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由于历史上粗放型的采矿和冶炼活动,石门雄黄矿区遗留了多处高度退化的重度砷(As)污染土壤,这对当地居民健康和生态安全造成了危害,因此,对此类土壤进行严格管控和生态恢复显得尤为重要。本文以石门雄黄矿区重度As污染土壤为研究对象,在阐明空气稳定型纳米零价铁(A-nZVI)对溶液体系中As的吸附性能与反应机理的基础上,研究了A-nZVI对该矿山土壤As的钝化效能及其对土壤生物功能恢复的有效性,以期为重度As污染土壤的管控和生态功能恢复提供有益途径。主要研究结论如下:(1)A-nZVI对As(Ⅲ)、As(Ⅴ)的吸附过程符合准一级、准二级动力学和Langmuir等温吸附模型。当As的初始浓度为250 mg/L时,A-nZVI对As(Ⅲ)、As(V)的吸附反应非常迅速,其去除率在2.5 h达到峰值,分别为80.6%和37.8%;A-n ZVI对As(Ⅲ)、As(V)的Langmuir理论饱和吸附值分别为92.4和44.1 mg/g。(2)XRD和XPS结果表明,A-nZVI具有双重As氧化还原功能。A-n ZVI与As(Ⅲ)溶液反应时,34.5%的As(Ⅲ)被氧化为As(V),4.0%的As(Ⅲ)被还原为As(0);与As(V)溶液反应时,35.8%的As(V)被还原为As(Ⅲ)。(3)当A-nZVI添加量≥0.2%(w/w)时,土壤As在中性环境下的溶出浓度下降44.2–74.7%。然而,合成沉降浸出实验(SPLP,pH4.2)结果表明,A-nZVI对土壤As的固定作用因大量酸输入而受到削弱。此外,土柱酸雨淋溶实验表明,A-nZVI对土壤As的钝化效能至少可在该地区降水集中(800 mL)的一个雨季期间保持稳定。因此,为长期稳定该地易受酸性降水影响的土壤As,建议可进一步利用富含阳离子结合位点的改良剂以增强质子络合并抑制含As铁氧化物的溶解,从而保持A-nZVI的长期有效性。(4)0.2–1%A-nZVI(w/w)处理明显恢复了土壤脱氢酶活性,这说明A-nZVI有效减轻了土壤As的生物毒性。同时,与附近林地土壤(F-CK)相比,供试土壤细菌群落中放线菌门的相对丰度降低了66%,而芽单胞菌门相对丰度升高,A-nZVI处理使两者均表现出向F-CK逐渐转变的趋势,表明A-n ZVI通过降低该土壤As的生物有效性而对土壤微生物群落的恢复产生有利的推动作用。(5)0.2%A-nZVI在促进黑麦草生长发育方面最有效,同时,利用梯度扩散薄膜技术(DGT),发现0.2%A-nZVI使苜蓿的根际土壤有效态As平均下降了47.1%,但A-nZVI处理中的黑麦草和苜蓿体内As浓度仍然比F-CK高出1.4–2.0倍,由此可见,A-nZVI对该土壤As的稳定钝化只能为土壤生态系统恢复初期的植物定居提供一个良好的开端,土壤As的生物有效性可在接下来的群落演替过程中发生进一步衰减。此外,A-nZVI减少了黑麦草对K和Zn等有益矿质养分的吸收,因此,从植被恢复的角度考虑,有必要向钝化处理土壤补充矿物缓释肥料,以改善土壤肥力,促进先锋植物的生长。