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重金屬污染耕地安全利用鈍化材料作用機(jī)制及效果研究進(jìn)展

2023-05-23 12:55胡含秀周曉天張慧敏鮑廣靈曹遲胡宏祥馬友華
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年8期
關(guān)鍵詞:遷移性耕地

胡含秀 周曉天 張慧敏 鮑廣靈 曹遲 胡宏祥 馬友華

摘要:對(duì)鈍化材料修復(fù)耕地土壤重金屬污染的機(jī)理,及其在耕地中對(duì)土壤環(huán)境、植物影響、鈍化作用期等安全利用效果進(jìn)行了綜述。鈍化材料包括無(wú)機(jī)類(lèi)、有機(jī)類(lèi)、復(fù)合材料、新型鈍化材料,鈍化修復(fù)主要通過(guò)離子交換、吸附、沉淀、絡(luò)合等作用降低土壤中重金屬的生物有效性及遷移性。輕中度重金屬污染耕地宜采用成本低、施用量少的石灰類(lèi)、有機(jī)肥、農(nóng)作物秸稈等材料,在受污染較重的耕地宜采用硅酸類(lèi)、含磷材料、金屬及其氧化物類(lèi)、生物質(zhì)炭、復(fù)合材料及新型鈍化材料,液體材料宜采取葉面噴施減少施用量。為保證長(zhǎng)期的環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益,鈍化材料的選取應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)馗赝寥览砘再|(zhì)及土壤重金屬背景值,建議合理配比有機(jī)類(lèi)及無(wú)機(jī)類(lèi)材料增強(qiáng)其作用性能,完善鈍化材料用量標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)應(yīng)研究、開(kāi)發(fā)重金屬種類(lèi)和土壤條件針對(duì)性更強(qiáng)的鈍化材料、與農(nóng)業(yè)投入品相結(jié)合的鈍化劑(如修復(fù)肥料等),加強(qiáng)鈍化材料與農(nóng)藝、生物措施結(jié)合的技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一耕地安全利用。

關(guān)鍵詞:土壤重金屬;污染修復(fù);耕地;鈍化材料;安全利用;生物有效性;遷移性

中圖分類(lèi)號(hào):X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1002-1302(2023)08-0026-08

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號(hào):2018YFD0800203);安徽省科技重大攻關(guān)項(xiàng)目(編號(hào):17030701053)。

作者簡(jiǎn)介:胡含秀(1997—),女,安徽長(zhǎng)豐人,碩士,主要從事土壤重金屬修復(fù)研究。E-mail:464529592@qq.com。

通信作者:馬友華,博士,教授,主要從事土壤重金屬修復(fù)和農(nóng)業(yè)面源污染研究。E-mail:yhma@ahau.edu.cn。

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ),隨著科技的高速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)造成的大氣粉塵、污廢水以及農(nóng)用投入品的濫用導(dǎo)致我國(guó)耕地土壤重金屬污染問(wèn)題日趨嚴(yán)峻,危及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[1]。受污染耕地的安全利用是當(dāng)今重金屬污染耕地的治理方向,對(duì)環(huán)境資源的有效利用、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)的深入研究和農(nóng)藝學(xué)的推廣都起到重要提升作用。目前,治理耕地土壤重金屬污染主要采取農(nóng)藝調(diào)控、原位鈍化修復(fù)、植物萃取移除等措施,以降低土壤重金屬在農(nóng)田環(huán)境中生物有效性及遷移性[2-7],通過(guò)施用鈍化材料等土壤調(diào)理劑修復(fù)受污染耕地在治理重金屬污染領(lǐng)域最具有效性及推廣性[8-9]。運(yùn)用原位鈍化修復(fù),在降低植物中重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)積累的同時(shí),對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)也起到了良好的穩(wěn)定作用,提高了土壤肥力,該方法操作簡(jiǎn)單、見(jiàn)效快[10-11]。不同鈍化材料的潛在機(jī)制存在差異,導(dǎo)致鈍化效果不同,探究各類(lèi)鈍化材料機(jī)制及效果,是合理選擇鈍化材料的關(guān)鍵[12]。本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外耕地土壤重金屬污染鈍化材料安全利用機(jī)制及其效果作一綜述,以期為重金屬污染耕地土壤安全利用提供參考。

