蔺海明，陈 馨，刘 恬，马建源，王玉鹏，杜 松，魏公河

（1.甘肃西部凹凸棒石应用研究院，甘肃 白银 730900； 2.甘肃省凹凸棒石工程技术研究中心，甘肃 白银 730900；3.北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京100029；4.甘肃省生态环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730000；5.甘肃省凹凸棒石矿产资源综合利用工程研究中心，甘肃 白银 730900；6.山东万新威纳材料科技有限公司，山东 临沂 276000）

20多年来，我国粮食主产区耕地土壤重金属污染呈上升趋势，污染物以铅、汞、镉、钴为主。随着我国工业化、城市化、农业集约化快速发展，农田土壤重金属污染和食品安全问题日渐突出。重金属的开采、冶炼、加工过程易造成耕地、环境的严重污染，由于大气、地表径流的传播导致不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入食物链浓缩，从而对人类健康造成危害。重金属进入人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的化学反应，使其失去活性，也可能在人体器官中富集，超过限度时，会造成人体中毒危害。

白银市是国家重要的有色金属工业和化工基地。历史上东大沟上游的白银公司露天矿、小铁山矿、选矿厂等排放大量含重金属粉尘、尾砂、废渣、废水等污染物，东大沟河道底泥中重金属污染物逐年沉积，主要有砷、镉、铅、铜等，底泥中各类重金属超过背景值最高达上千倍。张钊熔［1］的研究表明，东大沟水体主要的重金属污染为Cd、Hg、Pb、Cu不同程度的复合污染，其生态危害风险程度 Cd＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr，东大沟大部分河段底泥潜在生态风险指数为严重。吕浩阳等［2］的研究表明，水泥在重金属污染场地修复工程中具有良好的优势。刘白林等［3］对甘肃白银东大沟流域农田土壤重金属污染现状及其在土壤—作物—人体系统中的迁移转化规律进行了研究。

凹凸棒石（Attapulgite）也叫坡缕石，是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的黏土矿。中国的凹凸棒石矿产量居世界第一。甘肃白银、张掖等地发现大量凹凸棒石矿带，以其分布广泛、交通便利引起各界广泛关注［4］。甘肃的凹凸棒石因海相沉积的原因富含植物生长所需的铜、锌、钒、钼、硒、碘、铁、硼等多种有益微量元素，且其微观空间结构具有较大的比表面积，使其具有较强吸附性和缓释性［5］。陈馨、蔺海明等［6］的研究表明，凹凸棒石可有效吸附土壤重金属。

我国农田土壤污染日益严重，已经成为亟待解决的民生问题之一。随着社会经济的发展，人们对食品安全表现出很大的重视，因此开展对新常态下农田土壤污染防治关键问题的研究十分重要。农田土壤是人们赖以生活的物质基本保障，随着人们对土壤污染危害认识的深入，加强土壤污染防治已逐步成为社会共识［7］。杜韶光等［8］指出，我国目前土壤污染很不乐观，需结合土壤的具体情况制定出合理的改良方案，以达到土壤污染治理的目的。我们研究的目的是利用甘肃丰富的凹凸棒石矿产资源与LC-S01高分子材料通过恰当复配，使土壤中重金属钝化并降低作物吸收量。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃省白银市白银区四龙镇双合村东大沟，距离白银市区23 km，距离黄河8 km。东大沟沿途分布着大小20多家工业企业，在生产过程中将大量含有铜、铅、锌、镉和砷等重金属的废水直接通过东大沟排入黄河。试验地为东大沟沿岸的耕地。

1.2 供试材料

指示作物为苦荞麦。土壤修复调理剂LC-L01，由江苏隆昌化工有限公司/北京化工大学提供；改性凹凸棒石粉（PAL），由甘肃良兴凹凸棒石应用有限公司提供。

1.3 试验设计与方法

试验共设3个处理，处理T1，LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）；处理 T2，PAL（4 500.0 kg/hm2）；处理 T3，空白（CK）。试验采用单因子随机排列，3次重复，小区面积17.5 m2（5.0 m×3.5 m），小区间设0.5 m的隔离带。

在苦荞生长期内每隔12 d采样1次，测定苦荞株高、根长、单株鲜（干）重、茎粗等性状指标，共测定5次，收获时测定苦荞产量，用微波消解法测定荞麦的根、茎、籽粒中重金属Cu、Zn、Cd、Pb的含量。重金属吸收量由北京化工大学测定。

测定仪器为原子吸收光谱仪、游标卡尺、直尺、微波消解——电感耦合等离子发射光谱仪、电子秤等。

1.4 数据处理

所有数据使用SPSS19.0统计软件进行分析，采用Duncan对各处理之间进行差异显著性分析。采用Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 荞麦生长性状及产量对PAL与LC-S01材料的响应

2.1.1 苦荞生长性状 从表1可知，10月12日的处理T 1和处理T2，苦荞株高比对照分别增高18.26、7.94 cm，增长率分别为44.7%、19.4%，2种材料均能促进荞麦株高增加。根长处理T1和处理T2与对照差异均不显著。与对照相比，单株鲜重、单株干重和茎粗处理T1分别增长109.9%、59.4%和28.2%，处理T2分别增长71.0%、13.2%和7.22%。表明2种土壤调节剂均有促进荞麦生长发育和物质积累的作用，这种趋势在荞麦的整个生长季节基本一致。

