膨润土、褐煤及其混合添加对铅污染土壤钝化修复效应研究

张静静，赵永芹，王菲菲，化党领

河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450000

随着有色金属采矿业和冶炼企业的高速发展，中国土壤重金属Pb污染问题严重。重金属Pb是一种不可降解的环境污染物，其能对人体神经系统、免疫系统、骨髓造血系统、生殖系统、消化系统及肾脏等造成危害（肖丹丹，2017）。中国土壤Pb污染区域较大，从 2006年河南省卢氏县的“铅污染事件”到 2011年广东省河源紫金县“血铅超标事件”，人们已意识到铅污染的严重性（刘文庆，2014）。土壤中的Pb具有一定的移动性和生物有效性，可被作物吸收富集，并通过食物链进入人体内，进而对人类健康构成一定威胁（Zhang et al.，2016）。研究表明，重金属的生物毒性及其在生物体内的累积能力并不是由其总量决定，而是由重金属形态及其生物有效性决定（Morera et al.，2001）。因此，对重金属污染土壤进行修复时，如何降低土壤中重金属的有效性显得尤为必要。

在众多土壤重金属污染修复方法中，原位化学钝化方法在成本和时间上能较好地满足要求，但该项技术中对钝化剂的选择是关键。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的无机非金属矿产，其结构单元由Si-O四面体和Al-O4(OH)2八面体组成，比表面积较大，具有较强的阳离子交换能力和吸附性能，能够有效吸附重金属而使土壤中的重金属趋于稳定（Hamidpour et al.，2010；Sun et al.，2015）。李丽君等（2014）研究发现，生产实践中适时适量地添加膨润土可有效降低土壤中 Pb的有效态含量，减少 Pb对环境的毒害作用。褐煤是一类中国储量丰富的富含天然腐植酸类物质，对多种重金属离子具有吸附效应（丁满等，2017）。腐植酸因含有酚羟基、羧基、甲氧基、醌基等功能基团而具有离子交换性、络合/螯合性、吸附性、氧化还原性等性能，可使重金属离子被络合/螯合固定或吸附固定，可降低重金属离子生物有效性，减少植物吸收量（邹德乙，2007）。肖丹丹（2017）研究了腐植酸对Pb污染土壤中重金属铅形态及油菜抗氧化酶活性的影响，发现腐植酸可使 Pb污染土壤中弱酸提取态和可还原态 Pb含量降低，而使可氧化态铅和残渣态Pb含量升高，且随着腐植酸添加量的增加，土壤中各形态 Pb变化越明显。然而，当前的研究大都利用单一钝化剂对重金属污染土壤进行处理，将有机组分和无机组分结合进行钝化处理的研究较少（吴烈善等，2015；高瑞丽等，2017），将有机褐煤与无机膨润土相结合进行重金属污染土壤钝化修复的研究还鲜见报道。因此，本研究通过盆栽玉米（Zea mays L.）模拟试验，以单独添加膨润土、褐煤以及二者混合添加对 Pb污染土壤进行钝化修复，阐明其施用后土壤Pb形态变化、玉米生长及对Pb的吸收特征，以期筛选出效果较好的钝化剂处理，为农田土壤Pb污染修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自河南省济源市某铅冶炼企业周围200 m处0－20 cm表层污染土壤，黏壤质褐土，1－0.25 mm粗砂粒占比甚微，0.25－0.05 mm细砂粒质量分数低，0.05－0.001 mm间的粉粒和粗黏粒质量分数为 56.50%，小于 0.001 mm的细黏粒占39.80%。土壤基本理化性质见表1，土壤中全铅含量为3497.00 mg·kg-1。钝化剂Ⅰ为膨润土（标记为S），钝化剂Ⅱ为云南昭通褐煤（标记为P）。膨润土购自燕东矿产公司，pH为 7.22，比表面积为 209 m2·g-1，主要化学组成为：SiO256%，MgO 1%，CaO 6%，Al2O319%，Fe2O36%，H2O 12%。褐煤购自云南昭通，pH为6.34，碳含量为62.97%，氮含量1.91%，氧含量28.06%。经测定，膨润土和褐煤中铅含量均较低，由于试验中钝化剂添加量少，后续计算中不再考虑其自身重金属含量的影响。供试植物为玉米（Zea mays L.），品种为“长春泽玉709”。

