凹凸棒石復配土壤修復劑對土壤重金屬鈍化效果的研究

藺海明，陳 馨，劉 恬，馬建源，王玉鵬，杜 松，魏公河

（1.甘肅西部凹凸棒石應用研究院，甘肅 白銀 730900； 2.甘肅省凹凸棒石工程技術研究中心，甘肅 白銀 730900；3.北京化工大學化工資源有效利用國家重點實驗室，北京100029；4.甘肅省生態環境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730000；5.甘肅省凹凸棒石礦產資源綜合利用工程研究中心，甘肅 白銀 730900；6.山東萬新威納材料科技有限公司，山東 臨沂 276000）

20多年來，我國糧食主產區耕地土壤重金屬污染呈上升趨勢，污染物以鉛、汞、鎘、鈷為主。隨著我國工業化、城市化、農業集約化快速發展，農田土壤重金屬污染和食品安全問題日漸突出。重金屬的開采、冶煉、加工過程易造成耕地、環境的嚴重污染，由于大氣、地表徑流的傳播導致不少重金屬如鉛、汞、鎘、鈷等進入食物鏈濃縮，從而對人類健康造成危害。重金屬進入人體內能和蛋白質及各種酶發生強烈的化學反應，使其失去活性，也可能在人體器官中富集，超過限度時，會造成人體中毒危害。

白銀市是國家重要的有色金屬工業和化工基地。歷史上東大溝上游的白銀公司露天礦、小鐵山礦、選礦廠等排放大量含重金屬粉塵、尾砂、廢渣、廢水等污染物，東大溝河道底泥中重金屬污染物逐年沉積，主要有砷、鎘、鉛、銅等，底泥中各類重金屬超過背景值最高達上千倍。張釗熔［1］的研究表明，東大溝水體主要的重金屬污染為Cd、Hg、Pb、Cu不同程度的復合污染，其生態危害風險程度 Cd＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr，東大溝大部分河段底泥潛在生態風險指數為嚴重。呂浩陽等［2］的研究表明，水泥在重金屬污染場地修復工程中具有良好的優勢。劉白林等［3］對甘肅白銀東大溝流域農田土壤重金屬污染現狀及其在土壤—作物—人體系統中的遷移轉化規律進行了研究。

凹凸棒石（Attapulgite）也叫坡縷石，是一種層鏈狀過渡結構的以含水富鎂硅酸鹽為主的黏土礦。中國的凹凸棒石礦產量居世界第一。甘肅白銀、張掖等地發現大量凹凸棒石礦帶，以其分布廣泛、交通便利引起各界廣泛關注［4］。甘肅的凹凸棒石因海相沉積的原因富含植物生長所需的銅、鋅、釩、鉬、硒、碘、鐵、硼等多種有益微量元素，且其微觀空間結構具有較大的比表面積，使其具有較強吸附性和緩釋性［5］。陳馨、藺海明等［6］的研究表明，凹凸棒石可有效吸附土壤重金屬。

我國農田土壤污染日益嚴重，已經成為亟待解決的民生問題之一。隨著社會經濟的發展，人們對食品安全表現出很大的重視，因此開展對新常態下農田土壤污染防治關鍵問題的研究十分重要。農田土壤是人們賴以生活的物質基本保障，隨著人們對土壤污染危害認識的深入，加強土壤污染防治已逐步成為社會共識［7］。杜韶光等［8］指出，我國目前土壤污染很不樂觀，需結合土壤的具體情況制定出合理的改良方案，以達到土壤污染治理的目的。我們研究的目的是利用甘肅豐富的凹凸棒石礦產資源與LC-S01高分子材料通過恰當復配，使土壤中重金屬鈍化并降低作物吸收量。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在甘肅省白銀市白銀區四龍鎮雙合村東大溝，距離白銀市區23 km，距離黃河8 km。東大溝沿途分布著大小20多家工業企業，在生產過程中將大量含有銅、鉛、鋅、鎘和砷等重金屬的廢水直接通過東大溝排入黃河。試驗地為東大溝沿岸的耕地。

