钝化材料组合对酸性土壤镉铅砷和中微量元素有效性的影响

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-1004

中国农学通报 ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (14): 33-40.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-1004

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钝化材料组合对酸性土壤镉铅砷和中微量元素有效性的影响

周青云¹^,²(), 王辉², 许超²(), 武美燕¹(), 罗尊长³, 张泉², 朱奇宏², 朱捍华², 黄道友²

¹ 长江大学农学院，湖北荆州 434022
² 中国科学院亚热带农业生态研究所/亚热带农业生态过程重点实验室/中国科学院长沙农业环境观测研究站，长沙 410125
³ 湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125

收稿日期:2022-11-25 修回日期:2023-01-17 出版日期:2023-05-09 发布日期:2023-05-09
作者简介:
周青云，女，1998年出生，湖北宜昌人，在读硕士，研究方向：土壤环境。通信地址：410125 湖南省长沙市中国科学院亚热带农业生态研究所，E-mail：2845772924@qq.com。
基金资助:
国家重点研发计划课题，“有色冶炼场地土壤-地下水协同修复技术与工程示范-有色场地土壤多金属同步固化/钝化长效修复技术”(2019YFC1803602); 国家自然科学基金“水稻关键生育期氮运筹对镉吸收的调控机制”(42177025); 湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目“农业水土环境重金属削减与安全生产关键技术研究及应用”(2020NK2001)

Effects of Combined Amendments on the Availability of Cadmium, Lead, Arsenic and Trace Elements in Acidic Soils

ZHOU Qingyun¹^,²(), WANG Hui², XU Chao²(), WU Meiyan¹(), LUO Zunchang³, ZHANG Quan², ZHU Qihong², ZHU Hanhua², HUANG Daoyou²

¹ College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou, Hubei 434022
² Key Laboratory of Agro-ecological Processes inSubtropical Regions, Changsha Research Station for Agricultural & Environmental Monitoring, Institute of Subtropical Agriculture,Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125
³ Institute of Soils and Fertilizers of Hunan Province, Changsha 410125

Received:2022-11-25 Revised:2023-01-17 Online:2023-05-09 Published:2023-05-09

摘要/Abstract

摘要：

采用土壤培养试验的方法，研究了在同等剂量下（6 g/kg土）海泡石(S)、铁锰矿粉(F)和生物炭(B)及其组合对酸性土壤镉(Cd)、铅(Pb)、砷(As)、锌(Zn)、铁(Fe)、锰(Mn)有效性的影响，以期筛选出同步钝化酸性土壤镉铅砷且对中微量元素锌铁锰有效性影响小的钝化材料组合。结果表明：海泡石、铁锰矿粉、生物炭及其组合均在一定程度上提高了土壤pH，降低了土壤中Cd、Pb和As的有效态含量，组合处理降低了土壤Cd、Pb和As有效性的效果均优于单施处理。3种钝化材料及其组合在一定程度上降低了土壤中Zn的有效态性，3种钝化材料及其大多数组合降低了土壤Fe和Mn有效性。S₅F₁B₀组合同步钝化土壤Cd、Pb和As效率均较高，该处理土壤有效态Cd、有效态Pb、有效态As和有效态Zn含量比CK分别降低了30.9%、84.5%、60.2%和32.5%，有效态Mn含量上升了19.9%。土壤中有效态Cd、Pb、Zn和Mn含量与pH均显著负相关。S₅F₁B₀组合同步钝化复合污染土壤Cd、Pb、As的效率均较高，可适当提高土壤Mn的有效性，应用时需适当补充Zn元素。

关键词: 钝化材料, 镉, 铅, 砷, 中微量元素, 有效性

Abstract:

