柠檬酸-镧改性粉煤灰对盐碱土壤-苜蓿系统中重金属迁移转化的调控机制及生态安全阈值研究

本研究针对盐碱土壤中重金属与类金属污染问题，探讨了柠檬酸-镧改性粉煤灰(CLFA)作为土壤改良剂的潜力。通过盆栽实验，研究人员系统评估了不同比例CLFA对土壤中Pb、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、As、Hg等八种元素的形态转化、苜蓿吸收特性及生态风险的影响。结果表明，5% CLFA处理能显著提高重金属残渣态比例至60%以上，有效降低Cd等高风险元素的生物有效性和生态风险系数，为工业固废资源化利用和盐碱地重金属污染治理提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着工业化和农业现代化的快速发展，重金属与类金属污染已成为全球性的环境问题，特别是在盐碱土壤区域，这一问题尤为突出。盐碱土壤本身具有pH值高、盐分含量大、土壤结构差等特点，这些条件不仅影响作物生长，还会加剧重金属的活性和迁移能力，对生态系统和农产品安全构成严重威胁。与此同时，燃煤电厂产生的大量粉煤灰如何处理和资源化利用，也是当前环境保护和可持续发展面临的重要挑战。粉煤灰虽然具有一定的吸附性能，但其本身含有的重金属元素可能造成二次污染，限制了其在农业领域的应用。因此，开发一种既能有效固化土壤重金属，又不会引入新污染的高效改良剂，成为当前研究的热点。

在这一背景下，内蒙古科技大学矿业与煤炭学院的任恩亮、张茹欣、邱宣皓等研究人员在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上发表了一项创新性研究，探讨了柠檬酸-镧改性粉煤灰（CLFA）对盐碱土壤-苜蓿系统中重金属迁移转化的调控机制及生态安全阈值。该研究通过系统的盆栽实验和多种分析技术，揭示了CLFA在重金属形态转化、植物吸收阻控及生态风险降低方面的显著效果，为工业固废的安全农用和盐碱地修复提供了新思路。

为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先通过化学浸渍法合成CLFA材料，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、比表面积分析（BET）和扫描电子显微镜-能谱联用（SEM-EDS）对其进行表征；其次，以内蒙古巴彦淖尔市五原县的盐碱土壤为研究对象，设置不同CLFA添加比例的盆栽实验；第三，采用BCR连续提取法分析土壤中重金属的化学形态；第四，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定土壤和植物样品中的重金属含量；最后，运用单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和哈克逊潜在生态风险指数等多种评价方法进行生态安全评估。

研究结果主要体现在以下几个方面：

3.1. 粉煤灰表征

通过材料表征发现，柠檬酸-镧改性使粉煤灰的比表面积提高了1.87倍，达到27.19 m²·g^-1，并成功引入了羧基官能团和La-O键，为重金属吸附提供了更多活性位点。改性后CLFA中Cr、Ni、As浓度降至土壤背景值以下，但Pb、Cd、Cu、Zn、Hg浓度仍高于背景值。

3.2. 不同生长阶段土壤重金属含量变化

在整个苜蓿生长周期中，与对照（CK）相比，未改性粉煤灰（FA）处理显著提高了土壤中八种重金属的含量，而CLFA处理则表现出更好的重金属稳定化效果，其中5% CLFA处理对Pb、Cd、Hg等高风险元素的抑制效果最为明显。

3.3. 重金属环境安全评估

单因子污染指数评价显示，Cd是主要的污染因子，在所有处理中均超过1，达到轻度或中度污染水平。内梅罗综合污染指数评价表明，CLFA处理组的污染等级为重度污染，但5% CLFA处理显著降低了Cd和Hg的潜在生态风险系数。

3.4. 粉煤灰对土壤重金属形态的影响

形态分析结果表明，CLFA处理显著提高了重金属的残渣态比例，降低了酸可提取态和可还原态比例。5% CLFA处理使重金属残渣态比例超过60%，有效降低了其生物有效性。

3.5. RSP和RAC评价

次生相与原生相比值（RSP）和风险评估码（RAC）分析进一步证实，CLFA处理显著降低了重金属的形态生态风险，特别是对Cd和Pb的迁移性有明显抑制作用。

3.6. 苜蓿地下和地上部分重金属含量

植物体内重金属分布分析表明，重金属主要积累在根部，地上部含量较低。CLFA处理有效抑制了重金属向地上部的转运，尤其是Cd的积累显著降低。

3.7. 重金属在苜蓿中的地下-地上转移特性

生物富集系数（BCF）和转运因子（TF）分析显示，5% CLFA处理使Cd的根富集系数和转运因子分别降低了9.79%和9.82%，表明CLFA能有效阻控重金属在植物体内的迁移。

在讨论部分，研究人员深入分析了CLFA对重金属的固定化机制，认为其主要通过表面羧基络合、镧系离子交换和共沉淀等作用实现重金属的稳定化。同时，研究也指出，过量使用CLFA（如15%）可能导致重金属的再活化，因此需要确定最佳施用比例。此外，CLFA对不同重金属的选择性调控作用，为平衡植物营养元素吸收和有毒元素阻控提供了可能。

该研究的结论表明，柠檬酸-镧改性粉煤灰能有效调控盐碱土壤-苜蓿系统中重金属的迁移转化，5%的添加比例是最佳选择，能显著提高重金属的残渣态比例，降低其生物有效性和生态风险。这不仅为粉煤灰的资源化利用提供了新途径，也为盐碱地重金属污染治理和饲料安全生产提供了技术支持和理论依据。未来研究可进一步探讨CLFA的长期稳定性及其在不同环境条件下的应用效果，以推动其在实际农业生产中的广泛应用。