化学修复剂对污染土壤中锌、铅、镉形态及其生物有效性的影响

王春雨， 罗少辉，， 段 杰， 张志春， 盛海彦

(1.青海大学农牧学院，青海西宁 810016； 2.青海省气象灾害防御技术中心，青海西宁 810001)

土壤是人类赖以生存和发展的基础，随着现代农业的飞速发展，为追求高产而大量使用化肥、农药使土壤污染问题日趋严重。此外，工业生产、交通运输等人类活动也加剧了土壤污染的进程[1]。由于重金属的富集性，土壤重金属污染物可以通过食物链进入人体，进而在体内不断积累，对人类健康和食品安全造成威胁[2]。有研究表明，我国耕地重金属污染面积约占耕地总量的1/6，在Cd、Ni、Hg、As、Pb、Zn、Cr、Cu这8种土壤重金属元素中，Cd污染概率为25.20%，远超过其他几种土壤重金属元素[3]。由此可见，我国的土壤修复问题迫在眉睫。

重金属在土壤中的各种形态会影响其毒性[4]。影响植物吸收重金属的因素是土壤中有效态重金属含量，而不是土壤重金属含量[5]。因此可以通过调节重金属在土壤中的存在形态来控制土壤重金属生物可利用性，以此减少植物对重金属的累积，进而减少通过食物链进入人体的重金属量，并且达到修复重金属污染土壤的目的[6-8]。因此研究土壤中重金属的形态及形态间的转化对重金属的环境效应及重金属污染土壤的治理修复具有重要意义。

化学固定是通过加入土壤改良剂改变土壤的物理、化学性质，影响其对重金属的吸附、沉淀或共沉淀作用，改变重金属在土壤中的存在状态，从而降低重金属生物有效性和迁移性[9]。根据改良剂的性质可以将改良剂分为无机和有机2种。其中无机改良剂主要包括石灰、CaCO3、粉煤灰等碱性物质，羟基磷灰石、磷矿粉、磷酸氢钙等磷酸盐以及天然、天然改性或人工合成的沸石、膨润土等矿物。有机改良剂包括农家肥、绿肥、草炭等有机肥料。石灰等碱性物质改良剂主要是通过调节土壤的pH值，改变土壤中的可变电荷从而增强土壤对重金属离子的吸附，或者形成碳酸盐沉淀，使土壤中有效态重金属含量降低[10-12]。例如Lombi等用石灰处理污染土后，发现土壤中可交换态的Zn和Cd显著降低[13]。有机质改良剂主要通过腐殖酸中胡敏酸、胡敏素等与土壤中的重金属离子生成难溶络合物质，从而降低有效态重金属含量。例如猪厩肥分解过程中能够形成还原性铁、锰，并与有机质形成低价铁、锰络合物，从而使铁锰氧化物态Cd、Zn含量降低[11]。

研究证实一些矿物和工业副产物，如生石灰、磷酸盐及其矿物、铝硅酸盐、铁锰氧化物、沸石、污泥、堆肥等可以有效地固定土壤中的Pb、Cd、Cr、Cu、Zn等重金属[14-20]。Pb、Hg、Cd、Cr等有害元素可以被沸石有效吸附[21]。国内外已有较多报道提到可用骨炭去除饮用水中的氟化物[22]，利用骨炭修复重金属污染已成为近年来的热点。磷矿粉可以降低Cu、Zn、Pb、Cd等重金属含量[14，23-24]。活性炭已广泛应用于水体有机、无机污染物去除。