1.2 供試材料

指示作物為苦蕎麥。土壤修復調理劑LC-L01，由江蘇隆昌化工有限公司/北京化工大學提供；改性凹凸棒石粉（PAL），由甘肅良興凹凸棒石應用有限公司提供。

1.3 試驗設計與方法

試驗共設3個處理，處理T1，LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）；處理 T2，PAL（4 500.0 kg/hm2）；處理 T3，空白（CK）。試驗采用單因子隨機排列，3次重復，小區面積17.5 m2（5.0 m×3.5 m），小區間設0.5 m的隔離帶。

在苦蕎生長期內每隔12 d采樣1次，測定苦蕎株高、根長、單株鮮（干）重、莖粗等性狀指標，共測定5次，收獲時測定苦蕎產量，用微波消解法測定蕎麥的根、莖、籽粒中重金屬Cu、Zn、Cd、Pb的含量。重金屬吸收量由北京化工大學測定。

測定儀器為原子吸收光譜儀、游標卡尺、直尺、微波消解——電感耦合等離子發射光譜儀、電子秤等。

1.4 數據處理

所有數據使用SPSS19.0統計軟件進行分析，采用Duncan對各處理之間進行差異顯著性分析。采用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 蕎麥生長性狀及產量對PAL與LC-S01材料的響應

2.1.1 苦蕎生長性狀 從表1可知，10月12日的處理T 1和處理T2，苦蕎株高比對照分別增高18.26、7.94 cm，增長率分別為44.7%、19.4%，2種材料均能促進蕎麥株高增加。根長處理T1和處理T2與對照差異均不顯著。與對照相比，單株鮮重、單株干重和莖粗處理T1分別增長109.9%、59.4%和28.2%，處理T2分別增長71.0%、13.2%和7.22%。表明2種土壤調節劑均有促進蕎麥生長發育和物質積累的作用，這種趨勢在蕎麥的整個生長季節基本一致。

2.1.2 苦蕎產量 由圖1可以看出，處理T1和處理T2均較對照增產，增產率分別為8.05%、20.44%。說明施用凹凸棒石（PAL）復配LC-S01修復材料和單施PAL均對苦蕎產量的提高具有促進作用，并且在施用PAL（4 500.0 kg/hm2）時增產差異顯著（P＜0.05）。增產的主要原因是凹凸棒石本身的超大空間結構以及其含有植物所需的營養物質，另一方面可能是高分子材料LC-S01對土壤中的重金屬有一定的鈍化效果，從而促進苦蕎產量提高。

2.1.3 不同處理的苦蕎性狀指標間相關性分析 對苦蕎各性狀指標進行Pearson相關性分析的結果（表2）表明，處理T1的根長與單株鮮重、單株干重顯著相關；處理T2的株高與根長、單株干重、莖粗，根長與單株干重，單株干重與莖粗顯著相關；處理T3的株高與單株鮮重、莖粗，根長與莖粗，單株鮮重與莖粗顯著相關。說明在不同處理下，苦蕎各性狀指標間顯著相關（P<0.01，或P<0.05）。

表1 不同采樣時期各處理的蕎麥生長性狀

2.2 苦蕎主要器官重金屬吸收量對PAL與LC-S01材料的響應

2.2.1 苦蕎根對重金屬的吸收量 對成熟期苦蕎各組織中Cu、Zn、Cd和Pb吸收量的測定結果（表3）表明，處理T1、處理T2的蕎麥根對Cu的吸收量比對照分別降低74.99%、25.82%，對Zn的吸收量比對照分別降低64.33%、22.54%，對Cd的吸收量比對照分別降低15.25%、12.07%，對Pb的吸收量比對照分別降低89.10%、23.82%。表明：施用LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）對苦蕎根吸收Cu、Zn、Cd和Pb離子均有明顯的抑制效果，施用PAL（4 500.0 kg/hm2）的抑制效果次之。