1 耕地安全利用效果評(píng)估

鈍化材料施入耕地土壤后由其自身性質(zhì)決定其固定土壤重金屬的機(jī)制及效果,對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效果主要以土壤環(huán)境、植物影響和鈍化作用期等3個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估[13-14]。

1.1 土壤環(huán)境評(píng)估

我國(guó)農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量劃分以該地土壤重金屬全量值與相應(yīng)的國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值及風(fēng)險(xiǎn)管控值進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估,但是能夠被植物直接吸收的是土壤重金屬有效態(tài)含量[5,15-16],土壤經(jīng)鈍化處理后通常不改變其重金屬全量值,重金屬有效態(tài)的降低程度是判斷鈍化修復(fù)效果的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[17],另一方面,伴隨鈍化材料施用引入的其他物質(zhì),是否污染土壤,是否改變土壤質(zhì)地,同樣是評(píng)估鈍化材料修復(fù)效果的重要指標(biāo)[18-19]。

1.2 植物影響評(píng)估

耕地土壤污染修復(fù)與農(nóng)產(chǎn)品安全關(guān)系密切,其核心在于使重金屬污染耕地生長(zhǎng)出質(zhì)量安全的農(nóng)作物,針對(duì)水稻、小麥等主要糧食作物及蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物經(jīng)鈍化材料處理后,能夠使其種植土壤重金屬含量符合GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》。另一方面,鈍化材料對(duì)植物生長(zhǎng)的影響也是生物影響評(píng)估的重要因素,由NY/T 3343—2018《耕地污染治理效果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》可知,經(jīng)鈍化材料處理后農(nóng)作物產(chǎn)量較前期耕地污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估產(chǎn)量增產(chǎn)或略有減產(chǎn)(≤10%),即滿(mǎn)足受污染耕地安全利用的產(chǎn)量要求[20]。

1.3 鈍化作用期評(píng)估

重金屬鈍化材料在土壤中可以產(chǎn)生作用的時(shí)間,稱(chēng)為重金屬鈍化作用期,反映了鈍化材料產(chǎn)生作用的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)考察鈍化劑的作用期時(shí),常采用田間試驗(yàn)或盆栽試驗(yàn),施用鈍化材料一段時(shí)間后,取測(cè)定土壤重金屬各形態(tài)含量,比較其有效態(tài)含量占比是否與剛施用后比例接近;或測(cè)定試驗(yàn)田植株重金屬含量是否仍處于較低水平;也有在采用熱老化等試驗(yàn)方法測(cè)定鈍化材料的老化期,以預(yù)估其在土壤中的鈍化作用期,考察鈍化材料的鈍化作用期是評(píng)價(jià)其鈍化效果重要的內(nèi)容之一[21-25]。

2 鈍化材料修復(fù)耕地土壤重金屬機(jī)理與效果

目前,常見(jiàn)的原位鈍化材料主要包括無(wú)機(jī)類(lèi)、有機(jī)類(lèi)、無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合類(lèi)以及近年來(lái)出現(xiàn)的新型納米材料。其中,無(wú)機(jī)類(lèi)材料主要包括含磷材料、石灰類(lèi)材料、硅酸類(lèi)材料、金屬及其氧化類(lèi)材料,有機(jī)類(lèi)材料主要包括農(nóng)作物秸稈、有機(jī)肥、生物質(zhì)炭,無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料主要為無(wú)機(jī)與有機(jī)鈍化材料以一定的配比組成的復(fù)合材料,新型鈍化材料主要包括納米材料、介孔材料、功能膜材料和植物多酚物質(zhì)等[26]。

