冀北花岗岩地区坡积-冲洪积型污染耕地土壤治理比较研究

Comparative study on soil remediation of slope-alluvial contaminated arable land in granite areas, northern Hebei Province

摘要

土壤是农业生态系统重要的组成部分,耕地土壤重金属污染会影响农产品质量安全。本研究选取冀北花岗岩地区坡积物母质区和冲洪积物母质区的弱酸性农田土壤为研究对象,依托钝化修复和植物提取(玉米和龙葵为植物修复材料)两种修复技术,探究了不同成土母质类型和修复技术对耕地土壤重金属的修复效果影响。研究结果表明:(1)坡积物和冲洪积物母质区土壤的有机质、速效钾、有效磷和pH值存在显著差异,坡积物母质区土壤pH显著低于冲洪积物母质区土壤,两区成土母质均具有较高的Pb背景值;(2)钝化修复后,冲洪积物母质区玉米籽粒Cd和Pb含量显著降低,玉米籽粒增产19.10%~33.00%,较坡积物母质区显示出更好的修复效果;(3)坡积物母质区采用龙葵和玉米间作模式,植物修复每年每公顷中提取Cd、Pb和Cu分别为167.25、208.35和555.05 g,Cd、Pb和Cu的去除率分别为2.727%、0.043%和0.234%,较冲洪积物母质区显示出更好的修复效果;(4)龙葵和玉米的间作模式优于单一种植模式,间作可以提高土壤中重金属的生物可利用性和植物吸收效率;(5)制定土壤污染修复策略时,需考虑土壤特性、成土母质及不同农作物的影响,选用合适的修复技术和种植模式。本研究可为地质异常区域农田土壤安全利用与修复提供参考依据。

关键词

坡积 / 冲洪积 / 重金属 / 土壤污染 / 钝化修复 / 植物修复

Key words

slope deposits / alluvial deposits / heavy metals / soil contamination / passivation remediation / phytoremediation

0 引言

作为物质循环、能量传递的主要介质,土壤在维持生态平衡、支持农业^[1]和促进人类社会发展方面都起着不可或缺的作用^[2]。迄今为止,影响耕地土壤环境质量的主要污染物是重金属^[3],重金属污染具有残留期长、不可逆、转移量小、毒性大、隐蔽性和化学性质复杂等特点,对农产品质量、人类健康造成威胁。耕地土壤重金属污染一般由工业废弃物排放、交通尾气^[4]、大气沉降、污水灌溉、化肥和农药^[5]的广泛使用等人类活动造成。土壤性质、地形地貌^[6]和成土母质等自然因素^[7]也对土壤环境质量产生影响。总体而言,污染耕地土壤的重金属来源复杂^[8-9],其迁移和积累过程也受到多种参数的影响。国内外对耕地土壤重金属污染修复研究主要围绕修复技术、修复材料、重金属来源、迁移转化和分布等内容开展^[10-11],较少针对地形地貌^[12]、土壤特性、成土母质类型^[13]影响下的重金属污染治理效果开展研究。植物修复具有成本低和无二次污染的特点,钝化修复^[14]具有成本低、修复效率高的特点。玉米对重金属的吸收累积主要在其茎和叶中^[15],龙葵对多种重金属具有较强的转运能力^[16]。

本研究选取冀北花岗岩地区坡积地、冲洪积地弱酸性棕壤为研究区,依托钝化修复和植物修复两种修复技术,以玉米和龙葵为修复表征材料,对比分析坡积物、冲洪积物两种成土母质条件下,不同修复技术的修复效果,以期为耕地土壤重金属污染治理提供更加系统的地学解决方案。

1 研究区概况

研究区位于冀北宽城满族自治县铧尖乡,属暖温带大陆性季风气候;区域内花岗岩分布广泛,种类较多,基、中、酸、酸偏碱性均有,金属矿产资源丰富。耕地主要分布在牛心河沿岸两侧的缓坡和河谷地带,以棕壤为主,主栽农作物为玉米和谷子。在铧尖乡牛心河沿岸布设两个受污染耕地修复试验区(见图1),坡积物母质区位于牛心河上游牛心山村东侧的河流一级阶地处,地块土壤主要由邻近山体坡积物形成,面积为9.80 hm²。冲洪积物母质区位于牛心河下游河滩地,地块土壤主要由牛心河冲洪积和围河造田形成,面积为4.67 hm²。两个修复试验区沿河距离约2.5 km,本次试验研究0~20 cm深度的耕作层土壤。

