猪粪炭和果木炭-三叶草对金矿区重金属污染土壤的修复效果

徐 艳， 曹婷婷

(1.自然资源部 退化及未利用土地整治工程重点试验室, 陕西 西安 710075; 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司, 陕西 西安 710075; 3.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司, 陕西 西安 710075; 4.陕西省土地整治工程技术研究中心， 陕西 西安 710075)

陕豫接壤的小秦岭金矿区农田土壤、地下水及蔬菜、小麦、玉米中有不同程度的Hg、Pb、Cd、Cu、Zn元素的累积，土壤重金属生态风险严重[1-2]。这些重金属元素在环境中活性强，易进入食物链对人体肝、肾及骨骼等组织造成严重损伤[3-4]。植物修复是目前廉价实用的技术，是利用绿色植物及其根系与土壤中的微生物体系来降解、吸附环境中一些不易自然降解而造成永久性污染物质的一种方法[5]。已有研究表明，用三叶草修复重金属污染土壤，可起到美化环境、保持水土和修复重金属等多重作用[6]。牛之欣等[7]研究表明，三叶草虽存在整株生物量相对较小的修复局限性，但其繁殖能力强，根、茎、叶均对Cd有较好富集性，且随Cd浓度升高富集作用更强。孙楠等[8]研究表明，三叶草对金矿尾矿土中Cr、Pb、Cd和Hg有一定去除效果，但单纯利用植株进行重金属污染修复效果并不显著，采用人工辅助措施提升其富集效果较为明显。董姬妃等[8]发现镉胁迫下增施氮肥有助于三叶草对土壤中镉的富集。生物炭具有多孔结构、较大的比表面积和丰富的表面官能团，且来源广、成本低，能够较好富集土壤重金属污染物[10-13]。同时，土壤中添加生物炭能够改良土壤，提高土壤肥力，促进三叶草的生长[14]。

目前，对不同种类生物炭的理化性质及三叶草对铜、铅、镉的单一污染修复研究较多[15-20]，而生物炭-三叶草复合模式对污染土壤的重金属去除效果研究较少。为此，笔者以小秦岭金矿区农田重金属污染土壤为对象，比较了在土壤中分别添加5%、10%的猪粪炭和果木炭，种植三叶草后对土壤重金属的去除效果，以为金矿重金属污染土壤的修复提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 污染土壤 为潼关县金矿区堆积的颗粒状尾矿砂与农田耕层土壤(0～30 cm)，将其除去石块、杂草、植物根系后过5 mm筛后，按照1∶2(风干土质量比)混合配制。经测定，供试土壤pH为8.25，总Pb、Cd、Cu平均含量分别为农用地土壤风险筛选值(>7.5)的4.69、2.16和1.72倍，总Hg为土壤风险管制值[20]的1.60倍，属汞铅镉铜复合污染土壤，其余4种重金属Cr、Ni、Zn和As均处于低生态风险水平。

1.1.2 果木炭及猪粪炭 果木炭购自陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司，是以苹果树为原料烧制而成，pH为9.81；猪粪炭购自青岛贝尔卡有限责任公司，pH为10.22。经测定，果木炭总Ni和Cr轻微超标；猪粪炭总Cu、Zn也有轻微超标。

1.1.3 三叶草及肥料 试验植物选用白三叶草，有机肥购自陕西杨凌供销站，其中有机质含量约65%，总养分含量约10%。

1.2 试验设计

试验在陕西地建土地工程技术研究院秦岭野外监测站日光温室进行，采用盆栽方式，共设5个处理。分别为污染土壤中，不加果木炭及猪粪炭(CK)，按风干土壤质量添加5%的果木炭(G5)和5%的猪粪炭(Z5)，10%的果木炭(G10)和10%的猪粪炭(Z10)，每处理3个重复。盆用上口径25 cm、高20 cm)的塑料花盆，盆底铺网纱。有机肥施用量为土壤质量的1%。将土壤、有机肥、果木炭、猪粪炭按设定质量比混合均匀后装盆。每盆装混合土壤2.5 kg，自然压实。每盆播入相同数量的三叶草种，待出苗7 d后间苗，保留相同数量健壮苗，每日适时浇灌，保持各处理管理水平一致。三叶草于2018年5月1日播种，7月10日收获。

