改性粘土矿物对农作物镉吸收的影响.pdf

农业与技术 农业科学改性粘土矿物对农作物镉吸收的影响汪丹周伟张阳阳李科余庆张春良闫加力王梦园(湖北省地质科学研究院/湖北省富硒产业研究院 湖北 武汉 湖北省硒生态环境效应检测中心 湖北 武汉 湖北省地质局第二地质大队 湖北 恩施 长江大学 湖北 荆州)摘 要:恩施土家族苗族自治州土壤镉元素与硒元素的空间分布具有较大的相关性 为合理开发利用恩施地区富硒土壤资源 降低农作物对土壤中镉的吸收 本文对海泡石和凹凸棒石 种粘土矿物进行改性 并采集恩施富硒高镉区表层耕地土壤开展盆栽试验 研究在添加不同改性粘土矿物情况下 大蒜鳞茎对土壤中镉的吸收情况 并探讨改性粘土矿物对土壤中重金属钝化的机理 结果表明:天然海泡石和凹凸棒石均可作为镉钝化剂对土壤中的镉进行吸附固定 且天然海泡石降镉效果优于凹凸棒石 改性后的粘土矿物均能有效降低大蒜中镉含量的积累浓度胡敏酸溶液有机改性后的海泡石以及 溶液碱改性后的凹凸棒石在施用量为 时降镉效果最佳 生产出的大蒜镉含量均未超过食品安全国家标准关键词:改性 海泡石 凹凸棒石 大蒜 恩施中图分类号:文献标识码:/收稿日期:基金项目:湖北省地质局科技项目富硒地区典型金属元素与硒的耦合效应及生态风险研究(项目编号:)恩施州富硒土地资源生态地球化学研究(项目编号:)农作物富硒降镉技术研究示范(项目编号:)恩施州绿色富硒中草药开发利用与示范(项目编号:)作者简介:汪丹()女 硕士 工程师 研究方向:农业地质 地球化学 通讯作者王梦园()女 硕士 工程师 研究方向:农业地质 恩施土家族苗族自治州 万表层土壤硒元素与镉元素的地球化学调查数据分析表明 高硒区常伴生着高镉的存在 镉元素与硒元素的空间分布具有较大的相关性 降低农作物对土壤中镉的吸收 合理开发利用恩施地区富硒土壤资源 是解决恩施地区富硒农作物安全生产的关键粘土矿物由于具有较大的比表面积和较强的吸附能力 可以与土壤中重金属发生离子交换作用 从而固定土壤中的重金属 已被广泛开发用作土壤调理剂对土壤进行改良 谭科艳等研究表明 通过向安徽铜陵地区重金属污染土壤中适量添加凹凸棒石 镉元素的修复率达到 等发现 向土壤中添加海泡石、膨润土能有效降低土壤中镉的有效性 进而降低水稻根、茎、叶、糙米及稻壳中的镉浓度 陈思霖等研究表明 海泡石、凹凸棒石的施用可以促进土壤中镉的形态由弱酸提取态向残渣态转变 降低了土壤中镉的生物有效性但是天然粘土矿物具有杂质多、腔孔阻塞、自负载能力低和金属结合常数小等缺点 限制了其在重金属吸附中的应用 需要进行改性以提高粘土矿物的吸附性能 近年来土壤调理剂改性受到了研究者的广泛重视 常用的改性方法有酸改性、热改性、碱改性、磁化改性和有机改性等 尹亚欧通过利用胡敏酸对蛭石进行改性 得出了改性蛭石对镉的吸附能力有明显升高的结论 马烁等研究表明 海泡石铁改性后对 的吸附效率增加海泡石和凹凸棒石在重金属污染治理中具有很大的潜力 本文通过有机改性、铁改性和碱改性等方法分别对 种粘土矿物的吸附性能进行改进 并应用于以恩施富硒高镉土壤为供试土壤的大蒜盆栽试验中 研究在添加不同改性粘土矿物情况下 大蒜鳞茎对土壤中镉的吸收情况 并探讨改性后粘土矿物对土壤中重金属钝化的机理 从而为土壤重金属修复治理以及恩施州富硒土壤安全利用提供理论依据 材料与方法 试验材料试验于 年 月 日 年 月 日在 农业科学 农业与技术 大棚中开展 