劉亞男，強(qiáng) 毅，牛玉彪，覃榮高

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院， 云南 昆明 650032；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

0 引言

Cd2+對人體健康以及生態(tài)系統(tǒng)有很大不利影響[1-2]。而且隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國很多地區(qū)的土壤遭受了不同程度的重金屬污染，尤其是西南地區(qū)的地下水以巖溶地下水分布為主，若地表土壤受到重金屬污染，地表土壤中的重金屬極易進(jìn)入巖溶地下水中，而巖溶地下水遭受污染后難以修復(fù)，所以修復(fù)地表重金屬污染土壤對于防治地下水污染具有重要意義[3]。

近年來對于重金屬污染土壤修復(fù)的研究越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。董盼盼等[4]利用生物炭和植物聯(lián)合修復(fù)各層Cd2+污染土壤，使各層土壤中的Cd2+含量降到了最低。李琋等[5]采用生物炭和微生物聯(lián)合修復(fù)Cd2+污染土壤，成功提取出了具有抗Cd2+性能的微生物，其固化Cd2+的效果顯著。馮敬云等[6]使用不同的鈍化劑對Cd2+污染土壤進(jìn)行了修復(fù)研究，結(jié)果表明，針對不同程度的Cd2+污染土壤，生物炭的修復(fù)效果遠(yuǎn)優(yōu)于化學(xué)鈍化劑的修復(fù)效果。朱煜[7]采用硫酸鹽還原菌(SRB)對重金屬污染土壤進(jìn)行了修復(fù)研究，證明在高溫狀態(tài)下，SRB去除土壤中重金屬的效果符合準(zhǔn)一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并且土壤中的Cd2+含量降低效果也很顯著。歐陽婷婷等[8]開展了炭基和磷基復(fù)配材料修復(fù)Cd2+污染土壤的研究，從微觀的角度探討了Cd2+污染土壤的修復(fù)效果。以上研究大都是采用化學(xué)鈍化劑以及生物炭對Cd2+污染土壤進(jìn)行修復(fù)，也有學(xué)者采用物理方法對Cd2+污染土壤進(jìn)行了修復(fù)，如趙鵬等[9-11]采用超聲波強(qiáng)化電動(dòng)法研究了土壤中Cd2+污染情況，提高了Cd2+污染土壤的修復(fù)效果。

綜上所述，修復(fù)土壤中Cd2+污染的方法大致有物理、化學(xué)和生物修復(fù)3種方法，生物修復(fù)主要分為微生物修復(fù)[12-14]和植物修復(fù)[15]，動(dòng)物修復(fù)方面的研究成果甚少。

本文通過溶液實(shí)驗(yàn)探討了生物炭[16-17]、蚯蚓、君子蘭3種單一材料和4種復(fù)配方法對Cd2+的吸附和解吸特征，以及通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究了不同材料對紅黏土中Cd2+賦存狀態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

取某礦區(qū)附近農(nóng)田紅黏土240 kg，測得其pH為7.95±0.03、Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(14.84±0.35) mg/kg。

采集當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶家的雞糞，在熱裂解爐中600 ℃下燒制1 h制成雞糞生物炭(B)，冷卻后充分研磨過0.05 mm篩，儲存?zhèn)溆肹18]。另外選取研究區(qū)當(dāng)?shù)氐尿球?A)和君子蘭(P)，然后對3種材料進(jìn)行不同的配比實(shí)驗(yàn)。3種材料的不同配比方案以及對應(yīng)代號見表1。

表1 3種材料的不同配比方案以及對應(yīng)代號

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將紅黏土平均分成24份，按照表2中的配比方案，每個(gè)方案分配3份紅黏土，分別裝在直徑20 cm、高30 cm的亞克力玻璃柱中，再分別將表2中對應(yīng)的修復(fù)材料均勻混入紅黏土中，然后將君子蘭幼苗栽種在P、BP、AP、BAP等4組對比實(shí)驗(yàn)柱中。實(shí)驗(yàn)柱側(cè)壁每隔10 cm開孔以便取樣，所有土壤柱用黑色薄膜包裹。

實(shí)驗(yàn)周期90 d。將24個(gè)土柱放置在室溫25 ℃下，每隔10 d對24個(gè)實(shí)驗(yàn)柱中的紅黏土進(jìn)行取樣分析，對比紅黏土的pH以及Cd2+濃度變化，并且記錄君子蘭植株的高度。