1.3 指标测定

三叶草收获后，每盆内用直径2 cm小土钻取扰动土样，各取4钻，混合后风干研磨，分别过2 mm和0.149 mm筛待测。土壤pH采用DELTA 320 pH计测定(水土比2.5∶1)，重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd采用ICP-MS法测定；Hg、As用原子荧光法测定。

1.4 数据处理

采用SPSS进行数据处理，利用Origin 2018绘制图件。

2 结果与分析

2.1 土壤Hg含量

由图1可知，各处理土壤Hg含量较种植前均有所下降，土壤Hg含量降幅依次为Z5(19.8%)>Z10(19.1%)>G10(17.4%)>G5(13.3%)>CK(6.9%)。其中，Z5组土壤Hg含量由种植前的8.61 mg/kg降至6.90 mg/kg，Z10组土壤Hg含量由种植前的8.34 mg/kg降至6.75 mg/kg，Z5处理与Z10处理下土壤中Hg含量降幅差异较小；G10和G5处理次之。相较CK组，添加生物炭后土壤Hg含量下降，且添加猪粪炭后土壤重金属Hg含量明显下降，优于添加果木炭的效果。

2.2 土壤Pb含量

由图2可知，种植后土壤中Pb含量相较种植前均有所下降，土壤Pb含量降幅依次为Z10(26.4%)>G10(21.6%)>G5(20.1%)>Z5(19.1%)>CK(12.9%)。种植三叶草后，Z10组土壤Pb含量由种植前的864.9 mg/kg降至636.6 mg/kg，G10处理次之。Z5与G5处理下土壤Pb含量降幅差异较小，均接近20.0%。CK处理下Pb降幅最小，为12.9%。相较CK组，添加2种生物炭后，土壤Pb含量有所下降，且添加10%的猪粪炭修复效果更显著。

2.3 土壤Cd含量

由图3可知，种植后土壤Cd含量较种植前有所下降，降幅依次为Z5(27.9%)>Z10(26.3%)>G10(19.0%)>G5(15.4%)>CK(1.8%)。种植三叶草后，Z5处理下土壤Cd含量由种植前的1.43 mg/kg降至1.03 mg/kg，降幅最大。Z10处理与Z5降幅差异较小。添加果木炭组土壤Cd降幅较小，G10和G5降幅分别为19.0%和15.4%；CK组降幅最小。

2.4 土壤Cu含量

由图4可知，种植后土壤中Cu含量相较种植前有所下降，降幅依次为Z10(15.0%)>G5(10.8%)>G10(7.1%)>CK(1.1%)>Z5(0.1%)。添加10%猪粪炭后，种植三叶草的土壤中Cu含量降幅最显著，由种植前202.3 mg/kg降至172.0 mg/kg，G5组次之，为10.8%。CK和Z5处理下土壤Cu含量在种植前后降幅不显著。

3 结论

添加生物炭后，种植三叶草前后各处理组供试土壤中Hg、Pb、Cd和Cu含量均有所下降，生物炭-三叶草联合修复对该重金属复合污染土壤有一定修复效果。根据土壤环境质量标准，Hg含量仍超过土壤风险管制值(6.0 mg/kg)，Cu、Cd、Pb含量均超过其土壤风险筛选值(100.0 mg/kg, 0.6 mg/kg, 170.0 mg/kg)[21]，土壤重金属污染潜在风险减小但依然存在。试验表明，相较CK处理，2种生物炭添加对供试土壤这4种重金属的修复效果较好。整体而言，猪粪炭-三叶草的修复效果略优于果木炭-三叶草，且随2种生物炭添加浓度增加，对土壤重金属污染修复效果差异不显著。Hg、Pb、Cd和Cu复合污染中，4种重金属元素共存时存在竞争吸附现象，生物炭-三叶草对4种重金属整体修复效果依次为Pb>Cd>Hg>Cu，且10%的猪粪炭-三叶草联合修复对供试土壤Hg、Pb、Cd的修复效果最佳，5%的果木炭-三叶草对供试土壤Cu的修复效果最佳。