Screening out combined amendments, which can simultaneous immobilize cadmium (Cd), lead (Pb), arsenic (As) and have little effect on the availability of medium and trace elements, can provide a scientific basis for the remediation the acidic multi-heavy metals contaminated soil. A soil culture experiment was conducted to investigate the effectiveness of sepiolite (S), ferro-manganese ore powder (F) and biochar (B) and their combinations on the availability of Cd, Pb, As, zinc (Zn), iron (Fe) and manganese (Mn) in acidic multi-heavy metals contaminated soil at the same dose (6 g/kg soil). The results showed that sepiolite, Fe-Mn ore powder, biochar and their combinations increased soil pH and decreased the available concentrations of Cd, Pb and As in soil. The effectiveness of combined treatments on reducing the availability of Cd, Pb and As was better than that of single treatments. The three amendment materials and their combinations reduced the availability of Zn to a certain extent, and the three amendment materials and most of their combinations reduced the availability of Fe and Mn. The efficiency of simultaneous immobilization of Cd, Pb and As by S₅F₁B₀ combination was relatively high. Compared with the control, the concentration of available Cd, Pb, As, and Zn in soil treated with S₅F₁B₀ was reduced by 30.9%, 84.5%, 60.2% and 32.5%, respectively, while the concentration of available Mn was increased by 19.9%. The concentration of available Cd, Pb, Zn, and Mn were significantly negatively correlated with pH. The combination of S₅F₁B₀ had a high efficiency of simultaneous immobilization of Cd, Pb, and As in the multi-heavy metals contaminated soil, which could appropriately improve the Mn availability, and Zn should be properly supplied when the combination is applied.

Key words: amendment materials, cadmium, lead, arsenic, medium and trace elements, availability

周青云, 王辉, 许超, 武美燕, 罗尊长, 张泉, 朱奇宏, 朱捍华, 黄道友. 钝化材料组合对酸性土壤镉铅砷和中微量元素有效性的影响[J]. 中国农学通报, 2023, 39(14): 33-40.

ZHOU Qingyun, WANG Hui, XU Chao, WU Meiyan, LUO Zunchang, ZHANG Quan, ZHU Qihong, ZHU Hanhua, HUANG Daoyou. Effects of Combined Amendments on the Availability of Cadmium, Lead, Arsenic and Trace Elements in Acidic Soils[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2023, 39(14): 33-40.

图/表 5

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钝化材料	pH	CEC/ (cmol/kg)	有机质/ (g/kg)	总氮/ (g/kg)	重金属全量/(mg/kg)
钝化材料	pH	CEC/ (cmol/kg)	有机质/ (g/kg)	总氮/ (g/kg)	Cd	Pb	As	Zn	Mn	Fe
土壤	5.24	12.6	36.4	2.10	9.69	699.0	304.2	674.4	826.7	41129
海泡石	9.07	28.0			0.22	38.6	3.00	1.80	28.2
铁锰矿粉	7.19	3.3			4.34	13.6	33.9	5.61	32.2
生物炭	10.57	31.8			1.37	22.1	6.22	3.39	17.8

钝化材料	pH	CEC/ (cmol/kg)	有机质/ (g/kg)	总氮/ (g/kg)	重金属全量/(mg/kg)
钝化材料	pH	CEC/ (cmol/kg)	有机质/ (g/kg)	总氮/ (g/kg)	Cd	Pb	As	Zn	Mn	Fe
土壤	5.24	12.6	36.4	2.10	9.69	699.0	304.2	674.4	826.7	41129
海泡石	9.07	28.0			0.22	38.6	3.00	1.80	28.2
铁锰矿粉	7.19	3.3			4.34	13.6	33.9	5.61	32.2
生物炭	10.57	31.8			1.37	22.1	6.22	3.39	17.8