1.3 指標(biāo)測定

采用玻璃電極法測定紅黏土的pH，采用Tessier法測定紅黏土的Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對8組實(shí)驗(yàn)中的3份平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，然后采用SPSS22.0軟件進(jìn)行單因素方差以及最小顯著性差異分析，p取0.05，最后采用Origin2021作圖[19]。

2 結(jié)果分析

2.1 生物炭、蚯蚓對君子蘭生長的影響

BAP、AP、BP、P組90 d君子蘭植株高度變化見圖1。由圖1可知：室內(nèi)培養(yǎng)植株30 d后，BAP組植株生長速度明顯比其他組快，90 d后P組植株平均高(24.51±1.04) cm，BAP組植株平均高(42.50±2.03) cm，比P組高了73.4%；BP組植株平均高(35.47±1.09) cm，比P組高了44.7%；AP組植株平均高(26.87±1.12) cm，比P組高了9.6%。BP組和BAP組相對于P組差異顯著(p<0.05)，AP組相對于P組差異不顯著(p=0.069>0.05)。

圖1 BAP、AP、BP、P組90 d君子蘭植株高度變化

2.2 生物炭以及動(dòng)植物對土壤修復(fù)的影響

2.2.1 生物炭以及動(dòng)植物對紅黏土表層Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

8組不同材料配比對紅黏土表層Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見圖2。由圖2可知：紅黏土表層Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受植株的影響，有植株組紅黏土表層Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布均呈先升高后降低的趨勢，其中BAP組的Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降幅度最大，而沒有植株的實(shí)驗(yàn)組的Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本呈先降低后升高的趨勢，總體下降幅度不大。

圖 2 8組紅黏土表層Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化

2.2.2 生物炭聯(lián)合動(dòng)植物對紅黏土垂向Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

各種方法處理40 d后對紅黏土垂向Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見圖3。

圖 3 處理40 d后各種方法對紅黏土垂向Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖3可知：40 d后各種處理方法紅黏土柱中Cd2+的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所降低，其中3種材料聯(lián)合修復(fù)的效果最好，Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，相對于初始空白組降幅為26.9%；其他組Cd2+總質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅在0.5%～15.9%，其中空白組在0～10 cm處Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低最明顯，相對于初始空白組降幅為56.0%。在0～10 cm處，相對于初始空白組Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)，AP組和B組的修復(fù)效果不顯著(p>0.05)，可能是由于植物剛開始生長，吸收機(jī)制還不完善，其他組的修復(fù)效果都很好；BAP組與P組相比，Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不顯著(p>0.05)，說明在0～10 cm處動(dòng)物與生物炭共同作用的影響不是很大，可能是動(dòng)物還沒有適應(yīng)添加了生物炭的紅黏土酸堿性的變化；與BA組相比，BP組的Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不顯著(p>0.05),可以看出動(dòng)物和植物對生物炭的影響不大，但是其共同作用對生物炭的影響較大。在10～20 cm處，與B組相比，A組的修復(fù)效果不顯著(p>0.05)，說明在10～20 cm處動(dòng)物和生物炭對Cd2+污染土壤的修復(fù)效果相似；與AP組相比，A組和空白組的修復(fù)效果不顯著(p>0.05)，說明前40 d內(nèi)動(dòng)植物在10～20 cm處對Cd2+污染土壤的修復(fù)效果一般。在20～30 cm處，與A組相比，AP組的修復(fù)效果不顯著(p>0.05)，可以看出蚯蚓在20～30 cm處對Cd2+污染土壤的修復(fù)效果較差，可能在前40 d內(nèi)，Cd2+污染土壤的修復(fù)效果與蚯蚓在20～30 cm處對紅黏土的松動(dòng)效果有關(guān)，可能是植物的根系[20]以及蚯蚓尚未達(dá)到20～30 cm深處，所以對Cd2+污染土壤的修復(fù)效果不是很好。

