝化剂时，应充分考虑钝化剂的价格和是否可能再次污染。矿物是廉价的材料，具有最佳的环境相容性。近年来，尤其是非金属矿物常被用作土壤重金属的钝化剂，并取得了良好的效果[8]。矿物钝化剂可以增强土壤与重金属离子的亲和力，提高土壤中重金属的吸附能力，并减少重金属的二次释放。白云石可以更好地修复酸性土壤中的重金属污染，并可以显着减少有效的锌、镉和铅[9]。施用海泡石后，蔬菜土壤中可交换的镉含量可降低23.1%-41.2%;生菜，油菜和萝卜的可食用部分中镉的最大减少量分别达到51.8%，47.0%和24.9%[10]。但是，仅使用矿物钝化剂土壤中有机物存在加速分解的风险，土壤腐殖质不易积聚，若长期添加腐殖质也会导致土壤致密化和微量营养素缺乏[7]。因此，鉴于化学钝化修复技术在实际生产中已有的明显缺陷，有机肥与钝化剂的联合修复技术不仅可以提高土壤肥力，促进农作物生长，而且可以促进修复效率的提高和土壤中钝化重金属含量的增加[11-14]。研究表明，在钝化剂海泡石的修复作用下，增加有机肥的施用可以显着减少小菜可食部分和根中Cd的吸收和积累[15]。

目前，有许多关于通过矿物质钝化来修复重金属污染的研究，并且大多数研究集中在使用一种或多种矿物质来降低土壤中重金属的迁移率和生物结合度。但实际应用中，关于有机肥料对重金属的钝化和修复效果影响的研究很少，在钝化修复中采用良好的农艺措施不仅可以促进修复效率，而且可以提高修复效率。土壤重金属净化与恢复的稳定性。因此，研究有机肥对钝化修复效果和稳定性的影响，最小化有机肥对钝化修复效率的不利影响，最大化有机肥对钝化修复效果的协同增强作用，提高钝化修复能力。效果和稳定性对进一步促进农田中重金属污染土壤的研究和应用具有极其重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤为陕西富平的粘土，并过0.149mm筛后备用。有机肥为购买的发酵羊粪。钝化剂材料选用海泡石、沸石和坡缕石，过0.149mm筛后备用。重金属污染土壤按照土壤环境质量二级标准（GB 15618-1995）扩大5倍添加适量重金属盐类物质，使土壤中总铜、总镉、总锌和总铅含量分别达到500、1.5、1250和600mg·kg-1。

1.2 试验方法

试验中添加的矿物质钝化剂量应按照干质量比（1%、2%、3%和5%）分别与重金属复合污染土壤混合，同时设对照，共13个处理，每个处理设3个重复。

采用恒温培养试验，先称取自制的污染土壤50g，分别加入不同种类和用量的钝化剂材料，将其与土壤充分混匀后置于250mL塑料瓶中。按照田间持水量的65%添加去离子水到培养瓶中，用保鲜膜封口，并在保鲜膜中间留数个小孔。将塑料瓶置于25℃恒温培养箱中培养，培养过程中采用称重法补充去离子水。在培养50d后自然风干后过筛备用。

1.3 测定项目

溶解态及残渣态铜、镉、锌和铅的测定：采用1mol·L-1醋酸铵提取，称取过2mm筛风干土样于100mL塑料瓶中，准确加入1mol·L-1醋酸铵浸提剂（浸提剂：土为2：1），振荡2h，离心过滤后，使用原子吸收分光光度计测定铜、镉、锌和铅的含量。

2 结果

2.1 不同钝化剂对污染土壤中溶解态重金属含量的影响  溶解态重金属是土壤中活性较高的一类物质，极易发生迁移转化、淋溶渗漏造成植物、深层土壤、地下水等的污染。从图1可看出，不同類型钝化剂及不同比例钝化剂均显著影响重金属污染土壤中溶解态重金属的含量。其中CK的溶解态铜、锌、镉和铅含量均表现为最大。在添加不同钝化剂后，溶解态重金属含量均出现不同程度的下降。P2（坡缕石2%）和P3（坡缕石3%）处理的铜含量相同，为279mg·kg-1且低于其他坡缕石处理;P3处理的锌、镉含量低于其他处理;同时P2处理的铅含量是坡缕石中最低的。而溶解态重金属在经过海泡石处理后，以S3（海泡石3%）处理的效果表现最好，其中铜、镉和铅均表现为最低，分别为286mg·kg-1、856mg·kg-1和60mg·kg-1。对于沸石处理则以Z2（沸石2%）的效果表现最佳，溶解态重金属铜、镉、铅分别为299mg·kg-1、0.94mg·kg-1及55mg·kg-1。而在三种钝化剂中，则以坡缕石对重金属的钝化效果最优，且以添加2%和3%比例坡缕石的效果最佳。

2.2 不同钝化剂对污染土壤中残渣态重金属含量的影响  残渣态重金属是被固定的已结合的金属，不能再次释放。土壤中的残渣态重金属不会被植物吸收，也不易通过雨水等方式发生渗漏，呈现出极其稳定的一种状态。从表1可看出，不同钝化剂处理除镉元素外均显著增加了土壤中残渣重金属的含量。土壤中重金属镉不易被固化，其中S2（沸石2%）、S1（沸石1%）、P1（坡缕石1%）和P4（坡缕石5%）残渣态镉分别为0.061mg·kg-1、0.051mg·kg-1、0.035mg·kg-1和0.005mg·kg-1，但其他处理含量均为0。其中以低浓度的海泡石效果最佳。坡缕石中以P1的固定效果最佳，其中铜和锌的含量分别为23mg·kg-1和46mg·kg-1，显著高于其他处理。P2处理的残渣态铅含量最高为24mg·kg-1。而2%海泡石处理的效果表现最佳，其铜、锌和铅分别为24mg·kg-1、48mg·kg-1和19mg·kg-1，显著高于其他比例的海泡石处理。

3 结论

综合分析发现，不同种类钝化剂能有效降低溶解态重金属含量，同时增加残渣态重金属含量。其中以低浓度的坡缕石效果最佳，因此可选用1%或者2%的坡缕石用于土壤中重金属铜、锌和铅的钝化修复，可选择2%的海泡石对镉进行修复。

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（责任编辑 李媛媛）