河南省济源市某铅冶炼企业所造成的铅、镉、砷多金属污染已导致约3 km内从近到远的重、中、轻度污染, 需要研究钝化或活化剂, 用于农田边种植边修复。国内的土壤重金属污染修复研究以南方红黄壤酸性土壤区较多^[1-3], 北方石灰性土壤重金属污染修复则为初步研究^[4], 在轻度污染石灰性土壤中施加赤泥、油菜秸秆、玉米秸秆等可显著降低豇豆豆角中镉浓度和土壤中可溶态镉浓度^[5], 石灰性土壤上添加鸡粪、腐植酸、海泡石和生物炭, 对土壤镉均有活化效果^[6]。褐煤是我国储量丰富的富含天然腐植酸类物质, 对多种金属离子具有吸附效应^[7], 尤其铅和镉离子^[8]。腐植酸可使重金属离子被络合、螯合或吸附固定, 降低重金属离子生物有效性, 减少植物吸收量^[9]。腐植酸广泛分布于自然环境当中, 在不同的环境中腐植酸的结构及性质有所不同^[10]。有研究认为, 风化煤腐植酸可通过调节土壤pH值和有机质含量来抑制铅的生物有效性, 其中土壤pH值占主导因子^[11]。由于这些研究结论在实际运用中还有许多问题, 目前褐煤多用于消除重金属污染的工业废水处理, 很少研究土壤中特别是石灰性土壤重金属污染治理。本研究以腐植酸丰富的云南昭通褐煤为原料, 经过多种改性研究其对土壤中重金属生物有效性的影响, 旨在筛选适用于石灰性土壤铅、镉的高效钝化剂或活化剂。

供试土壤取自河南省济源市克井镇青多村某铅冶炼企业周围200 m处0~20 cm重金属污染土壤, 其基本理化性质为:pH 8.05, 有机质27.13 g·kg^-1, 速效磷28.45 mg·kg^-1, 速效钾145.30 mg·kg^-1, 碱解氮190.65 mg·kg^-1, 全铅1 985.76 mg·kg^-1, 全镉29.35 mg·kg^-1。供试植物为美国大速生菜 (Lactuca sativa L.var.capitata L.), 沈阳嘉禾种子有限公司提供。

褐煤基改性材料的制备:选取云南昭通褐煤进行改性。荷钙褐煤^[12], 褐煤引入钙离子; 磺化褐煤^[13], 褐煤经浓硫酸处理, 进行磺化反应, 将磺酸基引入煤的缩合芳香环和脂肪侧链中; 硝化褐煤^[14], 即褐煤用20%硝酸氧化, 以提高腐植酸含量; 去矿化褐煤^[15], 用一定浓度盐酸和氢氟酸处理, 去掉褐煤中钙、镁离子; 褐煤基活性炭^[16], 以褐煤为原料, 磷酸为活化剂, 硫酸为添加剂, 采用炭活化一步法制备活性炭; 褐煤制腐植酸^[17], 碱溶酸析法。腐植酸树脂^[18]、腐植酸接枝共聚^[19]均为腐植酸、丙烯酸、SP-65、过硫酸钾和N, N-亚甲基双丙烯酰胺的混合溶液制取, 二者制取流程不同, 得到不同性质的网状大分子聚合体。

上述试验材料下文分别简称为:荷钙、磺化、硝化、去矿化、活性炭、腐植酸、树脂和接枝。

土壤风干后, 磨细, 混匀, 过20目筛, 称取土600 g, 分别加入褐煤基改性材料, 根据土壤重金属污染修复中腐植质类通常的添加量^[20], 设置3个添加量, 改性材料分别占土壤质量的1%、3%、5%, 以未施添加剂的原土为对照。将改性材料和土壤混匀装盆, 每处理设置4个重复。蒸馏水浇灌, 保持土壤相对持水量为60%, 培养60 d老化处理, 将生菜苗移植入盆, 每盆间苗后保留5株, 生长60 d后取生菜样及土样。生菜烘干、粉碎、消煮, 用火焰原子吸收分光光度计 (ZEEnit700原子吸收光谱仪, 德国耶拿分析仪器股份公司) 测Pb、Cd含量; 土样风干、过100目筛, 测二乙烯三胺五乙酸 (DTPA) 提取态Pb、Cd含量。

