土壤重金屬鈍化效果實驗研究

侯彪　行仙峰

摘 要：隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)，各種化學(xué)產(chǎn)品的廣泛使用，工業(yè)三廢進入土壤，導(dǎo)致土壤重金屬污染，尤其是農(nóng)田土壤重金屬污染日益突出。農(nóng)田土壤重金屬污染已成為當前亟待解決的環(huán)境問題，我國大多數(shù)城市農(nóng)田都不同程度的受到了重金屬污染，尤其鎘大米成為人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常面對的問題。鎘污染土壤修復(fù)已經(jīng)成為不得不關(guān)注的問題。文章通過粘土礦物吸附土壤重金屬，將重金屬固定在土壤中，減少重金屬有效態(tài)進入農(nóng)作物中，從而降低作物中的重金屬含量。

關(guān)鍵詞：粘土礦物；礦物肥料；有效態(tài)

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0054-02

Abstract： With the development of mineral resources and the extensive use of various chemical products， industrial wastes enter the soil， resulting in heavy metal pollution in soil， especially in farmland soil. The heavy metal pollution of farmland soil has become an environmental problem to be solved. Most urban farmland in our country is polluted by heavy metals in varying degrees， especially cadmium rice has become a problem that people often face in their daily life. The remediation of cadmium contaminated soil has become a problem that has to be paid close attention to. Through the adsorption of soil heavy metals by clay minerals， the heavy metals were fixed in the soil to reduce the availability of heavy metals into crops， thereby reducing the content of heavy metals in crops.

Keywords： clay mineral； mineral fertilizer； available state

隨著土壤重金屬污染越來越嚴重，國家對土壤關(guān)注程度也越來越高。2016年5月28日，國務(wù)院印發(fā)了《土壤污染防治行動計劃》，標志著打響了土壤污染防治的攻堅戰(zhàn)。土壤重金屬污染問題作為一個老大難問題，更讓許多人投入到對土壤污染重金屬修復(fù)研究與治理當中。重金屬對農(nóng)作物的危害，主要與重金屬有效態(tài)含量有重大關(guān)系。有效態(tài)多，則容易被土壤吸附，進而威脅人體健康。因此，如何找到一個有效方法減少有效態(tài)重金屬進入到農(nóng)作物中成為了研究的關(guān)鍵。結(jié)合重金屬的性質(zhì)與粘土礦物的吸附性，本文通過在與礦物肥料結(jié)合的情況下，通過粘土礦物吸附重金屬減少有效態(tài)含量，礦物肥料提供作物所需的養(yǎng)分元素，篩選出使重金屬有效態(tài)降低的粘土礦物，從而為重金屬修復(fù)提供一定的參考。

1 粘土礦物吸附重金屬機理

粘土礦物主要通過三類作用力實現(xiàn)對重金屬離子的吸附，具體包括：（1）離子交換作用，在粘土礦物晶體中，陽離子與重金屬離子發(fā)生的置換反應(yīng)；（2）表面絡(luò)合作用，粘土礦物表面帶負電的基團與帶正電的重金屬離子發(fā)生表面絡(luò)合或沉淀反應(yīng)，從而降低重金屬離子的活性；（3）靜電作用，粘土礦物硅氧四面體中的硅被鋁替代，價態(tài)沒有達到平衡，從而使硅氧四面體帶負電，進而通過靜電吸附作用吸附帶正電的陽離子或陽離子基團。

三類作用力在不同的粘土礦物上所起的作用是不一樣的。2：1型粘土礦物的層間充滿大量可交換性陽離子，因此當其吸附重金屬離子時，陽離子交換作用>表面絡(luò)合（沉淀作用）>靜電作用；1：1型粘土礦物層間主要由氫鍵作用聯(lián)結(jié)，可交換性陽離子基本上不存在，因此表面絡(luò)合（沉淀作用）>靜電作用>陽離子交換作用。

2 粘土礦物吸附重金屬的實驗研究

2.1 材料與試劑

樣品：土壤樣品TS125采集于什邡市師古鎮(zhèn)，將采集的土壤陰干后，剔除植物碎屑，用四分法取100g主壤，研磨后過100目尼龍篩，裝入樣品袋中備用。

礦物肥料由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所劉建明研究員提供，是以鉀長石等天然富含硅酸鹽巖的巖石經(jīng)過水熱反應(yīng)工藝生產(chǎn)而成。