1.2 试验设计

本研究盆栽试验中每个土盆装污染土1 kg，以膨润土和褐煤作为钝化剂，占土壤质量比分别为1.5%（用1表示）、3%（用2表示）、5%（用3表示）3个浓度梯度，膨润土用S表示，褐煤用P表示。采用双因素正交设计，共计16个处理，每种处理设3次重复，共计48盆。试验处理及钝化剂添加量见表 2。将各个不同组合的钝化修复材料混匀后装入塑料盆中，保持土壤含水量为田间持水量70%，平衡老化50 d待用。播种前对玉米种子进行催芽，在各盆栽土壤中种下玉米种子，出苗后各盆中加入适量的等量NH4NO3、KH2PO4和KNO3营养液，并逐渐间苗，最后定苗至每盆6株。保持各盆栽生长条件一致，每日用蒸馏水补充水分，种植40 d收获，以未施钝化剂的原土为对照CK。

表2 铅污染土壤培养试验处理及钝化剂添加量Table 2 Experimental treatment and amount of amendments used

1.3 样品分析测定

1.3.1 土壤样品分析测定

玉米收获的同时采集土壤样品，自然风干后磨细，过0.149 mm孔径筛子，然后采用改进的BCR连续提取法处理土壤样品（Rauret et al.，2000），提取出弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态重金属。使用火焰原子吸收分光光度计（ZEEnit700）测定各级提取液中铅的含量。

1.3.2 植株样品分析测定

收获玉米后，立即测每株玉米株高。玉米植株先用自来水冲洗干净后用去离子水冲洗3次，然后用滤纸吸除水分，吸干后将玉米分为地上部分和地下部分，分别测定其地上部分和根部鲜质量。再将地上部分和根部置于烘箱 105 ℃条件下杀青 30 min，再于80 ℃条件下烘至恒重，并立即测定地上部分和根部干质量。植株样用优级纯的 HNO3和HClO4（V∶V=3:1）进行消煮，使用火焰原子吸收分光光度计（ZEEnit700）测定铅的含量。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of tested soil

1.4 数据处理

运用 SPSS 16.0进行统计与方差分析，OriginPro 2016进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同钝化剂处理对土壤中Pb形态的影响

2.1.1 不同钝化剂处理对土壤中弱酸提取态、可还原态铅含量的影响

由图1可知，与CK相比，褐煤单一施用可显著降低土壤中弱酸提取态Pb含量，其中P3处理效果最为显著，降幅达48.7%，而膨润土单一施用对土壤中弱酸提取态 Pb含量影响不显著。褐煤与膨润土混合添加时，当膨润土添加量一定时，随着褐煤添加量的增加，弱酸提取态 Pb含量降幅逐渐增大，其中S3+P3处理土壤中弱酸提取态Pb含量的降低效果最佳，降幅达50.7%。相比CK处理，除了 S1、S2、P1、P2、S1+P1处理土壤中可还原态Pb含量无显著变化外，其余处理均显著降低了土壤中可还原态 Pb含量，且随着膨润土和褐煤添加量的增加，可还原态 Pb含量降幅逐渐增大，其中只添加膨润土的处理降幅为3.7%－7.8%，只添加褐煤的处理降幅为1.7%－7.7%。由此可知，Pb污染土壤中添加褐煤和膨润土可不同程度降低土壤中可还原态Pb的含量，且两者混合施用S3+P3处理土壤中可还原态 Pb含量下降最明显，降幅可达16.4%。

2.1.2 不同钝化剂处理对土壤中可氧化态、残渣态铅含量的影响

由图2可知，与CK相比，除S1和S1+P3处理外，其余处理均使土壤中可氧化态 Pb含量有所增加，其中S3+P1、S3+P2处理土壤中可氧化态Pb含量显著增加，增幅分别为47.6%和40.4%。此外，相比CK处理，褐煤处理使土壤中残渣态Pb含量显著增加，其中 P3处理钝化效果最为显著，该处理土壤中残渣态Pb含量为1355.4 mg·kg-1，增幅为46.0%；添加膨润土降低了土壤中残渣态Pb含量，其降幅为5.4%－11.8%，但差异未达到显著水平；膨润土和褐煤不同比例混合处理下，土壤中残渣态Pb含量均有不同程度的增加，其中增幅最大的处理是S1+P3，其增加幅度达到40.5%。

总体而言，褐煤单一施用及膨润土与褐煤复合配施可使土壤中重金属 Pb的生物有效性降低，由弱酸提取态向残渣态转化，其中，P3处理与S1+P3处理对土壤中铅的钝化效果最佳，而膨润土单一施用对土壤中重金属Pb的生物有效性影响不大。