试验数据用Excel 2007作图, DPS 7.05作统计分析。

由图 1知, 与未加材料的污染土 (空白) 相比, 腐植酸、去矿化、荷钙、活性炭、树脂、接枝处理均表现出显著性差异。未改性褐煤虽然有降低DTPA提取态铅的趋势, 但并未达显著水平。

图 1 褐煤基改良剂对土壤DTPA提取态铅含量的影响 Figure 1 Effect of lignite-based amendments on DTPA-extractable Pb 图中不同小写字母表示相同改良剂用量不同处理间差异达显著水平 (P < 0.05)。下同 Different small letters indicate that the difference between the different treatments at same amount of additives is significant (P < 0.05). The same bellow

图选项

同一改性材料在不同添加量时, 施加腐植酸、去矿化、钙化、活性炭的土壤中DTPA提取态铅含量降低幅度分别为4.67%~7.97%、5.92%~11.46%、5.90%~11.80%和11.69%~26.43%, 随着添加量的增加, 土壤中DTPA提取态铅含量逐渐减少, 施用活性炭减少最多。硝化、磺化、树脂和接枝的土壤中DTPA提取态铅含量增加幅度分别为0.33%~3.65%、0.20%~3.93%、5.82%~32.12%和2.55%~24.76%, 但硝化和磺化处理的增加未达显著水平, DTPA提取态铅含量随着添加量的增加而增加, 树脂和接枝对提高土壤DTPA提取态铅含量的作用最大。

由图 2知, 与污染土相比, 添加1%、3%和5%材料时, 褐煤、腐植酸、去矿化、活性炭、接枝共聚处理的DTPA提取态镉降低幅度分别为4.21%~9.27%、1.36%~5.97%、0.21%~7.85%、5.41%~13.51%和5.18%~27.70%, 荷钙处理对DTPA提取态镉无影响, 其中活性炭和接枝处理与对照达到显著差异水平, 而腐植酸、去矿化、荷钙并不像对铅那样显著降低; 硝化、磺化、树脂显著增加土壤中DTPA提取态镉含量, 各添加量分别增加了7.92%~20.13%、5.74%~21.05%和21.30%~44.63%, 均达显著差异水平。与未改性褐煤相比, 腐植酸、去矿化、活性炭未有显著改变, 硝化、磺化和树脂的DTPA提取态镉仍有提高, 接枝显著降低了DTPA提取态镉。

图 2 褐煤基改良剂对土壤DTPA提取态镉的影响 Figure 2 Effect of lignite-based amendments on DTPA-extractable Cd

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从图 1、图 2对比分析可知, 硝化、磺化对DTPA提取态铅在3个施用量时几乎没有影响, 而对DTPA提取态镉在3个用量时均有显著性影响, 并随着用量增加镉增加更多。接枝对DTPA态铅的影响是显著增加其含量, 但对DTPA态镉则是显著降低其含量。荷钙对DTPA态铅含量有显著降低作用, 但对镉无影响。褐煤对铅无影响, 但在用量3%和5%时对土壤DTPA态镉有显著降低作用。腐植酸、去矿化和活性炭均降低DTPA态铅和镉含量, 树脂则提高铅和镉含量。因此, 活性炭降低两种重金属的DTPA提取态含量幅度最大, 树脂和接枝在提高或降低两种重金属DTPA提取态含量方面幅度最大。

由图 3可知, 9种改性材料在3个施用量下, 对生菜地上部生物量的影响基本一致。1%施用量时, 褐煤、腐植酸、去矿化、荷钙、活性炭和接枝均能一定程度增加生菜地上部干物质量, 但与对照无显著差异。硝化、磺化和树脂处理的生菜生物量低于未施用的对照, 其中磺化和树脂处理生物量显著低于对照。3%和5%施用量时, 腐植酸处理显著高于对照, 而硝化、磺化、树脂和接枝比对照显著降低生菜的生物量, 硝化、树脂和接枝用量越大生物量降低越多。对照图 1、图 2中土壤DTPA态铅、镉含量的变化, 可以看出随着土壤中DTPA提取态铅和镉的增加, 生物量减少, 表现为抑制作用; 相反, 随着土壤中DTPA提取态铅、镉含量的降低, 生物量则增加。

