土壤重金属污染钝化修复研究进展

如何有效治理和修复重金属污染土壤,保障粮食安全成为农业和环境生态领域的研究热点。在优质耕地资源短缺与粮食生产需求的突出矛盾背景下,原位钝化技术被认为是解决土壤重金属污染修复治理的切实可行,且能保证作物安全生产的修复措施。文章从钝化剂种类、钝化修复技术应用中存在的问题等方面综述了重金属污染土壤钝化修复研究的现状,分析了影响土壤重金属钝化修复效果的因素,并对未来重金属污染土壤的钝化修复研究思路提出了建议,以期为科学、合理、高效使用钝化剂和钝化修复技术提供理论指导,实现受污染耕地的安全利用。

基于WOS的重金属污染土壤钝化修复研究文献计量分析

土壤重金属污染是危害性极大的全球性环境问题,钝化修复是治理污染土壤较为实用的绿色经济策略之一。为分析土壤重金属污染钝化修复研究现状,基于Web of Science核心合集数据库,采用文献计量学方法对2000—2021年土壤重金属钝化研究论文相关数据进行可视化分析。结果表明,在2000—2021年全球土壤重金属钝化领域的发文数量整体呈上升趋势,Environmental Science and Pollution Research、Chemosphere、Journal of Hazadous Materials以及Science of the Total Environment等杂志刊发该领域的研究内容较多,国家级基金等是土壤重金属钝化研究领域的主要资助来源。关键词聚类分析显示,镉污染修复是重金属钝化修复领域较受重视的问题之一,中国科学院、中国农业科学院农业农村部环境保护科研监测所以及中国科学院大学等单位是土壤重金属钝化研究领域的代表性机构。未来的研究应着重于钝化材料修复污染土壤的机理,可同时修复多种重金属的新型钝化材料筛选,以及结合重金属低积累品种或栽培措施等方面,提高修复效果,降低修复成本。

富里酸改性FeMnNi-LDH对砷镉污染土壤的钝化修复

选用腐殖质活性组分富里酸(FA)作为铁锰镍层状双氢氧化物(FeMnNi-LDH)的修饰物,采用共沉淀法制备出稳定层状FA@FeMnNi-LDH复合材料,并运用于As(Ⅲ)和Cd(Ⅱ)复合污染土壤的钝化修复.通过小白菜盆栽实验研究了在不同砷镉复合污染水平及不同初始土壤pH值条件下,复合材料对土壤As(Ⅲ)和Cd(Ⅱ)的钝化效果、各形态含量变化及对小白菜根部和地上部As(Ⅲ)和Cd(Ⅱ)转运、富集系数的影响,并进行相关性分析.结果表明,FA@FeMnNi-LDH复合材料对As和Cd具有显著的同步钝化效果.当复合材料添加量由0%增加到1.0%,促进了土壤非专性吸附态和结晶铁铝氧化物结合态As向专性吸附态、无定型铁铝氧化物结合态和残渣态As转化,土壤可交换态Cd主要向残渣态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态Cd转化;土壤初始pH对As和Cd的钝化效果影响明显,酸性和中性土壤的pH分别增加了1.65和0.64个pH单位,土壤有效态As的降低率分别达到69.74%和63.31%,有效态Cd的降低率分别为60.25%和61.78%;小白菜的鲜重和株高随复合材料添加量的增加而提高,并且复合材料添加量的增加降低了小白菜各部位对As和Cd的转运和富集系数,使小白菜地上部As、Cd的浓度均低于国家食品安全标准限值.相关性分析显示,非专性吸附态As、可交换态Cd与土壤pH值呈极显著负相关性,残渣态As和Cd与土壤pH呈现极显著正相关,小白菜地上部分和根部中As和Cd的含量与土壤残渣态As和Cd呈极显著负相关关系.FA@FeMnNi-LDH复合材料能提高土壤pH值,促进土壤As和Cd向残渣态的转化,从而降低土壤As和Cd生物有效性和在小白菜植株中的累积,为土壤中As(Ⅲ)和Cd(Ⅱ)复合污染的同步修复提供了新的参考.

