生物炭对重金属镉钝化效应及其土壤环境的影响

摘要

伴随经济快速发展,农田土壤重金属污染问题日益严重,2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示耕地土壤点位超标率达19.4%.其中重金属污染问题已对我国的粮食安全和食品安全造成威胁,农田土壤修复势在必行.农田土壤钝化修复技术是目前应用最广泛效果最好的修复方式,但通常所用的钝化材料如石灰,长期施用后会出现土壤板结,作物产量下降等问题.因此,探寻可循环利用的新型钝化材料显得十分有必要.近年来研究表明,生物炭作为重金属污染土壤修复的钝化材料,可以有效降低土壤中重金属的生物有效性,具有可观的修复潜力,但不同生物炭材料、不同施用量以及在不同土壤重金属污染水平下其钝化修复效果可能大不相同.为此,本研究以花生壳生物炭为试验材料,通过盆栽控制试验研究3种不同镉水平下不同生物炭施用量对小白菜生长和Cd吸收、以及土壤Cd形态、土壤养分含量、酶活性和微生物多样性等影响,以探讨生物炭对Cd污染土壤的钝化修复效果以及土壤环境质量的影响.主要结果如下: (1)生物炭添加能显著降低土壤中有效态Cd的含量.在2.5mg/kg和5.0mg/kg Cd水平下,随生物炭添加量的增加,土壤中有效态Cd占土壤总Cd的比例显著下降,其中以生物炭添加量最大的L(4)处理和H(4)处理的下降幅度最大. (2)生物炭添加可降低小白菜对镉的吸收,2.5mg/kg和5.0mg/kg Cd水平下小白菜的地上部富集系数随着生物炭添加量增加呈现显著的下降趋势.与未添加镉处理相比,L(4)处理的小白菜镉富集系数降低75.97%,H(4)处理的小白菜镉富集系数降低55.94%. (3)生物炭添加能促进小白菜生长.在三种土壤Cd水平下种植的小白菜的生物量随生物炭添加量增多而增大.当生物炭添加量为4%时,未添加Cd处理小白菜的生物量是5.0mg/kgCd处理的1.15倍,说明较高的土壤Cd含量会抑制小白菜的生长. (4)由于生物炭呈碱性,施入土壤后能显著提高土壤pH.相关性分析表明,土壤pH值与土壤中有效态Cd占总Cd的比例具有显著 的负相关关系,说明生物炭添加可通过提高土壤pH来降低Cd的有效性. (5)不同试验处理土壤铵态氮、硝态氮、速效磷和可溶性有机碳含量随时间延长呈下降趋势.与第28d相比,第90d时三种Cd水平下土壤可溶性有机碳含量分别下降了63.42%、64.54%和49.86%;速效磷含量分别降低了48.99%、61.1%和59.85%;随着生物炭添加量的增加,3种Cd水平下土壤有效养分含量呈增加的趋势,其中生物炭添加量最大的O(4)处理,L(4)处理和H(4)处理增幅最大. (6)生物炭施用对土壤酶活性的影响显著.3种Cd水平下,生物炭添加量较高时土壤脲酶活性,过氧化氢酶活性和碱性磷酸酶活性均高于生物炭用量较低的处理.但当生物炭添加量达到4%后,土壤中三种酶的活性受到抑制,活性均低于未添加生物炭的土壤酶活性水平. (7)生物炭添加对土壤细菌多样性影响显著,而土壤Cd含量变化对土壤细菌群落结构的影响不明显.土壤细菌丰度随生物炭添加量增加而提高,但当生物炭添加量超过一定限度时,细菌丰度呈显著下降.

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摘 要

ABSTRACT

1.绪论

1.1 研究进展

1.1.1 土壤重金属污染现状及其危害

1.1.2 土壤重金属污染来源及其分析

1.1.3 土壤重金属污染修复研究进展

1.2生物炭应用现状

1.2.1 生物炭历史沿革

1.2.2 生物炭及其组成

1.2.3 生物炭改良土壤

1.2.4 对土壤环境质量的影响

1.3 研究目的与意义

1.4 技术路线

2. 材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验设计

2.3 样品采集

2.4 测定方法

2.5 数据处理

3. 生物炭对镉污染土壤的钝化修复效应

3.1 生物炭钝化修复Cd污染及其影响

3.1.1 生物炭对小白菜生长及其生物量的影响

3.1.2 生物炭对小白菜地上部Cd含量的影响

3.1.3 生物炭对小白菜地上部Cd富集的影响

3.2 生物炭添加对土壤Cd含量的影响

3.2.1 土壤中总Cd含量与有效态Cd含量变化情况

3.2.2 土壤中有效态Cd占总Cd的比例的变化情况

3.3 生物炭对各处理土壤pH的影响

3.4 土壤特性与小白菜Cd吸收的关系

3.4.1 土壤pH值与有效态Cd含量占比的关系

3.4.2 Cd的富集量与土壤有效态Cd含量的关系

3.5讨论

3.6小结

4. 生物炭对镉污染土壤环境质量的影响

4.1 生物炭对Cd污染土壤养分含量的影响

4.1.1 生物炭对Cd污染土壤可溶性有机碳的影响

4.1.2 生物炭对Cd污染土壤速效磷的影响与分析

4.1.3 生物炭对Cd污染土壤硝态氮的影响与分析

4.1.4 生物炭对Cd污染土壤铵态氮的影响与分析

4.2 生物炭对Cd污染土壤酶活性的影响

4.2.1 生物炭对Cd污染土壤脲酶活性与变化的影响

4.2.2 生物炭对Cd污染土壤过氧化氢酶活性的影响

4.2.3 生物炭对Cd污染土壤碱性磷酸酶活性的影响

4.3 生物炭对Cd污染土壤微生物多样性的影响

4.3.1 生物炭对土壤微生物丰度及其变化影响

4.3.2 生物炭对土壤微生物多样性指数的影响

4.3.3 细菌群落与土壤生态环境及其内在关系

4.4 讨论

4.5 小结

5. 主要结论及研究展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