图 3 褐煤基改良剂对生菜地上部生物量的影响 Figure 3 Effect of lignite-based amendments on biomass of lettuce

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由图 4可见, 与污染土相比, 各施用量下, 生菜地上部铅含量除活性炭在施用量1%和3%、磺化在施用量5%时显著低于对照外, 其他均高于对照。说明除了活性炭和磺化外, 9种材料中的多数材料能够提高生菜中铅含量。同时, 对照图 1中几种材料对土壤中DTPA提取态铅含量的影响情况可知, 除活性炭外, 褐煤、腐植酸、去矿化、荷钙虽降低土壤DTPA提取态铅, 但并没有使生菜地上部铅含量降低, 反而升高。硝化、磺化和树脂处理土壤铅含量升高, 生菜地上部铅含量也升高。由图 5可见, 与不施褐煤基材料的原污染土比较, 几种材料基本上降低了生菜地上部镉含量, 且随褐煤基材料用量的增加生菜吸收镉含量的降低趋势愈发明显, 其中较明显的是褐煤、腐植酸、去矿化、荷钙、活性炭、磺化。接枝和树脂在用量1%时也能显著降低生菜镉含量, 但在3%和5%用量时, 生菜中镉含量反而升高。其原因可能为在3%和5%用量时, 两种材料已使土壤严重结块, 铅或镉的较高含量是生菜生物量减小所导致的浓缩效应。几种改良剂对生菜中的铅和镉含量的影响不同。

图 4 褐煤基改良剂对生菜地上部铅含量的影响 Figure 4 Effect of lignite-based amendments on Pb content of lettuce

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图 5 褐煤基改良剂对生菜地上部镉含量的影响 Figure 5 Effect of lignite-based amendments on Cd content of lettuce

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由表 1可见, 土壤中DTPA提取态铅含量与生菜地上部铅含量间在1%施用量时出现正相关, 更高施用量时不相关; 土壤镉与地上部镉含量在1%施用量时呈显著负相关, 更高用量时不相关。土壤铅与地上部铅积累量在5%施用量时呈显著负相关; 土壤镉与地上部镉积累量在1%和5%施用量时呈极显著负相关。铅、镉均对生菜的地上部生物量有显著或极显著的负相关关系, 特别是硝化、磺化、树脂和接枝在施用量较大时对生菜生长表现出极显著的抑制作用。由相关系数或P值可知, 土壤DTPA提取态铅镉与地上部干重的负相关关系随施用量增加而增强。

表 1 土壤DTPA提取态铅、镉含量与生菜地上部铅、镉含量及地上部生物量的相关性 (n=8) Table 1 The relativity between the content of DTPA-extractable Pb, Cd in soil and the content of Pb, Cd as well as the biomass of stem and leaf of the lettuce