2 材料与方法

2.1 实验设计

依据试验区土壤Cu、Cd和Pb含量状况,将中度污染地块设置为钝化修复处理,轻度污染地块设置为植物修复处理,同时设置对照处理。钝化修复处理施加由15%生石灰、30%沸石、40%生物炭、10%蒙脱石和5%腐殖酸复配的钝化剂,投加量为6 000 kg/hm²;分别在坡积物母质区和冲洪积物母质区种植玉米7.13和3 hm²。植物修复处理在坡积物母质区混合播种玉米和龙葵1.33 hm²,冲洪积物母质区种植龙葵0.67 hm²。

2.2 研究方法

(1)土壤样品采集及预处理。采用梅花点法采集混合样,每个采样区设置5个分点,采集不少于1 kg深度为0~20 cm的耕作层土壤,各分点土壤混匀后按四分法进行缩分,作为供试土壤样品。每0.2 hm²设置一个采样区,将采集的土样风干、研磨、过100目尼龙筛。

(2)根际土采集及预处理。利用抖根法采集玉米和龙葵的根际土壤,将其混合作为采样区的混合根际土壤样品,每0.2 hm²设置一个采样区,前处理方法同上。

(3)植物样品采集及预处理。分别采集成熟后的玉米、龙葵植株样品,每个采样区随机采集3株玉米和3株龙葵植株样品作为本采样区的混合植物样品,每0.2 hm²设置一个采样区;将采集的玉米和龙葵植株用自来水清洗干净后,再用去离子水冲洗杂物和泥土,然后在105 ℃烘箱杀青、70 ℃烘干至恒质量,经破碎后过100目筛。

(4)土壤样品pH值和成分含量测定。将土壤样品与去离子水按1∶2.5的比例混合,振荡30 min,待溶液澄清后用pH计(PB-10,sartourus,德国)测定pH值。采用石墨炉原子吸收分光光度法^[17]测定土壤Cd和Pb含量,采用火焰原子吸收分光光度法测定土壤Cu含量^[18]。根据中国农业行业标准^[19⇓-21]和林业行业标准^[22]测定土壤的有机质、有效磷、速效钾和总氮含量。使用原子吸收法^[23]测定土壤重金属有效态含量。

(5)植物样品重金属含量测定。称取过100目筛的玉米或龙葵植株样品0.250 g,加入10 mL硝酸溶液,放入电热消解仪,采用ICP-MS(ICAP Q,Thermo,美国)测定待测液中Cd的含量。玉米籽粒和龙葵籽粒重金属测试采用《食品安全国家标准 食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)方法。

(6)植物修复重金属提取量与去除率计算公式。重金属提取量=单位面积植物生物量(干重)×浓度;

重金属去除率= \frac{\mathrm{单}\mathrm{株}\mathrm{植}\mathrm{物}\mathrm{生}\mathrm{物}\mathrm{量}\left(\mathrm{干}\mathrm{重}\right)\times \mathrm{每}\mathrm{公}\mathrm{顷}\mathrm{种}\mathrm{植}\mathrm{数}\mathrm{量}\times \mathrm{植}\mathrm{物}\mathrm{重}\mathrm{金}\mathrm{属}\mathrm{含}\mathrm{量}}{\mathrm{修}\mathrm{复}\mathrm{前}\mathrm{土}\mathrm{壤}\mathrm{中}\mathrm{重}\mathrm{金}\mathrm{属}\mathrm{含}\mathrm{量}\times \mathrm{每}\mathrm{公}\mathrm{顷}\mathrm{耕}\mathrm{作}\mathrm{层}\mathrm{土}\mathrm{壤}\mathrm{质}\mathrm{量}+\mathrm{植}\mathrm{物}\mathrm{提}\mathrm{取}\mathrm{重}\mathrm{金}\mathrm{属}}×100%