供試礦物材料為膨潤土、高嶺土、磷灰石。

2.2 鈍化模擬實驗

實驗采用土壤量固定，礦物肥料及礦物材料同等比例的做法來進行實驗，具體如下：

將上述組合混合均勻，然后加入10ml去離子水，在振蕩器上振蕩數(shù)小時，直至將去離子水蒸干。隨后進行重金屬形態(tài)連續(xù)提取。

2.3 重金屬賦存形態(tài)分析

重金屬賦存形態(tài)分析采用BCR連續(xù)提取法，此法將重金屬分為五類，如下：

（1）弱酸溶態(tài)——包括可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)。

a.可交換態(tài)重金屬：指吸附在表土、腐殖質(zhì)及其它成分上的金屬，易于遷移轉(zhuǎn)化，能被植物吸收。

b.碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬：土壤中重金屬元素在碳酸鹽礦物上形成的共沉淀結(jié)合態(tài)。當PH值下降時易重新釋放出來而進入環(huán)境中。相反，值升高有利于碳酸鹽的生成。

（2）可還原態(tài)——鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)

重金屬一般是以細粉散顆粒存在，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)在氧化還原電位較高時，有利于鐵錳氧化物的形成。

（3）可氧化態(tài)——有機結(jié)合態(tài)

由土壤中各種有機物如動植物殘體腐殖質(zhì)及礦物顆粒的包裹層等與土壤中重金屬結(jié)合而成。

（4）殘渣態(tài)

一般存在于硅酸鹽原生和次生礦物等土壤晶格中，是自然地質(zhì)風(fēng)化過程中的結(jié)果。在自然界正常條件下不易釋放，能長期穩(wěn)定在沉積物中，不易為植物吸收。

3 結(jié)果討論

礦物材料對重金屬賦存形態(tài)的影響：

肥料與其它礦物材料結(jié)合后，土壤中重金屬Cd形態(tài)百分比如圖1。

通過圖1，我們可以發(fā)現(xiàn)不同的礦物材料在與肥料結(jié)合的情況下，土壤中重金屬形態(tài)所占百分比，由于殘渣態(tài)與弱酸溶態(tài)一個不容易被吸收，一個容易進入作物，故我們重點關(guān)注這兩個形態(tài)的變化情況。

（1）通過1、2組比較，我們發(fā)現(xiàn)單純添加礦物肥料后，土壤中重金屬弱酸溶態(tài)減少，殘渣態(tài)增多，代表礦物肥料對于吸附土壤重金屬有較好的效果。

（2）通過1、3、4、5組的對比，我們發(fā)現(xiàn)弱酸溶態(tài)比例都在減少，減少比例從大到小依次為3>5>4，即弱酸溶態(tài)減少比例磷灰石>高嶺石>膨潤土。發(fā)現(xiàn)3的殘渣態(tài)比例有所增加，而4與原土中殘渣態(tài)所占比例相當，5則減少。說明3即磷灰石與礦物肥結(jié)合吸附重金屬較其它粘土礦物能力強，修復(fù)效果好。

（3）通過1、6、7、8組的對比，弱酸溶態(tài)比例都在減少，減少比例從大到小依次為8>7>6，即弱酸溶態(tài)減少比例磷灰石+高嶺石>高嶺石+膨潤土>膨潤土+磷灰石。從殘渣態(tài)來看，三種組合殘渣態(tài)都在減少，說明這三種組合將部分殘渣態(tài)重金屬和弱酸溶態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為了可氧化態(tài)與可還原態(tài)。

（4）通過1、9發(fā)現(xiàn)，將這些材料按1：1加入到土壤中后發(fā)現(xiàn)可還原態(tài)重金屬變多，Cd主要以還原態(tài)重金屬的形式存在。

4 結(jié)束語

通過我們的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在礦物肥料與磷灰石結(jié)合時，修復(fù)鈍化土壤重金屬能力最強，最能將危險性形態(tài)的重金屬鈍化固定下來，因此可以考慮在施用礦物肥料時加入磷灰石，從而減少重金屬被作物所吸收的概率，進而對人體健康影響程度降到最低。

礦物肥料不僅能夠提供給作物所需的營養(yǎng)元素，而且可以將土壤重金屬鈍化，使其不易被作物所吸收，但是重金屬被鈍化后仍然保留在土壤中，一旦周圍環(huán)境發(fā)生變化，這部分重金屬就容易被釋放出來，從而被作物所吸收，因此后續(xù)應(yīng)考慮礦物肥料與粘土礦物結(jié)合修復(fù)重金屬時的可持續(xù)性及有效性。

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