生物炭-凹凸棒土复合材料对水稻土锌镉的钝化及土壤养分和酶活性的影响研究

尤凌聪 汪玉瑛 刘玉学 吕豪豪 陈金媛 杨生茂,*

(1 浙江工业大学环境学院，浙江 杭州 310000；2 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；3 浙江省生物炭工程技术研究中心，浙江 杭州 310021)

近年来，随着工业以及农业的发展，我国土壤重金属污染问题日益凸显，重金属污染的类型以Cd、Cu、Zn、Cr等为主，而且通常是以某一种重金属元素污染为主，其他多种重金属并存的土壤重金属复合污染[1-2]。土壤中多种重金属元素或化合物之间以及重金属与土壤界面之间存在相互作用，使其污染土壤修复技术具有挑战性。目前，土壤重金属修复技术主要包括物理修复、化学修复和生物修复[3]。化学钝化技术是化学修复的主要技术之一，其主要通过向土壤施加钝化剂，通过吸附、沉淀、离子交换等作用使土壤中的重金属形态发生改变从而降低生物有效性，适用于大面积中低度重金属污染土壤[4-7]。

化学钝化技术的关键是钝化剂的选用。凹凸棒土是一种存在于自然界中2∶1型的层链状晶质水合镁铝盐矿物[8-9]，其结构式为(Mg,Al,Fe)5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O，晶体呈棒状、纤维状，层内贯穿孔道，外表凹凸相间，具有较大的比表面积，热稳定性高，表现出良好的吸附性与离子交换性能[10-13]。但天然的凹凸棒土所含杂质较多，使用时具有一定的局限性[14]。生物炭是一种高芳香、难容的固体材料[15]，由废弃生物质经过缺氧热聚反应而生成的，具有比表面积大、孔隙多、吸附性能较好等优点[16-17]。生物炭在影响土壤理化性质的同时也可显著影响土壤重金属形态转化，从而降低重金属在土壤中的环境风险[18]。我国水稻等农业秸秆、稻壳类物质的产量巨大，大部分因缺乏有效的处理途径而闲置或焚烧，不仅污染环境而且存在较大的浪费[19-20]。因此，如将稻壳作为原材料炭化后制备生物炭并作为钝化剂，不仅能减少环境污染，还能实现农业废弃物的资源化利用。生物炭吸附重金属主要是通过物理吸附、静电作用、离子交换作用和表面络合作用，其中离子交换作用和表面络合作用起主导作用[21]。为了提高炭材料的吸附性能，较多学者将炭进行改性，Karimnezhad等[22]研究了不同浓度ZnCl2对核桃壳生物炭进行改性，发现浸渍比越大改性生物炭的比表面积越大，最大值可达到2 643 m2·g-1，对苯和甲苯的吸附有较大的应用潜力；Wibowo等[23]用HNO3改性生物炭，改性后的炭材料表面引入大量的含氧官能团提高了炭材料的表面络合作用，同时提高了比表面积；Li等[12]通过将凹凸棒土与土豆茎粉末混合制成改性生物炭吸附水体中的诺氟沙星，得到很好的效果。但同时利用2种材料的吸附特性混合制备成新型土壤钝化材料却鲜有报道。

本研究以稻壳炭和凹凸棒土为原料制备稻壳炭-凹凸棒土复合材料，通过分别施加生物炭、凹凸棒土及生物炭-凹凸棒土复合材料对实际重金属复合污染土壤进行钝化修复，分析土壤钝化前后重金属有效态含量，同时通过测定施加钝化剂前后土壤理化性质和酶活性来分析3种钝化剂对土壤性质的影响，从而筛选出较好的钝化剂，旨在为重金属复合污染的土壤修复提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为浙江省杭州市富阳区重金属复合污染土壤，土壤类型为水稻土，取自0～20 cm土层，土壤采集后带回风干，挑去杂物，磨碎后过10目筛，其基本理化性质为pH值5.03，有机碳含量17.23 g·kg-1，有效磷含量15.5 mg·kg-1，速效钾含量154.35 mg·kg-1，其中有效态Zn和有效态Cd含量分别为885.16和99.04 mg·kg-1，土壤脲酶活力为354.14 μg·d-1·g-1，土壤过氧化氢酶活力为12.81 μmol·d-1·g-1，土壤酸性磷酸酶活力为18.76 μmol·d-1·g-1。