人工合成钝化剂原位钝化修复镉污染土壤的试验研究

开展盆栽试验,在高含量、中含量与低含量的镉污染土壤中分别加入不同剂量的人工合成钝化剂(巯基改性黏土、硅钙肥、钙镁磷肥),然后种植油菜,待油菜成熟后采集茎叶样品测定镉含量。根据油菜茎叶镉含量检测结果,3种钝化剂对镉污染土壤的综合修复效果排序为:巯基改性黏土>硅钙肥>钙镁磷肥。巯基改性黏土的钝化阻控率最高,能有效地阻止镉向油菜体内迁移。

凹凸棒石-双交联水凝胶微球钝化修复镉污染土壤研究

为研究凹凸棒石-双交联水凝胶微球(SA/PVA/ATP)对镉污染土壤钝化修复的效果,将SA/PVA/ATP添加到镉浓度为3.72 mg/kg的土壤中进行淹水培育,采用模拟酸雨、二乙烯三胺五乙酸(DTPA)和三乙醇胺(TEA)混合提取剂(DTPA提取剂)提取土壤有效态镉;采用欧共体标准局顺序提取方法(BCR)提取土壤中不同形态镉;讨论了SA/PVA/ATP添加量、土壤有效态镉和各形态镉的相关性;计算了钝化容量、修复效率和重金属风险评价指数,探究了SA/PVA/ATP对土壤镉的钝化机理。结果显示,随着SA/PVA/ATP的增加,DTPA提取剂和酸雨提取的有效态镉含量分别从1.72 mg/kg和0.024 mg/kg下降到0.66 mg/kg和0.0044 mg/kg;土壤中的弱酸可提取态镉和可还原态镉含量分别从1.40 mg/kg和0.81 mg/kg下降到1.01 mg/kg和0.41 mg/kg,而可氧化态镉和残渣态镉含量分别从0.86 mg/kg和0.63 mg/kg增加到0.95 mg/kg和1.27 mg/kg。材料添加量与土壤中有效态镉、弱酸提取态镉和可还原态镉含量呈极显著负相关,与可氧化态镉和残渣态镉含量呈极显著正相关;SA/PVA/ATP添加量为2.0%时,钝化容量最大为19.15 mg/kg,修复效率最高为34.89%,土壤环境由高风险降至中风险。SA/PVA/ATP将土壤中镉的弱酸提取态和可还原态逐渐转化为可氧化态和残渣态,降低了镉的生物有效性,实现了镉污染土壤的钝化修复。

重金属污染土壤化学钝化修复材料研究进展

土壤重金属污染严重威胁着人类的健康和生存环境。一直以来,由于土壤重金属污染的潜伏性、滞后性和复杂性,使之成为环境治理的重大挑战。在诸多土壤重金属污染修复治理技术中,化学钝化修复技术无疑是具有极大研究价值和实际应用价值的修复治理技术手段之一。本文综述了近些年来各类无机、有机、无机-有机复合以及新型化学钝化修复材料的研究进展,为进一步发展重金属土壤污染治理领域化学钝化修复材料的研究提供参考。

湘阴县重金属污染耕地水稻钝化修复技术研究

耕地重金属污染是影响国计民生的重要问题。本文以湘阴县重金属污染耕地为研究对象,参考前人土壤修复方面成果,提出了“矿物改性复合钝化—二次阻隔—增值修复”技术思路。选取蒙脱石等4种黏土矿物按不同比例混合,细磨(-400目)—超细磨(-600目)配制出2种矿物改性复合钝化剂,采取以本次配制的2种矿物改性复合钝化剂为主,平行开展11种钝化处理,通过小区试验与大田示范同步进行。经验证,本次研制的改性复合钝化剂2+石灰+硅肥组合(GXFH-2+SH+SI)修复技术,能有效削减重金属污染耕地稻米Cd含量,并能有效增加稻米中有益元素Se含量,是一种成本低、效果好、操作简便的重金属污染耕地钝化修复技术,可推广应用。

