不同钝化材料对铜污染土壤修复的影响

摘要：为比较不同钝化材料对铜（Cu）污染土壤原位钝化修复的影响，采用田间试验方法，研究了钙基（磷灰石、石灰）、有机（生物腐植酸菌剂、生物有机肥）和硅基（新型多孔陶瓷纳米材料）等钝化材料对Cu污染土壤理化性质、土壤有效Cu含量、油菜生长及其不同部位吸收Cu的影响。结果表明，与常规施肥对照相比，钙基材料和硅基材料显著提高了土壤pH，有机材料较其他两种材料整体提高土壤养分（速效磷除外）效果明显；不同钝化材料均显著降低土壤有效Cu含量（比对照降低28.65%~36.66%），有效抑制油菜籽粒对Cu的吸收（33.84%~46.03%），其中钙基材料处理下二者降低幅度最大，分别为36.66%和46.03%；两种钙基材料处理较对照的油菜增产7.43%，有机材料和硅基材料表现减产。根据试验结果，钙基材料（尤其是石灰）通过显著提高土壤pH，降低酸性土壤Cu生物有效性，可能在安全生产的基础上有效提高油菜籽产量。关键词：土壤铜；钝化材料；油菜（BrassicanapusL.）；钝化修复中图分类号：X53文献标志码：A文章编号：1672-2043（2018）12-2694-07doi:10.11654/jaes.2018-0084Effectsofdifferentpassivationmaterialsontheremediationofcopper-contaminatedsoilLIUNa,XUEZhong-jun,YEWen-ling,HUHong-xiang*,XUNian,FUXiao-fei（AnhuiProvinceKeyLaboratoryofFarmlandEcologicalConservationandPollutionPrevention,SchoolofResourcesandEnvironment,An⁃huiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China）Abstract：Inordertocomparetheeffectsofdifferentpassivationmaterialsontheremediationofcopper-contaminatedsoil,afieldexperi⁃mentwasconductedtoinvestigatetheeffectsofcalcium-basedpassivationmaterials（apatite,lime）,organicpassivationmaterials（biologi⁃calhumicacidagent,bioorganicfertilizer）,andsilicon-basedpassivationmaterial（newporousceramicnanomaterial）onthephysico-chemicalpropertiesofcopper-contaminatedsoil,theavailablecopperconcentrationofcopper-contaminatedsoil,rapegrowth,andcopperuptakebyrape.TheresultsshowedthatthesoilpHsignificantlyincreasedwiththeapplicationofcalcium-basedandsilicon-basedpassiv⁃ationmaterialscomparedwithconventionalfertilization（thecontrol）.Organicmaterialsweremoreeffectivethantheothertwomaterialsinincreasingthesoilnutrientcontents（exceptforsoilavailablephosphorus）.Inaddition,soilavailablecoppercontentsignificantlydecreasedwiththeapplicationofdifferentpassivationmaterials（28.65%~36.66%lowerthanthecontrol）,andcopperaccumulationinrapeseedswaseffectivelyinhibited（33.84%~46.03%lowerthanthecontrol）.Withtheapplicationofcalcium-basedmaterial,availablecoppercontentandcopperaccumulationshowedthelargestreductionsof36.66%and46.03%,respectively.Withtheapplicationofcalcium-basedmateri⁃als,therapeyieldincreasedby7.43%comparedtothatofthecontrol,buttherapeyielddecreasedwiththeapplicationoforganicmaterialsandsilicon-basedmaterial.Theseresultsindicatethatapplicationofcalcium-basedmaterials（especiallylime）mayimproverapeyieldbysignificantlyincreasingsoilpHandreducingcopperbioavailabilityinacidsoil.Keywords：soilcopper;passivationmaterial;rape（BrassicanapusL.）;immobilization收稿日期：2018-01-15录用日期：2018-04-23作者简介：刘娜（1994—），女，安徽池州人，硕士研究生，从事重金属污染土壤修复研究。