土壤和产地污染管控与修复

 

  土壤调理剂可以改善土壤结构，增加土壤微生物活性，提高酶活性，促进土壤形成团粒结构，调节土壤pH值，促进作物的生长发育，提高产量效益。土壤重金属原位钝化修复可以通过向土壤中施加一些活性钝化修复材料作为土壤调理剂，通过调节土壤理化性质以及吸附、溶解沉淀、离子交换、腐殖化、氧化还原和有机络合等反应将土壤中的有毒重金属固定起来或者将重金属转化成化学性质不活泼的形态物质（例如形成某些活性比较稳定螯合物或者土壤团聚体等），降低土壤中重金属的有效浓度、迁移性和生物有效性, 从而降低其对生物侵害的有效性，阻止重金属从土壤通过植物根部向土壤上部的迁移变化。由于这种方法成本较低 操作简单，修复见效快，同时可以实现边修复边生产，因此在重金属污染土壤修复中有着不可替代的作用。

 

  目前在实地的钝化修复中,一般应用一些具有吸附固定土壤中重金属离子特性的天然物质和工业副产品，且不同类型的钝化修复剂对重金属污染土壤的钝化修复效果各不相同。有试验结果表明，土壤经钝化修复后,重金属铬、铅等有效态一般可降低30%~60%；田间试验表明，污染土壤中施用石灰750 kg/hm2 时, 土壤中有效态镉（Cd）降低了15%。生物炭不仅比表面积大、表面官能团丰富，还具有环境友好发展前景广阔等优势，备受国内外学者与研究人员的关注。生物炭施入矿区周边土壤中可以促进土壤中酸溶组分、可还原组分重金属的转化，从而降低重金属的迁移性与生物有效性，能够较好的固定矿区土壤中的Mn、Pb、Cr。较高的生物炭施用率( >10% )能显著减少土壤浸提液中有效态重金属的含量。生物炭不仅可以钝化重金属降低其毒性和迁移能力，还可以提高土壤肥力，被广泛用于污染土壤重金属的钝化并取得一定的积极效果。因此，为探索不同土壤调理剂产品的改良效果，我们在宁波葡萄园进行了田间试验，以期为葡萄种植推广应用土壤改良产品提供科学依据。

 

  1 调理剂及施用方式

 

  试验用调理剂如下：（1）生物炭型调理剂(BC）；（2）生物炭+钙型调理剂(CC）；（3）钙型调理剂（NR）；（4）壳聚糖+钙型调理剂（OT）；（5）对照（CK）。

 

  调理剂施用方式如下：生物炭型（1000 g/株）、生物炭+钙型（500 g/株）、钙型（500 g/株）和壳聚糖+钙型（500 g/株），混匀后分别施用到宁波两个农场葡萄园（如表1所示），每个处理重复3次，每个重复3株葡萄。随机区组设计。每个果园需要4*3*3=36株葡萄。条施，深度20 cm。调理剂于2020年4月份施入，9月份进行取样。

 

 

  2 样品采集

 

  土壤样品采集

 

  以葡萄根为圆心，离圆心60 cm为半径，分别在东南西北四个方向选点，先去除表层杂物，用铁铲取0-20 cm的剖面土壤，然后将四个点的土壤混匀，用四分法取1 kg土壤作为一个混合样，装袋，带回实验室。

 

  3 测定项目及测定方法

 

  土壤重金属Zn、Cu、Pb和Cr中有效态和总含量测定按照常规方法测定。

 

  4 结果分析

 

  4.1 调理剂对葡萄园土壤pH值的影响

 

  两个葡萄园的土壤pH值范围为4.54-5.92（表2），所有土壤样品的pH值均小于6.5，且差异较小，说明采样调查的葡萄园土壤呈酸性。这可能跟南方土壤母质有关，土壤的pH值较低。两个葡萄园不同处理的pH有一定差别。可以看出，与对照相比，在阿东农场施加生物炭型调理剂，土壤pH提高了0.16；在绿艳农场施加壳聚糖型+钙调理剂，土壤pH提高了0.24。

 

 

  4.2 调理剂对土壤中各重金属Zn、Cu、Pb和Cr有效态及总量的影响

 

  （1）阿东农场

 

  图1显示了阿东农场土壤有效态Zn和土壤总Zn含量水平，土壤有效态Zn含量范围是7.90-47.00 mg/kg，除生物炭型调理剂外，施用其他调理剂均不同程度降低了土壤中有效态Zn的含量，最小值出现在生物炭+钙型调理剂处理组。与对照相比，施用生物炭+钙型调理剂、钙型调理剂、壳聚糖+钙型调理剂使土壤有效态Zn分别降低了40.62%、53.78%和49.76%，有趣的是，仅单独添加生物炭型调理剂，有效态Zn反而增加了19.61%。除生物炭型调理剂处理组和对照组各一个样品分别为206.14mg/kg和254.31mg/kg外，其余土壤总Zn含量范围是148.53-197.36 mg/kg，低于农用地土壤污染风险筛选值规定的200 mg/kg（GB15618-2018），分析数据发现，与对照相比，施用生物炭+钙型调理剂、钙型调理剂和壳聚糖+钙型调理剂均使土壤总Zn含量降低，分别降低了3.65%、8.18%、和2.21%，而施用生物炭型调理剂使土壤总Zn含量升高了14.01%。

