粉煤灰和污泥对石灰岩质土壤重金属迁移及生物有效性的影响

粉煤灰和污泥对石灰岩质土壤重金属迁移及生物有效性的影响

为了对碳有机废物进行回收和处理，尽可能优化土壤的物理、化学和生物性质，采用一定数量的固体残渣进行改良土壤。已成为国内外研究的热点。但其农用是否会对植物产生重金属毒害作用或通过食物链而影响人类健康,仍是人们所关注的问题,且由于植物生长特性及遗传特性的不同,不同的作物对土壤重金属的吸收、富集具有显著的差异性,利用作物对土壤污染元素不同富集特性有选择地种植作物也有待进一步深入研究。河北省鹿泉市石灰岩矿山因开采历史较长,矿区生态环境十分恶劣,遗留大面积的石灰岩质退化土壤,存在多处引发泥石流、塌陷等灾害的隐患。其质地粘重、板结龟裂,营养不均及蓄水、持水性能差等特点给该矿区的植被恢复和生态环境改善造成了一定的困难。如能将附近固体废弃物尤其是多种废弃物通过科学配比对矿区退化土壤进行改良或重建,以实现生态(植被)修复,将具有重要的生态环境意义和经济价值。本实验将粉煤灰和污泥以1∶1的重量比混合并进行初步熟化堆置,旨在通过充分发挥二者的综合改土作用,探讨该混合物改良重建石灰岩质土壤的可行性,为固体废弃物在石灰岩矿区复垦中的应用提供可行性依据,实现社会效益、经济效益、资源效益和生态效益的和谐统一。1学习方法1.1试验用土壤条件试验用粉煤灰(Flyash,简称FA)取自河北鹿泉高井电厂储灰池,污泥(Sewagesludge,简称SS)取自二街排污水库,试验用石灰岩质土壤取自鹿泉市石灰岩矿山开采后废弃的土、石混合物。粉煤灰、污泥以及石灰岩质土壤的理化性质见表1。1.2学习方法1.2.1人工土壤的配制根据所用材料的理化特性(表1),并通过理论拟合以及固体废弃物改良经验,先将粉煤灰和污泥按1∶1重量比混合并搅拌均匀,进行堆肥化预处理,以实现粉煤灰污泥充分熟化反应。然后,该混合物与土壤分别以1∶1和1∶2重量比混合配成两种人工土壤,编号分别为L11、L12,每处理各五次重复。设石灰岩质土壤对照样,编号L01,三次重复。不同配比的土壤等体积装盆,每盆种植三粒玉米种籽(种籽下种前经浸泡崔芽)。玉米出苗一周后进行间苗,每盆保留一株玉米,30d收获。盆栽期间定期等量浇水,并监测玉米的株高和株径。1.2.2植株的预处理取盆栽后新鲜土壤,剔除所有的杂质异物,经自然风干后,用玛瑙研钵磨至160目以下,密封备用。玉米植株分别采用自来水和去离子水冲洗干净,地上部和根系分离,并在55～60℃下经72h烘干。烘干的茎叶、根系再用植物粉碎机分别粉碎、过筛。1.2.3玉米中重金属含量测定土壤中的Cr、Pb、Cu、Zn、Ni采用MEHLICH-III溶液萃取、ICP-AES测定;Hg、As采用原子荧光光谱(AFS)测定;Cd采用王水法、石墨炉原子吸收光谱(GFAAS)测定。从每种土壤上种植的玉米中随机抽取三株进行根部和地上部分重金属含量测定,其中Cr、Pb、Cu、Zn、Ni采用微波消解、ICP-MS测定。Hg、As、Cd同上。消化和检测过程中加入NATA标准玉米粉检测分析质量。2结果与讨论2.1玉米生长情况的变化植物生长状况的好坏是土壤理化性质和养分状况是否适合植物生长的综合表现。从对玉米的株高和株径进行跟踪测试和动态分析的结果显示(见表2,图1、图2),随生长期,各处理玉米的株高和株径差异越来越显著。说明随着玉米的生长,养分需要量增加,对照土的养分供应不足,对玉米生长的影响越来越大。而施用粉煤灰污泥混合物的所有处理,特别以1∶1重量比添加的高用量处理,养分供应充足,能够显著促进玉米的生长,这也从侧面反映了粉煤灰污泥混合物中的养分具有缓慢释放的效果。2.2对土壤重金属含量的影响粉煤灰污泥混合物、各改良土壤重金属含量见表3。由表3可知,相对于石灰岩质土壤对照样(L01),粉煤灰污泥混合物中除As含量较低以外,其他元素含量均偏高,尤其锌的含量高达410.4mg/kg,不过所有元素的含量均远远低于国家农控标准。