本试验是在污染土样中添加化学修复剂培养，用改进的BCR分级提取法测定Pb、Zn、Cd形态[BCR分级提取4种提取态：酸溶态(B1)、还原态(B2)、氧化态(B3)、残渣态(B4)])；然后种植油菜，以研究添加活性炭、骨炭、磷矿粉和自配修复剂对重金属复合污染土壤中Pb、Zn、Cd化学形态和生物有效性的影响，评价改良剂对Pb、Zn、Cd复合污染土的修复效果，为化学修复剂对污染土的改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于36°32′02″～36°35′39″N，101°30′42″～101°32′25″E 内，海拔2 576～2 846 m，近30年年平均气温4.3～11 ℃，昼夜温差大，属于半干旱内陆高原气候。年平均降水量364～582 mm，年积雪日数33.8 d，年平均日照时数 2 570 h。该区以铅、锌、铝等有色金属和镍、铟、金、银等贵重金属加工为主，是青海重要的有色金属冶炼区。

1.2 试验材料

土样采集自研究区周边土壤，经过自然风干、过0.5 mm筛，然后测定土壤基本性质。土壤pH值通过pH计(水土比为1.0 ∶2.5)测定[24]，为7.82。土壤Pb、Zn、Cd含量通过HCl-HNO3-HClO4消煮，ICP-OES(OPTIMA 2000，Perkin-Elmer Co.USA)测定。

1.3 试验方法

1.3.1 化学改良剂对土壤重金属化学形态的影响 设置6个不同处理：未添加化学修复剂(CK)、2%骨炭(A)、2%活性炭(B)、2%磷矿粉(C)、2%改良剂Ⅰ(D)和2%改良剂Ⅱ(E)。各处理下土壤的基本性质见表1。每个处理3次重复。土壤培养容器为1 500 mL塑料盆，每盆置入1 000 g土，按照试验设计比例称取相应化学修复剂各20 g到土壤中，混合匀均，于20～22 ℃、湿度65%下恒温恒湿培养；1个月后，从盆中取样进行BCR分级提取，测定Pb、Zn、Cd 4种形态含量。

表1 各处理下土壤的基本性质

注：pH值和3种重金属含量在加入修复剂之后进行测定。

1.3.2 生物有效性测定 于已取土样的塑料盆种植甘蓝型春油菜(青杂9号)，每盆植入2株，在户外栽培50 d；收获植株，测定植株吸收的Pb、Zn、Cd含量，以评价5种化学改良剂对Pb、Zn、Cd的生物有效性。

1.3.3 重金属的分级提取 采用改进的BCR三步法[25]分析土壤中不同化学形态的Pb、Zn、Cd含量。

1.3.4 生物有效性测定 在加了修复剂的土壤中播下甘蓝型油菜，每盆播7粒种子。然后到油菜长出2张叶子时，进行间苗(每盆剩2株)，定植50 d后收获整株。油菜植株样品取回后，先用自来水清洗15 min，然后用去离子水冲洗3次，在24 h内用烘箱105 ℃左右杀青30 min，低温(70 ℃)烘干洗净，室温风干，最后用玛瑙研钵研成粉末状待用。取上述研磨植株样品0.25 g(精确到0.000 1 g)于聚四氟乙烯消煮管中，加5 mL硝酸、2 mL过氧化氢(优级纯)，摇匀。置于CEM微波消煮仪中1 h后取出，转移并定容于25 mL比色管中。静置，过滤，最后在电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry，简称ICP-MS)上测定。

1.4 统计分析

对原始数据进行标准化处理，用Excel、DPS进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同化学修复剂对土壤Zn、Pb、Cd的影响

2.1.1 不同化学修复剂对污染土壤Zn形态的影响 各处理培养1个月后，利用BCR分级提取测定重金属Zn的4种形态(B1、B2、B3和B4)。由图1可知，研究区土壤B1态锌含量最高，含量为40.41%；其次为B2态，含量为34.09%；B4态含量为20.2%，B3态最少，含量为5.31%。与对照相比，添加化学修复剂B、E后，B1态锌含量显著降低，并且与对照相差异显著；各处理的B2态锌含量与对照差异不显著；对于B3态锌含量，A、B处理与对照相差异不显著，而C、D、E处理与对照相比显著降低；对于B4态锌含量，B、C、E处理与对照相比显著升高。