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DTPA可提取态组分可以作为检验土壤重金属生物有效性的补充方法^[21]。很多研究中使用DTPA螯合剂估计土壤重金属对植物的潜在有效性^[22], 当pH变化小时, DTPA提取态重金属与植物吸收有很好的相关性^[23]。多种褐煤基材料均使土壤中铅镉的有效态发生显著变化。由于褐煤具有高胡敏酸和富里酸含量, 通过复合和吸附能够稳定重金属^[24], 腐植酸含有大量功能基团, 能够与二价或三价金属形成螯合态复合体^[25], 褐煤能够稳定非常酸化土壤中的铅, 但不推荐用在弱酸化、中性和碱性土壤中^[26]。关于腐植酸-金属化合物的结构存在不同看法, 特定功能团并不能给出确定性解释^[27], 腐植酸吸持大多数离子一般在pH 3.0~5.2范围, 对Pb²⁺最大吸附能力的pH为4.05^[28]。这与本研究中褐煤未经改性时对石灰性土壤铅镉的钝化效果不显著是一致的。褐煤去矿化后比表面积增大, C-O键 (酚, 醚) 和C=C芳香键增加^[29], 本研究中去矿化表现出了比褐煤较明显的钝化效果。活性炭的吸附能力依赖于其具有的高比表面积、微孔特征和表面化学特征^[30], 土壤pH值可能对其吸附能力影响较小, 所以本研究中活性炭降低铅镉的效果最大。荷钙褐煤在低浓度废水中能高效吸附重金属, 对铅的吸附力高于镉^[31], 本研究中, 与对照相比, 土壤有效铅含量降低达到显著水平, 而镉不显著, 与其结论一致。硝酸氧化褐煤提高了褐煤中的腐植酸含量、阳离子代换量和中等分子腐植质, 从氧化褐煤中提取的腐植酸含有更多含氧功能团和较小分子量的腐植酸^[32], 而小分子量腐植酸可能与重金属离子更易形成可溶解的小分子络合物, 提高重金属有效态含量, 从而可较好地解释本研究结果。硝化褐煤提高铅有效态在3个施用量均达显著差异, 但对有效镉虽然有所提高, 但未达显著差异。褐煤经磺化反应生成磺化褐煤后, 增加了-SO₃H、-COOH、-OH等基团^[33], 可能在石灰性土壤合适的pH范围内, 增强了离子交换能力。本研究中, 腐植酸树脂显著地提高了土壤中DTPA提取态铅含量, 腐植酸接枝共聚提高了土壤中DTPA提取态铅而降低了DTPA提取态镉含量, 可能与腐植酸树脂和接枝共聚的三维网络结构和亲水性基团羟基、羧基、酰胺基和磺酸基等高吸水性能有关, 多种功能团与多价金属离子螯合、吸附和离子交换^[34], 因此具有较强吸附能力和交换容量。从本研究中腐植酸接枝共聚和树脂合成看, 虽有相同反应物, 但反应过程或反应条件不同, 生成物对于铅和镉的影响不同。

检验土壤重金属生物有效性提取剂的选择, 对考察土壤改良剂的效果是至关重要的。较少的提取剂和较少的改良剂试验可能会得出偏颇的结论。Singh等^[35]研究了CaCl₂、NH₄OAc、NH₄OAc-EDTA、DTPA、HCl对土壤Cd、Cu、Mn、Pb、Zn的提取和意大利黑麦草吸收金属的效果, 结果表明, 不存在单个的提取剂对植物吸收的所有金属浓度能做可靠的预测, 尽管提取的Cd与黑麦草中含量相关性较好, Pb在所有提取剂中相关性均差。Nicoletta等^[36]认为Pb被大麦根固定在根细胞而不容易从根部运输到叶。本研究中DTPA提取态铅镉同样并不总是与生菜中的含量呈正相关, 也反映了这个问题, 表现在不同的添加剂种类和用量、铅镉不同重金属等方面, 土壤重金属与生菜吸收量有不一致的增减。在对土壤污染修复材料进行钝化或活化判断时, 应该选择适合土壤性质的提取剂, 因为植物吸收、运输和积累过程是复杂的, 土壤中某个提取方法的测定值与植物地上部吸收量的关系也是复杂的。Şerife等^[37]对Cd、Pb以及22个葡萄样品, 用HCl、H₂SO₄和NH₄OAc进行提取, 统计结果表明, 土壤中提取的Cd、Pb易利用态含量与葡萄中含量相关, 提取方法可用于生物有效性的研究。本研究表明, 研究特定土壤上特定的重金属污染修复材料和特定的供试植物, 需要用特定的提取方法才可做出正确判断。

(1) 各褐煤基材料对土壤DTPA提取态Pb或Cd均有不同程度的影响, 随着添加量增加, 降低或提高的量越大。各褐煤基材料对土壤DTPA提取态Cd的影响, 除接枝共聚作用相反而降低其含量外, 其他材料的影响规律与铅相同。说明褐煤改性后显著地改变了性质, 向钝化或活化铅镉两个方向变化。

(2) 各褐煤基材料多是提高了生菜地上部铅的含量, 土壤DTPA提取态铅与生菜吸收并不总是正相关。3个添加量对生菜吸收铅的影响规律基本相同。各褐煤基材料对生菜地上部镉含量的影响与铅有较大差别。生菜地上部镉含量与土壤DTPA提取态镉含量有一定相关性。

(3) 各褐煤基材料对生菜地上部生物量的影响较有规律。起钝化作用的褐煤、腐植酸、去矿化、荷钙使生菜生长量略微增加, 起活化作用的硝化、磺化、树脂使生菜生长量显著降低, 而且添加量增加时, 活化作用导致的生长量更低。