海泡石抑制作物鎘的試驗研究

劉國勝,吳思容,華,郭立軍,王羅

(1.株洲市環境保護研究院,湖南株洲 412000;2.湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015; 3.株洲市環境監測中心站,湖南株洲 412000)

海泡石抑制作物鎘的試驗研究

劉國勝1,吳思容2,華1,郭立軍3,王羅1

(1.株洲市環境保護研究院,湖南株洲 412000;2.湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015; 3.株洲市環境監測中心站,湖南株洲 412000)

海泡石作為一種天然物材料,用作治理土壤鎘污染的抑制劑有其充足理論依據。試驗研究表明:海泡石粘土粉對鎘的吸附量大且不易解吸釋放,這預示著用海泡石治理鎘污染土壤效果會明顯;海泡石粘土礦粉的加入使土壤中可溶態鎘及植物的鎘都顯著降低,且隨加入多,降低也多,同時生物量明顯提高;海泡石粘土礦粉可以抑制鎘的活性并降低植物中鎘的含量,增產效果顯著且明顯優于石灰。因此,海泡石粘土礦粉不僅可作為土壤鎘的抑制劑,而且可作為植物的增效肥來施用,開發前景廣闊。

土壤;植物;鎘污染;海泡石;抑制劑

鎘等重金屬元素對生態環境構成危害,尤其損害人體健康,成為一種災難,因此不得不引起重視。早在上世紀六十年代,日本對神通川鎘中毒事件就進行了治理,首先是使神崗礦業的采選礦廢水得到凈化處理,但10年后,沿岸稻田仍產“鎘米”,后來通過換土試驗,即10 m2一噸無鎘土才不產“鎘米”,實際上這種換土代價太大無法進行,但是作為一種鎘土治理的“換土法”或“客土法”仍見諸于文獻中。我國七、八十年代沈陽張土灌區數萬頃被污水灌溉形成的鎘土,中科院亞熱帶生態農業研究所采用栽種篩選的木本植物消減土壤鎘的方法效果顯著,在一個生長期內能消減土壤中1～0.65 mg/kg,且進入植物體內的鎘不參加生物小循環,這種治理方法稱之為“生物工程法”。中科院亞熱帶生態農業研究所王榮等也應用了這種方法,他們將鎘污染土壤作為一種特殊資源因地制宜以利用,其技術路線是發掘植物抗性基因,讓植物適應污染土壤環境,通過協調植物與環境之間的關系,獲取符合需求的產品和盡可能提高的生產效益,據此他們在湖南某礦區的鎘污染土壤改變“糧作模式”而栽種耐鎘性強的桑樹發展“蠶桑模式”,不僅改善了生態環境,也大幅度提高經濟效益。此外對鎘土的治理還以降低土壤鎘的生物效益為主要內涵的化學措施如施用石灰提高pH值使之固化于土壤,使之不進入生態循環等。

以上方法都是單一對鎘土壤的治理和利用,雖然有效,但都有其局限性,如客土法代價太大無實用價值;生物工程法用于城市郊區的菜園地土壤鎘治理時,因其一般都是肥田沃土,排灌設備已現代化且種菜歷史長久,要將其完全改種不進入食物鏈的植物如花木也是不現實的,至于化學措施總會產生一些負面效應。因此在這種情況下,筆者根據近年來被稱之為“充分利用自然物質,依靠自然和人工增強的地質-地球化學-生物地球化學對環境修復的地球化學工程”研究新動向,選擇天然礦物資源低品位海泡石粘土,對鎘等重金屬污染的土壤進行治理,并且進行了試驗研究。

1 海泡石粘土礦抑制土壤中鎘活性的理論依據

1.重金屬元素一般在酸性介質中易溶解、易活化、易被作物吸收,而在堿性介質中則相反,故作物吸收重金屬與土壤的pH值成反相關,圖1反映了芹菜累積的鎘與土壤pH值的關系,表明pH值小于6.4芹菜含鎘量已超過衛生標準,大于6.4基本符合衛生標準。前述化學措施用石灰治理鎘土就以此為理論依據。海泡石粘土礦粉是一種堿性物質,其pH值為8.6,因此施入土壤,能提高其pH值,從而可抑制重金屬元素的活性,降低其進入作物體內遷移能力。

圖1 土壤pH值與芹菜含鎘量關系曲線

2.重金屬元素的活性由于土壤吸附固定可以降低,它從土壤中被解吸受其有效吸附量或吸附勢控制,故重金屬元素在砂性土壤中的活性大于粘性土壤。海泡石是具吸附性的粘土礦物,施入土壤可以增加土壤的粘粒并提高其有效吸附點或吸附勢,從而加大對重金屬元素的吸附固定而減少其進入作物。

3.氧化鐵具有對重金屬元素的專性吸附作用較強的特點,海泡石粘土礦含有比其它降隔物質如石灰、有機質高的游離氧化鐵,因此,它可加大對鎘等重金屬元素的吸附而降低在作物中的含量。

4.土壤的交換性鈣、鎂對作物吸收鎘具有拮抗作用,海泡石粘土富含鈣、鎂,其化學成分除二氧化硅外,氧化鎂含量25%左右,施入土壤后,可增加其鈣、鎂含量,相應地交換性鈣、鎂含量也增加,其增加數比不施用海泡石粘土者要高1～2倍,從而加大了對作物吸收鎘等的拮抗作用而降低在其中的含量。