处理	钝化材料用量			处理	钝化材料用量			处理	钝化材料用量
处理	海泡石(S)	铁锰矿粉(F)	生物炭(B)	处理	海泡石(S)	铁锰矿粉(F)	生物炭(B)	处理	海泡石(S)	铁锰矿粉(F)	生物炭(B)
CK	0	0	0	S₄F₀B₂	4	0	2	S₁F₄B₁	1	4	1
S₆F₀B₀	6	0	0	S₃F₀B₃	3	0	3	S₁F₁B₄	1	1	4
S₀F₆B₀	0	6	0	S₂F₀B₄	2	0	4	S₃F₂B₁	3	2	1
S₀F₀B₆	0	0	6	S₁F₀B₅	1	0	5	S₃F₁B₂	3	1	2
S₅F₁B₀	5	1	0	S₀F₅B₁	0	5	1	S₂F₃B₁	2	3	1
S₄F₂B₀	4	2	0	S₀F₄B₂	0	4	2	S₂F₁B₃	2	1	3
S₃F₃B₀	3	3	0	S₀F₃B₃	0	3	3	S₁F₂B₃	1	2	3
S₂F₄B₀	2	4	0	S₀F₂B₄	0	2	4	S₁F₃B₂	1	3	2
S₁F₅B₀	1	5	0	S₀F₁B₅	0	1	5	S₂F₂B₂	2	2	2
S₅F₀B₁	5	0	1	S₄F₁B₁	4	1	1

处理	钝化材料用量			处理	钝化材料用量			处理	钝化材料用量
处理	海泡石(S)	铁锰矿粉(F)	生物炭(B)	处理	海泡石(S)	铁锰矿粉(F)	生物炭(B)	处理	海泡石(S)	铁锰矿粉(F)	生物炭(B)
CK	0	0	0	S₄F₀B₂	4	0	2	S₁F₄B₁	1	4	1
S₆F₀B₀	6	0	0	S₃F₀B₃	3	0	3	S₁F₁B₄	1	1	4
S₀F₆B₀	0	6	0	S₂F₀B₄	2	0	4	S₃F₂B₁	3	2	1
S₀F₀B₆	0	0	6	S₁F₀B₅	1	0	5	S₃F₁B₂	3	1	2
S₅F₁B₀	5	1	0	S₀F₅B₁	0	5	1	S₂F₃B₁	2	3	1
S₄F₂B₀	4	2	0	S₀F₄B₂	0	4	2	S₂F₁B₃	2	1	3
S₃F₃B₀	3	3	0	S₀F₃B₃	0	3	3	S₁F₂B₃	1	2	3
S₂F₄B₀	2	4	0	S₀F₂B₄	0	2	4	S₁F₃B₂	1	3	2
S₁F₅B₀	1	5	0	S₀F₁B₅	0	1	5	S₂F₂B₂	2	2	2
S₅F₀B₁	5	0	1	S₄F₁B₁	4	1	1