生物炭组配膨润土对铬污染土壤原位钝化修复效果

选取生物炭、生物炭组配膨润土,通过工业遗留场地现场修复和调控试验,研究两种钝化材料对重金属Cr污染土壤的重金属形态变化的影响。结果表明:生物炭、生物炭组配膨润土两种处理对TCLP提取态Cr的降低率分别为77.73%和95.40%,两种钝化剂均有效抑制了Cr在土壤中的溶解和迁移。生物炭和膨润土组配使用的钝化效果优于生物炭,显示了不同钝化作用机理间的有效协同。

羟基磷灰石改性烟草秸秆生物炭钝化修复土壤镉、铜污染

以烟草秸秆为材料,在高温限氧条件下制备成生物炭(BC),同时将纳米羟基磷灰石(nHAP)负载到烟草秸秆生物质表面,制成纳米羟基磷灰石改性生物炭(HBC),通过多种表征手段探究了生物炭改性前后官能团的变化,并研究了BC和HBC对土壤中重金属镉、铜的钝化效果。结果表明,经纳米羟基磷灰石改性的烟草秸秆生物炭,能显著增加其表面磷基、羧基等含氧官能团的数量。将这2种生物炭分别以1%、2%和3%的比例投加到污染土壤中对土壤进行钝化修复,修复后土壤中Cd和Cu有效态含量降低幅度均分别达30%、40%以上,且Cd和Cu有效态含量降低幅度均随生物炭投加量的增加而增加。纳米羟基磷灰石改性烟草秸秆生物炭可以有效钝化土壤中的Cd和Cu,其中对HBC-3%土样的钝化效果最好。本研究结果可为烟草秸秆的高效利用提供新方法,为磷酸盐修复土壤材料的开发提供参考。

广西刁江流域Cd和Pb复合污染稻田土壤的钝化修复

采用田间小区试验,研究施用海泡石、石灰和磷酸盐对广西刁江流域Cd和Pb复合污染稻田土壤的钝化修复效应,并通过土壤重金属形态分析探讨不同钝化剂的作用机理。结果表明,添加钝化剂可显著提高稻谷和秸秆产量,最大增产率分别可达25.4%和28.3%,其中海泡石与磷酸盐复配处理增产效果最佳。施用钝化剂可以有效降低水稻各部位重金属含量,水稻糙米Cd和Pb含量最大降幅可达65.12%和61.86%;钝化剂复配处理对水稻地上部Cd和Pb含量的降低效果明显优于单一处理,其中海泡石和磷酸盐或石灰复配处理糙米Cd含量符合GB2762—2005《食品中污染物限量》。不同钝化处理均能显著降低土壤TCLP(毒性特性浸出程序)提取态Cd和Pb含量,最大降幅分别为28.86%和45.60%,其中钝化剂复配处理对土壤TCLP提取态重金属的抑制效果优于单一钝化处理。总体而言,海泡石与磷酸盐复配处理对广西刁江流域重金属复合污染稻田土壤的钝化修复作用最佳。

海泡石和磷酸盐对镉铅污染稻田土壤的钝化修复效应与机理研究

采用盆栽实验,研究了海泡石、酸改性海泡石以及二者与磷酸盐联合使用对镉铅复合污染稻田土壤的钝化修复效果,并通过培养实验和重金属形态分析探讨了不同钝化剂处理的作用机理。结果表明:添加海泡石可以显著提高污染土壤pH值,而磷酸盐和改性海泡石则对土壤pH值无显著影响。钝化处理能显著降低土壤TCLP提取态Cd、Pb的质量分数,最大降低率分别可达23.3%和47.2%,钝化剂复配处理对土壤TCLP提取态重金属的抑制效果优于单一处理。施用海泡石和磷酸盐,通过提高土壤pH值、物理化学吸附以及生成矿物沉淀等作用,可以促进污染土壤中的Cd、Pb由活性高的交换态向活性低的残渣态转化,从而显著降低Cd、Pb的生物有效性和迁移能力。添加钝化剂可以显著提高水稻各部位的产量,稻谷和稻草的最大增产率分别为34.3%和26.6%;钝化剂复配处理对水稻的增产作用明显优于单一处理。施用钝化剂可以显著降低水稻各部位的Cd、Pb质量分数,最大可使精米的Cd、Pb质量分数分别降低35.8%和40.9%,钝化剂复配处理对水稻吸收Cd、Pb的抑制作用明显优于单一处理,海泡石和磷酸盐复配处理中精米的Cd、Pb质量分数符合国家食品卫生标准要求。综合分析不同钝化处理的增产作用、降低作物Cd、Pb吸收以及土壤Cd、Pb可迁移性的作用可知,海泡石与磷酸盐复配处理对稻田土壤Cd、Pb复合污染的钝化修复效果最佳。

