土壤铅镉污染的生物炭修复机制初探

摘要

土壤重金属污染是目前我国面临的重大粮食安全问题之一，其中，以铅(Pb)、镉(Cd)污染最为严重，它主要通过土壤-作物-食物-人体的食物链威胁人类的健康。因此，探索安全有效的污染修复措施成为农田生态系统研究的热点。生物炭因表面富含碱性基团，并且具有原料来源丰富、价格低廉、大的比表面积、良好的物理化学稳定性以及良好的环境兼容性等优点，能够吸附和固定土壤中的重金属，降低有毒元素对作物以及对环境的毒害作用，具有修复重金属污染土壤的潜力，是一种优质的土壤改良剂。本研究以不同生物炭添加量修复的Pb、Cd污染土壤为研究对象，采用BCR逐步提取法对修复三年来土壤中重金属Pb、Cd元素的赋存形态的变化规律进行了系统的分析，深入分析了Pb、Cd形态变化与土壤pH值和有机质的相关关系，并进一步考察了不同生物炭量修复下土壤微生物群落和典型酶活性的变化规律，初步探讨了生物炭修复Pb、Cd污染土壤的化学稳定与微生物响应机制，以期为生物炭应用于农田污染修复机制提供理论依据。主要研究结果如下:
　　 1.生物炭修复后，显著提高了污染土壤的pH值和土壤有机质含量。施用生物炭的处理与对照组相比，水稻季和小麦季土壤pH依次提高了0.38～0.58、0.16～0.65和0.11～0.27、0.26～0.60个单位;土壤有机质则依次提高了16％～37.9％、26.2％～50.4％和23.4％～46.3％、29.2％～51.2％。
　　 2.生物炭修复后，污染土壤中的铅和镉的赋存形态由有效态向难以利用的氧化态和残渣态转化。铅元素从2010年水稻季开始，与对照组相比，生物炭添加量为10、20、40tha-1时，水稻季和小麦季酸溶态含量依次降低了5.3％～21.8％、13.7％～31.6％、24.7％～30.9％和32.0％～35.0％;可还原态含量依次降低了10.5％～22.3％、10.0％～22.0％、21.9％～22.9％和16.0％～13.3％;可氧化态含量依次降低了42.9％～43.5％、6.0％～27.6％、31.3％～16.6％，而2012年小麦季可氧化态铅元素则变化趋势不明显。镉元素从2010年水稻季开始，与对照组相比，水稻季和小麦季酸溶态含量依次降低了30.2％～19.0％、5.9％～37.6％、15.3％～26.7％和21.7％～13.7％;可还原态含量依次降低了19.6％～30.7％、14.8％～35.2％、18.8％～25.6％和6.3％～26.1％;可氧化态含量在2010年和2011年水稻季依次降低了61.6％～44.3％和69.2％～46.2％，在小麦季则没有显著的变化。数学模拟结果表明，土壤pH值、有机质与酸溶态、还原态和氧化态Pb、Cd呈显著负相关。
　　 3.生物炭修复后，重金属污染土壤中细菌、真菌、放线菌的数量都显著增加。生物炭添加量为10、20、40tha-1时，2011年水稻季重污染土壤的细菌数量依次增加了46.6％、76.4％和325.5％;放线菌数量依次增加了5.11％、15.3％和38.6％;真菌依次增加了452％、321.7％和678.3％。
　　 4.生物炭修复后，2011年水稻季重污染土壤，在生物炭添加量为10、20、40tha-1时，磷酸酶的活性分别增加了30％、73％和193％;蔗糖酶的活性分别增加了15％、259％和308％;纤维素酶的活性分别增加了117％、178％和123％;脲酶的活性仅在生物炭添加量为20、40tha-1时分别增加了1％和31％。
　　 研究结果能够为深入探讨重金属污染土壤的生物炭修复机制提供基础数据和科学依据，对生物炭的土壤污染修复和农业可持续利用具有重要的意义。