土壤重金属的主要污染源包括污水浇灌、污泥施用、矿物的开采及冶炼等^[1]，其中金属矿物的开采和冶炼是土壤重金属污染的重要来源之一^[2]。矿物开采过程产生的废水和尾矿废渣堆积被雨水冲刷等原因，常常造成矿区周围的农田土壤被重金属污染^[2-3]。例如，广东大宝山矿山周边的土壤受重金属污染严重，该区域生产的农作物含Pb、Cu、Zn浓度均很高，重金属通过食物链已经对当地居民健康构成了威胁^[4-5]。因此，选择经济、有效的方法治理和修复金属矿区周边污染土壤显得尤为迫切。

化学改良技术是指通过往土壤中加人有机质、石灰、沸石和磷酸盐等外源添加物，调节土壤的理化性质，使重金属与改良剂或土壤组分产生沉淀、吸附、离子交换、腐殖化和氧化-还原等一系列反应，降低其在土壤环境中的生物有效性和可迁移性，从而减少这些重金属元素对动植物的毒性^[6]。该技术具有操作简易、快速有效、成本费用相对较低等特点，适合于大面积中低度污染土壤的治理^[7-8]。由于不同土壤的理化和生物性质、污染重金属的种类和浓度、不同改良剂的性质和作用机理不同，因地适宜地选择修复效率高、持续效果长久、来源广泛、价格低廉的改良剂是推广应用该技术的关键^[9-10]。当前，大部分研究关注单一改良剂对一种或者多种重金属的固定效果^[11-16]。为保证修复效果，单一改良剂的施加量往往很高或者需要连续追施^[17-18]。然而，过量的改良剂会对土壤理化性质产生不良作用或者引出二次污染问题^[19]，如过量施加可溶性磷酸盐容易造成土壤酸化，同时有引起水体富营养化的风险^[20-21]。而且，对于重金属复合污染的土壤，单一改良剂往往难以达到较好的修复效果^[22]。一些研究表明，混合改良剂对重金属的吸附、沉淀、络合等能力往往大于单一的改良剂^[23-24]。

郭荣荣等^[25]研究表明石灰+沸石+羟基磷灰石”混合改良剂可以显著提高广东省大宝山矿区周边酸性多金属污染土壤pH值并降低Cu、Zn、Pb、Cd的生物有效性，使红油麦菜在改良后的土壤上能够正常生长。蔡轩等^[26]采用来源广泛、价格更低廉的钙镁磷肥和磷矿粉代替羟基磷灰石，并在无机混合改良剂的基础上添加了3种有机肥(猪粪、鸡粪、蘑菇渣)，所筛选出的有机-无机混合改良剂表现出更好的改良效果，空心菜地上部Cu、Zn、Pb、Cd含量达到食品卫生标准。在此基础上，本研究连续种植两茬蔬菜(菜心和油麦菜)，通过测定土壤pH值，Cu、Zn、Pb有效态含量和形态分布，菜心和油麦菜的地上部生物量和Cu、Zn、Pb浓度，从而进一步验证该无机-有机混合改良剂的治理效果，为今后大宝山区域农田的原位化学改良提供可靠的科学依据。

1 材料与方法 1.1 供试土壤和改良剂

土壤采自广东省韶关市翁源县新江镇上坝村(24º32'34.4"N，113º42'42.1"E)，为大宝山酸性矿山废水污染的农田土壤(0~20 cm)。自20世纪70年代以来，大量的尾矿废渣和矿山废水被雨水冲刷进人下游的横石河，导致周边的农田土壤严重酸化，土壤中重金属Cu、Zn和Pb含量显著增加^[27]。供试土壤pH4.32, 有机质16.60 g·kg^-1、总磷0.66 g·kg^-1、总氮1.42 g ·kg^-1、总钾17.5 g·kg^-1。重金属总量:Pb 302.67 mg·kg^-1、Cu 586.17 mg·kg^-1、Zn 707.78 mg·kg^-1；重金属有效态含量：Pb 52.68 mg·kg^-1、Cu 21.61 mg·kg^-1、Zn 72.76 mg·kg^-1。