污灌区镉污染菜地的植物阻隔和钝化修复研究

为了比较植物阻隔、化学钝化及其联合修复措施对污灌区镉污染菜地的修复效果,通过大田试验,研究施用黏土矿物海泡石、膨润土和鸡粪对普通油菜和镉低积累油菜生长和镉吸收的影响,并通过重金属形态分析探讨其作用机理。结果表明,施用鸡粪可显著提高普通油菜和镉低积累油菜的地上部生物量,最大增产率分别为42.8%和127.8%,而施用黏土矿物则没有显著的增产作用。黏土矿物和鸡粪配合施用显著降低普通油菜地上部镉含量,最大降幅为50.5%,使其低于食品安全标准(GB 2762—2012)规定的叶菜类镉含量限值0.2 mg·kg-1;所有钝化处理均显著减少低积累品种地上部镉含量,使其符合食品安全标准要求。施用鸡粪显著降低土壤有效态镉含量,最大降幅为37.0%,而单独施用黏土矿物对土壤镉有效性没有显著影响;施用黏土矿物和鸡粪促进土壤镉由活性高的可交换态向活性低的残渣态或有机结合态转化,从而显著降低了镉的生物有效性。总之,种植镉低积累品种同时施用黏土矿物和鸡粪,即联合应用植物阻隔和钝化修复措施,可以更好地保障污灌区镉污染菜地的安全利用。

凹凸棒粘土对镉污染农田的原位钝化修复效果研究

原位钝化修复在重金属污染土壤修复中有着不可替代的作用,而修复材料在污染农田中的长期应用效果一直是人们关注的焦点。通过野外大田钝化修复试验,研究了不同添加剂量(0、1.25、1.75、2.50、3.25 kg·m^(-2))凹凸棒粘土对镉(Cd)污染土壤理化性质及对水稻(Oryza sativa L.)和小麦(Triticum aestivum L.)吸收Cd的影响,采用梯度扩散薄膜技术(DGT)评价修复前后土壤中生物可利用态Cd含量的变化。结果表明,施用凹凸棒粘土显著抑制水稻和小麦籽粒中Cd富集量,第一季降幅分别为68.8%~83.3%与54.7%~75.5%,其中2.5 kg·m^(-2)施加剂量对Cd污染土壤的修复效果最佳。施加凹凸棒粘土同样抑制了作物对Zn、Ni等其他重金属的吸收,而对Se吸收影响并不显著。施加凹凸棒粘土显著提高了土壤p H、阳离子交换量(CEC)和土壤细颗粒含量,相关性分析表明,水稻和小麦籽粒中Cd含量与土壤p H呈极显著负相关性(相关系数分别为-0.72和-0.64),推测土壤p H的升高是导致水稻、小麦籽粒中重金属含量降低的一个重要原因。不同施用量凹凸棒粘土均在一定程度上降低了土壤DGT提取态Cd含量,分别下降了82.8%、85.1%、84.4%和67.1%。连续3年原位钝化修复效果跟踪观察结果表明,凹凸棒粘土可持续降低水稻和小麦籽粒中Cd含量,1.25 kg·m^(-2)和1.75 kg·m^(-2)处理组产出的水稻籽粒中Cd含量由2014年的0.140 mg·kg^(-1)与0.215 mg·kg^(-1)分别降低为2016年的0.094 mg·kg^(-1)和0.120 mg·kg^(-1)。综上,凹凸棒粘土在修复Cd污染农田土壤方面具有广阔的应用前景。

