4种环境材料施用对土壤铅、镉形态的影响

张博伦 黄占斌 崔鹏涛

摘要：采用4因素3水平正交试验设计，以不添加环境材料和磷肥为对照（CK），研究保水材料（A）、腐殖酸（B）、钠基膨润土（C）和磷肥（过磷酸钙，D）4种环境材料对土壤重金属铅（500 mg/kg）、镉（5 mg/kg）形态的影响。结果表明，土壤中Pb形态分布为残渣态>有机结合态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>可交换态，Cd形态分布为可交换态>铁锰氧化物结合态>残渣态>碳酸盐结合态>有机结合态;添加环境材料和磷肥可使Pb、Cd的可交换态、碳酸盐结合态比例较CK有降低，稳定态（铁锰氧化态+有机结合态+残渣态）较CK有提高;其中磷肥和腐殖酸对Pb形态分布影响最大，组合（A2B1C2D3）较CK铅的稳定态增加3.86%;保水剂和磷肥对Cd形态分布影响最大，组合（A2B3C1D2）较CK稳定态增加11.36%。比较发现，添加环境材料对土壤铅、镉形态均有不同程度影响。该结果可为土壤铅、镉稳定化治理提供参考。

关键词：腐殖酸;保水剂;钠基膨润土;过磷酸钙;铅;镉;形态分布

中图分类号：X53   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0293-04

随着工业、农业以及社会经济的快速发展，通过工农业生产、城市垃圾、汽车尾气等进入土壤中的重金属越来越多，造成土壤中重金属含量的不断增加，土壤重金属污染最终对人的身体健康产生很大的危害，因此引起人们的广泛关注。在重金属污染种类上，农田土壤以Pb、Cd污染较为普遍。土壤是污水灌溉的直接受体，污水中的污染物会直接存留在土壤中，当污染物含量超过一定限制时，则会对土壤质量安全产生危害，直接表现为土壤板结[1]，甚至使土壤丧失其支撑农业生产及人群健康居住的功能。我国土壤面临着严峻的重金属污染问题，而且在农田土壤中表现尤为突出，严重影响到正常的农业耕作和发展。很多相关报道显示，我国农业耕地土壤中被重金属污染的面积很大，并且有污染面积加速扩展的趋势，造成了巨大的物质和经济损失[2]。我国受重金属污染农业土地面积大、分布范围广。据统计，我国目前污灌农田面积为216.7万hm2，约占全国总灌溉面积的10%，受重金属污染土地占污灌区面积的65%[3]。我国24个省（区、市）城郊、污灌区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中重金属含量超标的农产品产量与面积约占污染物超标农产品的80%以上，其中铅是最严重污染元素之一[4]。

环境材料是一种具有最大使用功能与最低环境负荷的一类生态材料[5]，近年来在农业生产和环境治理中的应用受到重视。环境材料修复土壤重金属污染是有效的修复方式之一，磷肥对降低土壤中重金属有效态活性有一定效应。彭丽成等研究环境材料对重金属的淋溶效应，证明添加高分子保水材料、吸附材料及腐殖酸等对重金属稳定化有一定作用[6]。黄震等通过盆栽玉米和大豆试验得出，高分子保水剂及其复合材料能明显降低玉米和大豆对土壤重金属Pb、Cd的吸收量[7]。保水剂具有良好的保水、保肥和降低土壤重金属污染效应等特点[8]，腐殖酸对重金属污染土壤的修复主要通过离子交换、氧化还原及络合反应将重金属离子固定，降低其迁移性[9]。王林等研究表明，添加磷酸盐可以促进污染土壤中的Pb、Cd由活性高的交换态向活性低的残渣态转化，从而有效降低Pb、Cd的生物有效性[10]。将无机磷酸盐加入污染土壤中，通过对重金属吸附和沉淀来降低其活性[11-12]。但不同环境材料对土壤铅、镉形态影响的优化组合研究较为少见。

本研究采用4因素3水平正交试验设计方法，选取的环境材料为保水剂、腐殖酸、钠基膨润土和过磷酸钙，通过向铅、镉污染土壤中添加环境材料，分析不同环境材料对土壤鉛、镉形态含量的变化情况，寻求环境材料和磷肥固化铅、镉的最佳组合，为环境材料在土壤污染修复中的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

保水剂为粒度60～80目的聚丙烯酸钠盐，由北京金元易生态环境产业股份有限公司提供;腐殖酸为100目的黑色粉末，化学分析纯，由天津市津科精细化工研究所提供;钠基膨润土为100目土黄色粉末状黏土矿物质，由内蒙古山水绿景生态建设有限公司提供;过磷酸钙[Ca（H2PO4）2]为灰白色或深灰色粉末，化学纯试剂，由国药集团化学试剂有限公司提供，有效磷（P2O5）含量14%～15%。

试验土壤取自北京市昌平区农田0～20 cm表层土壤，土壤为沙壤潮土，pH值为7.50，有机质含量为14.77 g/kg，速效氮含量为102.50 mg/kg，速效钾含量为195.80 mg/kg，田间持水量为20.97%，土壤含水量为3.78%，经自然风干、捣碎、剔除杂物后过2 mm尼龙筛待用。土壤铅、镉本底值分别为 17.10、0.055 mg/kg，钠基膨润土铅、镉含量分别为10.40、0.005 mg/kg，过磷酸钙铅、镉含量分别为1.16、0.021 mg/kg。

本试验用高为15 cm、上口径为20 cm、下口径为15 cm的花盆盛2.5 kg土壤，土壤重金属Pb、Cd分别以Pb（NO3）2和CdCl2溶液的形式加入，使得土壤Pb、Cd的含量分别为500、5 mg/kg，形成铅、镉复合污染土壤。

1.2 试验设计

采用4因素3水平正交[L9（34）]试验设计（表1），高分子保水材料添加量（A）、有机营养材料腐殖酸添加量（B）、钠基膨润土添加量（C）、过磷酸钙添加量（D），以不添加环境材料和磷肥为对照组CK。每组设3个重复，拌匀后经过1个月老化，再取样测定土壤重金属形态分布。

1.3 测定指标与方法

土壤酸碱度采用玻璃电极法测定[13]，土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-比色法测定[14]， 土壤含水量采用烘干法测定[15]，土壤铅、镉形态提取采用Tessier的连续提取法[16]，具体步骤见表2，离心时间均为10 min。土壤消解用XH-800B微波消解仪（北京祥鹄科技发展有限公司生产）按消解程序消解，用电感耦合等离子体质谱（Inductively coupled plasma mass spectrometry，简称ICP-MS）（7500a，Agilent Technologies U.S.A公司生产）测定样品中重金属Pb和Cd的浓度。

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