 

 

  图2显示了阿东农场土壤有效态Cu和土壤总Cu含量水平，土壤有效态Cu含量范围是7.88-31.43 mg/kg，施用土壤调理剂均不同程度降低了土壤中有效态Cu的含量，最小值出现在生物炭型调理剂处理组。与对照相比，施用生物炭型调理剂、生物炭+钙型调理剂、钙型调理剂、壳聚糖+钙型调理剂使土壤有效态Cu分别降低了22.13%、24.68%、18.38%和23.94%。土壤总Cu含量范围是36.84-49.61 mg/kg，低于农用地土壤污染风险筛选值规定的50 mg/kg（GB15618-2018），分析数据发现，与对照相比，施用生物炭型调理剂、生物炭+钙型调理剂、钙型调理剂和壳聚糖+钙型调理剂均使土壤总Cu含量降低，分别降低了2.22%、10.09%、8.43%和6.83%。

 

 

  图3显示了阿东农场土壤有效态Pb和土壤总Pb含量水平，土壤有效态Pb含量范围是7.51-17.66 mg/kg，，施用调理剂均不同程度降低了土壤中有效态Pb的含量，最小值出现在生物炭调理剂处理组。与对照相比，施用生物炭调理剂、生物炭+钙型调理剂、钙型调理剂、壳聚糖+钙型调理剂使土壤有效态Pb分别降低了26.05%、17.41%、10.75%和15.01%。土壤总Pb含量范围是44.18-62.58 mg/kg，低于农用地土壤污染风险筛选值规定的90 mg/kg（GB15618-2018），分析数据发现，与对照相比，施用生物炭型调理剂、生物炭+钙型调理剂、钙型调理剂和壳聚糖+钙型调理剂均使土壤总Pb含量降低，分别降低了16.50%、10.25%、21.11%和14.19%。

 

 

  图4显示了阿东农场土壤有效态Cr和土壤总Cr含量水平，土壤有效态Cr含量范围是0.17-0.47 mg/kg，施用调理剂处理组，均降低了土壤中有效态Cr的含量，降低了19.30%、39.47%、3.51%和28.95%。土壤总Cr含量范围是10.11-50.65 mg/kg，均低于农用地土壤污染风险筛选值规定的150 mg/kg（GB15618-2018），分析数据发现，与对照相比，施用生物炭型调理剂、生钙型调理剂和壳聚糖+钙型调理剂均使土壤总Cr含量降低，分别降低了7.67%、11.04%、和36.47%，而施用钙型调理剂使土壤总Cr含量升高了4.57%。

 

 

  （2）绿艳农场

 

  图5显示了绿艳农场土壤有效态Zn和土壤总Zn含量水平，土壤有效态Zn含量范围是13.70-65.67 mg/kg，最小值出现在生物炭+钙型处理组。分析发现，相比对照处理，生物炭型调理剂、生物炭+钙型调理剂、钙型调理剂和壳聚糖+钙型调理剂处理的土壤有效态Zn含量分别降低了20.37%、46.89%、34.47%和43.47%。土壤总Zn含量范围是115.07-301.79 mg/kg，分析发现除壳聚糖+钙型调理剂处理组所有样品中土壤总Zn含量低于农用地土壤污染风险筛选值规定的200 mg/kg（GB15618-2018）外，其余处理组和对照组均有部分样品中土壤总Zn含量高于农用地土壤污染风险筛选值，其中最大值出现在对照组中。另外，各组土壤总Zn含量相比对照均有不同程度的降低，分别降低20.14%（生物炭型调理剂）、25.42%（生物炭+钙型调理剂）、20.06%（钙型调理剂）和35.25%（壳聚糖+钙型调理剂）。

 

 

  图6显示了绿艳农场土壤有效态Cu和土壤总Cu含量水平，土壤有效态Cu含量范围是12.86-31.43 mg/kg，最小值出现在生物炭+钙型处理组。分析发现，相比对照处理，生物炭型调理剂、生物炭+钙型调理剂、钙型调理剂和壳聚糖+钙型调理剂处理的土壤有效态Cu含量分别降低16.86%、26.46%、27.77%和27.58%。土壤总Cu含量范围是32.46-77.31 mg/kg，分析发现除壳聚糖+钙型调理剂处理组中所有样品均低于农用地土壤污染风险筛选值规定的50 mg/kg（GB15618-2018）外，其余处理组和对照组均有部分样品中土壤总Cu含量高于农用地土壤污染风险筛选值，其中最大值出现在对照组中。另外，各组含量相比对照有不同程度的降低，分别降低14.96%（生物炭型调理剂）、19.85%（生物炭+钙型调理剂）、20.30%（钙型调理剂）和32.75%（壳聚糖+钙型调理剂）。

