有机物料对Pb2+的吸附特性及对铅污染麦田的修复效应

摘要

铅(Pb)是环境中典型的重金属污染物，在水体和土壤中都有富集。农田土壤的Pb污染对生态环境质量、粮食安全生产、人类健康都有严重危害，而农业生产中所产生的废弃物如秸秆、畜禽粪便等都可以作为重金属原位修复材料，对农业废弃物资源化利用和经济可持续发展具有重要意义。但不同有机物料的吸附特性有差异，对重金属农田的修复效果也受到多种因素的影响，因此本研究选用玉米秸秆、鸡粪、食用菌菌渣、锯末生物炭四种有机物料，表征了不同材料的理化性质，分析了它们对溶液Pb2+的吸附特性，并在此基础上重点考察了四种材料对Pb污染麦田的修复效应，测定指标包括土壤理化性质、土壤微生物群落结构及多样性、重金属形态分布及迁移性、小麦植株生长和光合动态变化以及产量等。
　　本研究主要内容包括：⑴通过室内分析可知，四种有机物料含有羟基、羧基等官能团，能够有效地吸附Pb2+，但吸附特性有一定差异。在pH1～6范围内，秸秆、鸡粪和生物炭受pH影响较大，最佳pH为5;菌渣受pH影响较小，最佳pH为2，当pH继续增大时，吸附量下降幅度较小。温度25℃，pH为5时四种材料均能较快地达到吸附平衡。四种材料对Pb2+的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温方程，其中生物炭的平衡吸附量远高于其他三种材料，达到411.52 mg·g-1。⑵通过盆栽试验发现，添加600mg·kg-1Pb后土壤pH下降，在越冬期和成熟期的下降幅度更大，有机质含量和土壤阳离子交换量则有一定程度的升高。在Pb污染土壤中添加秸秆或鸡粪有降低土壤pH的趋势。添加菌渣或生物炭能够明显提高土壤pH，对于有机质含量的提升也有促进作用。添加菌渣对阳离子交换量的增长也有明显的正向作用。⑶通过DTPA和BCR提取法分析得知，添加600 mg·kg-1Pb后，土壤各形态铅含量均显著增加。秸秆和鸡粪不同程度地提高了土壤DTPA有效态、可交换态和可还原态Pb含量及比例。添加菌渣后污染土壤中Pb全量、有效态含量及比例、可交换态和可氧化态含量及比例均最低。添加生物炭后污染土壤中可氧化态和残渣态的含量及比例升高。⑷不同时期，向Pb污染土壤中添加秸秆、鸡粪、菌渣或生物炭对植株中Pb含量以及转运和富集系数的影响不一致，但都没有增加植株可食用部位对Pb的富集，其中菌渣和生物炭的处理降低了成熟期籽粒中Pb含量。⑸高通量测序结果显示，添加600 mg·kg-1Pb后，土壤中细菌物种总数和多样性下降，其中放线菌的相对丰度升高，真菌物种总数和多样性升高，其中纤毛亚门的丰度下降而子囊菌门的相对丰度升高。向Pb污染土壤中添加鸡粪、菌渣、生物炭后，细菌物种总数有所升高，以菌渣的影响最大，其中放线菌的相对丰度均下降。添加秸秆、鸡粪、生物炭使污染土壤中真菌的物种总数下降;添加四种有机物料均可以使真菌物种多样性增加，其中子囊菌门的相对丰度有所下降，纤毛亚门、壶菌门和接合菌门的相对丰度则有所升高，以鸡粪、菌渣和生物炭的效果较明显。⑹向土壤中添加600mg·kg-1Pb提高了越冬期小麦地上部干物质量，但对成熟期各产量性状有显著的抑制作用。生物炭对小麦花后15d和30d的净光合速率有一定提升作用，菌渣对整个生育期小麦根部生长有显著的促进作用，鸡粪、菌渣和生物炭都能够提高成熟期小麦地上部干物质积累量，优化成熟期各产量性状，而秸秆没有缓解Pb对小麦成熟期干物质积累以及各产量性状的胁迫效应。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 有机物料表征及吸附特性

1．2．2 有机物料对土壤-植物系统重金属污染的原位修复效应

1．2．3 有机物料对土壤重金属污染的原位修复机理

1．2．4 有机物料修复土壤重金属污染的影响因素

1．3 研究目的及意义

1．4 技术路线

第二章 有机物料的性状表征及吸附特性

2．1 材料与方法

2．1．1 供试材料

2．1．2 试验设计

2．1．3 测试方法

2．1．4 数据处理与分析

2．2 结果与分析

2．2．1 有机物料表面形态分析

2．2．2 有机物料官能团分析

2．2．3 不同试验条件下有机物料吸附效果分析

2．2．4 有机物料吸附动力学分析

2．2．5 有机物料吸附等温线分析

2．3 本章小结

第三章 有机物料施用对Pb污染下土壤-小麦系统的环境效应

3．1 材料与方法

3．1．1 供试材料

3．1．2 试验设计

3．1．3 测试方法

3．1．4 数据处理与分析

3．2 结果与分析

3．2．1 有机物料施用对铅污染麦田土壤理化性质的影响

3．2．2 有机物料施用对土壤重金属形态分布的影响

3．2．3 有机物料施用对土壤-小麦系统重金属转运富集规律的影响

3．2．4 有机物料施用对土壤微生物群落结构及多样性的影响

3．3 本章小结

第四章 有机物料施用对Pb污染下土壤-小麦系统的农学效应

4．1 材料与方法

4．1．1 供试材料

4．1．2 试验设计

4．1．3 测试方法

4．1．4 数据处理与分析

4．2 结果与分析

4．2．1 有机物料施用对铅污染下小麦生长特征的影响

4．2．2 有机物料施用对铅污染下小麦花后相对叶绿素含量的影响

4．2．3 有机物料施用对铅污染下小麦花后叶绿素荧光参数的影响

4．2．4 有机物料施用对铅污染下小麦花后净光合速率的影响

4．2．5 有机物料施用对铅污染下小麦产量及产量性状的影响

4．3 本章小结

第五章 讨论

5．1 不同有机物料对Pb2+的表征及吸附特性

5．2 Pb污染对土壤-小麦生态系统的危害

5．3 有机物料对Pb污染下土壤-小麦系统的修复效应

第六章 研究展望

参考文献

致谢

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