海泡石對鎘污染土壤的鈍化修復效應(yīng)的研究

申鑫雨，張千喜，王 涌，孫 滔，劉園園

（太原工業(yè)學院，山西 太原 030008）

引言

據(jù)相關(guān)文獻了解，中國土壤被鎘污染的面積達兩千萬公頃，占總耕地面積的1/6，影響了11個省市的25 個地區(qū)[1]。重金屬Cd 在農(nóng)產(chǎn)品中是一個毒性很強的元素，農(nóng)作物的生長發(fā)育會受到影響，且會通過食物鏈從植物可食部分被人體所吸收。因此，人們已經(jīng)高度重視鎘污染土壤的改良和修復問題。

降低Cd 在食物鏈中的含量方法主要有：培育優(yōu)良的植物品種如對鎘的吸收少或吸收后作物的可食用的部位鎘含量較低；采用農(nóng)業(yè)工程措施，比如在土壤中噴灑改良劑，土壤中的重金屬會被改良劑的頡頏作用、吸附作用和沉淀作用停留在改良劑的表面或內(nèi)部，進而土壤中Cd 的生物有效性和擴散性被降低[2]。海泡石是一種纖維狀的礦物，含水鎂硅酸鹽，擁有較強的吸附能力的重要原因是巨大的內(nèi)、外表面積[2]。本研究旨在利用海泡石優(yōu)良的吸附作用，借助花盆栽種的試驗，研究添加海泡石對被重金屬污染土壤的修復效果，為鎘污染土壤的鈍化修復及海泡石的開發(fā)利用提供科學的方法和理論指導，由此可在大范圍的農(nóng)田中推廣。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：于山西省太原市尖草坪區(qū)的北固碾附近開采。

供試植物：白菜，品牌：長耕。

海泡石為河北鑫鋮礦產(chǎn)公司生產(chǎn)。它的分子結(jié)構(gòu)為四面體型，結(jié)構(gòu)特征是鏈式的，四面體各條帶之間由硅氧鍵相連接。外表面積可達400 m2/g，內(nèi)表面積可達500 m2/g，所以海泡石有較大的比表面積，可達800 m2/g～900 m2/g。海泡石的特殊性能由其大的比表面積所決定，所以良好的化學穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性是海泡石所具有的特點，進而表現(xiàn)出的吸附性能和催化性能較為良好。

1.2 研究方法

由表1 可知，土壤中Cd 設(shè)立了3 個含量梯度：1 mg·kg-1，2 mg·kg-1，5 mg·kg-1。Cd 的投放形態(tài)為CdSO4，混合均勻后，放置15 d。將白菜種子在蛭石中培育，7 d 后，根據(jù)白菜幼苗的長勢移至盆中，每盆污染土壤250 g，定苗3 株，保持土壤濕潤，30 d 后收獲。實驗分為12 組，每組重復3 次，共2 個因子。

表1 250 g 土壤實驗處理因素水平表

1.3 土壤和作物樣品分析方法

采取自來水沖洗的方式去除附著在收獲植物表面的污染物。再用去離子水沖洗后,表面附著的水分用濾紙吸干，烘干，稱量樣品干重。采用HNO3-HClO4消解法，原子分光光度計測定白菜內(nèi)Cd 含量。采用火焰法、HF-HClO4-HNO3消化法，原子分光光度計及石墨爐無火焰裝置測定土壤中Cd 含量，土壤被風干后，水土質(zhì)量比以1∶2.5 混勻，pH 計經(jīng)校正后測量pH。氨與苯酚-次氯酸鈉反應(yīng)生成藍色的靛酚，可以用來分析土壤中脲酶的活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 海泡石的添加對生物量的影響

根據(jù)第307 頁圖1 可以得出，在海泡石未添加時，隨鎘濃度的增加白菜生物量最大下降了38.9%，當添加海泡石后，白菜的生物量有著較明顯的增加，其中在海泡石添加量為7.5%的時，白菜生物量在81.3%～90.9%。其添加海泡石和未添加海泡石對比，白菜生物量的最大下降也有所減緩，最小下降了30%?？梢钥闯?，隨海泡石的添加，土壤中鎘離子對白菜的生長的影響有所減弱，且白菜的生物量也在不斷增加。改良劑和重金屬的互相作用，可以使土壤中的重金屬有效性降低和理化性質(zhì)的改善，進而植物對重金屬的吸收被抑制，植物被重金屬的毒害有所減輕，進而生物量有所增加[3]。

據(jù)王長偉等的研究和圖1 白菜生物量受海泡石添加的影響柱形圖，白菜生物量隨海泡石添加量的增加而增加，是海泡石和Cd 的互相作用，改變土壤的性質(zhì)，降低土壤中有效鎘的含量，減少對作物生長的抑制作用，促進生物量的增加。