处理	pH	元素有效态含量
处理	pH	Cd	Pb	As
CK	5.27 ± 0.03 i	5.84 ± 0.54 a	7.57 ± 0.90 a	4.37 ± 0.27 a
S₆F₀B₀	5.61 ± 0 cd	3.51 ± 0.49 h	2.04 ± 0.23 h-l	1.98 ± 0.10 efg
S₀F₆B₀	5.30 ± 0.04 hi	5.24 ± 0.22 ab	3.58 ± 0.35 bcd	2.98 ± 0.30 c
S₀F₀B₆	5.62 ± 0.02 cd	3.98 ± 0.26 e-h	1.66 ± 0.29 jkl	2.46 ± 0.53 c-g
S₅F₁B₀	5.51 ± 0.04 ef	4.03 ± 0.14 d-h	1.17 ± 0.13 l	1.74 ± 0.11 g
S₄F₂B₀	5.46 ± 0.02 efg	4.62 ± 0.27 b-f	1.55 ± 0.29 kl	2.14 ± 0.35 d-g
S₃F₃B₀	5.39 ± 0 gh	4.45 ± 0.39 b-g	2.59 ± 0.03 e-j	2.53 ± 0.17 c-f
S₂F₄B₀	5.31 ± 0 hi	4.46 ± 0.29 b-g	2.99 ± 0.13 c-g	2.76 ± 0.19 cde
S₁F₅B₀	5.30 ± 0.01 hi	4.93 ± 0.27 bc	3.86 ± 0.30 bc	2.79 ± 0.21 cd
S₅F₀B₁	5.54 ± 0.03 def	3.65 ± 0.14 gh	2.10 ± 0.11 g-l	3.05 ± 0.11 c
S₄F₀B₂	5.54 ± 0.02 def	3.79 ± 0.27 fgh	1.55 ± 0.22 kl	2.89 ± 0.08 cd
S₃F₀B₃	5.54 ± 0.03 def	3.77 ± 0.10 fgh	1.63 ± 0.25 kl	1.97 ± 0.06 fg
S₂F₀B₄	5.55 ± 0.01 de	3.87 ± 0.19 e-h	2.62 ± 0.24 b-h	2.71 ± 0.29 c-f
S₁F₀B₅	5.55 ± 0.04 def	3.52 ± 0.19 h	2.39 ± 0.21 f-k	3.17 ± 0.02 bc
S₀F₅B₁	5.30 ± 0.02 hi	5.00 ± 0.05 abc	3.59 ± 0.11 bcd	3.05 ± 0.08 c
S₀F₄B₂	5.32 ± 0.03 hi	4.89 ± 0.11 bc	3.78 ± 0.23 bcd	3.12 ± 0.17 c
S₀F₃B₃	5.54 ± 0.04 def	4.28 ± 0.21 c-h	3.19 ± 0.32 c-f	2.76 ± 0.08 cde
S₀F₂B₄	5.66 ± 0.05 bc	4.35 ± 0.14 c-f	2.31 ± 0.09 f-k	2.66 ± 0.23 c-f
S₀F₁B₅	5.68 ± 0.01 abc	3.89 ± 0.12 e-h	1.85 ± 0.21 i-l	2.70 ± 0.24 c-f
S₄F₁B₁	5.76 ± 0 a	3.99 ± 0.31 d-g	2.11 ± 0.19 g-l	2.51 ± 0.25 c-f
S₁F₄B₁	5.46 ± 0.03 fg	4.86 ± 0.14 bcd	3.41 ± 0.24 b-e	2.61 ± 0.14 c-f
S₁F₁B₄	5.71 ± 0.04 ab	4.36 ± 0.17 c-f	2.86 ± 0.13 d-h	2.57 ± 0.22 c-f
S₃F₂B₁	5.61 ± 0 cd	4.55 ± 0.56 b-f	3.78 ± 0.32 bcd	2.40 ± 0.82 c-g
S₃F₁B₂	5.71 ± 0 ab	4.34 ± 0.22 c-f	3.41 ± 0.18 b-e	2.95 ± 0.36 c
S₂F₃B₁	5.67 ± 0.07 abc	4.54 ± 0.33 b-f	4.28 ± 0.50 b	3.83 ± 0.07 ab
S₂F₁B₃	5.73 ± 0.01 ab	3.97 ± 0.20 e-h	3.07 ± 0.16 c-f	3.05 ± 0.04 c
S₁F₂B₃	5.68 ± 0.01 abc	4.64 ± 0.15 b-e	3.56 ± 0.08 bcd	3.80 ± 0.19 ab
S₁F₃B₂	5.62 ± 0.03 cd	4.46 ± 0.10 b-g	3.93 ± 0.40 bc	3.88 ± 0.02 a
S₂F₂B₂	5.61 ± 0.01 cd	4.68 ± 0.22 b-e	3.80 ± 0.31 bc	3.04 ± 0.11 c

钝化材料组合对酸性土壤镉铅砷和中微量元素有效性的影响

Effects of Combined Amendments on the Availability of Cadmium, Lead, Arsenic and Trace Elements in Acidic Soils

