粉煤灰和污泥對石灰?guī)r質(zhì)土壤重金屬遷移及生物有效性的影響

粉煤灰和污泥對石灰?guī)r質(zhì)土壤重金屬遷移及生物有效性的影響

為了對碳有機廢物進行回收和處理，盡可能優(yōu)化土壤的物理、化學和生物性質(zhì)，采用一定數(shù)量的固體殘渣進行改良土壤。已成為國內(nèi)外研究的熱點。但其農(nóng)用是否會對植物產(chǎn)生重金屬毒害作用或通過食物鏈而影響人類健康,仍是人們所關(guān)注的問題,且由于植物生長特性及遺傳特性的不同,不同的作物對土壤重金屬的吸收、富集具有顯著的差異性,利用作物對土壤污染元素不同富集特性有選擇地種植作物也有待進一步深入研究。河北省鹿泉市石灰?guī)r礦山因開采歷史較長,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境十分惡劣,遺留大面積的石灰?guī)r質(zhì)退化土壤,存在多處引發(fā)泥石流、塌陷等災害的隱患。其質(zhì)地粘重、板結(jié)龜裂,營養(yǎng)不均及蓄水、持水性能差等特點給該礦區(qū)的植被恢復和生態(tài)環(huán)境改善造成了一定的困難。如能將附近固體廢棄物尤其是多種廢棄物通過科學配比對礦區(qū)退化土壤進行改良或重建,以實現(xiàn)生態(tài)(植被)修復,將具有重要的生態(tài)環(huán)境意義和經(jīng)濟價值。本實驗將粉煤灰和污泥以1∶1的重量比混合并進行初步熟化堆置,旨在通過充分發(fā)揮二者的綜合改土作用,探討該混合物改良重建石灰?guī)r質(zhì)土壤的可行性,為固體廢棄物在石灰?guī)r礦區(qū)復墾中的應用提供可行性依據(jù),實現(xiàn)社會效益、經(jīng)濟效益、資源效益和生態(tài)效益的和諧統(tǒng)一。1學習方法1.1試驗用土壤條件試驗用粉煤灰(Flyash,簡稱FA)取自河北鹿泉高井電廠儲灰池,污泥(Sewagesludge,簡稱SS)取自二街排污水庫,試驗用石灰?guī)r質(zhì)土壤取自鹿泉市石灰?guī)r礦山開采后廢棄的土、石混合物。粉煤灰、污泥以及石灰?guī)r質(zhì)土壤的理化性質(zhì)見表1。1.2學習方法1.2.1人工土壤的配制根據(jù)所用材料的理化特性(表1),并通過理論擬合以及固體廢棄物改良經(jīng)驗,先將粉煤灰和污泥按1∶1重量比混合并攪拌均勻,進行堆肥化預處理,以實現(xiàn)粉煤灰污泥充分熟化反應。然后,該混合物與土壤分別以1∶1和1∶2重量比混合配成兩種人工土壤,編號分別為L11、L12,每處理各五次重復。設石灰?guī)r質(zhì)土壤對照樣,編號L01,三次重復。不同配比的土壤等體積裝盆,每盆種植三粒玉米種籽(種籽下種前經(jīng)浸泡崔芽)。玉米出苗一周后進行間苗,每盆保留一株玉米,30d收獲。盆栽期間定期等量澆水,并監(jiān)測玉米的株高和株徑。1.2.2植株的預處理取盆栽后新鮮土壤,剔除所有的雜質(zhì)異物,經(jīng)自然風干后,用瑪瑙研缽磨至160目以下,密封備用。玉米植株分別采用自來水和去離子水沖洗干凈,地上部和根系分離,并在55～60℃下經(jīng)72h烘干。烘干的莖葉、根系再用植物粉碎機分別粉碎、過篩。1.2.3玉米中重金屬含量測定土壤中的Cr、Pb、Cu、Zn、Ni采用MEHLICH-III溶液萃取、ICP-AES測定;Hg、As采用原子熒光光譜(AFS)測定;Cd采用王水法、石墨爐原子吸收光譜(GFAAS)測定。從每種土壤上種植的玉米中隨機抽取三株進行根部和地上部分重金屬含量測定,其中Cr、Pb、Cu、Zn、Ni采用微波消解、ICP-MS測定。Hg、As、Cd同上。消化和檢測過程中加入NATA標準玉米粉檢測分析質(zhì)量。2結(jié)果與討論2.1玉米生長情況的變化植物生長狀況的好壞是土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀況是否適合植物生長的綜合表現(xiàn)。從對玉米的株高和株徑進行跟蹤測試和動態(tài)分析的結(jié)果顯示(見表2,圖1、圖2),隨生長期,各處理玉米的株高和株徑差異越來越顯著。說明隨著玉米的生長,養(yǎng)分需要量增加,對照土的養(yǎng)分供應不足,對玉米生長的影響越來越大。而施用粉煤灰污泥混合物的所有處理,特別以1∶1重量比添加的高用量處理,養(yǎng)分供應充足,能夠顯著促進玉米的生長,這也從側(cè)面反映了粉煤灰污泥混合物中的養(yǎng)分具有緩慢釋放的效果。2.2對土壤重金屬含量的影響粉煤灰污泥混合物、各改良土壤重金屬含量見表3。由表3可知,相對于石灰?guī)r質(zhì)土壤對照樣(L01),粉煤灰污泥混合物中除As含量較低以外,其他元素含量均偏高,尤其鋅的含量高達410.4mg/kg,不過所有元素的含量均遠遠低于國家農(nóng)控標準。