2.2 不同钝化剂处理对玉米各部位铅含量的影响

2.2.1 不同钝化剂处理对玉米茎叶中铅含量的影响

图1 不同钝化剂处理对污染土壤中弱酸提取态和可还原态铅含量的影响Fig. 1 Effect of different passivator treatments on the weak acid soluble and reducible Pb contents in contaminated soil

图2 不同钝化剂处理对污染土壤中可氧化态和残渣态铅含量的影响Fig. 2 Effect of different passivator treatments on the oxidable and residual Pb contents in contaminated soil

图3 不同钝化剂处理对玉米茎叶和根部铅含量的影响Fig. 3 Effect of different passivator treatments on the content of Pb in stems and leaves (A) and roots (B) of maize

如图3所示，与CK相比较，除单独添加膨润土的处理外，其余处理均使玉米茎叶中重金属 Pb含量有所降低，其中单独添加褐煤处理时，虽使玉米茎叶中重金属 Pb含量降低但差异未达到显著水平，降幅为2.2%－8.6%；膨润土与褐煤不同比例混合处理中，玉米茎叶中重金属Pb含量降幅为3.4%－33.7%，其中S3+P3处理对玉米茎叶中富集重金属 Pb的抑制作用最佳，且抑制作用达到显著水平（P＜0.05）。整体来看，两者配合施用有效降低了玉米茎叶中重金属 Pb含量，其钝化效果整体优于膨润土和褐煤单独添加。

2.2.2 不同钝化剂处理对玉米根中铅含量的影响

由图3可知，与对照CK相比，不同钝化剂处理均可显著降低玉米根部重金属 Pb含量，单独添加膨润土S1、S2、S3处理时，玉米根部重金属Pb含量分别降低48.3%、54.0%、52.0%；单独添加褐煤P1、P2、P3分别使玉米根部重金属Pb含量降低54.5%、57.6%、47.4%；膨润土和褐煤两者不同比例混合处理中，玉米根部 Pb含量降幅为 41.5%－66.0%，其中S1+P3处理对玉米根部富集Pb的抑制效果最好。由此可知，膨润土与褐煤配合施用能更加有效地降低铅在土壤中的生物有效性，从而减少玉米根部富集Pb的含量。

2.3 不同钝化剂处理对玉米生长参数的影响

由表3可知，添加不同钝化剂处理可不同程度地提高玉米株高、鲜质量和干质量。与CK相比，单独添加膨润土后玉米的鲜质量无显著升高；但单独施用1.5%、3%、5%的褐煤后，玉米鲜质量升高较为显著，分别增加45.5%、55.7%、66.7%；两种钝化剂不同比例混合处理中，S3+P1处理效果最显著，使得玉米鲜质量增加了106.0%，株高达到48.08 cm。

表3 不同钝化剂处理对玉米生长参数的影响Table 3 Effects of different passivator treatments on growth parameters of maize

如图4所示，与CK相比，施用不同钝化剂后，除S1、S2、S2+P1处理外，其余处理玉米地上部鲜质量均有不同程度地增加，其中，单独添加 5%膨润土（S3）处理下，玉米生物量增加8.6%；单独添加褐煤1.5%、3%、5%时，玉米地上部鲜质量分别增加35.4%、54.3%、60.1%；两者不同比例混合处理中玉米地上部鲜质量增幅为20.3%－79.4%，其中S3+P1处理效果最显著，增幅达79.4%。

相比CK处理，不同钝化剂处理后玉米根部鲜质量均有所增加，其中单独添加膨润土时，S1、S2、S3处理下，玉米根部鲜质量分别增加7.0%、8.5%、2.1%，差异不显著；单独添加褐煤时，P1、P2、P3处理下，玉米根部鲜质量分别增加58.6%、57.5%、73.0%，差异较为显著；褐煤与膨润土不同比例混合处理下，增幅最大的处理是 S3+P1，增幅达到140.7%。总体而言，无论是玉米地上部还是根部或是苗期玉米植株，在经过不同的钝化剂处理后，其鲜质量总体是增加的，相比单独施用膨润土和褐煤，两者配合施用处理下，玉米鲜质量增加的效果更显著，其中S3+P1处理有利于玉米有效生长。