 

 

  图7显示了绿艳农场土壤有效态Pb和土壤总Pb含量水平，土壤有效态Pb含量范围是17.26-24.03 mg/kg，最小值出现在对照组。分析发现，相比对照处理，各调理剂处理的土壤有效态Pb含量均升高了，分别升高了21.18%（生物炭型调理剂）、23.43%（生物炭+钙型调理剂）、9.94%（钙型调理剂）和19.96%（壳聚糖+钙型调理剂）。土壤总Pb含量范围是45.83-69.93 mg/kg，分析发现所有样品均低于农用地土壤污染风险筛选值规定的90 mg/kg（GB15618-2018），其中最小值出现在壳聚糖+钙型调理剂处理组中。另外，除生物炭型调理剂处理组使土壤总Pb含量升高了5.71%外，各组含量相比对照有不同程度的降低，分别降低0.82%（生物炭+钙型调理剂）、10.17%（钙型调理剂）和11.67%（壳聚糖+钙型调理剂）。

 

 

  图8显示了绿艳农场土壤有效态Cr和土壤总Cr含量水平，土壤有效态Cr含量范围是0.29-0.54 mg/kg，最小值出现在生物炭+钙型处理组。分析发现，相比对照处理，除生物炭+钙型调理剂处理组使土壤有效态Cr含量降低了0.93%外，生物炭型调理剂、钙型调理剂和壳聚糖+钙型调理剂处理的土壤有效态Cr含量反而分别升高了6.48%、14.81%和29.63%。土壤总Cr含量范围是21.57-58.45 mg/kg，分析发现所有样品中土壤总Cr含量均低于农用地土壤污染风险筛选值规定的150 mg/kg（GB15618-2018），其中最小值出现在对照壳聚糖+钙型调理剂处理中。另外，除钙型调理剂处理组使土壤总Cr含量升高了1.42%外，其他各组含量相比对照均有不同程度的降低，分别降低26.93%（生物炭型调理剂）、9.04%（生物炭+钙型调理剂）和34.56%（壳聚糖+钙型调理剂）。

 

 

  4.3 风险评价

 

  采用单因子指数法和内梅罗综合指数法（表3，4）相结合的方法，以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018，表5）为参比值，Swaine按照重金属对环境的影响程度，将环境研究中人们都比较关注的微量元素分成了三类，因一类、二类、三类微量元素环境重要性逐渐下降，分别赋值为3、2、1作为权重。本研究涉及的几种重金属其类别和权重分配如表6所示。根据其累积程度对两个葡萄园Zn、Cu、Pb和Cr 4种重金属元素进行了土壤环境质量评价，评价结果见表7和8。

 

 

  以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）为评价标准，有一项单项污染指数大于1，即可判定为土壤不合格。两个葡萄园单项污染指数均值（Zn、Cu、Pb和Cr）如表7所示，均小于1等于1，即可定为土壤均无污染。具体看来，Zn、Cu、Pb和Cr单项污染指数均在绿艳农场单项污染指数最高，分别为0.98、1.00、0.66和0.23。

 

 

  内罗梅综合污染指数法兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用。以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）为评价标准，评价结果表明，阿东农场和绿艳农场葡萄园土壤内梅罗污染指数分别为 1.00和1.20，分别均处于II和Ⅲ级水平（0.7 < P ≤1.0和1.0 < P ≤2.0），分别属于较清洁和轻度污染等级（表4）。

 

 

  4.4 小结

 

  综上所述，两个葡萄园的土壤pH值范围为4.54-5.92，阿东农场土壤重金属Zn、Cu、Pb和Cr总含量范围分别为148.53 - 197.36mg/kg、36.84 - 49.61 mg/kg、44.18 – 62.58 mg/kg和10.11 - 50.65 mg/kg，绿艳农场土壤重金属Zn、Cu、Pb和Cr总含量范围分别为115.07 - 301.79mg/kg、32.46 - 77.31 mg/kg、45.83 – 69.93 mg/kg和21.57 - 58.45 mg/kg。阿东农场施用调理剂使土壤有效态Cu、Pb和Cr均减少，降低率分别为18.38%-24.68%、10.75%-26.05%和3.51%-39.47%，虽然单独施用生物炭调理剂使得有效态Zn含量增加了19.61%，但是施用其他三种调理剂有效态Zn含量均减少了，降低率为40.62%-53.78%。绿艳农场施用调理剂处理土壤有效态Zn和Cu分别降低了20.37%-46.89%和16.86%-27.77%，虽然单独施用生物炭调理剂使得有效态Cr含量增加了6.48%，但是施用其他三种调理剂有效态Cr含量均减少了，降低率为0.93%-29.63%,值得注意的是，施用调理剂反而使得使得有效态Pb含量增加了9.94%-23.43%。可以看出来，组合型调理剂对两个葡萄园的土壤改良效果较明显，且调理剂对土壤重金属Cu有效态均有降低效果。

 

  参考文献（略）