2.1 無(wú)機(jī)類(lèi)鈍化材料

2.1.1 含磷材料

常見(jiàn)的含磷材料包括磷酸、鈣鎂磷肥、磷灰石等[27-28]。含磷材料提升了土壤pH值,磷酸根離子與重金屬發(fā)生吸附沉淀作用,形成絡(luò)合物或磷酸鹽沉淀,同時(shí)重金屬離子與含磷礦物晶格中的陽(yáng)離子發(fā)生同晶置換被固定,也可以在礦物表面發(fā)生靜電吸附和共沉淀作用被固定,另一方面通過(guò)釋磷作用提高土壤養(yǎng)分含量,從而綜合降低土壤重金屬生物有效性[29]。鈣鎂磷肥中磷酸根離子可與鎘、鉛離子結(jié)合生成磷酸鹽沉淀,屠乃美等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈣鎂磷肥可有效降低土壤中有效態(tài)鎘、鉛含量[30]。方雅莉等用羥基磷灰石修復(fù)了鉛含量為500 mg/kg土壤,發(fā)現(xiàn)降低鉛的弱酸可溶態(tài)和可還原態(tài)含量,可將殘?jiān)鼞B(tài)比例由0.94%提升至13.14%[31]。含磷材料對(duì)土壤中的鉛有很好的鈍化作用,鉛與磷形成了極穩(wěn)定的磷氯鉛礦、羥基磷鉛礦、氟磷鉛礦,這些沉淀物的溶解度小,降低了植物對(duì)鉛的吸收[32-33]。含磷材料對(duì)鉛的鈍化效果受土壤條件的影響,當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí),有機(jī)質(zhì)易擋在氯磷鉛石種晶的表面,抑制氯磷鉛石的繼續(xù)形成,并且土壤中可溶性有機(jī)配體(氨基酸、胡敏酸等)會(huì)加強(qiáng)磷酸鉛鹽的溶解作用[34],含磷材料在改善重金屬污染時(shí)也會(huì)造成負(fù)面影響,部分含磷材料中重金屬本底值較高,過(guò)量施用易使土壤重金屬總量及有效態(tài)含量增加,且易溶性磷在土壤中存在過(guò)度會(huì)導(dǎo)致有效態(tài)磷流失,造成附近水體富營(yíng)養(yǎng)化[27,35]。

2.1.2 石灰類(lèi)材料

常見(jiàn)的石灰類(lèi)物質(zhì)包括石灰、氫氧化鈣、鈣鎂氧化物、碳酸鹽礦物、碳酸鈣鎂礦物、白云石、方解石等[36-37]。石灰類(lèi)鈍化材料的施用,對(duì)土壤最直接的反應(yīng)是增大土壤pH值,產(chǎn)生大量的OH-,促進(jìn)土壤膠體和黏粒對(duì)重金屬的吸附,同時(shí)與土壤中鎘、砷、銅、鋅、汞等金屬陽(yáng)離子生成沉淀,石灰中含有的鈣離子會(huì)與金屬離子發(fā)生同晶替代作用,并且這種作用對(duì)原子半徑與鈣相近的鎘更顯著,在一定程度上可降低植物對(duì)重金屬的吸收量[38]。張振興等盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)于水稻不同生育期以1.5 t/hm2的施用量施用生石灰可以降低土壤中有效態(tài)鎘含量50%左右,降低根部鎘含量29%~34%,降低糙米鎘含量22%~56%[39]。謝運(yùn)河等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石灰的施用可以阻控鎘從玉米莖部向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)[40]。雖然石灰類(lèi)鈍化材料可以有效提升土壤pH值,但是因?yàn)橥寥谰彌_作用及石灰自身礦化作用,土壤pH值會(huì)隨著時(shí)間的推移緩慢地下降,相關(guān)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石灰對(duì)重金屬的鈍化作用期在酸性的土壤中一般持續(xù)1年半左右,鈍化作用期后可繼續(xù)施加石灰來(lái)維持土壤重金屬的鈍化狀態(tài)[21]。同時(shí),過(guò)量施用石灰類(lèi)鈍化材料也會(huì)給土質(zhì)帶來(lái)負(fù)面影響,引起土壤中有機(jī)質(zhì)的過(guò)快分解,易在表土層下形成碳酸鈣及氫氧化鈣膠結(jié)物的沉淀層,甚至引起土壤被過(guò)度石灰化,導(dǎo)致土壤中重金屬離子濃度長(zhǎng)期保持高位[41]。石灰的長(zhǎng)期施用還會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),對(duì)土著微生物的豐度及其群落結(jié)構(gòu)會(huì)造成負(fù)面影響,易導(dǎo)致土壤板結(jié)及養(yǎng)分流失[22],導(dǎo)致土壤中微量元素的缺乏[42-43]。

