改良剂对Cd污染土壤的修复作用

杨晓庆 侯仔尧 常梦婷 方正 张晋华

摘要：将无机改良剂、有机改良剂、混合改良剂投入Cd污染土壤中培养42 d，研究Cd的形态以及土壤pH值变化情况，并结合土壤柱淋溶试验，探讨不同类型改良剂对Cd污染土壤的修复效果。结果表明：400 ℃制备的松木生物炭以2%投加量投入1 mg/kg Cd污染土壤修复效果良好。

关键词：镉污染；土壤修复；改良剂；生物炭

中图分类号：S156.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0423-03

可交换态Cd活性大，对植物Cd的吸收起着决定作用，其含量下降越多说明修复效果越好；残留态Cd属于强结合态，活性最低，不易被植物吸收，其含量增加越多说明修复效果越好。由图1可知，添加改良剂均能不同程度地降低Cd污染土壤中Cd的可交换态。与对照相比，投加石灰、骨炭、粉煤灰培养42 d后，土壤中Cd可交换态含量呈下降趋势，分别下降了12.42%、3.59%、5.56%。残留态Cd含量则较对照上升，投加石灰、骨炭、粉煤灰后培养42 d后，残留态Cd含量分别增长了14.25%、5.58%、9.96%。土壤中Cd的碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态含量则变化不大。这可能是由于改良剂导致土壤 pH 值升高，使得可交换态Cd通过配位、沉淀等作用转化为残留态Cd被固定下来；也可能是由于改良剂具有一定的孔隙、比表面，将可交换态Cd吸附转化为残留态Cd固定下来。不同的改良剂对土壤pH值影响及吸附作用大小不同，对土壤的修复效果也不同。碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态这3态短时间未看出明显变化。3种无机改良剂中对土壤中Cd的修复效果最好的是石灰改良剂，能够降低可交换态Cd含量并提高残留态Cd含量。粉煤灰修复效果也比较明显，骨炭修复效果最差。

2.2 有机改良剂对土壤Cd的修复效果

将秸秆、松木、牛粪生物炭分别以2%投加量加入供试土壤中，42 d后取样测定土壤中Cd的各形态含量，结果见图2。

由图2可知，与对照相比，投加松木生物炭、秸秆生物炭、牛粪生物炭培养42 d后，土壤中Cd可交换态含量分别降低了13.52%、9.98%、10.82%。投加松木生物炭的土壤可交换态Cd含量降低的幅度最大。土壤中Cd残留态含量都呈明显上升趋势，投加松木、秸秆、牛粪3种生物炭后，残留态Cd含量分别增长了18.80%、10.46%、7.71%。由此可知，对Cd污染土壤修复效果最好的是松木生物炭，秸秆生物炭与牛粪生物炭修复效果相当。

生物炭含有的大量碱性物质（碳酸盐类和氧化物类）导致土壤微域pH值增加。本试验中，松木生物炭提高了土壤pH值0.67个单位，使得Cd通过配位、沉淀等作用被固定下来，降低土壤中Cd活性，从而固定土壤中的Cd。生物炭还具有较大的比表面积、很强的吸附能力，可以直接吸附污染土壤中的Cd。生物炭含有大量有机官能团，可与金属离子发生配位，能够螯合土壤中的Cd，降低土壤中Cd的活性。生物炭的施用改变了原有土壤Cd的平衡，活性Cd被生物炭吸附、钝化，减少了土壤中活性Cd源，达到钝化修复重金属污染土壤的目的。

2.3 混合改良剂对土壤Cd的修复效果

将石灰+骨炭、石灰+牛粪、秸秆+牛粪混合改良剂分别以2%投加量加入供试土壤中，42 d后取样测定土壤中Cd各形态含量，结果如图3所示。

與对照相比，投加石灰+骨炭、石灰+牛粪、秸秆+牛粪混合改良剂培养42 d后，土壤中Cd可交换态含量分别降低了3.54%、12.81%、9.79%，投加石灰+牛粪、秸秆+牛粪后可交换态Cd含量降低幅度较大。投加混合改良剂土壤中Cd残留态含量都呈上升趋势，投加石灰+骨炭、石灰+牛粪、秸秆+牛粪后土壤中残留态Cd含量分别上升了9.15%、

1673%、9.78%，其中上升幅度最大的是石灰+牛粪混合改良剂。不同种类改良剂对碳酸盐结合态 Cd、铁锰氧化物结合态Cd和有机结合态Cd含量的影响不同。

2.4 不同类型改良剂的修复效果比较

将石灰、松木生物炭、石灰+牛粪混合改良剂分别以2%投加量加入供试土壤中，培养7、21、42 d分别取样测定土壤中Cd的各形态含量，结果见图4。

石灰、松木、石灰+牛粪混合3种改良剂都能够很好地降低土壤中可交换态Cd含量并提高残留态Cd含量。石灰改良剂可以提高土壤 pH 值，使得可交换态Cd通过配位、沉淀等作用转化为残留态Cd被固定下来。松木生物炭含有大量碱性物质（碳酸盐类、氧化物类），使土壤微域pH值增加，固定土壤中的Cd。松木生物炭具有较大的比表面积及很强的吸附能力，可以直接吸附污染土壤中的Cd。生物炭含有大量负电荷、有机官能团，可通过离子交换、协同、静电吸附、配位等作用降低土壤中Cd活性，吸附钝化作用效果与生物炭性质、重金属性质、污染程度以及土壤性质等有密切关系。牛粪改良剂能够和土壤中的离子发生交换作用，还能稳定土壤结构，从而间接影响土壤中Cd形态。此外，牛粪改良剂的腐化产物还能够再分配Cd的可溶态、交换态、碳酸盐结合态、残渣态，进而影响Cd的生物有效性。

松木生物炭在固定土壤中Cd残留态方面的效果优于石灰、石灰+牛粪混合改良剂，用松木生物炭作为改良剂修复土壤Cd污染，不但对土壤中Cd的迁移转化产生重要影响，还能保留土壤养分，影响土壤物理性质，改善土壤。作为具有高度稳定性的富碳物质，生物碳能够留存至少40%的有机碳，从而有效发挥土壤碳汇作用，起到增汇减排、影响气候变化的积极作用。

3 结论

本研究结果表明，投加不同类型的改良剂使土壤中Cd的形态分布发生了变化，可交换态Cd含量降低了3.54%～13.52%；残留态Cd含量升高了5.58%～18.80%。无机改良剂中石灰的改良效果最好，可交换态Cd含量下降了1242%，残留态Cd含量上升了14.25%。有机改良剂中松木生物炭的效果最佳，可交换态Cd含量下降了13.52%，残留态Cd含量上升了18.80%。混合改良剂中石灰+牛粪改良剂的修复效果最好，可交换态Cd含量下降了12.81%，残留态Cd含量上升了16.73%。将石灰改良剂、松木生物炭、石灰+牛粪改良剂进行对比，所有改良剂中效果最好的是松木生物炭。400 ℃热解制备的松木生物炭以2%的投加量加入Cd污染土壤，培养42 d后可使土壤中可交换态Cd含量降低901%，残留态Cd含量升高16.17%。用松木生物炭作为改良剂修复土壤Cd污染，不但能够固定土壤中的Cd，同时还能够改善表土的营养成分，影响土壤的物理性质，减少作物对化肥的需求，降低农业成本。

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