综上所述，处理E(2%改良剂Ⅱ，一定比例的沸石)可以显著降低B1态(水溶态、可交换态与碳酸盐结合态)和B3态(有机物与硫化物结合态)锌含量，并且提高B4态(残渣态)锌含量。这可能是因为沸石具有孔道结构，有良好的过滤和离子交换性能，对重金属元素具有很强的吸附能力，从而能够提高残渣态含量，降低水溶态、可交换态与碳酸盐结合态含量。处理B(活性炭)可以显著降低B1态锌含量，提高B4态锌含量，这与活性炭的吸附作用有关。因此，改良剂(Ⅱ)E和化学修复剂B(活性炭)可以有效地降低B1态锌含量，是一种较好的化学修复剂。

2.1.2 不同化学修复剂对污染土壤Pb形态的影响 将各处理加入化学修复剂培养1个月后，利用BCR分级提取测定重金属Pb的4种形态(B1、B2、B3和B4)。由图2可知，各处理下研究区土壤B2态铅含量最高，为76.01%；其次为B1态铅含量，为16.3%；再次，B4态铅含量为4.39%；B3态铅含量最少，为 3.3%。与对照相比，B、C、D、E处理的土壤B1、B2态铅含量显著降低；B3态铅含量都高于对照，其中C、E处理与对照相差异显著；B4态铅含量都高于对照，且差异显著。这说明化学修复剂B(活性炭)可以显著降低B1态、B2态铅含量，提高B4态铅含量。这可能是由于重金属离子在活性炭表面可发生离子交换反应、重金属离子与活性炭表面的含氧官能团发生化学吸附、重金属离子在活性炭表面沉积而发生物理吸附。离子交换和化学吸附可以降低B1态、B2态铅含量，物理吸附可能增加B4态铅含量。化学修复剂C(磷矿粉)可以显著降低B1态(水溶态、可交换态与碳酸盐结合态)和B2态(铁-锰氧化物结合态)铅含量，提高B3态(有机物与硫化物结合态)和B4态(残渣态)铅含量。磷矿粉中的磷酸根能诱导重金属吸附、重金属形成沉淀、矿物表面吸附重金属。改良剂(Ⅱ)E含有一定比例的沸石，也能够降低B1态的含量，其原理与磷矿粉类似。综上所述，2%改良剂Ⅰ(D)和2%改良剂Ⅱ(E)可以显著降低B1态铅含量，从而降低其生物有效性。

2.1.3 不同化学修复剂对污染土壤Cd形态的影响 各处理土壤培养1个月后，利用BCR分级提取测定重金属Cd的4种形态(B1、B2、B3和B4)。从图3可知，研究区污染土壤B1态镉含量最高，为47.7%；其次为B4态镉，含量为28.4%，B2态镉含量为13.9%，B3态镉最少，为10.0%。对于研究区土壤B1态镉含量，A、C、E处理与对照相比显著降低，B处理显著升高；各处理的B2态镉含量与对照差异不显著；A、C、D、E处理的B3态镉含量显著高于对照；各处理的B4态镉含量均高于对照，其中A、C、D、E处理与对照差异显著。

综上所述，添加化学修复剂骨炭、磷矿粉及改良剂Ⅱ(一定比例的沸石)可以显著降低水溶态、可交换态与碳酸盐结合态(B1态)锌含量，其原理与添加天然斜发沸石的土壤对Cd固定能力明显增强一致[26]。与Cu、Zn、Pb不同，Cd在土壤中主要以可交换态形态存在，其含量约为全量的50%，残渣态含量不高，徐明岗等研究也显示污染土壤中镉形态主要以植物可吸收利用的交换态存在，而有机态和残渣态占比较小[27]。