天然黏土矿物原位钝化修复镉污染土壤的研究

采用盆栽试验,研究了海泡石、膨润土和高岭土对镉污染土壤的钝化修复作用。结果表明,投加3种天然黏土矿物均未能显著提高油菜的生物量,但从变化趋势来看,海泡石处理的增产作用优于高岭土和膨润土处理。供试矿物均能有效降低油菜体内Cd质量比,其中海泡石处理对油菜地上部Cd质量比降低效果最为显著,降低率最大为27.88%;而膨润土处理对油菜根部Cd质量比降低效果最好,降低率最大为25.94%;高岭土对油菜体内Cd质量比的降低效果最差。投加海泡石显著提高土壤pH值,使土壤有效态Cd质量比显著降低;而添加高岭土则使土壤pH值略有下降,对土壤有效态Cd质量比无显著影响;投加膨润土对土壤pH值无显著影响,但可以显著降低土壤有效态Cd质量比。施加海泡石和膨润土后,土壤交换态和碳酸盐结合态Cd质量比显著降低,残渣态Cd质量比显著升高;而施用高岭土仅使碳酸盐结合态Cd质量比显著升高。综合试验结果,3种天然黏土矿物钝化修复土壤Cd污染的能力从大到小依次为海泡石、膨润土、高岭土。

Cd-Pb复合污染土壤钝化修复效率与生物标记物识别

为验证重金属钝化修复效率与植物生理生化特征的关系,采用盆栽试验研究了在Cd-Pb复合污染土壤中添加海泡石后,水稻幼苗叶片和根系中SOD（超氧化物歧化酶）活性、POD（过氧化物酶）活性、w（SP）（SP为可溶性蛋白）、CMDA（丙二醛含量）、叶片光合色素含量以及稻草和糙米中w（Cd）、w（Pb）的变化情况.结果表明：添加海泡石后,水稻幼苗叶片和根系SOD活性、根系POD活性均随海泡石添加量的增加呈先增后降趋势,叶片POD活性随海泡石添加量的增加而增大,其中,当海泡石添加量为1.0%时,其最大增幅达33.6%;与之相反,叶片CMDA、叶片和根系w（SP）均随海泡石添加量的增加而降低,分别比对照处理降低8.0%-30.0%、6.3%-22.3%和17.7%-25.5%.不同添加量海泡石处理下,稻草和糙米中w（Pb）分别降低20.5%-43.6%和18.7%-43.5%,w（Cd）分别降低8.3%-23.9%和21.2%-55.2%.幼苗w（Chl）（Chl为叶绿素）、w（SP）与糙米w（Cd）之间,以及叶片CMDA与糙米w（Cd）、w（Pb）间均呈显著正相关（P〈0.05）,而叶片POD活性与糙米w（Cd）之间呈极显著负相关（P〈0.01）,水稻幼苗叶片w（Chl）、w（SP）、CMDA和POD活性可以作为评估海泡石钝化修复Cd-Pb复合污染钝化修复效率的分子生物标记物.

海泡石与磷酸盐对镉铅复合污染土壤的钝化修复效应

通过盆栽试验研究了海泡石、磷酸盐以及二者复配施用对重金属Cd、Pb复合污染土壤的钝化修复效应。结果表明,海泡石单一处理对油菜生长没有显著的促进作用,而磷酸盐单一处理以及海泡石与磷酸盐复合处理可以显著提高油菜地上部和根部生物量。海泡石与磷酸盐复合处理对降低油菜地上部Cd、Pb质量比效果最为显著,最大降低率分别可达59.76%和38.95%;磷酸盐单一处理降低油菜根部Cd、Pb质量比效果最好,最大降低率可达32.19%和44.30%;海泡石单处理降低油菜Cd、Pb吸收的效果最差。不同钝化剂处理均可显著提高土壤pH值。绝大部分钝化剂处理均可显著降低土壤有效态Cd、Pb质量比。综合试验结果,6%海泡石与磷酸盐复合处理对土壤Cd、Pb复合污染的钝化修复效果最好。

农田土壤重金属污染钝化修复技术研究进展

由于人类工业活动使得稳定存在于地壳中的重金属进入土壤环境,通过生物富集作用威胁人类健康.土壤重金属钝化修复的目的是降低重金属生物有效性和环境毒性,并改善土壤生态系统的功能.本文介绍了农田土壤重金属钝化修复的机理,阐述了土壤pH、氧化还原电位、阳离子交换当量、有机质、植物种类等关键因子在土壤重金属钝化修复过程中的影响.对目前较受重视的重金属钝化剂(石灰、粉煤灰、有机肥、生物炭)在修复过程中的应用、潜在风险和长效性进行讨论,并对今后的相关研究做出展望.

