粘土礦物修復農田重金屬污染土壤的研究綜述

曾 科

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙410000）

我國農田土壤環境受重金屬污染情況十分嚴重。各種工業廢水、廢氣、廢渣、畜禽糞便、化肥農藥、污水灌溉和污泥農用等均可成為污染的來源。而重金屬的特性決定了土壤重金屬污染的表聚性、累積性、隱蔽性和難治理性等特點。

目前，農田重金屬污染土壤修復的研究主要分兩類： ①利用技術手段去除土壤中的重金屬污染物，主要以各種工程措施和植物修復為代表；②通過改變重金屬在土壤中的賦存形態，降低其在土壤中的遷移性和生物可利用性，從而減少農作物對重金屬的吸收，如原位鈍化修復等。鑒于農田土壤重金屬污染常常涉及面積很大、污染程度不高，從土壤中去除重金屬的技術往往成本過高，因此發展原位鈍化方法是目前中輕度污染土壤修復的較好選擇。

粘土礦物是一些含鋁、鎂為主的含水硅酸鹽礦物質，在環境中分布廣泛。粘土礦物因為其本身具有良好的吸附性能和很大的離子交換容量，使得它在自然環境中是一種良好的去除污染物的物質。不同于其他土壤改良劑，粘土礦物具有廉價、易操作、見效快、不易改變土壤結構和土壤生態環境等特點。

本文闡述了海泡石、坡縷石、沸石、膨潤土、硅藻土等粘土礦物對農田重金屬污染土壤的修復效果以及影響修復效果的主要因素，并對今后的研究進行了展望。

1 土礦物土壤改良劑

（1）海泡石。海泡石，是一種纖維狀的含水硅酸鎂。它普遍的適用性、低廉的價格以及易操作性等這些優點使得它在農田重金屬土壤修復中具備優勢。海泡石對鎘、鋅、銅和鉛等重金屬均具有吸附能力；同時通過提高稻田土壤的pH和降低重金屬的生物可利用性[1]，從而抑制植物對重金屬的吸收。其對土壤的修復效果已在盆栽實驗和田間實驗中得到了廣泛的驗證[1，2]。

（2）坡縷石。坡縷石，是一種纖維狀的鋁鎂層狀硅酸鹽。它對水溶液中的銅、鋅、鎘、鎳等重金屬離子具有良好的吸附能力。梁學峰等[1]發現，坡縷石可減少鎘的毒性浸出濃度和土壤中可交換態的鎘，從而顯著減少水稻中鎘的含量。

（3）沸石。沸石是沸石族礦物的總稱，其硅（鋁）氧四面體連成的三維格架中的空穴和通道，使其具有吸附性；而其結構中分布著容易置換的堿金屬離子及水分子，使其具有很大的陽離子交換容量和保水性。上述這些性質不僅使得沸石能改善農田土壤pH值、提高土壤養分、增加土壤陽離子交換容量，而且還能使得沸石能有效降低土壤中重金屬離子的含量。

（4）膨潤土。膨潤土，其主要成分為蒙脫石，屬單斜晶系2:1型網架狀結構，這種獨特的結構使其具有很強的吸水性、膨脹性、吸附性、粘著性和陽離子交換性等。此外，膨潤土還含有一些植物生長所需的元素，如鉀、磷、鎂等。由于膨潤土的這些特殊性質，使其作為土壤改良劑對土壤的理化性質、肥料的利用效率及一些受污染的土壤有良好的改良和修復作用。

（5）硅藻土。硅藻土是一種具有微米/納米級孔隙結構的天然硅質沉積巖。主要由古代硅藻的遺骸組成，其化學成分以SiO2為主。由于其生物成因，使其具有環境友好的特點。硅藻土的多孔結構和較大的比表面積使其能有效地吸附農田土壤中的重金屬，從而修復污染農田土壤。劉波濤等[3]研究發現，硅藻土的添加不會過多的改變土壤pH 值等理化特性，而不同程度的減少土壤中的有效態銅、鋅、鎘的含量，含量降低率在60%以上。

2 粘土礦物修復效果

粘土礦物修復農田重金屬污染土壤的修復效果主要體現在以下幾個方面：主要有以下幾種方式：

（1）降低土壤中重金屬的活性。粘土礦物能通過吸附、配位反應、共沉淀反應等作用，減少土壤中的重金屬含量和活性。

在田間實驗和盆栽實驗中，海泡石能減少土壤中可交換態鎘的含量；在盆栽實驗中，膨潤土能減少土壤中可交換態鎘和鉛的含量。

（2）降低農作物中重金屬的含量。海泡石、坡縷石以及膨潤土均能使得大米和蔬菜中重金屬含量降低，其下降量與土壤理化性質、重金屬形態、作物生物量以及鈍化劑的投加量等因子相關。

（3）對土壤理化性質的影響。修復農田土壤必須保證其土壤上能正常生長農作物。農田土壤中添加粘土礦物一般會導致土壤pH上升，但由于粘土礦物是一種構成土壤的天然物質，因此，粘土礦物對土壤理化性質影響不大。

3 影響修復效果的主要因素

（1）土壤pH值。土壤pH值對于農田中重金屬的遷移性和生物可利用性有著十分關鍵的作用，它可以影響農田土壤表面的離子交換、絡合反應以及其他金屬結合的過程。隨著pH的增加，稻田土壤表面和土壤有機質表面的負電荷隨之增加，這使得土壤對重金屬離子的吸附能力增強，從而降低重金屬的遷移性。海泡石、坡縷石、膨潤土等粘土礦物成堿性，因此，它們對酸性農田土壤的修復效果更佳。

（2）土壤水質條件。重金屬的溶解性和生物可利用性主要依賴于土壤pH值和氧化還原電位（Eh）。對于農田土壤，其水質條件對土壤Eh有著很大的影響。有研究表明,海泡石能使淹水稻田中的pH值上升，Eh下降，使得土壤表面陰離子電荷增加，從而使得Cd的遷移性減少。

4 結語與展望

迄今為止，對于應用粘土礦物修復農田重金屬污染土壤還處于起步階段，很多方面有待進一步深入研究：

（1）修復效果的長期有效性。長期有效性是篩選修復技術的重要指標。由于農田土壤是一個開放的體系，當土壤理化性質改變時，被粘土礦物吸附的重金屬很可能重新釋放到環境中。目前，由于周期長、實驗條件不易控制等問題，這方面的研究還需進一步深入。

（2）粘土礦物的修復能力。雖然粘土礦物在土壤修復中具有環境友好、價格低廉等特點，但它仍然存在如相對有限的吸附點位和絡合點位，施用量大使成本增加等問題。對粘土礦物的表面改性可以改善粘土礦物的表面性質，增強其對農田土壤的修復效果。目前，這方面的研究還未建立成本-修復效果的關系，有待進一步研究。

（3）如何從實驗研究推廣到大尺度的農田土壤修復中。目前粘土礦物對農田土壤的改良效果多數是在盆栽或田間實驗中獲得，如何將其應用于成片的農田土壤，還有許多問題需要解決，如不同類型土壤中粘土礦物的施用量以及施用后土地耕作方式的最優化、修復的長期有效性等。