综上所述，添加化学修复剂骨炭、磷矿粉及改良剂Ⅱ(一定比例的沸石)可以显著降低水溶态、可交换态与碳酸盐结合态(B1态)镉含量。

2.2 不同化学修复剂处理对土壤Zn、Pb、Cd生物有效性的影响

栽种植物是评估原位修复效果最有效的方法。固定修复后土壤重金属毒性的变化可以通过植物组织中重金属浓度的变化及植物生物量和质量体现。大多数金属离子通过与外源物质结合，从而被固定在外源物质结构中，外源物质极大地限制了重金属离子在土壤中的迁移和被植物吸收的量。选择合适的植物对处理后污染点进行修复效果评估，能更好地研究重金属离子在土壤-植物系统中的相关行为。选择对金属毒性非常敏感或可富集重金属的植物，更能准确反映污染胁迫下植物生理响应。不同处理的土壤种植甘蓝型油菜后，用ICP-MS测定油菜植株中Zn、Pb、Cd的含量(表2)。

表2 重金属污染土壤添加不同化学修复剂后油菜中Zn、Pb、Cd的含量 mg/kg

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

从表2可以看出，与对照相比，B、E处理的油菜植株内锌含量显著降低，分别降低18.71%、22.40%。这可能是由于活性炭对重金属具有吸附作用，减少了可被植物吸收的部分；沸石是碱金属或碱土金属的水化铝硅酸盐晶体，含有大量的三维晶体结构、很强的离子交换能力及独特的分子结构，从而通过离子交换吸附和专性吸附降低土壤中重金属有效性。化学修复剂活性炭和改良剂(Ⅱ)能有效地降低油菜中Zn的含量。Nissen等发现添加0.5%、1.0%的沸石在90 d内可显著降低污泥中可交换态锌及重金属向黑麦草的迁移[28]。综上所述，B、E处理都能够减小Zn的生物有效性，而E的效果更佳。

与对照相比，不同处理的油菜植株中Pb的含量都有所降低，且除A处理外差异显著，B、C、D、E处理分别降低了11.35%、21.28%、19.15%、21.99%；处理C、E与对照差异显著，说明处理B、C、D、E能降低Pb的生物有效性，且处理C、E效果更好。综上所述，化学修复剂活性炭、磷矿粉、改良剂(Ⅰ)和改良剂(Ⅱ)均能降低Pb的生物有效性，且改良剂(Ⅰ)和改良剂(Ⅱ)的效果显著。

与对照相比，处理E油菜植株内Cd含量显著降低，说明Cd的生物有效性降低了；处理B油菜植株内Cd含量比对照显著升高，说明添加化学修复剂B能提高Cd的生物有效性。因此，改良剂Ⅱ(E)能显著降低油菜植株中Cd的含量。

3 结论

研究区污染土壤水溶态、可交换态与碳酸盐结合态镉含量最高，为47.7%；其次为残渣态镉，含量为28.4%，铁-锰氧化物结合态镉含量为13.9%，有机物与硫化物结合态镉含量最少，为10.0%。土壤铅以铁-锰氧化物结合态含量最高，为76.01%，其次为水溶态、可交换态与碳酸盐结合态，含量为16.3%，残渣态含量为4.39%，有机物与硫化物结合态含量最少，为3.3%。土壤水溶态、可交换态与碳酸盐结合态锌含量最高，为40.41%，其次是铁-锰氧化物结合态，含量为34.09%，残渣态锌含量为20.2%，有机物与硫化物结合态最少，含量为5.31%。

施用2%改良剂Ⅱ的处理可以显著降低污染土壤中水溶态、可交换态与碳酸盐结合态Zn、Pb、Cd含量，而2%活性炭的处理可以降低污染土壤中水溶态、可交换态与碳酸盐结合态Zn、Pb的含量，2%骨炭和2%磷矿粉处理均可以降低水溶态、可交换态与碳酸盐结合态Cd含量。

添加2%改良剂Ⅱ的处理植株中Zn、Pb和Cd的含量显著降低，2%活性炭的处理植株中Zn、Pb含量显著降低，2%磷矿粉和2%改良剂Ⅰ处理植株中Pb的含量显著降低。