牡蛎壳与磷石膏协同固定旱地土壤中砷(V)和镉的优化策略研究

为解决旱地土壤中砷(As(V))和镉(Cd)复合污染的同步固定难题，研究人员创新性地利用富含钙的工业副产品牡蛎壳(OS)和磷石膏(PG)，通过土壤微宇宙实验和盆栽验证，确定了40:60的OS:PG最优配比，使As(V)和Cd的有效态浓度分别降低12.9%和31.4%，且不影响作物产量。该研究为多金属污染土壤修复提供了经济高效的钙基材料联用方案。

　　

砷(As)和镉(Cd)作为典型的重金属(类金属)(HMs)，在农业土壤中的复合污染问题日益严峻。当它们的浓度超过安全阈值时，会通过食物链威胁人类健康。全球范围内，中国2.7%和7.0%的耕地分别受到As和Cd污染，而韩国等国家已制定严格限值标准(As≤12 mg kg^-1
，Cd≤4 mg kg^-1
)。然而，As(V)和Cd的化学性质截然不同：As(V)在好氧条件下以AsO₄
^3-
形态存在，需降低pH以增强土壤吸附；而Cd²⁺
则需提高pH促进碳酸盐沉淀。这种矛盾特性使得传统单一修复材料难以实现同步固定。

针对这一挑战，韩国釜山国立大学的研究团队在《Journal of Agriculture and Food Research》发表研究，创新性地将两种钙基工业副产品——碱性牡蛎壳(OS，含CaCO₃

95%)和酸性磷石膏(PG，主成分为CaSO₄
)结合使用。通过微宇宙实验系统评估不同配比材料在酸性(pH 5.69)、中性(pH 7.02)和碱性(pH 8.65)土壤中的固定效果，并采用盆栽实验验证实际应用潜力。关键技术包括：1) 人工污染土壤的湿法老化处理；2) 利用0.05 M (NH₄
)₂
SO₄
和0.1 M CaCl₂
提取有效态As(V)和Cd；3) 通过Visual MINTEQ 3.1模型计算矿物饱和指数(SI)；4) ICP-MS测定金属浓度。

土壤微宇宙实验
单独效应分析：OS显著固定Cd，在酸性土壤中通过提升pH使CdCO₃
饱和指数(SI)转正，降低76.1%有效态Cd；PG则通过降低pH使中性土壤有效态As(V)减少20.6%，主要依赖表面络合而非矿物沉淀(SI=-12.03)。

协同效应验证：中性土壤中，40:60的OS:PG配比通过二次回归分析确定为最优方案，使As(V)和Cd同步降低12.9%和31.4%。该比例下土壤pH调整为7.13，既满足As(V)吸附的酸性需求，又提供足够碱性促进CdCO₃
形成(SI=0.178)。

盆栽验证实验
以4 Mg ha^-1
施用最优配比材料(MCF)后，萝卜体内As和Cd含量分别降低16.4%和43.8%，且作物生物量无显著变化。值得注意的是，Cd吸收量(7.90 μg kg^-1
)显著高于As(1.56 μg kg^-1
)，印证其更高生物有效性。

这项研究首次系统论证了OS与PG联用的协同机制：OS提供的CO₃
^2-
促进Cd沉淀，而PG的SO₄
^2-
通过离子交换强化As(V)固定。相较于单一材料，40:60配比在降低83%用量的情况下仍保持优异效果。该策略不仅实现工业废料资源化(OS来自渔业加工，PG源于磷肥生产)，其2.2–8.2 Bq kg^–1
的Ra-226活度也远低于国际安全标准。研究为旱地土壤多金属污染治理提供了兼具经济性和环境友好性的解决方案，尤其适用于东亚地区普遍存在的酸性至中性污染农田。未来需进一步开展大田试验验证长期稳定性，并探究微生物群落对固定过程的调控作用。