4種環境材料施用對土壤鉛、鎘形態的影響

張博倫 黃占斌 崔鵬濤

摘要：采用4因素3水平正交試驗設計，以不添加環境材料和磷肥為對照（CK），研究保水材料（A）、腐殖酸（B）、鈉基膨潤土（C）和磷肥（過磷酸鈣，D）4種環境材料對土壤重金屬鉛（500 mg/kg）、鎘（5 mg/kg）形態的影響。結果表明，土壤中Pb形態分布為殘渣態>有機結合態>鐵錳氧化物結合態>碳酸鹽結合態>可交換態，Cd形態分布為可交換態>鐵錳氧化物結合態>殘渣態>碳酸鹽結合態>有機結合態;添加環境材料和磷肥可使Pb、Cd的可交換態、碳酸鹽結合態比例較CK有降低，穩定態（鐵錳氧化態+有機結合態+殘渣態）較CK有提高;其中磷肥和腐殖酸對Pb形態分布影響最大，組合（A2B1C2D3）較CK鉛的穩定態增加3.86%;保水劑和磷肥對Cd形態分布影響最大，組合（A2B3C1D2）較CK穩定態增加11.36%。比較發現，添加環境材料對土壤鉛、鎘形態均有不同程度影響。該結果可為土壤鉛、鎘穩定化治理提供參考。

關鍵詞：腐殖酸;保水劑;鈉基膨潤土;過磷酸鈣;鉛;鎘;形態分布

中圖分類號：X53 ??文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）12-0293-04

隨著工業、農業以及社會經濟的快速發展，通過工農業生產、城市垃圾、汽車尾氣等進入土壤中的重金屬越來越多，造成土壤中重金屬含量的不斷增加，土壤重金屬污染最終對人的身體健康產生很大的危害，因此引起人們的廣泛關注。在重金屬污染種類上，農田土壤以Pb、Cd污染較為普遍。土壤是污水灌溉的直接受體，污水中的污染物會直接存留在土壤中，當污染物含量超過一定限制時，則會對土壤質量安全產生危害，直接表現為土壤板結[1]，甚至使土壤喪失其支撐農業生產及人群健康居住的功能。我國土壤面臨著嚴峻的重金屬污染問題，而且在農田土壤中表現尤為突出，嚴重影響到正常的農業耕作和發展。很多相關報道顯示，我國農業耕地土壤中被重金屬污染的面積很大，并且有污染面積加速擴展的趨勢，造成了巨大的物質和經濟損失[2]。我國受重金屬污染農業土地面積大、分布范圍廣。據統計，我國目前污灌農田面積為216.7萬hm2，約占全國總灌溉面積的10%，受重金屬污染土地占污灌區面積的65%[3]。我國24個省（區、市）城郊、污灌區、工礦等經濟發展較快地區的320個重點污染區中重金屬含量超標的農產品產量與面積約占污染物超標農產品的80%以上，其中鉛是最嚴重污染元素之一[4]。

環境材料是一種具有最大使用功能與最低環境負荷的一類生態材料[5]，近年來在農業生產和環境治理中的應用受到重視。環境材料修復土壤重金屬污染是有效的修復方式之一，磷肥對降低土壤中重金屬有效態活性有一定效應。彭麗成等研究環境材料對重金屬的淋溶效應，證明添加高分子保水材料、吸附材料及腐殖酸等對重金屬穩定化有一定作用[6]。黃震等通過盆栽玉米和大豆試驗得出，高分子保水劑及其復合材料能明顯降低玉米和大豆對土壤重金屬Pb、Cd的吸收量[7]。保水劑具有良好的保水、保肥和降低土壤重金屬污染效應等特點[8]，腐殖酸對重金屬污染土壤的修復主要通過離子交換、氧化還原及絡合反應將重金屬離子固定，降低其遷移性[9]。王林等研究表明，添加磷酸鹽可以促進污染土壤中的Pb、Cd由活性高的交換態向活性低的殘渣態轉化，從而有效降低Pb、Cd的生物有效性[10]。將無機磷酸鹽加入污染土壤中，通過對重金屬吸附和沉淀來降低其活性[11-12]。但不同環境材料對土壤鉛、鎘形態影響的優化組合研究較為少見。

本研究采用4因素3水平正交試驗設計方法，選取的環境材料為保水劑、腐殖酸、鈉基膨潤土和過磷酸鈣，通過向鉛、鎘污染土壤中添加環境材料，分析不同環境材料對土壤鉛、鎘形態含量的變化情況，尋求環境材料和磷肥固化鉛、鎘的最佳組合，為環境材料在土壤污染修復中的推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

保水劑為粒度60～80目的聚丙烯酸鈉鹽，由北京金元易生態環境產業股份有限公司提供;腐殖酸為100目的黑色粉末，化學分析純，由天津市津科精細化工研究所提供;鈉基膨潤土為100目土黃色粉末狀黏土礦物質，由內蒙古山水綠景生態建設有限公司提供;過磷酸鈣[Ca（H2PO4）2]為灰白色或深灰色粉末，化學純試劑，由國藥集團化學試劑有限公司提供，有效磷（P2O5）含量14%～15%。

