黃界潁,徐曉春,陳莉薇,3,周元祥
(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036;3.青海大學(xué)化工學(xué)院,青海 西寧 810016)
安徽省銅陵市位于長(zhǎng)江中下游鐵銅成礦帶,是我國(guó)重要的鐵、銅、硫、金礦集區(qū)。長(zhǎng)期以來(lái),礦山開(kāi)采和礦石選冶積累了大量的尾礦廢渣,其中硫化物礦物的風(fēng)化使尾礦堆/庫(kù)中溶液的重金屬含量升高,并明顯酸化,導(dǎo)致重金屬元素進(jìn)一步活化、釋放并遷移,對(duì)周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生影響,威脅人類(lèi)的生存和健康[1-3]。采礦廢棄地復(fù)墾為農(nóng)業(yè)用地這種利用方式,一方面將采礦廢棄地土壤進(jìn)行了修復(fù),另一方面可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,而且還可以解決耕地量少的問(wèn)題[4]。但是,由于金屬礦尾砂重金屬污染可能造成食物鏈中毒,對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成明顯的威脅,還可加重重金屬的流失,引起地表水和地下水的污染[5-7],所以尾礦礦砂需要經(jīng)過(guò)治理才能利用。采用螯合劑改變植物對(duì)重金屬元素的吸收能力,成為一種常用手段,許多學(xué)者做了大量的研究[8-9]。利用新型材料聚丙烯酰胺(PAM),是人工改良土壤、提高肥力的一條新途徑[10],它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用近年來(lái)逐漸被人們接受并發(fā)展起來(lái),但是尚未見(jiàn)PAM對(duì)抑制植物重金屬元素吸收的報(bào)道。因此,加入丙烯酰胺(PAM)和乙二胺四乙酸(EDTA)改良尾砂,研究種植蔬菜后重金屬在尾砂-植物界面的遷移規(guī)律及基質(zhì)理化性質(zhì)的變化,對(duì)重金屬污染治理及采礦廢棄地的復(fù)墾利用等具有重要意義。
尾砂采自銅陵市有色金屬集團(tuán)公司尾礦;供試土壤為紅壤;供試有機(jī)質(zhì)采自合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院附近小區(qū)生活污水排水溝,為溝中底泥;供試蔬菜為小白菜,品種為白葉四月慢,購(gòu)于合肥豐樂(lè)種子蔬菜公司。尾砂和紅壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 尾砂和紅壤的基本理化性質(zhì)
乙二胺四乙酸(EDTA)(滬試,AR);聚丙烯酰胺(PAM)(滬試,AR)。
盆栽試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)基質(zhì)為2種,分別進(jìn)行3種處理,3次重復(fù),試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。
表2 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)
改良劑按照20 mL/盆加入。用上下口徑分別為22 cm、16 cm,高20 cm的塑料缽,每缽裝試驗(yàn)基質(zhì)4.0 kg。按NH4NO30.439 g/kg土,KH2PO40.339 g/kg土施入底肥。肥料與土樣混勻后于4月30日栽種,每盆定苗10株,常規(guī)管理。待成熟時(shí)(生長(zhǎng)期50 d)收割,測(cè)定小白菜重金屬含量。
試驗(yàn)蔬菜收獲、研磨后,交安徽省地礦測(cè)試中心進(jìn)行重金屬含量分析測(cè)定;基質(zhì)采用酸度計(jì)法(土液比1∶2)測(cè)定pH值,顯微鏡觀察結(jié)構(gòu)。
土壤pH值是影響植物吸收重金屬的一個(gè)重要因子,不僅決定了各種土壤礦物的溶解度,而且影響土壤溶液中各種離子在固相上的吸附程度。隨著土壤溶液pH值升高,各種重金屬元素在土壤固相上的吸附量和吸附能力逐漸加強(qiáng)[13]。由表3可知,本試驗(yàn)中,不同處理的各基質(zhì)pH值均介于7~8之間,各處理沒(méi)有造成基質(zhì)之間酸堿度的根本性變化。而且,加入PAM和EDTA的處理之間pH值差異不顯著??梢?jiàn),施用1‰PAM和0.03 mol/L EDTA對(duì)土壤pH值的影響不會(huì)很明顯,可以認(rèn)為以尾砂為主的試驗(yàn)基質(zhì)是不利于重金屬元素遷移的。
表3 不同處理對(duì)基質(zhì)pH值的影響
