混合改良劑對酸性多金屬污染土壤的改良效果研究

混合改良劑對酸性多金屬污染土壤的改良效果研究

土壤重金屬的主要污染包括污水填充、污泥處理、礦物開采和精煉?；瘜W改良技術(shù)是指通過往土壤中加入有機質(zhì)、石灰、沸石和磷酸鹽等外源添加物,調(diào)節(jié)土壤的理化性質(zhì),使重金屬與改良劑或土壤組分產(chǎn)生沉淀、吸附、離子交換、腐殖化和氧化-還原等一系列反應,降低其在土壤環(huán)境中的生物有效性和可遷移性,從而減少這些重金屬元素對動植物的毒性郭榮榮等1材料和方法1.1農(nóng)田土壤污染修復土壤采自廣東省韶關(guān)市翁源縣新江鎮(zhèn)上壩村(24°32′34.4″N,113°42′42.1″E),為大寶山酸性礦山廢水污染的農(nóng)田土壤(0~20cm)。自20世紀70年代以來,大量的尾礦廢渣和礦山廢水被雨水沖刷進入下游的橫石河,導致周邊的農(nóng)田土壤嚴重酸化,土壤中重金屬Cu、Zn和Pb含量顯著增加改良劑包括(表1):沸石,石灰石,磷礦粉(有效磷含量2.1%),鈣鎂磷肥(有效磷含量≥14%),豬糞和蘑菇渣。1.2菜物化學和樣品采集每個塑料花盆(高19cm、直徑24cm)裝3.5kg過5mm篩的風干土壤,按照表2添加不同配比的改良劑(根據(jù)課題組前期正交試驗結(jié)果,篩選4個效果較好的混合改良劑),共5個處理,其中包括一個不加任何改良劑的對照土壤。每種處理的土壤裝8盆,從花盆的下面加去離子水,使土壤水分約為田間最大持水量的60%,室溫下平衡3周,開始盆栽實驗。第一茬種植菜心(BrassicacampestrisL.)和油麥菜(Lactucasativavarlongifoliaf.Lam)。菜心品種為綠寶701,油麥菜品種為無斑油麥菜(標記為油麥菜A1)。菜心和油麥菜均直播,于2015年3月12日每盆播5顆種子,待幼苗長出第4~5片真葉時,間苗,每盆保留3株,每個處理菜心和油麥菜各種植4盆。在植物生長期間,根據(jù)需要補充去離子水。同年4月29日收獲菜心,5月18日收獲無斑油麥菜。收獲第一茬菜心和油麥菜后,每盆采集約100g土壤樣品,將剩余土壤重新混勻并裝回原花盆。由于第一茬油麥菜地上部Pb含量仍超出國家食品安全標準,第二茬種植前各處理土壤(除對照土壤)松土并追加2g·kg植物生長期間,根據(jù)其生長需要,從花盆的底部托盤補加適量去離子水,以保持土壤水分。植物成熟之后,收獲植物樣品(地上部和根系)和土壤樣品。植物樣品先使用自來水沖洗干凈,再用去離子水沖洗3次,之后自然晾干,記錄植物株高和地上部鮮重。105℃下殺青30min,然后65℃烘干至恒重,稱量植株地上部和根系的干重,最后研缽磨細備用。土壤樣品自然風干,研缽磨細分別過20目和100目篩,供土壤的pH值、土壤中重金屬Pb、Cu、Zn有效態(tài)含量和形態(tài)分析。1.3玻璃電極法土壤pH測定參照國家標準NY/T1377—2007,采用玻璃電極法(土∶水=1∶2.5)。土壤重金屬全量和重金屬有效態(tài)含量測定參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》(第三版),重金屬全量測定采用HNO1.4數(shù)據(jù)分析應用SPSS17軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析,多重比較采用新復極差法(Duncan法),采用α=0.05的顯著水平。2結(jié)果與分析2.1混合改良劑對土壤ph的影響對照土壤呈較強的酸性(pH3.81~4.10),經(jīng)過4種無機-有機混合改良劑處理,土壤pH值均顯著提高,其中PcmMc(沸石4g·kg2.2不同鈣鎂磷肥對土壤養(yǎng)分含量的影響與對照土壤相比,4種混合改良劑都顯著地降低了土壤中Pb、Cu、Zn的有效態(tài)含量(表3至表5)。在施加沸石、石灰石和蘑菇渣的條件下,配施鈣鎂磷肥使土壤Pb、Cu、Zn的有效態(tài)含量分別比對照土壤減少97.55%~99.29%、97.55%~98.29%、97.63%~99.17%;配施磷礦粉則使土壤的Pb、Cu、Zn的有效態(tài)含量分別比對照土壤減少76.75%~86.68%、84.48%~93.28%、74.93%~84.81%。在施加沸石、石灰石和豬糞的條件下,配施鈣鎂磷肥使土壤Pb、Cu、Zn的有效態(tài)含量分別比對照土壤減少98.14%~98.78%、96.20%~98.45%、96.89%~99.20%;配施磷礦粉則使土壤Pb、Cu、Zn的有效態(tài)含量分別比對照土壤減少70.92%~86.56%、69.47%~91.13%、67.22%~82.45%。這說明與磷礦粉相比較,鈣鎂磷肥更能降低土壤Pb、Cu、Zn有效性。然而,在施加沸石、石灰石和鈣鎂磷肥的相同條件下,豬糞和蘑菇渣對降低土壤Pb、Cu、Zn有效態(tài)含量之間沒有顯著性差異。相關(guān)性分析顯示,土壤pH值與土壤中Pb、Cu、Zn的有效態(tài)含量均呈極顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.911**、-0.877**、-0.883**。2.3改良劑對zn賦存形態(tài)的影響對照土壤中Pb的主要存在形態(tài)為殘渣態(tài),其次為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和可交換態(tài),碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機結(jié)合態(tài)含量最低;施加4種土壤改良劑后,土壤中Pb的可交換態(tài)含量降低了3.73%~10.41%,鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的含量所占比例增加了1.43%~10.14%(圖2a)。