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处理	Zn	Fe	Mn	处理	Zn	Fe	Mn
CK	177.0 ± 10.4 a	1.45 ± 0.13 ab	316.8 ±31.4 b-f	S₀F₄B₂	170.8 ± 1.8 abc	0.52 ± 0.05 i	367.4 ± 30.3 ab
S₆F₀B₀	97.4 ± 13.0 m	1.03 ± 0.05 c-g	287.6 ±25.3 c-g	S₀F₃B₃	150.1 ± 5.9 b-f	1.38 ± 0.13 a-d	294.3 ±11.8 c-g
S₀F₆B₀	171.4 ± 7.0 ab	0.92 ± 0.13 e-h	420.7 ± 6.2 a	S₀F₂B₄	147.0 ± 6.8 c-g	0.89 ± 0.13 e-i	329.1 ±13.0 bcd
S₀F₀B₆	116.4 ± 7.0 i-m	1.04 ± 0.06 c-g	335.4 ± 28.5 bc	S₀F₁B₅	123.7 ± 4.8 g-l	0.82 ± 0.08 ghi	280.8 ±22.2 c-g
S₅F₁B₀	119.4 ± 3.7 h-m	1.51 ± 0.16 a	379.9 ± 27.6 ab	S₄F₁B₁	126.5 ± 9.3 f-l	0.79 ± 0.11 ghi	280.1 ±24.4 c-g
S₄F₂B₀	138.0 ± 6.2 d-i	0.95 ± 0.15 e-h	406.6 ± 40.0 a	S₁F₄B₁	153.6 ± 4.7 a-d	1.43 ± 0.18 abc	315.5 ±16.1 b-f
S₃F₃B₀	152.3 ± 13.1 b-e	0.99 ± 0.18 d-g	335.6 ± 30.3 bc	S₁F₁B₄	121.8 ± 5.5 h-l	0.80 ± 0.13 ghi	247.3 ± 8.4 g
S₂F₄B₀	155.3 ± 10.0 a-d	0.88 ± 0.02 e-i	319.1 ± 33 b-e	S₃F₂B₁	128.6 ± 16.9 e-l	0.75 ± 0.12 ghi	251.2 ± 33.3 fg
S₁F₅B₀	168.6 ± 8.0 abc	1.22 ± 0.13 a-f	335.5 ± 15.7 bc	S₃F₁B₂	116.7 ± 6.3 i-m	0.84 ± 0.14 f-i	232.1 ± 9.3 g
S₅F₀B₁	105.7 ± 3.6 lm	1.11 ± 0.02 b-g	241.6 ± 0.6 g	S₂F₃B₁	132.2 ± 9.0 d-k	1.08 ± 0.16 b-g	263.5 ±19.1 d-g
S₄F₀B₂	110.1 ± 8.1 klm	0.78 ± 0.09 ghi	245.0 ± 3.0 g	S₂F₁B₃	112.2 ± 7.5 j-m	0.98 ± 0.08 e-h	239.6 ± 10.8 g
S₃F₀B₃	111.7 ± 3.7 j-m	0.89 ± 0.14 e-i	263.1 ± 7.6 d-g	S₁F₂B₃	139.8 ± 3.8 d-i	1.04 ± 0.18 c-g	281.0 ± 6.4 c-g
S₂F₀B₄	119.2 ± 3.2 h-m	1.24 ± 0.18 a-e	278.4 ± 12.1 c-g	S₁F₃B₂	134.9 ± 2.5 d-j	0.78 ± 0.05 ghi	273.5 ± 4.9 c-g
S₁F₀B₅	108.0 ± 3.5 lm	0.81 ± 0.08 ghi	251.7 ± 28.3 efg	S₂F₂B₂	142.0 ± 2.6 d-h	0.87 ± 0.15 e-i	293.5 ±16.7 c-g
S₀F₅B₁	172.8 ± 2.7 ab	0.59 ± 0.07 hi	403.1 ± 11.9 a

	pH	CaCl₂-Cd	CaCl₂-Pb	KH₂PO₄-As	CaCl₂-Zn	CaCl₂-Fe	CaCl₂-Mn
pH	1	-0.588^**	-0.351^*	-0.095	-0.726^**	-0.138	-0.675^**
CaCl₂-Cd		1	-0.792^**	-0.485^**	-0.898^**	-0.106	-0.525^**
CaCl₂-Pb			1	-0.770^**	-0.627^**	-0.153	-0.020
KH₂PO₄-As				1	-0.367*	-0.025	-0.181
CaCl₂-Zn					1	-0.047	-0.657^**
CaCl₂-Fe						1	-0.073
CaCl₂-Mn							1

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