改良剂包括(表 1):沸石，石灰石，磷矿粉(有效磷含量2.1%)，钙镁磷肥(有效磷含量逸14%)，猪粪和蘑菇渣。

1.2 盆栽实验

每个塑料花盆(高19 cm、直径24 cm)装3.5 kg过5 mm筛的风干土壤，按照表 2添加不同配比的改良剂(根据课题组前期正交试验结果，筛选4个效果较好的混合改良剂)，共5个处理，其中包括一个不加任何改良剂的对照土壤。每种处理的土壤装8盆，从花盆的下面加去离子水，使土壤水分约为田间最大持水量的60%，室温下平衡3周，开始盆栽实验。

第一茬种植菜心(Brossica campestris L.)和油麦菜(Lactuca safiva var longifoliaf.Lam)。菜心品种为绿宝701，油麦菜品种为无斑油麦菜(标记为油麦菜A1)。菜心和油麦菜均直播，于2015年3月12日每盆播5颗种子，待幼苗长出第4~5片真叶时，间苗，每盆保留3株，每个处理菜心和油麦菜各种植4盆。在植物生长期间，根据需要补充去离子水。同年4月29日收获菜心，5月18日收获无斑油麦菜。

收获第一茬菜心和油麦菜后，每盆采集约100 g土壤样品，将剩余土壤重新混勻并装回原花盆。由于第一茬油麦菜地上部Pb含量仍超出国家食品安全标准，第二茬种植前各处理土壤(除对照土壤)松土并追加2 g·kg^-1土的钙镁磷肥，原因在于：大量文献资料证明，无机磷对土壤Pb有很好的钝化作用，但其效果受到含磷物料溶解性的影响，钙镁磷肥相对磷矿粉具有更好的溶解性^{[14, 28]}; 从第一茬盆栽实验的土壤pH、土壤中重金属的生物有效性、菜心和油麦菜的生长和植株地上部重金属含量来看，含有钙镁磷肥混合改良剂的效果优于磷矿粉。本次种植两个油麦菜品种，其中在第一茬种植无斑油麦菜的土壤上继续种植第二茬无斑油麦菜(记为油麦菜A2)，在第一茬种植菜心的土壤上继续种植Y叶油麦菜(记为油麦菜B)。第二茬无斑油麦菜于2015年12月14日幼苗长出第4~5片真叶时移栽，每盆移栽3株，2016年1月20日收获; Y叶油麦菜于2015年11月23日幼苗长出第4~5片真叶时移栽，每盆移栽3株，同年12月29日收获。

植物生长期间，根据其生长需要，从花盆的底部托盘补加适量去离子水，以保持土壤水分。植物成熟之后，收获植物样品(地上部和根系)和土壤样品。植物样品先使用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗3次，之后自然晾干，记录植物株高和地上部鲜重。105 ℃下杀青30 min，然后65 ℃烘干至恒重，称量植株地上部和根系的干重，最后研钵磨细备用。土壤样品自然风干，研钵磨细分别过20目和100目筛，供土壤的pH值、土壤中重金属Pb、Cu、Zn有效态含量和形态分析。

1.3 分析方法

土壤pH测定参照国家标准NY/T 1377－2007, 采用玻璃电极法(土:水=1:2.5)。土壤重金属全量和重金属有效态含量测定参照鲍士旦《土壤农化分析》(第三版)，重金属全量测定采用HNO₃:HClO₄:HF(5:5:3) 消解-原子吸收光谱法；土壤Pb、Cu、Zn有效态含量测定采用1 mol·L^-1NH₄NO₃浸提，水土比为2.5:1。土壤样品重金属形态分析采用改良后的五步提取法^[29]。植物Zn、Cu、Pb的测定亦参照《土壤农化分析》，采用干灰化-原子吸收光谱法(HitachiZ-5300型原子吸收光谱仪)，检出限Pb 0.023 mg·L^-1、Cu 0.01 mg·L^-1、Zn 0.002 mg·L^-1。

1.4 数据分析

应用SPSS 17软件对试验数据进行方差分析，多重比较采用新复极差法(Duncan法)，采用α=0.05的显著水平。

2 结果与分析 2.1 混合改良剂对土壤pH的影响

对照土壤呈较强的酸性(pH3.81~4.10)，经过4种无机-有机混合改良剂处理，土壤pH值均显著提高，其中PcmMc(沸石4 g·kg^-1+石灰石2 g·kg^-1+钙镁磷肥3 g·kg^-1+蘑菇渣4 g·kg^-1)处理的土壤pH值最高，比对照土壤高1.3~1.8个单位。由图 1可以看出，经混合改良剂PcmMc和PcmM(沸石4 g·kg^-1+石灰石2 g·kg^-1+钙镁磷肥3 g·kg^-1+猪粪4 g·kg^-1)处理后的土壤pH显著高于处理PrM(沸石4 g·kg^-1+石灰石2 g·kg^-1+磷矿粉3 g·kg^-1+猪粪4 g·kg^-1)和PrMc(沸石4 g·kg^-1+石灰石2 g·kg^-1+磷矿粉3 g·kg^-1+蘑菇渣4 g·kg^-1)，说明在施加沸石、石灰石和有机肥(猪粪或蘑菇渣)的相同条件下，钙镁磷肥提高酸性土壤pH的效果比磷矿粉更显著。