2.1.2 苦荞产量 由图1可以看出，处理T1和处理T2均较对照增产，增产率分别为8.05%、20.44%。说明施用凹凸棒石（PAL）复配LC-S01修复材料和单施PAL均对苦荞产量的提高具有促进作用，并且在施用PAL（4 500.0 kg/hm2）时增产差异显著（P＜0.05）。增产的主要原因是凹凸棒石本身的超大空间结构以及其含有植物所需的营养物质，另一方面可能是高分子材料LC-S01对土壤中的重金属有一定的钝化效果，从而促进苦荞产量提高。

2.1.3 不同处理的苦荞性状指标间相关性分析 对苦荞各性状指标进行Pearson相关性分析的结果（表2）表明，处理T1的根长与单株鲜重、单株干重显著相关；处理T2的株高与根长、单株干重、茎粗，根长与单株干重，单株干重与茎粗显著相关；处理T3的株高与单株鲜重、茎粗，根长与茎粗，单株鲜重与茎粗显著相关。说明在不同处理下，苦荞各性状指标间显著相关（P<0.01，或P<0.05）。

表1 不同采样时期各处理的荞麦生长性状

2.2 苦荞主要器官重金属吸收量对PAL与LC-S01材料的响应

2.2.1 苦荞根对重金属的吸收量 对成熟期苦荞各组织中Cu、Zn、Cd和Pb吸收量的测定结果（表3）表明，处理T1、处理T2的荞麦根对Cu的吸收量比对照分别降低74.99%、25.82%，对Zn的吸收量比对照分别降低64.33%、22.54%，对Cd的吸收量比对照分别降低15.25%、12.07%，对Pb的吸收量比对照分别降低89.10%、23.82%。表明：施用LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）对苦荞根吸收Cu、Zn、Cd和Pb离子均有明显的抑制效果，施用PAL（4 500.0 kg/hm2）的抑制效果次之。

表2 施用不同材料配比的苦荞各性状指标相关性

表3 苦荞根对重金属的吸收量

2.2.2 苦荞茎对重金属的吸收量 从表4可知，与CK相比，处理T1、处理T2的荞麦茎对重金属的吸收量没有显示出规律性，如Cu在施用PAL（4 500.0 kg/hm2）处理的吸收量为14.97 mg/kg，较对照增加17.41%；而施用LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）处理的吸收量仅为6.11 mg/kg，较对照降低52.08%。施用LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）和 PAL（4 500.0 kg/hm2）处理的Zn的吸收量分别下降49.72%和15.60%，Cd吸收量下降65.95%和11.16%；Pb只在施 用 LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）的处理中降低，下降率为41.07%。综合分析表明，施用LC-S01（1500.0kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）时苦荞茎叶对 Cu、Zn、Cd和Pb的吸收量具有明显的抑制效果，但PAL（4 500.0 kg/hm2）处理对其他重金属吸收的抑制作用没有规律性，其原因有待进一步研究。

2.2.3 苦荞籽粒对重金属的吸收量 从表5可以看出，处理T1的苦荞籽粒中，Cu、Zn、Cd、Pb的吸收量比对照分别降低23.52%、23.31%、43.88%、60.96%；处理T2的苦荞籽粒中，只有Pb的吸收量比对照降低3.32%，Cu、Zn、Cd的吸收量均比对照增加。总体来看，施用LC-S01（1 500.0 kg/hm2）+PAL（3 000.0 kg/hm2）时，对苦荞籽粒中Cu、Zn、Cd和Pb的吸收量具有明显的抑制作用。

表4 苦荞茎对重金属的吸收量

表5 苦荞籽粒对重金属的吸收量

3 结论与讨论

研究了凹凸棒石（PAL）与LC-S01的不同配比材料对土地重金属钝化和降低作物的吸收量的影响。结果表明：施PAL 4 500.0 kg/hm2时，能有效提高苦荞产量，比对照增产20.4%。施LC-SO1 1 500.0 kg/hm2+凹凸棒石3 000.0 kg/hm2时，根、茎、籽粒对重金属吸收量不同程度地降低，籽粒对Cu、Zn、Cd和Pb的吸收量分别降低了23.5%、23.3%、43.9%和61.0%，具有修复重金属污染的积极作用。

无论土壤调理剂LC-S01和凹凸棒石（PAL）复配施用，还是凹凸棒石（PAL）单施均有提高荞麦产量的作用，并影响荞麦的生长性状变化，而且多数为积极效应。分析原因，一是凹凸棒石本身富含多种营养元素，可增加土壤中呈短板的元素物质；二是影响了土壤中重金属的有效态。刘骐华等［9］的研究表明，铜、镉、铅在胁迫程度加大情况下，可以抑制作物的生长。我们应用凹凸棒石粉（PAL）复配LC-S01土壤复合材料，主要目的减少土壤中的重金属进入作物，从而保障食品健康安全。

凹凸棒石粉（PAL）复配LC-S01土壤修复材料可有效降低苦荞的根、茎、籽粒对重金属的吸收量，且富集量减少，符合植物生理学原理。刘骐华等［9］、王欣若等［10］研究表明，铜、镉、铅在随着胁迫程度的加剧，各项指标均呈下降趋势而受到抑制；低浓度镉、铅胁迫会有促进作用。我们的研究结果与前人结论一致。

凹凸棒石纳米级多孔结构的特性、吸附性、缓释性，以及甘肃的凹凸棒石本身含有植物需要的各类微量元素，对于作物增产有显著的促进作用；高分子材料LC-S01可利用自身化学特性通过化学反应将土壤中的重金属钝化，将游离态转化成化合态。二者复配施用可有效钝化土壤中重金属，降低作物对重金属的吸收。