改性蛭石-蒙脱土对煤矸石充填复垦区镉污染土壤的修复分析

贾 宪

（晋能控股煤业集团物流有限公司，山西 忻州 037000）

引言

山西省是我国最大的煤炭生产地之一。截止至2021 年1 月份，山西省生产煤矿达到了670 座，仅忻州市煤矿就达到44 座，年生产能力最高可达800 万t。飞速发展的煤矿生产事业不仅为忻州市带来了巨大的经济收益，而且引发了日益严重的存量土地萎缩问题。而煤矸石充填复垦是煤矿行业存量土地整合利用的有效手段之一，重金属污染则是阻碍这一存量土地利用手段实施的主要因素。因此，从二氧化锰改性蛭石-蒙脱土着手，探究煤矸石充填复垦区重金属——镉污染土壤的修复方法非常必要。

1 材料与方法

1.1 试验材料

样本材料源于山西省忻州市煤矸石充填复垦区，样品采集深度为0 cm～20 cm。在选定的土壤采样点同步收集青菜，依据每5 株～10 株为一个单元的标准，包装青菜样本。

试验材料为二氧化锰改性后蛭石-蒙脱土（VER-Mt），二氧化锰由硫酸锰与高锰酸钾反应获得[1]。

1.2 试验方法

试验方法为盆栽试验法，准备50.0 cm×30.0 cm×30.0 cm（长×宽×深）花盆，先加入过20 目（0.85 mm）筛后农田土，作为对照组。加入二氧化锰改性蛭石-蒙脱土作为实验组。实验组包括3 个处理。处理1 中改性蒙脱石的添加量为2.5 g/kg，处理2 中改性蒙脱石的添加量为5.0 g/kg，处理3 中改性蒙脱石的添加量为15 g/kg。

处理后，每一个花盆中均加入等量的氮磷钾复合肥、改良剂、水。平衡30 d，每盆播种25 粒青菜种，依据常规方法播种、管理。90 d 后，随机选取青菜进行实验。

实验中土壤pH 测定方法为pH 计测量；土壤中镉含量测定方法为消解法、石墨炉原子吸收光谱法；青菜体内各部位镉含量测定方法为微波消解法+悬汞电极微分脉冲谱溶出法；青菜生长状况测定方法为软尺测量法。

1.3 数据处理

数据处理方法为Excel2020、SPSS26.0 软件。

2 结果与讨论

2.1 VER-Mt 对土壤中各形态镉含量变化的影响

土壤中镉存在形式包括铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态、有机物结合态、残渣态、可交换态等。不同形态的镉反映了其在土壤中的迁移特征、潜在危害[2]。对照组与实验组不同形态的镉含量变化如表1。

表1 VER-Mt 处理前、后土壤中不同形态镉的平均含量变化（mg·kg-1）

如表1 所示，利用VER-Mt，可以促使复垦区可交换态镉含量下降、残渣态镉含量上升，铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态、有机物结合态的镉含量变化不明显，但总体呈现下降状态。

2.2 VER-Mt 对土壤pH 值的影响

土壤pH 是复垦区土壤关键属性之一，也是土壤形成、熟化过程判定依据[3]。土壤pH 值对土壤内镉的有效形态也具有一定影响，进而干扰植物吸收营养元素效率。一般在土壤pH 值向高水平发展的情况下，土壤内水合氧化物含量也较高，会促使有机物负电荷、黏土矿物负电荷向高水平发展，降低镉有效浓度。

忻州市煤矸石充填复垦区原土（对照组）pH 平均值为6.80，最大值为6.93，最小值为6.59，为弱酸性。而利用VER-Mt 对复垦区土壤进行处理后，土壤pH平均值达到7.18（处理1）、7.32（处理2）、7.38（处理3），表明VER-Mt 可以提高土壤pH 值，降低镉有效浓度。

2.3 VER-Mt 对青菜体内各部位镉含量的影响

对照组青菜茎叶中镉含量为0.055 mg/kg，根系中镉含量为0.135 mg/kg。相较于对照组来说，处理1 青菜茎叶中镉含量下降了0.007 mg/kg，根系中镉含量下降了0.005 mg/kg；处理2 青菜茎叶镉含量下降了0.013 mg/kg，根系中镉含量下降了0.017 mg/kg；处理3青菜茎叶镉含量下降了0.018 mg/kg，根系中镉含量下降了0.032 mg/kg。表明施用VER-Mt 可以改善青菜富集重金属镉的情况，降低青菜健康生态风险。

2.4 VER-Mt 对青菜生长状况的影响

以青菜株高、总重为对象，对10 d 后的青菜苗、90 d 后的收获青菜生长状况对比。得出,对照组因镉活性过高，青菜苗出现叶片发黄、枯萎、根部腐烂情况，90 d 后的青菜株高、总重也处于最低水平。相较于对照组而言，处理1 的青菜鲜重增加了7.45%，株高增加了0.62%；处理2 的青菜鲜重增加了23.55%，株高增加了9.52%；处理3 的青菜鲜重增加了42.36%，株高增加了13.65%。表明施加VER-Mt 对青菜生长具有显著的促进作用。

3 结果分析

3.1 VER-Mt 对土壤理化性质及镉含量影响

添加VER-Mt 后，其表面附着的可溶性盐基离子可以与土壤氢离子发生交换反应，如钾离子、钠离子、镁离子等，促使土壤氢离子含量向低水平发展，促使土壤碱性上升。

可交换态镉活性在复垦区植物镉吸收中发挥着关键作用，其含量与复垦区恢复效果呈负相关；而残渣态是一种程度较强的结合态，无法被植物吸收，其含量与复垦区修复效果呈正相关。通过添加VER-Mt可以提高残渣态镉含量，降低可交换态镉含量，提高复垦区修复效果。

3.2 VER-Mt 对青菜生长状况影响

VER-Mt 可以疏松土壤、吸收水分、保持土壤营养浓度，降低镉等重金属对青菜的毒害作用，有效促进青菜生长。同时，随着VER-Mt 添加量的增加，其对青菜生长状况的促进作用也逐步提升，但在达到一定值后，其对青菜生长的促进作用也进入稳定状态。

4 结语

综上所述，影响山西省忻州市煤矸石充填复垦区修复的镉存在形态为可交换态、残渣态，两者含量呈负相关。施加经二氧化锰变更性质的蛭石-蒙脱土后，两种形态的镉含量分别向低水平、高水平发展，总镉活化率表现出显著下降趋势。

原区土壤样酸碱度为6.80，利用二氧化锰改性蛭石-蒙脱土后，酸碱度达到7.10。表明经二氧化锰变更性质的蛭石-蒙脱土可以将偏酸性土壤调整为中性。

在复垦区，青菜根部、茎叶会富集镉。而施加经二氧化锰改性后的蛭石-蒙脱土，可以促使青菜根部、茎叶镉含量下降，提高青菜生长质量。