5.陽離子交換量(CEC)與植物吸收土壤中鎘等金屬元素呈顯著負相關,海泡石具有較強的陽離子交換量,故其施入土壤可以減少作物吸收土壤的鎘等重金屬元素。

2 試驗方法

依據上述理論依據,在前人研究基礎上作了四個試驗研究:一是海泡石粘土礦粉對鎘的等溫吸附;二是抑制土壤鎘的活性;三是降低蔬菜中鎘的含量;四是對所種蔬菜生物量影響。

按上述研究內容,試驗分為室內解吸實驗和室外缽栽兩種方法。

室內解吸實驗是海泡石粘礦粉對鎘的等溫吸附試驗,取1 g海泡石粘土礦粉置于不同鎘濃度的20 mL帶蓋塑料離心管中,經過振蕩、恒溫、解吸等處理,測定試管中清液的鎘濃度,計算其吸附量、解吸量和凈吸附量。

室外缽栽試驗是在陶瓷缽(20 cm×30 cm)中施等量氮磷鉀肥及不同水平的鎘和海泡石粘土礦,分別栽種蕹菜和小白菜。供試土壤為分布面積較廣的第四紀紅壤菜園土,基本性能見表1。由表1可知其鎘含量較高,按照《無公害蔬菜湖南地方標準(DB43/ T152-2001)》的土壤環境質量標準,已經超過了菜園地標準(pH＜6.5時鎘含量為0.30 mg/kg土)。

表1 供試土壤基本性狀

3 試驗結果與討論

圖2 海泡石粘土礦粉對鎘的吸附與解吸量

3.1 海泡石粘土礦粉對鎘的等溫吸附試驗

海泡石粘土礦粉對鎘的等溫吸附試驗結果如圖2所示,由圖2可知海泡石粘土礦粉對鎘的吸附量隨濃度的增加而增加,而解吸量都較少,說明海泡石粘礦粉對鎘吸附大且不易解吸釋放,這就預示鎘污染土壤用海泡石粘礦粉處理必然有較好的效果。

3.2 海泡石粘土礦粉對園地土壤內源鎘的抑制結果

內源鎘是指土壤中已存在的鎘,前已述及,第四系紅壤菜價園地的鎘含量已經超DB43/T152-2001標準。通過缽裁蕹菜加低、高兩個含量水平的海泡石粘土礦粉八次重復,與不加海泡石粘土礦粉進行對照,其結果見表2。由表2可知加入海泡石粘土礦粉后,土壤的可溶態鎘和蕹菜的鎘都顯著地降低,且加入多,降低也多;同時生物量提高很明顯。由此可見通過調節海泡石礦粉用量并輔以其措施,如適量施加石灰和有機肥,就完全可能有效地抑制植物中鎘,同時使生物量明顯增加。

表2 海泡石粘土礦粉對土壤源鎘的抑制結果

3.3 海泡石粘土礦粉對加入土壤中鎘(外源鎘)的抑制結果

表3和表4列出了海泡石粘土礦粉對添加于土壤中一定量鎘缽栽小白菜和蕹菜的試驗結果,從表3、表4的可以明顯地看出:海泡石粘土礦粉可以抑制土壤鎘的活性而降低了可溶態鎘的含量,從而使蔬菜中的鎘含量降低,但表3的小白菜中鎘含量降低量比表4蕹菜要大得多,其原因除了試驗條件誤差外,還與小白菜和蕹菜對鎘的富集能力不同也有關。但總體來說,海泡石粘土礦粉能夠抑制土壤鎘的活性和降低蔬菜中的鎘含量則是肯定的;同時兩個試驗的增產效果非常顯著,并且明顯優于石灰,這一點從海泡石粘土礦粉和石灰對小白菜的缽裁試驗對比結果得到證明,其結果見表5。

表3 海泡石粘土礦粉對土壤外加鎘的抑制試驗結果

表4 海泡石粘土礦粉對土壤外加鎘的抑制試驗結果

表5 海泡石粘土礦粉、石灰對土壤外源鎘的抑制試驗

4 結 論

海泡石礦粉對鎘的吸附量大且不易釋放,在鎘污染土壤中可使活性鎘顯著降低的同時,植物的鎘含量顯著降低,這表明用海泡石礦粉作基礎原料制成抑制劑,對受重金屬鎘污染土壤進行原位修復,前景廣闊。

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Experimental Study of Inhibited Cadmium by Sepiolite in Crop

LIU Guo-sheng1,WU Si-rong2,QI Hua1,GUO Li-jun3,WANG Luo-hong1

(1.Zhuzhou Environmental Protection Research Institute,Zhuzhou 412000,China; 2.Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha 410015,China; 3.Zhuzhou Environmental Monitoring Central Station,Zhuzhou 412000,China)

Sepiolite,a natural material,used as an inhibitor for the soil pollution caused by cadmium,has adequate theoretical basis.Experiments show that:sepiolite clay powder has great adsorption for cadmium and difficult to absorb,which means that the treatment effect on cadmium contaminated soil with sepiolite will be obvious.The addition of sepiolite clay powder makes the soluble cadmium in soil and the cadmium in plants decrease.As the addition increasing,the amount of cadmium reduces much more,while the biomass increase obviously.The yield increase more obviously than slaked lime for sepiolite clay powder can inhibit the activity of cadmium and reduce the cadmium amount in plants.Therefore,sepiolite clay powder not only can be used as an inhibitor of soil cadmium, but also used as a fertilizer of plant,of which the development prospect is broad.

soil;plant;cadmium pollution;sepiolite;inhibitor

X171

A

1003-5540(2012)03-0066-03

國家重點環保專項(CJ2006-HNS-4-1)

劉國勝(1963-),男,副研究員,主要從事環境治理與土壤修復研究工作。

2012-04-28