海泡石对镉污染土壤的钝化修复效应的研究

2022-05-11申鑫雨张千喜刘园园

山西化工 2022年2期

申鑫雨，张千喜，王涌，孙滔，刘园园

（太原工业学院，山西太原 030008）

引言

据相关文献了解，中国土壤被镉污染的面积达两千万公顷，占总耕地面积的1/6，影响了11个省市的25 个地区[1]。重金属Cd 在农产品中是一个毒性很强的元素，农作物的生长发育会受到影响，且会通过食物链从植物可食部分被人体所吸收。因此，人们已经高度重视镉污染土壤的改良和修复问题。

降低Cd 在食物链中的含量方法主要有：培育优良的植物品种如对镉的吸收少或吸收后作物的可食用的部位镉含量较低；采用农业工程措施，比如在土壤中喷洒改良剂，土壤中的重金属会被改良剂的颉颃作用、吸附作用和沉淀作用停留在改良剂的表面或内部，进而土壤中Cd 的生物有效性和扩散性被降低[2]。海泡石是一种纤维状的矿物，含水镁硅酸盐，拥有较强的吸附能力的重要原因是巨大的内、外表面积[2]。本研究旨在利用海泡石优良的吸附作用，借助花盆栽种的试验，研究添加海泡石对被重金属污染土壤的修复效果，为镉污染土壤的钝化修复及海泡石的开发利用提供科学的方法和理论指导，由此可在大范围的农田中推广。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤：于山西省太原市尖草坪区的北固碾附近开采。

供试植物：白菜，品牌：长耕。

海泡石为河北鑫铖矿产公司生产。它的分子结构为四面体型，结构特征是链式的，四面体各条带之间由硅氧键相连接。外表面积可达400 m2/g，内表面积可达500 m2/g，所以海泡石有较大的比表面积，可达800 m2/g～900 m2/g。海泡石的特殊性能由其大的比表面积所决定，所以良好的化学稳定性和机械稳定性是海泡石所具有的特点，进而表现出的吸附性能和催化性能较为良好。

1.2 研究方法

由表1 可知，土壤中Cd 设立了3 个含量梯度：1 mg·kg-1，2 mg·kg-1，5 mg·kg-1。Cd 的投放形态为CdSO4，混合均匀后，放置15 d。将白菜种子在蛭石中培育，7 d 后，根据白菜幼苗的长势移至盆中，每盆污染土壤250 g，定苗3 株，保持土壤湿润，30 d 后收获。实验分为12 组，每组重复3 次，共2 个因子。

表1 250 g 土壤实验处理因素水平表

1.3 土壤和作物样品分析方法

采取自来水冲洗的方式去除附着在收获植物表面的污染物。再用去离子水冲洗后,表面附着的水分用滤纸吸干，烘干，称量样品干重。采用HNO3-HClO4消解法，原子分光光度计测定白菜内Cd 含量。采用火焰法、HF-HClO4-HNO3消化法，原子分光光度计及石墨炉无火焰装置测定土壤中Cd 含量，土壤被风干后，水土质量比以1∶2.5 混匀，pH 计经校正后测量pH。氨与苯酚-次氯酸钠反应生成蓝色的靛酚，可以用来分析土壤中脲酶的活性。

2 结果与讨论

2.1 海泡石的添加对生物量的影响

根据第307 页图1 可以得出，在海泡石未添加时，随镉浓度的增加白菜生物量最大下降了38.9%，当添加海泡石后，白菜的生物量有着较明显的增加，其中在海泡石添加量为7.5%的时，白菜生物量在81.3%～90.9%。其添加海泡石和未添加海泡石对比，白菜生物量的最大下降也有所减缓，最小下降了30%。可以看出，随海泡石的添加，土壤中镉离子对白菜的生长的影响有所减弱，且白菜的生物量也在不断增加。改良剂和重金属的互相作用，可以使土壤中的重金属有效性降低和理化性质的改善，进而植物对重金属的吸收被抑制，植物被重金属的毒害有所减轻，进而生物量有所增加[3]。

据王长伟等的研究和图1 白菜生物量受海泡石添加的影响柱形图，白菜生物量随海泡石添加量的增加而增加，是海泡石和Cd 的互相作用，改变土壤的性质，降低土壤中有效镉的含量，减少对作物生长的抑制作用，促进生物量的增加。