纳米羟基磷灰石钝化修复重金属污染土壤的稳定性研究

为评估纳米羟基磷灰石（Nano-hydroxyapatite,NAP）钝化修复重金属污染土壤的稳定性,采用一次性添加不同用量（0.5%、1%、2%,W/W）的NAP进行水稻盆栽试验,研究了一年和三年后土壤性质、有效态重金属（Cd、Cu、Zn、Pb）含量和水稻体内重金属含量的变化。结果表明：不同NAP施用量下土壤p H值在第一年和第三年分别显著提高了0.71～1.24和0.60～1.16,年际间p H提高幅度的差异较小,表现出较好的稳定性;第三年土壤中有效态Cd、Cu和Zn含量与对照相比降幅（62.7%～96.5%）要显著低于第一年（66.6%～98.4%）,而有效态Pb含量的降幅（百分比）则略有提高,表明随着时间的延长,NAP固定土壤Cd、Cu和Zn含量的能力有所减弱,而对Pb的固定能力有所增强。添加NAP显著降低了水稻根中的重金属含量和糙米中Cd含量,糙米中的Pb、Cu和Zn含量也有所降低。糙米中重金属含量与土壤中有效态重金属含量呈正相关关系,表明NAP通过降低土壤有效态重金属来降低重金属在水稻籽粒中的累积。

含磷材料钝化修复重金属Pb、Cu、Zn复合污染土壤

运用2种含P材料即重过磷酸钙磷肥（TSP）和磷灰石矿尾料（PR）钝化修复Pb、Cu和Zn3种重金属并存的复合污染土壤,通过化学提取和土柱淋溶方法评价修复效果并探讨其可能存在的机理。土壤添加P材料4星期后,所有3种P处理（PR、TSP和PR＋TSP）均有效地降低了毒性提取态的Pb和Cu,其分别下降了15%~70%和10%~18%;水提取态的Pb和Cu分别下降了16%~43%和46%~58%。添加含P材料对土壤中Zn的稳定化影响较小,甚至TSP处理使水提取态的Zn提高了15%。P处理抑制了Pb和Cu在土壤剖面的径向迁移,但对Zn的影响较小。Pb和Cu的固定可能主要是由于形成了磷酸盐沉淀,而Zn的稳定性可能与表面吸附或络合作用有关。P处理未明显改变土壤pH值,尽管总P有所增加,但未观察到其径向迁移的现象。P处理对于稳定P Pb和Cu很有效,对Zn稳定效果有限,甚至有被活化的可能,在实际应用中应关注这一现象。

膨润土、褐煤及其混合添加对土壤镉污染钝化修复效应

通过探究膨润土与褐煤单一及其复配对土壤中镉赋存形态及其对玉米各部位吸收镉的影响,为土壤镉污染修复的技术选择提供科学依据。采用盆栽玉米(Zea mays L.)试验,以河南济源某企业周边0~20 cm表层重金属污染土壤为研究材料,将膨润土(S)和褐煤(P)按照1.5%、3%、5%的土壤质量比例单独及二者正交混合添加,利用BCR连续提取法,研究不同钝化剂处理对镉污染土壤的修复效应。结果表明:膨润土与褐煤不同比例混合施用可使玉米茎叶和根中镉质量分数分别降低22.2%~49.9%、9.7%~40.6%。膨润土与褐煤的单一及混合施用均可增加玉米的株高及地上部干物质量,降低玉米茎叶和根对镉的富集。钝化后土壤中镉的形态含量发生了变化,土壤中弱酸提取态镉会向着较为稳定的形态转化。膨润土单一施用对镉的钝化效果不显著;单独施用褐煤比单独施用膨润土效果好;膨润土和褐煤两者混合施用的钝化效果最好,可使土壤中弱酸提取态镉质量分数减少10.4%~31.1%。对于重金属镉污染的石灰性土壤,褐煤的修复效果整体优于膨润土,但两者结合使用效果更佳。