生物調理劑對重金屬污染土壤的原位修復效果

劉 旭，吳余金，熊曉暉，丁 園

(1.南昌航空大學環境與化學工程學院，330063，南昌；2.江西省農產品質量安全中心，330046，南昌)

生物調理劑對重金屬污染土壤的原位修復效果

劉 旭1，吳余金1，熊曉暉2*，丁 園1

(1.南昌航空大學環境與化學工程學院，330063，南昌；2.江西省農產品質量安全中心，330046，南昌)

研究了天然物質合成的生物調理劑對貴溪冶煉廠北墻外重金屬污染土壤的原位修復效果。結果表明，施加生物調理劑，土壤重金屬Cu、Cd、Pb被固定，生物毒性降低，其中Cd的固定效果最好，其次是Cu和Pb。生物調理劑可有效的改善土壤的理化性質，提高土壤pH、土壤有機質含量和陽離子交換量，同時，作物的生理指標也有效的指示了這一結果。

污染土壤；重金屬；原位修復；生物調理劑

0 引言

土壤重金屬污染是指由于人類活動將重金屬帶入土壤，致使土壤中重金屬含量明顯高于背景含量、并可能造成現存的或潛在的土壤質量退化、生態與環境惡化的現象[1]。重金屬污染土壤修復方法的選擇取決于污染場地特征，污染物濃度、種類及土地使用功能等因素。根據處理后土壤位置是否改變，污染土壤修復技術可分為：原位修復和異位修復。原位修復是將受污染土壤在原地處理，處理期間土壤基本不被攪動。異位修復是指將污染土壤挖出或輸送到它處進行修復處理，其環境風險較低且系統處理預測性較高，但成本高、對環境擾動大。相對來說，原位修復則更為經濟有效，對污染物就地治理，不需要建設造價高昂的工程基礎設施，也不需要遠程運輸，且操作和維護都很簡單，另外原位修復還可以對深層次污染的土壤進行修復[2-4]。隨著人們環境意識的增強，對重金屬污染土壤修復方法的研究也在迅速地發展。利用化學改良劑修復重金屬污染土壤成為當前的研究熱點，有效的化學改良劑種類也越來越多，但很多化學改良劑是人工制備的材料，存在二次污染的潛在風險[5-6]。

江西省貴溪冶煉廠是我國第一家采用世界先進的富氧閃速熔煉技術和兩轉兩吸制酸技術的現代化煉銅工廠，雖然它創造了無可比擬的經濟價值，但是也給周邊的生態環境帶來了嚴重的污染。該廠礦渣的堆砌，煙囪廢氣的排放，使得周邊的土壤變得非常貧瘠，寸草不生(圖1)。因此，選擇有效且風險最低的化學改良劑是復修重金屬污染土壤的有效措施。

圖1 貴冶北墻外寸草不生的貧瘠土壤、排放濃煙的煙囪和隨意堆放的天然氣管道

本文采用原位修復的方法，向污染土壤施加生物調理劑，該調理劑由純天然物質制備而得，施用后無污染、無殘留、無毒副作用，研究其對污染土壤的修復效果。通過分析土壤重金屬Cu、Cd、Pb含量和理化性質以及種植作物的生理指標，探討生物調理劑對重金屬污染土壤的原位修復效果，以期為選擇有效的改良劑修復重金屬污染土壤應用提供實例。

1 材料與方法

1.1供試材料

1.1.1 供試土壤 供試土壤采自江西省貴溪冶煉廠北墻外荒廢農田，將其分成A、B、C、D、E 5個地塊。采集0～20 cm的表層土壤，經風干、去除雜質后，過2 mm篩，充分混勻后裝袋備用。各地塊重金屬含量如表1所示。

表1 供試土壤的重金屬含量

1.1.2 供試生物調理劑 供試生物調理劑購于廣州申袛五行肥料資源開發有限公司，在實驗室中，65 ℃烘干磨碎后過2 mm篩，其基本性質如表2所示。

表2 供試生物調理劑基本理化性質

1.2實驗處理

向供試土壤A、B、C、D地塊施加生物調理劑，用量為1 t/畝，修復60 d后，分別種植空心菜、茄子、水稻、花生，E地塊為對照處理，不施加調理劑和種植作物。

種植60 d后(2013年9月底)，對其進行收割，并采集土壤樣品。植株樣品經自來水沖洗干凈，根系樣品用20 mmol/L的EDTA溶液交換15 min，再用去離子水洗凈，用吸水紙吸干，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干，稱重，磨碎分析。

土壤樣品自然風干后分別過20目和100目尼龍篩，備用待測。

1.3測定項目及方法

土壤pH采用pH計(水/土=2.5/1)測定(NY/T1377-2007，土壤中pH的測定)；有機質測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[8]；速效磷采用0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl浸提法測定[8]；速效鉀采用1 mol/L NH4OAc浸提法測定[8]；速效氮采用1 mol/L NaOH水解法測定(堿解擴散法)[9]；重金屬全量的測定用王水-高氯酸消煮-原子吸收光譜法[8]；重金屬有效態含量的測定用EDTA浸提法[8]。

植物葉綠素含量測定采用95%乙醇提取法[10]；植物根系活力測定采用TTC法[10]。

1.4數據處理與分析

用Microsoft Excel和SPSS對數據進行處理與分析。

土壤重金屬活性=土壤重金屬有效態含量/土壤重金屬全量×100%。

2 結果與討論

2.1生物調理劑對土壤理化性質的影響

2.1.1 生物調理劑對土壤pH和有機質的影響 土壤pH值是眾多土壤理化性質中對重金屬的有效性及形態分布影響最大的因素，土壤 pH值的變化會導致土壤重金屬有效性及重金屬形態的變化。一般而言，土壤酸度越高，其重金屬離子的生物有效性越大。