3 讨论

3.1 不同钝化剂处理对重金属污染土壤中铅形态的影响

图4 不同钝化剂处理对玉米鲜质量的影响Fig. 4 Effect of different passivator treatments on the fresh mass of maize

相较于土壤中重金属总量，重金属赋存形态更能清楚反映土壤重金属污染状况，从而评估重金属迁移能力和生物有效性（Morera et al.，2001）。本研究结果表明，施用不同种类及不同剂量钝化剂，对土壤中Pb形态的影响存在差异。与CK相比，单独添加膨润土可降低土壤中弱酸提取态、可还原态 Pb含量，其中添加3%、5%膨润土时可使土壤中弱酸提取态Pb含量分别降低2.0%、4.6%，可还原态Pb含量分别降低3.7%、7.8%；与之相对应，可氧化态 Pb含量逐渐上升，分别较对照增加了1.2%、20.2%。膨润土通过离子交换、表面络合、层间水解沉淀、表面吸附等机制作用于重金属离子（Ayari et al.，2007；Sun et al.，2015），促进 Pb 由活性较高的形态向活性较低的形态转化，从而降低其生物有效性。前期研究也发现，投加 0.5%－5%膨润土时，土壤中可交换态 Pb含量减少 20.3%－49.3%（Sun et al.，2015）。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，其蒙脱石含量可达 85%－90%。蒙脱石是2∶1型铝硅酸盐矿物，比表面积较大，吸附能力强，从而使重金属得以钝化（杭小帅等，2007）。Xi et al.（2014）发现，当土壤pH＞8时，土壤中铅的固定机制主要是吸附作用，而蒙脱石有较强的吸附能力，有利于其对Pb的吸附固定。Gupta et al.（2012）和Brown et al.（2013）研究表明，蒙脱石对重金属的钝化主要是通过吸附作用进行。膨润土作为土壤重金属钝化修复材料可与其他修复材料进行复配处理，从而起到协同钝化修复效果。

本研究中单独添加褐煤时，随着褐煤添加量的增加可显著降低弱酸提取态Pb含量，使重金属铅向着较稳定的可氧化态和残渣态转化，从而降低了其有效性。褐煤是煤化程度最低的矿产煤，化学反应强，在空气中容易风化，且富含大量天然腐植酸，具有较强的吸附作用。腐植酸是一种很好的土壤稳定剂、改良剂和肥料，可与重金属离子发生相互作用，对重金属有很好的去除效果（朱海军等，2015）。作为一种大分子量的带负电荷的胶体，腐植酸具有较大的阳离子交换量（CEC），表面吸附离子易与土壤溶液中重金属离子发生离子交换，形成离子交换吸附；此外，腐植酸含有大量含氧功能团，可与重金属阳离子螯合，形成络（螯）合吸附；腐植酸与重金属离子络（螯）合后显正电性，可与带负电荷的土壤胶体表面产生静电吸附，从而增强对重金属的吸附能力（马献发等，2016）。同时褐煤自身有较强的吸附能力，可吸附土壤中重金属Pb，显著降低弱酸提取态Pb含量，使其向稳定的残渣态转化。

蒙脱石巨大的比表面积和强交换性可以使得土壤中 Pb趋于稳定，而褐煤中大量的腐植酸不仅可以吸附和络合重金属，同时可以改良土壤性质如有机质含量、pH值等，将膨润土和褐煤混合后加入土壤中可以避免因单独加入有机物或无机物而对土壤环境产生巨大影响，两者混合施用可以同时发挥作用。该研究结果显示，膨润土与褐煤混合处理对土壤中 Pb的钝化修复效果优于膨润土和褐煤单独添加的钝化效果，钝化处理后重金属 Pb由弱酸提取态向稳定的残渣态转化，使其有效性显著降低，但对于膨润土与褐煤混合产生的促进机制还有待进一步深入研究。