2.2 混合改良剂对土壤中Pb、Cu和Zn有效性的影响

与对照土壤相比，4种混合改良剂都显著地降低了土壤中Pb、Cu、Zn的有效态含量(表 3至表 5)。在施加沸石、石灰石和蘑菇渣的条件下，配施钙镁磷肥使土壤Pb、Cu、Zn的有效态含量分别比对照土壤减少97.55%~99.29%、97.55%~98.29%、97.63%~99.17%;配施磷矿粉则使土壤的Pb、Cu、Zn的有效态含量分别比对照土壤减少76.75%~86.68%、84.48%~93.28%、74.93%~84.81%。在施加沸石、石灰石和猪粪的条件下，配施钙镁磷肥使土壤Pb、Cu、Zn的有效态含量分别比对照土壤减少98.14%~98.78%、96.20%~98.45%、96.89%~99.20%;配施磷矿粉则使土壤Pb、Cu、Zn的有效态含量分别比对照土壤减少70.92%~86.56%、69.47%~91.13%、67.22%~82.45%。这说明与磷矿粉相比较，钙镁磷肥更能降低土壤Pb、Cu、Zn有效性。然而，在施加沸石、石灰石和钙镁磷肥的相同条件下，猪粪和蘑菇渣对降低土壤Pb、Cu、Zn有效态含量之间没有显著性差异。

相关性分析显示，土壤pH值与土壤中Pb、Cu、Zn的有效态含量均呈极显著负相关，相关系数分别为-0.911^**、-0.877^**、-0.883^**。

2.3 混合改良剂对土壤重金属形态分布的影响

对照土壤中Pb的主要存在形态为残渣态，其次为铁猛氧化物结合态和可交换态，碳酸盐结合态和有机结合态含量最低; 施加4种土壤改良剂后，土壤中Pb的可交换态含量降低了3.73%~10.41%，铁锰氧化物结合态的含量所占比例增加了1.43%~10.14%(图 2a)。对照土壤中Cu赋存形态以残渣态>铁锰氧化物结合态>有机结合态>碳酸盐结合态>可交换态; 改良剂处理后，土壤中可交换态Cu含量略有降低(降低0.58%~1.43%)，铁锰氧化物结合态的含量有所增加(增加0.28%~4.83%)，其他形态的含量无明显变化(图 2b)。对照土壤中Zn的主要赋存形态为残渣态，其他依次为铁锰氧化物结合态、有机结合态、可交换态、碳酸盐结合态(图 2c); 施加改良剂后，土壤中Zn的可交换态和碳酸盐结合态含量分别降低至0.71%~ 2.58%和1.15%~2.19%，铁锰氧化物结合态和残渣态含量所占比例分别增加到12.48%~19.56%和69.96%~ 78.50%。

4种混合改良剂相比较，含有钙镁磷肥的混合改良剂(PcmM和PcmMc)处理的土壤中Pb、Cu、Zn可交换态含量低于含磷矿粉的混合改良剂(PrM和PrMc)处理的土壤，猪粪和蘑菇渣对土壤Pb、Cu、Zn形态的影响没有明显差异(图 2)。

2.4 混合改良剂对蔬菜生长的影响

在对照土壤上，第一茬的菜心和油麦菜的发芽率很低，部分植物在苗期就停止生长，甚至出现死亡的现象; 第二茬植物采用移栽的方式，油麦菜的存活率有所提高，但仍然表现出叶片发黄、生长缓慢等症状。土壤经过混合改良剂处理后，两茬植物均生长健康，未表现出重金属中毒现象，株高和地上部生物量显著提高; 生长在处理PcmM和PcmMc改良土壤上的植株高度和地上部鲜重均显著高于处理PrM和PrMc(表 6)。同时，第二茬植物(油麦菜A2和油麦菜B)的长势明显好于第一茬植物(菜心和油麦菜A1)，前者的株高和地上部鲜重均显著高于后者(表 6)。

