復墾區土壤中重金屬元素Ni、Cr污染識別與修復技術研究

李愛菊，魏再紅，范茂余，陳振寧，梅 芳，張 釗

（江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇 南京 210000）

Ni、Cr在土壤中的重金屬含量明顯高于背景含量，會造成復墾區土壤質量降低的現象，退化土壤肥力并降低作物產量與品質，因此Ni、Cr污染識別與修復技術在改良復墾區土壤生產力方面得到廣泛應用。

重金屬污染對土壤基本是一個不可逆的過程，傳統污染識別與修復技術常采用物理化學方法，例如換土、翻土、土壤淋洗技術和化學固化等方法，但對復墾區土壤結構以及生物活性破壞嚴重，電動力學修復的方法則對技術要求較高且經濟成本昂貴，在大規模推廣應用上存在一定的限制[1]。為此對復墾區土壤中重金屬元素Ni、Cr污染識別與修復技術進行研究。

1 復墾區土壤中重金屬元素Ni、Cr污染識別與修復技術設計

1.1 光譜法識別Ni、Cr污染

按0cm～10cm、10cm～20cm、20cm～30cm三層深度采集復墾區土壤樣品，每份土樣采集重量為1kg，采集土壤用保鮮袋封裝，自然風干磨碎且過0.2mm孔徑篩。用鹽酸、硝酸以及氫氟酸溶解0.2g復墾區土壤樣品蒸至近干，再用高純水定容至20mL，最后5%的鹽酸加熱溶解，以此識別土壤中重金屬元素Ni、Cr是否超標[2]。利用光譜法檢測Ni、Cr重金屬含量，選取ASD Fieldspec Pro FR型號光譜儀，其檢測指標如下表1所示。

表1 光譜儀檢測指標

復墾區土壤的光譜測定在暗室內進行，采集樣品盛于直徑為20cm的玻璃器皿中，使用垂直方向角度為25°、光源功率為SOW的鹵素燈，照明距離土壤樣品O.5m。以白板作為漫反射標準參照板，光譜儀探頭視場角和鏡頭配置為25°，距離土壤樣品的垂直距離為15cm，順時針轉動樣品并采集光譜曲線。

計算土壤樣品所采集光譜曲線的反射率數據。設采集復墾區土壤樣品為λ，樣品反射率為ε(λ)，黑體輻射出射度為B(λ,T)，大氣下行福射亮度為P(λ)，利用傳感器探測樣品和環境輻射的總輻射信號，則在T時刻，傳感器探測到的光譜輔射亮度L(λ)的計算公式為：

計算8～14um波段范圍內的光譜曲線，此時的大氣上行福射和太陽入射能量小于總福射能量的0.5%，其福射能量近似等于0，可忽略不計，則樣品反射率ε(λ)的計算公式為：

土壤樣品在任何波長的輻射都等于發射和反射的總和，即發射率和反射率之和為1，則可以得出土壤樣品在該溫度下波段的發射率，進而測定Ni、Cr重金屬含量的檢出限，當Ni、Cr元素的檢出限超出復墾區土壤背景值時，即可判定該復墾區土壤為重金屬元素Ni、Cr污染。

1.2 植物修復復墾區土壤

將植物修復作為復墾區土壤重金屬污染的修復方法，種植生物量大、超富集的特殊植物逐步提取轉移土壤中的Ni、Cr元素。

首先同位素追蹤復墾區土壤Ni、Cr污染源，由于復墾區土壤中重金屬元素的同位素豐度比率不同，分布在土壤中的重金屬元素仍可保留原來礦物源同位素比的組成特征，因此只要測定穩定同位素53Ni、54Ni、55Ni、56Ni和50Cr、51Cr、52Cr、53Cr的豐度比率，就可以判斷出復墾區土壤Ni、Cr的污染源。

要選擇對Ni、Cr重金屬抗性強，并具有一定吸收富集能力的植物。植物對Ni、Cr金屬元素的富集系數如下表所示：

表2 植物對重金屬的富集系數

通過野外采樣篩選重金屬超富集植物，在復墾區土壤Ni、Cr的污染源區域收集植物及土壤樣本，對植物體內的Ni、Cr重金屬含量進行測試，根據復墾區土壤的實際污染情況，選擇相應富集系數的植物進行種植。富集系數越大，表示植物對Ni、Cr元素的遷移能力越強，越容易從土壤中吸收重金屬元素，利于植物對Ni、Cr元素的提取。

跟蹤復墾區土壤的修復情況，當Ni、Cr金屬元素經提取低于元素檢出限后，更換植物種植標準，選擇轉移系數較大的植物。植物對Ni、Cr金屬元素的富集系數如下表所示：

表3 植物對重金屬的轉移系數

根據植物的轉移系數，即地上部Ni、Cr元素含量與地下部同種元素含量的比值，對植物將Ni、Cr金屬從地下向地上的運輸能力進行評價[7]。轉移系數越大表示Ni、Cr從根系向地上部器官轉運的能力越強，根據復墾區土壤Ni、Cr金屬元素的實際提取程度，種植相應轉移系數的植物，至此完成復墾區土壤中重金屬元素Ni、Cr污染的修復。

2 實驗論證分析

實驗環境選取廢舊礦區復墾區土壤，0～10cm、10～20cm、20～30cm三層深度的土壤剖面，Ni、Cr潛在生態危害指數平均值分別為574.46，622.52和558.34，復墾區土壤生態危害指數由高到低的順序為10～20cm土層＞0～10cm土層＞20～30cm土層，利用光譜法檢測Ni、Cr金屬含量，樣品土壤的Ni、Cr金屬元素含量如下表所示：

表4 Ni、Cr金屬元素含量

將4個樣品中Ni、Cr重金屬與復墾區土壤重金屬背景值相比較，如下表所示：

表5 Ni、Cr與土壤重金屬背景值對比表

由上表可知Ni、Cr元素遠超出該復墾區土壤的背景值范圍，10cm～20cm土層為很強污染危害，0cm～10cm土層和20cm～30cm土層為強污染危害，土壤養分基本處于中低水平，呈現一定鹽堿化。單就修復Ni、Cr重金屬污染而言，油菜和小薊對該片土壤的提取轉移系數較高，但在重金屬污染較嚴重的區域不宜種植可食性農作物，因此本次實驗選擇種植小薊修復，與電動力學修復方法進行對比實驗，根據地累積指數對兩種修復方法進行評價。地累積指數為正代表土壤仍存在重金屬污染，為負表示已無重金屬污染，記錄修復后的重金屬地累積指數（Igeo），實驗結果如下圖所示：

根據上圖數據可知，傳統修復方法下的土壤地累積指數平均為0.06，仍屬于輕度重金屬污染，本文修復方法下的土壤地累積指數平均為-0.17，比傳統方法減少0.23，已無元素Ni、Cr污染，驗證了本文修復方法的有效性。

3 結語

重金屬元素污染識別與修復技術在開發復墾區土壤方面已受到廣泛應用，本文針對傳統技術對土壤修復程度不夠的問題，設計了一個污染識別與修復技術，并通過對比實驗驗證了設計技術的有效性，但由于時間問題，本次采集樣品數量有限，有待進行深入研究。