2.3 数据分析

采用EXCEL2007、Graph Pad Prism 9.5数据分析和绘图软件,利用单因素法进行方差分析和多重比较分析。

3 结果与分析

3.1 成土母质对土壤化学性质的影响

3.1.1 土壤pH及重金属含量

成土母质是由地表岩石经历风化过程形成的松散风化物,它是土壤生成的基本初始物质,同时也是植物的矿物营养元素(氮除外)的初级来源^[24]。研究区所在位置地质结构较为特殊,属地质异常区域,侵入岩花岗岩风化易形成弱酸性土壤,含有大量云母类矿物、伊利石和不同水化程度氧化铁混合物,呈团粒状胶结。其成土母质可划分为第四系松散残坡积物母质和冲洪积物母质。由图2可知,坡积物母质区土壤pH为5.17,显著低于冲洪积物区土壤pH (6.70),这与前人的研究结果相一致^[25]。坡积物母质区土壤Pb的地球化学背景值显著高于冲洪积物母质区土壤,含量分别为133.30和69.40 mg/kg;两区土壤Cd和Cu的地球化学背景值无显著差异,这是因为与Cd和Cu相比,Pb具有更强的迁移性,坡积物母质区周边风化山体受到雨水冲刷等风化作用后,Pb更容易迁移到土壤中。

3.1.2 土壤养分含量

由图3可知,坡积物母质区土壤有机质、有效磷和速效钾背景值含量分别是23 950、100.30和53.90 mg/kg,冲洪积物母质区土壤有机质、有效磷和速效钾背景值含量分别是11 630、59.23和5.27 mg/kg,坡积物母质区土壤有机质、有效磷和速效钾含量均显著高于冲洪积物母质区土壤;两区土壤总氮背景值含量差异不显著,整体上坡积物母质区土壤肥力状况较冲洪积物母质区好。这表明花岗岩风化物直接发育的土壤各类养分含量最为均衡,而河流冲积物发育的土壤中的养分含量则次之^[26]。坡积土形成于较稳定的坡地环境,有机物质(如落叶、植物残体等)可以在表层土壤中持续积累,周边强风化山体的风化物可能不断成为新的土壤母质;此类区域较少受到剧烈的水流冲刷,养分物质不易被水流带走。冲洪积土经常受到水流的冲刷,有机质等土壤养分较难积累;同时由于冲洪积土区域水流作用强烈,土壤经常遭受侵蚀,表层肥沃土壤可能被冲走,降低了土壤的有机质含量。

3.2 成土母质对钝化修复效果的影响

3.2.1 玉米籽粒重金属含量

由图4可知,钝化修复后玉米籽粒重金属含量均符合国家标准,坡积物母质区玉米籽粒Cd含量显著高于冲洪积物母质区,含量分别为0.011 3、0.005 1 mg/kg;玉米籽粒Pb和Cu含量差异不显著。由图5可知,与未修复土壤相比,坡积物母质区玉米籽粒Pb含量显著降低,降低了51.30%;冲洪积物母质区玉米籽粒Cd和Pb含量显著降低,分别降低了70.90%和42.30%;其他重金属含量均无显著变化。这说明钝化修复对冲洪积物母质区土壤中重金属在植物中的转移干预作用更明显,这可能有两方面原因:一是冲洪积物母质区土壤pH高于坡积物母质区,在pH较高的土壤中,重金属离子更容易形成不溶性化合物,降低其生物可利用性^[27];二是坡积物母质区土壤重金属含量高于冲洪积物母质区土壤,在相同钝化剂用量条件下,钝化效果有差异性^[28]。

3.2.2 土壤养分含量

试验结果表明,坡积物母质区和冲洪积物母质区钝化修复前后土壤pH值无明显变化(t检验,p>0.05)。由图6可知,钝化修复后,坡积物母质区土壤有机质和有效磷含量仍显著高于冲洪积物母质区,两区速效钾和总氮含量差异不显著,与图3钝化修复前土壤各养分背景值含量差异性特征基本一致。由图7可知,与未修复土壤相比,土壤钝化修复后各土壤养分含量在统计学水平上无显著变化,钝化修复对土壤养分的影响不大。

3.2.3 玉米籽粒产量

由表1可知,冲洪积物母质区土壤钝化修复后玉米增产率(19.10%~33.00%)高于坡积物母质区(6.80%~19.40%),这是由于冲洪积物母质区土壤经过钝化修复后,重金属对作物的影响显著降低,从而提高了作物产量。结合图6可知,坡积物母质区土壤养分含量更高,但玉米增产率相对较低,这说明该区域土壤重金属污染程度是玉米生长的关键限制因子,单一提高土壤肥力并不一定能显著提高作物产量。