由表4可知,采用新鮮尾砂直接施用有機(jī)質(zhì)種植蔬菜,蔬菜中僅Zn的含量能夠滿(mǎn)足《中國(guó)蔬菜食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求(Pb≤1.0 mg/kg,Cu≤10 mg/kg,Zn≤20 mg/kg),但是Cu、Pb的含量已嚴(yán)重超標(biāo),分別為標(biāo)準(zhǔn)上限的4.89倍和1.38倍,很顯然新鮮尾砂種植的葉菜類(lèi)不宜食用,即在尾砂庫(kù)復(fù)墾中不宜選用葉菜類(lèi)蔬菜。添加土壤改良尾砂后對(duì)植物吸收重金屬有明顯的抑制作用,處理4的Zn、Cu和Pb含量均與處理1差異達(dá)顯著水平,其中以Cu變化最為明顯,處理4的Cu含量比處理1下降了76.71%;加入EDTA和PAM后可以進(jìn)一步降低蔬菜中的重金屬含量:在加入PAM的處理2、5中,小白菜重金屬含量均有明顯下降,處理2中Zn含量平均下降33.53%,Cu含量平均下降了26.97%,Pb含量平均下降了47.06%;配土處理(處理5)中Zn、Cu和Pb含量降幅分別達(dá)到了30.17%、31.56%和66.28%;這說(shuō)明基質(zhì)中加入PAM明顯抑制葉類(lèi)植物對(duì)重金屬的吸收。而加入EDTA的處理3、6中,小白菜中僅Zn、Pb含量明顯下降,但是Cu含量卻明顯上升;可見(jiàn)EDTA的加入,可以有效抑制小白菜對(duì)Zn、Pb的吸收,但是增強(qiáng)了對(duì)Cu的吸收作用。這可能與EDTA對(duì)土壤Cu有很強(qiáng)的溶解釋放能力有關(guān),外加EDTA顯著降低紅壤對(duì)Cu的吸附率,促進(jìn)了植物對(duì)Cu的吸收。在配土和不配土的各處理中,小白菜吸收Z(yǔ)n、Cu和Pb的規(guī)律各不相同,可能與Zn、Cu和Pb的離子屬性有關(guān)。
表4 不同處理對(duì)小白菜重金屬含量的影響
近年來(lái),在重金屬污染土壤中添加絡(luò)合劑的研究中,關(guān)于絡(luò)合劑對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤保水性等的影響方面研究很少。此次工作我們用16×4倍的顯微鏡在干、濕兩種狀態(tài)下對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。
處理1的土壤樣品在干燥狀態(tài)下尾砂顆粒分散,潤(rùn)濕后,顆粒間的重疊削弱,顆粒排列緊密,沒(méi)有明顯的集結(jié)體。
對(duì)于加入PAM的處理2樣品,潤(rùn)濕狀態(tài)下有部分顆粒集結(jié)在一起呈小集團(tuán)狀,而且,剛配制的樣品因未受補(bǔ)給水的淋洗,鏡檢結(jié)果更明顯,顆粒間的水并不是均勻分布的,這應(yīng)該與PAM是一種粘性物質(zhì)有關(guān)。
相比之下,加入EDTA的處理3樣品,不管是干態(tài)還是潮濕狀態(tài),顆粒仍是分散的,顆粒間沒(méi)有明顯的粘結(jié)。
由圖4~6可知,加入紅壤后,不管是參照樣,還是加入PAM、EDTA的樣品,均能觀察到紅壤顆粒將尾砂顆粒粘結(jié)在一起。在濕態(tài)下,處理4土壤的顆粒仍較為分散,分布均勻;處理5土壤觀察到有集結(jié)體,且大多由細(xì)小顆粒集結(jié)而成;處理6土壤也觀察到有集結(jié)體,表觀與處理5樣類(lèi)同。
相比較而言,PAM粘結(jié)土壤顆粒較EDTA明顯,所以,在不影響土壤其他性質(zhì)的情況下,加入類(lèi)似PAM有粘性的絡(luò)合劑,對(duì)土壤結(jié)構(gòu)變化有一定的促進(jìn)作用,而且PAM能明顯提高土壤的保水、保肥性能。不同基質(zhì)中都存在有機(jī)物粘結(jié)尾砂顆粒的現(xiàn)象,但不是十分明顯。配土的處理中顆粒黏結(jié)體較多,明顯在尾砂中加入適量的紅壤能改善砂粒過(guò)于分散的狀態(tài),結(jié)合PAM的使用可大幅度提高改良后尾砂的保水保肥性能,對(duì)加快尾砂改良具有重要意義。
(1)不同處理的各基質(zhì)pH值均介于7~8之間,各處理沒(méi)有造成基質(zhì)間酸堿度的根本性變化。
(2)添加土壤改良尾砂后對(duì)植物吸收重金屬有明顯的抑制作用,加入EDTA和PAM后可以進(jìn)一步降低蔬菜中的重金屬含量。
(3)適量加入紅壤和PAM,對(duì)尾砂結(jié)構(gòu)變化有一定促進(jìn)作用,且PAM的使用濃度低、量小,總體費(fèi)用較低,不失為一種有效、經(jīng)濟(jì)的尾礦庫(kù)尾砂治理方法。
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