2.1.3 硅酸類(lèi)材料

常見(jiàn)的硅酸類(lèi)鈍化材料包括海泡石、坡縷石、高嶺石、蒙脫石、膨潤(rùn)土等[44]。硅酸鹽呈堿性,與土壤作用后可形成大量的氫氧根離子及硅酸根離子,與銅、鎘、鉛、鋅等重金屬陽(yáng)離子形成沉淀物,且硅酸鹽物質(zhì)表面疏松多孔,易對(duì)重金屬形成表面吸附。我國(guó)土壤普遍缺硅,硅的施用可以提升水稻、玉米等作物產(chǎn)量,降低其根莖部位重金屬含量,并抑制土壤重金屬對(duì)其生長(zhǎng)造成的負(fù)面影響[45]。硅酸鹽還可以極大地促進(jìn)土壤殘?jiān)鼞B(tài)重金屬的生成,因?yàn)闅堅(jiān)鼞B(tài)重金屬通常存在于硅酸鹽、原生及次生礦物等土壤晶格之中[46]。Liang等發(fā)現(xiàn)海泡石和坡縷石混合施用通過(guò)絡(luò)合與沉淀作用使重金屬鎘形成不溶性的沉淀物[47]。Wang等研究發(fā)現(xiàn)施加硅肥處理后的水稻幼苗生物量顯著增加[48]。Abad-Valle等研究表明,5%海泡石降低土壤中可溶態(tài)鎘、鋅、鉛60%~70%[49]。硅酸鹽在修復(fù)耕地重金屬污染時(shí),存在成本高、施用量大、效果維持時(shí)間短等問(wèn)題[50],不利于推廣及長(zhǎng)期使用,但是經(jīng)模板法或水熱法對(duì)硅酸鹽材料進(jìn)行改性制備的介孔硅酸材料具有高穩(wěn)定性及吸附能力,可再生,其吸附能力超出未經(jīng)改性的硅酸鹽材料6倍左右[51]。

2.1.4 金屬及其氧化物類(lèi)

常見(jiàn)的金屬及工業(yè)上產(chǎn)生的金屬氧化物廢渣可以作為土壤重金屬修復(fù)鈍化材料,包括零價(jià)鐵、鋼渣、赤泥、爐渣、針鐵礦、硫酸亞鐵、赤鐵礦、水鈉錳礦等[52-53]。鐵、錳、鋁等金屬氧化物是兩性氧化物,有很多吸附位點(diǎn),對(duì)土壤重金屬固定效果強(qiáng),可通過(guò)專(zhuān)性吸附、共沉淀以及形成絡(luò)合物,與土壤重金屬形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[54]。林志靈等研究發(fā)現(xiàn)鋁鎂氧化物表面可結(jié)合砷形成單齒單核結(jié)構(gòu)的復(fù)合物,鐵鋁氧化物可結(jié)合砷形成雙齒雙核結(jié)構(gòu)的復(fù)合物[55]。赤泥的化學(xué)成分穩(wěn)定,且比表面積大、吸附性能好,主要通過(guò)化學(xué)吸附使重金屬進(jìn)入鐵鋁礦物的晶格內(nèi)并形成穩(wěn)定復(fù)合物,從而降低污染物的遷移性和生物有效性[56]。劉昭兵等通過(guò)小區(qū)試驗(yàn)研究表明,赤泥可通過(guò)鈣離子與鎘競(jìng)爭(zhēng)水稻根部表面的吸附位點(diǎn)降低水稻中鎘含量[57],同時(shí)赤泥可為植物提供鉀、鈣、鎂等營(yíng)養(yǎng)元素,有助于植物生長(zhǎng)發(fā)育[58]。但是赤泥單獨(dú)過(guò)量施用易使土壤板結(jié),并引入鐳、釷等放射性微量元素[59]。鋼渣由硅、鈣、磷、鎂、硫等元素構(gòu)成,通過(guò)提高土壤pH值來(lái)沉淀土壤重金屬,鄧騰灝博等的大田試驗(yàn)結(jié)果顯示鋼渣的施用有效地抑制了重金屬在水稻地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)[60]。但是鋼渣的比表面積、單位質(zhì)量物料總面積和單位質(zhì)量多孔固體細(xì)孔總?cè)莘e均較小,對(duì)重金屬離子的吸附作用有限[61],可通過(guò)施用適量的磷酸鹽增大鋼渣的孔體積和比表面積,促進(jìn)其對(duì)重金屬的吸附[62]。