表3 生物調理劑對土壤pH和有機質含量的影響

如表3所示，施加生物調理劑后，與E(對照)地塊相比，土壤pH值得到了明顯的提高。其中，A、B、D地塊為旱作條件，pH由強酸性提高至弱堿性；C地塊種植的是水稻，為淹水條件，pH由強酸性提高至弱酸性。

生物調理劑由純天然物質制備，本身的有機質含量很高，當土壤中施加了該調理劑后， A、B、D地塊土壤的有機質含量顯著增加，而C地塊土壤有機質含量與對照相比，差異不大，這可能與淹水條件有關。

2.1.2 生物調理劑對土壤陽離子交換量(CEC)的影響 土壤CEC是指每千克土壤中所含有的全部交換性陽離子的毫摩爾數，可作為評價土壤保肥能力的指標，是土壤緩沖性能的主要來源[11]。如圖2所示，每一地塊的土壤CEC值都明顯高于對照土壤，其中B地塊土壤陽離子交換量是對照的4倍多。從一個方面可以說明該生物調理劑能提高土壤的保肥能力。

圖2 生物調理劑對土壤CEC的影響

2.2生物調理劑對土壤重金屬活性比值的影響

分別測定A、B、C、D和E(對照)地塊土壤Cu、Cd和Zn有效態含量和全量，并用1.4節的方法計算重金屬的活性以評價生物調理劑對土壤Cu、Cd和Zn的固定效果，結果如表4所示。

表4 生物調理劑對土壤重金屬活性的影響/%

與E(對照)土壤相比，A、B、C、D地塊土壤Cu、Cd、Pb活性均顯著降低，其中土壤Cu活性變化幅度較小；土壤Cd活性降低最顯著。綜合A、B、C、D地塊而言，C地塊土壤Cu、Cd、Pb活性比值減小明顯，即水稻土修復效果最佳。由此可知，生物調理劑對土壤Cu、Cd、Pb均有固定作用，其中Cd的固定效果最好，其次是Cu、Pb。

2.3生物調理劑對植物生理指標的影響

2.3.1 生物調理劑對作物葉綠素含量的影響 葉綠體是光合作用的完整單位，葉綠素是葉綠體的主要色素，它與光合作用關系密切，具有極強的吸收光的能力，是指示植物生長發育狀況的有效指標。施加生物調理劑后，采集種植的不同作物的葉片，對其葉綠素含量進行測定，用葉綠素a和葉綠素b含量表示。結果如圖3所示。

圖3 生物調理劑對葉綠素含量的影響

與未發表論文和文獻數據對比，土壤施加生物調理劑后，作物的葉綠素a和葉綠素b含量值與正常生長條件下的含量相近，基本達到正常生長發育的要求，即修復后的土壤適宜作物的生長，圖4也可準確的表明這一結果。

圖4 空心菜、茄子和花生的生長狀況

2.3.2 生物調理劑對植物根系活力的影響 植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長情況和活力水平直接影響地上部的生長和營養狀況及產量水平。

如圖5所示，與未發表論文和文獻數據對比，土壤施加生物調理劑后，空心菜、茄子、水稻和花生的根系活力值基本上達到了正常生長發育的條件，尤其是茄子的根系活力很強，說明其生長良好，即生物調理劑修復土壤后，可以種植作物。

圖5 生物調理劑對植物根系活力的影響

3 結論

本文所選生物調理劑由多種天然物質制備，施加于土壤后，對土壤的理化性質改良效果良。旱作條件可將土壤pH由4.33提高至7.54；淹水條件下，將土壤pH由4.33提高至5.41。同時，有效地增加了土壤有機質含量，提高了土壤陽離子交換量，將酸性、貧瘠的土壤改良為中性適宜耕作的土壤。

生物調理劑可以有效地固定礦區污染土壤中的重金屬。與實驗對照相比，施放生物調理劑在降低3種重金屬活性方面具有明顯效果。其中，對Cd固定效果最好，其次是Cu、Pb。同時，修復后供試作物的葉綠素含量和根系活力顯著提高，可用于大規模的重金屬污染土壤的原位修復。

致謝：感謝南昌申袛生態農業發展有限公司總裁付新民先生提供了生物調理劑及供試對象和對實驗工作的大力支持!

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EffectsofBiologicalAmendmentonHeavyMetalContaminatedSoil

LIU Xu1,WU Yujin1,XIONG Xiaohui2*,DING Yuan1

(1.College of Environmental and Chemical Engineering,Nanchang Hangkong University,330063,Nanchang,PRC;2.Quality and Safety Center of Agricultural Products in Jiangxi Province,330046,Nanchang,PRC)

In this paper,an in-situ experiment was conducted to study the effects of biological amendment compounded by natural substances on heavy metal contaminated soil near the north wall of Guixi smelting plant.The results showed that heavy metals in the soil were immobilized and the toxicity of them was reduced significantly after applied biological amendment to the tested soils.Bioavailable concentration of Cd is lower than Cu and Pb.Biological amendment could increase the pH,the organic content and the cation exchange capacity of the test soil effectively.Meanwhile,the physiology index of crops could illustrate these results effectively.

contaminated soil;heavy metals;in-situ remediation;biological amendment

2014-06-09;

2014-07-10

劉 旭(1993-)，男，本科，專業：環境工程。

江西省教育廳課題：有機種植條件下土壤固碳增匯的機理研究(GJJ13509)；南昌航空大學第九屆三小項目：生物調理劑對銅鎘污染土壤的原位修復。

*通訊作者：熊曉暉(1973-)，男，副研究員，Email:1005803795@qq.com。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.024

X53

A

1001-3679(2014)04-0523-04