E-mail：[e-mail]*通信作者：胡宏祥E-mail：[e-mail]基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFD0801105）Projectsupported：TheNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina（2016YFD0801105）2018，37（12）:2694-27002018年12月农业环境科学学报JournalofAgro⁃EnvironmentScience刘娜，薛中俊，叶文玲，等.不同钝化材料对铜污染土壤修复的影响[J].农业环境科学学报,2018,37（12）：2694-2700.LIUNa,XUEZhong-jun,YEWen-ling,etal.Effectsofdifferentpassivationmaterialsontheremediationofcopper-contaminatedsoil[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2018,37（12）：2694-2700.不同钝化材料对铜污染土壤修复的影响刘娜，薛中俊，叶文玲，胡宏祥*，徐年，符小菲（农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽农业大学资源与环境学院，合肥230036）刘娜，等：不同钝化材料对铜污染土壤修复的影响2018年12月我国土壤Cu点位超标率为2.1%[1]，Cu污染土壤所引发的一系列环境污染、农产品产量和质量下降问题日益凸显。土壤Cu通过动植物进入食物链，在人体内富集，对粮食安全和人体健康已构成威胁[2-3]。重金属原位钝化技术是修复重金属污染土壤较为实用的方法[4]。目前国内外常用钝化材料（如钙基、硅基、碳基、有机和复合等材料）用于镉、汞、砷、铅等[5-7]重金属污染土壤的修复较多，而关于不同钝化材料对Cu污染土壤钝化修复的影响少见报道。Bade等[8]研究表明，石灰对土壤Cu固定具有显著影响。Cui等[9]通过5年田间试验研究了磷灰石、石灰等物质对Cu可浸出性、有效性和生物可利用性的影响，结果表明，磷灰石处理后，土壤有效Cu降低最显著。可见，不同试验条件下钙基材料的钝化效果存在差异。Jones等[10]研究认为生物炭和堆肥配施显著降低Cu移动能力。而Cuske等[11]研究发现碱性污泥施用后，Cu生物毒性显著增加，不适合用于Cu污染土壤修复。上述研究表明，不同有机材料对土壤Cu的环境行为具有活化和固定双重影响。另外，陈杰等[12]研究表明硅酸钠对土壤Cu具有较好的钝化能力。综上，前人研究主要集中在室内模拟或盆栽条件下探讨不同钝化材料对土壤Cu钝化修复的影响，而田间试验条件下不同钝化材料对Cu污染土壤钝化修复的影响尚少见报道。田间自然条件下土壤环境易受干扰且污染源可能无法完全截断，因此田间试验更能真实地反映实际农业生产状况和修复效果。本研究以安徽某矿区Cu污染农田土壤为研究对象，选用钙基、有机和硅基三类钝化材料进行油菜田间试验，通过分析不同钝化材料对土壤理化性质、土壤有效Cu含量、油菜生长及油菜地上部不同部位吸收Cu的影响，综合评估几种钝化材料的修复效果，以期为Cu污染土壤的钝化修复提供一定数据支撑。1材料与方法1.1试验区概况试验区位于安徽某矿区Cu污染农田（30°56′39″N，117°59′16″E），污染主要来源于长期使用受上游凤凰山矿和新桥矿污染的新桥河水灌溉污染，以及受河岸另一侧硫铁矿废矿堆地下渗透污染。气候为北亚热带湿润季风气候，种植模式主要为水稻-油菜轮作。供试土壤为水稻土，土壤养分达二级以上，土壤全Cu含量超过国家土壤环境二级标准近4倍，受Cu中度污染，其基本理化性质见表1。1.2供试材料1.2.1供试钝化材料供试钝化材料主要有：（1）钙基材料1（CA1）：超细羟基磷灰石，化学组成为Ca10（PO4）6（OH）2，球状晶型，Ca/P为1.67，粒径为80μm，纯度为96%。（2）钙基材料2（CA2）：生石灰，氧化钙为主要成分，纯度为95%，吸水散热，与水反应生成氢氧化钙，具有碱性。（3）有机材料1（OM1）：“天佳”牌农用生物腐植酸菌剂，功能菌≥2×108个·g-1，有机质含量高达60%，水溶活性腐植酸≥20%。（4）有机材料2（OM2）：由鸡粪和麦麸等物质复合而成的生物有机肥，N、P2O5、K2O的比例为2∶1∶1，有效活菌数≥0.2×108个·g-1，有机质含量≥20%，有效菌种为枯草芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌。（5）硅基材料（SI）：新型多孔陶瓷纳米材料，主要成分是SiO2和硅酸盐，比表面积≥80m2·g-1，显气孔率≥30%，孔径分布服从正态分布且标准差≤10，破碎率≤30%。有机和无机单分子在多孔陶瓷表面接枝，由不同有机功能单分子层以共价键结合在多孔陶瓷孔表面实现对其改性。供试钝化材料产地及其基本性质见表2。表1供试土壤基本理化性质Table1Thephysico-chemicalpropertiesofthetestedsoil供试土壤pH（H2O）5.04有机质/g·kg-123.90碱解氮/mg·kg-1112.00速效磷/mg·kg-150.12速效钾/mg·kg-1219.36全Cu/mg·kg-1236.06有效Cu/mg·kg-1100.50表2供试钝化材料基本性质Table2Basicpropertiesofthetestedpassivationmaterials注：“—”表示未检出。CA1：钙基材料1；CA2：钙基材料2；OM1：有机材料1；OM2：有机材料2；SI：硅基材料。Note：“—”indicatecannotbedetected.CA1：Calcium-basedmateri⁃al1；CA2：Calcium-basedmaterial2；OM1：Organicmaterial1；OM2：Or⁃ganicmaterial2；SI：Silicon-basedmaterial.钝化材料CA1CA2OM1OM2SI产地南京埃普瑞纳