凹凸棒土(attapulgite，ATP)取自浙江省农业科学院，研磨过100目筛。选取稻壳作为炭化原材料，稻壳取自浙江省农业科学院杨渡试验基地，将稻壳盛于坩锅中，置于管式炭化炉中在限氧条件下以25℃·min-1升温至500℃，恒温热解90 min后，自然冷却至室温，经研磨后过100目筛，制得稻壳炭(biochar，BC)。经测定BC的比表面积和孔容积分别为7.21 m2·g-1和0.013 cm3·g-1，凹凸棒土的比表面积和孔容积分别为35.99 m2·g-1和0.054 cm3·g-1。通过X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析可知，供试ATP材料主要由石英石、白云石和凹凸棒石3种矿物组成(图1-A)，该ATP材料属于白云质凹凸棒土[24]；而BC中含有的结晶矿物较少(图1-B)。表面形貌如图2所示，ATP由棒状晶体构成；BC内部呈管状结构，表面粗糙且孔隙较多。ATP-BC由ATP与BC按1∶1混合制备而成。

图1 凹凸棒土(A)和稻壳炭(B)X射线衍射图

图2 凹凸棒土(A)和稻壳炭(B)样品电镜扫描图片

1.2 试验设计

分别准确称取150 g土壤，置于花盆中，设置施加BC、ATP及生物炭-凹凸棒土复合材料(ATP-BC)3种不同钝化剂材料处理组，每种钝化剂材料添加量分别设0.5%、1%、2%，并以不添加钝化剂为空白对照组(CK)，每个处理设置3个重复。将土壤与钝化剂混合均匀后向土壤中添加去离子水，使土壤饱和含水量达到60%。在室温条件下培养30 d后取出土样，自然风干，充分混匀后研磨过100目筛备用，测定其重金属含量以及土壤的基本理化性质。

1.3 测定项目与方法

土壤重金属及理化性质测定均根据HJ/T 166-2004[25]土壤环境监测技术规范进行操作。重金属有效态含量采用CaCl2浸提法，0.1 mol·L-1CaCl2与土壤比例为25∶1(v∶m)，震荡浸提后用等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES, Prodigy，美国)测定。土壤pH值采用电位法，土水比1∶2.5(m∶v)，用Fe28 pH计(瑞士Meltter Toledo)测定。土壤有效磷含量采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法，0.5 mol·L-1NaHCO3溶液与土壤比例20∶1(v∶m)震荡提取，钼锑抗显色剂显色用UV-6000紫外分光光度计(上海ACCURATE)比色测定。土壤速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计法，乙酸铵溶液与土壤比例10∶1(v∶m)震荡浸提，采用FP6410火焰光度计(上海仪电)测定。土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外热法，重铬酸钾标准溶液、浓硫酸与土壤按20∶20∶1(v∶v∶m)混合，在石蜡油浴锅中170～180℃煮沸5 min后加入邻啡罗啉指示剂用FeSO4滴定至变色测定。土壤酶活性采用分光光度法测定。

1.4 数据分析

试验数据使用Excel 2019进行整理，使用SPSS 2.0进行单因素方差分析，用LSD法比较处理间的差异显著性(α=0.05)，使用Prism 8软件制图。

2 结果与分析

2.1 钝化剂对土壤重金属有效态的影响

图3为添加不同量的BC、ATP及ATP-BC经过30 d钝化培养后土壤有效态Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)含量的变化趋势，随着3种钝化剂添加量的增加，土壤有效态Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)含量均呈下降趋势。从钝化Zn(Ⅱ)的角度看，各处理有效态Zn(Ⅱ)含量均与CK呈显著性差异，添加不同量BC的处理之间无显著差异。从钝化Cd(Ⅱ)的角度看，添加0.5%钝化剂处理的有效态Cd(Ⅱ)含量均与CK无显著差异。当ATP与ATP-BC 2种钝化剂添加量相同时，其土壤有效态Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)含量均无显著性差异，且在添加量为2.0%时土壤有效态Zn(Ⅱ)含量分别为126.45和149.17 mg·kg-1，土壤有效态Cd(Ⅱ)含量分别为74.74和76.52 mg·kg-1，均低于添加2.0% BC的土壤，说明ATP和ATP-BC的钝化效果较好。这是因为ATP的比表面积(35.9 960 m2·g-1)远大于BC(7.2 124 m2·g-1)，ATP及ATP-BC比BC能够固定更多的Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 钝化剂对污染土壤理化性质的影响