供试大蒜为恩施紫皮大蒜 供试土壤为恩施市新塘乡富硒高镉地区表层耕作土壤 供试海泡石和凹凸棒石粒径均为 纯度分别为 和 试验方法 改性海泡石制备将胡敏酸加蒸馏水后 用 调节 至 再加入胡敏酸 用 的 溶解胡敏酸 制备成、浓度的胡敏酸溶液 待其充分溶解后 将海泡石分别与 种浓度的胡敏酸溶液按照固液比 混合搅拌 静置沉淀后弃去上层清液将下层沉淀离心水洗 遍 然后置于烘箱中烘干、研磨 改性凹凸棒石制备 铁改性凹凸棒石制备将凹凸棒石烘干后与 溶液按照固液比 混合搅拌 静置沉淀后弃去上层清液 将下层沉淀水洗直至出水中不含 和 为止 然后将沉淀置于烘箱中烘干、研磨 碱改性凹凸棒石制备 溶液 按照固液比 在 搅拌 蒸馏水洗涤后在 烘箱干燥、研磨 试验设计 改性海泡石试验设计大蒜盆栽试验设置 不添加土壤调理剂的空白对照组 添加不同质量的天然海泡石()、()、()试验组 以及添加 胡敏酸改性海泡石试验组()和 胡敏酸改性海泡石试验组()种改性海泡石均设置与、相同的 个浓度梯度 每个处理 个重复 试验设计如表 所示表 改性海泡石试验设计表处理土壤调理剂改性条件 施用浓度/()海泡石改性海泡石胡敏酸改性海泡石胡敏酸 改性凹凸棒石试验设计大蒜盆栽试验设置 不添加土壤调理剂的空白对照组 添加不同质量的天然凹凸棒石()、()、()试验组 以及添加铁改性凹凸棒石()和碱改性海泡石试验组()种改性海泡石均设置与、相同的 个浓度梯度 每个处理 个重复 试验设计如表 所示表 改性凹凸棒石试验设计表处理土壤调理剂改性条件施用浓度/()凹凸棒石 铁改性凹凸棒石 碱改性凹凸棒石 试验测试大蒜成熟期采集鳞茎部分进行测试 样品分析主要由湖北省地质实验测试中心承担 按照 土壤地球化学样品分析测试质量要求及质量控制 要求进行测试 利用原子荧光光谱法()测试大蒜中镉含量 统计分析利用 软件进行数据处理 采用 软件进行图件绘制 结果与分析 改性海泡石对农作物镉含量影响大蒜成熟期鳞茎部分镉含量如图 所示 空白对照组大蒜中镉含量为 远超 食品安全国家标准食品中污染物限量()规定的大蒜镉标准限值 施用不同质量的天然海泡石()后 大蒜中镉的含量下降趋势明显 分别为 、降幅为 表明天然海泡石可以通过吸附固定土壤中的镉 有效降低大蒜对镉的吸收积累通过将海泡石与不同浓度的胡敏酸复合进行改性()相对于空白对照组 改性后的海泡石均有效降低了大蒜中镉含量的积累 下降幅度 农业与技术 农业科学 对比相同施用浓度下天然海泡石试验组()除 试验组相对于天然海泡石试验组 降镉效果不显著 其余试验组大蒜鳞茎中镉含量均呈现明显下降趋势 镉含量范围为 其中 浓度胡敏酸溶液改性后的海泡石 在施用量为 和 时 对大蒜中镉含量累积抑制效果最为明显 降幅分别达到 和 当施用量为 时大蒜镉含量未超过食品安全标准总体而言 天然海泡石对土壤中的镉吸附效果显著 有机改性后的海泡石除 胡敏酸改性后的海泡石在施用量为 时大蒜中镉含量未发生明显降低 其余改性后的海泡石降镉效果相对于天然海泡石均有显著提升 因为存在于海泡石 四面体外缘或 基团断裂形成的 基团与重金属离子表面形成了络合吸附 又因胡敏酸含有多种官能团及其巨大的反应面 可以通过吸附作用或形成稳定络合物等方式与重金属离子络合/螯合 降低重金属离子的迁移率 当利用胡敏酸对海泡石进行改性之后 由于胡敏酸易与粘土矿物形成有机膜或颗粒状有机物而展现出巨大的表面积和高度的表面活性进一步增强对镉的吸附和固定作用 