2.5 混合改良剂对植物地上部重金属含量的影响

在对照土壤上，菜心和油麦菜的地上部Pb、Cu和Zn含量均超过国家标准(GB2762－2012，GB15199－1994) 规定的上限值(Pb、Cu、Zn含量上限值分别为0.3、10、20 mg·kg^-1)。4种无机-有机混合改良剂处理土壤后，第二茬油麦菜地上部Pb、Cu和Zn的含量均低于国家食品安全标准的上限值，菜心和第一茬油麦菜的地上部Cu含量也达到国家食品标准，但Pb、Zn含量仍有部分超出了国家食品标准的上限值(表 7)。

4种改良剂比较发现(表 7):含有钙镁磷肥的混合改良剂(PcmMc和PcmM)在抑制菜心和油麦菜对土壤中Zn吸收的效果上显著优于含磷矿粉的混合改良剂(PrMc和PrM)，钙镁磷肥对抑制菜心吸收Pb的效果也优于磷矿粉，而两者在抑制油麦菜对Cu和Pb的吸收上没有显著差异。

3 讨论

pH是影响土壤中重金属生物有效性的一个重要因素^[30]。许多研究表明，石灰石能提高土壤pH值，使土壤的螯合能力加强，从而增强土壤对重金属的吸附能力，或促进重金属生成氧化物或碳酸盐沉淀^[31]。相关性分析显示，土壤中Cu、Pb和Zn的有效态含量与土壤pH值呈显著负相关，与前人的研究结果相似^[32]。施加4种无机-有机混合改良剂后，土壤pH值均显著提高，Pb、Cu、Zn的有效态含量分别降低70.92%~ 99.29%、69.47%~98.45%、67.22%~99.17%。可能的原因是，随着土壤pH值的提高，土壤颗粒表面的负电荷增加，导致其对重金属离子的吸附容量增大，从而使土壤中重金属的迁移性和生物有效性降低^[33]。除此之外，混合改良剂中的无机磷成分对降低重金属的有效性也具有一定的作用，尤其是固定Pb的效果更为显著。含磷材料中的P可以与Pb生成氟磷铅矿、磷氯铅矿沉淀等，具有长期稳定作用^[34]; 沸石可以调节pH，并具有很强的离子交换能力，能够通过离子交换吸附和专性吸附的方式降低土壤中重金属的活性^[35]; 同时，有机肥料分解所产生的溶解性有机质具有羧基、羟基等活性基团，能够与重金属发生络合或螯合，从而改变重金属的有效性^[36]。

土壤重金属的形态分析结果显示，施加混合改良剂后，土壤中三种重金属可交换态含量比例显著降低，而铁锰氧化物结合态的比例提高。这说明本研究采用的无机-有机混合改良剂可以通过降低土壤中重金属可交换态含量、增加铁锰氧化物结合态含量，把重金属转化成植物不易吸收的形态，从而降低重金属的生物有效性和生态毒性。吴文成等^[37]在重金属污染土壤中添加钙镁磷肥和硅肥后，土壤pH值显著提高，重金属与土壤溶液中增加的氢氧根离子反应形成氢氧化物沉淀，与铁锰氧化物等的结合更加牢固。张青等^[38]研究也表明，石灰、有机肥、海泡石等改良剂能使土壤Cd、Zn转变为植物不易吸收的形态。