圖1 海泡石的添加對白菜生物量的影響

2.2 海泡石的添加對土壤pH 的影響

由圖2 海泡石的添加對土壤pH 的影響可知，土壤呈堿性，海泡石也為弱堿性，添加海泡石后，土壤pH 有上升趨勢，但pH 總體維持在7.7 到8.11 之間，變化不明顯；隨海泡石的添加量分梯度增加，土壤的pH 值會越來越高。土壤pH 的升高與海泡石較強的堿性是密不可分的，海泡石的pH 大多為10.1[3]。海泡石在pH 較高的環(huán)境下對重金屬離子的吸附能力增強，當pH 越高時，土壤中的有效態(tài)鎘含量有明顯的降低，解吸量下降的趨勢明顯。海泡石表面的可變負電荷在較高的pH 下會有所增加，導致其凈吸附量的增加[4]。重金屬污染的土壤修復的效果和植物生長受到酸堿度的影響，pH 值對土壤中有效的營養(yǎng)成分和微生物的活性有不可忽略的作用，同時決定著土壤膠體的交換性離子組成和土壤溶液中離子組成[5]。

由圖2 和孫鐵珩等和張強等的研究發(fā)現(xiàn)，海泡石的投放會引起土壤的pH 上升，且在作物生長允許pH 的范圍內(nèi)，海泡石的投放量愈多，其對重金屬的吸附能力愈強。

圖2 海泡石的添加對土壤pH 的影響

2.3 海泡石的添加對土壤脲酶活性的影響

脲酶活性-標準曲線的測定，吸收氮的標準溶液梯度0、1、3、5、7、10、13 mL，配置好標準系列溶液后，吸光度值在578 nm 處用分光光度計測定。

在未添加海泡石時，土壤的脲酶活性隨土壤鎘濃度的增大最大下降了68.58%，而添加同一質(zhì)量的海泡石后，脲酶活性的最大下降量為28.68%，同一土壤污染濃度下1 mg/kg、2 mg/kg，5 mg/kg 的土壤添加4 個水平的海泡石后，土壤脲酶的活性分別增加了77.16%、268.1%、266.6%，說明有效態(tài)鎘離子在土壤中的含量隨海泡石的添加顯著下降，進而土壤的肥力也有所上升。重金屬濃度的變化會影響土壤脲酶的活性,且基本表現(xiàn)的是抑制作用。土壤中被摻入單因素金屬Cd 后，在不同階段，土壤脲酶活性都存在著明顯下降階段,即重金屬對土壤脲酶具有一定抑制作用。另外，微生物和農(nóng)作物的根部分泌是脲酶的主要來源，重金屬的存在使得土壤中的微生物的生長活動受到抑制，作物體內(nèi)酶的合成以及分泌量的減少。進而降低了土壤的脲酶活性[6]。

觀察海泡石的添加對土壤脲酶活性影響的柱形圖和王家等研究，可以得出，海泡石添加對土壤中Cd 的濃度有下降的調(diào)節(jié)作用，從而緩解了重金屬Cd 對土壤脲酶活性的影響，進而出現(xiàn)了脲酶活性增加的現(xiàn)象。

經(jīng)實驗測得氮的標準曲線方程為y=61.767x-3.952 5，其中，y 為氮工作液量，mL，x 為吸光度（A）。由標準曲線方程和土壤脲酶活性的計算公式，可以進行計算，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 海泡石的添加對土壤脲酶活性的影響

2.4 海泡石的添加對白菜體內(nèi)鎘含量的影響

在未添加海泡石時，隨污染濃度的增加，白菜對有效鎘吸收增加了148.7%，在不同濃度的鎘污染土壤中，施加4 個水平的海泡石后，濃度分別下降了35.89%、44.53%、47.42%，可以看出，隨海泡石添加量的增加，白菜對土壤中鎘離子的固定有所增強，致使白菜對土壤中的鎘離子吸收濃度降低，白菜體內(nèi)有效鎘含量有著明顯的下降。硅氧四面體和鎂氧八面體膠體組成了海泡石的晶體，內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)的大小為0.37 nm×1.06 nm，其離子交換能力強、吸附容量大，土壤中重金屬因和其發(fā)生離子交互作用，從而鑲嵌在海泡石晶格中，土壤中的重金屬的有效態(tài)下降。大量羥基存在海泡石表面，可以與溶夜中的OH-共同作用，促使士壤溶液中的重金屬闊離子在海泡石表面沉泥生成氫氧收鎘，且海泡石中伴生碳酸鈣為堿性材料，亦可促使土壤溶液中的鎘離子形成碳酸鎘沉淀，降低士壤中鎘的生物有效性[7-10]。

根據(jù)圖4 和孫約兵等研究表明，因土壤中含有的有效態(tài)鎘下降，提升了土壤的肥力，降低了鎘對農(nóng)產(chǎn)品的脅迫作用，促進了的白菜的生長發(fā)育，進而白菜的生物量出現(xiàn)了一定程度的增加。

圖4 海泡石的添加量對白菜體內(nèi)鎘含量的影響

3 結(jié)論

本文在不同濃度的鎘污染土壤中，分4 個水平添加海泡石，結(jié)果表明：

1）白菜的生物量增加，未出現(xiàn)明顯下降；

2）白菜體內(nèi)的鎘含量比未添加海泡石顯著下降；

3）土壤脲酶活性有著明顯的提高，并隨海泡石的添加增大；

4）土壤的pH 隨海泡石添加變化不大。

以上說明，通過對土壤添加海泡石，利用其吸附性強的特性吸附并固定土壤中的鎘離子，能夠有效降低白菜體內(nèi)鎘含量，改善作物的生長狀況和土壤的理化性質(zhì)，土壤的環(huán)境質(zhì)量在一定程度上有所改善，土壤的肥力有所上升。海泡石是一種良好的治理土壤鎘污染的鈍化修復劑。