復合凹凸棒土鈍化劑在農田重金屬污染土壤中的應用研究

朱月琪 李國健 曾紅平 解 榮

(廣東環境保護工程職業學院，廣東佛山，528216)

重金屬污染土壤修復技術中，化學法是其中一種重要方法。目前，化學方法中鈍化技術應用廣泛，是指將鈍化試劑加入重金屬污染土壤中，重金屬離子形成氫氧化物沉淀，其遷移性降低，從而生物利用率大大降低[1]。該技術投入相對較低，操作簡單，對于大面積中、輕度重金屬污染農田土壤修復具有較大的優越性[2]。

凹凸棒土又稱坡縷石(Palygorskite)或坡縷縞石，海泡石族，是一種含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，呈鏈層狀結構，結構式為Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O[3]。凹凸棒石礦物在世界各地分布廣泛，我國有14個省區發現凹凸棒石黏土礦點。由于來源廣泛、價格低廉，并具有化學惰性、無污染等特點，凹凸棒土已被廣泛地應用于造紙、建材工農業各個領域。在環境保護方面，凹凸棒土作為廢水脫色劑的應用研究是國內外研究熱點[4]，其在土壤修復領域的研究較少。

本文以熱改性的凹凸棒土作為基質材料，配制出復合凹凸棒土鈍化劑，并對其鈍化效果、最佳施用量及作物生長促進作用進行試驗和分析。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

凹凸棒土煅燒采用箱式電阻爐(SX2-5-12N，常州國旺)；土壤消解采用恒溫電熱板(DB-3B型，常州朗博)；重金屬檢測采用ICP-OES(715型，美國安捷倫)；pH值檢測采用pH計(PHSJ-4F型，雷磁)。

1.2 復合凹凸棒土鈍化劑的制備

凹凸棒石產自安徽，經風干、破碎后過200目篩。去除大顆粒物，得到均勻細小顆粒的凹凸棒土。凹凸棒土的物理化學性質如表1所示。

表1 凹凸棒土理化性質表

將凹凸棒土放入馬弗爐中，以300℃ 煅燒2小時[5]，其晶體結構中不同狀態的水分得以去除，結構變得疏松、多孔，比表面積增大，從而增強了吸附力。在高溫改性后凹凸棒土中分別添加硫酸鈣、磷酸二氫鉀。硫化物可以電離出硫離子，易于和重金屬離子生成溶度積很小的沉淀物[6]。而含磷物質主要是以形成金屬磷酸鹽沉淀，輔以吸附、離子交換、表面配位及生成非晶體物質等作用，實現對金屬離子的固定[7]。三者按100:5:5的質量比添加，混合均勻后得到復合凹凸棒鈍化劑。

1.3 重金屬污染土壤

重金屬污染土壤取自廣東省韶關市翁源縣鐵龍林場農田表層(0—20cm)。由于周邊分布有礦產加工、金屬冶煉和水泥制造等企業，農田受到一定程度的重金屬污染。采集的土壤經過自然風干后，去除樹枝、雜草等雜物，破碎后過2mm篩待用。

土壤基本理化性質見表2。土壤重金屬含量參照Hua等[8]采用“王水-高氯酸電熱板法”消解法測定。

表2 供試土壤理化性質表

1.4 實驗方法

1.4.1 重金屬污染土壤鈍化試驗

在花盆中放入3kg供試土壤，并以常見葉菜小白菜作為種植對象，置于溫室大棚并進行常規田間管理。試驗設置3個試驗組：①空白試驗，不添加任何物質；②添加10g氧化鈣；③添加10g復合凹凸棒土鈍化劑。每個試驗組設3個平行試驗。在植物生長100天后，采集土壤樣品，分析其有效態重金屬As、Cd、Pb的含量；收集植物莖葉，分析其中重金屬As、Cd、Pb的含量及變化。

土壤中有效態重金屬采用DTPA浸提測定[9]。植物樣品重金屬含量參照Mohtadi等[10]采用“硝酸-高氯酸體系濕法”消解法測定。

1.4.2 作物生長促進試驗

在花盆中放入3kg供試土壤，并種植小白菜，置于溫室大棚并進行常規田間管理。試驗設置2個試驗組：①空白試驗；②添加最佳施用量的復合凹凸棒土鈍化劑。每個試驗組設3個平行試驗。按時記錄植株的生長情況。

2 結果與分析

2.1 重金屬污染土壤鈍化效果分析

如圖1所示，添加CaO的重金屬污染土壤，其總Cd、Pb有所降低，但無機As的變化不大。這是因為CaO的鈍化作用的機理是提高土壤pH值，并生成重金屬的氫氧化物沉淀。而重金屬砷基本以含氧陰離子形態存在，該法對重金屬砷無效。

圖1 土壤有效態重金屬含量變化

而添加復合鈍化劑的土壤中有效態重金屬As、Cd、Pb的含量均降低，鈍化率分別達到53.1%、70.0%和60.0%。其中，Cd、Pb的鈍化率比施用CaO的情況更高，其鈍化效果更明顯。這是因為相對CaO較單一的鈍化機制來說，復合鈍化劑是通過吸附、離子交換、共沉淀等多元機制實現鈍化作用，不僅多種重金屬污染的土壤均有效，且鈍化效果更好。

施用CaO和復合鈍化劑對葉菜重金屬含量的影響如圖2所示。從圖2可以看出，CaO可在一定程度上減少葉菜對土壤中重金屬Cd、Pb的吸收。而復合鈍化劑可更加高效地實現同時降低葉菜對重金屬As、Cd、Pb的吸收和積累，降低率(與空白試驗相比)分別達到49.1%、53.3%、47.2%。這與上組試驗中土壤有效態重金屬鎘、鉛、砷的含量變化吻合。

圖2 小白菜莖葉重金屬含量變化

2.2 作物生長促進試驗

植株的生長情況，如圖3所示。經按0.5%的質量比施用復合凹凸棒土鈍化劑后的葉菜長勢明顯。56d時，施用復合鈍化劑后的小白菜生物量比空白試驗的多13%。這是因為凹凸棒土具有陽離子交換性，有利于土壤保肥供肥；有較好的吸水性和黏結性，有利于植物扎根和生長發育；礦質營養元素含量高，可以增加土壤的肥力[11]。另外，復合鈍化劑中添入的硫和磷也能提供作物生長的微量元素。

圖3 小白菜生長情況

3 結論

(1)采用高溫改性后凹凸棒土作為基質材料，按100:5:5的質量比添加具有重金屬鈍化作用的硫酸鈣和磷酸二氫鉀，復配得到復合凹凸棒土鈍化劑。

(2)以重金屬污染農田表層土作為供試土壤，以小白菜作為種植對象，利用盆栽試驗，以土壤中的重金屬含量和植物莖葉的重金屬累積量來判斷復合凹凸棒土鈍化劑的鈍化效果。結果顯示：復合鈍化劑對供試土壤中的As、Cd、Pb均表現出良好的鈍化效果，鈍化率分別達到53.1%、70.0%和60.0%；植物莖葉部分的重金屬累積量比不添加復合鈍化劑時減少49.1%、53.3%、47.2%。

(3)復合凹凸棒土鈍化劑作為環境友好型的添加劑，對作物生產有一定的促進作用。施用量為0.5%(質量比)時，小白菜的生物量增長13%。