相應地,所有添加粉煤灰污泥混合物后的石灰?guī)r質(zhì)土壤(L11、L12),重金屬含量也均顯著高于對照。根據(jù)國家土壤一級質(zhì)量標準和二級質(zhì)量標準pH值大于7.5的標準(GB15618ue001￣1995),L11和L12中,Hg、Cd、Zn的含量介于我國土壤環(huán)境一級標準限值和二級標準限值之間,其它元素含量均低于一級標準限值,改良后的兩種土壤均符合國家二級土壤質(zhì)量標準。2.3粉煤灰污泥混合物對hg及cd、as含量的影響以不同配比添加粉煤灰污泥混合物的土壤農(nóng)用是否會導致環(huán)境污染或?qū)θ祟惤】诞a(chǎn)生危害,更重要體現(xiàn)在玉米各器官中重金屬的富集狀況。本實驗對改良后兩種土壤上生長玉米的根部和地上部分中的毒性較大的元素Hg、As、Cd的含量進行了重點分析(表4)。由表4可知,在不同施用量處理的土壤上生長的玉米中,根部Hg的含量明顯高于對照,Cd略高于對照,這是因為粉煤灰污泥混合物中這些元素本身含量較高(表3),另一方面,由前面的研究可知,粉煤灰污泥添加劑有助于協(xié)調(diào)改良石灰?guī)r質(zhì)土的粒度(質(zhì)地)特征、容重、孔隙狀況等物理性質(zhì),增加了土壤的通氣透水性,而對于大部分金屬元素來說,與質(zhì)地粘重的土壤相比,在顆粒較粗的土壤里具有較大的活性;此外,添加該混合物后石灰?guī)r質(zhì)土壤的pH降低,使有效Hg和Cd的含量進一步增加所致。而As的含量則基本相反,一是因為粉煤灰污泥混合物中這些元素本身含量較低(表3),此外與As自身的性質(zhì)相關(guān)。在土壤中,As可被鐵、鋁和鈣沉淀為難溶性砷酸鹽,極大多數(shù)處于閉蓄狀態(tài),不易釋放,導致水溶性砷和交換性砷極低,且As的活性與pH增大正相關(guān),添加該混合物后石灰?guī)r質(zhì)土壤的pH降低,進一步影響了As的活性所致。從玉米地上部分重金屬的含量可以看出,Hg與對照差別不顯著,As和Cd兩元素的含量均明顯低于對照,且試驗過程中未出現(xiàn)植物中毒現(xiàn)象,重金屬含量均低于其毒害濃度。2.4cd與其它植物的聚合成分的關(guān)系重金屬富集系數(shù)可以用來表征土壤-植物體系內(nèi)重金屬遷移的難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屬的富集系數(shù)大小均表現(xiàn)為:Cd>Hg>As。這與Sims(1991)和孫力(2006)的研究結(jié)果相一致,雖然Cd在土壤及植物中的含量都不是最高,但Cd的富集系數(shù)最大,說明與其它元素相比,該元素更容易從土壤中進入植物體內(nèi),且在植物體內(nèi)具有較高的生物有效性。與對照樣相比,除L11根部Cd的富集系數(shù)略大于對照外,其它所有富集系數(shù)均小于對照,說明,粉煤灰污泥混合物的加入未提高重金屬從土壤中向植物遷移的能力和其生物有效性,也未導致重金屬在玉米體內(nèi)的相對富集。2.5不同施用量對玉米元素運輸能力的影響重金屬元素在植物體內(nèi)的遷移程度通常用S/R表示。S/R比值是植物地上部分重金屬含量與根部重金屬含量的比值,比值越大,說明植物在體內(nèi)運輸重金屬的能力越強。由表5得知,同一處理,玉米對不同重金屬表現(xiàn)出了不同的運輸能力:As>Cd>Hg,且在不同施用量處理的土壤上生長的玉米,元素As表現(xiàn)出了較強的運輸能力,其中對照L01中As的S/R比值高達1.45。該現(xiàn)象一方面與玉米本身對類金屬元素As具有較強的吸收性和耐受性有關(guān);另外可能與L01對照土pH值達8.35密切相關(guān),因為當pH大于8.00以上時,土壤中交換性砷含量最高,促進了玉米對砷元素的吸收。處理L11之所以表現(xiàn)出比L12較強的運輸能力,與粉煤灰污泥添加劑改善了土壤的通氣透水性,從而使土壤中能夠被植物吸收的有效態(tài)As含量增加有關(guān)。而L11和L12中Hg和Cd的S/R比值均小于0.5,表明二者在其體內(nèi)運輸?shù)哪芰Σ粡?而在對照L01中依然表現(xiàn)出較強的運輸能力。3改良土和土重金屬含量與土1)向石灰?guī)r質(zhì)土壤中添加合適比例的粉煤灰污泥混合物,能顯著促進玉米的生長,其養(yǎng)分具有緩慢釋放的效果。2)以不同配比添加粉煤灰污泥混合物后,所有重金屬含量略有增加,尤其Hg、Cd、Zn,改良土的環(huán)境質(zhì)量可達II級標準。L11玉米根部As含量略低于對照組外,其它均高于對照,而地上部分則