作物的生物量和可食部分重金属含量是评价原位化学改良效果的两个重要指标。在对照土壤上，菜心和油麦菜不仅不能正常生长，而且其可食部分的Pb、Cu、Zn含量均超过食品卫生标准的上限值。土壤中施加“石灰石垣沸石垣无机磷(磷矿粉或钙镁磷肥)+有机物料(猪粪或蘑菇渣)”的混合改良剂后，菜心和油麦菜的生长健康，生物量显著增加，且可食部分的Pb、Cu、Zn含量均显著降低。许多研究表明，石灰石、沸石、钙镁磷肥等物质均能通过提高酸性土壤的碱度来抑制污染土壤中重金属的活性，从而促进植物的生长^[39]。除此之外，石灰石和钙镁磷肥中的Ca²⁺、Mg²⁺对重金属离子具有拮抗作用，参与竞争植物根系上的吸附点位，从而抑制植物对重金属的吸收，减轻土壤中重金属对植物的毒性效应^[40]。孙健等^[41]研究了钙镁磷肥、海泡石、碳酸钙和有机肥4种改良剂对土壤pH、土壤中有效态重金属含量和灯心草生长的影响，结果表明，不同改良剂及其不同施用水平均能不同程度地提高土壤pH值，降低土壤中有效态重金属含量，促进灯心草的生长和发育，增产效果达到极显著水平(P < 0.01)。从本实验结果(表 7)可以看出，第二茬植物(油麦菜A2和油麦菜B)的长势明显好于第一茬植物(菜心和油麦菜A1)。其原因可能在于:一是土壤的强酸性和重金属对植物种子发芽和幼苗毒害作用更大; 二是在移栽第二茬油麦菜之前，土壤中追施钙镁磷肥作为基肥，不仅增加了土壤中磷、钙、镁养分，而且可进一步提高磷酸盐对土壤中Pb、Cu、Zn的稳定化效果。

蔡轩等^[26]研究表明，单独施加大量石灰石能够提高土壤pH并降低土壤中的重金属有效含量。但邵乐等^[18]研究发现石灰后效能维持一年半左右，要想保持较好的效果，则需继续施加石灰石。由于过度施用石灰石会降低土壤营养元素的可利用性，反而会抑制植物的生长^[42]，同时过量施加石灰石使土壤pH > 7时，还容易使Cr³⁺氧化为Cr⁶⁺而增加Cr的移动性和生态毒性^[11]。通常，金属矿区的土壤污染大多为复合型污染，单一组分的改良剂往往很难满足修复要求。例如:单施石灰石能够显著提高土壤pH, 降低土壤Cd有效态含量和小白菜地上部Cd含量，但无法促进小白菜的长; 单独施用钙镁磷肥或有机肥能够有效促进植物生长，却不能降低Cd的生物有效性^[43]。本研究的盆栽实验发现，施加“石灰石+沸石+无机磷肥+有机肥”混合改良剂后，不仅显著提高了土壤pH并降低土壤重金属有效态含量，同时显著改善了菜心和油麦菜的生长; 而且，菜心和油麦菜地上部的Cu、Zn含量均可达到国家食品安全标准; 在追施钙镁磷肥后，第二茬油麦菜地上部Pb含量也低于食品卫生标准。

本研究还发现，当其他4种改良剂的用量相同时，含有钙镁磷肥的混合改良剂处理的土壤pH显著高于含有磷矿粉混合改良剂处理的土壤，前者处理的土壤Pb、Cu、Zn有效态含量显著低于后者，同时植物的地上部生物量更高，而重金属含量更低。这说明，钙镁磷肥对酸性多金属污染土壤的改良效果比磷矿粉的改良效果更好，与蔡轩等^[26]的研究结果一致。原因可能在于:钙镁磷肥pH比磷矿粉高，因此对提高土壤pH有更好的效果; 钙镁磷肥的溶解度高，溶解的无机磷与重金属形成难溶性磷酸盐^[14]; 钙镁磷肥本身含有的Ca、Mg等元素，可以与植物竞争吸附重金属，从而降低重金属对植物的毒害作用^[44]。

4 结论

(1) 由沸石、石灰石、无机磷、有机肥组配的4种有机-无机混合改良剂均能显著增加土壤pH值并降低Cu、Zn、Pb的生物有效含量，且土壤pH值和重金属的有效态含量呈显著负相关性。

(2) 在对照土壤上，菜心和油麦菜的种子发芽和生长显著受到抑制，且其地上部Pb、Cu、Zn含量均高于食品卫生标准。4种混合改良剂处理土壤后，菜心和油麦菜生长健康，株高和地上部的生物量显著增加，且地上部Pb、Cu、Zn含量显著降低，第二茬油麦菜地上部Pb、Cu、Zn的含量均低于国家食品安全标准的上限值，菜心和第一茬油麦菜的地上部Cu含量也均达到国家食品标准，但Pb、Zn含量仍部分超出国家食品标准的上限值。相对而言，钙镁磷肥对酸性多金属污染土壤的修复效果比磷矿粉更显著。

(3) 重金属的化学形态分析结果显示，4种不同有机-无机混合改良剂均能有效降低土壤重金属Pb、Cu、Zn的可交换态含量，促进土壤中Pb、Cu、Zn由可交换态向铁锰氧化物结合态转换，从而显著降低了其植物有效性。