試驗土壤取自北京市昌平區農田0～20 cm表層土壤，土壤為沙壤潮土，pH值為7.50，有機質含量為14.77 g/kg，速效氮含量為102.50 mg/kg，速效鉀含量為195.80 mg/kg，田間持水量為20.97%，土壤含水量為3.78%，經自然風干、搗碎、剔除雜物后過2 mm尼龍篩待用。土壤鉛、鎘本底值分別為 17.10、0.055 mg/kg，鈉基膨潤土鉛、鎘含量分別為10.40、0.005 mg/kg，過磷酸鈣鉛、鎘含量分別為1.16、0.021 mg/kg。

本試驗用高為15 cm、上口徑為20 cm、下口徑為15 cm的花盆盛2.5 kg土壤，土壤重金屬Pb、Cd分別以Pb（NO3）2和CdCl2溶液的形式加入，使得土壤Pb、Cd的含量分別為500、5 mg/kg，形成鉛、鎘復合污染土壤。

1.2 試驗設計

采用4因素3水平正交[L9（34）]試驗設計（表1），高分子保水材料添加量（A）、有機營養材料腐殖酸添加量（B）、鈉基膨潤土添加量（C）、過磷酸鈣添加量（D），以不添加環境材料和磷肥為對照組CK。每組設3個重復，拌勻后經過1個月老化，再取樣測定土壤重金屬形態分布。

1.3 測定指標與方法

土壤酸堿度采用玻璃電極法測定[13]，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-比色法測定[14]， 土壤含水量采用烘干法測定[15]，土壤鉛、鎘形態提取采用Tessier的連續提取法[16]，具體步驟見表2，離心時間均為10 min。土壤消解用XH-800B微波消解儀（北京祥鵠科技發展有限公司生產）按消解程序消解，用電感耦合等離子體質譜（Inductively coupled plasma mass spectrometry，簡稱ICP-MS）（7500a，Agilent Technologies U.S.A公司生產）測定樣品中重金屬Pb和Cd的濃度。

[4]薛美香. 土壤重金屬污染現狀與修復技術[J]. 廣東化工，2007，34（8）：73-75.

[5]山本良一. 環境材料[M]. 王天民，譯. 北京：化學工業出版社，1997：30-36.

[6]彭麗成，黃占斌，石 宇，等. 不同環境材料對Pb、Cd污染土壤的淋溶效應[J]. 環境科學學報，2011，31（5）：1033-1038.

[7]黃 震，黃占斌，孫朋成，等. 環境材料對作物吸收重金屬Pb、Cd及土壤特性研究[J]. 環境科學學報，2012，32（10）：2490-2499.

[8]黃占斌，孫在金. 環境材料在農業生產及其環境治理中的應用[J]. 中國生態農業學報，2013，21（1）：88-95.

[9]Conte P，Agretto A，Spaccini R，et al. Soil remediation：humic acids as natural surfactants in the washings of highly contaminated soils[J]. Environmental Pollution，2005，135（3）：515-522.

[10]王 林，徐應明，孫國紅，等. 海泡石和磷酸鹽對鎘鉛污染稻田土壤的鈍化修復效應與機理研究[J]. 生態環境學報，2012，21（2）：314-320.

[11]張長波，羅啟仕，付融冰，等. 污染土壤的固化/穩定化處理技術研究進展[J]. 土壤，2009，41（8）：8-15.

[12]王永強，肖立中，李伯威，等. 骨炭+沸石對重金屬污染土壤的修復效果及評價[J]. 農業環境與發展，2010，27（3）：90-93.

[13]鄭必昭. 土壤分析技術指南[M]. 北京：中國農業出版社，2013.

[14]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 3版. 北京：中國農業出版社，2000.

[15]張曉虎，李新平. 幾種常用土壤含水量測定方法的研究進展[J]. 陜西農業科學，2008（6）：114-117.

[16]Tessier A，Campbell P G C，Bisson M. Sequential extraction procedures for the speciation of particulate trace matals[J]. Analytical Chemistry，1979，51（1）：844-851.

[17]Singh A K，Hasnain S I，Banerjee D K. Grain size and geochemical partitioning of heavy metals in sediments of the Damodar River - a tributary of the lower Ganga，India[J]. Environmental Geology，1999，39（1）：90-98.

[18]李宇慶，陳 玲，仇雁翎，等. 上海化學工業區土壤重金屬元素形態分析[J]. 生態環境，2004，13（2）：154-155.

[19]崔 妍，丁永生，公維民，等. 土壤中重金屬化學形態與植物吸收的關系[J]. 大連海事大學學報，2005，31（2）：59-63.

[20]Mao M Z. Speciation of metals in sediments along the Le An River[R]//CERP Final Report. France：ImprimerieJouve Mayenne，1996：55-57.

[21]蔡 奎，段亞敏，欒文樓，等. 石家莊農田區土壤重金屬Cd、Cr、Pb、As、Hg形態分布特征及其影響因素[J]. 地球與環境，2014，42（6）：742-749.

[22]Impellitteri C A，Saxe J K，Cochran M，et al. Predicting the bioavailability of copper and zinc in soils：modeling the partitioning of potential bilavailable copper and zine from solid to soil solution[J]. Environmental Toxicology and Chemistry，2003，22（6）：1380-1386.

[23]Sastre J，Hernandez E，Rodriguez R，et al. Use of sorption and extraction tests to predict the dynamics of the interaction of trace elements in agricultural soils contaminated by a mine tailing accident[J]. Science of the Total Environment，2004，329（1/2/3）：261-281. 何建清，張格杰，趙偉進，等. 砂生槐根瘤內生細菌多樣性及其促生潛力研究[J]. 江蘇農業科學，2019，47（12）：297-301.