表2 施用不同材料配比的苦蕎各性狀指標相關性

表3 苦蕎根對重金屬的吸收量

2.2.2 苦蕎莖對重金屬的吸收量 從表4可知，與CK相比，處理T1、處理T2的蕎麥莖對重金屬的吸收量沒有顯示出規律性，如Cu在施用PAL（4 500.0 kg/hm2）處理的吸收量為14.97 mg/kg，較對照增加17.41%；而施用LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）處理的吸收量僅為6.11 mg/kg，較對照降低52.08%。施用LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）和 PAL（4 500.0 kg/hm2）處理的Zn的吸收量分別下降49.72%和15.60%，Cd吸收量下降65.95%和11.16%；Pb只在施 用 LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）的處理中降低，下降率為41.07%。綜合分析表明，施用LC-S01（1500.0kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）時苦蕎莖葉對 Cu、Zn、Cd和Pb的吸收量具有明顯的抑制效果，但PAL（4 500.0 kg/hm2）處理對其他重金屬吸收的抑制作用沒有規律性，其原因有待進一步研究。

2.2.3 苦蕎籽粒對重金屬的吸收量 從表5可以看出，處理T1的苦蕎籽粒中，Cu、Zn、Cd、Pb的吸收量比對照分別降低23.52%、23.31%、43.88%、60.96%；處理T2的苦蕎籽粒中，只有Pb的吸收量比對照降低3.32%，Cu、Zn、Cd的吸收量均比對照增加。總體來看，施用LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）時，對苦蕎籽粒中Cu、Zn、Cd和Pb的吸收量具有明顯的抑制作用。

表4 苦蕎莖對重金屬的吸收量

表5 苦蕎籽粒對重金屬的吸收量

3 結論與討論

研究了凹凸棒石（PAL）與LC-S01的不同配比材料對土地重金屬鈍化和降低作物的吸收量的影響。結果表明：施PAL 4 500.0 kg/hm2時，能有效提高苦蕎產量，比對照增產20.4%。施LC-SO1 1 500.0 kg/hm2+凹凸棒石3 000.0 kg/hm2時，根、莖、籽粒對重金屬吸收量不同程度地降低，籽粒對Cu、Zn、Cd和Pb的吸收量分別降低了23.5%、23.3%、43.9%和61.0%，具有修復重金屬污染的積極作用。

無論土壤調理劑LC-S01和凹凸棒石（PAL）復配施用，還是凹凸棒石（PAL）單施均有提高蕎麥產量的作用，并影響蕎麥的生長性狀變化，而且多數為積極效應。分析原因，一是凹凸棒石本身富含多種營養元素，可增加土壤中呈短板的元素物質；二是影響了土壤中重金屬的有效態。劉騏華等［9］的研究表明，銅、鎘、鉛在脅迫程度加大情況下，可以抑制作物的生長。我們應用凹凸棒石粉（PAL）復配LC-S01土壤復合材料，主要目的減少土壤中的重金屬進入作物，從而保障食品健康安全。

凹凸棒石粉（PAL）復配LC-S01土壤修復材料可有效降低苦蕎的根、莖、籽粒對重金屬的吸收量，且富集量減少，符合植物生理學原理。劉騏華等［9］、王欣若等［10］研究表明，銅、鎘、鉛在隨著脅迫程度的加劇，各項指標均呈下降趨勢而受到抑制；低濃度鎘、鉛脅迫會有促進作用。我們的研究結果與前人結論一致。

凹凸棒石納米級多孔結構的特性、吸附性、緩釋性，以及甘肅的凹凸棒石本身含有植物需要的各類微量元素，對于作物增產有顯著的促進作用；高分子材料LC-S01可利用自身化學特性通過化學反應將土壤中的重金屬鈍化，將游離態轉化成化合態。二者復配施用可有效鈍化土壤中重金屬，降低作物對重金屬的吸收。