2.2 有機(jī)類(lèi)鈍化材料

2.2.1 農(nóng)作物秸稈

常見(jiàn)的農(nóng)作物水稻、小麥、玉米、蔬菜等的秸稈均可用作土壤鈍化材料進(jìn)行還田,農(nóng)作物秸稈富含氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素及有機(jī)質(zhì),其還田不僅可以增肥增產(chǎn)、改良土質(zhì),還能與土壤重金屬發(fā)生拮抗作用,含有的有機(jī)質(zhì)能與重金屬發(fā)生絡(luò)合作用,降低重金屬的活性[63]。Karlsson等研究發(fā)現(xiàn)麥稈、稻草等秸稈還田顯著減少了土壤有效態(tài)鎘含量[24]。賈樂(lè)等研究發(fā)現(xiàn)玉米、菜豆等秸稈還田可以降低白菜莖葉中的鎘含量[64]。有研究表明,油菜秸稈中含有的有機(jī)官能團(tuán),如氫硫基等,易與重金屬反應(yīng)生成絡(luò)合物[65]。紫云英施入耕地后有效降低了土壤有效態(tài)銅、有效態(tài)鎘含量,并減少了稻草和谷粒中銅、鎘含量[66]。秸稈還田對(duì)土壤的影響通常體現(xiàn)在農(nóng)作物種植的1季到2季,時(shí)間通常為3~6個(gè)月[24]。若還田的秸稈重金屬本底值高,可進(jìn)行發(fā)酵處理及陳化處理,適當(dāng)?shù)亟档推渲兄亟饘俦镜字岛螅龠M(jìn)行還田處理[67-68]。

2.2.2 有機(jī)肥

一般供重金屬污染土壤鈍化修復(fù)的有機(jī)肥主要為有機(jī)肥、城市污泥、腐殖酸等幾種類(lèi)型。有機(jī)肥富含氮、磷、鉀等植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素,不僅可以改良土壤,為植物提供養(yǎng)分,同時(shí)可以作用于重金屬在土壤中的分布形態(tài),產(chǎn)生鈍化效果,有機(jī)肥施用可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,有機(jī)質(zhì)中的含氧功能基可以對(duì)重金屬產(chǎn)生靜電吸附;尤其是腐殖酸,具有的羥基和酚羥基是其主要的重金屬絡(luò)合配位基,可固定土壤中多種重金屬,形成難溶性金屬-有機(jī)絡(luò)合物[69]。Li等研究發(fā)現(xiàn)添加豬糞在耕地土壤中,可使土壤有效銅、鎘含量顯著降低[66]。劉秀春等室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,生物有機(jī)肥對(duì)鎘、鉛等重金屬都具有較強(qiáng)的吸附固定能力[70]。有機(jī)肥中腐殖質(zhì)的礦化過(guò)程可以持續(xù)2年左右[21],具有較長(zhǎng)的鈍化作用期,但是大量施用有機(jī)肥,引入腐殖酸,易加劇重金屬污染;腐殖酸在修復(fù)耕地重金屬污染時(shí)存在雙面性,既會(huì)通過(guò)表面官能團(tuán)與重金屬結(jié)合以鈍化重金屬,也會(huì)增加速效磷含量,活化土壤中重金屬[71]。

