施特鲁维特（Struvite）作为土壤改良剂在酸性土壤中有效修复重金属的应用：效果与机理

《Process Safety and Environmental Protection》：Struvite as soil conditioner for the effective remediation of heavy metals in acidic soil: performance and mechanism

本研究通过45天土壤孵化实验，评估从磷石膏滤液中回收的鸟粪石对两种酸性土壤中Cu和Cd污染的修复效果。结果显示，鸟粪石显著提高土壤pH（增幅1.82-2.45和0.79-1.63），减少交换态和残留态重金属比例，同时增加碳酸盐结合、铁锰氧化物结合及有机质结合形态。土壤酶活性（如磷酸酶）显著提升，促进有机质分解和养分循环，从而增强重金属固化效果。研究表明，鸟粪石作为土壤改良剂可同时改善土壤酸性和重金属污染问题，为可持续农业提供新策略。

　　

余远坤|刘国伟|王伟|刘晓宁

中国武汉大学水资源工程与管理国家重点实验室，武汉430072

摘要

土壤酸化和重金属污染对可持续农业生产构成了重大挑战。本研究通过45天的土壤培养实验，评估了从磷石膏浸出液中回收的硫铝石在修复两种酸性土壤（pH值分别为5.40和6.32）中的铜（Cu）和镉（Cd）污染方面的有效性。施用硫铝石后，土壤pH值分别提高了1.82–2.45单位和0.79–1.63单位。随着硫铝石用量的增加，可交换态和残余态的Cu和Cd含量下降，而碳酸盐结合态、铁/锰氧化物结合态和有机结合态的含量增加。硫铝石的溶解还提高了土壤肥力，尽管20天和45天时养分水平没有显著差异，表明溶解主要发生在前20天内。土壤酶活性变化不一：碱性磷酸酶活性在两种土壤中分别增加了20.0–93.3%和5.50–45.0%，促进了有机物的降解和养分的有效性，从而进一步固定了重金属。多元分析显示，土壤pH值是影响重金属形态和养分动态的主要因素，仅与过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性呈显著正相关。修复效果取决于土壤性质和硫铝石用量，酸性越强的土壤改善效果越明显。固定机制包括pH值诱导的重金属生物可利用性降低，以及表面吸附、络合和沉淀作用。这些发现表明，硫铝石是一种有效的、可持续的土壤改良剂，可用于固定酸性土壤中的重金属，从而改善作物生产条件。

引言

中国的酸性土壤主要分布在南方和东北部的红壤和黄壤地区，这些地区容易发生养分流失、肥力低下和重金属污染（Yadav等，2020；Xu等，2022）。土壤酸化的加剧主要归因于过度施肥、酸雨和氮（N）沉积（Zhang等，2023a）。同时，常见重金属（如铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）和镉（Cd）在酸性土壤中的溶解度和生物可利用性增强（Xu等，2022；Kumar等，2024）。这些重金属可能被作物进一步吸附，威胁食品安全和人类健康。此外，酸性土壤中的磷（P）容易与铁（Fe）、锰（Mn）、铝（Al）形成不溶性复合物（Yadav等，2020），降低其移动性和植物的可利用性。因此，土壤酸化不仅导致养分缺乏，还加剧了重金属的毒性，使得修复对于可持续农业至关重要。

通过添加改良剂进行原位固定已被认为是修复金属污染土壤的可靠策略（Kumpiene等，2008；Yang等，2017）。据报道，包括含磷材料、生物炭、有机肥料、钢渣在内的多种改良剂可以固定重金属、中和pH值并提高酸性土壤的肥力（Kim等，2008；Neupane和Donahoe，2013；Pu等，2024；Radziemska等，2019）。例如，生物炭可以通过吸附和络合作用稳定土壤中的重金属（Li等，2019；Lucchini等，2024；Sun等，2023），但其对土壤性质的影响可能不一致，且成本较高（Gong等，2022）。石灰是另一种常用的酸性土壤改良剂。Li等（2008）通过盆栽实验得出结论，石灰对受Cu和Cd污染的稻田土壤效果最佳，可使谷物中的Cu和Cd含量降低23.0%至50.4%。然而，石灰的吸附能力较差，长期使用可能导致土壤压实和肥力下降（Haynes和Naidu，1998）。钢渣虽然有效，但可能引入重金属和放射性元素（Kim等，2008）。因此，这些改良剂存在复杂性、高成本和潜在二次污染等限制，限制了其广泛应用。