2.2.1 pH值 由图4可知，添加钝化材料后土壤pH值略有增加，从钝化材料不同添加量的角度来看，同种钝化材料随着添加量的增加，其土壤pH值增加。从添加不同钝化材料的角度看，施加复合钝化剂后土壤pH值高于单独施加BC和ATP，这是因为复合钝化剂的pH值为8.32，高于ATP和BC本身的pH值(8.14和7.21)。另外，当钝化剂添加量为0.5%时，施加BC和ATP的土壤pH值均与CK无显著性差异，而施加复合钝化材料后土壤pH值较CK显著提高。

图4 钝化剂对土壤pH的影响

2.2.2 有效磷含量 由图5可知，添加BC和ATP-BC后土壤有效磷含量随添加量的增加而上升，添加ATP后土壤有效磷含量则随添加量的增加而下降。添加不同剂量的BC或2.0%ATP-BC后，土壤有效磷含量均与较CK显著增加，而单独添加ATP与CK之间无显著差异。说明添加ATP对土壤有效磷含量的影响较低，添加一定量BC以及ATP-BC能够明显提升土壤有效磷含量。

图5 钝化剂对土壤有效磷含量的影响

2.2.3 速效钾含量 由图6可知，在钝化材料添加量相同的条件下，添加BC的土壤速效钾含量高于ATP和ATP-BC。随着添加量的增加，添加BC和ATP-BC复合钝化剂的土壤速效钾含量明显增加，而添加ATP的土壤速效钾含量的上升趋势不明显。

图6 钝化剂对土壤速效钾含量的影响

2.2.4 有机碳含量 由图7可知，添加BC与ATP-BC后土壤有机碳含量较CK显著提高，而添加ATP后土壤有机碳含量与CK相比无显著变化。ATP是镁铝硅酸盐矿物，是一种无机物，随添加量增加并不会对土壤有机碳含量造成显著性影响。复合钝化剂中含有BC，所以能够在有效降低土壤重金属有效性的同时提高土壤有机碳的含量。

2.2.5 土壤酶活性 由图8可知，添加土壤钝化剂后3种处理的土壤酸性磷酸酶活性总体呈下降趋势，其中ATP添加量为1%和2%时较CK显著下降，而添加ATP-BC后各添加量的土壤酸性磷酸酶活性均与CK无显著差异。随添加量的增加，添加BC和ATP后土壤脲酶活性呈下降趋势，而添加复合钝化剂后土壤脲酶活性呈上升趋势。表明单独施加BC或ATP后不利于土壤脲酶水解尿素，影响植物对土壤氮素的吸收。添加BC后土壤过氧化氢酶活性随添加量的增加呈下降趋势，而添加ATP和ATP-BC后土壤过氧化氢酶均随添加量的增加呈上升趋势，且2种处理间无显著性差异。说明施加BC抑制了土壤过氧化氢酶的活性，降低了土壤分解过氧化氢的能力，而施加一定量ATP和ATP-BC能够促进土壤过氧化氢酶活性，促进土壤分解过氧化氢。

图8 钝化剂对土壤酶活性的影响

3 讨论

通过XRD表征结果可以看出，试验所用凹凸棒土(ATP)存在石英等杂质，为天然的ATP，稻壳炭(BC)则为结晶矿物较少的纯炭产物。已有报道指出ATP内层结构伸缩振动产生的特征峰在1 030 cm-1附近，在低波区域中ATP原土红外光谱的特征峰在520和470 cm-1附近[26]。土培试验发现，随添加量增加，土壤有效态Zn和有效态Cd含量呈显著降低趋势，而添加BC后无显著性差异；相同添加量的ATP与ATP-BC之间无显著性差异。这可能是因为pH值的变化会影响土壤中重金属有效态的含量及其迁移性；土壤pH值增加使土壤中的负电荷数量增多，负电荷与重金属离子产生络合作用形成沉淀，将重金属有效态向其他形态转化从而降低土壤重金属的有效性，通常表现为pH值越小土壤中重金属有效态含量越高，并随着pH值的增加而下降[27-28]；另外，重金属有效态含量随着ATP和ATP-BC添加量的上升有显著性降低趋势，可能是因为ATP比表面积较大吸附能力较强。任静华等[10]通过大田试验施加ATP发现，随着ATP添加量增加呈现先下降后上升的趋势，与对照组相比有效态Cd含量最高降低84.4%。而本研究中有效态Zn和Cd含量均随着钝化剂的添加量增加呈下降趋势，这可能是因为本试验条件过于理想，未考虑室外诸多不确定因素。