3.2 不同钝化剂处理对玉米富集铅含量及其生长参数的影响

植物对重金属的富集吸收受诸多因素的影响，如pH值、CEC、土壤本身的结构与性质、重金属有效态以及离子间的相互作用等。由图3可知，本研究中，盆栽条件下玉米各部位 Pb富集量大小表现为根＞茎叶，与他人的研究结果相一致（景鑫鑫等，2015）。这主要是由于：（1）植株根细胞壁上有许多可与重金属结合的位点，只有当重金属与细胞壁的结合达到饱和时，多余的金属离子才会进入细胞壁（杨素勤等，2014）；（2）当重金属进入根系细胞时，重金属又可与细胞原生质中的蛋白质、核苷酸、多肽等化合物结合，进入液泡后又被液泡沉淀或储存（Punz et al.，1993），导致重金属在植株根部被大量固定而失去活性。与对照CK相比，不同钝化剂处理均可显著降低玉米根部重金属 Pb含量，且除膨润土单一施用外，其余处理均使玉米茎叶中重金属 Pb含量有所降低。褐煤富含大量天然腐植酸类物质，腐植酸因含有多种功能基团（如醇羟基、酚羟基、羧基、甲氧基、酮等）而具有较高的反应活性，能与重金属离子发生作用，形成的吸附物和有机-金属络合物具有较高的稳定性，从而削弱土壤中重金属离子的迁移性和生物活性（王成贤，2015）；同时这些功能基团对植物生长具有刺激作用（刘维涛等，2010），可促进玉米生长，提高玉米株高、鲜质量和干质量。陈磊（2013）研究发现，腐殖酸液肥能减少苋菜（Amaranthus tricolor）对Pb的富集量，并将部分Pb有效地阻滞于根部。

本研究中，膨润土与褐煤单一施用以及两者混合配施到 Pb污染土壤后，均有效促进玉米生长，增加苗期植株株高和玉米鲜质量（图4和表2），这与他人的研究结果一致（章智明等，2013）。这一方面是由于膨润土具有较大比表面积和较强吸附能力，可有效吸附重金属Pb，从而降低土壤溶液中Pb的浓度和活性，减轻土壤中Pb对玉米的毒害作用；另一方面，膨润土具有较强吸水性能，可提高土壤保水和持水能力，使土壤孔隙度减小，有机质分解速度变慢（于寒等，2015），提高土壤肥力，从而促进玉米生长，提高玉米株高、鲜质量和干质量，而褐煤富含大量的天然腐植酸，具有较大比表面积，可为重金属的吸附提供较多的吸附位点。腐植酸类物质含有醇羟基、酚羟基、羧基等多种官能团，是形成土壤有机-无机复合体的有机胶体物质，可增加土壤微团聚体，提高土壤有机质含量；同时，腐植酸中活泼的含氧官能团可与磷肥有效结合并生成HA-P复合物，减少土壤对磷的固定，使其有效性大大增强（章智明等，2013）。腐植酸作为一种含有多种含氧活性功能团的高分子有机胶体，具有很强的吸水蓄水功能。因此，施用褐煤腐植酸不仅能使土壤中养分含量增加、有机质含量提高，还可以改善土壤结构，提高土壤保水保肥的能力。武瑞平等（2016）研究发现，腐植酸可以抑制土壤中Pb向植物的转运，减少Pb在油菜（Brassica napus）中的积累和生物毒性，促进油菜的生长，油菜的株高和鲜质量均有所增加，并随腐植酸添加量的增加而呈增加的趋势。

综上，膨润土与褐煤单一施用及其两者复配施用后，可促使土壤中可交换态铅向稳定的残渣态转化，降低重金属Pb的迁移性和生物有效性，显著降低玉米根部对Pb的富集量，进而减少了Pb向玉米地上部的转运，减轻Pb对玉米的毒害作用，促进玉米生长，增加玉米株高、鲜质量和干质量，但膨润土和褐煤两者混合施用的钝化效果因其复配比例而异，混合产生的促进机制还有待进一步深入研究。

4 结论

（1）膨润土单一施用对铅的钝化效果不显著；单独施用褐煤比单独施用膨润土效果好，且施用量越大，钝化修复效果越显著；膨润土和褐煤两者混合施用的钝化效果因其复配比例而异，其中1.5%膨润土+5%褐煤处理对铅的钝化效果最好。

（2）单一施用3%膨润土与单一施用3%褐煤对减少玉米植株富集铅的效果优于 1.5%和 5%的处理；两者不同比例混合施用时，5%膨润土+5%褐煤对玉米植株富集铅的抑制作用最强，对玉米地上部富集铅的抑制作用也最强，能够极大降低玉米中的铅含量。

（3）单一施用 5%膨润土处理对增加玉米鲜质量效果最好，单一施用膨润土 3%处理玉米株高最高；单一施用褐煤时，玉米鲜质量随褐煤添加量的增加而增加；膨润土与褐煤混合处理中，5%膨润土+1.5%褐煤处理使玉米鲜质量增加最多，株高最高，处理效果最明显。