有效修复酸性土壤需要同时调整pH值和提高肥力（Kim等，2008）。来自废物流的改良剂，如硫铝石（MgNH₄PO₄ 6H₂O）、羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂（HAP）等，为固定重金属提供了经济高效且环保的替代方案（Qiu等，2024）。硫铝石是一种通过结晶从高磷废水中提取的缓释肥料，可以显著降低磷浓度，同时回收有价值的养分（N、P、Mg）（Le Corre等，2009；Liu等，2021；Qiu等，2024）。硫铝石晶体在中性条件下溶解度较低，但在酸性溶液和有机酸中溶解度很高（Le Corre等，2009），与传统高溶性肥料相比，可以长期缓慢释放养分。同时，硫铝石还能增加土壤中的镁（Mg）和pH值（Rahman等，2011）。因此，通过硫铝石释放的磷酸盐与重金属形成金属磷酸盐，可以实现土壤中重金属的固定（Moragaspitiya等，2020；Zhang等，2023）。因此，硫铝石的应用理论上可以在缓释多养分肥料和土壤改良剂方面发挥双重作用。

大多数关于硫铝石修复的研究使用的是人工添加金属的土壤（Moragaspitiya等，2020；Zhang等，2023b；Qiu等，2024），这可能无法完全反映自然污染田地的实际情况。此外，很少有研究全面评估硫铝石对酸性土壤中重金属形态和土壤酶活性的影响。因此，本研究在45天的培养期间研究了硫铝石改良剂对两种自然污染酸性土壤的影响。我们假设施用硫铝石会降低重金属的生物可利用性，提高土壤pH值，并改善土壤肥力。通过综合分析土壤pH值、养分、金属形态和酶活性，本研究旨在阐明固定机制，并为硫铝石作为可持续土壤改良剂的农业应用提供理论基础。

材料制备

所测试的硫铝石来自中国湖北省一家肥料生产公司的磷石膏浸出液，经过两阶段的碱性预处理和结晶沉淀工艺制备（Tang等，2025）。获得的白色硫铝石粉末的P₂O₅含量约为29.8%，N含量为4.81%，Mg含量为15.2%，重金属含量极低（低于0.001%）。两种测试土壤取自武汉市郊（1#土壤：

土壤pH值

两种土壤的初始pH值分别为5.40±0.04和6.36±0.05，在培养期间pH值均显著上升（图1）。45天后，1#土壤和2#土壤在S1-S4处理下的pH值分别达到7.22±0.01、7.77±0.05、7.85±0.04、7.81±0.06、7.55±0.04、7.86±0.05、7.91±0.03、7.99±0.06。施用硫铝石后，1#土壤的pH值上升幅度大于2#土壤。总体而言，两种土壤的pH值

结论

在这项45天的培养研究中，施用硫铝石显著提高了土壤pH值，尤其是在酸性更强的土壤中效果更明显。可交换态和残余态的Cu和Cd含量下降，而碳酸盐结合态、有机结合态和铁/锰氧化物结合态的含量增加。土壤肥力（OM、TN、TP、AP）得到改善，AP的增加与硫铝石的溶解和有机磷的矿化有关。酶活性变化不一：碱性磷酸酶活性显著增加（20.0–93.3%）

未引用参考文献

(Mills, 1994, Peng et al., 2017, Ruiz-navarro et al., 2023, Siddaramappa et al., 1994, Violante et al., 2008, Xu et al., 2023)

CRediT作者贡献声明

刘国伟：资源获取、方法学设计、实验研究。余远坤：初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析。刘晓宁：审稿与编辑、项目管理、资金筹集、数据分析、概念构思。王伟：数据可视化、实验监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了湖北省自然科学基金（2024AFB801）和双一流计划项目（2025-1404-013）的支持。我们还要感谢武汉大学核心设施提供的分析设备支持。