3.3 成土母质对植物修复效果的影响

3.3.1 重金属提取效果

试验结果表明,植物修复前后土壤pH值无明显变化(t检验,p>0.05),钝化修复后玉米籽粒重金属含量均符合国家标准。由表2可知,坡积物母质区龙葵的Cd、Pb和Cu提取量分别为103.20、138.60和259.50 g/(a·hm²),去除率分别为1.68%、0.03%和0.11%;冲洪积物母质区龙葵的Cd、Pb和Cu提取量分别为95.40、153.30和205.35 g/(a·hm²),去除率分别为1.58%、0.04%和0.07%。两区土壤种植龙葵的重金属提取量和去除率无显著差异,说明成土母质类型对植物修复的效果影响较小。然而,需要注意的是,在植物修复过程中,坡积物母质区采取了龙葵和玉米的间作模式,冲洪积物母质区则使用了单一的龙葵种植模式,除Pb以外,两区其他重金属土壤背景值相似。而表2显示,间作模式下植物对Cd、Pb和Cu的总提取量和去除率都优于单一种植模式,这是由于玉米和龙葵间作受到种间竞争的影响^[29],玉米为竞争养分而分泌更多的根际分泌物,该根际分泌物可降低根际土壤pH,提高重金属的生物有效性^[30],然后龙葵将被活化的重金属转运到植株地上部分,同时在重金属离子的胁迫下,龙葵能够产生多种吸收和转运重金属的生理化机制。这说明龙葵和玉米间作模式不仅能有效提取重金属,而且能实现农产品达标,从而实现修复过程中农产品的安全利用。因此,对于土壤Cd、Pb和Cu含量较高的耕地,建议优先考虑龙葵和玉米间作的种植模式。

3.3.2 土壤养分含量

由图8可知,植物修复后,坡积物母质区土壤有机质和有效磷含量(25.25和70.95 mg/kg)仍显著高于冲洪积物母质区土壤(14.60和2.63 mg/kg),两区土壤速效钾和总氮含量差异不显著。由图9可知,与未修复相比,冲洪积物母质区土壤有效磷含量显著降低,坡积物母质区土壤有效磷含量也呈现出相似的下降趋势,这可能是因为冲洪积母质区土壤全部种植龙葵,龙葵在吸收和转运重金属时需要合成较多的磷酸盐,为促进更多磷酸盐合成,龙葵通过根际从土壤中吸收大量的有效磷,以支持其生长和代谢活动^[31]。两区土壤其他养分含量均无显著变化,总体而言,植物修复对土壤养分含量的影响较小。

3.4 成土母质对土壤修复技术选择的影响

总体来看,钝化修复和植物修复后,尽管坡积物母质区和冲洪积物母质区土壤中各养分含量均呈现增加的趋势(除植物修复后的有效磷外),但均无显著影响,亦不影响作物产量。另外,由于冲洪积物母质区土壤经过钝化修复后玉米籽粒重金属含量显著降低,玉米产量显著提高,总体修复效果优于坡积物母质区土壤,因此冲洪积物母质类型土壤更适宜采用钝化修复技术。坡积物母质区土壤经过植物修复后,植物的重金属提取量和去除率均高于冲洪积物母质区,总体修复效果优于冲洪积物母质区土壤,因此坡积物母质类型土壤更适宜采用植物修复技术。

4 总结与展望

介绍不同母质类型的土壤pH、重金属及养分的情况及差异。在坡积物母质区,土壤的有机质和有效磷含量显著高于冲洪积物母质区,这可能归因于坡积物母质区较少受到水流冲刷和侵蚀,有利于有机质和营养元素的积累。

不同成土母质类型对土壤修复效果和土壤肥力有显著影响。钝化修复后,冲洪积物母质区的土壤重金属含量显著降低,玉米产量显著提高,显示出较坡积物母质区更优的修复效果,这可能是由于冲洪积物母质区土壤pH较高,有助于钝化剂与重金属离子结合,提高钝化效果。因此,冲洪积物母质类型土壤更适宜采用钝化修复技术。在植物修复方面,坡积物母质区通过间作模式实现了重金属提取和去除,其中龙葵和玉米间作模式对Cd、Pb和Cu的总提取量和去除率优于单一种植模式。总体而言,坡积物母质区土壤更适宜采用植物修复技术,以提高重金属的提取量和去除率。

因此,综合分析结果表明,不同成土母质和修复技术对土壤性质和重金属污染修复效果有明显影响。在制定修复策略时,应充分考虑土壤特性和成土母质以及不同农作物对修复效果的影响,以确保较高的重金属去除率并实现农产品的安全。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2019YFC1805001)