2.2.3 生物質(zhì)炭

生物炭是指生物質(zhì)在缺氧的條件下低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的固體物質(zhì),呈堿性,具有多孔性狀,比表面積大,表面存在各種有機(jī)官能團(tuán),如羧基、酚羥基、羰基、內(nèi)酯基等,通過(guò)吸附、絡(luò)合或反應(yīng)形成碳酸鹽沉淀物來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的鈍化[72-73]。戚鑫等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在鎘重度污染土壤中,添加生物炭通過(guò)提高土壤pH值可顯著降低土壤有效態(tài)鎘含量[74]。張慶泉等試驗(yàn)表明,2%的椰殼生物炭對(duì)耕地土壤有效態(tài)鎘的鈍化率達(dá)99.08%,并保持有效態(tài)鎘低含量持續(xù)時(shí)間超250 d[75]。生物質(zhì)炭作為土壤鈍化材料可以有效地修復(fù)耕地鎘、鉛污染,降低農(nóng)作物中鎘、鉛積累量[76-77]。但是相關(guān)研究表明,生物炭添加到砷污染的土壤中會(huì)增加孔隙水中的砷濃度,提高砷在土壤中的移動(dòng)性[78-79]。

2.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料是受污染耕地土壤修復(fù)利用的研究發(fā)展方向[5]。通常,無(wú)機(jī)材料養(yǎng)分含量低,單獨(dú)施用易造成土壤板結(jié)、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞,而有機(jī)材料可以補(bǔ)充土壤腐殖酸,同時(shí)也在一定程度上與重金屬發(fā)生絡(luò)合作用,固定土壤重金屬。Kumpiene等發(fā)現(xiàn)粉煤灰加泥炭的施用能夠降低土壤重金屬浸出率,粉煤灰提升了土壤pH值,而泥炭則提供了天然有機(jī)質(zhì),有機(jī)質(zhì)的增加提高了土壤對(duì)銅、鎘、鉛的固定,試驗(yàn)地土壤施用鈍化材料后,金屬浸出率低,種子萌芽率提高,植物筍中的金屬積累量減少,對(duì)植物和細(xì)菌的毒性降低[80]。楊蘭等發(fā)現(xiàn)牛糞與海泡石、石灰、鈣鎂磷肥復(fù)配可以顯著降低土壤中可交換態(tài)鎘含量[81]。無(wú)機(jī)與有機(jī)鈍化材料復(fù)配處理可以強(qiáng)化土壤重金屬鈍化效果,增加修復(fù)的長(zhǎng)效性,延長(zhǎng)鈍化材料的修復(fù)周期性[82]。

2.4 新型鈍化材料

目前市面上應(yīng)用比較廣泛的的新型鈍化材料為納米鈍化材料,常見(jiàn)的包括:納米零價(jià)鐵、納米羥基磷灰石、納米磷酸鈣、納米沸石、納米坡縷石、納米二氧化硅及多孔陶瓷納米材料。以天然黏土合成的納米材料,不僅具有黏土的結(jié)構(gòu)性質(zhì),并且粒徑小、比表面積大、反應(yīng)活性強(qiáng),較低施用量即可達(dá)到較好的修復(fù)效果[83]。納米零價(jià)鐵能夠改善土壤結(jié)構(gòu),可用來(lái)修復(fù)鎘、鉻、鋅、砷等相關(guān)重金屬污染[84],尤其對(duì)于修復(fù)鉻具有極強(qiáng)的作用力,它可以將六價(jià)鉻還原成毒性較小的三價(jià)鉻,形成三價(jià)鉻沉淀[85]。有研究發(fā)現(xiàn),8 g/kg生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵施用于土壤15 d后,未檢出六價(jià)鉻[86]。納米羥基磷灰石,顯著減少土壤有效態(tài)重金屬含量[87],利用X射線衍射儀(XRD)和X射線光電子能譜儀(XPS)發(fā)現(xiàn)納米級(jí)羥基磷灰石可以對(duì)鎘和鋅產(chǎn)生表面絡(luò)合和內(nèi)擴(kuò)散,并能夠與鉛形成沉淀物[88]。與普通沸石相比,納米沸石既能提升大白菜生物量,也能顯著降低土壤可交換態(tài)鎘含量及大白菜中的鎘含量[89]。

