复垦区土壤中重金属元素Ni、Cr污染识别与修复技术研究

李爱菊，魏再红，范茂余，陈振宁，梅 芳，张 钊

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210000）

Ni、Cr在土壤中的重金属含量明显高于背景含量，会造成复垦区土壤质量降低的现象，退化土壤肥力并降低作物产量与品质，因此Ni、Cr污染识别与修复技术在改良复垦区土壤生产力方面得到广泛应用。

重金属污染对土壤基本是一个不可逆的过程，传统污染识别与修复技术常采用物理化学方法，例如换土、翻土、土壤淋洗技术和化学固化等方法，但对复垦区土壤结构以及生物活性破坏严重，电动力学修复的方法则对技术要求较高且经济成本昂贵，在大规模推广应用上存在一定的限制[1]。为此对复垦区土壤中重金属元素Ni、Cr污染识别与修复技术进行研究。

1 复垦区土壤中重金属元素Ni、Cr污染识别与修复技术设计

1.1 光谱法识别Ni、Cr污染

按0cm～10cm、10cm～20cm、20cm～30cm三层深度采集复垦区土壤样品，每份土样采集重量为1kg，采集土壤用保鲜袋封装，自然风干磨碎且过0.2mm孔径筛。用盐酸、硝酸以及氢氟酸溶解0.2g复垦区土壤样品蒸至近干，再用高纯水定容至20mL，最后5%的盐酸加热溶解，以此识别土壤中重金属元素Ni、Cr是否超标[2]。利用光谱法检测Ni、Cr重金属含量，选取ASD Fieldspec Pro FR型号光谱仪，其检测指标如下表1所示。

表1 光谱仪检测指标

复垦区土壤的光谱测定在暗室内进行，采集样品盛于直径为20cm的玻璃器皿中，使用垂直方向角度为25°、光源功率为SOW的卤素灯，照明距离土壤样品O.5m。以白板作为漫反射标准参照板，光谱仪探头视场角和镜头配置为25°，距离土壤样品的垂直距离为15cm，顺时针转动样品并采集光谱曲线。

计算土壤样品所采集光谱曲线的反射率数据。设采集复垦区土壤样品为λ，样品反射率为ε(λ)，黑体辐射出射度为B(λ,T)，大气下行福射亮度为P(λ)，利用传感器探测样品和环境辐射的总辐射信号，则在T时刻，传感器探测到的光谱辅射亮度L(λ)的计算公式为：

计算8～14um波段范围内的光谱曲线，此时的大气上行福射和太阳入射能量小于总福射能量的0.5%，其福射能量近似等于0，可忽略不计，则样品反射率ε(λ)的计算公式为：

土壤样品在任何波长的辐射都等于发射和反射的总和，即发射率和反射率之和为1，则可以得出土壤样品在该温度下波段的发射率，进而测定Ni、Cr重金属含量的检出限，当Ni、Cr元素的检出限超出复垦区土壤背景值时，即可判定该复垦区土壤为重金属元素Ni、Cr污染。

1.2 植物修复复垦区土壤

将植物修复作为复垦区土壤重金属污染的修复方法，种植生物量大、超富集的特殊植物逐步提取转移土壤中的Ni、Cr元素。

首先同位素追踪复垦区土壤Ni、Cr污染源，由于复垦区土壤中重金属元素的同位素丰度比率不同，分布在土壤中的重金属元素仍可保留原来矿物源同位素比的组成特征，因此只要测定稳定同位素53Ni、54Ni、55Ni、56Ni和50Cr、51Cr、52Cr、53Cr的丰度比率，就可以判断出复垦区土壤Ni、Cr的污染源。

要选择对Ni、Cr重金属抗性强，并具有一定吸收富集能力的植物。植物对Ni、Cr金属元素的富集系数如下表所示：

表2 植物对重金属的富集系数

通过野外采样筛选重金属超富集植物，在复垦区土壤Ni、Cr的污染源区域收集植物及土壤样本，对植物体内的Ni、Cr重金属含量进行测试，根据复垦区土壤的实际污染情况，选择相应富集系数的植物进行种植。富集系数越大，表示植物对Ni、Cr元素的迁移能力越强，越容易从土壤中吸收重金属元素，利于植物对Ni、Cr元素的提取。

跟踪复垦区土壤的修复情况，当Ni、Cr金属元素经提取低于元素检出限后，更换植物种植标准，选择转移系数较大的植物。植物对Ni、Cr金属元素的富集系数如下表所示：

表3 植物对重金属的转移系数

根据植物的转移系数，即地上部Ni、Cr元素含量与地下部同种元素含量的比值，对植物将Ni、Cr金属从地下向地上的运输能力进行评价[7]。转移系数越大表示Ni、Cr从根系向地上部器官转运的能力越强，根据复垦区土壤Ni、Cr金属元素的实际提取程度，种植相应转移系数的植物，至此完成复垦区土壤中重金属元素Ni、Cr污染的修复。

2 实验论证分析

实验环境选取废旧矿区复垦区土壤，0～10cm、10～20cm、20～30cm三层深度的土壤剖面，Ni、Cr潜在生态危害指数平均值分别为574.46，622.52和558.34，复垦区土壤生态危害指数由高到低的顺序为10～20cm土层＞0～10cm土层＞20～30cm土层，利用光谱法检测Ni、Cr金属含量，样品土壤的Ni、Cr金属元素含量如下表所示：

表4 Ni、Cr金属元素含量

将4个样品中Ni、Cr重金属与复垦区土壤重金属背景值相比较，如下表所示：

表5 Ni、Cr与土壤重金属背景值对比表

由上表可知Ni、Cr元素远超出该复垦区土壤的背景值范围，10cm～20cm土层为很强污染危害，0cm～10cm土层和20cm～30cm土层为强污染危害，土壤养分基本处于中低水平，呈现一定盐碱化。单就修复Ni、Cr重金属污染而言，油菜和小蓟对该片土壤的提取转移系数较高，但在重金属污染较严重的区域不宜种植可食性农作物，因此本次实验选择种植小蓟修复，与电动力学修复方法进行对比实验，根据地累积指数对两种修复方法进行评价。地累积指数为正代表土壤仍存在重金属污染，为负表示已无重金属污染，记录修复后的重金属地累积指数（Igeo），实验结果如下图所示：

根据上图数据可知，传统修复方法下的土壤地累积指数平均为0.06，仍属于轻度重金属污染，本文修复方法下的土壤地累积指数平均为-0.17，比传统方法减少0.23，已无元素Ni、Cr污染，验证了本文修复方法的有效性。

3 结语

重金属元素污染识别与修复技术在开发复垦区土壤方面已受到广泛应用，本文针对传统技术对土壤修复程度不够的问题，设计了一个污染识别与修复技术，并通过对比实验验证了设计技术的有效性，但由于时间问题，本次采集样品数量有限，有待进行深入研究。