从而降低镉的生物有效性图 不同改性海泡石调理剂对大蒜镉含量的影响 改性凹凸棒石对农作物镉含量影响大蒜成熟期鳞茎部分镉含量如图 所示 土壤施用不同质量的天然凹凸棒石()后 相对于空白对照组 大蒜中镉含量均有所下降 其中 试验组降幅最为显著 达到 但是镉含量()依旧高于国家标准 食品安全国家标准食品中污染物限量()和 试验组降幅不明显 分别为 和 可见天然凹凸棒石对土壤中镉具有一定的吸附作用 但是吸附效果受施用量影响较大 且吸附效果远不如天然海泡石通过将凹凸棒石分别与 和 混合后进行改性 改性后的铁改性凹凸棒石()与碱改性凹凸棒石试验组()相对于天然凹凸棒石试验组()在相同浓度的粘土矿物施用下 改性后的凹凸棒石对大蒜镉含量的积累均起到了抑制作用 其中铁改性凹凸棒石试验组大蒜中镉含量范围为 降幅为 碱改性凹凸棒石试验组大蒜中镉含量范围为 降幅为 相比而言 碱改性凹凸棒石试验组对大蒜的降镉效果要优于铁改性凹凸棒石试验组 尤其是 试验组 降镉效果为 种改性凹凸棒石中最佳 大蒜中镉含量达到食品安全国家标准 可在土壤镉污染地区进行展开进一步研究总体而言 改性后粘土矿物对农作物中镉含量的积累起到抑制作用 推测铁改性凹凸棒石由于粘土矿物表面引入铁基后 能与重金属离子发生亲电反应并形成稳定的配位螯合物 加强了对土壤中镉的吸附 而碱改性凹凸棒石由于经过碱化处理 可以使粘土的孔道发生变化 改变矿物的晶相结构 增大比表面积 从而增加了对土壤中重金属离子的吸附能力 改性凹凸棒石能显著提高土壤 值 显著降低镉的活性 从而对土壤中重金属镉具有良好的钝化作用图 不同改性凹凸棒石调理剂对大蒜 含量的影响 结论天然海泡石和凹凸棒石均可作为镉钝化剂对土壤中的镉进行吸附固定 后者吸附效果受施用量影响较大 且天然海泡石降镉效果优于凹凸棒石除处理 外的有机改性海泡石试验组 以及铁改性、碱改性凹凸棒石试验组均能提升原始粘土矿物对重金属的吸附能力 且能有效降低大蒜中镉含量的积累浓度胡敏酸溶液有机改性后的海泡石以及 溶液碱改性后的凹凸棒石在施用量为 时降镉效果最佳 生产出的大蒜镉含量均 农业科学 农业与技术 未超过食品安全国家标准参考文献 唐世琪 万能 曾明中 等.恩施地区土壤与农作物硒镉地球化学特征.物探与化探 ():.汪丹 周伟 王梦园 等.土壤调理剂对马铃薯降镉效果研究.绿色科技 ():.杨秀红 胡振琪 张迎春.利用工业矿物治理重金属污染土壤的探讨.金属矿山 ():.谭科艳 刘晓端 刘久臣 等.凹凸棒石用于修复铜锌镉重金属污染土壤的研究.岩矿测试 ():.:.陈思霖 张淑琴 赵莹莹 等.黏土矿物对镉污染土壤的原位钝化修复.化学工程师 ():.:.孟雪芬 冯辉霞 张斌 等.海泡石的改性方法及其应用研究进展.应用化工 ():.李一京 谢鑫 袁苗苗 等.凹凸棒石改性方法及研究进展.当代化工研究 ():.尹亚鸥.改性蛭石胡敏酸复合吸附剂对镉、砷的吸附特性与机制研究.长沙:中南林业科技大学.马烁 熊双莲 熊力 等.铁改性海泡石吸附镉和砷效果及其影响因素.水处理技术 ():.:.():.食品安全国家标准 食品中污染物限量.北京:中国标准出版社.徐应明 梁学峰 孙国红 等.海泡石表面化学特性及其对重金属、吸附机理研究.农业环境科学学报 ():.陶玲 全百龙 杨万辉 等.碱改性凹凸棒石对土壤中锅化学形态及环境风险的影响.岩矿测试 ():.(责任编辑 贾灿)