各種處理方法處理90 d后對垂向Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見圖4。

圖4 各種處理方法處理90 d后對垂向Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

對比圖3和圖4可知，90 d 后各種處理方法對Cd2+污染土壤的修復(fù)效果均比40 d時(shí)的好，且BAP組的土壤中加入的生物炭既促進(jìn)了植物對淺層土壤Cd2+的吸收，也促進(jìn)了動(dòng)物在深層土壤中產(chǎn)生分泌物，構(gòu)建了相對完整的生態(tài)系統(tǒng)，所以對Cd2+污染土壤的修復(fù)效果較佳。在0～10、10～20、20～30 cm處，BAP組相對于初始空白組Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化顯著(p<0.05)，可以看出生物炭聯(lián)合動(dòng)植物降低紅黏土土柱中Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效果明顯；相對于BP組，P組、BA組的修復(fù)效果不顯著(p>0.05)，說明植物和動(dòng)物在加入生物炭的基礎(chǔ)上對Cd2+污染的修復(fù)效果相似,這可能是動(dòng)物的分泌物不足以與紅黏土中的Cd2+發(fā)生反應(yīng)，植物單獨(dú)對土壤中的Cd2+吸收不夠強(qiáng)烈，而且可能隨著時(shí)間的推移，植物對淺層的生物炭吸收減少，因此才會(huì)造成P組和BA組在淺層土壤的修復(fù)效果相似；相比A組和P組，AP組對Cd2+污染的修復(fù)效果變差，AP組中層土壤的Cd2+污染的修復(fù)效果較好，可能是隨著植物的生長，蚯蚓對淺層紅黏土的松動(dòng)作用減弱，同時(shí)動(dòng)物在中層生長和植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生競爭，而又沒有外來營養(yǎng)物質(zhì)的補(bǔ)充，所以表層修復(fù)效果和深層修復(fù)效果一般，中層修復(fù)效果較好。植物和動(dòng)物單獨(dú)作用時(shí)土壤中只有根系或者動(dòng)物分泌物對土壤的修復(fù)相對較均勻，各層修復(fù)效果都有減弱，因此整個(gè)土柱Cd2+污染的修復(fù)效果減弱。在10～20 cm處，BAP組相對于BA組的修復(fù)效果顯著(p<0.05)，可以看出隨著時(shí)間的延長，植物在加入蚯蚓和生物炭的基礎(chǔ)上對土壤中層的修復(fù)效果增強(qiáng)；紅黏土深處的Cd2+污染修復(fù)效果相對于40 d時(shí)顯著提高，說明時(shí)間可以促進(jìn)修復(fù)材料對深層土壤中Cd2+污染的修復(fù)。

2.3 生物炭以及動(dòng)植物對土壤pH的影響

各種處理方式下紅黏土pH隨處理時(shí)間的變化見圖5。由圖5可知，由于生物炭偏堿性，所以加入生物炭的實(shí)驗(yàn)組在測量期間紅黏土的pH均在7.0以上，由于植物對土壤pH的影響不大，而蚯蚓會(huì)在紅黏土中分泌酸性的生物酶，因此P組和BA組的pH變化平穩(wěn)。蚯蚓分泌物與植株之間相互作用導(dǎo)致蚯蚓單獨(dú)對土壤pH的影響比蚯蚓和植株一起對土壤pH的影響更明顯。同時(shí)由于生物炭中的羥基被植物吸收，因此蚯蚓分泌的酸性物質(zhì)會(huì)使土壤pH整體快速降至7.0附近。

圖5 各種處理方式下紅黏土pH隨處理時(shí)間的變化

3 結(jié)論

a.植物生長特征：生物炭的添加促進(jìn)了植物生長，而且效果比添加了蚯蚓的實(shí)驗(yàn)組明顯，其中生物炭和蚯蚓共同作用對植物生長的促進(jìn)效果最好；在植物生長周期內(nèi)，生物炭和蚯蚓的添加促進(jìn)了土壤對Cd2+的吸收。

b.聯(lián)合修復(fù)導(dǎo)致的Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂向分布特征：生物炭、蚯蚓單一因素對紅黏土中Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂向影響均比較均勻，但是植株對紅黏土中Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂向影響從表層到底層分布不均勻，且表層的修復(fù)效果比底層的好，隨著時(shí)間的延長，修復(fù)深度越來越大；生物炭以及動(dòng)植物聯(lián)合修復(fù)效果最好，且修復(fù)材料投入的時(shí)間越長，對Cd2+污染土壤的修復(fù)效果越好。

c.聯(lián)合修復(fù)對紅黏土pH的影響特征：生物炭使土壤pH升高，且影響最明顯，動(dòng)植物對土壤pH影響不顯著，生物炭、蚯蚓、君子蘭聯(lián)合修復(fù)對紅黏土pH的影響不大。