對照土壤中Cu賦存形態(tài)以殘渣態(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>有機結(jié)合態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>可交換態(tài);改良劑處理后,土壤中可交換態(tài)Cu含量略有降低(降低0.58%~1.43%),鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的含量有所增加(增加0.28%~4.83%),其他形態(tài)的含量無明顯變化(圖2b)。對照土壤中Zn的主要賦存形態(tài)為殘渣態(tài),其他依次為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(圖2c);施加改良劑后,土壤中Zn的可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量分別降低至0.71%~2.58%和1.15%~2.19%,鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)含量所占比例分別增加到12.48%~19.56%和69.96%~78.50%。4種混合改良劑相比較,含有鈣鎂磷肥的混合改良劑(PcmM和PcmMc)處理的土壤中Pb、Cu、Zn可交換態(tài)含量低于含磷礦粉的混合改良劑(PrM和PrMc)處理的土壤,豬糞和蘑菇渣對土壤Pb、Cu、Zn形態(tài)的影響沒有明顯差異(圖2)。2.4葉片生長緩慢，缺乏活率在對照土壤上,第一茬的菜心和油麥菜的發(fā)芽率很低,部分植物在苗期就停止生長,甚至出現(xiàn)死亡的現(xiàn)象;第二茬植物采用移栽的方式,油麥菜的存活率有所提高,但仍然表現(xiàn)出葉片發(fā)黃、生長緩慢等癥狀。土壤經(jīng)過混合改良劑處理后,兩茬植物均生長健康,未表現(xiàn)出重金屬中毒現(xiàn)象,株高和地上部生物量顯著提高;生長在處理PcmM和PcmMc改良土壤上的植株高度和地上部鮮重均顯著高于處理PrM和PrMc(表6)。同時,第二茬植物(油麥菜A2和油麥菜B)的長勢明顯好于第一茬植物(菜心和油麥菜A1),前者的株高和地上部鮮重均顯著高于后者(表6)。2.5混合改良劑對k-b、cu、zn含量上限值的影響在對照土壤上,菜心和油麥菜的地上部Pb、Cu和Zn含量均超過國家標準(GB2762—2012,GB15199—1994)規(guī)定的上限值(Pb、Cu、Zn含量上限值分別為0.3、10、20mg·kg4種改良劑比較發(fā)現(xiàn)(表7):含有鈣鎂磷肥的混合改良劑(PcmMc和PcmM)在抑制菜心和油麥菜對土壤中Zn吸收的效果上顯著優(yōu)于含磷礦粉的混合改良劑(PrMc和PrM),鈣鎂磷肥對抑制菜心吸收Pb的效果也優(yōu)于磷礦粉,而兩者在抑制油麥菜對Cu和Pb的吸收上沒有顯著差異。3原位化學改良措施對蔬菜生物量和可食部分重金屬含量的影響pH是影響土壤中重金屬生物有效性的一個重要因素土壤重金屬的形態(tài)分析結(jié)果顯示,施加混合改良劑后,土壤中三種重金屬可交換態(tài)含量比例顯著降低,而鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的比例提高。這說明本研究采用的無機-有機混合改良劑可以通過降低土壤中重金屬可交換態(tài)含量、增加鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)含量,把重金屬轉(zhuǎn)化成植物不易吸收的形態(tài),從而降低重金屬的生物有效性和生態(tài)毒性。吳文成等作物的生物量和可食部分重金屬含量是評價原位化學改良效果的兩個重要指標。在對照土壤上,菜心和油麥菜不僅不能正常生長,而且其可食部分的Pb、Cu、Zn含量均超過食品衛(wèi)生標準的上限值。土壤中施加“石灰石+沸石+無機磷(磷礦粉或鈣鎂磷肥)+有機物料(豬糞或蘑菇渣)”的混合改良劑后,菜心和油麥菜的生長健康,生物量顯著增加,且可食部分的Pb、Cu、Zn含量均顯著降低。許多研究表明,石灰石、沸石、鈣鎂磷肥等物質(zhì)均能通過提高酸性土壤的堿度來抑制污染土壤中重金屬的活性,從而促進植物的生長蔡軒等本研究還發(fā)現(xiàn),當其他4種改良劑的用量相同時,含有鈣鎂磷肥的混合改良劑處理的土壤pH顯著高于含有磷礦粉混合改良劑處理的土壤,前者處理的土壤Pb、Cu、Zn有效態(tài)含量顯著低于后者,同時植物的地上部生物量更高,而重金屬含量更低。這說明,鈣鎂磷肥對酸性多金屬污染土壤的改良效果比磷礦粉的改良效果更好,與蔡軒等4混合改良劑對種子生長和土壤理化性質(zhì)的影響(1)由沸石、石灰石、無機磷、有機肥組配的4種有機-無機混合改良劑均能顯著增加土壤pH值并降低Cu、Zn、Pb的生物有效含量,且土壤pH值和重金屬的有效態(tài)含量呈顯著負相關(guān)性。(2)在對照土壤上,菜心和油麥菜的種子發(fā)芽和生長顯著受到抑制,且其地上部Pb、Cu、Zn含量均高于食品衛(wèi)生標準。4種混合改良劑處理土壤后,菜心和油麥菜生長健康,株高和地上部的生物量顯著增加,且地上部Pb、Cu、Zn含量顯著降低,第二茬油麥菜地上部Pb、Cu、Zn的含