2.5 不同鈍化材料安全利用效果比較

含磷材料中鈣鎂磷肥對(duì)糙米鎘降低率可達(dá)65%以上[30];石灰類(lèi)材料目前在中輕度重金屬污染耕地使用率最高,對(duì)糙米鎘降低率達(dá)45%左右,對(duì)小麥可達(dá)70%[90-92];硅肥對(duì)糙米鎘降低率為32.76%,因其成本高、施用量大,常采用植物葉面噴施阻斷重金屬的吸收,以低濃度硅肥噴施量對(duì)糙米鎘含量降低率可到達(dá)到57%[93];鋼渣對(duì)糙米鎘降低率可高達(dá)63.8%[60];豬糞有機(jī)肥對(duì)稻米鎘降低率達(dá)37.5%[94];生物炭施用成本高,作用效果穩(wěn)定且時(shí)效長(zhǎng),在重度重金屬污染耕地上可以產(chǎn)生較佳的生態(tài)效益及經(jīng)濟(jì)效應(yīng),可降低稻米中鎘含量75%[95];以上材料在相應(yīng)環(huán)境施用后均可使籽粒鎘含量低于國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)產(chǎn)量的影響方面,鈣鎂磷肥可使水稻增產(chǎn)10%[30];石灰采用750 kg/hm2用量時(shí)促進(jìn)水稻增產(chǎn),采用1 500 kg/hm2用量促進(jìn)小麥增產(chǎn)[95];鋼渣對(duì)水稻產(chǎn)量的增幅達(dá)25.6%[60],農(nóng)作物秸稈還田對(duì)春玉米產(chǎn)量提升幅度為5.19%~5.89%,硅肥可以顯著增加9.7%的水稻產(chǎn)量[96]。

3 耕地安全利用效果影響因素

鈍化材料因其特殊的理化性質(zhì)與土壤重金屬發(fā)生作用??傮w上,土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、鈍化材料的施入量及濃度、鈍化材料作用時(shí)間等為鈍化材料安全利用效果的主要影響因素。

3.1 土壤pH值

土壤pH值與土壤中重金屬的賦存形態(tài)、吸附沉淀、遷移轉(zhuǎn)運(yùn)以及生物有效性密切相關(guān)[89-90],土壤pH值是影響鈍化材料對(duì)耕地土壤重金屬的鈍化效果的重要因素,也是控制重金屬穩(wěn)定的關(guān)鍵。絕大多數(shù)鈍化材料施入耕地土壤中,可以對(duì)耕地的土壤pH值實(shí)現(xiàn)提升,鎘、鉛、銅、鋅等重金屬在土壤pH值提升時(shí)與鈍化材料的吸附結(jié)合更緊密,當(dāng)土壤pH值上升時(shí),砷的鈍化效果下降[14,96-98]。

3.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量

土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖物質(zhì)可以與土壤中有效態(tài)重金屬產(chǎn)生螯合、絡(luò)合作用[99],這是土壤中有機(jī)類(lèi)鈍化材料產(chǎn)生鈍化效應(yīng)的重要原因。有機(jī)質(zhì)中的可溶性有機(jī)物(DOM),包含了富里酸和胡敏酸,具有大量的負(fù)電荷,對(duì)重金屬陽(yáng)離子的吸附性極高。同時(shí)土壤中有機(jī)質(zhì)含量若過(guò)量,會(huì)造成重金屬的活化,激活土壤中有效態(tài)重金屬[100-101]。

3.3 鈍化材料施入量及濃度

鈍化材料施入濃度過(guò)低,易導(dǎo)致鈍化材料沒(méi)有發(fā)揮相應(yīng)的鈍化效應(yīng)或鈍化作用時(shí)間短,若施入濃度過(guò)高,易影響土壤原有結(jié)構(gòu),引入其他污染源,造成二次污染,通常鈍化材料具有能夠保障其最大程度發(fā)揮鈍化效應(yīng)的最適施入濃度[102]。褚艷春等通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)堆肥施加量超過(guò) 0.1 kg/kg 時(shí)青菜發(fā)芽率受到抑制;當(dāng)施加量低于 0.2 kg/kg 時(shí),對(duì)重金屬的鈍化效果弱;施加量為0.1 kg/kg時(shí),促進(jìn)青菜生長(zhǎng)且抑制其地上部重金屬積累,通過(guò)地上部Cd含量為0.1 mg/kg,Pb含量為 1.1 mg/kg[103]。