相应地,所有添加粉煤灰污泥混合物后的石灰岩质土壤(L11、L12),重金属含量也均显著高于对照。根据国家土壤一级质量标准和二级质量标准pH值大于7.5的标准(GB15618ue001￣1995),L11和L12中,Hg、Cd、Zn的含量介于我国土壤环境一级标准限值和二级标准限值之间,其它元素含量均低于一级标准限值,改良后的两种土壤均符合国家二级土壤质量标准。2.3粉煤灰污泥混合物对hg及cd、as含量的影响以不同配比添加粉煤灰污泥混合物的土壤农用是否会导致环境污染或对人类健康产生危害,更重要体现在玉米各器官中重金属的富集状况。本实验对改良后两种土壤上生长玉米的根部和地上部分中的毒性较大的元素Hg、As、Cd的含量进行了重点分析(表4)。由表4可知,在不同施用量处理的土壤上生长的玉米中,根部Hg的含量明显高于对照,Cd略高于对照,这是因为粉煤灰污泥混合物中这些元素本身含量较高(表3),另一方面,由前面的研究可知,粉煤灰污泥添加剂有助于协调改良石灰岩质土的粒度(质地)特征、容重、孔隙状况等物理性质,增加了土壤的通气透水性,而对于大部分金属元素来说,与质地粘重的土壤相比,在颗粒较粗的土壤里具有较大的活性;此外,添加该混合物后石灰岩质土壤的pH降低,使有效Hg和Cd的含量进一步增加所致。而As的含量则基本相反,一是因为粉煤灰污泥混合物中这些元素本身含量较低(表3),此外与As自身的性质相关。在土壤中,As可被铁、铝和钙沉淀为难溶性砷酸盐,极大多数处于闭蓄状态,不易释放,导致水溶性砷和交换性砷极低,且As的活性与pH增大正相关,添加该混合物后石灰岩质土壤的pH降低,进一步影响了As的活性所致。从玉米地上部分重金属的含量可以看出,Hg与对照差别不显著,As和Cd两元素的含量均明显低于对照,且试验过程中未出现植物中毒现象,重金属含量均低于其毒害浓度。2.4cd与其它植物的聚合成分的关系重金属富集系数可以用来表征土壤-植物体系内重金属迁移的难易程度和其生物有效性。由表5可以看出,所有玉米根部和地上部分重金属的富集系数大小均表现为:Cd>Hg>As。这与Sims(1991)和孙力(2006)的研究结果相一致,虽然Cd在土壤及植物中的含量都不是最高,但Cd的富集系数最大,说明与其它元素相比,该元素更容易从土壤中进入植物体内,且在植物体内具有较高的生物有效性。与对照样相比,除L11根部Cd的富集系数略大于对照外,其它所有富集系数均小于对照,说明,粉煤灰污泥混合物的加入未提高重金属从土壤中向植物迁移的能力和其生物有效性,也未导致重金属在玉米体内的相对富集。2.5不同施用量对玉米元素运输能力的影响重金属元素在植物体内的迁移程度通常用S/R表示。S/R比值是植物地上部分重金属含量与根部重金属含量的比值,比值越大,说明植物在体内运输重金属的能力越强。由表5得知,同一处理,玉米对不同重金属表现出了不同的运输能力:As>Cd>Hg,且在不同施用量处理的土壤上生长的玉米,元素As表现出了较强的运输能力,其中对照L01中As的S/R比值高达1.45。该现象一方面与玉米本身对类金属元素As具有较强的吸收性和耐受性有关;另外可能与L01对照土pH值达8.35密切相关,因为当pH大于8.00以上时,土壤中交换性砷含量最高,促进了玉米对砷元素的吸收。处理L11之所以表现出比L12较强的运输能力,与粉煤灰污泥添加剂改善了土壤的通气透水性,从而使土壤中能够被植物吸收的有效态As含量增加有关。而L11和L12中Hg和Cd的S/R比值均小于0.5,表明二者在其体内运输的能力不强,而在对照L01中依然表现出较强的运输能力。3改良土和土重金属含量与土1)向石灰岩质土壤中添加合适比例的粉煤灰污泥混合物,能显著促进玉米的生长,其养分具有缓慢释放的效果。2)以不同配比添加粉煤灰污泥混合物后,所有重金属含量略有增加,尤其Hg、Cd、Zn,改良土的环境质量可达II级标准。L11玉米根部As含量略低于对照组外,其它均高于对照,而地上部分则