图1 海泡石的添加对白菜生物量的影响

2.2 海泡石的添加对土壤pH 的影响

由图2 海泡石的添加对土壤pH 的影响可知，土壤呈碱性，海泡石也为弱碱性，添加海泡石后，土壤pH 有上升趋势，但pH 总体维持在7.7 到8.11 之间，变化不明显；随海泡石的添加量分梯度增加，土壤的pH 值会越来越高。土壤pH 的升高与海泡石较强的碱性是密不可分的，海泡石的pH 大多为10.1[3]。海泡石在pH 较高的环境下对重金属离子的吸附能力增强，当pH 越高时，土壤中的有效态镉含量有明显的降低，解吸量下降的趋势明显。海泡石表面的可变负电荷在较高的pH 下会有所增加，导致其净吸附量的增加[4]。重金属污染的土壤修复的效果和植物生长受到酸碱度的影响，pH 值对土壤中有效的营养成分和微生物的活性有不可忽略的作用，同时决定着土壤胶体的交换性离子组成和土壤溶液中离子组成[5]。

由图2 和孙铁珩等和张强等的研究发现，海泡石的投放会引起土壤的pH 上升，且在作物生长允许pH 的范围内，海泡石的投放量愈多，其对重金属的吸附能力愈强。

图2 海泡石的添加对土壤pH 的影响

2.3 海泡石的添加对土壤脲酶活性的影响

脲酶活性-标准曲线的测定，吸收氮的标准溶液梯度0、1、3、5、7、10、13 mL，配置好标准系列溶液后，吸光度值在578 nm 处用分光光度计测定。

在未添加海泡石时，土壤的脲酶活性随土壤镉浓度的增大最大下降了68.58%，而添加同一质量的海泡石后，脲酶活性的最大下降量为28.68%，同一土壤污染浓度下1 mg/kg、2 mg/kg，5 mg/kg 的土壤添加4 个水平的海泡石后，土壤脲酶的活性分别增加了77.16%、268.1%、266.6%，说明有效态镉离子在土壤中的含量随海泡石的添加显著下降，进而土壤的肥力也有所上升。重金属浓度的变化会影响土壤脲酶的活性,且基本表现的是抑制作用。土壤中被掺入单因素金属Cd 后，在不同阶段，土壤脲酶活性都存在着明显下降阶段,即重金属对土壤脲酶具有一定抑制作用。另外，微生物和农作物的根部分泌是脲酶的主要来源，重金属的存在使得土壤中的微生物的生长活动受到抑制，作物体内酶的合成以及分泌量的减少。进而降低了土壤的脲酶活性[6]。

观察海泡石的添加对土壤脲酶活性影响的柱形图和王家等研究，可以得出，海泡石添加对土壤中Cd 的浓度有下降的调节作用，从而缓解了重金属Cd 对土壤脲酶活性的影响，进而出现了脲酶活性增加的现象。

经实验测得氮的标准曲线方程为y=61.767x-3.952 5，其中，y 为氮工作液量，mL，x 为吸光度（A）。由标准曲线方程和土壤脲酶活性的计算公式，可以进行计算，结果如图3 所示。

图3 海泡石的添加对土壤脲酶活性的影响

2.4 海泡石的添加对白菜体内镉含量的影响

在未添加海泡石时，随污染浓度的增加，白菜对有效镉吸收增加了148.7%，在不同浓度的镉污染土壤中，施加4 个水平的海泡石后，浓度分别下降了35.89%、44.53%、47.42%，可以看出，随海泡石添加量的增加，白菜对土壤中镉离子的固定有所增强，致使白菜对土壤中的镉离子吸收浓度降低，白菜体内有效镉含量有着明显的下降。硅氧四面体和镁氧八面体胶体组成了海泡石的晶体，内部通道结构的大小为0.37 nm×1.06 nm，其离子交换能力强、吸附容量大，土壤中重金属因和其发生离子交互作用，从而镶嵌在海泡石晶格中，土壤中的重金属的有效态下降。大量羟基存在海泡石表面，可以与溶夜中的OH-共同作用，促使士壤溶液中的重金属阔离子在海泡石表面沉泥生成氢氧收镉，且海泡石中伴生碳酸钙为碱性材料，亦可促使土壤溶液中的镉离子形成碳酸镉沉淀，降低士壤中镉的生物有效性[7-10]。

根据图4 和孙约兵等研究表明，因土壤中含有的有效态镉下降，提升了土壤的肥力，降低了镉对农产品的胁迫作用，促进了的白菜的生长发育，进而白菜的生物量出现了一定程度的增加。