3.4 鈍化材料作用時(shí)間

鈍化材料的作用時(shí)間直接影響受污染耕地安全利用效果,由于自身的理化性質(zhì)及其與土壤重金屬鈍化機(jī)理的不同,各種材料鈍化作用持續(xù)時(shí)間存在差異。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在重度污染土壤上,油菜、蔥、蒜苗等秸稈干粉末及赤泥在施入土壤2~4周后開(kāi)始產(chǎn)生降低土壤可交換態(tài)重金屬的效果,油菜、蒜苗新鮮秸稈、羥基磷灰石、磷礦粉、沸石、赤泥及改性沸石、赤泥等在16周內(nèi)各時(shí)間段內(nèi)鈍化效果基本保持一致[12]。石灰類(lèi)鈍化材料的鈍化效果通常可以維持1季到2季作物;含磷材料對(duì)重金屬有較強(qiáng)的吸附沉淀能力,鈍化效果通??梢跃S持3~4年。經(jīng)相關(guān)文獻(xiàn)及筆者開(kāi)展的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),含磷材料在施入后對(duì)種植的第1季作物土壤的鈍化效果最顯著;硅酸鹽材料的鈍化作用時(shí)間較短,通常在1季作物土壤中的鈍化效果最明顯,經(jīng)高溫或化學(xué)改性的硅酸鹽材料延長(zhǎng)其鈍化時(shí)間;金屬及其氧化類(lèi)鈍化材料由于其孔體積及其比表面積吸收量有限,經(jīng)改性可以延長(zhǎng)鈍化作用時(shí)間;有機(jī)肥、作物秸稈、生物炭等肥效長(zhǎng),在2季內(nèi)均有穩(wěn)定的鈍化效果,將有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料復(fù)配可以大幅度提高土壤鈍化效果的長(zhǎng)效性;生物炭鈍化能力穩(wěn)定,鈍化作用時(shí)期為7周至3年;納米材料雖鈍化能力顯著,但是時(shí)效短,通常在2個(gè)月左右[21-22,24-25,51,84]。

4 展望

輕中度重金屬污染耕地推薦采用成本低、施用量少的石灰類(lèi)、有機(jī)肥、農(nóng)作物秸稈等材料,在受污染較重的耕地推薦采用硅酸類(lèi)、含磷材料、金屬及其氧化物類(lèi)、生物質(zhì)炭、復(fù)合材料及新型鈍化材料,液體材料可考慮采取葉面噴施減少施用量,為保證長(zhǎng)期的環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益,鈍化材料應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)馗赝寥览砘再|(zhì)和重金屬背景值來(lái)選擇。

部分地區(qū)耕地土壤存在復(fù)合污染,針對(duì)不同重金屬及不同土壤理化性質(zhì)適用性最佳的鈍化材料不同,為保障我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和滿(mǎn)足土壤鈍化材料市場(chǎng)需求,應(yīng)根據(jù)鈍化材料自身性質(zhì)及鈍化作用機(jī)理,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)針對(duì)性強(qiáng)的受污染耕地土壤重金屬鈍化材料,提升鈍化材料對(duì)不同重金屬及土壤環(huán)境的作用效果及其作用的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

推廣綜合使用無(wú)機(jī)鈍化材料、有機(jī)鈍化材料、新型鈍化材料及復(fù)合肥,進(jìn)行合理配比,形成高效價(jià)廉的修復(fù)肥料,在保障鈍化效果的前提下,盡可能降低其成本,提高經(jīng)濟(jì)收入,維護(hù)糧農(nóng)切身利益,保障社會(huì)和諧穩(wěn)定。

加強(qiáng)鈍化材料與農(nóng)業(yè)技術(shù)措施及生物措施的有效結(jié)合,提升作用效果,以達(dá)到受污染耕地的安全利用。

完善鈍化材料施用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)不同的土壤性質(zhì)明確用量,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)耕地土壤投入品的監(jiān)測(cè)和管理,規(guī)范相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)受污染耕地土壤重金屬鈍化材料及其原料中多種重金屬的標(biāo)準(zhǔn)限量值,保障正常施用不會(huì)給土壤帶來(lái)二次污染。

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