施加钝化剂后，土壤理化性质得到一定程度的提升。土壤pH值随着3种钝化剂添加量的增加而增加。添加BC和ATP-BC后pH值增加主要是因为生物炭的灰分中含有碱性物质，如K、Ca、Na、Mg的氧化物、氢氧化物以及碳酸盐等，使土壤中Cd以及Zn通过络合、沉淀作用被固定下来[29]；而添加ATP后pH增加主要是因为ATP本身为碱性物质。土壤有效磷含量在添加BC以及ATP-BC后呈上升趋势，可能是因为添加生物炭能够有效减少土壤可溶性磷的流失。Lairda等[30]研究表明，土壤中添加2%生物炭能够降低土壤可溶性磷的流失，减幅高达69%。而添加ATP有效磷含量下降可能是因为ATP吸附了土壤中的可溶性磷导致其下降。土壤速效钾含量在施加3种钝化剂后随添加量的上升均呈上升趋势，添加ATP不同添加量之间无显著性差异，这可能是因为BC中含有钾素，随着BC的施加，一定量的钾素释放到土壤中使得土壤速效钾含量增加。Yuan等[31]也指出生物炭本身含有磷、钾等矿物质元素，施用后可将其返还到土壤中提高土壤的养分含量。添加ATP-BC以及BC后有机碳含量随着添加量的增加呈上升趋势，而施加ATP后随添加量的增加无显著差异。这可能是因为施加生物炭能够减少土壤有机碳的流失，且生物炭含有性质稳定的非活性有机碳，可直接提高土壤碳含量[32]。这与Lairda等[30]和郑健等[33]的研究结果一致。BC以及ATP-BC能够提高土壤团聚体的稳定性从而减少土壤有机碳的流失。土壤酶是由土壤微生物、植物根系及其残体、土壤动物及其遗骸所产生的，可催化复杂有机物转化为易被植物吸收利用的简单无机物，其活性是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标之一[34]。陈彦芳等[34]研究发现重金属有效态含量与脲酶、磷酸酶之间呈极显著正相关，与过氧化氢酶之间呈极显著负相关。而本研究中施加ATP-BC后脲酶活性呈上升趋势，过氧化氢酶活性呈上升趋势，说明施加ATP-BC能够提升土壤脲酶和过氧化氢酶活性，同时降低了重金属有效态含量。

ATP-BC作为一种天然矿物与稻壳生物炭相结合的新型钝化材料，在实验室的土培试验下对重金属Zn和Cd展现了良好的钝化效果，其钝化效果介于单一使用BC和ATP之间，但与单一使用ATP无显著差异；且其能在一定程度上提高土壤理化性质，综合了BC和ATP的优点。该研究为ATP-BC投入大田试验奠定了一定的基础，同时也可为天然矿物-生物炭复合材料对水体中重金属的吸附和对其他重金属污染的土壤钝化效果研究提供一定的参考价值。

4 结论

研究发现，与稻壳炭(BC)相比，凹凸棒土(ATP)表面更加粗糙不规则，比表面积也更大。通过室内土壤培养试验探究了BC、ATP以及ATP-BC对水稻土重金属有效态以及土壤理化性质的影响，发现随着3种钝化剂添加比例增大重金属有效态含量呈下降趋势，其中ATP-BC和ATP钝化效果较佳，而在提升土壤理化性质方面BC效果最佳，其次是ATP-BC，ATP效果最差。因此ATP-BC能够有效减少水稻土有效态Zn、Cd含量，同时提高水稻土有效磷和速效钾含量，减少土壤磷、钾的流失，提高土壤有机碳含量，降低土壤酸性磷酸酶活性以及提高脲酶和过氧化氢酶的活性。但本研究环境过于理想，与实际环境存在偏差；而且试验仅探究了钝化剂对重金属有效态的影响，对重金属其他形态缺乏探究；另外，本研究仅针对Zn、Cd污染水稻土，缺乏对其他不同种类土壤或不同种类重金属污染土壤的研究，因此后续将进一步深入研究此类钝化剂在不同重金属污染土壤的修复效果。